1. تعارف
ریڈیو فریکوئنسی (RF) انرجی ہارویسٹنگ (RFEH) اور ریڈی ایٹیو وائرلیس پاور ٹرانسفر (WPT) نے بیٹری سے پاک پائیدار وائرلیس نیٹ ورکس حاصل کرنے کے طریقوں کے طور پر کافی دلچسپی حاصل کی ہے۔ ریکٹیناس ڈبلیو پی ٹی اور آر ایف ای ایچ سسٹمز کا سنگ بنیاد ہیں اور لوڈ تک پہنچانے والی ڈی سی پاور پر اہم اثر ڈالتے ہیں۔ ریکٹینا کے اینٹینا عناصر براہ راست کٹائی کی کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں، جو کٹائی کی طاقت کو شدت کے کئی آرڈرز سے مختلف کر سکتے ہیں۔ یہ کاغذ WPT اور محیط RFEH ایپلی کیشنز میں لگائے گئے اینٹینا ڈیزائنز کا جائزہ لیتا ہے۔ رپورٹ شدہ ریکٹیناس کو دو اہم معیاروں کے مطابق درجہ بندی کیا گیا ہے: اینٹینا کو درست کرنے والا مائبادی بینڈوڈتھ اور اینٹینا کی تابکاری کی خصوصیات۔ ہر کسوٹی کے لیے، مختلف درخواستوں کے لیے فگر آف میرٹ (FoM) کا تقابلی طور پر تعین اور جائزہ لیا جاتا ہے۔
ڈبلیو پی ٹی کو 20ویں صدی کے اوائل میں ٹیسلا نے ہزاروں ہارس پاور کی ترسیل کے طریقہ کار کے طور پر تجویز کیا تھا۔ رییکٹینا کی اصطلاح، جو کہ RF پاور حاصل کرنے کے لیے ایک ریکٹیفائر سے منسلک ایک اینٹینا کی وضاحت کرتی ہے، 1950 کی دہائی میں اسپیس مائیکرو ویو پاور ٹرانسمیشن ایپلی کیشنز اور خود مختار ڈرونز کو طاقت دینے کے لیے سامنے آئی۔ ہمہ جہتی، طویل فاصلے والی WPT پروپیگیشن میڈیم (ہوا) کی جسمانی خصوصیات کی وجہ سے محدود ہے۔ لہذا، کمرشل ڈبلیو پی ٹی بنیادی طور پر وائرلیس کنزیومر الیکٹرانکس چارجنگ یا آر ایف آئی ڈی کے لیے قریبی فیلڈ غیر ریڈی ایٹیو پاور ٹرانسفر تک محدود ہے۔
جیسے جیسے سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز اور وائرلیس سینسر نوڈس کی بجلی کی کھپت کم ہوتی جارہی ہے، یہ ایمبیئنٹ RFEH کا استعمال کرتے ہوئے یا تقسیم شدہ کم طاقت والے ہمہ جہتی ٹرانسمیٹر کے استعمال سے پاور سینسر نوڈس کے لیے زیادہ ممکن ہو جاتا ہے۔ الٹرا لو پاور وائرلیس پاور سسٹم عام طور پر ایک RF حصول فرنٹ اینڈ، DC پاور اور میموری مینجمنٹ، اور ایک کم پاور مائکرو پروسیسر اور ٹرانسیور پر مشتمل ہوتا ہے۔
شکل 1 ایک RFEH وائرلیس نوڈ کے فن تعمیر اور عام طور پر رپورٹ کردہ RF فرنٹ اینڈ کے نفاذ کو دکھاتا ہے۔ وائرلیس پاور سسٹم کی اختتام سے آخر تک کارکردگی اور مطابقت پذیر وائرلیس انفارمیشن اور پاور ٹرانسفر نیٹ ورک کا فن تعمیر انفرادی اجزاء، جیسے انٹینا، ریکٹیفائر، اور پاور مینجمنٹ سرکٹس کی کارکردگی پر منحصر ہے۔ نظام کے مختلف حصوں کے لیے کئی لٹریچر سروے کیے گئے ہیں۔ جدول 1 پاور کنورژن اسٹیج، موثر پاور کنورژن کے لیے کلیدی اجزاء، اور ہر حصے کے لیے متعلقہ لٹریچر سروے کا خلاصہ کرتا ہے۔ حالیہ لٹریچر پاور کنورژن ٹیکنالوجی، ریکٹیفائر ٹوپولاجیز، یا نیٹ ورک سے آگاہ RFEH پر فوکس کرتا ہے۔
تصویر 1
تاہم، RFEH میں اینٹینا ڈیزائن کو ایک اہم جز کے طور پر نہیں سمجھا جاتا ہے۔ اگرچہ کچھ ادب اینٹینا بینڈوتھ اور کارکردگی کو مجموعی نقطہ نظر سے یا مخصوص اینٹینا ڈیزائن کے نقطہ نظر سے مانتا ہے، جیسے چھوٹے یا پہننے کے قابل اینٹینا، پاور ریسیپشن اور تبادلوں کی کارکردگی پر اینٹینا کے مخصوص پیرامیٹرز کے اثرات کا تفصیل سے تجزیہ نہیں کیا جاتا ہے۔
یہ مقالہ معیاری کمیونیکیشن اینٹینا ڈیزائن سے RFEH اور WPT مخصوص اینٹینا ڈیزائن چیلنجوں کو ممتاز کرنے کے مقصد کے ساتھ ریکٹیناس میں اینٹینا ڈیزائن کی تکنیکوں کا جائزہ لیتا ہے۔ انٹینا کا موازنہ دو زاویوں سے کیا جاتا ہے: اختتام سے آخر تک مائبادی مماثلت اور تابکاری کی خصوصیات؛ ہر معاملے میں، ایف او ایم کی شناخت اور اس کا جدید ترین (SoA) اینٹینا میں جائزہ لیا جاتا ہے۔
2. بینڈوتھ اور میچنگ: غیر 50Ω RF نیٹ ورکس
50Ω کی خصوصیت کی رکاوٹ مائکروویو انجینئرنگ ایپلی کیشنز میں توجہ اور طاقت کے درمیان سمجھوتہ پر ابتدائی غور ہے۔ اینٹینا میں، مائبادا بینڈوتھ کو تعدد کی حد کے طور پر بیان کیا جاتا ہے جہاں منعکس طاقت 10% (S11< −10 dB) سے کم ہوتی ہے۔ چونکہ کم شور ایمپلیفائرز (LNAs)، پاور ایمپلیفائرز، اور ڈیٹیکٹرز کو عام طور پر 50Ω ان پٹ امپیڈینس میچ کے ساتھ ڈیزائن کیا جاتا ہے، اس لیے روایتی طور پر 50Ω ذریعہ کا حوالہ دیا جاتا ہے۔
ایک ریکٹینا میں، اینٹینا کی آؤٹ پٹ کو براہ راست ریکٹیفائر میں فیڈ کیا جاتا ہے، اور ڈایڈڈ کی نان لائنیرٹی ان پٹ مائبادا میں ایک بڑی تبدیلی کا سبب بنتی ہے، جس میں کیپسیٹیو جزو غالب ہوتا ہے۔ ایک 50Ω اینٹینا فرض کرتے ہوئے، بنیادی چیلنج ایک اضافی RF میچنگ نیٹ ورک ڈیزائن کرنا ہے تاکہ ان پٹ مائبادا کو ریکٹیفائر کے مائبادی میں دلچسپی کی فریکوئنسی میں تبدیل کیا جا سکے اور اسے مخصوص پاور لیول کے لیے بہتر بنایا جا سکے۔ اس صورت میں، مؤثر RF سے DC کی تبدیلی کو یقینی بنانے کے لیے اینڈ ٹو اینڈ مائبادی بینڈوتھ کی ضرورت ہے۔ اس لیے، اگرچہ اینٹینا متواتر عناصر یا خود تکمیلی جیومیٹری کا استعمال کرتے ہوئے نظریاتی طور پر لامحدود یا الٹرا وائیڈ بینڈوتھ حاصل کر سکتے ہیں، لیکن رییکٹینا کی بینڈوتھ کو ریکٹیفائر میچنگ نیٹ ورک کے ذریعے رکاوٹ بنایا جائے گا۔
انٹینا اور ریکٹیفائر کے درمیان عکاسی کو کم سے کم اور زیادہ سے زیادہ پاور ٹرانسفر کرکے سنگل بینڈ اور ملٹی بینڈ ہارویسٹنگ یا ڈبلیو پی ٹی حاصل کرنے کے لیے کئی رییکٹینا ٹوپولاجیز تجویز کی گئی ہیں۔ شکل 2 رپورٹ شدہ ریکٹینا ٹوپولوجیز کے ڈھانچے کو دکھاتا ہے، جو ان کے مائبادا سے مماثل فن تعمیر کے لحاظ سے درجہ بندی کرتا ہے۔ جدول 2 ہر زمرے کے لیے اینڈ ٹو اینڈ بینڈوتھ (اس معاملے میں، FoM) کے حوالے سے اعلی کارکردگی والے ریکٹیناس کی مثالیں دکھاتا ہے۔
تصویر 2 بینڈوڈتھ اور مائبادا مماثلت کے نقطہ نظر سے رییکٹینا ٹوپولاجی۔ (a) معیاری اینٹینا کے ساتھ سنگل بینڈ ریکٹینا۔ (b) ملٹی بینڈ ریکٹینا (متعدد باہمی جوڑے ہوئے اینٹینا پر مشتمل) ایک ریکٹیفائر اور مماثل نیٹ ورک فی بینڈ کے ساتھ۔ (c) ایک سے زیادہ RF پورٹس کے ساتھ براڈ بینڈ ریکٹینا اور ہر بینڈ کے لیے علیحدہ مماثل نیٹ ورکس۔ (d) براڈ بینڈ ریکٹینا براڈ بینڈ اینٹینا اور براڈ بینڈ میچنگ نیٹ ورک کے ساتھ۔ (e) سنگل بینڈ ریکٹینا برقی طور پر چھوٹے اینٹینا کا استعمال کرتے ہوئے براہ راست ریکٹیفائر سے مماثل ہے۔ (f) سنگل بینڈ، برقی طور پر بڑا اینٹینا جس میں ریکٹیفائر کے ساتھ جوڑنے کے لیے پیچیدہ رکاوٹ ہے۔ (g) براڈ بینڈ ریکٹینا پیچیدہ مائبادا کے ساتھ ریکٹیفائر کے ساتھ تعدد کی ایک حد پر جوڑنے کے لیے۔
جبکہ وقف شدہ فیڈ سے WPT اور ایمبیئنٹ RFEH مختلف ریکٹینا ایپلی کیشنز ہیں، لیکن بینڈوتھ کے نقطہ نظر سے ہائی پاور کنورژن ایفیشنسی (PCE) کو حاصل کرنے کے لیے اینٹینا، ریکٹیفائر اور لوڈ کے درمیان اینڈ ٹو اینڈ میچنگ کو حاصل کرنا بنیادی ہے۔ اس کے باوجود، WPT rectennas اعلی معیار کے فیکٹر میچنگ (نچلے S11) کو حاصل کرنے پر زیادہ توجہ مرکوز کرتے ہیں تاکہ مخصوص پاور لیولز (ٹپولاجیز a، e اور f) پر سنگل بینڈ PCE کو بہتر بنایا جا سکے۔ سنگل بینڈ ڈبلیو پی ٹی کی وسیع بینڈ وڈتھ نظام کے استثنیٰ کو ڈی ٹیوننگ، مینوفیکچرنگ نقائص اور پیکیجنگ طفیلیوں سے بہتر کرتی ہے۔ دوسری طرف، RFEH rectennas ملٹی بینڈ آپریشن کو ترجیح دیتے ہیں اور ان کا تعلق topologies bd اور g سے ہے، کیونکہ ایک بینڈ کی پاور سپیکٹرل ڈینسٹی (PSD) عام طور پر کم ہوتی ہے۔
3. مستطیل اینٹینا ڈیزائن
1. سنگل فریکوئنسی ریکٹینا
سنگل فریکوئنسی ریکٹینا (ٹوپیولوجی اے) کا اینٹینا ڈیزائن بنیادی طور پر معیاری اینٹینا ڈیزائن پر مبنی ہے، جیسے لکیری پولرائزیشن (LP) یا سرکلر پولرائزیشن (CP) زمینی جہاز پر ریڈیٹنگ پیچ، ڈوپول اینٹینا اور الٹا F اینٹینا۔ ڈیفرینشل بینڈ ریکٹینا متعدد اینٹینا یونٹوں یا متعدد پیچ یونٹوں کے مخلوط ڈی سی اور آر ایف کے امتزاج کے ساتھ تشکیل شدہ DC امتزاج پر مبنی ہے۔
چونکہ بہت سے مجوزہ اینٹینا سنگل فریکوئنسی انٹینا ہیں اور سنگل فریکوئنسی ڈبلیو پی ٹی کی ضروریات کو پورا کرتے ہیں، جب ماحولیاتی ملٹی فریکوئنسی RFEH کی تلاش کرتے ہیں، تو متعدد سنگل فریکوئنسی اینٹینا ملٹی بینڈ ریکٹیناس (ٹوپیولوجی بی) میں باہمی کپلنگ دبانے کے ساتھ مل جاتے ہیں۔ پاور مینجمنٹ سرکٹ کے بعد آزاد DC مجموعہ انہیں مکمل طور پر RF سے الگ تھلگ کرنے کے لیے حصول اور تبادلوں کا سرکٹ۔ اس کے لیے ہر بینڈ کے لیے متعدد پاور مینجمنٹ سرکٹس کی ضرورت ہوتی ہے، جو بوسٹ کنورٹر کی کارکردگی کو کم کر سکتے ہیں کیونکہ ایک بینڈ کی DC پاور کم ہے۔
2. ملٹی بینڈ اور براڈ بینڈ RFEH اینٹینا
ماحولیاتی RFEH اکثر ملٹی بینڈ کے حصول سے منسلک ہوتا ہے۔ لہذا، معیاری اینٹینا ڈیزائنوں کی بینڈوتھ کو بہتر بنانے اور ڈوئل بینڈ یا بینڈ اینٹینا صفوں کی تشکیل کے طریقوں کے لیے متعدد تکنیکیں تجویز کی گئی ہیں۔ اس سیکشن میں، ہم RFEHs کے لیے حسب ضرورت اینٹینا ڈیزائنز کے ساتھ ساتھ کلاسک ملٹی بینڈ اینٹینا کا جائزہ لیتے ہیں جن کا استعمال رییکٹنا کے طور پر کیا جا سکتا ہے۔
Coplanar waveguide (CPW) monopole antennas ایک ہی فریکوئنسی پر مائیکرو اسٹریپ پیچ اینٹینا سے کم رقبہ پر قبضہ کرتے ہیں اور LP یا CP لہریں پیدا کرتے ہیں، اور اکثر براڈ بینڈ ماحولیاتی ریکٹیناس کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ عکاسی طیاروں کا استعمال تنہائی کو بڑھانے اور فائدہ کو بہتر بنانے کے لیے کیا جاتا ہے، جس کے نتیجے میں تابکاری کے نمونے پیچ انٹینا کی طرح ہوتے ہیں۔ Slotted coplanar waveguide اینٹینا ایک سے زیادہ فریکوئنسی بینڈز، جیسے 1.8–2.7 GHz یا 1–3 GHz کے لیے مائبادی بینڈوتھ کو بہتر بنانے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں۔ کپلڈ فیڈ سلاٹ انٹینا اور پیچ اینٹینا بھی عام طور پر ملٹی بینڈ ریکٹینا ڈیزائن میں استعمال ہوتے ہیں۔ شکل 3 کچھ رپورٹ شدہ ملٹی بینڈ اینٹینا دکھاتا ہے جو ایک سے زیادہ بینڈوتھ کی بہتری کی تکنیک کا استعمال کرتے ہیں۔
تصویر 3
اینٹینا-ریکٹیفائر امپیڈینس میچنگ
50Ω اینٹینا کو نان لائنر ریکٹیفائر سے ملانا مشکل ہے کیونکہ اس کی ان پٹ رکاوٹ تعدد کے ساتھ بہت مختلف ہوتی ہے۔ ٹوپولاجی A اور B (شکل 2) میں، عام مماثلت والا نیٹ ورک ایک LC میچ ہے جس میں lumped عناصر کا استعمال کیا جاتا ہے۔ تاہم، متعلقہ بینڈوڈتھ عام طور پر زیادہ تر مواصلاتی بینڈز سے کم ہوتی ہے۔ سنگل بینڈ اسٹب مماثلت عام طور پر مائکروویو اور ملی میٹر ویو بینڈ میں 6 گیگا ہرٹز سے نیچے استعمال کی جاتی ہے، اور اطلاع دی گئی ملی میٹر ویو ریکٹیناس میں فطری طور پر تنگ بینڈوتھ ہوتی ہے کیونکہ ان کی پی سی ای بینڈوتھ آؤٹ پٹ ہارمونک دبانے کی وجہ سے رکاوٹ ہے، جو انہیں خاص طور پر سنگل کے لیے موزوں بناتی ہے۔ بینڈ ڈبلیو پی ٹی ایپلی کیشنز 24 گیگا ہرٹز بغیر لائسنس والے بینڈ میں۔
ٹوپولوجیز C اور D میں ریکٹیناس زیادہ پیچیدہ مماثلت والے نیٹ ورکس رکھتے ہیں۔ آؤٹ پٹ پورٹ پر آر ایف بلاک/ڈی سی شارٹ سرکٹ (پاس فلٹر) یا ڈائیوڈ ہارمونکس کے لیے واپسی کے راستے کے طور پر ڈی سی بلاکنگ کیپسیٹر کے ساتھ براڈ بینڈ میچنگ کے لیے مکمل طور پر تقسیم شدہ لائن میچنگ نیٹ ورکس تجویز کیے گئے ہیں۔ ریکٹیفائر کے اجزاء کو پرنٹ شدہ سرکٹ بورڈ (PCB) انٹرڈیجیٹڈ کیپسیٹرز سے تبدیل کیا جا سکتا ہے، جو کمرشل الیکٹرانک ڈیزائن آٹومیشن ٹولز کا استعمال کرتے ہوئے ترکیب کیے جاتے ہیں۔ دیگر رپورٹ شدہ براڈ بینڈ ریکٹینا میچنگ نیٹ ورکس نچلی فریکوئنسیوں سے مماثلت کے لیے lumped عناصر اور ان پٹ پر RF شارٹ بنانے کے لیے تقسیم شدہ عناصر کو یکجا کرتے ہیں۔
ذریعہ کے ذریعے بوجھ کے ذریعہ مشاہدہ کردہ ان پٹ رکاوٹ کو تبدیل کرنا (جسے سورس پل تکنیک کہا جاتا ہے) براڈ بینڈ ریکٹیفائر کو ڈیزائن کرنے کے لیے استعمال کیا گیا ہے جس میں 57% رشتہ دار بینڈوڈتھ (1.25–2.25 GHz) اور lumped یا تقسیم شدہ سرکٹس کے مقابلے میں 10% زیادہ PCE ہے۔ . اگرچہ مماثل نیٹ ورکس کو عام طور پر پوری 50Ω بینڈوڈتھ پر اینٹینا سے ملنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے، لیکن ادب میں ایسی رپورٹس موجود ہیں جہاں براڈ بینڈ اینٹینا کو تنگ بینڈ ریکٹیفائر سے جوڑا گیا ہے۔
ہائبرڈ لمپڈ عنصر اور تقسیم شدہ عنصر کے مماثل نیٹ ورکس کو ٹوپولاجیز C اور D میں بڑے پیمانے پر استعمال کیا گیا ہے، سیریز کے انڈکٹرز اور کیپسیٹرز سب سے زیادہ استعمال ہونے والے lumped عناصر ہیں۔ یہ پیچیدہ ڈھانچے جیسے انٹرڈیجیٹڈ کیپسیٹرز سے بچتے ہیں، جن کے لیے معیاری مائیکرو اسٹریپ لائنوں کے مقابلے میں زیادہ درست ماڈلنگ اور فیبریکیشن کی ضرورت ہوتی ہے۔
ڈایڈڈ کی نان لائنیرٹی کی وجہ سے ریکٹیفائر کی ان پٹ پاور ان پٹ رکاوٹ کو متاثر کرتی ہے۔ لہذا، ریکٹینا کو مخصوص ان پٹ پاور لیول اور بوجھ کی رکاوٹ کے لیے PCE کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ چونکہ ڈائیوڈس بنیادی طور پر 3 گیگا ہرٹز سے کم فریکوئنسیوں پر کیپسیٹو ہائی مائبادا ہوتے ہیں، اس لیے براڈ بینڈ ریکٹیناس جو مماثل نیٹ ورکس کو ختم کرتے ہیں یا آسان ملاپ والے سرکٹس کو کم سے کم کرتے ہیں Prf>0 dBm اور 1 GHz سے اوپر کی فریکوئنسیوں پر فوکس کیے گئے ہیں، کیونکہ diodes میں کم capacitive impedance ہے اور اچھی طرح سے میچ کر سکتے ہیں۔ اینٹینا کے لئے، اس طرح کے ڈیزائن سے گریز ان پٹ رد عمل کے ساتھ اینٹینا>1,000Ω۔
CMOS ریکٹیناس میں موافقت پذیر یا دوبارہ قابل ترتیب رکاوٹ مماثلت دیکھی گئی ہے، جہاں مماثل نیٹ ورک آن چپ کیپسیٹر بینکوں اور انڈکٹرز پر مشتمل ہوتا ہے۔ جامد CMOS مماثلت والے نیٹ ورکس کو معیاری 50Ω اینٹینا کے ساتھ ساتھ مشترکہ ڈیزائن شدہ لوپ اینٹینا کے لیے بھی تجویز کیا گیا ہے۔ یہ اطلاع دی گئی ہے کہ غیر فعال CMOS پاور ڈٹیکٹر ان سوئچز کو کنٹرول کرنے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں جو دستیاب پاور کے لحاظ سے اینٹینا کے آؤٹ پٹ کو مختلف ریکٹیفائرز اور میچنگ نیٹ ورکس کی طرف لے جاتے ہیں۔ lumped tunable capacitors کا استعمال کرتے ہوئے ایک ری کنفیگرایبل میچنگ نیٹ ورک تجویز کیا گیا ہے، جسے ویکٹر نیٹ ورک اینالائزر کا استعمال کرتے ہوئے ان پٹ کی رکاوٹ کی پیمائش کرتے ہوئے فائن ٹیوننگ کے ذریعے ٹیون کیا جاتا ہے۔ دوبارہ ترتیب دینے والے مائیکرو اسٹرپ مماثل نیٹ ورکس میں، فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹر سوئچز کو ڈوئل بینڈ کی خصوصیات حاصل کرنے کے لیے مماثل اسٹبس کو ایڈجسٹ کرنے کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔
اینٹینا کے بارے میں مزید جاننے کے لیے، براہ کرم ملاحظہ کریں:
پوسٹ ٹائم: اگست 09-2024
