Elektomanyetik Dalgaladan Eneji Hasat Etmek ( D. Cahit Kaakuş - Yük. Müh. Onu Teki) Havada sebest olaak yayınım yapan adyo ya da mikodalga fekanslaındaki elektomanyetik dalgalaın üzeinde baındıdıklaı enejinin uygun antenle yadımıyla veimli şekilde toplanması ve yüksek veimde yükseltici ve doğultucu develee aktaılması elektomanyetik dalgaladan eneji hasat edilmesi olaak adlandıılmaktadı. Veici kaynaktan yayınıma başlayan elektomanyetik dalgalaın taşıdığı eneji miktalaı yol boyunca zayıflayaak, saçılaak ve yansıyaak alıcıya ulaşı. Havadaki elektomanyetik dalgala, efektif ışıma açıklığında anten ile etkileşime gieek analog işaete dönüşü. Antenle taafından toplanan enejinin veimli bi şekilde yükseltici ve doğultucu develee iletilmesinde kullanılan empedans uygunlaştıma, filte ve geilim yükselten akım pompalaı develei kayıpsız olmalıdı. Nikola Tesla enejiyi uzun mesafelee iletmek için çalışmala yapan ilk bilim adamıdı. Tesla nın altenetif akım buluşu elektik enejisinin kitlesel kullanımına paha biçilmez bi yadımda bulunmuş ve icatlaı elektik enejisinin endüstiden evlee he yee gimesini sağlamıştı. 1891 yılında bugün adyo, televizyon ve bilgisaya teknolojisi başta olmak üzee biçok elektonik ekipmanda kullanılan Tesla Bobinini keşfetmeyi başaı. Tesla Bobini, adyo fekanslaında yüz binlece volta vaılmasını sağlayan yüksek fekans tansfomatöüydü. Havada yüksek geilim ve yüksek fekanslı elektik iletimi konusundaki aaştımala, Tesla'yı Coloado Spings yakınlaındaki bi dağın üzeine dünyanın en güçlü adyo veicisini kuup çalıştımaya yöneltti. 6 metelik dieğin etafında,,5 mete çapında, hava çekidekli tansfomatöü yaptı. İç kısımdaki sekonde 1 saımlı ve 3 mete çapındaydı. Üeticisi, istasyondan bikaç mil uzaklıkta bulunan enejiyi kullanıken, Tesla ilk insan yapımı şimşeği oluştudu. Bi dieğin tepesindeki 1 mete çaplı bakı küeden, 3 mete uzunluğunda, kulaklaı sağı eden şimşekle çaktı. Ufka kada gök güültüsü işitildi. 1 milyon Volt değeinde geilim kullanılıyodu. Yaım asılık bi süe içeisinde gideilemeyen bi hayet yaattı. İlk denemesinde, veicideki güç jeneatöünü yaktı. Fakat tami edeek 6 mil uzağa, gücü telsiz ile iletebilinceye dek deneyleine devam etti. Eneji hasat teknolojileindeki hedef miliwattla düzeyinde güç ile çalışan sistemlei güneş, titeşim, ve biyolojik kaynakladan elde edilen eneji ile beslemekti. Günümüzde ise ulta düşük güç teknolojilei ile çalışan cihazla, laboatua otamından çıkaak gündelik
hayatımıza gimeye başlamıştı. Uzaktan algılama, hesap makinesi, saat, bluetooth kulaklıkla ve kablosuz algılayıcıla gibi pek çok uygulama alanlaında da miko eneji hasat sistemlei kullanılmaktadı. En fazla gelecek vaat eden eneji hasat teknolojilei titeşim, ışık, sıcaklık fakı ve RF emisyonu olaak sıalanabili. RF Eneji Üeteç Kaynaklaı FM : 87.5 MHz 18 MHz Telsiz : 37 MHz 45 MHz VHF : 174 MHz 3 MHz UHF : 47 MHz 854 MHz GSM 9 : 935 MHz 96 MHz GSM 18 : 185 MHz 188 MHz Wi Fi : 4 MHz 483.5 MHz 3G : 11 MHz MHz Wi Max : 5 MHz 69 MHz ve 34 MHz 36 MHz GSM, Radyo, TV gibi kablosuz teknolojilein havada yayınım yaptığı elektomanyetik dalgaladan eneji hasat edebili. Hasat edilen eneji ile GSM (Goupe Spécial Mobile) telefonlaında bataya ömünün uzatılmasını ve RFID (Radio Fequency Identification) kablosuz sensölei elektik enejilei kesildiğinde, batayalaı tükendiğinde özellikle acil duumlada beslenebili. Sebest uzayda elektik alan ve güç yoğunluğu uzaklığın kaesiyle tes oantılı olaak düşe. Havada yayınım yapan elektomanyetik dalgaladan eneji üetmek ve bu enejiyi saklamaktı. Şekil-1 Havada Elektomanyetik dalga yayınımı.
Çevede doğal olaak bulunan ya da sistemlein çalışmasından otaya çıkan, enejiye dönüşmeye hazı ve elektik enejisi üetilebilecek kaynakla; güneş, üzga, yağmu, yeüstü ve ye altı akasulaı, deniz dalgalaı, titeşimle, temal değişimle, RF eneji kaynaklaı olaak sıalanabili. Eneji hasat sistemi; mekanik, ısısal, manyetik ve elektiksel gibi faklı fiziksel özellikle baındıan çevedeki kaynakladan enejinin hasat edilip düzgün şekilde depolanmasını sağla. Eneji kaynağından elektik enejisi üeten miko eneji üeteçlei, Geilim yükseltme develei ve eneji depolama üniteleidi. Elektomanyetik Dalgaladan Eneji Hasat Etme Havada yayılım yapan elektomanyetik dalgaladan eneji hasat etmek için havadaki RF sinyallei toplayan anten, bu antenden gelen gücü minimum kayıpla yükseltici ve doğultucu devesine aktamak için kullanılan empedans uygunlaştıma devesi, band geçien filte, yükseltici ve doğultucu deve ve alçak geçien filteden oluşu. Yol kaybı ve eneji dönüşüm hassasiyeti sistemin veimliliğini etkileyen en önemli paameteledi. Güç çevimindeki en önemli hususla; yükseltici ve doğultucu devesine gelen mikodalga enejisinin nasıl büyütülüp, yükseltici ve doğultucu devesinin veimliliği nasıl atıılacağıdı. Boşluktan yüksek miktada RF enejisini toplamak için anten dizilei, daiesel polaizasyona sahip antenle ve geniş bantlı antenle kullanılı. Anten dizilei yükseltici ve doğultucu devesine giecek olan gücü atıaak sistemin kazancını atıı. Daiesel antenle ise toplanan güçteki polaizasyon kayıplaını en aza indieek alınmasını sağla. Geniş bantlı antenle ise biden çok kaynaktan RF (Radio Fequency) enejisi toplayaak yüksek DC güç üetilmesine imkan sağla. Sistemin hassasiyetinin atıılması için yüksetici ve doğultucu devesinde değişik elemanlaa ihtiyaç duyulu. Anten ile yükseltici ve doğultucu deve aasına band geçien filte yeleştiili. Ek olaak da DC (Diect Cuent) bölümdeki alçak geçien filte yüke RF gücün akmasını engellemek için kullanılı. Antenle aynı zamanda hamonik etkilein bastıılmasında da kullanılmak üzee tasalanmalıdı. Sistemin veimliliği, çıkıştaki DC voltajının havadan sağlanan RF gücüne oanına eşitti. Giiş gücü atıkça veimlilik atış göstei. dc çıkış gücü V η = = RF güç / Ryük P A
Şekil- Elektomanyetik dalgaladan eneji hasat eden sistemlein gösteimi. ELEKRİK ALAN ŞİDDETİ VE GÜÇ YOĞUNLUĞU Elektomanyetik yayınım yapan kaynağın veici gücünden, alıcı gücünden veya alıcı geiliminden elektik alan şiddeti ve güç yoğunluğunun hesaplanmasında kullanılan denklemle tanımlanmalıdı. Anten faktöü, anten kazancı ve kablo zayıflama paametelei bilinise veilen işaet fekansı için denklem dönüşümü yadımı ile veici antenden belili uzaklıklada elektik alan şiddeti ve güç yoğunluğu belileni. Alan teoisinden, sebest uzayda uzak alanda elektik ve manyetik alan şiddetlei daima aynı fazdadı ve bibileine dikti. Gözlem noktasındaki Poyting vektöü aşağıdaki fomülden elde edili. Buada E volt/m cinsinden elektik alan şiddeti H, ampe/m cinsinden manyetik alan şiddetidi. * P = Re( ExH ) Watt/Biim Alan (1) Gözlem noktasındaki toplam güç, küenin mekezindeki kaynaktan R yaıçaplı gözlem noktasına doğu küesel yüzey üzeinde güç yoğunluk fonksiyonun entegali ile aşağıda gösteildiği biçimde elde edili. P = p. d a= ( E x H ). ( R sinθ dθ dφ) u E = η π φ = π θ = R sinθ dθ dφ E = (4πR ) η Watt () Elektik alanda depolanan eneji,
ε = (3) We E dv Joule v İle tanımlanı. Buada ɛ = 8.85x1 1 1 = x1 36π 9 F/m boşluk veya havanın dielektik sabitidi, E, elektik alan şiddetinin genliğidi. Manyetik alanda depolanan eneji µ = (4) Wm H dv Joule v ile tanımlanı. Buada µ = 4π x 1-7 H/m boşluk havanın indüktansı veya manyetik geçigenliğidi. H, manyetik alan şiddetinin genliğidi. Uzak alanda elektik ve manyetik alan aasındaki ilişki, E η = Ω du. H (5) Sebest Uzay Yol Kaybı Sebest uzay yol kaybı, elektomanyetik dalgadan enejiyi emen hava gibi bi otamın yok edici zayıflamasından faklıdı. Bi küesel dalgadaki güç yoğunluğu yayılıken uzaklığa bağlı olaak zayıfla. Şekil-3 Sebest uzay yol kaybı
Alış gücü (6) nolu denklem ile tanımlanı. (Fiis denklemi) P = Pt Gt Lt G L ( ) Watt (6) 4 λ π d Buada P : alış güç seviyesi, Watt, P d : alış güç yoğunluğu, W/m, P t : veici çıkış gücü, Watt, G t : veici anten kazancı, (numeik), L t : veici taafta hat kaybı, (numeik), G : alıcı anten kazancı (numeik), L : alıcı taafta hat kaybı (numeik), d: Alıcı veici antenle aasındaki uzaklık (mete), Veici gücü dbw, anten kazancı dbi, kablo kaybı db olaak veilise (6) nolu denklemdeki alıcı güç seviyesi (7) numaalı denklemde dbw olaak hesaplanı. P =P t +G t +G -L t -L -FSL (7) Son teim sebest uzay yol kaybı olaak adlandıılı. Bu teimin açıkça ifadesi denklem (8) de veilmişti. 4π d FSL= - Log 1 ( ) db (8) λ Veici ve alıcı anten aasındaki yol kayıplaı popagasyon çeve şatlaına güçlü bi şekilde bağlıdı. Biebi göüşe ve bikaç yansımaya sahip çok yollu bi çevede yol kayıplaı: L path jk ( dn d ) N λ d = 1+ Γn e (9) 4π d n= 1 dn Buada d doğudan anten aasındaki uzaklık, Γ n n. Sayıdaki objenin yansıma sabiti, d n n. Objenin doğudan alıcı antene uzaklığı, N ise toplam yansıma sayısıdı. Topaktaki yansıyan sinyalin genliği ve fazı dalga polaizasyonuna, oluş açısına ve topak özelliğine bağlıdı. Bibiini takip eden topaktan gelen yansıma modelindeki yol kayıplaı:
L path λ d = 1 e 4π d d 1 jk ( d1 d ) (1) Buadaki d biebi göüşteki alıcıya olan mesafe d1 d ( h) = + yansımış yol uzunluğudu. Uzun mesafelede ise ( d >>= 4π h / λ ), denklemde veilen yol kaybı d -4 ile oantılı hale geli Veici Gücünden Elektik Alan Şiddetinin Hesaplanması Veici antenden R mete uzaktaki güç yoğunluğu, P P G 4π R L t t t d = W / m (11) Sebest uzaydaki uzak alanda elektomanyetik dalganın taşıdığı güç yoğunluğu () nolu denklemde veilen elektik alan şiddetinden hesaplanı. P d E E = η 1 π = W / m (1) (11) ve (11) nolu denklemleden elektik alan şiddeti güç yoğunluğu ya da veici gücü cinsinden hesaplanabili. 5.48 E = 1π Pd = 19.4 Pd = Pt Gt Lt V / m. (13) R Güç yoğunluğu ve elektik alan şiddetinin db cinsinden logaitmik olaak ifadesi (14) ve (15) denklemleinde gösteildiği gibidi. Pd=-11dB- Log ( ) +Pt (dbw)+gt(dbi)-lt(db) dbw / m (14) 1 R E=14.8dB- Log ( ) +Pt (dbw)+gt(dbi)-lt(db) dbv / m 1 R (15) (15) nolu denklemden (14) nolu denklem çıkaılısa dbw/m cinsinden güç yoğunluğu dbv/m cinsinden yazılı. E = 5.8 db + Pd(dBW/m) dbv/m. (16)
Alış Gücünden Elektik Alan Şiddetinin Hesaplanması Alıcı antenin ışıma açıklığında güç yoğunluğu, alış gücünün anten kazancı, kablo kaybı ve anten ışıma açıklığına bölümüne eşitti. P 4π P d = W / m (17) λ G L (17) nolu denklemi (13) nolu denklemde yeine koyasak elektik alan şiddetini V/m cinsinden elde edeiz. 68.77 P 1/ E = ( ) V / m (18) λ G L Güç yoğunluğu ve elektik alan şiddetinin db cinsinden logaitmik ifadesi (19) ve () nolu denklemlede veilmişti. P d = 11dB Log1 ( λ ) + P dbw GtdBi Lt db dbw m (19) E = 36.8dB Log1 ( λ ) + P dbw G db L db dbv m () t i t Elektik Alan Şiddetinin Alıcı Devenin Giiş Geilimi Cinsinden İfadesi Antenden gelen işaetin maksimum, kayıpsız ve yüksek veimde alıcı deveye aktaılması için giiş empedansının konjigesinin antenin çıkış empedansına eşit olması geekmektedi. Antenin çıkış empedansı 5 ohm, hattın kaekteistik empedansı 5 ohm ve alıcı devenin giiş empedansı 5 ohm ise alış gücü (1) denklemi ile belitildiği gibidi. Denklemde V geilimi R dienci göstemektedi. V = W (1) R P Anten ışıma açıklığında güç yoğunluğu ise, P d.51v = W () λ G L m Elektik alan şiddeti ise (4.13) nolu denklemden elde edileek hesaplanısa, 9.7V 1 E = ( ) 1/ V (3) λ G L m Güç yoğunluğu ve elektik alan şiddetinin db cinsinden logaitmik ifadesi (4) ve (5) nolu denklemlede veilmişti. P d = 6 db Log1 ( λ ) + V dbv GdBi L db dbw m (4)
E = 19.8dB Log1 ( λ ) + V dbv G db L db dbv m (5) i Üetici taafından belitilen antenin en önemli özellikleinden bii de anten faktöüdü. Alıcı gücü ölçüldüğünde elektik alan şiddeti ve giiş geilimi bulunduğunda anten faktöü (6) nolu denklem ile hesaplanı. E AF = = 19.8 Log1 ( λ) G L db (6) V ANTEN Anten Paametelei Genel olaak kablosuz sistem pefomansı anten paameteleine bağlıdı, Bunla; antenin opeasyon fekans aalığı, kazanç kaakteistiklei (maksimum kazanç. yayılma patteni, ışıma band genişliği), empedans uygunlaştıma (VSWR veya etun loss); polaizasyon, yakınında bulunan faklı özelliklee sahip cisimlee kaşı hassasiyeti, Popagasyon kanalı yol kaybı, mekansal ve zamansal Fading istatistikleidi. RF eneji üeteç sisteminde, tüm anten kaakteistiklei, ışıma fekanslaı ve kanal özeliklei çok iyi tanımlanmalıdı. Anten tasaımında kullanılan dipol antenin doğal besleme devesi dış dünyaya açık olduğundan paasitik adyasyona mauz kalı bu adyasyon sebebiyle besleme yollaı hamonik adyasyon üeti. (diyotla sebebiyle) Bu adyasyon üetimi poblemlee sebep olabili. Alıcı antende elektik alan şiddetinin maksimum olabilmesi için maksimum EIRP (Equivalent isotopically adiated powe) yollayabilen yüksek kazanç sağlayan yönlü antenle kullanılı. Veici ve alıcı antenle aasındaki iyi izolasyon zayıf alıcı sinyalleinin seçilme ve çözülmesinde çok önemli ol oyna. Alıcının hassasiyeti veiciden akan iletilmiş sinyal taafından tanımlanı. Anten seçimi maksimum güç yayılımına ve anten ışıma band genişliğine göe bölgesel kısıtlamalaa uğamıştı. Ayıca eneji hasat sistemlei akıllı anten dizilei switched beam antenlei kullanabili. İletim ve alımda tes polaizasyona sahip daiesel antenle veimi yükselti. Bu yapı çoklu yol kayıplaını en aza indii. Polaizasyon alıcı seviyesinin iyileştiilesi için önemli bi ol oyna. Alıcının menzilinin maksimum olabilmesi için alıcının veici anteniyle tamamen uyum sağlamış olması geeki.
Eneji hasat sistemlede alıcının he yönden yüksek güçte eneji almasının sağlanması için daiesel polaizasyonlu antenle kullanılı. Bu tip anten seçimleinde daiesel kazanç ve eksensel oan değelei dikkate alını. Anten kazancı Havada yayınım yapan elektomanyetik dalgaladan yüksek veimde eneji hasat etmek için ışıma güç yoğunluğunun değei, veici gücüne, veici anten kazancına ve uzaklığa bağlıdı. Yüksek veimde eneji hasat etmede alıcı anten kazancı çok önemli bi faktödü. η: Veimlilik A: Antenin ışıma açıklığı alanı λ : Işıma fekansındaki dalga boyunu göstemektedi. 4π A G = η (7) λ Anten ışıma yönü Bi antenin kazancı veya yönlendime doğultusu, yayınım yaptığı doğultudaki ışıma yoğunluğunun he yöne yayınım yaptığı otalama yoğunluğa oanıdı. Genellikle ışıma yönü ve kazanç bibilei yeine kullanılsa da aada faklılıkla vadı. Işıma yönü dielektik dienç polaizasyonu ve VSWR (voltage standing wave atio) kayıplaını yok saya. Bu kayıpla oldukça küçük olduğundan kazanç ve ışıma yönü genellikle aynı sonuçlaı veile. Anten ışıma yönü: D(θ, φ) = 1 Log 4 π P(θ, φ) P (θ, ) θ θ in φ Sin d dφ (8) buadaki denklemde D(θ, φ ) db cinsinden ışıma yönünün belili bi doğultudaki yayılma patten gücü, P(θ, φ ) toplam yayılma gücünün nomalize edilmiş değeidi. Yayılma açısı küçüldükçe antenin ışıma yönü kazancı ata.
Şekil-4 Yatay ve düşey ışıma genişliği. B wφ ve wθ B yatay ve düşey düzleminde deece cinsinden 3 db ışıma genişliği açısı. Eliptik alanlı anten diyagamı; Buada θ = BW θ, BW φ Elips alanı: Şekil-5 Eliptik alanlı anten diyagamı. φ = ve a = ( sin θ ) /, b ( φ ) ( ) ( ) ( ) = sin / di. π ab = π sin θ / sin φ / = π sinθ sin φ / 4 (9) Kazanç: Küe alanı 4 16 G = = ( 4π ) Anten Patten Alanı π sinθ sin = φ sinθ sinφ (3) Küçük açıla için adyan cinsinden φ =sinφ eşitti. Buadan kazancı hesaplasak; 16 16 16 36 36 555 G = = = sinθ sin φ θ φ ( adyan) θ φ π π θ φ ( deece)
555 = (31) BW BW ( deece) θ φ İdeal olaak kazanç buada G=555 veya db cinsinden; 1 log G = 1 log 555 = 47. db di. (53) Dikdötgen alanlı anten diyagamı; Şekil-6 Dikdötgen alanlı anten diyagamı. Buada θ = BW θ, φ = BW φ ve a = sinθ, b = sinφ di. Dikdötgensel alan; ab = sinθ sinφ (33) Kazanç, Küe alanı 4π 4π Anten Patten Alanı sin sin sin sin G = = = (34) θ φ θ φ Küçük açıla için adyan cinsinden φ =sinφ eşitti. Buadan kazancı hesaplasak; 4π 4π 4π 36 36 4153 G = = = = sinθ sin φ θ φ ( adyan) θ φ π π θ φ ( deece) 4153 = (35) BW BW ( deece) θ φ İdeal olaak kazanç buada G=4153 veya db cinsinden; 1 log G = 1 log 4153 = 46. db di. (36)
Anten ışıma açıklığı veimliliği Anten veimliliği maksimum kazançtan bütün kayıplaı çıkadığımızda elde edilen db cinsinden değedi. Çeşitli kayıplaın ve paametelein veimlilik hesaplanıken hesaba katılması geekmektedi. Aydınlatma veimliliği: Kaşılıklı veici ve alıcı antenin ışıma yönleini oanına aydınlatma veimi deni. Faz hata kaybı: Antenin ışıma yüzeyinin özellikleinin değişiminden kaynaklanı. Taşma kayıplaı: Işımanın odaklanmaması duumudu. Odaklayıcı antenlede antenin tipine göe geçek anten ışımayı odaklayacak şekilde yeleştiilmelidi. Uyumsuzluk (VSWR) kaybı: Antenin südüğü ve bağlandığı deve ile olan empedans uyumsuzluğudu. RF kayıplaı: Antenin besleme noktalaında empedans uyumsuzluğu gei dönüş kaybını atıı. Paabolik Antenle Paabolik antenle ada tekniğinde kullanılan anten tiplei aasında en sık kaşılaşılan anten biçimidi. Odak noktasında bulunan bi kaynaktan paabolik antene ışınla göndeili. Bu kaynağa Biincil Besleme ya da sadece Besleme deni. Şekil-7 Paabolik antenin yapısı.
Bi paabolidin kesiti olan, genellikle bi metal konstüksiyon, ya da çoğu kez kafes ağla kaplı bi metal çeçeve şeklinde olan bu paçaya yansıtıcı (eflecto) denili. Metal kafesteki elek boyutu λ / 1 dan küçük olmalıdı. Bu yansıtıcı, elektomanyetik dalgala için bi ayna gibi çalışı. Bi paabolik anten, yüksek kazançlı, ilei - gei oanı büyük, geniş ölçüde dönel simetisi bulunan ve nispeten küçük yan loblaı bulunan bi anten diyagamına sahipti. Şekil-7 Kutupsal koodinat sisteminde paabolik antenin anten diyagamı. Paabolik anten tasaım fomüllei Paabol denkleminde a = 1/4f, buadaki f ise odak uzaklığıdı. y = ax (36) Paabolik yansıtıcı deinliğini veen (37) numaalı denklemde D çapı göstemektedi. D d = (37) 16 f Anten beslemesinin hüzme genişliğini veen (38) denkleminde θ hüzme genişliğidi.
f 1 D = 4 tan( θ / 4) (38) Antenin hüzme genişliğini veen (39) de ise λ Dalga boyu, d anten çapıdı. BW 7λ = (39) d Paabolik yansıtıcının kazancı denkleminde η veimlilik, λ Dalga boyu, D çaptı. G 4π A η λ = 1log1 Buada; (4) A = π D (41) 4 Mikoşeit Tasaım Fomüllei Mikoşeit tasaım yapılıken kullanılan denklemledeki paametele; şeit iletkenin genişliği W, kalınlığı ise t ile tanımlanmıştı. h mikoşeit antenin alt tabakasının kalınlığı, ε dielektik sabitidi. ε e alt tabakanın etken dielektik sabitidi. z kaakteistik empedansı, η boş uzay empedansı olup değei 1π ohmdu. z η 8h W ln.5 W/h 1 = + π ε W h e (4) z 1 η W W = + 1.393 +.667 ln + 1.444 W/h 1 ε e h h (43) W W 1.5 t 4πW 1 = + 1+ ln W/h h h π h t π (44) W W 1.5 t h 1 = + 1+ ln W/h h h π h t π (45) ε + 1 ε 1 ε e = + F( W / h) C (46) (46) numaalı denklemde kullanılan paametele,
+ + F( W / h) = + 1/ (1 1 h / W ).4(1 W / h) W/h 1 1/ (1 1 h / W ) W/h 1 (47) ε 1 t / h C = (48) 4.6 W / h EMPEDANS UYGUNLAŞTIRMA VE FİLTRELER Bi kısa devede empedans ohm du. Ancak tansmisyon hattında λ /4 (çeyek dalga) sona ölçüm yapıldığında empedans açık deve olu. Genelde bi devenin empedansını tansmisyon hattına dönüştüüken empedans uyumu tam sağlanmadığında güç kaybı olu. Şekil-8 Empedans eşlemesinin şema halinde gösteilmesi. L uzunluğunun λ ile λ /, λ /4 dalga boylaına göe ayalanması ile empedans aktaımı sağlanı. Yüksek fekanslada paazitik davanıştan dolayı gücü tansmisyon hattı boyunca iletmek sıkıntılaa neden olmaktadı. Antenin çıkış empedansı tansmisyon hattı sonundaki devenin giiş empedansına uyduuluken; özellikle mikoşeit hatlada iletim hattının gücü, giiş gücünün zayıflatmamasına ve hat boyunca iletilen gücün λ /4 veya λ / katı olaak aktaılmasına dikkat edilmelidi. göüldüğü gibi Zin = Z ve ZA= Z yapılmaya çalışılaak antenden gelen gücün maksimum oanda deveye aktaılması sağlanı. Buada Zin giiş empedansı Z iletim hattının kaakteistik empedansı, ZA ise yükün empedansıdı. Z in = Z π f ZA + jz.tan L c (49) π f Z + jza.tan L c Kaakteistik empedansı Z olan iletim hattındaki, empedansı ZL olan yükün geilim yansıma faktöü: Z Γ v = Z L L Z + Z (5)
Buada yük empedansı ZL ile iletim hattının kaakteistik empedansı olan Z tam olaak uyum göstemediyse amaçlanandan daha az güç iletimi geçekleşi. Eğe mükemmel şekilde uyum sağlanılmış ise maksimum güç kaynaktan yüke iletili. Yansıma faktöüne göe veimlilik ise; e ff = 1 Γ (51) Diğe bi yöntem ise geniş band mikoşeit hat tasaımıyla antenin empedans değei devenin giiş empedansına getiili. Buada empedans uygunlaştııcı deve ile gücün maksimum biçimde aktaılması amaçlanmıştı. Tansmisyon hattındaki güç kaybı gei dönüş kaybıdı. Eğe empedans uygunlaştıma tam yapılmaz ise deveden ve tansmisyon hattında yansıyan güçle yeniden antene geleek antenin maksimum oanda ışıma elde etmesini engelle. Sonuç olaak deve ile anten aasındaki empedans uygunlaştııcı devenin istenilen fekans aalığında ayalanması hayati önem taşı. Şekil-9 Empedans eşlemesinin anlatımında kullanılan deve. Devede R = RL, olusa deve eşleşmiş hale gelmişti ve geilim yansıma faktöü dı. Kalite faktöü ise 1/ QL kada olu. Bu şekilde güç %1 olaak yük üzeine tansfe edili. Eğe R değei RL kada olusa bu duumda yansıma faktöü -1/3, yansıyan güç miktaı da 1/9 kada olu buda veimliliği %89 civaına çeke. Kalite faktöü 1/3 QL di. R değeini 3RL yükseltisek yansıma faktöü -1/ yansıyan güç miktaı 1/4 kada olu. Veimlilik ise %75 di. Kalite faktöü 1/4 QL olu R değeinin atıılmasıyla kalite faktöü düşe bunun yanında band genişliği ata. Veimliliğin düşüşü ise kabul edilebili büyüklüktedi. Empedans Uygunlaştıma Yöntemlei Öncelikle empedans uygunlaştıma develeinde kullanılacak olan kapasitö ve indüktölein nasıl seçileceğine kaa vememiz geekmektedi. Bu amaca uygun olaak çeşitli hesaplama yöntemlei ve önek devele incelenmişti.
Şekil-1 Mikoşeit sei indüktö. Mikoşeit sei indüktöün açısal fekansının sonucunu veen 6.4 numaalı denklem θ <9 koşulunda geçelidi ve 9 = λ /4 dü. ω L indüktöün açısal fekans, Zo kaakteistik empedansdı. λ ise sistemin çalışma fekansındaki dalga boyu olaak tanımlanmaktadı. ωl = Zo.sinθ (5) Şekil-11 Mikoşeit shunt indükto Mikoşeit shunt indüktöün açısal fekansının sonucunu veen 6.5 numaalı denklem θ <9 koşulunda geçelidi ve 9 = λ /4 dü. ω L indüktöün açısal fekans, Zo kaakteistik empedansdı. λ ise sistemin çalışma fekansındaki dalga boyunu göstemektedi. [3] ωl = Zo. tanθ (53)
Şekil-1 Mikoşeit shunt kapasitö Mikoşeit shunt indüktöün açısal fekansının sonucunu veen 6.6 numaalı denklem θ <9 koşulunda geçelidi ve 9 = λ /4 dü. ω L indüktöün açısal fekans, Zo kaakteistik empedansdı. λ ise sistemin çalışma fekansındaki dalga boyu olaak tanımlanmaktadı. tanθ ω C = (54) Zo Şekil-13 Empedans eşlemesi için sei L1 indüktö bağlanması. Devede L AT indüktöü TR şebekesinin empedansını 5 ohma eşle. L ESD ise ayalamalaa etki etmeyecek kada büyük bi değee sahipti. Şekil-14 Empedans eşlemesi için L shunt indüktö bağlanması. Şekil-15 Empedans eşlemesi için sei C1 kapasitö bağlanması. Şekil-16 Empedans eşlemesi için C1 shunt kapasitö bağlanması.
Alçak Geçien Filtele LC filtelei kolay geçeklestiilen devele olup, alçak geçien filte olaak tasalanabilile. Tasaımdaki asıl nokta deve elemanlaının değeinin amaçlanan fekans aalığına uygun seçilmesidi. Şekil-17 Alçak geçien filte devesi. Devede çıkış kondansatö üzeinden alınısa deve alçak geçien filte devesi olu. alçak fekanslada çıkıs geilimi yüksek olmakta, fc kitik fekansından sona çıkıs geilimi azalmaya başlamaktadı. Şekil-18 Alçak geçien filtenin çalışma fekans aalığı. Alçak geçien filtenin çalışma aalığı şekilde veilmişti şekilde belitilen aalıktaki fekansla f = dan baslayaak incelenise, f = değei için eaktans, X c 1 = = Ω (55) π fc Reaktansın sonsuz değe alması duumunda kapasite açık deve gibi davanı çıkış geilimi giiş geilimine yani V = Vi ye eşit olu. Çok yüksek fekanslada ise eaktans;
X c 1 = = Ω (56) π fc Reaktansın değeini alması duumunda çıkış geilimi V = V olu. Band Geçien Filtele Band geçien filte belili bi fekans aalığını geçimek için tasalanan filteledi. Bu duumun sağlanması için yüksek geçien filte ve alçak geçien filte ad ada bağlanmalıdı. Şekil-19 Band geçien filte devesi. Alçak geçien filtenin kesim fekansı, yüksek geçien filteninkinden büyük seçilmelidi. Devenin ilk kısmı yüksek geçien filteden ikinci kısmı ise alçak geçien filteden oluşmuştu. Devenin ezonans fekansı olan f c ve eaktansı olan X L nin hesaplanmalaı sıasıyla denklem (57) ve (58) de belitilmişti. f c 1 = (57) π LC X L = π f L (58) c Devenin band genişliği ise denklem (59) den bulunu. Denklemdeki Q c kalite faktöü, f c ise devenin ezonans fekansıdı. BW f Q c = (59) c
Denklem (59) de göüldüğü gibi kalite faktöünün atması band genişliğini üzeinde sınılandııcı bi etki yaatı. Şekil- Band geçien filtenin çalışma fekans aalığı. Yüksek geçien filte alçak fekanslaı f 1 fekansına kada geçişini engelle. Rezonans fekansından sona ise alçak geçien filte deveye giiyo ve f ye kada ki fekanstaki sinyalin geçişine izin vei. Daha yüksek fekanslı sinyallei ise geçimez.
Düşük Geilim Akım Pompası Develei Akım pompası develei, giişteki altenatif veya doğu geilimi nx V geilimi kada yükselteek kaalı doğu geilime dönüştüü. Giişi geilimin tipine bağlı olaak yükseltici ve doğultucu gibi çalışan akım pompası develei AC/DC ya da DC/DC çeviici olaak adlandıılı. Buada hasat edilecek enejinin pefomansını belileyen en önemli paamete n katsayısıdı. Amaç antenden elde edilen 1 milivolttan düşük geilimlei yükselteek 1 voltun üzeine çıkaabilmekti. Şekil-1 Kapasitöle ve diyotladan oluşan Schotty-diyot akım pompası. Kapasite ve diyottan oluşan Schottky-diyot akım pompası yaygın olaak RFID de kullanılmaktadı. [33-35] Çıkış geilim seviyesini ve dönüşüm veimliliğini atımak için genellikle düşük iletkenlik dienci ve kavşak kapasitesi olan Schottky-diyotla kullanılı. Ancak bu diyotlada düşük iletkenlik dienci ve kavşak kapasitesi paameteleinde tutasızlıkla göüldüğünden dolayı yeleine CMOS tansistölei kullanılmaktadı. Akım pompası develeinde düşük eşik geilimi olan standat CMOS tansistolei elektomanyetik dalgaladan eneji hasat eden sistemlede yoğun olaak göev almaktadı. Antenden elde edilen düşük seviyeli altenatif geilim düşük güçte çalışan düzenleyici devesini besle. Şekil- NMOSFET lein diyot gibi bağlanması ile oluştuulmuş akım pompası.
Akım pompası devesi temelde iki bloktan oluşu; bunla MOS akım pompası ve sei bağlanmış diyotladan oluşan düşük güç egülatöüdü. Öncelikle yüksek veimlilikte enejinin AC den DC ye dönüştüülmesi ve sonasında düşük kayıplı kaalı DC çıkış geiliminin elde edilmesi geekmektedi. Şekil de ulta düşük eşik geilimi olan NMOS FET lein diyot gibi bağlanması ile oluştuulmuş AC/DC akım pompası devesi gösteilmişti. Şekilde gösteilen V çapma katsayısı ile geilimi yükselten biim hücede, Cn ve Cn-1 kapasitelei bi çift DC geilim kaynağı gibi davanı; Cn-1 kapasitesi üzeinde düşen Vn-1 geilimi ile Vi giiş geilimini Cc (coupling capacito) kapasitesi ile bileştiili. Giiş gelimi V kada yükseleek bi sonaki hücenin giiş geiliminin oluşmasını sağlanmış olu. Şekil-3 NMOSFET akım pompası biim hücesi Ulta düşük eşik geilimine (Vth) sahip NMOSFETle diyot gibi bağlanmıştı. Çapıcı kapasitö Cn-1 ve Cn DC geilim kaynağı olaak göülebili. Cc bileştiici kapasitöü giiş voltajı Vi ve Vn-1 i bileştii Cn-1 üzeine düşen geilim bi sonaki çapım için teka şaj edecek geilimi sağla. Vdn-1 Mn-1 NMOSFETnin üzeine düşen geilim, Vdn Mn tansistöünün üzeine düşen geilim ve Vc ise C noktasındaki DC geilimidi kaalı hal (steady-state) koşullaı altında bu geilim; V = V V (6) c n 1 dn 1 Vc = Vn + Vdn (61) Eğe MOS FET in W/L oanlaı eşit ise (eşit I ds ) bu duumda: V = V ; V = ( V + V ) / (6) dn dn 1 c n n 1 Mn için asıl giiş sinyali Vc+Vi di eğe V biim miktada geilim atıımıysa bu duumda: V = V V, ( V + V ) / + V = V (63) i d n n 1 n V = V + V (64) n n 1
Standat MOS FET ve kapasitelein kullanıldığı şekide gösteilen devenin katman sayısı olduğundan bu duumda Vn değei; V = V + V (65) n n Denklemde n=k+1 ve k=1,,3... Buadaki k değei akım pompasının biim hüce sayısı olup akım pompası devesinde kullanılan tüm MOSFETle için aynı oana sahipti. Ve V he denklem için aynı değededi. [36] V = V + 4 V = V + 6 V (66) n n 4 n 6 Sonuç olaak Vn geilimi denklem (67) de belitilmişti. Buadaki n NMOSFETin sayısını ve aynı zamanda devenin kaç katmanlı olduğunu beliti. V = n V = n( V V ) (67) n i d Sabit giiş geilimine sahip olunduğunda katman sayısını atımak ve MOSFET üzeine düşen Vd geilimini düşümek çıkış geilimini atımanın en kolay yollaıdı. Fakat katman sayısının atıılması çevim veimliliğini düşüdüğünden çıkış geilimini atımak için en uygun yol he MOSFET üzeine düşen Vd geilimini azaltmaktı. Bütün MOSFETle doyum bölgesinde çalıştıklaı için MOSFETin Vd değei denklem (68) deki gibidi. V DS dain ile souce aasındaki geilim fakı, V GS gate ile souce aasındaki geilim fakı, V th eşik geilim değeidi. V = V = I / β + V (68) d ds ds th Buada β=μ n C ox W/L di. Sabit çıkış akımı Ids, büyük W/L oanı ve küçülmüş Vd değei daha büyük çıkış geilimi elde edilmesini sağla. Patikte eşik geilimine yakın tansistole kullanılaak pefomans atıımına gidili. Akım pompasının çevim hassasiyeti tanımlayan denklem (69) deki paametele Pi giiş gücü, Po çıkış gücü, Ploss devenin güç kaybıdı. η = P / 1 / Pi = Ploss Pi (69)
VERİMLİLİK ANALİZİ Maksimum Güç Tansfei Maksimum güç tansfe teoemine göe sabit bi kaynak empedansına sahip olan linee şebekede kaynaktan yüke maksimum güç aktaılması ancak yük emedansının kaynak empedasının kompleks eşleniğine eşit olmasıyla sağlanı. Bunun anlamı şekildeki devedeki R L = R S ve jx L = - jx S olmasıdı. ancak bu şekilde deve eşlenik olaak uyumludu. Şekil-4 Maksimum güç tanfeinin anlatımında kullanılan deve Şekildeki devede V S sinüsoidal kaynak, dahili empedans Z S = R S + jx S, yükün empedansı ise Z L = R L + jx L di. Kalite Faktöü Devele üzeinde fekansa bağlı değişimle gösteen olan indüktö ve kapasite elamanlaının oluştuduğu empedansla bulunmaktadı. Bi devenin esonans halinde olabilmesi için indüktö elemanının eaktansıyla (X L ) kapasite elemanın eaktansı (X C ) eşit olmalıdı. Bu şat sağlandığında kalite faktöü, ezonans duumunda depolanan eneji Q = π (7) he döngüde isaf edilen eneji
Şekil-5 Sei ezonans devesi. Şekilde gösteilen basit bi sei ezonans devesinde indüktö L kondansatö C sei kayıp dienci di. Sei ezonans devesinde amaç minimum empedans değei üzeinden maksimum akım elde edilmesidi. Bu devenin kalite faktöü denklem (71)de gösteilmişti. Denklemde X L indüktö elemanının eaktans değeidi. π fl X L Q = = (71) Şekil-6 Kalite faktöü ve band genişliği aasındaki ilişki. Şekilde göüldüğü gibi sabitlenmiş f fekans değei için yüksek kalite faktöü küçük band genişliğine (BW 1 ), düşük kalite faktöü ise yüksek band genişliğine (BW ) neden olmaktadı. Band genişliğini gösteen eşitlik, f BW = (7) Q
Yükseltici ve doğultucu devenin kalite faktöü RF-DC çeviici devenin hassasiyetini attımak için sistemin eşik voltajını (Vth) olabildiğince azaltmamız geekmektedi. Ayıca deve sei kaskat şekilde bağlanıp ölçüm yapılabilecek şeklide tasalanmalıdı. Yüksetici ve doğultucu devesinin giiş empedansının kalite faktöünün (Q) atıılması tüm sistemin güç veimliliğin atıılmasında önemli bi ye tuta. Giiş empedansının kalite faktöünün olabildiğince yüksek, paasitik elemenlaının kalite faktöünün olabildiğince düşük tutulması tüm sistemini kalite faktöünün atmasını sağla bu da güç veimliliğini iyileştimektedi. Kaskat sekilde yeleştiilmiş yüksetici ve doğultucu katmanlaı devenin giiş empedansına önemli bi etkide bulunu CMOS teknolojisiyle dizayn edilen yüksetici ve doğultucu develein empedansı kapasitans ve özdiençten oluşu. Bunla gate den göülen MOS un kanal dienci (Rds) ve gate kapasitansıdı. Sei olaak kaskatlanmış katmanla kapasitif elemanlaın değeini linee olaak atıı. Paalel olaak kaskat yapılısa özdienç elemanlaın değei azalı. Bu duum çok fazla olusa özdienç elemanlaın değei çok düşe ve diğe paasitic dienç kaynaklaı taafından bastıılmalaına neden olu. (dain-souce bağlantı dienci gibi) paasitik kapasitans atıkça kalite faktöü düşe. Eğe çok az sayıda yüksetici ve doğultucu katmanlaı kaskat yapılısa çıkış geilimi deve taafından beslenen cihazı opeasyona sokacak kada yüksek olmaz. Yükseltici ve doğultucu katmanlaın sayısı optimal noktaya gelene kada atııldığında DC çıkış geilimi de doğu oantılı şekilde ata. Optimal noktadan sona daha fazla katman eklenmesi kalite faktöünü düşüü bu aynı zamanda DC çıkış geilimini de düşmesine neden olu. Devenin DC çıkış geiliminin ve güç veimliliğinin maksimum yapıcak olan yüksek kalite faktöü değeini sağlayacak katman sayısının belilenmesi hayati önem taşı. Antenin kalite faktöü Antenin kalite faktöü aynı zamanda ışıma kalite faktöü olaak adlandıılı. Işıma kalite faktöünün (Q) hesaplanması Denklem (73) te gösteilmişti. Re zonans duumdaki indüktö yada kapasitöün empedansı Q = (73) Antenin ışıma dienci
Şekilde gösteilen dipol anten devesinin kalite faktöü denklem (74)den hesaplanı. Şekil-7 Dipol anten devesi Denklem (74)de R S ışıma esistansı X S ise ezonans duumdaki eaktansı göstemektedi. Q X s = (74) R s Kaynakla 1) Liao, S., 1977. Measuements and Computation of Electic Field Intensity and Powe Density, IEEE Tans. on Instumentation and Measuement, vol. IM-6, no. 1. ) Cole, P. H., Ranasinghe D. C. and Jamali B., 3. Coupling Relations in RFID systems II: Pactical Pefomance Measuements. 3) Yao, Y., Shi, Y.and Dai, F. F., 5. A Novel Low-Powe Input-Independent MOS AC/DC Chage Pump