యాంటెన్నా-రెక్టిఫైయర్ సహ-రూపకల్పన
పటం 2లోని EG టోపాలజీని అనుసరించే రెక్టెన్నాల లక్షణం ఏమిటంటే, యాంటెన్నా 50Ω ప్రమాణానికి బదులుగా నేరుగా రెక్టిఫైయర్కు మ్యాచ్ చేయబడి ఉంటుంది, దీనికి రెక్టిఫైయర్కు పవర్ ఇవ్వడానికి మ్యాచింగ్ సర్క్యూట్ను తగ్గించడం లేదా తొలగించడం అవసరం. ఈ విభాగం 50Ω కాని యాంటెన్నాలతో కూడిన SoA రెక్టెన్నాల మరియు మ్యాచింగ్ నెట్వర్క్లు లేని రెక్టెన్నాల ప్రయోజనాలను సమీక్షిస్తుంది.
1. విద్యుత్ పరంగా చిన్న యాంటెనాలు
సిస్టమ్ పరిమాణం కీలకమైన అనువర్తనాలలో LC రెసోనెంట్ రింగ్ యాంటెనాలు విస్తృతంగా ఉపయోగించబడ్డాయి. 1 GHz కంటే తక్కువ పౌనఃపున్యాల వద్ద, తరంగదైర్ఘ్యం కారణంగా ప్రామాణిక డిస్ట్రిబ్యూటెడ్ ఎలిమెంట్ యాంటెనాలు సిస్టమ్ మొత్తం పరిమాణం కంటే ఎక్కువ స్థలాన్ని ఆక్రమించవచ్చు, మరియు శరీరంలో అమర్చే ఇంప్లాంట్ల కోసం పూర్తిగా ఇంటిగ్రేటెడ్ ట్రాన్స్సీవర్ల వంటి అనువర్తనాలు WPT కొరకు విద్యుత్ పరంగా చిన్న యాంటెనాల వాడకం నుండి ప్రత్యేకంగా ప్రయోజనం పొందుతాయి.
చిన్న యాంటెన్నా యొక్క అధిక ప్రేరక అవరోధాన్ని (అనునాదానికి దగ్గరగా) రెక్టిఫైయర్ను నేరుగా కలపడానికి లేదా అదనపు ఆన్-చిప్ కెపాసిటివ్ మ్యాచింగ్ నెట్వర్క్తో ఉపయోగించవచ్చు. విద్యుత్ పరంగా చిన్న యాంటెన్నాలు WPTలో 1 GHz కంటే తక్కువ LP మరియు CPతో హ్యూజెన్స్ డైపోల్ యాంటెన్నాలను ఉపయోగించి నివేదించబడ్డాయి, దీనిలో ka=0.645 కాగా, సాధారణ డైపోల్స్లో (ka=2πr/λ0) ka=5.91 ఉంటుంది.
2. రెక్టిఫైయర్ కాంజుగేట్ యాంటెన్నా
ఒక డయోడ్ యొక్క సాధారణ ఇన్పుట్ ఇంపిడెన్స్ అధిక కెపాసిటివ్గా ఉంటుంది, కాబట్టి కాంజుగేట్ ఇంపిడెన్స్ను సాధించడానికి ఒక ఇండక్టివ్ యాంటెన్నా అవసరం. చిప్ యొక్క కెపాసిటివ్ ఇంపిడెన్స్ కారణంగా, అధిక ఇంపిడెన్స్ గల ఇండక్టివ్ యాంటెన్నాలు RFID ట్యాగ్లలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. ఇటీవల, కాంప్లెక్స్ ఇంపిడెన్స్ RFID యాంటెన్నాలలో డైపోల్ యాంటెన్నాలు ఒక ట్రెండ్గా మారాయి, ఇవి వాటి రెసొనెంట్ ఫ్రీక్వెన్సీకి సమీపంలో అధిక ఇంపిడెన్స్ (రెసిస్టెన్స్ మరియు రియాక్టెన్స్)ను ప్రదర్శిస్తాయి.
ఆసక్తి ఉన్న ఫ్రీక్వెన్సీ బ్యాండ్లో రెక్టిఫైయర్ యొక్క అధిక కెపాసిటెన్స్కు సరిపోలడానికి ఇండక్టివ్ డైపోల్ యాంటెనాలను ఉపయోగించారు. ఫోల్డెడ్ డైపోల్ యాంటెనాలో, డబుల్ షార్ట్ లైన్ (డైపోల్ ఫోల్డింగ్) ఒక ఇంపీడెన్స్ ట్రాన్స్ఫార్మర్గా పనిచేస్తుంది, ఇది అత్యంత అధిక ఇంపీడెన్స్ యాంటెనా రూపకల్పనకు వీలు కల్పిస్తుంది. ప్రత్యామ్నాయంగా, బయాస్ ఫీడింగ్ అనేది ఇండక్టివ్ రియాక్టెన్స్తో పాటు వాస్తవ ఇంపీడెన్స్ను కూడా పెంచడానికి బాధ్యత వహిస్తుంది. బహుళ బయాస్డ్ డైపోల్ ఎలిమెంట్లను అసమతుల్య బో-టై రేడియల్ స్టబ్లతో కలపడం ద్వారా డ్యూయల్ బ్రాడ్బ్యాండ్ అధిక ఇంపీడెన్స్ యాంటెనా ఏర్పడుతుంది. పటం 4 కొన్ని నివేదించబడిన రెక్టిఫైయర్ కాంజుగేట్ యాంటెనాలను చూపుతుంది.
చిత్రం 4
RFEH మరియు WPT లలో రేడియేషన్ లక్షణాలు
ఫ్రీస్ నమూనాలో, ట్రాన్స్మిటర్ నుండి d దూరంలో ఉన్న యాంటెన్నా ద్వారా స్వీకరించబడిన పవర్ PRX అనేది రిసీవర్ మరియు ట్రాన్స్మిటర్ గెయిన్ల (GRX, GTX) యొక్క ప్రత్యక్ష ప్రమేయం.
యాంటెన్నా యొక్క ప్రధాన లోబ్ డైరెక్టివిటీ మరియు పోలరైజేషన్ అనేవి పతన తరంగం నుండి సేకరించబడిన శక్తి పరిమాణాన్ని నేరుగా ప్రభావితం చేస్తాయి. యాంటెన్నా రేడియేషన్ లక్షణాలు అనేవి యాంబియంట్ RFEH మరియు WPT (పటం 5) మధ్య తేడాను చూపే కీలక పారామీటర్లు. ఈ రెండు అనువర్తనాలలోనూ ప్రసార మాధ్యమం తెలియకపోవచ్చు మరియు స్వీకరించిన తరంగంపై దాని ప్రభావాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకోవలసి ఉన్నప్పటికీ, ప్రసారం చేసే యాంటెన్నా గురించిన జ్ఞానాన్ని ఉపయోగించుకోవచ్చు. పట్టిక 3 ఈ విభాగంలో చర్చించిన కీలక పారామీటర్లను మరియు RFEH మరియు WPT లకు వాటి అనువర్తనీయతను గుర్తిస్తుంది.
చిత్రం 5
1. దిశానిర్దేశం మరియు లాభం
చాలా RFEH మరియు WPT అనువర్తనాలలో, కలెక్టర్కు పతన వికిరణం యొక్క దిశ తెలియదని మరియు లైన్-ఆఫ్-సైట్ (LoS) మార్గం లేదని భావించబడుతుంది. ఈ పనిలో, ట్రాన్స్మిటర్ మరియు రిసీవర్ మధ్య ప్రధాన లోబ్ అమరికతో సంబంధం లేకుండా, తెలియని మూలం నుండి స్వీకరించిన శక్తిని గరిష్ఠం చేయడానికి బహుళ యాంటెన్నా రూపకల్పనలు మరియు అమరికలు పరిశోధించబడ్డాయి.
పర్యావరణ RFEH రెక్టెన్నాలలో ఓమ్నిడైరెక్షనల్ యాంటెనాలు విస్తృతంగా ఉపయోగించబడ్డాయి. సాహిత్యంలో, యాంటెనా యొక్క ఓరియంటేషన్ను బట్టి PSD మారుతుంది. అయితే, పవర్లోని ఈ మార్పుకు వివరణ ఇవ్వబడలేదు, కాబట్టి ఈ మార్పు యాంటెనా యొక్క రేడియేషన్ ప్యాటర్న్ వల్లనా లేదా పోలరైజేషన్ మిస్మ్యాచ్ వల్లనా అని నిర్ధారించడం సాధ్యం కాదు.
RFEH అనువర్తనాలతో పాటు, తక్కువ RF పవర్ డెన్సిటీ యొక్క సేకరణ సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడానికి లేదా ప్రసార నష్టాలను అధిగమించడానికి మైక్రోవేవ్ WPT కోసం అధిక-గెయిన్ డైరెక్షనల్ యాంటెనాలు మరియు శ్రేణులు విస్తృతంగా నివేదించబడ్డాయి. యాగి-ఉడా రెక్టెన్నా శ్రేణులు, బోటై శ్రేణులు, స్పైరల్ శ్రేణులు, టైట్లీ కపుల్డ్ వివాల్డి శ్రేణులు, CPW CP శ్రేణులు మరియు ప్యాచ్ శ్రేణులు అనేవి ఒక నిర్దిష్ట ప్రాంతంలో ఇన్సిడెంట్ పవర్ డెన్సిటీని గరిష్ఠంగా పెంచగల స్కేలబుల్ రెక్టెన్నా ఇంప్లిమెంటేషన్లలో కొన్ని. యాంటెనా గెయిన్ను మెరుగుపరచడానికి ఇతర విధానాలలో WPTకి ప్రత్యేకమైన మైక్రోవేవ్ మరియు మిల్లీమీటర్ వేవ్ బ్యాండ్లలో సబ్స్ట్రేట్ ఇంటిగ్రేటెడ్ వేవ్గైడ్ (SIW) టెక్నాలజీ కూడా ఉంది. అయితే, అధిక-గెయిన్ రెక్టెన్నాలు ఇరుకైన బీమ్విడ్త్లను కలిగి ఉంటాయి, ఇది ఏకపక్ష దిశలలో తరంగాల రిసెప్షన్ను అసమర్థంగా చేస్తుంది. యాంటెనా ఎలిమెంట్స్ మరియు పోర్ట్ల సంఖ్యపై జరిపిన పరిశోధనలు, త్రిమితీయ ఏకపక్ష సంఘటనను ఊహించినప్పుడు యాంబియంట్ RFEHలో అధిక డైరెక్టివిటీ అధిక హార్వెస్ట్ చేయబడిన పవర్కు అనుగుణంగా ఉండదని నిర్ధారించాయి; పట్టణ పరిసరాలలో ఫీల్డ్ కొలతల ద్వారా ఇది ధృవీకరించబడింది. అధిక-గెయిన్ శ్రేణులు WPT అనువర్తనాలకు మాత్రమే పరిమితం కావచ్చు.
అధిక-గెయిన్ యాంటెనాల ప్రయోజనాలను ఏవైనా RFEHలకు బదిలీ చేయడానికి, డైరెక్టివిటీ సమస్యను అధిగమించడానికి ప్యాకేజింగ్ లేదా లేఅవుట్ పరిష్కారాలను ఉపయోగిస్తారు. పరిసర Wi-Fi RFEHల నుండి రెండు దిశలలో శక్తిని సేకరించడానికి ఒక డ్యూయల్-ప్యాచ్ యాంటెనా రిస్ట్బ్యాండ్ ప్రతిపాదించబడింది. సిస్టమ్ వైశాల్యాన్ని తగ్గించడానికి మరియు బహుళ-దిశాత్మక హార్వెస్టింగ్ను ప్రారంభించడానికి, పరిసర సెల్యులార్ RFEH యాంటెనాలను 3D బాక్సులుగా కూడా రూపొందించి, బాహ్య ఉపరితలాలపై ప్రింట్ చేస్తారు లేదా అతికిస్తారు. క్యూబిక్ రెక్టెన్నా నిర్మాణాలు పరిసర RFEHలలో శక్తిని స్వీకరించే అధిక సంభావ్యతను ప్రదర్శిస్తాయి.
2.4 GHz, 4 × 1 శ్రేణుల వద్ద WPTని మెరుగుపరచడానికి, సహాయక పారాసిటిక్ ప్యాచ్ ఎలిమెంట్లతో సహా, బీమ్విడ్త్ను పెంచేందుకు యాంటెన్నా డిజైన్లో మెరుగుదలలు చేయబడ్డాయి. ప్రతి పోర్ట్కు బహుళ బీమ్లను ప్రదర్శిస్తూ, బహుళ బీమ్ ప్రాంతాలతో కూడిన 6 GHz మెష్ యాంటెన్నా కూడా ప్రతిపాదించబడింది. బహుళ-దిశాత్మక మరియు బహుళ-ధ్రువణ RFEH కోసం, బహుళ-పోర్ట్, బహుళ-రెక్టిఫైయర్ సర్ఫేస్ రెక్టెన్నాలు మరియు సర్వదిశాత్మక రేడియేషన్ నమూనాలతో కూడిన ఎనర్జీ హార్వెస్టింగ్ యాంటెన్నాలు ప్రతిపాదించబడ్డాయి. అధిక-గెయిన్, బహుళ-దిశాత్మక ఎనర్జీ హార్వెస్టింగ్ కోసం బీమ్ఫార్మింగ్ మ్యాట్రిక్స్తో కూడిన బహుళ-రెక్టిఫైయర్లు మరియు బహుళ-పోర్ట్ యాంటెన్నా శ్రేణులు కూడా ప్రతిపాదించబడ్డాయి.
సారాంశంలో, తక్కువ RF సాంద్రతల నుండి సేకరించిన శక్తిని మెరుగుపరచడానికి అధిక-గెయిన్ యాంటెనాలు ఉత్తమమైనవి అయినప్పటికీ, ట్రాన్స్మిటర్ దిశ తెలియని అనువర్తనాలలో (ఉదాహరణకు, తెలియని ప్రసార మార్గాల ద్వారా జరిగే యాంబియంట్ RFEH లేదా WPT) అధిక దిశాత్మక రిసీవర్లు అనువైనవి కాకపోవచ్చు. ఈ పనిలో, బహుళ-దిశాత్మక అధిక-గెయిన్ WPT మరియు RFEH కోసం బహుళ మల్టీ-బీమ్ విధానాలు ప్రతిపాదించబడ్డాయి.
2. యాంటెన్నా ధ్రువీకరణ
యాంటెన్నా పోలరైజేషన్ అనేది యాంటెన్నా ప్రసార దిశకు సాపేక్షంగా విద్యుత్ క్షేత్ర వెక్టర్ యొక్క కదలికను వివరిస్తుంది. ప్రధాన లోబ్ దిశలు సమలేఖనం చేయబడినప్పటికీ, పోలరైజేషన్ వ్యత్యాసాలు యాంటెన్నాల మధ్య ప్రసారం/స్వీకరణ తగ్గడానికి దారితీయవచ్చు. ఉదాహరణకు, ప్రసారం కోసం నిలువు LP యాంటెన్నాను మరియు స్వీకరణ కోసం క్షితిజ సమాంతర LP యాంటెన్నాను ఉపయోగిస్తే, ఎటువంటి శక్తి స్వీకరించబడదు. ఈ విభాగంలో, వైర్లెస్ స్వీకరణ సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి మరియు పోలరైజేషన్ వ్యత్యాస నష్టాలను నివారించడానికి నివేదించబడిన పద్ధతులు సమీక్షించబడ్డాయి. పోలరైజేషన్కు సంబంధించి ప్రతిపాదిత రెక్టెన్నా నిర్మాణం యొక్క సారాంశం చిత్రం 6లో ఇవ్వబడింది మరియు ఒక ఉదాహరణ SoA పట్టిక 4లో ఇవ్వబడింది.
చిత్రం 6
సెల్యులార్ కమ్యూనికేషన్లలో, బేస్ స్టేషన్లు మరియు మొబైల్ ఫోన్ల మధ్య సరళ ధ్రువణ సమలేఖనాన్ని సాధించడం అసంభవం, కాబట్టి ధ్రువణ అసమతుల్యత నష్టాలను నివారించడానికి బేస్ స్టేషన్ యాంటెనాలు ద్వంద్వ-ధ్రువణ లేదా బహుళ-ధ్రువణంగా రూపొందించబడతాయి. అయితే, మల్టీపాత్ ప్రభావాల కారణంగా LP తరంగాల ధ్రువణ వైవిధ్యం ఒక అపరిష్కృత సమస్యగా మిగిలిపోయింది. బహుళ-ధ్రువణ మొబైల్ బేస్ స్టేషన్ల ఊహ ఆధారంగా, సెల్యులార్ RFEH యాంటెనాలు LP యాంటెనాలుగా రూపొందించబడ్డాయి.
CP రెక్టెన్నాలు ప్రధానంగా WPTలో ఉపయోగించబడతాయి, ఎందుకంటే అవి మిస్మ్యాచ్కు సాపేక్షంగా నిరోధకతను కలిగి ఉంటాయి. CP యాంటెనాలు అన్ని LP తరంగాలతో పాటు, అదే భ్రమణ దిశలో (లెఫ్ట్-హ్యాండెడ్ లేదా రైట్-హ్యాండెడ్ CP) ఉన్న CP రేడియేషన్ను కూడా శక్తి నష్టం లేకుండా స్వీకరించగలవు. ఏ సందర్భంలోనైనా, CP యాంటెనా ప్రసారం చేస్తుంది మరియు LP యాంటెనా 3 dB నష్టంతో (50% శక్తి నష్టం) స్వీకరిస్తుంది. CP రెక్టెన్నాలు 900 MHz, 2.4 GHz మరియు 5.8 GHz పారిశ్రామిక, శాస్త్రీయ మరియు వైద్య బ్యాండ్లకు, అలాగే మిల్లీమీటర్ తరంగాలకు కూడా అనుకూలంగా ఉన్నాయని నివేదించబడింది. ఏకపక్షంగా ధ్రువీకరించబడిన తరంగాల RFEHలో, ధ్రువణ వైవిధ్యం అనేది ధ్రువణ మిస్మ్యాచ్ నష్టాలకు ఒక సంభావ్య పరిష్కారాన్ని సూచిస్తుంది.
పూర్తి ధ్రువణత, దీనిని బహుళ-ధ్రువణత అని కూడా పిలుస్తారు, ధ్రువణత అసమతుల్యత నష్టాలను పూర్తిగా అధిగమించడానికి ప్రతిపాదించబడింది, ఇది CP మరియు LP తరంగాలు రెండింటినీ సేకరించడానికి వీలు కల్పిస్తుంది, ఇక్కడ రెండు ద్వంద్వ-ధ్రువణత గల లంబ LP మూలకాలు అన్ని LP మరియు CP తరంగాలను సమర్థవంతంగా స్వీకరిస్తాయి. దీనిని వివరించడానికి, నిలువు మరియు క్షితిజ సమాంతర నికర వోల్టేజీలు (VV మరియు VH) ధ్రువణత కోణంతో సంబంధం లేకుండా స్థిరంగా ఉంటాయి:
CP విద్యుదయస్కాంత తరంగం “E” విద్యుత్ క్షేత్రం, ఇక్కడ శక్తి రెండుసార్లు (యూనిట్కు ఒకసారి) సేకరించబడుతుంది, తద్వారా CP భాగాన్ని పూర్తిగా స్వీకరించి, 3 dB ధ్రువణ అసమతుల్యత నష్టాన్ని అధిగమిస్తుంది:
చివరగా, DC కలయిక ద్వారా, ఏకపక్ష ధ్రువణత గల సంఘటన తరంగాలను స్వీకరించవచ్చు. నివేదించబడిన పూర్తి ధ్రువణత గల రెక్టెన్నా యొక్క జ్యామితిని పటం 7 చూపిస్తుంది.
చిత్రం 7
సారాంశంలో, ప్రత్యేక పవర్ సప్లైలతో కూడిన WPT అప్లికేషన్లలో, యాంటెనా యొక్క పోలరైజేషన్ కోణంతో సంబంధం లేకుండా WPT సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది కాబట్టి CPకి ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది. మరోవైపు, బహుళ-మూలాల సేకరణలో, ముఖ్యంగా పరిసర మూలాల నుండి, పూర్తిగా పోలరైజ్ చేయబడిన యాంటెనాలు మెరుగైన మొత్తం రిసెప్షన్ మరియు గరిష్ట పోర్టబిలిటీని సాధించగలవు; RF లేదా DC వద్ద పూర్తిగా పోలరైజ్ చేయబడిన పవర్ను కలపడానికి మల్టీ-పోర్ట్/మల్టీ-రెక్టిఫైయర్ ఆర్కిటెక్చర్లు అవసరం.
సారాంశం
ఈ పత్రం RFEH మరియు WPT కోసం యాంటెన్నా రూపకల్పనలో ఇటీవలి పురోగతిని సమీక్షిస్తుంది మరియు మునుపటి సాహిత్యంలో ప్రతిపాదించబడని RFEH మరియు WPT కోసం యాంటెన్నా రూపకల్పన యొక్క ప్రామాణిక వర్గీకరణను ప్రతిపాదిస్తుంది. అధిక RF-to-DC సామర్థ్యాన్ని సాధించడానికి మూడు ప్రాథమిక యాంటెన్నా అవసరాలు ఈ క్రింది విధంగా గుర్తించబడ్డాయి:
1. ఆసక్తి ఉన్న RFEH మరియు WPT బ్యాండ్ల కోసం యాంటెన్నా రెక్టిఫైయర్ ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్విడ్త్;
2. ప్రత్యేక ఫీడ్ నుండి WPTలో ట్రాన్స్మిటర్ మరియు రిసీవర్ మధ్య ప్రధాన లోబ్ అమరిక;
3. కోణం మరియు స్థానంతో సంబంధం లేకుండా రెక్టెన్నా మరియు పతన తరంగం మధ్య ధ్రువణ సరిపోలిక.
ఇంపీడెన్స్ ఆధారంగా, రెక్టెన్నాలను 50Ω మరియు రెక్టిఫైయర్ కాంజుగేట్ రెక్టెన్నాలుగా వర్గీకరిస్తారు, ఇందులో వివిధ బ్యాండ్లు మరియు లోడ్ల మధ్య ఇంపీడెన్స్ మ్యాచింగ్ మరియు ప్రతి మ్యాచింగ్ పద్ధతి యొక్క సామర్థ్యంపై దృష్టి పెడతారు.
SoA రెక్టెన్నాల వికిరణ లక్షణాలను డైరెక్టివిటీ మరియు పోలరైజేషన్ దృక్కోణం నుండి సమీక్షించడం జరిగింది. ఇరుకైన బీమ్విడ్త్ను అధిగమించడానికి బీమ్ఫార్మింగ్ మరియు ప్యాకేజింగ్ ద్వారా గెయిన్ను మెరుగుపరిచే పద్ధతులను చర్చించడం జరిగింది. చివరగా, WPT కోసం CP రెక్టెన్నాలను, అలాగే WPT మరియు RFEH కోసం పోలరైజేషన్-స్వతంత్ర రిసెప్షన్ను సాధించడానికి గల వివిధ అమలులను సమీక్షించడం జరిగింది.
యాంటెన్నాల గురించి మరింత తెలుసుకోవడానికి, దయచేసి సందర్శించండి:
పోస్ట్ చేసిన సమయం: ఆగస్టు-16-2024
