Antenna monopolista ultra-larga banda alimentata a guida d'onda coplanare per applicazioni di raccolta di energia a radiofrequenza

Sommario

Questo protocollo definisce la simulazione, la progettazione, il test e la fabbricazione di un'antenna Ultra-Wide-Band (UWB) a basso costo, alimentata da guida d'onda coplanare (CPW), per la raccolta di energia a radiofrequenza (RFEH) su più bande di comunicazione.

Abstract

La RFEH basata sulla ricarica wireless è una tecnologia promettente per alimentare dispositivi Internet delle Cose (IoT) a basso consumo; tuttavia, la sua efficienza è ancora limitata dal design dell'antenna e dall'adattamento delle impedenze. In questo lavoro viene sviluppata un'antenna stampata adatta al RFEH con un feed CPW. L'antenna è composta da una curva frattale semicircolare, simile a una chiazza irradiante di albero di fico, con tacche rettangolari da fabbricare su un substrato FR4 a basso costo. Ha una banda operativa da 700 MHz a 3 GHz, coprendo le principali bande di comunicazione, inclusi applicazioni GSM, WLAN, ISM e Wi-Fi. Le simulazioni numeriche sono state eseguite utilizzando software di modellazione elettromagnetica computazionale. Il lavoro sperimentale dimostrò l'idoneità di questa antenna per schemi di radiazione omnidirezionali stabili e efficaci efficienze di conversione RF-DC alle cinque frequenze bersaglio, tra cui 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz e 2400 MHz. L'antenna mostra potenziale per alimentare dispositivi IoT a basso consumo in condizioni di RF ambientale. Il lavoro proposto mira a confrontare i risultati misurati e quelli simulati. Infine, i risultati numerici e sperimentali vengono confrontati e mostrano un notevole accordo.

Introduzione

Gli sviluppi recenti nei sistemi di comunicazione wireless come 5G, 6G e IoT 1,2,3,4 hanno portato a una crescente domanda di soluzioni RFEH efficienti. Gli ambienti urbani sono pieni di segnali RF ambientali provenienti da stazioni base cellulari, punti di accesso Wi-Fi e trasmettitori broadcast, il che li rende una fonte di energia parassitaria adatta per dispositivi elettronici a bassa energia ^5,6,7. In particolare, le antenne UWB, come le configurazioni a monopolo, sono particolarmente adatte per applicazioni di raccolta energetica RF, principalmente grazie alla loro ampia larghezza di banda istantanea, alla geometria planare semplice e alla facile integrazione con circuiti^{raddrizzatori 8}. La struttura CPW di alimentazione offre ulteriori benefici, tra cui un migliore adattamento delle impedenze, una riduzione della radiazione parassita dalla linea di alimentazione e una fabbricazione più semplice senza piani di massa^{posteriori 9}.

Sebbene siano state segnalate diverse antenne UWB per comunicazioni wireless generali, molte sono progettate per la fedeltà del segnale o la conservazione degli impulsi, piuttosto che per la conversione energetica RF-DC a banda larga in specifiche bande di frequenza^{commerciali 10,11}. Altre direzioni recenti includono progetti compatti ad alto^{guadagno 12}, antenne specifiche per rettenne con reti integrate di matching¹³ e strutture sintonizzabili¹⁴ per radio cognitiva. Tuttavia, queste tecniche si basano tipicamente su substrati multistrato, processi complessi di incisione o risonatori a banda stretta, che ne limitano l'uso in scenari di raccolta multibanda ambientale. Rispetto all'arte precedente, il presente lavoro offre quattro miglioramenti pratici in confronto diretto, ovvero: (1) Un design FR4 a singolo strato completamente stampabile che riduce il costo e la complessità di fabbricazione rispetto alle soluzioni laminate multistrato o ad alta^{frequenza 15,16}; (2) Una larghezza di banda operativa da 700 MHz fino a 25 GHz, coprendo simultaneamente le bande GSM (Global System for Mobile Communications), DCS, PCS e Wi-Fi, mentre molte antenne precedenti coprono bande meno o discontinue^17,18; (3) Validazione sperimentale esplicita in un setup di raccolta (misurazione di efficienza RF-DC su cinque frequenze discrete) invece che solo S₁₁ o caratterizzazione del^{guadagno 19,20}; (4) Una geometria semicircolare alimentata da CPW con tacche rettangolari che ottiene l'adattamento a banda larga senza fori via o strutture di terreno difettose, facilitando la riproducibilità in contesti a basse risorse²¹.

La tecnologia della raccolta ambientale RF è promettente, ma le realizzazioni pratiche soffrono di vincoli ben documentati. La densità di potenza dei campi RF ambientali negli ambienti urbani è solitamente compresa tra 0,1 μW/^{cm e 1} μW/^{cm 2}, corrispondente a livelli di potenza ricevuta dell'ordine di -30 dBm a -10 dBm per un'antenna^{compatta 22,23}. Pertanto, puntiamo a un livello di potenza RF in ingresso di -20 dBm in questo lavoro per la valutazione della raccolta, nell'ambito di scenari ambientali a distanza moderata. Qui, sensori IoT basati su "dispositivi a bassa energia", dispositivi indossabili e nodi wireless che richiedono una potenza media DC tra 100 μW e 1^{mW 24}. Una limitazione nota, che ci aspettiamo qui e che rivisitiamo nella sezione Discussione, è l'uso di un substrato FR4 con tangente di perdita (tan δ = 0,025) che degrada l'efficienza oltre circa 2 GHz; tuttavia, le bande target (fino a 2,4 GHz) e la gamma UWB estesa sono ancora adatte al raccolto grazie all'ampia adattamento di^{impedenza 25}.

È proposta un'antenna monopolo UWB alimentata da CPW con una patch semicircolare e due tacche rettangolari simmetriche, progettata specificamente per la raccolta di energia RF nelle bande GSM a 850/900 MHz, DCS a 1800 MHz, PCS a 1900 MHz e Wi-Fi a bande di frequenza 2400 MHz. La novità risiede nella sua semplicità geometrica, nella larghezza di banda ampia convalidata sperimentalmente e nella dimostrazione diretta della conversione da RF a DC su una scheda di valutazione del raccolto. Per quanto ne sappiamo, un monopolo UWB a basso costo e stampabile, specificamente pensato per la raccolta di energia multibanda su queste cinque frequenze, utilizzando un raddrizzatore commerciale, è rimasto^{inesplorato 26, 27, 28}.

Protocollo

I consumabili, le attrezzature e i software utilizzati sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. Progettazione e simulazione di antenne

1. Selezione del substrato e geometria iniziale
   1. Seleziona un substrato FR4 con costante dielettrica (εr) di 4,3, tangente di perdita (tan δ) di 0,025 e dimensioni di 125 mm × 95 mm × 1,6 mm come mostrato nella Figura 1.
   2. Apri il software di simulazione del campo elettromagnetico. Crea un nuovo progetto e imposta le unità a millimetri.
   3. Definisci il materiale del substrato utilizzando il modello FR4 integrato.
   4. Disegna una patch di rame semicircolare (raggio = 40 mm) e un piano di massa rettangolare (95 mm × 40 mm) sullo stesso strato.
   5. Inserire una linea di alimentazione CPW da 50 Ω (larghezza = 3 mm, gap = 0,5 mm) collegata al patch.
2. Ottimizzazione geometrica per le prestazioni UWB
   1. Aggiungere due tacche rettangolari (larghezza = 3 mm, profondità = 5 mm) simmetricamente sul bordo inferiore della zona semicircolare.
   2. Sfoga la linea di alimentazione CPW a un angolo di 20° per migliorare l'adattamento dell'impedenza.
   3. Eseguire una scansione parametrica variabile con larghezza della tacca (1–5 mm), profondità della tacca (2–10 mm) e angolo di svasamento (10°–30°).
   4. Imposta l'intervallo di frequenza da 0,5 MHz a 3 GHz. Usa il Risolutore del Dominio Temporale con condizioni al contorno aperte.
   5. Definisci una porta discreta sulla linea di alimentazione. Aggiungi un monitor di frequenza per la radiazione a campo lontano. La corrente superficiale dell'antenna viene valutata come si vede nella Figura 2.
   6. Simula e controlla S11. Iterare fino a S11 < -10 dB da 0,5 MHz a 3 GHz.
3. Verifica incrociata con software alternativo
   1. Estrarre la geometria finale di progetto dell'antenna come un . Fascicolo SAT.
   2. Esegui il software di simulazione EM agli elementi finiti dopo aver importato il modello proposto.
   3. Assegnare le stesse proprietà e condizioni al contorno dei materiali.
   4. Esegui la tecnica del Metodo degli Elementi Finiti (FEM). Imposta la frequenza da 0,5 MHz a 3 GHz con 2001 punti.
   5. Confrontando gli spettri S11 e i modelli di radiazione dal risolutore CST per confermare la coerenza.

2. Fabbricazione di antenne

1. Preparazione del layout del PCB
   1. Da CST, esporta il design finale in un file Gerber sia per i livelli superiori che posteriori.
   2. Esegui il file Gerber in un software di progettazione PCB (KiCad) e conferma le dimensioni.
   3. Produrre un file di perforazione NC per i fori SMA.
2. Processo fotolitografia
   1. Pulisci il substrato FR4 con alcol isopropilico e asciugalo bene.
   2. Copri i film fotoresist asciutti sul substrato considerato a 115 °C.
   3. Stampare lo strato dell'antenna su una pellicola trasparente usando una stampante ad alta risoluzione.
   4. Premi la maschera della pellicola con l'allineamento sul substrato per essere esposta alla luce UV per 50 secondi.
   5. Lo sviluppo del substrato in una soluzione di carbonato di sodio dell'1,5% w/v deve essere durato 70 secondi.
   6. Risciacquare con acqua distillata deionizzata e asciugare con aria fresca.
3. Acquaforte e finitura
   1. Incisci il rame esposto usando soluzione di cloruro ferrico (45 °C) per 6–12 minuti.
   2. Smetti di incidere dopo aver rimosso il rame indesiderato.
   3. Rimuovere il fotoresist residuo con acetone.
   4. Saldare il connettore SMA alla linea di alimentazione CPW proposta usando saldatura senza piombo come mostrato nella Figura 3.
   5. Controlla l'antenna al microscopio per eventuali imperfezioni.

3. Misurazioni e caratterizzazioni sperimentali

1. Misurazione degli spettri S11
   1. Collega l'antenna all'analizzatore di spettro di potenza tramite un cavo coassiale flessibile da 50 Ω.
   2. Applica con un processo completo di calibrazione a due porte utilizzando un kit elettronico di calibrazione.
   3. Eseguire la gamma di frequenze da 0,5 MHz a 3 GHz, con 2001 punti e una larghezza di banda IF di 1 kHz.
   4. Applica una media superiore a 10 colpi per minimizzare il rumore.
   5. Misura S11 ed esporta i dati come file .csv.
2. Misurazione del diagramma di radiazione
   1. Posizionare l'antenna in una camera anecoica (4 m × 4 m × 4 m) su un posizionatore motorizzato.
   2. Allinea il centro di fase dell'antenna con l'asse di rotazione.
   3. Usa un'antenna a corna standard come trasmettitore, posizionata a 3 m di distanza.
   4. Imposta il generatore di segnale su ogni frequenza target (850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz) con potenza di uscita di 0 dBm.
   5. Ruota l'antenna in test in incrementi di 5° e registra la potenza ricevuta.
   6. Normalizzare i pattern al massimo guadagno e tracciare in dB.
3. Valutazione della raccolta dell'energia RF
   1. Collega l'antenna a una scheda commerciale di valutazione della raccolta RF.
   2. Applicare un segnale RF in ingresso a ogni frequenza target con una potenza di -20 dBm.
   3. Misura la tensione di uscita DC su una resistenza di carico di 1 kΩ usando un multimetro digitale.
   4. Calcola l'efficienza da RF a DC utilizzando:
       
   5. Ripeti le misurazioni tre volte e fai la media dei risultati.

Risultati

La Figura 1 mostra la geometria dell'antenna proposta, che consiste in una zona semicircolare irradiante con due tacche rettangolari simmetriche e una linea di alimentazione CPW. La distribuzione della corrente superficiale a 1,8 GHz, come mostrato nella Figura 2, conferma la forte concentrazione di corrente lungo la linea di alimentazione e i bordi inferiori della patch, coerente con la modalità risonante fonda...

Discussione

È proposta una semplice struttura monopolica modificata con due tacche rettangolari simmetriche per progettare un'antenna monopolo UWB a banda larga alimentata da CPW con una gamma di frequenze operative da 700 MHz a 25 GHz. Questa sezione offre un'interpretazione metodologica critica del protocollo, discute decisioni di ottimizzazione e considerazioni di risoluzione dei problemi, confronta il progetto con gli approcci esistenti ed esplora applicazioni e sviluppi futuri.

Materiali

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Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Acetone (Photoresist Stripper)	Fisher Chemical	A18-4	Purezza ≥ 99,5%
Ansys HFSS 2022 R2	Ansys Inc.		Versione: 2022 R2, Solver: Finite Element Method (FEM)
Camera anecoica compatta	ETS-Lindgren	Modello 5300	Dimensioni interne: 4 m × 4 m × 4 m, Gamma di frequenza: 700 MHz – 40 GHz
Rivestimento di rame	Foglio di rame generico PCB		Spessore = 35 µm (1 oz), Aderenza = 1,5 N/mm²
CST Studio Suite 2022		Dassault Systèmes	Versione: 2022, Solver: Finite Integration Technique (FIT)
Multimetro digitale (DMM)	Keysight	34461A	Gamma di tensione CC: 0–100 V, Precisione: ±0,0035%
Microscopio USB digitale	Celestron	44308	Ingrandimento: 10x–200x, Illuminazione LED
Film di fotoresist secco	ORCAL	925	Spessore = 1,2 mil, Temperatura di laminazione = 110 °C
Modulo di calibrazione elettronica (ECal)	Keysight	N4691B	Gamma di frequenza: 10 MHz – 26,5 GHz, 2-porta
Mordente al cloruro ferrico	MG Chemicals	415	Concentrazione = 40–42 °Baumé, Temperatura = 40 °C
Lamiera di epoxy FR4	Isola Group	FR408	εr = 4,3, tan δ = 0,025, Spessore = 1,6 mm, Dimensioni = 125 mm × 95 mm
Laminatore a caldo	GBC	H65	Gamma di temperatura: 80–140 °C, Velocità: 0,5–3 m/min
Alcool isopropilico (agente detergente)	Sigma-Aldrich	34863	Purezza = 99,9%
KiCad 7.0	KiCad EDA		Open-source, utilizzato per la verifica dei file Gerber
Cappotto da laboratorio	Medline	DYNA23100	65% poliestere / 35% cotone
Filo di saldatura senza piombo	Kester	245 No-Clean	Diametro = 0,8 mm, Composizione: Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5
Posizionante per antenna motorizzato	Orbit	FR-959	Rotazione azimutale: 0–360°, Elevazione: ±180°, Risoluzione di passo: 0,1°
Guanti in nitrile	Kimberly-Clark	Kimtech	Senza polvere, spessore: 5 mil
Trapano per PCB (per fori dei connettori)	Proxxon	MICROMOT 50/E	Diametro della punta del trapano: 1,2 mm (per i fori di montaggio SMA)
Scheda di valutazione Powercast P2110B	Powercast Corporation		Rete di adattamento integrata, raddrizzatore Schottky e condensatore di accumulo
Pinzette di precisione	Excelta	225A-SF	Antimagnetiche, in acciaio inossidabile
Generatore di segnali RF	Keysight	N5172B	Gamma di frequenza: 9 kHz – 13,6 GHz, Potenza in uscita: +23 dBm
Occhiali di sicurezza	Uvex	Stealth	Antiappannamento, protezione UV
Cavo SMA, 50 Ω	Huber+Suhner	Sucoflex 104	Lunghezza = 1 m, Gamma di frequenza: DC – 26,5 GHz, Perdita di inserzione < 0,5 dB a 18 GHz
Connettore PCB femmina SMA a montaggio sul bordo	Amphenol	901-9871	50 Ω, Gamma di frequenza: DC–18 GHz
Carbonato di sodio (sviluppatore)	Sigma-Aldrich	451614	Concentrazione = 1% p/v in acqua deionizzata
Antenna a cono di guadagno standard	ETS-Lindgren	3164-05	Gamma di frequenza: 800 MHz – 5 GHz, Guadagno: 6–12 dBi
Sistema di esposizione a LED UV	M&R	Saturn 2	Lunghezza d'onda: 365 nm, Potenza: 120 W
Analizzatore di rete vettoriale (VNA)	Keysight	N5222B	Gamma di frequenza: 10 MHz – 26,5 GHz, Porte: 2

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