RF enerji hasatlama

Yeni bir enerji kaynağı olan enerji hasatlama sistemler ortamda bulunan mevcut elektromanyetik enerjinin kullanılarak verimli doğru akıma dönüştürülmesini hedeflemektedir. Ortamda mevcut olarak bulunan Radyo frekans (Radio Frequency; "RF") enerjisi, çeşitli elektronik devre ve cihaz uygulamalarında kullanılmak üzere enerji toplayıcı devrelerce alınır, doğrultularak doğru akım ve gerilim elde edilir. İhtiyaç olan enerjiyi, ortamdaki RF sinyal kaynaklarından temin etme işlemine RF Enerji Hasatlama (RF Energy Harvesting) adı verilmektedir. RF enerji hasatlama devreleri, sensörler, düşük güçlü entegre devreleri ve kablosuz haberleşme modülleri gibi düşük güç tüketen projelerde sürekliliği olan bir enerji kaynağı oluşturmayı amaçlamaktadır. RF enerji toplama sistemi, temelde iki ana bileşenden oluşmaktadır. Bunlar; RF enerjiyi toplayan bir anten ve RF enerjisini doğrultarak doğru akıma (Direct Current; "DC") çeviren yüksek verimli bir doğrultucu devredir.

RF enerji toplama sistemi; anten, empedans uyumlandırma, doğrultucu devresi, DC filtre devresi ve yükten oluşmaktadır. Anten, ortamdaki RF enerjiyi toplayan pasif elemandır. RF enerji toplama sistemlerinde çoğunlukla doğrultucu anten olarak adlandırılan Rectenna kullanılmaktadır. Rectennalarda genellikle mikroşerit yama antenler kullanılmaktadır. Uyumlama devresi, antenle doğrultucu arasında empedans uyumsuzluklarını gidererek maksimum güç iletiminin gerçekleşmesini sağlar. Uyumlama işlemi doğrultucunun temel frekanstaki giriş empedansı için yapılmaktadır.

İlk mikroşerit anten 1953 yılında ABD’de Deschamps tarafından tasarlanmıştır (Deschamps, 1953). 1955 yılında Gutton ve Baissinot, Fransa’da Ultra Yüksek Frekans bölgesinde kullanılabilen düz bir mikroşerit antenin patentini almıştır (Georges ve Henri, 1955). İlk pratik mikroşerit anten 1974 yılında Munson tarafından yapılmıştır (Munson, 1974). Temel olarak dikdörtgen ve dairesel mikroşerit antenlerin tasarımı 1975 yılında Howell tarafından yapılmıştır (Howel, 1975). Mikroşerit yama anten temel olarak dielektrik zemin üzerininde ışıyan metal yama ile diğer tarafındaki toprak zemin düzleminden oluşmaktadır. Işıma yapan kısım dikdörtgen, şerit (dipol), dairesel, eliptik, üçgensel veya diğer konfigürasyonlar olabilmektedir. Mikroşerit antenler basit iki boyutlu fiziksel geometrisinden ötürü oldukça ucuza mal edilen ve tasarlanan pasif elemanlardır. Genellikle Ultra Yüksek Frekans (Ultra High Frequency; "UHF") ve daha yüksek frekanslarda çalıştırılmaktadır. Metal yama genelde bakır, gümüş veya altın olan iletken malzemeden yapılabilmektedir. Elektromanyetik sinyaller, bir yerden bir yere koaksiyel kablolar, dalga kılavuzları ve mikroserit iletim hatları ile taşınmaktadır. Rectennalarda taşıma mikroşerit iletim hat ile yapılmaktadır.

Mikroşerit besleme yönteminde besleme hattı ışıma yapan yüzey ile aynı düzlemde bulunmaktadır. Bu yöntemde yama, mikroşerit hattın uzantısı olduğu için üretimi basitleşmiş olmaktadır. Üretim kolaylığı nedeni ile en çok kullanılan yöntemlerinden biridir.

Koaksiyel besleme, kablonun dışındaki topraklama kısmının antendeki toprak kısmına, kablonun içindeki gücü ileten kısmının da antenin yama yüzeyinin altına bağlanması ile sağlanmaktadır.

Açıklık anten temassız mikroşerit anten türlerinden biridir. Açıklık bağlantılı beslemede, iki yalıtkan malzeme arasında toprak iletken yerleştirilip iletim hattı alttaki dielektrik malzemenin altında bulunmaktadır.

Yakınlık bağlantılı besleme de açıklık besleme gibi bir temasız besleme türüdür. Bu besleme türünde, iki yalıtkan tabakadan oluşmaktadır. Besleme hattı iki yalıtkan yüzeyin arasında konumlanarak açık devre yan hat ile sonlanmaktadır. Işıma yüzeyi en üstte, toprak yüzey ise en altta bulunmaktadır.

Empedans uygunluğu (impedance matching) elektronikte maksimum güç transferi için gereken kaynak ve yük empedansları arasındaki ilişkidir. Enerji hasatlama devresinin en önemli şartlarından biri ortamdan alınan alınan gücü anten tarafından doğrultucu devreye aktarmaktır. Bu kısımda anten ile doğrultucu devre kısmında empedans uyumsuzlukları meydana gelebilir bunun en önemli nedeni diyotun doğrusal olmayan çalışma karakteristiğidir. Enerji hasatlama devreleri, kademelerin sayısına, doğrusal olmayan cihazın tipine ve reaktif bileşenin seçimine göre değişen belirli bir yük empedansı aralığına sahiptir. Bu nedenle, yük empedansı aralığının seçimini ve devre performansı üzerindeki etkisini doğrulamak önemlidir. RF hasat devresinin empedans uydurma aşaması, antenin doğrultucu devresine maksimum güç aktarımında kritik önem taşır. Empedans uyumlama devreleri toplu elemanlar, saplamalar, çeyrek dalga dönüştürücüler ile tasarlanmaktadır.

Doğrultucular, alternatif gerilimden (Alternating Current; AC), doğru gerilim elde etmeye yarayan devrelerdir. RF enerjileri genellikle düşük güç alanlarından olduğundan, bu bölgedeki sinyallerin tepe voltajı doğrultucu diyotun açılma geriliminden çok daha küçüktür. Bu gereksinimi karşılamak için çok düşük voltaj gerilimi ve yüksek anahtarlama hızı gereklidir. Doğrultucu olarak, literatürdeki en çok kullanılan enerji hasatlama devrelerinden olan Dickson ve Greinacher devreleri kullanılmaktadır. RF devrelerinde doğrultma amacıyla genellikle düşük iletkenlik direnci ve kavsak kapasitesi olan Schottky diyot kullanılmaktadır.

Maksimum güç transferi teoremi Moritz Von Jacobi tarafından ortaya konulmuştur. Maksimum güç transferi teoremi; herhangi bir yüke kaynaktan hangi durumda maksimum gücün aktarılacağını belirtmektedir. Enerji hasatlama sistemlerinde gücün maksimum verimde aktarılması istenmektedir. Empedans uyumlama işlemi sayesinde yansımalar minimize edilip maksimum güç transferi sağlanmış olacaktır. RF enerji hasatlayıcı rectenna gibi düşük güçlerle çalışan devrelerde kayıplar minimize edilmelidir.

RF enerji hasatlama teknolojisinin önemli bir bileşeni, RF enerjisini DC gücüne dönüştürmek için antenler ve doğrultucu devrelerden oluşan “rectenna” dır. Gelen elektromanyetik dalga, doğrultucu anten tipi olan bir rectenna tarafından DC'ye dönüştürülmektedir. Rectenna'nın icadı1960'larda gerçekleşmiştir ve uzun mesafeli kablosuz güç iletimini mümkün kılmıştır. Rectenna, 1964'te icat edilmiş ve 1969'da ABD elektrik Mühendisi William C. Brown tarafından patenti alınmıştır. Rectenna, İngilizce olarak rectifier ve antenna kelimelerinin birleştirilmesiyle oluşturulmuş doğrultucu anten anlamına gelmektedir.