يحدد هذا البروتوكول المحاكاة والتصميم والاختبار وتصنيع هوائي منخفض التكلفة يغذى بموجة متشابهة المستوى (CPW) لجمع طاقة الترددات الراديوية (RFEH) عبر نطاقات اتصالات متعددة.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
يحدد هذا البروتوكول المحاكاة والتصميم والاختبار وتصنيع هوائي منخفض التكلفة يغذى بموجة متشابهة المستوى (CPW) لجمع طاقة الترددات الراديوية (RFEH) عبر نطاقات اتصالات متعددة.
تعد تقنية RFEH المبنية على الشحن اللاسلكي تقنية واعدة لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة؛ ومع ذلك، لا تزال كفاءتها محدودة بتصميم الهوائي ومطابقة الممانعة. في هذا العمل، يتم تطوير هوائي مطبوع مناسب لراديو أوروبا الراديوية مع تغذية CPW. يتكون الهوائي من منحنى كسري نصف دائري، مشابه لرقعة إشعاع أوراق التين، مع شقوق مستطيلة لتصنيعها على ركيزة منخفضة التكلفة من نوع FR4. يتمتع بعرض نطاق تشغيلي يتراوح بين 700 ميجاهرتز و3 جيجاهرتز، ويغطي نطاقات الاتصال الرئيسية، بما في ذلك تطبيقات GSM وWLAN وISM وWi-Fi. تم إجراء محاكاة رقمية باستخدام برامج النمذجة الكهرومغناطيسية الحاسوبية. أظهرت الأعمال التجريبية ملاءمة هذا الهوائي لأنماط الإشعاع المستقرة متعددة الاتجاهات ونجاح كفاءات تحويل RF إلى DC عند الترددات المستهدفة الخمسة، بما في ذلك 850 ميجاهرتز، 900 ميجاهرتز، 1800 ميجاهرتز، 1900 ميجاهرتز، و2400 ميجاهرتز. يظهر الهوائي إمكانية لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة في ظروف الترددات الراديوية المحيطة. يهدف العمل المقترح إلى مقارنة النتائج المحسوسة والمحاكاة. وأخيرا، تتم مقارنة النتائج العددية والتجريبية وتظهر توافقا ملحوظا.
أدت التطورات الأخيرة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية مثل 5G و6G وIoT 1,2,3,4 إلى زيادة الطلب على حلول RFEH الفعالة. تمتلئ البيئات الحضرية بإشارات الترددات الراديوية المحيطة من محطات القاعدة الخلوية، ونقاط وصول الواي فاي، وأجهزة إرسال البث، مما يجعلها مصدر طاقة طفيلي مناسب للأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة 5,6,7. على وجه الخصوص، هوائيات UWB، مثل تكوينات أحادي القطب، مناسبة جدا لتطبيقات جمع طاقة التردد الراديوي، ويرجع ذلك أساسا إلى عرض النطاق الترددي الفوري الواسع، وهندستها المستوية البسيطة، وسهولة دمجها مع دوائر المقوم8. يوفر هيكل CPW التغذية فوائد إضافية، منها مطابقة أفضل للممانعة، وتقليل الإشعاع الطفيلي من خط التغذية، وسهولة التصنيع بدون مستويات الأرض الخلفية9.
على الرغم من الإبلاغ عن عدة هوائيات UWB للاتصالات اللاسلكية العامة، إلا أن العديد منها مصمم لدقة الإشارة أو الحفاظ على النبضات، بدلا من تحويل طاقة RF إلى DC واسع النطاق في نطاقات تردد تجارية محددة10,11. تشمل الاتجاهات الحديثة الأخرى تصاميم مدمجة عالية الكسب12، هوائيات خاصة ب rectenna مع شبكات مطابقة مدمجة13، والهياكل القابلة للتعديل14 للراديو المعرفي. ومع ذلك، تعتمد هذه التقنيات عادة على ركائز متعددة الطبقات، أو عمليات النقش المعقدة، أو الرنانات ضيقة النطاق، مما يحد من استخدامها في سيناريوهات الحصاد متعددة النطاقات المحيطة. مقارنة بالفن السابق، يقدم العمل الحالي أربعة تحسينات عملية في المقارنة المباشرة، وهي: (1) تصميم FR4 قابل للطباعة بالكامل وطبقة واحدة يقلل من تكلفة التصنيع والتعقيد مقارنة بالحلول متعددة الطبقات أو عالية التردد 15,16؛ (2) عرض نطاق تشغيلي من 700 ميجاهرتز حتى 25 جيجاهرتز، يغطي نطاقات GSM (النظام العالمي للاتصالات المتنقلة)، DCS، PCS، وWi-Fi في نفس الوقت، بينما تغطي العديد من الهوائيات السابقة نطاقات أقل أو متقطعة17،18؛ (3) التحقق التجريبي الصريح في إعداد الحصاد (قياس كفاءة RF-to-DC عبر خمسة ترددات منفصلة) بدلا من S11 فقط أو توصيف الكسب19,20؛ (4) هندسة نصف دائرية مدعومة ب CPW مع شقوق مستطيلة تحقق مطابقة النطاق العريض بدون ثقوب عبر أو هياكل أرضية معيبة، مما يسهل قابلية التكرار في البيئات منخفضة الموارد21.
تقنية جمع الترددات الراديوية المحيطة واعدة، لكن التحقيقات العملية تعاني من قيود موثقة جيدا. عادة ما تكون كثافة الطاقة لحقول الترددات الراديوية المحيطة في البيئات الحضرية في نطاق 0.1 ميكروواط/سم2 إلى 1 ميكروواط/سممربع، وهي تتوافق مع مستويات الطاقة المستقبلة في حدود -30 ديسيبل متر إلى -10 ديسيبل متر للهوائي المدمج22.23. لذلك، نهدف إلى مستوى طاقة RF مدخلات يبلغ -20 ديسيبل مليواتر في هذا العمل لتقييم الحصاد، ضمن نطاق سيناريوهات المسافة المتوسطة المحيطة. هنا، تستخدم أجهزة استشعار إنترنت الأشياء المعتمدة على "الأجهزة منخفضة الطاقة"، والأجهزة القابلة للارتداء، والعقد اللاسلكية التي تتطلب متوسط طاقة تيار مستمر بين 100 ميكروواط و1 ميلاوات24. أحد القيود المعروفة، والتي نتوقعها هنا ونعيد النظر فيها في قسم النقاش، هو استخدام ركيزة FR4 ذات مماس فقدان (تان δ = 0.025) التي تخفض الكفاءة فوق حوالي 2 جيجاهرتز؛ ومع ذلك، فإن نطاقات الهدف (حتى 2.4 جيجاهرتز) ونطاق UWB الموسع لا تزال مناسبة للحصاد بسبب مطابقة الممانعة الواسعة25.
يقترح هوائي أحادي القطب UWB مغذى ب CPW مع رقعة نصف دائرية وشقين مستطيلين متماثلين، مصمم خصيصا لجمع طاقة الترددات الراديوية في GSM عند 850/900 ميجاهرتز، وDCS عند 1800 ميجاهرتز، وPCS عند 1900 ميجاهرتز، وWi-Fi عند نطاقات تردد 2400 ميجاهرتز. تكمن الميزة في بساطتها الهندسية، وعرض النطاق الترددي الواسع الذي تم التحقق منه تجريبيا، والعرض المباشر لتحويل الراديو إلى التيار المستمر على لوحة تقييم الحصاد. حسب علمنا، فإن نموذج UWB منخفض التكلفة وقابل للطباعة مصمم خصيصا لجمع الطاقة متعدد النطاقات عبر هذه الترددات الخمسة، باستخدام مقوم تجاري، ظل غير مستكشف 26,27,28.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد الاستهلاكية والمعدات والبرمجيات المستخدمة مدرجة في جدول المواد.
1. تصميم الهوائي والمحاكاة
2. تصنيع الهوائيات
3. القياسات والتوصيف التجريبي

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يوضح الشكل 1 هندسة الهوائي المقترح، الذي يتكون من رقعة إشعاعية نصف دائرية مع شقين مستطيلين متماثلين وخط تغذية CPW. توزيع التيار السطحي عند 1.8 جيجاهرتز، كما هو موضح في الشكل 2، يؤكد تركيز التيار القوي على طول خط التغذية والحواف السفلية للرقعة، بما يتوافق مع وضع الرنين الأساسي المسؤول عن مطابقة مقاومة النطاق العريض. يظهر الشكل 3 صورة للنموذج الأولي المصنع، مما يؤكد نجاح تنفيذ التصمي...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يقترح هيكل أحادي القطب المعدل البسيط مع شقين مستطيلين متماثلين لتصميم هوائي أحادي القطب UWB مغذى ب CPW واسع النطاق بتردد يعمل من 700 ميجاهرتز إلى 25 جيجاهرتز. يقدم هذا القسم تفسيرا منهجيا نقديا للبروتوكول، ويناقش قرارات التحسين واعتبارات استكشاف المشكلات، ويقارن التصميم بالأساليب الحالية، ويستكشف التطبيقات والتطورات المستقبلية.
خطوات البروتوكول الرئيسية التي تؤثر على الأداء وقابلية التكرار
تعد عدة خطوات في البروتوكو...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.
يشكر المؤلفون المركز الدولي للبحوث التطبيقية والنظرية (IATRC) على الدعم الفني.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| Acetone (Photoresist Stripper) | Fisher Chemical | A18-4 | Purity ≥ 99.5% |
| Ansys HFSS 2022 R2 | Ansys Inc. | الإصدار: 2022 R2، طريقة الحل: طريقة العناصر المحدودة (FEM) | |
| Compact Anechoic Chamber | ETS-Lindgren | Model 5300 | الأبعاد الداخلية: 4 م × 4 م × 4 م، نطاق التردد: 700 ميجاهرتز - 40 جيجاهرتز |
| Copper Cladding | Generic PCB copper foil | السُمْك = 35 ميكرومتر (1 أونصة)، الالتصاق = 1.5 N/mm² | |
| CST Studio Suite 2022 | Dassault Systèmes | الإصدار: 2022، طريقة الحل: تقنية التكامل المحدود (FIT) | |
| Digital Multimeter (DMM) | Keysight | 34461A | نطاق الجهد المستمر: 0-100 فولت، الدقة: ±0.0035٪ |
| Digital USB Microscope | Celestron | 44308 | التكبير: 10x-200x، إضاءة LED |
| Dry Photoresist Film | ORCAL | 925 | السُمْك = 1.2 ميل، درجة حرارة التصفيح = 110 درجة مئوية |
| Electronic Calibration Module (ECal) | Keysight | N4691B | نطاق التردد: 10 ميجاهرتز - 26.5 جيجاهرتز، 2 منافذ |
| Ferric Chloride Etchant | MG Chemicals | 415 | التركيز = 40-42 درجة بوميه، درجة الحرارة = 40 درجة مئوية |
| FR4 Epoxy Laminate | Isola Group | FR408 | εr = 4.3، tan δ = 0.025، السُمْك = 1.6 مم، الأبعاد = 125 مم × 95 مم |
| Hot Roll Laminator | GBC | H65 | نطاق درجة الحرارة: 80-140 درجة مئوية، السرعة: 0.5-3 م/دقيقة |
| Isopropyl Alcohol (Cleaning Agent) | Sigma-Aldrich | 34863 | النقاء = 99.9٪ |
| KiCad 7.0 | KiCad EDA | مصدر مفتوح، يُستخدم للتحقق من ملفات Gerber | |
| Lab Coat | Medline | DYNA23100 | 65٪ بوليستر / 35٪ قطن |
| Lead-Free Solder Wire | Kester | 245 No-Clean | القطر = 0.8 ملم، التركيب: Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 |
| Motorized Antenna Positioner | Orbit | FR-959 | الدوران في الإتجاه: 0-360 درجة، الارتفاع: ±180 درجة، دقة الخطوة: 0.1 درجة |
| Nitrile Gloves | Kimberly-Clark | Kimtech | خالية من البودرة، السُمْك: 5 ميل |
| PCB Drill (for connector holes) | Proxxon | MICROMOT 50/E | قطر مثقاب الحفر: 1.2 ملم (لفتح تثبيت SMA) |
| Powercast P2110B Evaluation Board | Powercast Corporation | شبكة مطابقة مدمجة، مقوم شوتكي، ومكثف تخزين | |
| Precision Tweezers | Excelta | 225A-SF | مضاد للمغناطيسية، مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ |
| RF Signal Generator | Keysight | N5172B | نطاق التردد: 9 كيلوهرتز - 13.6 جيجاهرتز، قوة الخرج: +23 ديسيبل |
| Safety Goggles | Uvex | Stealth | مضاد للضباب، حماية من الأشعة فوق البنفسجية |
| SMA Cable, 50 Ω | Huber+Suhner | Sucoflex 104 | الطول = 1 متر، نطاق التردد: DC - 26.5 جيجاهرتز، فقدان الإدراج < 0.5 ديسيبل عند 18 جيجاهرتز |
| SMA Female PCB Edge Mount Connector | Amphenol | 901-9871 | 50 Ω، نطاق التردد: DC-18 جيجاهرتز |
| Sodium Carbonate (Developer) | Sigma-Aldrich | 451614 | التركيز = 1٪ وزن/حجم في الماء المعدل |
| Standard Gain Horn Antenna | ETS-Lindgren | 3164-05 | نطاق التردد: 800 ميجاهرتز - 5 جيجاهرتز، المكسب: 6-12 ديسيبل |
| UV LED Exposure System | M&R | Saturn 2 | الطول الموجي: 365 نانومتر، الطاقة: 120 واط |
| Vector Network Analyzer (VNA) | Keysight | N5222B | نطاق التردد: 10 ميجاهرتز - 26.5 جيجاهرتز، المنافذ: 2 |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.