Anten-Doğrultucu Ortak Tasarımı
Şekil 2'deki EG topolojisini izleyen doğrultucu antenlerin özelliği, antenin 50Ω standardına göre değil, doğrudan doğrultucuya eşleştirilmesidir; bu da doğrultucuyu beslemek için eşleştirme devresinin en aza indirilmesini veya ortadan kaldırılmasını gerektirir. Bu bölümde, 50Ω olmayan antenlere sahip SoA doğrultucu antenlerin ve eşleştirme ağları olmayan doğrultucu antenlerin avantajları incelenmektedir.
1. Elektriksel Olarak Küçük Antenler
LC rezonans halka antenleri, sistem boyutunun kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. 1 GHz'nin altındaki frekanslarda, dalga boyu standart dağıtılmış eleman antenlerinin sistemin genel boyutundan daha fazla yer kaplamasına neden olabilir ve vücut implantları için tamamen entegre alıcı-vericiler gibi uygulamalar, kablosuz güç aktarımı için elektriksel olarak küçük antenlerin kullanımından özellikle fayda sağlar.
Küçük antenin yüksek endüktif empedansı (rezonansa yakın), doğrultucuya doğrudan veya ek bir çip içi kapasitif eşleştirme ağı ile bağlanmak için kullanılabilir. Elektriksel olarak küçük antenlerin, Huygens dipol antenleri kullanılarak 1 GHz'nin altında LP ve CP ile kablosuz güç iletiminde kullanıldığı bildirilmiştir; burada ka=0,645 iken normal dipollerde ka=5,91'dir (ka=2πr/λ0).
2. Doğrultucu eşlenik anten
Bir diyotun tipik giriş empedansı oldukça kapasitiftir, bu nedenle eşlenik empedans elde etmek için endüktif bir anten gereklidir. Çipin kapasitif empedansı nedeniyle, yüksek empedanslı endüktif antenler RFID etiketlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Dipol antenler, son zamanlarda karmaşık empedanslı RFID antenlerinde bir trend haline gelmiş olup, rezonans frekanslarına yakın yüksek empedans (direnç ve reaktans) sergilemektedir.
İndüktif dipol antenler, ilgili frekans bandındaki doğrultucunun yüksek kapasitansını eşleştirmek için kullanılmıştır. Katlanmış bir dipol antende, çift kısa hat (dipol katlama) bir empedans dönüştürücü görevi görerek son derece yüksek empedanslı bir antenin tasarlanmasına olanak tanır. Alternatif olarak, bias beslemesi, indüktif reaktansı ve gerçek empedansı artırmaktan sorumludur. Birden fazla biaslı dipol elemanının dengesiz kelebek radyal uçlarla birleştirilmesi, çift geniş bantlı yüksek empedanslı bir anten oluşturur. Şekil 4, bildirilen bazı doğrultucu konjugat antenlerini göstermektedir.
Şekil 4
RFEH ve WPT'deki radyasyon özellikleri
Friis modelinde, vericiden d mesafedeki bir anten tarafından alınan güç PRX, alıcı ve verici kazançlarının (GRX, GTX) doğrudan bir fonksiyonudur.
Antenin ana lobunun yönlülüğü ve polarizasyonu, gelen dalgadan toplanan güç miktarını doğrudan etkiler. Anten radyasyon özellikleri, ortam RFEH ve WPT arasında ayrım yapan temel parametrelerdir (Şekil 5). Her iki uygulamada da yayılım ortamı bilinmeyebilir ve alınan dalga üzerindeki etkisi dikkate alınmalıdır; ancak verici anten hakkındaki bilgilerden yararlanılabilir. Tablo 3, bu bölümde ele alınan temel parametreleri ve bunların RFEH ve WPT'ye uygulanabilirliğini göstermektedir.
Şekil 5
1. Yönlülük ve Kazanç
Çoğu RFEH ve WPT uygulamasında, toplayıcının gelen radyasyonun yönünü bilmediği ve görüş hattı (LoS) yolu olmadığı varsayılır. Bu çalışmada, verici ve alıcı arasındaki ana lob hizalamasından bağımsız olarak, bilinmeyen bir kaynaktan alınan gücü en üst düzeye çıkarmak için birden fazla anten tasarımı ve yerleşimi araştırılmıştır.
Çok yönlü antenler, çevresel RFEH doğrultucu antenlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Literatürde, güç spektral yoğunluğu (PSD) antenin yönüne bağlı olarak değişmektedir. Bununla birlikte, güçteki değişim açıklanmamıştır, bu nedenle değişimin antenin radyasyon deseninden mi yoksa polarizasyon uyumsuzluğundan mı kaynaklandığını belirlemek mümkün değildir.
RFEH uygulamalarına ek olarak, yüksek kazançlı yönlü antenler ve diziler, düşük RF güç yoğunluğunun toplama verimliliğini artırmak veya yayılım kayıplarının üstesinden gelmek için mikrodalga WPT'de yaygın olarak rapor edilmiştir. Yagi-Uda doğrultucu anten dizileri, kelebek anten dizileri, spiral anten dizileri, sıkıca bağlanmış Vivaldi anten dizileri, CPW CP anten dizileri ve yama anten dizileri, belirli bir alanda gelen güç yoğunluğunu en üst düzeye çıkarabilen ölçeklenebilir doğrultucu anten uygulamaları arasındadır. Anten kazancını iyileştirmenin diğer yaklaşımları arasında, WPT'ye özgü mikrodalga ve milimetre dalga bantlarında alt tabaka entegre dalga kılavuzu (SIW) teknolojisi yer almaktadır. Bununla birlikte, yüksek kazançlı doğrultucu antenler dar ışın genişlikleriyle karakterize edilir ve bu da rastgele yönlerdeki dalgaların alımını verimsiz hale getirir. Anten elemanlarının ve portların sayısına ilişkin araştırmalar, üç boyutlu rastgele geliş varsayımı altında, daha yüksek yönlülüğün ortam RFEH'de daha yüksek toplanan güce karşılık gelmediği sonucuna varmıştır; bu, kentsel ortamlardaki saha ölçümleriyle doğrulanmıştır. Yüksek kazançlı diziler, WPT uygulamalarıyla sınırlı olabilir.
Yüksek kazançlı antenlerin avantajlarını rastgele RFEH'lere aktarmak için, yönlülük sorununu aşmak amacıyla paketleme veya yerleşim çözümleri kullanılır. Ortam Wi-Fi RFEH'lerinden iki yönde enerji toplamak için çift yama antenli bir bileklik önerilmiştir. Ortam hücresel RFEH antenleri ayrıca sistem alanını azaltmak ve çok yönlü enerji toplamayı sağlamak için 3 boyutlu kutular olarak tasarlanmış ve dış yüzeylere basılmış veya yapıştırılmıştır. Kübik doğrultucu anten yapıları, ortam RFEH'lerinde daha yüksek enerji alım olasılığı sergiler.
Anten tasarımında, yardımcı parazitik yama elemanları da dahil olmak üzere ışın genişliğini artırmak için yapılan iyileştirmeler, 2,4 GHz'de 4 × 1 dizilerde kablosuz güç aktarımını (WPT) iyileştirmek için gerçekleştirildi. Ayrıca, port başına birden fazla ışın gösteren, çoklu ışın bölgelerine sahip 6 GHz'lik bir ağ anteni de önerildi. Çok yönlü ve çok kutuplu radyo frekans enerjisi hasadı (RFEH) için çok portlu, çok doğrultuculu yüzey doğrultucu antenler ve çok yönlü radyasyon desenlerine sahip enerji hasat antenleri önerildi. Yüksek kazançlı, çok yönlü enerji hasadı için ışın şekillendirme matrislerine sahip çoklu doğrultucular ve çok portlu anten dizileri de önerildi.
Özetle, düşük RF yoğunluklarından elde edilen gücü artırmak için yüksek kazançlı antenler tercih edilirken, verici yönünün bilinmediği uygulamalarda (örneğin, ortam RFEH veya bilinmeyen yayılım kanalları üzerinden WPT) yüksek yönlü alıcılar ideal olmayabilir. Bu çalışmada, çok yönlü yüksek kazançlı WPT ve RFEH için çoklu ışın yaklaşımları önerilmiştir.
2. Anten Polarizasyonu
Anten polarizasyonu, elektrik alan vektörünün antenin yayılım yönüne göre hareketini tanımlar. Polarizasyon uyumsuzlukları, ana lob yönleri hizalanmış olsa bile antenler arasında iletim/alıma zarar verebilir. Örneğin, iletim için dikey bir LP anteni ve alım için yatay bir LP anteni kullanılırsa, hiçbir güç alınamaz. Bu bölümde, kablosuz alım verimliliğini en üst düzeye çıkarmak ve polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarını önlemek için bildirilen yöntemler incelenmektedir. Polarizasyona ilişkin önerilen doğrultucu anten mimarisinin bir özeti Şekil 6'da ve bir örnek SoA Tablo 4'te verilmiştir.
Şekil 6
Hücresel iletişimde, baz istasyonları ve cep telefonları arasında doğrusal polarizasyon hizalaması elde etmek olası değildir; bu nedenle, polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarını önlemek için baz istasyonu antenleri çift polarize veya çok polarize olacak şekilde tasarlanır. Bununla birlikte, çoklu yol etkilerinden kaynaklanan LP dalgalarının polarizasyon varyasyonu çözülmemiş bir sorun olarak kalmaktadır. Çok polarize mobil baz istasyonları varsayımına dayanarak, hücresel RFEH antenleri LP antenleri olarak tasarlanmıştır.
CP doğrultucu antenler, uyumsuzluğa karşı nispeten dirençli oldukları için ağırlıklı olarak kablosuz güç iletiminde (WPT) kullanılır. CP antenler, tüm LP dalgalarına ek olarak, aynı dönüş yönüne sahip (sol veya sağ CP) CP radyasyonunu güç kaybı olmadan alabilir. Her durumda, CP anten iletim yapar ve LP anten 3 dB kayıpla (güç kaybının %50'si) alım yapar. CP doğrultucu antenlerin 900 MHz, 2,4 GHz ve 5,8 GHz endüstriyel, bilimsel ve tıbbi bantların yanı sıra milimetre dalgaları için de uygun olduğu bildirilmiştir. Keyfi polarize dalgaların RFEH'sinde, polarizasyon çeşitliliği, polarizasyon uyumsuzluk kayıplarına potansiyel bir çözüm sunar.
Tam polarizasyon, diğer adıyla çoklu polarizasyon, polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarını tamamen ortadan kaldırmak ve hem dairesel polarize (CP) hem de dairesel polarize (LP) dalgaların toplanmasını sağlamak için önerilmiştir; burada iki çift polarize ortogonal LP elemanı, tüm LP ve CP dalgalarını etkili bir şekilde alır. Bunu göstermek için, dikey ve yatay net gerilimler (VV ve VH), polarizasyon açısından bağımsız olarak sabit kalır:
CP elektromanyetik dalga “E” elektrik alanında, güç iki kez (birim başına bir kez) toplanır, böylece CP bileşeni tamamen alınır ve 3 dB polarizasyon uyumsuzluğu kaybı aşılır:
Son olarak, DC kombinasyonu yoluyla, keyfi polarizasyona sahip gelen dalgalar alınabilir. Şekil 7, bildirilen tamamen polarize edilmiş doğrultucu antenin geometrisini göstermektedir.
Şekil 7
Özetle, özel güç kaynaklarına sahip kablosuz güç aktarımı (WPT) uygulamalarında, antenin polarizasyon açısından bağımsız olarak WPT verimliliğini artırdığı için tam polarizasyon (CP) tercih edilir. Öte yandan, özellikle ortam kaynaklarından gelen çok kaynaklı alımlarda, tam polarize antenler daha iyi genel alım ve maksimum taşınabilirlik sağlayabilir; RF veya DC'de tam polarize gücü birleştirmek için çok portlu/çok doğrultucu mimarileri gereklidir.
Özet
Bu makale, RFEH ve WPT için anten tasarımındaki son gelişmeleri gözden geçirmekte ve daha önceki literatürde önerilmemiş olan RFEH ve WPT için standart bir anten tasarımı sınıflandırması önermektedir. Yüksek RF-DC verimliliğine ulaşmak için üç temel anten gereksinimi belirlenmiştir:
1. İlgili RFEH ve WPT bantları için anten doğrultucu empedans bant genişliği;
2. Kablosuz güç aktarımında (WPT) verici ve alıcı arasında, özel bir besleme kaynağından gelen ana lob hizalaması;
3. Açı ve konumdan bağımsız olarak, doğrultucu anten ile gelen dalga arasında polarizasyon eşleşmesi.
Empedanslarına göre, doğrultucu antenler 50Ω ve doğrultucu konjugat doğrultucu antenler olarak sınıflandırılır; bu sınıflandırmada farklı bantlar ve yükler arasındaki empedans eşleşmesine ve her bir eşleşme yönteminin verimliliğine odaklanılır.
SoA doğrultucu antenlerin radyasyon özellikleri, yönlülük ve polarizasyon perspektifinden incelenmiştir. Dar ışın genişliğinin üstesinden gelmek için ışın şekillendirme ve paketleme yoluyla kazancı artırma yöntemleri tartışılmıştır. Son olarak, WPT için polarizasyondan bağımsız alım elde etmek amacıyla çeşitli uygulamalarla birlikte WPT ve RFEH için CP doğrultucu antenler incelenmiştir.
Antenler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şu adresi ziyaret edin:
Yayın tarihi: 16 Ağustos 2024
