Koplanare Wellenleiter-gespeiste Ultrabreitband-Monopolantenne für Anwendungen zur Hochfrequenzenergiegewinnung

Zusammenfassung

Dieses Protokoll definiert die Simulation, das Design, die Tests und die Herstellung einer kostengünstigen, koplanaren Wellenleiter-gespeisten (CPW) Ultra-Wide-Band (UWB)-Antenne für die Radiofrequenz-Energiegewinnung (RFEH) über mehrere Kommunikationsbänder.

Zusammenfassung

Das RFEH, das auf drahtlosem Laden basiert, ist eine vielversprechende Technologie zur Stromversorgung von energiearmen Internet-of-Things-(IoT)-Geräten; seine Effizienz ist jedoch weiterhin durch Antennendesign und Impedanzanpassung begrenzt. Bei dieser Arbeit wird eine für RFEH geeignete gedruckte Antenne mit CPW-Feed entwickelt. Die Antenne besteht aus einer halbkreisförmigen fraktalen Kurve, ähnlich einem abklingenden Feigenblattbaum, mit rechteckigen Kerben, die auf einem kostengünstigen FR4-Substrat gefertigt werden. Es verfügt über eine Betriebsbandbreite von 700 MHz bis 3 GHz und deckt wichtige Kommunikationsbänder ab, darunter GSM-, WLAN-, ISM- und Wi-Fi-Anwendungen. Numerische Simulationen wurden mit computergestützter elektromagnetischer Modellierungssoftware durchgeführt. Die experimentellen Arbeiten zeigten die Eignung dieser Antenne für stabile omnidirektionale Strahlungsmuster und erfolgreiche RF-zu-DC-Umwandlungseffizienzen bei den fünf Zielfrequenzen, darunter 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz und 2400 MHz. Die Antenne zeigt das Potenzial, energiearme IoT-Geräte unter Umgebungs-RF-Bedingungen zu betreiben. Die vorgeschlagene Arbeit zielt darauf ab, die gemessenen und simulierten Ergebnisse zu vergleichen. Schließlich werden die numerischen und experimentellen Ergebnisse verglichen und zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung.

Einleitung

Jüngste Entwicklungen in drahtlosen Kommunikationssystemen wie 5G, 6G und IoT^{1, 2, 3, 4} haben zu einer steigenden Nachfrage nach effizienten RFEH-Lösungen geführt. Städtische Umgebungen sind mit Umgebungs-RF-Signalen von Mobilfunkbasisstationen, WLAN-Zugangspunkten und Rundfunksendern gefüllt, was sie zu einer geeigneten parasitären Energiequelle für energiearme elektronische Geräte ^5,6,7 macht. Insbesondere UWB-Antennen, wie Monopolkonfigurationen, eignen sich gut für Anwendungen zur RF-Energiegewinnung, hauptsächlich aufgrund ihrer breiten momentanen Bandbreite, ihrer einfachen planaren Geometrie und der einfachen Integration mit Gleichrichterschaltungen⁸. Die zuführende CPW-Struktur bietet weitere Vorteile, darunter bessere Impedanzanpassung, reduzierte parasitäre Strahlung von der Zuleitung und eine einfachere Herstellung ohne Backside-Masseflächen⁹.

Obwohl mehrere UWB-Antennen für allgemeine drahtlose Kommunikation gemeldet wurden, sind viele für Signaltreue oder Impulserhaltung ausgelegt, statt für die Weitband-RF-zu-DC-Energieumwandlung in bestimmten kommerziellen Frequenzbändern^10,11. Weitere neuere Richtungen umfassen kompakte High-Gain-Designs¹², Rectenna-spezifische Antennen mit integrierten Matching-Netzwerken¹³ und abstellbare Strukturen¹⁴ für kognitives Radio. Diese Techniken basieren jedoch typischerweise auf Mehrschichtsubstraten, komplexen Ätzprozessen oder Schmalbandresonatoren, die ihren Einsatz in Umgebungs-Multiband-Ernteszenarien einschränken. Im Vergleich zur Stand der Technik bietet die vorliegende Arbeit vier praktische Verbesserungen im direkten Vergleich, nämlich: (1) Ein vollständig druckbares, einlagiges FR4-Design, das die Herstellungskosten und -komplexität im Vergleich zu mehrschichtigen oder hochfrequenten Laminatlösungen^{reduziert 15,16}; (2) Eine Betriebsbandbreite von 700 MHz bis 25 GHz, die gleichzeitig die GSM-Bänder (Global System for Mobile Communications), DCS, PCS und Wi-Fi abdeckt, während viele frühere Antennen weniger oder diskontinuierliche Bänder^17,18 abdecken; (3) Explizite experimentelle Validierung in einem Erntesystem (HF-zu-DC-Effizienzmessung über fünf diskrete Frequenzen) statt nur S₁₁ oder Verstärkungscharakterisierung^19,20; (4) Eine CPW-gespeiste halbkreisförmige Geometrie mit rechteckigen Kerben, die Breitbandanpassung ohne Via-Löcher oder defekte Bodenstrukturen erreicht, was die Reproduzierbarkeit in ressourcenarmen Umgebungen erleichtert²¹.

Die Technologie der RF-Ambient Harvesting ist vielversprechend, aber praktische Erkenntnisse leiden unter gut dokumentierten Einschränkungen. Die Leistungsdichte von Umgebungs-HF-Feldern liegt in städtischen Gebieten üblicherweise im Bereich von 0,1 μW^/cm2 bis 1 μW/cm^², entsprechend empfangenen Leistungsniveaus im Bereich von -30 dBm bis -10 dBm für eine kompakte^{Antenne 22,23}. Daher streben wir in dieser Arbeit eine Eingangs-HF-Leistung von -20 dBm an, um die Erntebewertung im Rahmen moderater Umgebungsszenarien zu erzielen. Hier basieren auf IoT-Sensoren, Wearables und drahtlosen Knoten auf Basis von "Energiespargeräten", die eine durchschnittliche Gleichstromleistung von 100 μW bis 1 mW^benötigen. Eine bekannte Einschränkung, die wir hier erwarten und im Diskussionsabschnitt erneut aufgreifen, ist die Verwendung eines FR4-Substrats mit einer Verlusttangente (tan δ = 0,025), die die Effizienz oberhalb von etwa 2 GHz verringert; jedoch sind die Zielbänder (bis zu 2,4 GHz) und der erweiterte UWB-Bereich aufgrund der breiten Impedanzanpassung^{von 25} GHz weiterhin zum Ernten geeignet.

Eine CPW-gespeiste UWB-Monopolantenne mit halbkreisförmigem Patch und zwei symmetrischen rechteckigen Kerben wird vorgeschlagen, speziell für die RF-Energiegewinnung im GSM bei 850/900 MHz, DCS bei 1800 MHz, PCS bei 1900 MHz und Wi-Fi im Frequenzband 2400 MHz. Die Neuheit liegt in seiner geometrischen Schlichtheit, experimentell validierten breiten Bandbreite und der direkten Demonstration der RF-zu-DC-Umwandlung auf einer Ernte-Evaluierungstafel. Nach unserem besten Wissen ist ein kostengünstiges, druckbares UWB-Monopol, das speziell für die Mehrband-Energiegewinnung über diese fünf Frequenzen mit einem kommerziellen Gleichrichter entwickelt wurde, bisher unerforscht^geblieben 26,27,28.

Protokoll

Die verwendeten Verbrauchsmaterialien, Ausrüstungen und Software sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Antennendesign und Simulation

1. Substratauswahl und Anfangsgeometrie
   1. Wählen Sie ein FR4-Substrat mit einer dielektrischen Konstante (εr) von 4,3, einer Verlusttangente (beige δ) von 0,025 und Abmessungen von 125 mm × 95 mm × 1,6 mm wie in Abbildung 1 zu sehen.
   2. Öffnen Sie die Software zur elektromagnetischen Feldsimulation. Erstelle ein neues Projekt und setze Einheiten auf Millimeter.
   3. Definieren Sie das Substratmaterial mit dem integrierten FR4-Modell.
   4. Zeichnen Sie eine halbkreisförmige Kupferfläche (Radius = 40 mm) und eine rechteckige Massefläche (95 mm × 40 mm) auf derselben Schicht.
   5. Führe eine 50 Ω CPW-Zuleitung (Breite = 3 mm, Spalt = 0,5 mm) an den Patch an.
2. Geometrieoptimierung für UWB-Leistung
   1. Fügen Sie symmetrisch zwei rechteckige Kerben (Breite = 3 mm, Tiefe = 5 mm) am unteren Rand des halbkreisförmigen Patches hinzu.
   2. Verbreite die CPW-Zuleitung in einem Winkel von 20°, um die Impedanzanpassung zu verbessern.
   3. Führen Sie einen parametrischen Sweep aus, der die Kerbenbreite (1–5 mm), die Kerbtiefe (2–10 mm) und den Leuchtwinkelwinkel (10°–30°) variiert.
   4. Stellen Sie den Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 3 GHz ein. Verwenden Sie den Time Domain Solver mit offenen Randbedingungen.
   5. Definieren Sie einen diskreten Anschluss an der Zuleitung. Fügen Sie einen Frequenzmonitor für Fernfeldstrahlung hinzu. Der Strom an der Antennenoberfläche wird wie in Abbildung 2 gezeigt bewertet.
   6. Simuliere und prüfe S11. Iteriere bis S11 < -10 dB von 0,5 MHz auf 3 GHz.
3. Kreuzverifikation mit alternativer Software
   1. Extrahiere die endgültige Antennendesigngeometrie als . SAT-Datei.
   2. Führen Sie die Finite-Elemente-EM-Simulationssoftware nach dem Import des vorgeschlagenen Modells aus.
   3. Weisen Sie dieselben Materialeigenschaften und Randbedingungen zu.
   4. Führe die Finite-Elemente-Methode (FEM)-Technik durch. Stellen Sie den Frequenzsweep von 0,5 MHz auf 3 GHz mit 2001 Punkten ein.
   5. Vergleichen der S11-Spektren mit den Strahlungsmustern des CST-Solvers, um die Konsistenz zu bestätigen.

2. Antennenfertigung

1. PCB-Layoutvorbereitung
   1. Exportiere von CST aus das endgültige Design in eine Gerber-Datei für sowohl obere als auch hintere Schichten.
   2. Führe die Gerber-Datei in einer PCB-Design-Software (KiCad) aus und überprüfe die Abmessungen.
   3. Erstellen Sie eine NC-Bohrdatei für SMA-Löcher.
2. Photolithografieprozess
   1. Reinigen Sie das FR4-Substrat mit Isopropylalkohol und trocknen Sie es gründlich.
   2. Decken Sie die trockenen Photoresistfilme bei 115 °C auf das behandelte Substrat.
   3. Drucken Sie die Antennenschicht auf einem transparenten Film mit einem hochauflösenden Drucker.
   4. Drücken Sie die Filmmaske mit Ausrichtung auf das Substrat, damit sie 50 Sekunden lang UV-Licht ausgesetzt wird.
   5. Die Entwicklung des Substrats in einer Natriumcarbonatlösung von 1,5 % W/V muss 70 Sekunden dauern.
   6. Spülen Sie mit deionisiertem destilliertem Wasser ab und trocknen Sie sie mit frischer Luft.
3. Radierung und Fertigstellung
   1. Es wird das freiliegende Kupfer mit einer Eisenchloridlösung (45 °C) 6–12 Minuten geätzt.
   2. Hören Sie auf zu ätzen, nachdem Sie das unerwünschte Kupfer entfernt haben.
   3. Entfernen Sie den verbleibenden Photoresist mit Aceton.
   4. Löten Sie den SMA-Anschluss mit der vorgeschlagenen CPW-Zuleitung mit bleifreiem Lötzinn wie in Abbildung 3 dargestellt.
   5. Überprüfe die Antenne unter dem Mikroskop auf Unregelmäßigkeiten.

3. Experimentelle Messungen und Charakterisierungen

1. S11-Spektrenmessung
   1. Verbinden Sie die Antenne mit dem Leistungsspektrumanalysator über ein 50 Ω flexibles Koaxialkabel.
   2. Übertragen Sie es mit einem vollständigen Zwei-Port-Kalibrierungsverfahren und einem elektronischen Kalibrierkit.
   3. Führe den Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 3 GHz aus, mit 2001 Punkten und einer IF-Bandbreite von 1 kHz.
   4. Trage im Durchschnitt über 10 Sweeps an, um Lärm zu minimieren.
   5. Messe S11 und exportiere die Daten als .csv Datei.
2. Strahlungsmustermessung
   1. Platzieren Sie die Antenne in einer anechohaltigen Kammer (4 m × 4 m × 4 m) auf einem motorisierten Positionierer.
   2. Richten Sie das Phasenzentrum der Antenne auf die Rotationsachse aus.
   3. Verwenden Sie eine Standard-Gain-Hornantenne als Sender, die 3 m entfernt platziert ist.
   4. Stellen Sie den Signalgenerator auf jede Zielfrequenz (850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz) mit 0 dBm Ausgangsleistung ein.
   5. Drehen Sie die getestete Antenne in 5°-Schritten und zeichnen Sie die empfangene Leistung auf.
   6. Normalisiere Muster auf den maximalen Gewinn und plotte in dB.
3. Bewertung der RF-Energiegewinnung
   1. Verbinden Sie die Antenne mit einer kommerziellen RF-Ernte-Bewertungstafel.
   2. An jeder Zielfrequenz wird ein Eingangs-HF-Signal mit -20 dBm Leistung angelegt.
   3. Missen Sie die Gleichstrom-Ausgangsspannung über einen 1 kΩ-Lastwiderstand mit einem digitalen Multimeter.
   4. Berechnung des RF-zu-DC-Wirkungsgrads mit:
       
   5. Wiederhole die Messungen dreimal und mittele das Ergebnis.

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die Geometrie der vorgeschlagenen Antenne, die aus einer halbkreisförmigen Strahlungsfläche mit zwei symmetrischen rechteckigen Kerben und einer CPW-Zuleitung besteht. Die Oberflächenstromverteilung bei 1,8 GHz, wie in Abbildung 2 dargestellt, bestätigt die starke Stromkonzentration entlang der Speiseleitung und der unteren Kanten des Patches, was mit dem grundlegenden Resonanzmodus übereinstim...

Diskussion

Eine einfache modifizierte Monopolstruktur mit zwei symmetrischen rechteckigen Kerben wird vorgeschlagen, um eine breitbandige CPW-gespeiste UWB-Monopolantenne mit einem Arbeitsfrequenzbereich von 700 MHz bis 25 GHz zu entwerfen. Dieser Abschnitt bietet eine kritische methodische Interpretation des Protokolls, diskutiert Optimierungsentscheidungen und Überlegungen zur Fehlersuche, vergleicht das Design mit bestehenden Ansätzen und untersucht zukünftige Anwendungen und Entwicklungen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Aceton (Photoresist Stripper)	Fisher Chemical	A18-4	Reinheit ≥ 99,5%
Ansys HFSS 2022 R2	Ansys Inc.		Version: 2022 R2, Solver: Finite Element Method (FEM)
Kompakte anechoische Kammer	ETS-Lindgren	Modell 5300	Innenabmessungen: 4 m × 4 m × 4 m, Frequenzbereich: 700 MHz – 40 GHz
Kupferbeschichtung	Generische PCB-Kupferfolie		Dicke = 35 µm (1 oz), Haftung = 1,5 N/mm²
CST Studio Suite 2022		Dassault Systèmes	Version: 2022, Solver: Finite Integration Technique (FIT)
Digitales Multimeter (DMM)	Keysight	34461A	DC-Spannungsbereich: 0–100 V, Genauigkeit: ±0,0035%
Digitales USB-Mikroskop	Celestron	44308	Vergrößerung: 10x–200x, LED-Beleuchtung
Trockenes Photoresist-Film	ORCAL	925	Dicke = 1,2 mil, Laminierungstemperatur = 110 °C
Elektronisches Kalibrierungsmodul (ECal)	Keysight	N4691B	Frequenzbereich: 10 MHz – 26,5 GHz, 2-Port
Eisenchloridätzer	MG Chemicals	415	Konzentration = 40–42 °Baumé, Temperatur = 40 °C
FR4 Epoxidlaminat	Isola Group	FR408	εr = 4,3, tan δ = 0,025, Dicke = 1,6 mm, Abmessungen = 125 mm × 95 mm
Heißfolien-Laminator	GBC	H65	Temperaturbereich: 80–140 °C, Geschwindigkeit: 0,5–3 m/min
Isopropylalkohol (Reinigungsmittel)	Sigma-Aldrich	34863	Reinheit = 99,9%
KiCad 7.0	KiCad EDA		Open-Source, zur Überprüfung von Gerber-Dateien verwendet
Laborkittel	Medline	DYNA23100	65% Polyester / 35% Baumwolle
Bleifreier Lötdraht	Kester	245 No-Clean	Durchmesser = 0,8 mm, Zusammensetzung: Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5
Motorisierter Antennenpositionierer	Orbit	FR-959	Azimutrotation: 0–360°, Elevation: ±180°, Schrittauflösung: 0,1°
Nitrilbewande	Kimberly-Clark	Kimtech	Pulverfrei, Dicke: 5 mil
PCB-Bohrer (für Steckverbinderlöcher)	Proxxon	MICROMOT 50/E	Bohrerdurchmesser: 1,2 mm (für SMA-Befestigungslöcher)
Powercast P2110B Evaluation Board	Powercast Corporation		Integriertes Anpassungsnetzwerk, Schottky-Gleicherrichter und Speicherkondensator
Präzisions-Pinzette	Excelta	225A-SF	Antimagnetisch, Edelstahl
RF-Signalgenerator	Keysight	N5172B	Frequenzbereich: 9 kHz – 13,6 GHz, Ausgangsleistung: +23 dBm
Schutzbrille	Uvex	Stealth	Beschlagfrei, UV-Schutz
SMA-Kabel, 50 Ω	Huber+Suhner	Sucoflex 104	Länge = 1 m, Frequenzbereich: DC – 26,5 GHz, Einfügedämpfung < 0,5 dB bei 18 GHz
SMA-Steckverbinder für Leiterplattenrandmontage, Buchse	Amphenol	901-9871	50 Ω, Frequenzbereich: DC–18 GHz
Natriumcarbonat (Entwickler)	Sigma-Aldrich	451614	Konzentration = 1% w/v in deionisiertem Wasser
Standard-Gain-Hornantenne	ETS-Lindgren	3164-05	Frequenzbereich: 800 MHz – 5 GHz, Gewinn: 6–12 dBi
UV-LED-Expositionssystem	M&R	Saturn 2	Wellenlänge: 365 nm, Leistung: 120 W
Vektornetzwerkanalysator (VNA)	Keysight	N5222B	Frequenzbereich: 10 MHz – 26,5 GHz, Anschlüsse: 2