Antena monopolo ultraancha alimentada por guía de onda coplanar para aplicaciones de captación de energía por radiofrecuencia

Resumen

Este protocolo define la simulación, diseño, prueba y fabricación de una antena de banda ultraancha (UWB) alimentada por guía de onda coplanar (CPW) de bajo coste para la captación de energía por radiofrecuencia (RFEH) a través de múltiples bandas de comunicación.

Resumen

El RFEH basado en la carga inalámbrica es una tecnología prometedora para alimentar dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) de bajo consumo; sin embargo, su eficiencia sigue limitada por el diseño de la antena y la adaptación de impedancias. En este trabajo, se desarrolla una antena impresa adecuada para RFEH con una alimentación CPW. La antena está compuesta por una curva fractal semicircular, similar a una mancha radiadora de árbol de higuera, con muescas rectangulares que se fabricarán sobre un sustrato de bajo coste FR4. Dispone de un ancho de banda operativo de 700 MHz a 3 GHz, cubriendo bandas clave de comunicación, incluyendo aplicaciones GSM, WLAN, ISM y Wi-Fi. Las simulaciones numéricas se realizaron utilizando software de modelado electromagnético computacional. El trabajo experimental demostró la idoneidad de esta antena para patrones estables de radiación omnidireccional y eficiencias exitosas de conversión de RF a DC en las cinco frecuencias objetivo, incluyendo 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz y 2400 MHz. La antena muestra potencial para alimentar dispositivos IoT de bajo consumo en condiciones ambientales de RF. El trabajo propuesto tiene como objetivo comparar los resultados medidos y simulados. Por último, se comparan los resultados numéricos y experimentales y muestran una notable concordancia.

Introducción

Los desarrollos recientes en sistemas de comunicación inalámbrica como 5G, 6G e IoT 1,2,3,4 han provocado una demanda creciente de soluciones RFEH eficientes. Los entornos urbanos están llenos de señales ambientales de RF procedentes de estaciones base celulares, puntos de acceso Wi-Fi y transmisores de radiodifusión, lo que los convierte en una fuente de energía parásita adecuada para dispositivos electrónicos de bajo consumo ^5,6,7. En particular, las antenas UWB, como las configuraciones de monopolos, son muy adecuadas para aplicaciones de captación de energía por RF, principalmente debido a su gran ancho de banda instantáneo, geometría planar sencilla y fácil integración con circuitos^{rectificadores 8}. La estructura CPW de alimentación ofrece beneficios adicionales, incluyendo mejor adaptación de impedancias, menor radiación parásita de la línea de alimentación y una fabricación más sencilla sin planos de tierra^{traseros 9}.

Aunque se han reportado varias antenas UWB para comunicaciones inalámbricas generales, muchas están diseñadas para fidelidad de señal o preservación de pulsos, en lugar de conversión de energía de RF a DC de banda ancha en bandas de frecuencia comerciales^{específicas 10 y 11}. Otras direcciones recientes incluyen diseños compactos de alta^{ganancia 12}, antenas específicas para rectennas con redes integradas^{de coincidencia 13} y estructuras sintonizables¹⁴ para radio cognitiva. Sin embargo, estas técnicas suelen depender de sustratos multicapa, procesos complejos de grabado o resonadores de banda estrecha, lo que limita su uso en escenarios de recolección multibanda ambiental. En comparación con el arte anterior, el presente trabajo ofrece cuatro mejoras prácticas en comparación directa, a saber: (1) Un diseño FR4 totalmente imprimible y de una sola capa que reduce el coste y la complejidad de fabricación en comparación con soluciones laminadas multicapa o de alta^{frecuencia 15,16}; (2) Un ancho de banda operativo desde 700 MHz hasta 25 GHz, cubriendo simultáneamente las bandas GSM (Sistema Global para Comunicaciones Móviles), DCS, PCS y Wi-Fi, mientras que muchas antenas anteriores cubren bandas menos o discontinuas^17,18; (3) Validación experimental explícita en un montaje de cosecha (medición de eficiencia RF-DC a cinco frecuencias discretas) en lugar de solo S₁₁ o caracterización de^{ganancia 19,20}; (4) Una geometría semicircular alimentada por CPW con muescas rectangulares que logra la adaptación de banda ancha sin agujeros de vía ni estructuras de suelo defectuosas, facilitando la reproducibilidad en entornos de pocos recursos²¹.

La tecnología de captación de ambientes por RF es prometedora, pero las realizaciones prácticas sufren de limitaciones bien documentadas. La densidad de potencia de los campos de RF ambientales en entornos urbanos suele estar en el rango de 0,1 μW/^{cm 2} a 1 μW/^{cm 2}, correspondiente a niveles de potencia recibida del orden de -30 dBm a -10 dBm para una antena^{compacta de 22,23}. Por lo tanto, buscamos un nivel de potencia de RF de entrada de -20 dBm en este trabajo de evaluación de cosecha, dentro del ámbito de escenarios ambientales de distancia moderada. Aquí, sensores IoT basados en "dispositivos de bajo consumo", dispositivos wearables y nodos inalámbricos que requieren una potencia media de corriente continua entre 100 μW y 1^{mW 24}. Una limitación conocida, que esperamos aquí y que retomamos en la sección de Discusión, es el uso de un sustrato FR4 con tangente de pérdida (tan-δ = 0,025) que degrada la eficiencia por encima de aproximadamente 2 GHz; sin embargo, las bandas objetivo (hasta 2,4 GHz) y el rango ampliado UWB siguen siendo adecuados para la cosecha debido a la amplia adaptación de^{impedancia de 25}.

Se propone una antena monopolo UWB alimentada por CPW con un parche semicircular y dos muescas rectangulares simétricas, diseñada específicamente para la captación de energía RF en el GSM a 850/900 MHz, DCS a 1800 MHz, PCS a 1900 MHz y Wi-Fi en bandas de frecuencia de 2400 MHz. La novedad radica en su simplicidad geométrica, ancho de banda amplio validado experimentalmente y demostración directa de conversión de RF a DC en una placa de evaluación de cosecha. Hasta donde sabemos, un monopolo UWB de bajo coste e imprimible, diseñado específicamente para la captación de energía multibanda en estas cinco frecuencias, utilizando un rectificador comercial, ha permanecido poco^{explorado 26, 27 y 28}.

Protocolo

Los consumibles, equipos y software utilizados se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Diseño y simulación de antenas

1. Selección del sustrato y geometría inicial
   1. Seleccione un sustrato FR4 con una constante dieléctrica (εr) de 4,3, tangente de pérdida (δ tan) de 0,025 y dimensiones de 125 mm × 95 mm × 1,6 mm, como se ve en la Figura 1.
   2. Abre el software de simulación de campo electromagnético. Crea un nuevo proyecto y establece unidades en milímetros.
   3. Define el material del sustrato usando el modelo FR4 incorporado.
   4. Dibuja una mancha semicircular de cobre (radio = 40 mm) y un plano de tierra rectangular (95 mm × 40 mm) sobre la misma capa.
   5. Inserta una línea de alimentación de 50 Ω CPW (ancho = 3 mm, espacio = 0,5 mm) conectada al parche.
2. Optimización de geometría para el rendimiento de UWB
   1. Añadir dos muescas rectangulares (ancho = 3 mm, profundidad = 5 mm) simétricamente en el borde inferior del parche semicircular.
   2. Ensancha la línea de alimentación CPW en un ángulo de 20° para mejorar la adaptación de impedancias.
   3. Realizar una barrida paramétrica que varía el ancho de la muesca (1–5 mm), la profundidad de la muesca (2–10 mm) y el ángulo de ensanchamiento (10°–30°).
   4. Configura el rango de frecuencias de 0,5 MHz a 3 GHz. Utiliza el Solucionador del Dominio del Tiempo con condiciones de frontera abiertas.
   5. Define un puerto discreto en la línea de alimentación. Añadir un monitor de frecuencia para radiación de campo lejano. La corriente superficial de la antena se evalúa como se ve en la Figura 2.
   6. Simula y revisa la S11. Iterar hasta que S11 < -10 dB de 0,5 MHz a 3 GHz.
3. Verificación cruzada con software alternativo
   1. Extrae la geometría final de diseño de antena como un . Expediente SAT.
   2. Ejecuta el software de simulación electromagnética de elementos finitos tras importar el modelo propuesto.
   3. Asigna las mismas propiedades de materiales y condiciones de contorno.
   4. Ejecuta la técnica del Método de Elementos Finitos (FEM). Ajusta el barrido de frecuencia de 0,5 MHz a 3 GHz con 2001 puntos.
   5. Comparando los espectros S11 y los patrones de radiación del solucionador CST para confirmar la consistencia.

2. Fabricación de antenas

1. Preparación del diseño de la PCB
   1. Desde CST, exporta el diseño final a un archivo Gerber tanto para las capas superior como trasera.
   2. Ejecuta el archivo Gerber en un software de diseño de PCB (KiCad) y confirma las dimensiones.
   3. Produce un archivo de perforación NC para los agujeros SMA.
2. Proceso de fotolitografía
   1. Limpia el sustrato FR4 con alcohol isopropílico y sécalo bien.
   2. Cubre las películas fotorresistentes secas sobre el sustrato considerado a 115 °C.
   3. Imprime la capa de antena en una película transparente usando una impresora de alta resolución.
   4. Presiona la máscara de película alineando el sustrato para exponerte a la luz ultravioleta durante 50 segundos.
   5. El desarrollo del sustrato en una solución de carbonato de sodio del 1,5% de peso por v debe ser durante 70 segundos.
   6. Enjuaga con agua destilada desionizada y seca con aire fresco.
3. Grabado y acabado
   1. Graba el cobre expuesto con solución de cloruro férrico (45 °C) durante 6–12 minutos.
   2. Deja de grabar después de quitar el cobre no deseado.
   3. Elimina el fotorresistente residual con acetona.
   4. Suelda el conector SMA a la línea de alimentación CPW propuesta usando soldadura sin plomo como se muestra en la Figura 3.
   5. Revisa la antena bajo un microscopio para detectar imperfecciones.

3. Mediciones y caracterizaciones experimentales

1. Medición de espectros S11
   1. Conecta la antena al analizador de espectro de potencia mediante un cable coaxial flexible de 50 Ω.
   2. Aplica con un proceso completo de calibración de dos puertos usando un kit de calibración electrónica.
   3. Realizar el rango de frecuencias de 0,5 MHz a 3 GHz, con 2001 puntos y un ancho de banda IF de 1 kHz.
   4. Aplica barridos promedio superiores a 10 para minimizar el ruido.
   5. Mide S11 y exporta los datos como un archivo .csv.
2. Medición del patrón de radiación
   1. Colocar la antena en una cámara anecoica (4 m × 4 m × 4 m) sobre un posicionador motorizado.
   2. Alinea el centro de fase de la antena con el eje de rotación.
   3. Utiliza una antena de trompa de ganancia estándar como transmisor, situada a 3 m de distancia.
   4. Ajusta el generador de señal a cada frecuencia objetivo (850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz) con 0 dBm de potencia de salida.
   5. Gira la antena bajo prueba en incrementos de 5° y registra la potencia recibida.
   6. Normaliza patrones hasta la máxima ganancia y grafica en dB.
3. Evaluación de la captación de energía RF
   1. Conecta la antena a una placa de evaluación comercial de recolección RF.
   2. Aplica una señal RF de entrada en cada frecuencia objetivo con una potencia de -20 dBm.
   3. Mide la tensión de salida de CC a través de una resistencia de carga de 1 kΩ usando un multímetro digital.
   4. Calcular la eficiencia de RF a CC usando:
       
   5. Repite las mediciones tres veces y promedia los resultados.

Resultados

La Figura 1 muestra la geometría de la antena propuesta, que consiste en una zona radiadora semicircular con dos muescas rectangulares simétricas y una línea de alimentación CPW. La distribución de corriente superficial a 1,8 GHz, como se muestra en la Figura 2, confirma la fuerte concentración de corriente a lo largo de la línea de alimentación y los bordes inferiores del parche, consistente con el modo resonan...

Discusión

Se propone una estructura monopolo modificada sencilla con dos muescas rectangulares simétricas para diseñar una antena monopolo UWB alimentada por CPW de banda ancha con un rango de frecuencia de funcionamiento de 700 MHz a 25 GHz. Esta sección ofrece una interpretación metodológica crítica del protocolo, analiza las decisiones de optimización y las consideraciones de solución de problemas, compara el diseño con los enfoques existentes y explora aplicaciones y desarrollos futuros.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Acetona (decapado de fotorresist)	Fisher Chemical	A18-4	Pureza ≥ 99.5%
Ansys HFSS 2022 R2	Ansys Inc.		Versión: 2022 R2, Solver: Método de Elementos Finitos (FEM)
Cámara anecoica compacta	ETS-Lindgren	Modelo 5300	Dimensiones internas: 4 m × 4 m × 4 m, Rango de frecuencia: 700 MHz – 40 GHz
Cubierta de cobre	Hoja de cobre de PCB genérica		Espesor = 35 µm (1 oz), Adhesión = 1.5 N/mm²
CST Studio Suite 2022		Dassault Systèmes	Versión: 2022, Solver: Técnica de Integración Finita (FIT)
Multímetro digital (DMM)	Keysight	34461A	Rango de voltaje CC: 0–100 V, Precisión: ±0.0035%
Microscopio USB digital	Celestron	44308	Magnificación: 10x–200x, Iluminación LED
Película de fotorresist seco	ORCAL	925	Espesor = 1.2 mil, Temperatura de laminación = 110 °C
Módulo de calibración electrónico (ECal)	Keysight	N4691B	Rango de frecuencia: 10 MHz – 26.5 GHz, 2-puerto
Grabado de cloruro férrico	MG Chemicals	415	Concentración = 40–42 °Baumé, Temperatura = 40 °C
Laminado de epoxi FR4	Isola Group	FR408	εr = 4.3, tan δ = 0.025, Espesor = 1.6 mm, Dimensiones = 125 mm × 95 mm
Laminador de rodillo caliente	GBC	H65	Rango de temperatura: 80–140 °C, Velocidad: 0.5–3 m/min
Alcohol isopropílico (agente de limpieza)	Sigma-Aldrich	34863	Pureza = 99.9%
KiCad 7.0	KiCad EDA		Código abierto, utilizado para la verificación de archivos Gerber
Bata de laboratorio	Medline	DYNA23100	65% poliéster / 35% algodón
Alambre de soldadura sin plomo	Kester	245 No-Clean	Diámetro = 0.8 mm, Composición: Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5
Posicionador de antena motorizado	Orbit	FR-959	Rotación acimutal: 0–360°, Elevación: ±180°, Resolución de paso: 0.1°
Guantes de nitrilo	Kimberly-Clark	Kimtech	Sin polvo, espesor: 5 mil
Taladro para PCB (para orificios de conector)	Proxxon	MICROMOT 50/E	Diámetro de la broca: 1.2 mm (para orificios de montaje SMA)
Placa de evaluación Powercast P2110B	Powercast Corporation		Red de acoplamiento integrada, rectificador Schottky y condensador de almacenamiento
Pinzas de precisión	Excelta	225A-SF	Antimagnéticas, acero inoxidable
Generador de señal RF	Keysight	N5172B	Rango de frecuencia: 9 kHz – 13.6 GHz, Potencia de salida: +23 dBm
Gafas de seguridad	Uvex	Stealth	Antiempañamiento, protección UV
Cable SMA, 50 Ω	Huber+Suhner	Sucoflex 104	Longitud = 1 m, Rango de frecuencia: DC – 26.5 GHz, Pérdida de inserción < 0.5 dB a 18 GHz
Conector de montaje en borde de PCB hembra SMA	Amphenol	901-9871	50 Ω, Rango de frecuencia: DC–18 GHz
Carbonato de sodio (revelador)	Sigma-Aldrich	451614	Concentración = 1% p/v en agua desionizada
Antena de cuerno de ganancia estándar	ETS-Lindgren	3164-05	Rango de frecuencia: 800 MHz – 5 GHz, Ganancia: 6–12 dBi
Sistema de exposición UV LED	M&R	Saturn 2	Longitud de onda: 365 nm, Potencia: 120 W
Analizador de red vectorial (VNA)	Keysight	N5222B	Rango de frecuencia: 10 MHz – 26.5 GHz, Puertos: 2