1. Ներածություն
Ռադիոհաճախականության (RF) էներգիայի հավաքագրումը (RFEH) և ճառագայթային անլար էներգիայի փոխանցումը (WPT) մեծ հետաքրքրություն են առաջացրել որպես մարտկոցից զերծ կայուն անլար ցանցեր ստեղծելու մեթոդներ: Ռեկտեննաները WPT և RFEH համակարգերի անկյունաքարն են և զգալի ազդեցություն ունեն բեռին մատակարարվող հաստատուն հզորության վրա: Ռեկտեննայի անտենայի տարրերը անմիջականորեն ազդում են հավաքագրման արդյունավետության վրա, որը կարող է փոփոխել հավաքված հզորությունը մի քանի կարգով մեծությամբ: Այս հոդվածը դիտարկում է WPT և շրջակա RFEH կիրառություններում օգտագործվող անտենայի նախագծերը: Հաշվետվության մեջ ներկայացված ռեկտեննաները դասակարգվում են երկու հիմնական չափանիշներով՝ անտենայի ուղղիչ իմպեդանսի թողունակություն և անտենայի ճառագայթային բնութագրեր: Յուրաքանչյուր չափանիշի համար որոշվում և համեմատաբար վերանայվում է տարբեր կիրառությունների համար արժանիքի գործակիցը (FoM):
Անլար լիցքավորման տեխնոլոգիան (WPT) առաջարկվել է Տեսլայի կողմից 20-րդ դարի սկզբին՝ որպես հազարավոր ձիաուժեր փոխանցելու մեթոդ: «Ռեկտեննա» տերմինը, որը նկարագրում է ուղղիչին միացված անտենա՝ ռադիոհաճախականության էներգիա հավաքելու համար, ի հայտ է եկել 1950-ական թվականներին՝ տիեզերական միկրոալիքային էներգիայի փոխանցման կիրառությունների և ինքնավար անօդաչու թռչող սարքերի սնուցման համար: Բազմակողմանի, երկար հեռավորության WPT-ն սահմանափակված է տարածման միջավայրի (օդի) ֆիզիկական հատկություններով: Հետևաբար, առևտրային WPT-ն հիմնականում սահմանափակվում է մոտ դաշտում ոչ ճառագայթային էներգիայի փոխանցմամբ՝ անլար սպառողական էլեկտրոնիկայի լիցքավորման կամ RFID-ի համար:
Քանի որ կիսահաղորդչային սարքերի և անլար սենսորային հանգույցների էներգիայի սպառումը շարունակում է նվազել, ավելի իրատեսական է դառնում սենսորային հանգույցները սնուցել շրջակա RFEH-ի կամ բաշխված ցածր հզորության բազմակողմանի հաղորդիչների միջոցով: Գերցածր հզորության անլար էներգիայի համակարգերը սովորաբար բաղկացած են RF ձեռքբերման առջևի մասից, հաստատուն հոսանքի և հիշողության կառավարման համակարգից, ինչպես նաև ցածր հզորության միկրոպրոցեսորից և ընդունիչ-ընդունիչից:
Նկար 1-ը ցույց է տալիս RFEH անլար հանգույցի ճարտարապետությունը և հաճախակիորեն հաղորդվող RF առջևի իրականացումները: Անլար էներգահամակարգի ծայրից ծայր արդյունավետությունը և համաժամեցված անլար տեղեկատվության և հզորության փոխանցման ցանցի ճարտարապետությունը կախված են առանձին բաղադրիչների, ինչպիսիք են անտենաները, ուղղիչները և հզորության կառավարման սխեմաները, աշխատանքից: Համակարգի տարբեր մասերի համար անցկացվել են մի շարք գրականության ուսումնասիրություններ: Աղյուսակ 1-ը ամփոփում է հզորության փոխակերպման փուլը, արդյունավետ հզորության փոխակերպման հիմնական բաղադրիչները և յուրաքանչյուր մասի համար համապատասխան գրականության ուսումնասիրությունները: Վերջին գրականությունը կենտրոնանում է հզորության փոխակերպման տեխնոլոգիայի, ուղղիչների տոպոլոգիաների կամ ցանցային RFEH-ի վրա:
Նկար 1
Այնուամենայնիվ, անտենայի նախագծումը չի համարվում RFEH-ի կարևորագույն բաղադրիչ: Չնայած որոշ գրականություն անտենայի թողունակությունը և արդյունավետությունը դիտարկում է ընդհանուր տեսանկյունից կամ անտենայի որոշակի նախագծման տեսանկյունից, ինչպիսիք են մանրանկարչական կամ կրելի անտենաները, որոշակի անտենայի պարամետրերի ազդեցությունը հզորության ընդունման և փոխակերպման արդյունավետության վրա մանրամասնորեն չի վերլուծվում:
Այս հոդվածը վերանայում է անտենաների նախագծման տեխնիկան ուղիղ ալիքներում՝ նպատակ ունենալով տարբերակել RFEH և WPT-ին բնորոշ անտենաների նախագծման մարտահրավերները ստանդարտ կապի անտենաների նախագծումից: Անտենաները համեմատվում են երկու տեսանկյունից՝ ծայրից ծայր իմպեդանսի համապատասխանեցման և ճառագայթման բնութագրերի. յուրաքանչյուր դեպքում FoM-ը նույնականացվում և վերանայվում է ժամանակակից (SoA) անտենաներում:
2. Թողունակություն և համապատասխանեցում. Ոչ 50Ω ռադիոհաճախականության ցանցեր
50Ω բնութագրական իմպեդանսը միկրոալիքային ճարտարագիտության կիրառություններում թուլացման և հզորության միջև փոխզիջման վաղ դիտարկում է: Անտենաներում իմպեդանսի լարման լարը սահմանվում է որպես հաճախականության տիրույթ, որտեղ անդրադարձված հզորությունը 10%-ից պակաս է (S11< − 10 դԲ): Քանի որ ցածր աղմուկի ուժեղացուցիչները (LNA), հզորության ուժեղացուցիչները և դետեկտորները սովորաբար նախագծվում են 50Ω մուտքային իմպեդանսի համապատասխանությամբ, ավանդաբար օգտագործվում է 50Ω աղբյուր:
Ուղղանկյունում անտենայի ելքը անմիջապես մատակարարվում է ուղղիչին, և դիոդի ոչ գծայինությունը մեծ տատանումներ է առաջացնում մուտքային իմպեդանսում՝ գերակշռելով կոնդենսատորային բաղադրիչը: Ենթադրելով 50Ω անտենա, հիմնական մարտահրավերը լրացուցիչ RF համապատասխանեցման ցանց նախագծելն է՝ մուտքային իմպեդանսը հետաքրքրող հաճախականության ուղղիչի իմպեդանսի փոխակերպելու և այն որոշակի հզորության մակարդակի համար օպտիմալացնելու համար: Այս դեպքում, RF-ից DC փոխակերպման արդյունավետությունն ապահովելու համար անհրաժեշտ է ծայրից ծայր իմպեդանսի թողունակություն: Հետևաբար, չնայած անտենաները կարող են տեսականորեն անվերջ կամ գերլայն թողունակություն ստանալ՝ օգտագործելով պարբերական տարրեր կամ ինքնալրացնող երկրաչափություն, ուղղանկյունի թողունակությունը կսահմանափակվի ուղղիչի համապատասխանեցման ցանցով:
Առաջարկվել են մի քանի ուղիղ հեռարձակման տոպոլոգիաներ՝ միաշերտ և բազմաշերտ հավաքման կամ WPT-ի հասնելու համար՝ նվազագույնի հասցնելով անդրադարձումները և մեծացնելով հզորության փոխանցումը անտենայի և ուղղիչի միջև: Նկար 2-ը ցույց է տալիս ներկայացված ուղիղ հեռարձակման տոպոլոգիաների կառուցվածքները, որոնք դասակարգվել են իրենց իմպեդանսի համապատասխանեցման ճարտարապետությամբ: Աղյուսակ 2-ը ցույց է տալիս բարձր արդյունավետությամբ ուղիղ հեռարձակումների օրինակներ՝ յուրաքանչյուր կատեգորիայի համար ծայրից ծայր թողունակության (այս դեպքում՝ FoM) առումով:
Նկար 2. Ուղղանկյունային տոպոլոգիաները թողունակության և իմպեդանսի համապատասխանեցման տեսանկյունից։ (ա) Միաշերտ ուղղանկյուն ստանդարտ անտենայով։ (բ) Բազմաշերտ ուղղանկյուն (բաղկացած բազմաթիվ փոխադարձաբար միացված անտենաներից)՝ մեկ ուղղիչով և համապատասխան ցանցով յուրաքանչյուր աշտարակի համար։ (գ) Լայնաշերտ ուղղանկյուն՝ բազմաթիվ RF միացքներով և յուրաքանչյուր աշտարակի համար առանձին համապատասխան ցանցերով։ (դ) Լայնաշերտ ուղղանկյուն՝ լայնաշերտ անտենայով և լայնաշերտ համապատասխան ցանցով։ (ե) Միաշերտ ուղղանկյուն՝ օգտագործելով էլեկտրականորեն փոքր անտենա, որն անմիջապես համապատասխանեցված է ուղղիչին։ (զ) Միաշերտ, էլեկտրականորեն մեծ անտենա՝ բարդ իմպեդանսով՝ ուղղիչի հետ կոնյուգացված։ (է) Լայնաշերտ ուղղանկյուն՝ բարդ իմպեդանսով՝ ուղղիչի հետ կոնյուգացված հաճախականությունների տիրույթում։
Մինչդեռ WPT-ն և շրջակա RFEH-ը նվիրված սնուցումից տարբեր ուղղանկյունային կիրառություններ են, անտենայի, ուղղիչի և բեռի միջև ծայրից ծայր համապատասխանության ապահովումը հիմնարար նշանակություն ունի թողունակության տեսանկյունից բարձր հզորության փոխակերպման արդյունավետության (PCE) հասնելու համար: Այնուամենայնիվ, WPT ուղղանկյունայինները ավելի շատ կենտրոնանում են ավելի բարձր որակի գործակցի համապատասխանության (ցածր S11) հասնելու վրա՝ որոշակի հզորության մակարդակներում (a, e և f տոպոլոգիաներ) միաշերտ PCE-ն բարելավելու համար: Միաշերտ WPT-ի լայն թողունակությունը բարելավում է համակարգի դիմադրողականությունը դեկարգավորման, արտադրական թերությունների և փաթեթավորման պարազիտների նկատմամբ: Մյուս կողմից, RFEH ուղղանկյունայինները առաջնահերթություն են տալիս բազմաշերտ շահագործմանը և պատկանում են bd և g տոպոլոգիաներին, քանի որ մեկ աշտարակի հզորության սպեկտրալ խտությունը (PSD) ընդհանուր առմամբ ավելի ցածր է:
3. Ուղղանկյուն անտենայի դիզայն
1. Միահաճախական ռեկտենա
Միահաճախականության ուղիղ ալիքի (տոպոլոգիա A) անտենայի նախագծումը հիմնականում հիմնված է ստանդարտ անտենայի նախագծման վրա, ինչպիսիք են գծային բևեռացման (LP) կամ շրջանաձև բևեռացման (CP) ճառագայթող հատվածը գետնի հարթության վրա, դիպոլային անտենան և շրջված F անտենան: Դիֆերենցիալ դիապազոնային ուղիղ ալիքը հիմնված է բազմաթիվ անտենային միավորներով կամ բազմաթիվ հատվածային միավորների խառը DC և RF համադրությամբ հաստատուն հոսանքի համադրության վրա:
Քանի որ առաջարկվող անտենաներից շատերը միահաճախական անտենաներ են և համապատասխանում են միահաճախական WPT-ի պահանջներին, շրջակա միջավայրի բազմահաճախական RFEH փնտրելիս, մի քանի միահաճախական անտենաներ միավորվում են բազմահաճախական ուղղանկյունների մեջ (տոպոլոգիա B)՝ փոխադարձ միացման ճնշմամբ և անկախ DC համակցությամբ՝ հզորության կառավարման սխեմայից հետո՝ դրանք լիովին մեկուսացնելու համար RF ձեռքբերման և փոխակերպման սխեմայից: Սա պահանջում է հզորության կառավարման մի քանի սխեմաներ յուրաքանչյուր տիրույթի համար, ինչը կարող է նվազեցնել խթանող փոխարկիչի արդյունավետությունը, քանի որ մեկ տիրույթի DC հզորությունը ցածր է:
2. Բազմաշերտ և լայնաշերտ RFEH անտենաներ
Շրջակա միջավայրի RFEH-ը հաճախ կապված է բազմաշերտ ստացման հետ, հետևաբար, առաջարկվել են մի շարք մեթոդներ ստանդարտ անտենայի նախագծերի թողունակությունը բարելավելու և երկշերտ կամ շերտային անտենայի զանգվածներ ձևավորելու մեթոդներ: Այս բաժնում մենք կանդրադառնանք RFEH-ների համար նախատեսված հատուկ անտենայի նախագծերին, ինչպես նաև դասական բազմաշերտ անտենաներին, որոնք կարող են օգտագործվել որպես ուղղանկյուններ:
Համատեղ ալիքատար (CPW) մոնոպոլային անտենաները նույն հաճախականությամբ զբաղեցնում են ավելի քիչ տարածք, քան միկրոշերտային կարկատանային անտենաները և արտադրում են LP կամ CP ալիքներ, և հաճախ օգտագործվում են լայնաշերտ միջավայրի ուղիղների համար: Անդրադարձման հարթությունները օգտագործվում են մեկուսացումը մեծացնելու և ուժեղացումը բարելավելու համար, ինչը հանգեցնում է կարկատանային անտենաներին նման ճառագայթման պատկերների: Ճեղքավոր համատեղ ալիքատարային անտենաները օգտագործվում են բազմակի հաճախականության գոտիների, ինչպիսիք են 1.8–2.7 GHz կամ 1–3 GHz, իմպեդանսային թողունակությունները բարելավելու համար: Միացված-սնվող ճեղքային անտենաները և կարկատանային անտենաները նույնպես լայնորեն օգտագործվում են բազմաշերտ ուղիղների նախագծերում: Նկար 3-ը ցույց է տալիս որոշ բազմաշերտ անտենաներ, որոնք օգտագործում են թողունակության բարելավման մեկից ավելի տեխնիկա:
Նկար 3
Անտենա-ուղղիչ իմպեդանսի համապատասխանեցում
50Ω անտենայի համապատասխանեցումը ոչ գծային ուղղիչի հետ դժվար է, քանի որ դրա մուտքային դիմադրությունը մեծապես տատանվում է հաճախականության հետ։ A և B տոպոլոգիաներում (Նկար 2) տարածված համապատասխանեցման ցանցը LC համապատասխանեցում է՝ օգտագործելով միավորված տարրեր. սակայն հարաբերական թողունակությունը սովորաբար ավելի ցածր է, քան կապի մեծ մասի տիրույթներում։ Միաշերտ կոճղակային համապատասխանեցումը սովորաբար օգտագործվում է 6 ԳՀց-ից ցածր միկրոալիքային և միլիմետրային ալիքային տիրույթներում, և հաղորդված միլիմետրային ալիքային ուղղանկյունները ունեն բնույթով նեղ թողունակություն, քանի որ դրանց PCE թողունակությունը սահմանափակված է ելքային հարմոնիկ ճնշման պատճառով, ինչը դրանք դարձնում է հատկապես հարմար միաշերտ WPT կիրառությունների համար 24 ԳՀց չլիցենզավորված տիրույթում։
C և D տոպոլոգիաների ուղղանկյունները ունեն ավելի բարդ համապատասխանեցման ցանցեր: Լայնաշերտ համապատասխանեցման համար առաջարկվել են լիովին բաշխված գծային համապատասխանեցման ցանցեր՝ ելքային միացքում RF բլոկ/DC կարճ միացումով (անցումային ֆիլտր) կամ դիոդային հարմոնիկների վերադարձի ուղիով DC արգելափակող կոնդենսատորով: Ուղղիչի բաղադրիչները կարող են փոխարինվել տպագիր միացման տախտակի (PCB) միջթվային կոնդենսատորներով, որոնք սինթեզվում են առևտրային էլեկտրոնային նախագծման ավտոմատացման գործիքների միջոցով: Այլ հաղորդված լայնաշերտ ուղղանկյունային համապատասխանեցման ցանցերը համատեղում են միավորված տարրեր՝ ցածր հաճախականություններին համապատասխանեցնելու համար, և բաշխված տարրեր՝ մուտքի մոտ RF կարճ միացում ստեղծելու համար:
Աղբյուրի միջոցով բեռի կողմից դիտարկվող մուտքային իմպեդանսի փոփոխումը (հայտնի է որպես աղբյուր-քաշման տեխնիկա) օգտագործվել է լայնաշերտ ուղղիչ նախագծելու համար՝ 57% հարաբերական թողունակությամբ (1.25–2.25 ԳՀց) և 10%-ով ավելի բարձր PCE-ով՝ համեմատած միավորված կամ բաշխված սխեմաների հետ: Չնայած համապատասխան ցանցերը սովորաբար նախագծվում են ամբողջ 50Ω թողունակության վրա անտենաները համապատասխանեցնելու համար, գրականության մեջ կան հաղորդագրություններ, որտեղ լայնաշերտ անտենաները միացվել են նեղաշերտ ուղղիչներին:
Հիբրիդային միավորված տարրերով և բաշխված տարրերով համապատասխանեցման ցանցերը լայնորեն օգտագործվել են C և D տոպոլոգիաներում, որտեղ շարքային ինդուկտորներն ու կոնդենսատորներն ամենատարածված միավորված տարրերն են։ Սրանք խուսափում են բարդ կառուցվածքներից, ինչպիսիք են միջթվայնացված կոնդենսատորները, որոնք պահանջում են ավելի ճշգրիտ մոդելավորում և պատրաստում, քան ստանդարտ միկրոշերտային գծերը։
Ուղղիչի մուտքային հզորությունը ազդում է մուտքային իմպեդանսի վրա՝ դիոդի ոչ գծային լինելու պատճառով: Հետևաբար, ուղիղ լարը նախագծված է PCE-ն մեծացնելու համար՝ որոշակի մուտքային հզորության մակարդակի և բեռի իմպեդանսի համար: Քանի որ դիոդները հիմնականում ունեն բարձր իմպեդանս 3 ԳՀց-ից ցածր հաճախականություններում, լայնաշերտ ուղիղ լարերը, որոնք բացառում են համապատասխան ցանցերը կամ նվազագույնի են հասցնում պարզեցված համապատասխան սխեմաները, կենտրոնացել են Prf>0 դԲմ և 1 ԳՀց-ից բարձր հաճախականությունների վրա, քանի որ դիոդներն ունեն ցածր ունակային իմպեդանս և կարող են լավ համապատասխանեցվել անտենային, այդպիսով խուսափելով >1000Ω մուտքային ռեակտիվներով անտենաների նախագծումից:
Ադապտիվ կամ վերակազմակերպվող իմպեդանսի համապատասխանեցումը նկատվել է CMOS ուղղանկյուններում, որտեղ համապատասխանեցման ցանցը բաղկացած է չիպի վրա տեղադրված կոնդենսատորային բանկերից և ինդուկտորներից: Ստատիկ CMOS համապատասխանեցման ցանցեր առաջարկվել են նաև ստանդարտ 50Ω անտենաների, ինչպես նաև համատեղ նախագծված օղակաձև անտենաների համար: Հաղորդվել է, որ պասիվ CMOS հզորության դետեկտորները օգտագործվում են անտենայի ելքը տարբեր ուղղիչների և համապատասխանեցման ցանցերի ուղղորդող անջատիչները կառավարելու համար՝ կախված առկա հզորությունից: Առաջարկվել է վերակազմակերպվող համապատասխանեցման ցանց՝ օգտագործելով միացվող կարգավորվող կոնդենսատորներ, որը կարգավորվում է նուրբ կարգավորման միջոցով՝ վեկտորային ցանցի վերլուծիչի միջոցով մուտքային իմպեդանսը չափելու ընթացքում: Վերակազմակերպվող միկրոշերտային համապատասխանեցման ցանցերում դաշտային էֆեկտի տրանզիստորային անջատիչները օգտագործվել են համապատասխանեցման ստուբները կարգավորելու համար՝ երկշերտային բնութագրեր ստանալու համար:
Անտենաների մասին ավելին իմանալու համար այցելեք՝
Հրապարակման ժամանակը. Օգոստոս-09-2024
