1. Ներածություն
Ռադիոհաճախականության (RF) էներգիայի հավաքումը (RFEH) և ճառագայթային անլար էներգիայի փոխանցումը (WPT) մեծ հետաքրքրություն են առաջացրել որպես մարտկոցից ազատ կայուն անլար ցանցեր ձեռք բերելու մեթոդներ: Ռեկտենները WPT և RFEH համակարգերի հիմնաքարն են և զգալի ազդեցություն ունեն բեռին մատակարարվող մշտական հոսանքի վրա: Ռեկտենայի ալեհավաքի տարրերը ուղղակիորեն ազդում են բերքահավաքի արդյունավետության վրա, ինչը կարող է փոփոխել բերքահավաքի հզորությունը մի քանի կարգով: Այս փաստաթուղթը վերանայում է WPT և շրջակա RFEH հավելվածներում օգտագործվող ալեհավաքների դիզայնը: Հաղորդված ուղղանկյունները դասակարգվում են ըստ երկու հիմնական չափանիշների՝ ալեհավաքի շտկող դիմադրության թողունակությունը և ալեհավաքի ճառագայթման բնութագրերը: Յուրաքանչյուր չափանիշի համար որոշվում և համեմատաբար վերանայվում է արժանիքների թիվը (FoM) տարբեր կիրառությունների համար:
WPT-ն առաջարկվել է Tesla-ի կողմից 20-րդ դարի սկզբին՝ որպես հազարավոր ձիաուժ փոխանցելու մեթոդ: Ռեկտենա տերմինը, որը նկարագրում է մի ալեհավաք, որը կապված է ուղղիչի հետ՝ ռադիոհոսանք ստանալու համար, առաջացել է 1950-ական թվականներին տիեզերական միկրոալիքային էներգիայի փոխանցման կիրառությունների և ինքնավար դրոնների սնուցման համար: Բազմակողմանի, հեռահար WPT-ն սահմանափակված է տարածման միջավայրի (օդի) ֆիզիկական հատկություններով: Հետևաբար, առևտրային WPT-ն հիմնականում սահմանափակվում է մոտ դաշտային 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, այն դառնում է ավելի իրագործելի սնուցման սենսորային հանգույցների համար՝ օգտագործելով շրջապատող RFEH կամ օգտագործելով ցածր էներգիայի բաշխված համակողմանի հաղորդիչներ: Գերցածր էներգիայի անլար էներգիայի համակարգերը սովորաբար բաղկացած են ՌԴ ձեռքբերման առջևից, հաստատուն էներգիայի և հիշողության կառավարումից, ինչպես նաև ցածր էներգիայի միկրոպրոցեսորից և հաղորդիչից:
Նկար 1-ը ցույց է տալիս RFEH անլար հանգույցի ճարտարապետությունը և սովորաբար հաղորդվող ՌԴ առջևի իրականացումները: Անլար էներգահամակարգի վերջնական արդյունավետությունը և համաժամեցված անլար տեղեկատվության և էներգիայի փոխանցման ցանցի ճարտարապետությունը կախված է առանձին բաղադրիչների, ինչպիսիք են ալեհավաքները, ուղղիչները և էներգիայի կառավարման սխեմաները: Համակարգի տարբեր մասերի համար իրականացվել են գրականության մի քանի հետազոտություն: Աղյուսակ 1-ն ամփոփում է էներգիայի փոխակերպման փուլը, էներգիայի արդյունավետ փոխակերպման հիմնական բաղադրիչները և համապատասխան գրականության ուսումնասիրությունները յուրաքանչյուր մասի համար: Վերջին գրականությունը կենտրոնանում է էներգիայի փոխակերպման տեխնոլոգիայի, ուղղիչի տոպոլոգիաների կամ ցանցի մասին տեղեկացված RFEH-ի վրա:
Նկար 1
Այնուամենայնիվ, ալեհավաքի դիզայնը RFEH-ում չի համարվում կարևոր բաղադրիչ: Թեև որոշ գրականություն դիտարկվում է ալեհավաքի թողունակությունը և արդյունավետությունը ընդհանուր տեսանկյունից կամ ալեհավաքի նախագծման հատուկ տեսանկյունից, ինչպիսիք են մանրացված կամ կրելի ալեհավաքները, ալեհավաքի որոշ պարամետրերի ազդեցությունը էներգիայի ընդունման և փոխակերպման արդյունավետության վրա մանրամասն վերլուծված չէ:
Այս հոդվածը վերանայում է ալեհավաքի նախագծման տեխնիկան rectennas-ում՝ նպատակ ունենալով տարբերակել RFEH և WPT հատուկ ալեհավաքների նախագծման մարտահրավերները ստանդարտ կապի ալեհավաքի դիզայնից: Անտենաները համեմատվում են երկու տեսանկյունից. յուրաքանչյուր դեպքում, FoM-ը հայտնաբերվում և վերանայվում է ժամանակակից (SoA) ալեհավաքներում:
2. Թողունակություն և համապատասխանեցում. ոչ 50Ω ՌԴ ցանցեր
50Ω-ի բնորոշ դիմադրությունը միկրոալիքային ինժեներական կիրառություններում թուլացման և հզորության միջև փոխզիջման վաղ դիտարկումն է: Անտենաներում դիմադրողականության թողունակությունը սահմանվում է որպես հաճախականության միջակայք, որտեղ արտացոլված հզորությունը 10%-ից պակաս է (S11< - 10 դԲ): Քանի որ ցածր աղմուկի ուժեղացուցիչները (LNAs), ուժային ուժեղացուցիչները և դետեկտորները սովորաբար նախագծված են 50Ω մուտքային դիմադրության համընկնումով, ավանդաբար հիշատակվում է 50Ω աղբյուրը:
Ուղեկցման մեջ ալեհավաքի ելքը ուղղակիորեն սնվում է ուղղիչի մեջ, և դիոդի ոչ գծային լինելը առաջացնում է մուտքային դիմադրության մեծ տատանումներ՝ գերակշռող կոնդենսատիվ բաղադրիչով: Ենթադրելով 50Ω ալեհավաք, հիմնական խնդիրն է նախագծել լրացուցիչ ՌԴ համապատասխան ցանց՝ մուտքային դիմադրությունը փոխակերպելու ուղղիչի դիմադրությանը հետաքրքրության հաճախականությամբ և օպտիմալացնել այն որոշակի հզորության մակարդակի համար: Այս դեպքում պահանջվում է ծայրից ծայր դիմադրության թողունակություն՝ ՌԴ-ի DC-ի արդյունավետ փոխարկումն ապահովելու համար: Հետևաբար, թեև ալեհավաքները կարող են տեսականորեն անսահման կամ գերլայն թողունակություն ձեռք բերել՝ օգտագործելով պարբերական տարրեր կամ ինքնալրացուցիչ երկրաչափություն, ուղղիչի համապատասխանող ցանցի միջոցով ուղիղ կապի թողունակությունը կսահմանափակվի:
Առաջարկվել են մի քանի ուղղանկյուն տոպոլոգիաներ՝ միաշերտ և բազմաշերտ հավաքման կամ WPT-ի հասնելու համար՝ նվազագույնի հասցնելով արտացոլումները և առավելագույնի հասցնելով էներգիայի փոխանցումը ալեհավաքի և ուղղիչի միջև: Նկար 2-ը ցույց է տալիս հաղորդված ուղղանկյուն տոպոլոգիաների կառուցվածքները՝ դասակարգված ըստ դրանց դիմադրության համապատասխանության ճարտարապետության: Աղյուսակ 2-ը ցույց է տալիս բարձր արդյունավետությամբ ռեկթենների օրինակներ՝ կապված ծայրից ծայր թողունակության (այս դեպքում՝ FoM) յուրաքանչյուր կատեգորիայի համար:
Նկար 2 Rectenna տոպոլոգիաները թողունակության և դիմադրության համապատասխանության տեսանկյունից: ա) Միաշերտ ռեկթենա ստանդարտ ալեհավաքով: բ) Բազմաշերտ ուղիղ միացում (կազմված մի քանի փոխադարձ կապակցված ալեհավաքներից) մեկ ուղղիչով և համապատասխան ցանցով յուրաքանչյուր ժապավենի համար: (գ) Լայնաշերտ ուղիղ միացք մի քանի ՌԴ պորտերով և առանձին համապատասխանող ցանցերով յուրաքանչյուր խմբի համար: դ) Լայնաշերտ ուղիղ կապ լայնաշերտ ալեհավաքով և լայնաշերտ համընկնող ցանցով: ե) Միաշերտ ուղիղ միաձույլ՝ օգտագործելով էլեկտրական փոքր ալեհավաք, որն ուղղակիորեն համապատասխանում է ուղղիչին: զ) միաշերտ, էլեկտրական մեծ ալեհավաք՝ բարդ դիմադրությամբ՝ ուղղիչի հետ միանալու համար: (է) Լայնաշերտ ուղիղ շղթա՝ բարդ դիմադրությամբ՝ մի շարք հաճախականությունների ընթացքում ուղղիչի հետ կապելու համար:
Թեև հատուկ սնուցման WPT-ն և շրջակա միջավայրի RFEH-ը տարբեր rectenna հավելվածներ են, ալեհավաքի, ուղղիչի և բեռնվածքի միջև ծայրից ծայր համընկնումը հիմնարար է թողունակության տեսանկյունից բարձր էներգիայի փոխակերպման արդյունավետության (PCE) հասնելու համար: Այնուամենայնիվ, WPT rectenna-ները ավելի շատ կենտրոնանում են ավելի բարձր որակի գործակիցների համապատասխանեցման վրա (ցածր S11)՝ որոշակի հզորության մակարդակներում միաշերտ PCE-ն բարելավելու համար (տոպոլոգիաներ a, e և f): Միաշերտ WPT-ի լայն թողունակությունը բարելավում է համակարգի անձեռնմխելիությունը ապամոնտաժման, արտադրական թերությունների և փաթեթավորման մակաբույծների նկատմամբ: Մյուս կողմից, RFEH rectennas-ն առաջնահերթություն է տալիս բազմաշերտ շահագործմանը և պատկանում է bd և g տոպոլոգիաներին, քանի որ մեկ գոտու հզորության սպեկտրային խտությունը (PSD) սովորաբար ավելի ցածր է:
3. Ուղղանկյուն ալեհավաքի դիզայն
1. Մեկ հաճախականությամբ rectenna
Մեկ հաճախականությամբ ուղիղ գծի ալեհավաքի ձևավորումը (տոպոլոգիա A) հիմնականում հիմնված է ստանդարտ ալեհավաքի նախագծման վրա, ինչպիսիք են գծային բևեռացումը (LP) կամ շրջանաձև բևեռացումը (CP) գետնին հարթության վրա, դիպոլային ալեհավաքը և շրջված F ալեհավաքը: Դիֆերենցիալ ժապավենի ուղղանկյունը հիմնված է DC համակցված զանգվածի վրա, որը կազմաձևված է մի քանի ալեհավաքի միավորներով կամ բազմակի կարկատանի միավորների խառը DC և RF համակցություններով:
Քանի որ առաջարկվող ալեհավաքներից շատերը մեկ հաճախականության ալեհավաքներ են և բավարարում են մեկ հաճախականության WPT-ի պահանջները, բնապահպանական բազմահաճախական RFEH փնտրելիս, բազմակի մեկ հաճախականությամբ ալեհավաքները համակցվում են բազմաշերտ ուղիղ միացմամբ (տոպոլոգիա B)՝ փոխադարձ կապակցման ճնշմամբ և Էլեկտրաէներգիայի կառավարման միացումից հետո DC-ի անկախ համադրություն՝ դրանք ՌԴ-ի ձեռքբերման և փոխակերպման միացումից ամբողջությամբ մեկուսացնելու համար: Սա պահանջում է էներգիայի կառավարման մի քանի սխեմաներ յուրաքանչյուր գոտու համար, ինչը կարող է նվազեցնել խթանիչ փոխարկիչի արդյունավետությունը, քանի որ մեկ խմբի DC հզորությունը ցածր է:
2. Բազմաշերտ և լայնաշերտ RFEH ալեհավաքներ
Բնապահպանական RFEH-ը հաճախ կապված է բազմաշերտ ձեռքբերման հետ. Հետևաբար, առաջարկվել են մի շարք մեթոդներ՝ ստանդարտ ալեհավաքների նախագծման թողունակությունը բարելավելու և երկշերտ կամ ժապավենային ալեհավաքների ձևավորման մեթոդների համար: Այս բաժնում մենք վերանայում ենք հատուկ ալեհավաքների դիզայնը RFEH-ների համար, ինչպես նաև դասական բազմաշերտ ալեհավաքներ, որոնք կարող են օգտագործվել որպես ուղղաձիգ ալեհավաքներ:
Coplanar waveguide (CPW) մոնոպոլ ալեհավաքները զբաղեցնում են ավելի քիչ տարածք, քան microstrip patch ալեհավաքները նույն հաճախականությամբ և արտադրում են LP կամ CP ալիքներ, և հաճախ օգտագործվում են լայնաշերտ շրջակա միջավայրի հետանցքների համար: Արտացոլման հարթություններն օգտագործվում են մեկուսացումը մեծացնելու և շահույթը բարելավելու համար, ինչը հանգեցնում է ճառագայթման ձևերի, որոնք նման են կարկատել ալեհավաքներին: Սլոտային համակողմանի ալիքատար ալեհավաքները օգտագործվում են բազմակի հաճախականությունների տիրույթների դիմադրողականության թողունակությունը բարելավելու համար, օրինակ՝ 1,8–2,7 ԳՀց կամ 1–3 ԳՀց։ Զուգակցված բնիկ ալեհավաքները և կարկատանային ալեհավաքները նույնպես սովորաբար օգտագործվում են բազմաշերտ ռեկթենայի ձևավորումներում: Նկար 3-ը ցույց է տալիս որոշ հաղորդված բազմաշերտ ալեհավաքներ, որոնք օգտագործում են մեկից ավելի թողունակության բարելավման տեխնիկա:
Նկար 3
Անտենա-ուղղիչ դիմադրության համընկնում
50Ω ալեհավաքը ոչ գծային ուղղիչին համապատասխանելը դժվար է, քանի որ դրա մուտքային դիմադրությունը մեծապես տարբերվում է հաճախականությամբ: A և B տոպոլոգիաներում (Նկար 2), ընդհանուր համընկնող ցանցը LC համընկնումն է՝ օգտագործելով միաձուլված տարրեր; Այնուամենայնիվ, հարաբերական թողունակությունը սովորաբար ավելի ցածր է, քան հաղորդակցության տիրույթներից շատերը: Մեկ ժապավենի կոճերի համընկնումը սովորաբար օգտագործվում է միկրոալիքային և միլիմետրային ալիքների 6 ԳՀց-ից ցածր տիրույթներում, իսկ հաղորդված միլիմետրային ալիքների ուղղանկյուններն ունեն էապես նեղ թողունակություն, քանի որ դրանց PCE թողունակությունը խցանված է ելքային ներդաշնակության ճնշման պատճառով, ինչը նրանց հատկապես հարմար է դարձնում միայնակ: խումբ WPT հավելվածներ 24 ԳՀց չլիցենզավորված տիրույթում:
C և D տոպոլոգիաների ուղղանկյուններն ունեն ավելի բարդ համապատասխանող ցանցեր: Լայնաշերտ ներդաշնակեցման համար առաջարկվել են լիովին բաշխված գծերի համընկնման ցանցեր՝ ՌԴ բլոկ/DC կարճ միացումով (անցնող ֆիլտր) ելքային պորտում կամ DC արգելափակող կոնդենսատորով՝ որպես դիոդային ներդաշնակության վերադարձի ճանապարհ: Ուղղիչի բաղադրիչները կարող են փոխարինվել տպագիր տպատախտակի (PCB) միջթվային կոնդենսատորներով, որոնք սինթեզվում են կոմերցիոն էլեկտրոնային դիզայնի ավտոմատացման գործիքների միջոցով: Մյուս հաղորդված լայնաշերտ ուղիղ կապի ցանցերը միավորում են միաձուլված տարրերը՝ ավելի ցածր հաճախականություններին համապատասխանելու համար, և բաշխված տարրերը՝ մուտքի մոտ RF կարճագիծ ստեղծելու համար:
Աղբյուրի միջոցով բեռի կողմից դիտարկվող մուտքային դիմադրության փոփոխությունը (հայտնի է որպես աղբյուրի ձգման տեխնիկա) օգտագործվել է լայնաշերտ ուղղիչի նախագծման համար՝ 57% հարաբերական թողունակությամբ (1,25–2,25 ԳՀց) և 10% ավելի բարձր PCE՝ համեմատած միաձուլված կամ բաշխված սխեմաների հետ։ . Չնայած համընկնող ցանցերը սովորաբար նախագծված են ամբողջ 50Ω թողունակությամբ ալեհավաքներին համապատասխանեցնելու համար, գրականության մեջ կան զեկույցներ, որտեղ լայնաշերտ ալեհավաքները միացված են նեղաշերտ ուղղիչներին:
Հիբրիդային և բաշխված տարրերի համընկնման ցանցերը լայնորեն կիրառվում են C և D տոպոլոգիաներում, որոնց շարքի ինդուկտորներն ու կոնդենսատորները հանդիսանում են առավել հաճախ օգտագործվող միաձուլված տարրերը: Սրանք խուսափում են բարդ կառուցվածքներից, ինչպիսիք են միաձուլված կոնդենսատորները, որոնք պահանջում են ավելի ճշգրիտ մոդելավորում և արտադրություն, քան ստանդարտ միկրոշերտի գծերը:
Ուղղիչի մուտքային հզորությունը ազդում է մուտքային դիմադրության վրա՝ դիոդի ոչ գծայինության պատճառով: Հետևաբար, ուղղաձիգը նախատեսված է PCE-ն առավելագույնի հասցնելու համար հատուկ մուտքային հզորության մակարդակի և բեռի դիմադրության համար: Քանի որ դիոդները հիմնականում 3 ԳՀց-ից ցածր հաճախականություններում ունեն կոնդենսատիվ բարձր դիմադրություն, լայնաշերտ ուղղաձիգները, որոնք վերացնում են համապատասխան ցանցերը կամ նվազագույնի են հասցնում պարզեցված համապատասխանող սխեմաները, կենտրոնացած են Prf>0 դԲմ և 1 ԳՀց բարձր հաճախականությունների վրա, քանի որ դիոդներն ունեն ցածր կոնդենսիվ դիմադրություն և կարող են լավ համընկնել: դեպի ալեհավաք՝ այդպիսով խուսափելով ավելի քան 1000Ω մուտքային ռեակտիվներով ալեհավաքների նախագծումից:
Հարմարվողական կամ վերակազմավորվող դիմադրության համընկնումը նկատվել է CMOS rectennas-ում, որտեղ համապատասխան ցանցը բաղկացած է չիպային կոնդենսատորների բանկերից և ինդուկտորներից: Ստատիկ CMOS համապատասխանող ցանցեր առաջարկվել են նաև ստանդարտ 50Ω ալեհավաքների, ինչպես նաև համատեղ նախագծված օղակաձև ալեհավաքների համար: Զեկուցվել է, որ պասիվ CMOS էներգիայի դետեկտորները օգտագործվում են անջատիչների կառավարման համար, որոնք ուղղորդում են ալեհավաքի ելքը դեպի տարբեր ուղղիչներ և համապատասխան ցանցեր՝ կախված առկա հզորությունից: Առաջարկվել է վերակազմավորվող համապատասխանող ցանց՝ օգտագործելով միաձուլվող կարգավորելի կոնդենսատորներ, որը կարգավորվում է ճշգրտման միջոցով՝ չափելով մուտքային դիմադրությունը՝ օգտագործելով վեկտորային ցանցի անալիզատոր: Վերակազմավորվող միկրոշերտի համապատասխան ցանցերում դաշտային էֆեկտի տրանզիստորային անջատիչներն օգտագործվել են համապատասխանող կոճղերը կարգավորելու համար՝ երկշերտ բնութագրերի հասնելու համար:
Ալեհավաքների մասին ավելին իմանալու համար այցելեք՝
Հրապարակման ժամանակը՝ օգ-09-2024
