פרוטוקול זה מגדיר סימולציה, תכנון, בדיקה וייצור של אנטנת UWB (UWB) בעלות נמוכה, המוזנת על ידי מדריך גלים קו-מישורי (CPW) לאיסוף אנרגיית תדר רדיו (RFEH) במגוון תחומי תקשורת.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מגדיר סימולציה, תכנון, בדיקה וייצור של אנטנת UWB (UWB) בעלות נמוכה, המוזנת על ידי מדריך גלים קו-מישורי (CPW) לאיסוף אנרגיית תדר רדיו (RFEH) במגוון תחומי תקשורת.
ה-RFEH המבוסס על טעינה אלחוטית הוא טכנולוגיה מבטיחה להפעלת מכשירי אינטרנט של דברים (IoT) בעלי אנרגיה נמוכה; עם זאת, היעילות שלו עדיין מוגבלת על ידי עיצוב אנטנה והתאמת התנגדות. בעבודה זו, אנטנה מודפסת המתאימה ל-RFEH מפותחת עם שידור CPW. האנטנה מורכבת מעקומה פרקטלית חצי-עגולה, בדומה לכתם קרינה של עץ עלי תאנה, עם חריצים מלבניים לייצור על מצע FR4 זול. רוחב הפס התפעולי שלו הוא 700 MHz עד 3GHz, ומכסה תחומי תקשורת מרכזיים, כולל GSM, WLAN, ISM ויישומי Wi-Fi. סימולציות נומריות בוצעו באמצעות תוכנת מידול אלקטרומגנטי חישובית. העבודה הניסיונית הדגימה את התאמת אנטנה זו לדפוסי קרינה יציבים רב-כיווניים וליעילות המרה מוצלחת בין RF ל-DC בחמשת תדרי היעד, כולל 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz ו-2400 MHz. האנטנה מראה פוטנציאל להפעיל מכשירי IoT באנרגיה נמוכה בתנאי RF סביבתיים. העבודה המוצעת שואפת להשוות בין התוצאות המדודות לתוצאות המדומות. לבסוף, התוצאות המספריות והניסיוניות מושוות ומראות התאמה מרשימה.
פיתוחים אחרונים במערכות תקשורת אלחוטית כגון 5G, 6G ו-IoT 1,2,3,4 הובילו לעלייה בביקוש לפתרונות RFEH יעילים. סביבות עירוניות מלאות באותות RF סביבתיים מתחנות בסיס סלולריות, נקודות גישה Wi-Fi ומשדרי שידור, מה שהופך אותן למקור כוח טפילי מתאים למכשירים אלקטרוניים בעלי אנרגיה נמוכה 5,6,7. במיוחד, אנטנות UWB, כמו תצורות מונופול, מתאימות היטב ליישומי איסוף אנרגיית RF, בעיקר בזכות רוחב הפס המיידי הרחב, הגיאומטריה המישורית הפשוטה והאינטגרציה הקלה עם מעגלי מיישר8. מבנה ה-CPW המזין מציע יתרונות נוספים, כולל התאמת התנגדות טובה יותר, הפחתת קרינה טפילית מקו ההזנה, וייצור קל יותר ללא מישורי קרקע אחוריים.
למרות שדווח על מספר אנטנות UWB לתקשורת אלחוטית כללית, רבות מהן מיועדות לאמינות אות או לשימור פולסים, ולא להמרת אנרגיית RF ל-DC רחבת פס בתדרים מסחרייםספציפיים 10,11. הוראות נוספות אחרונות כוללות עיצובים קומפקטיים עם רווח גבוה12, אנטנות ייעודיות ל-rectenna עם רשתות התאמה משולבות13 ומבנים מכוונים14 לרדיו קוגניטיבי. עם זאת, טכניקות אלו מסתמכות בדרך כלל על מצעים רב-שכבתיים, תהליכי חריטה מורכבים או רזונטורים צרי פס, שמגבילים את השימוש בהן בתרחישי קציר רב-תחומי סביבה. בהשוואה לאמנות הקודמת, העבודה הנוכחית מספקת ארבעה שיפורים מעשיים בהשוואה ישירה: (1) עיצוב FR4 חד-שכבתי להדפסה מלאה שמפחית את עלות הייצור והמורכבות ביחס לפתרונות למינציה רב-שכבתית או בתדר גבוה15,16; (2) רוחב פס תפעולי מ-700 MHz ועד 25 GHz, המכסה בו-זמנית את GSM (המערכת הגלובלית לתקשורת ניידת), DCS, PCS ו-Wi-Fi, בעוד שאנטנות רבות קודמות כיסו פחות או לא רציפים בתחומים17,18; (3) אימות ניסויי מפורש במערכת קציר (מדידת יעילות RF-to-DC בחמישה תדרים בדידים) ולא רק S11 או אפיון רווח19,20; (4) גאומטריה חצי-מעגלית המוזנת על ידי CPW עם חריצים מלבניים שמשיגה התאמת פס רחב ללא חורים דרך או מבני קרקע פגומים, ומקלה על השחזוריות בסביבות דלות משאבים21.
טכנולוגיית איסוף הסביבה ב-RF מבטיחה, אך ההגשמות המעשיות סובלות ממגבלות מתועדות היטב. צפיפות ההספק של שדות RF סביבתיים בסביבות עירוניות היא בדרך כלל בטווח של 0.1 מיקרווואט/ס"מ2 עד 1 מיקרוואט/ס"מ 2, התואם לרמות ההספק המתקבלות בסדר גודל של -30 dBm עד -10- dBm עבור אנטנה קומפקטית22.23. לכן, אנו שואפים לרמת הספק RF קלט של -20 dBm בעבודה זו להערכת הקציר, במסגרת תרחישי סביבה בטווח בינוני. כאן, חיישני IoT מבוססי "אנרגיה נמוכה" מבוססי IoT, לבישים וצמתים אלחוטיים שדורשים הספק DC ממוצע של בין 100 מיקרווואט ל-1 mW24. מגבלה ידועה אחת, שאנו מצפים לה כאן ונחזור עליה בחלק הדיון, היא השימוש במצע FR4 עם משיק אובדן (tan δ = 0.025) שמפחית יעילות מעל כ-2 GHz; עם זאת, תחומי היעד (עד 2.4 GHz) וטווח ה-UWB המורחב עדיין מתאימים לאיסוף בזכות התאמת התנגדות רחבה25.
מוצעת אנטנת UWB מונופולית מוזנת על ידי CPW, עם טלאי חצי-עגול ושני חריצים מלבניים סימטריים, המיועדת במיוחד לאיסוף אנרגיית RF ב-GSM בתדר 850/900 MHz, DCS ב-1800 MHz, PCS ב-1900 MHz, ו-Wi-Fi בתדר תדרים של 2400 MHz. החידוש טמון בפשטות הגיאומטרית שלו, רוחב הפס הרחב שאומת ניסיונית, וההדגמה ישירה של המרה מ-RF ל-DC על לוח הערכת קציר. למיטב ידיעתנו, מונופול UWB בעלות נמוכה להדפסה, המותאם במיוחד לאיסוף אנרגיה רב-תחומי בתדרים אלה, באמצעות מיישר מסחרי, נותר לא נחקר 26,27,28.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הצרכנים, הציוד והתוכנה בהם משתמשים מופיעים בטבלת החומרים.
1. עיצוב וסימולציה של אנטנות
2. ייצור אנטנות
3. מדידות ואפיונים ניסיוניים

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
איור 1 מציג את הגיאומטריה של האנטנה המוצעת, הכוללת כתם קרינה חצי-עגול עם שני חריצים מלבניים סימטריים וקו הזנה CPW. התפלגות זרם פני השטח ב-1.8 GHz, כפי שמוצג באיור 2, מאשרת את ריכוז הזרם החזק לאורך קו ההזנה והקצוות התחתונים של הפאץ', בהתאם למצב התהודה הבסיסי האחראי להתאמת התנגדות הפס הרחב. איור 3 מציג תמונה של אב-הטיפוס המיוצרת, המאשרת את היישום המוצלח של העיצוב על מצע FR4 בעלות נמוכ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מבנה מונופול פשוט מותאם עם שני חריצים מלבניים סימטריים מוצע לעיצוב אנטנת UWB מונופולית רחבת פס המוזנת על ידי CPW, עם טווח תדרים עבודה מ-700 MHz עד 25 GHz. חלק זה מציע פרשנות מתודולוגית ביקורתית של הפרוטוקול, דן בהחלטות אופטימיזציה ובשיקולי פתרון תקלות, משווה את העיצוב לגישות קיימות, ובוחן יישומים ופיתוחים עתידיים.
שלבי פרוטוקול מרכזיים המשפיעים על ביצועים ושחזור
מספר שלבים בפרוטוקול קריטיים במיוחד להבטחת ביצועי אנטנ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים מתחרים.
המחברים מודים למרכז הבינלאומי למחקר יישומי ותיאורטי (IATRC) על התמיכה הטכנית.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| Acetone (Photoresist Stripper) | Fisher Chemical | A18-4 | Purity ≥ 99.5% |
| Ansys HFSS 2022 R2 | Ansys Inc. | Version: 2022 R2, Solver: Finite Element Method (FEM) | |
| Compact Anechoic Chamber | ETS-Lindgren | Model 5300 | Internal dimensions: 4 m × 4 m × 4 m, Frequency range: 700 MHz – 40 GHz |
| Copper Cladding | Generic PCB copper foil | Thickness = 35 µm (1 oz), Adhesion = 1.5 N/mm² | |
| CST Studio Suite 2022 | Dassault Systèmes | Version: 2022, Solver: Finite Integration Technique (FIT) | |
| Digital Multimeter (DMM) | Keysight | 34461A | DC Voltage range: 0–100 V, Accuracy: ±0.0035% |
| Digital USB Microscope | Celestron | 44308 | Magnification: 10x–200x, LED illumination |
| Dry Photoresist Film | ORCAL | 925 | Thickness = 1.2 mil, Lamination temperature = 110 °C |
| Electronic Calibration Module (ECal) | Keysight | N4691B | Frequency range: 10 MHz – 26.5 GHz, 2-port |
| Ferric Chloride Etchant | MG Chemicals | 415 | Concentration = 40–42 °Baumé, Temperature = 40 °C |
| FR4 Epoxy Laminate | Isola Group | FR408 | εr = 4.3, tan δ = 0.025, Thickness = 1.6 mm, Dimensions = 125 mm × 95 mm |
| Hot Roll Laminator | GBC | H65 | Temperature range: 80–140 °C, Speed: 0.5–3 m/min |
| Isopropyl Alcohol (Cleaning Agent) | Sigma-Aldrich | 34863 | Purity = 99.9% |
| KiCad 7.0 | KiCad EDA | Open-source, used for Gerber file verification | |
| Lab Coat | Medline | DYNA23100 | 65% polyester / 35% cotton |
| Lead-Free Solder Wire | Kester | 245 No-Clean | Diameter = 0.8 mm, Composition: Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 |
| Motorized Antenna Positioner | Orbit | FR-959 | Azimuth rotation: 0–360°, Elevation: ±180°, Step resolution: 0.1° |
| Nitrile Gloves | Kimberly-Clark | Kimtech | Powder-free, thickness: 5 mil |
| PCB Drill (for connector holes) | Proxxon | MICROMOT 50/E | Drill bit diameter: 1.2 mm (for SMA mounting holes) |
| Powercast P2110B Evaluation Board | Powercast Corporation | Integrated matching network, Schottky rectifier, and storage capacitor | |
| Precision Tweezers | Excelta | 225A-SF | Anti-magnetic, stainless steel |
| RF Signal Generator | Keysight | N5172B | Frequency range: 9 kHz – 13.6 GHz, Output power: +23 dBm |
| Safety Goggles | Uvex | Stealth | Anti-fog, UV protection |
| SMA Cable, 50 Ω | Huber+Suhner | Sucoflex 104 | Length = 1 m, Frequency range: DC – 26.5 GHz, Insertion loss < 0.5 dB at 18 GHz |
| SMA Female PCB Edge Mount Connector | Amphenol | 901-9871 | 50 Ω, Frequency range: DC–18 GHz |
| Sodium Carbonate (Developer) | Sigma-Aldrich | 451614 | Concentration = 1% w/v in deionized water |
| Standard Gain Horn Antenna | ETS-Lindgren | 3164-05 | Frequency range: 800 MHz – 5 GHz, Gain: 6–12 dBi |
| UV LED Exposure System | M&R | Saturn 2 | Wavelength: 365 nm, Power: 120 W |
| Vector Network Analyzer (VNA) | Keysight | N5222B | Frequency range: 10 MHz – 26.5 GHz, Ports: 2 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.