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Article de méthode

Antenne monopole ultra-large bande alimentée par guide d’ondes coplanaire pour applications de collecte d’énergie par radiofréquence

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DOI :

10.3791/70346

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7 août 2026

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1Polytechnic College of Engineering Specialization, Middle Technical University, 2Al-Karkh University of Science, 3Department of Computer Science, College of Science, University of Diyala, 4Department of Automation and Artificial Intelligence Engineering, College of Information Engineering at Al-Nahrain University, 5International Applied and Theoretical Research Center (IATRC)

Dans cet article

Résumé

Ce protocole définit la simulation, la conception, les tests et la fabrication d’une antenne ultra-large bande (UWB) à faible coût, alimentée par guide d’ondes coplanaire (CPW), pour la collecte d’énergie radiofréquence (RFEH) sur plusieurs bandes de communication.

Résumé

Le RFEH basé sur la recharge sans fil est une technologie prometteuse pour alimenter des appareils Internet des objets (IoT) à faible consommation d’énergie ; cependant, son efficacité reste limitée par la conception de l’antenne et l’adaptation d’impédance. Dans ce travail, une antenne imprimée adaptée au RFEH est développée avec un flux CPW. L’antenne est composée d’une courbe fractale semi-circulaire, similaire à une tache rayonnante d’arbre feuille de figuier, avec des encoches rectangulaires à fabriquer sur un substrat FR4 à faible coût. Il dispose d’une bande passante opérationnelle de 700 MHz à 3 GHz, couvrant les principales bandes de communication, y compris les applications GSM, WLAN, ISM et Wi-Fi. Des simulations numériques ont été réalisées à l’aide d’un logiciel de modélisation électromagnétique computationnelle. Les travaux expérimentaux ont démontré l’aptitude de cette antenne à des diagrammes de rayonnement omnidirectionnels stables et à des efficacités de conversion RF-DC réussies sur les cinq fréquences cibles, dont 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz et 2400 MHz. L’antenne montre un potentiel pour alimenter des dispositifs IoT à faible consommation d’énergie dans des conditions ambiantes RF. Le travail proposé vise à comparer les résultats mesurés et simulés. Enfin, les résultats numériques et expérimentaux sont comparés et montrent une concordance remarquable.

Introduction

Les développements récents dans les systèmes de communication sans fil tels que la 5G, la 6G et l’IoT 1,2,3,4 ont entraîné une demande croissante pour des solutions RFEH efficaces. Les environnements urbains sont remplis de signaux RF ambiants provenant des stations de base cellulaires, des points d’accès Wi-Fi et des émetteurs de diffusion, ce qui en fait une source d’alimentation parasite adaptée pour les appareils électroniques à faible consommation 5,6,7. En particulier, les antennes UWB, telles que les configurations monopôles, conviennent parfaitement aux applications de collecte d’énergie RF, principalement grâce à leur large bande passante instantanée, leur géométrie plane simple et leur intégration facile avec les circuitsredresseurs 8. La structure CPW d’alimentation offre d’autres avantages, notamment une meilleure adaptation d’impédance, une réduction du rayonnement parasite provenant de la ligne d’alimentation, et une fabrication plus facile sans plans de masse arrière9.

Bien que plusieurs antennes UWB aient été signalées pour les communications sans fil générales, beaucoup sont conçues pour la fidélité du signal ou la préservation des impulsions, plutôt que pour la conversion d’énergie large bande RF-DC dans des bandes de fréquences commercialesspécifiques 10 et 11. D’autres orientations récentes incluent des conceptions compactes à gainélevé 12, des antennes spécifiques à la rectenne avec réseaux d’adaptationintégrés 13 et des structuresaccordables 14 pour la radio cognitive. Cependant, ces techniques reposent généralement sur des substrats multicouches, des procédés de gravure complexes ou des résonateurs à bande étroite, ce qui limite leur utilisation dans des scénarios de récolte multi-bande ambiante. Comparé à l’art antérieur, le présent travail offre quatre améliorations pratiques en comparaison directe, à savoir : (1) Un design FR4 entièrement imprimable à une seule couche qui réduit le coût et la complexité de fabrication par rapport aux solutions multicouches ou en stratifié hautefréquence 15,16 ; (2) Une bande passante opérationnelle allant de 700 MHz jusqu’à 25 GHz, couvrant simultanément les bandes GSM (Global System for Mobile Communications), DCS, PCS et Wi-Fi, alors que de nombreuses antennes précédentes couvraient moins ou discontinu les bandes17, 18 ; (3) Validation expérimentale explicite dans un système de récolte (mesure d’efficacité RF/DC sur cinq fréquences discrètes) plutôt que seulement S11 ou caractérisation du gain19,20 ; (4) Une géométrie semi-circulaire alimentée par CPW avec des encoches rectangulaires qui permet une adaptation en large bande sans trous de passage ni structures de sol défectueuses, facilitant la reproductibilité dans des environnements à faibles ressources21.

La technologie de la récolte ambiante RF est prometteuse, mais les réalisations pratiques souffrent de contraintes bien documentées. La densité de puissance des champs RF ambiants en milieu urbain est généralement comprise entre 0,1 μW/cm 2 et 1 μW/cm 2, correspondant à des niveaux de puissance reçue de l’ordre de -30 dBm à -10 dBm pour une antennecompacte de 22,23. Par conséquent, nous visons un niveau de puissance RF d’entrée de -20 dBm dans ce travail d’évaluation de la récolte, dans le cadre de scénarios ambiants à distance modérée. Ici, des capteurs IoT basés sur des « appareils à basse énergie » et des nœuds sans fil nécessitent une puissance moyenne en courant continu comprise entre 100 μW et 1mW 24. Une limitation connue, que nous attendons ici et que nous revenons dans la section Discussion, est l’utilisation d’un substrat FR4 avec une tangente de perte (tan δ = 0,025) qui dégrade l’efficacité au-delà d’environ 2 GHz ; cependant, les bandes cibles (jusqu’à 2,4 GHz) et la plage étendue UWB restent adaptées à la récolte grâce à la large impédancede 25.

Une antenne monopole UWB alimentée par CPW avec un patch semi-circulaire et deux encoches rectangulaires symétriques est proposée, spécifiquement conçue pour la récolte d’énergie RF dans le GSM à 850/900 MHz, DCS à 1800 MHz, PCS à 1900 MHz et Wi-Fi dans les bandes de fréquences 2400 MHz. La nouveauté réside dans sa simplicité géométrique, sa large bande passante validée expérimentalement, et la démonstration directe de la conversion RF-DC-DC sur une carte d’évaluation de récolte. À notre connaissance, un monopole UWB à faible coût et imprimable, spécialement conçu pour la récolte d’énergie multi-bande sur ces cinq fréquences, utilisant un redresseur commercial, est restésous-exploré 26, 27, 28.

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Protocole

Les consommables, équipements et logiciels utilisés sont listés dans le tableau des matériaux.

1. Conception et simulation d’antennes

  1. Sélection du substrat et géométrie initiale
    1. Sélectionnez un substrat FR4 avec une constante diélectrique (εr) de 4,3, une tangente de perte (δ tan) de 0,025, et des dimensions de 125 mm × 95 mm × 1,6 mm comme indiqué à la Figure 1.
    2. Ouvre le logiciel de simulation du champ électromagnétique. Créez un nouveau projet et fixez les unités aux millimètres.
    3. Définissez le matériau du substrat à l’aide du modèle FR4 intégré.
    4. Dessinez une parcelle de cuivre semi-circulaire (rayon = 40 mm) et un plan de masse rectangulaire (95 mm × 40 mm) sur la même couche.
    5. Insérez une ligne d’alimentation CPW de 50 Ω (largeur = 3 mm, espace = 0,5 mm) connectée au patch.
  2. Optimisation géométrique pour la performance des UWB
    1. Ajoutez deux encoches rectangulaires (largeur = 3 mm, profondeur = 5 mm) symétriquement sur le bord inférieur de la zone semi-circulaire.
    2. Évasez la ligne d’alimentation CPW à un angle de 20° pour améliorer l’adaptation d’impédance.
    3. Effectuer un balayage paramétrique variant la largeur de l’encoche (1–5 mm), la profondeur de l’encoche (2–10 mm) et l’angle d’évasement (10°–30°).
    4. Réglez la plage de fréquences de 0,5 MHz à 3 GHz. Utilisez le Solve du Domaine Temps avec des conditions aux limites ouvertes.
    5. Définissez un port discret à la ligne d’alimentation. Ajoutez un moniteur de fréquence pour les radiations de champ lointain. Le courant de surface de l’antenne est évalué comme le montre la Figure 2.
    6. Simulez et vérifiez S11. Itérer jusqu’à S11 < -10 dB de 0,5 MHz à 3 GHz.
  3. Vérification croisée avec un logiciel alternatif
    1. Extraire la géométrie finale de conception de l’antenne sous forme de . Dossier SAT.
    2. Exécutez le logiciel de simulation EM aux éléments finis après avoir importé le modèle proposé.
    3. Attribuer les mêmes propriétés matérielles et conditions aux limites.
    4. Exécutez la technique de la méthode des éléments finis (FEM). Réglez le balayage de fréquence de 0,5 MHz à 3 GHz avec 2001 points.
    5. Comparaison des spectres S11 et des diagrammes de rayonnement du solveur CST pour confirmer la cohérence.

2. Fabrication d’antennes

  1. Préparation de la disposition du PCB
    1. Depuis CST, exportez le design final vers un fichier Gerber pour les couches supérieures et arrière.
    2. Exécutez le fichier Gerber dans un logiciel de conception de PCB (KiCad) et confirmez les dimensions.
    3. Produire un fichier de forage NC pour les trous SMA.
  2. Procédé de photolithographie
    1. Nettoyez le substrat FR4 avec de l’alcool isopropylique et séchez-le bien.
    2. Couvrez les films photoréflexes secs sur le substrat envisagé à 115 °C.
    3. Imprimez la couche d’antenne sur un film transparent à l’aide d’une imprimante haute résolution.
    4. Appuyez sur le masque du film avec l’alignement sur le substrat pour être exposé à la lumière UV pendant 50 s.
    5. Le développement du substrat dans une solution de carbonate de sodium de 1,5 % w/v doit être réalisé pendant 70 s.
    6. Rincez avec de l’eau distillée déionisée et séchez avec de l’air frais.
  3. Gravure et finition
    1. Gravez le cuivre exposé à l’aide d’une solution de chlorure ferrique (45 °C) pendant 6 à 12 minutes.
    2. Arrêtez de graver après avoir retiré le cuivre indésirable.
    3. Retirez le photorésine résiduel avec de l’acétone.
    4. Soudez le connecteur SMA à la ligne d’alimentation CPW proposée en utilisant une soudure sans plomb comme montré à la Figure 3.
    5. Vérifiez l’antenne au microscope pour détecter des imperfections.

3. Mesures et caractérisations expérimentales

  1. Mesure des spectres S11
    1. Reliez l’antenne à l’analyseur de spectre de puissance via un câble coaxial flexible de 50 Ω.
    2. Appliquer avec un procédé complet de calibration à deux ports à l’aide d’un kit d’étalonnage électronique.
    3. Effectuer la plage de fréquences de 0,5 MHz à 3 GHz, avec 2001 points et une bande passante IF de 1 kHz.
    4. Appliquez en moyenne plus de 10 balayages pour minimiser le bruit.
    5. Mesurez S11 et exportez les données en fichier .csv.
  2. Mesure du diagramme de rayonnement
    1. Placez l’antenne dans une chambre anéchoïque (4 m × 4 m × 4 m) sur un positionneur motorisé.
    2. Alignez le centre de phase de l’antenne avec l’axe de rotation.
    3. Utilisez une antenne à corne à gain standard comme émetteur, placée à 3 m de distance.
    4. Régler le générateur de signal sur chaque fréquence cible (850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz) avec une puissance de sortie de 0 dBm.
    5. Faites pivoter l’antenne testée par incréments de 5° et enregistrez la puissance reçue.
    6. Normaliser les motifs jusqu’au gain maximal et tracer en dB.
  3. Évaluation de la récolte d’énergie RF
    1. Connectez l’antenne à une carte d’évaluation commerciale de la récolte RF.
    2. Appliquez un signal RF d’entrée à chaque fréquence cible avec une puissance de -20 dBm.
    3. Mesurez la tension de sortie DC sur une résistance de charge de 1 kΩ à l’aide d’un multimètre numérique.
    4. Calculer l’efficacité RF/DC en utilisant :
       figure-protocol-1
    5. Répétez les mesures trois fois et faites la moyenne des résultats.

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Résultats

La figure 1 montre la géométrie de l’antenne proposée, qui consiste en une zone rayonnante semi-circulaire avec deux encoches rectangulaires symétriques et une ligne d’alimentation CPW. La distribution du courant de surface à 1,8 GHz, comme montré à la Figure 2, confirme la forte concentration de courant le long de la ligne d’alimentation et des bords inférieurs du patch, cohérente avec le mode résonant fondamen...

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Discussion

Une structure monopôle simple modifiée avec deux encoches rectangulaires symétriques est proposée pour concevoir une antenne monopôle UWB large bande alimentée par CPW, avec une plage de fréquences de fonctionnement allant de 700 MHz à 25 GHz. Cette section propose une interprétation méthodologique critique du protocole, discute des décisions d’optimisation et des considérations de dépannage, compare la conception avec les approches existantes, et explore les applications et développemen...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Remerciements

Les auteurs remercient le Centre international de recherche appliquée et théorique (IATRC) pour leur soutien technique.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Acétone (Décapant de résist)Fisher ChemicalA18-4Pureté ≥ 99,5%
Ansys HFSS 2022 R2Ansys Inc.Version: 2022 R2, Solveur: Méthode des éléments finis (FEM)
Chambre anéchoïque compacteETS-LindgrenModèle 5300Dimensions intérieures: 4 m × 4 m × 4 m, Gamme de fréquences: 700 MHz – 40 GHz
Revêtement en cuivreFeuille de cuivre PCB génériqueÉpaisseur = 35 µm (1 oz), Adhérence = 1,5 N/mm²
CST Studio Suite 2022Dassault SystèmesVersion: 2022, Solveur: Technique d'intégration finie (FIT)
Multimètre numérique (DMM)Keysight34461APlage de tension CC: 0–100 V, Précision: ±0,0035%
Microscope USB numériqueCelestron44308Grossissement: 10x–200x, Éclairage LED
Film de résist photo sècheORCAL925Épaisseur = 1,2 mil, Température de lamination = 110 °C
Module d'étalonnage électronique (ECal)KeysightN4691BGamme de fréquences: 10 MHz – 26,5 GHz, 2 ports
Graveur de chlorure ferriqueMG Chemicals415Concentration = 40–42 °Baumé, Température = 40 °C
Laminate époxy FR4Isola GroupFR408εr = 4,3, tan δ = 0,025, Épaisseur = 1,6 mm, Dimensions = 125 mm × 95 mm
Lamineur à chaudGBCH65Gamme de température: 80–140 °C, Vitesse: 0,5–3 m/min
Alcool isopropylique (agent de nettoyage)Sigma-Aldrich34863Pureté = 99,9%
KiCad 7.0KiCad EDASource ouverte, utilisé pour la vérification des fichiers Gerber
Blouse de laboratoireMedlineDYNA2310065% polyester / 35% coton
Fil de soudure sans plombKester245 No-CleanDiamètre = 0,8 mm, Composition: Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5
Positionneur d'antenne motoriséOrbitFR-959Rotation en azimut: 0–360°, Élévation: ±180°, Résolution des pas: 0,1°
Gants en nitrileKimberly-ClarkKimtechSans poudre, épaisseur: 5 mil
Foret pour PCB (pour les trous de connecteur)ProxxonMICROMOT 50/EDiamètre de la mèche: 1,2 mm (pour les trous de montage SMA)
Carte d'évaluation Powercast P2110BPowercast CorporationRéseau d'adaptation intégré, redresseur Schottky et condensateur de stockage
Pince à épiler de précisionExcelta225A-SFAntimagnétique, en acier inoxydable
Générateur de signal RFKeysightN5172BGamme de fréquences: 9 kHz – 13,6 GHz, Puissance de sortie: +23 dBm
Lunettes de sécuritéUvexStealthAntibuée, protection UV
Câble SMA, 50 ΩHuber+SuhnerSucoflex 104Longueur = 1 m, Gamme de fréquences: DC – 26,5 GHz, Perte d'insertion < 0,5 dB à 18 GHz
Connecteur de montage sur bord PCB femelle SMAAmphenol901-987150 Ω, Gamme de fréquences: DC–18 GHz
Carbonate de sodium (Développeur)Sigma-Aldrich451614Concentration = 1% p/v dans l'eau désionisée
Antenne cornet à gain standardETS-Lindgren3164-05Gamme de fréquences: 800 MHz – 5 GHz, Gain: 6–12 dBi
Système d'exposition UV LEDM&RSaturn 2Longueur d'onde: 365 nm, Puissance: 120 W
Analyseur de réseau vectoriel (VNA)KeysightN5222BGamme de fréquences: 10 MHz – 26,5 GHz, Ports: 2

Références

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