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方法論記事

無線周波数エネルギー収穫用途のための共平面導波路給電超広帯域モノポールアンテナ

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DOI:

10.3791/70346

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2026年8月7日

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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)

この記事について

サマリー

このプロトコルは、複数の通信帯域にわたる無線周波数エネルギーハーベスティング(RFEH)用の低コストの同一平面導波送電(CPW)ウルトラワイドバンド(UWB)アンテナのシミュレーション、設計、試験、製造を定義します。

要約

無線充電に基づくRFEHは、低エネルギーのモノのインターネット(IoT)機器に電力を供給するための有望な技術です。しかし、その効率はアンテナ設計やインピーダンス整合によって制限されています。この研究では、RFEHに適した印刷アンテナをCPWフィードで開発します。アンテナは半円形のフラクタル曲線で構成されており、イチジクの葉の放射パッチに似ており、FR4低コスト基板上に製作される長方形の切り欠きがあります。運用帯域幅は700 MHzから3 GHzで、GSM、WLAN、ISM、Wi-Fiアプリケーションなどの主要な通信帯域をカバーしています。数値シミュレーションは計算電磁モデリングソフトウェアを用いて実施されました。実験作業により、このアンテナが850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2400MHzを含む5つの目標周波数で安定した全方向放射パターンとRFからDCへの変換効率に成功していることが示されました。このアンテナは、環境RF条件下で低消費電力のIoTデバイスに電力を供給する可能性を示しています。提案された研究は、測定結果とシミュレーション結果を比較することを目的としています。最後に、数値的結果と実験結果を比較し、著しい一致を示しています。

概要

5G、6G、IoT1、2、3、4などの無線通信システムの最近の発展により、効率的なRFEHソリューションの需要が高まっています。都市環境はセルラー基地局、Wi-Fiアクセスポイント、放送送信機からの環境RF信号で満たされており、低消費電力の電子機器5,6,7に適した寄生電源となります。特に、モノポール構成のようなUWBアンテナは、その広い瞬時帯域幅、単純な平面形状、整流回路との容易な統合性からRFエネルギー収集用途に適しています。給電CPW構造は、より良いインピーダンス整合、給電ラインからの寄生放射の低減、背面接地面なしでの製造の容易さなど、さらなる利点を提供します。

一般的な無線通信用のUWBアンテナも報告されていますが、多くは特定の商用周波数帯10,11での広帯域RFからDCへのエネルギー変換ではなく、信号忠実度やパルス保持を目的に設計されています。その他の最近の方向性には、コンパクトな高利得設計12、整合されたマッチングネットワークを備えたレクテナ専用アンテナ13、認知無線用の可変構造14があります。しかし、これらの技術は通常、多層基板、複雑なエッチングプロセス、または狭帯域共振器に依存しており、環境下の多帯域収穫シナリオでの使用が制限されます。先行技術と比較して、本研究は直接比較において4つの実用的な改良点を提供しています。すなわち、(1) 多層または高周波ラミネートソリューションに比べて製造コストと複雑さを削減する、完全印刷可能な単層FR4設計(15,16);(2) 700 MHzから25 GHzまでの運用帯域幅を持ち、GSM(グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーション)、DCS、PCS、Wi-Fiバンドを同時にカバーします。従来の多くのアンテナは、より少ないまたは不連続な帯域をカバーしています17,18;(3) 収穫セットアップでの明示的な実験検証(5つの離散周波数にわたるRF-DC効率測定)を、S11やゲイン特性評価19,20だけでなく;(4) CPW供給の半円形状で、長方形のノッチを持ち、穴や地盤構造の欠陥なしに広帯域マッチングを実現し、低資源環境での再現性を容易にします。

RF環境収穫の技術は有望ですが、実際の実現にはよく文書化された制約があります。都市環境における周囲のRFフィールドの電力密度は通常0.1 μW/cm²から1 μW/cm²の範囲であり、コンパクトアンテナ22.23の受信電力レベルは-30 dBmから-10 dBmの程度に対応します。したがって、本研究では中距離環境シナリオの範囲内で、収穫評価のために入力RF出力レベル-20 dBmを目指しています。ここでは、「低エネルギーデバイス」ベースのIoTセンサー、ウェアラブル、ワイヤレスノードで、平均DC電力が100μWから1mWの範囲で必要です。ここで予想し、議論セクションで再検討する既知の制限の一つは、損失接線(tan δ in = 0.025)を持つFR4基板の使用で、約2 GHz以上で効率が低下することです。しかし、ターゲットバンド(最大2.4 GHz)や拡張されたUWB範囲は、25のワイドインピーダンスマッチングにより依然として収穫に適しています。

CPW給電のUWBモノポールアンテナが提案されており、半円パッチと2つの対称的な長方形ノッチを持つ。これはGSMの850/900MHz、DCSの1800MHz、PCSの1900MHz、Wi-Fiの2400MHz帯でのRFエネルギーハーベスティングに特化して設計されている。新規性は、幾何学的な単純さ、実験的に検証された広帯域、そしてハーベスティング評価ボード上でのRFからDCへの変換の直接的な実証にあります。私たちの知る限り、これら5つの周波数でマルチバンドエネルギー収穫に特化した低コストの印刷可能なUWBモノポールは、市販整流器を使用しており、26、27、28MHzで十分に開発されていません。

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プロトコル

使用される消耗品、機器、ソフトウェアは 材料表に記載されています。

1. アンテナ設計とシミュレーション

  1. 基質選択と初期形状
    1. 誘電率(εr)が4.3、損失接線(タンδ)が0.025、図 1に示すように寸法が125 mm×95 mm×1.6 mmのFR4基板を選びます。
    2. 電磁場シミュレーションソフトを開きます。新しいプロジェクトを作成し、単位をミリメートル単位に設定します。
    3. 組み込みのFR4モデルを使って基材材料を定義します。
    4. 同じ層に半円形の銅パッチ(半径=40mm)と長方形のグラウンドプレーン(95mm×40mm)を描きます。
    5. パッチに接続した50 Ω CPWフィードライン(幅=3mm、隙間=0.5mm)を挿入します。
  2. UWB性能のためのジオメトリ最適化
    1. 半円パッチの下端に左右対称に2つの長方形の切り欠き(幅=3mm、深さ=5mm)を追加します。
    2. インピーダンス整合を改善するために、CPWフィードラインを20°の角度でフレアします。
    3. ノッチ幅(1–5mm)、ノッチ深さ(2–10mm)、フレア角度(10°–30°)を変えるパラメトリックスイープを行います。
    4. 周波数範囲を0.5 MHzから3 GHzに設定します。開境界条件でタイムドメインソルバーを使用します。
    5. 給電ラインに離散ポートを定義します。遠方場放射用の周波数モニターを追加してください。アンテナ表面電流は 図2に示されるように評価されます。
    6. S11をシミュレートしてチェックしてください。S11まで繰り返し<0.5 MHzから3 GHzへ-10 dB。
  3. 代替ソフトウェアとのクロス検証
    1. 最終的なアンテナ設計の形状を .SATファイル。
    2. 提案モデルをインポートした後、有限要素EMシミュレーションソフトウェアを実行します。
    3. 同じ材料特性と境界条件を割り当てます。
    4. 有限要素法(FEM)技術を実行してください。周波数スイープを0.5 MHzから3 GHzに設定し、2001ポイントを付けます。
    5. S11スペクトルとCSTソルバーの放射パターンを比較して整合性を確認しています。

2. アンテナ製造

  1. PCBレイアウト準備
    1. CSTから、最終デザインをGerberファイルにエクスポートし、トップレイヤーとバックレイヤーの両方に対応します。
    2. GerberファイルをPCB設計ソフト(KiCad)で実行し、寸法を確認してください。
    3. SMA穴用のNCドリルファイルを作成しましょう。
  2. フォトリソグラフィープロセス
    1. FR4の基材をイソプロピルアルコールで洗浄し、よく乾燥させます。
    2. 乾燥したフォトレジストフィルムを対象の基板に115°Cで覆い付けます。
    3. アンテナ層を高解像度プリンターで透明フィルムに印刷します。
    4. 基板にフィルムマスクをアライメントして50秒UV光にさらします。
    5. 基質を1.5% w/vの炭酸ナトリウム溶液で70秒かけて現像する必要があります。
    6. 脱イオン蒸留水ですすいで、新鮮な空気で乾かします。
  3. エッチングと仕上げ
    1. 露出した銅を塩化鉄溶液(45°C)で6〜12分間エッチングします。
    2. 不要な銅を取り除いた後はエッチングをやめてください。
    3. 残留したフォトレジストをアセトンで剥がします。
    4. 図3に示すように、提案されたCPW給電線にSMAコネクタを鉛フリーはんだ付けします。
    5. 顕微鏡でアンテナの欠点をチェックしてください。

3. 実験的測定と特性評価

  1. S11スペクトル測定
    1. アンテナをパワースペクトルアナライザーに50 Ωの柔軟な同軸ケーブルで接続します。
    2. 電子式キャリブレーションキットを使ったフル2ポートキャリブレーションプロセスで適用してください。
    3. 0.5 MHzから3 GHzの範囲で、2001ポイントと1 kHzのIF帯域幅を用います。
    4. ノイズを最小限に抑えるために、平均10回以上のスイープを適用してください。
    5. S11を測定し、データを.csvファイルとしてエクスポートします。
  2. 放射パターン測定
    1. アンテナを無響室(4 m × 4 m × 4 m)のモーター式ポジショナーに設置します。
    2. アンテナの位相中心を回転軸に合わせます。
    3. 送信機には標準的なゲインホーンアンテナを使い、3m離れた場所に設置します。
    4. 信号発生器を各ターゲット周波数(850、900、1800、1900、2400 MHz)に設定し、出力電力は0 dBmにします。
    5. テスト対象のアンテナを5°ずつ回転させ、受信電力を記録します。
    6. パターンを最大ゲインに正規化し、dB単位でプロットします。
  3. RFエネルギーハーベスティング評価
    1. アンテナを商用RF収穫評価ボードに接続します。
    2. 各ターゲット周波数に-20 dBmの出力でRF信号を入力します。
    3. デジタルマルチメーターを使って、1 kΩの負荷抵抗にかかる直流出力電圧を測定します。
    4. RFからDCへの効率を以下で計算します:
       figure-protocol-1
    5. 測定を3回繰り返し、結果を平均します。

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結果

図1は提案されたアンテナの形状を示しており、2つの対称的な長方形の切り欠きを持つ半円形放射パッチとCPW給電ラインで構成されています。図2に示される1.8 GHzの表面電流分布は、供給線およびパッチの下端に沿った強い電流集中を裏付けており、広帯域インピーダンス整合を担う基本共振モードと一致しています。図3は製造された試作機の写真を示しており、低コストのFR4基板上での設計の成功裏の実装を検証しています。

アンテナは700 MHzから25 GHzまでのインピーダンス帯域幅を示し、S11<-10 dBです(図4A参照)。シミュレーション結果と測定結果はよく一致しています。20 GHzを超えるわずかな偏差は基板損失や製造公差によるものです。

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ディスカッション

2つの対称的な長方形ノッチを持つ単極構造を改良し、700 MHzから25 GHzの動作周波数帯域を持つ広帯域CPW給電のUWBモノポールアンテナを設計することが提案されています。このセクションでは、プロトコルの重要な方法論的解釈を提供し、最適化の意思決定やトラブルシューティングの考慮事項を論じ、設計と既存のアプローチを比較し、将来の応用や開発について探ります。

パフォーマンスと再現性に影響を与える主要なプロトコルステップ

プロトコルのいくつかの段階は、アンテナの成功と実験の再現性を確保するために特に重要です。まず、イソプロピルアルコールを用いた基板準備および洗浄手順(ステップ2.2.1)はフォトレジストの接着に非常に重要です。適切な洗浄がなければ、レジストにピンホールができたり、エッチングが不均一になり、10GHz以上でインピーダンスマッチングが著しく劣化することがあります。次に、UV露出時間45秒(ステップ2.2.4)と1%...

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開示事項

著者たちは競合する利害関係を一切認めていない。

謝辞

著者らは技術支援を提供してくれた国際応用理論研究センター(IATRC)に感謝の意を表します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
アセトン（フォトレジストストリッパー）Fisher ChemicalA18-4純度 ≥ 99.5%
Ansys HFSS 2022 R2Ansys Inc.バージョン: 2022 R2, ソルバー: 有限要素法（FEM）
コンパクト無反射チャンバーETS-LindgrenModel 5300内部寸法: 4 m × 4 m × 4 m, 周波数範囲: 700 MHz – 40 GHz
銅めっき汎用PCB銅箔厚さ = 35 μm (1 oz), 接着力 = 1.5 N/mm²
CST Studio Suite 2022Dassault Systèmesバージョン: 2022, ソルバー: 有限積分法（FIT）
デジタルマルチメーター（DMM）Keysight34461ADC電圧範囲: 0–100 V, 精度: ±0.0035%
デジタルUSB顕微鏡Celestron44308倍率: 10x–200x, LED照明
ドライフォトレジストフィルムORCAL925厚さ = 1.2 mil, 積層温度 = 110 °C
電子校正モジュール（ECal）KeysightN4691B周波数範囲: 10 MHz – 26.5 GHz, 2ポート
塩化鉄エッチャントMG Chemicals415濃度 = 40–42 °Baumé, 温度 = 40 °C
FR4エポキシラミネートIsola GroupFR408εr = 4.3, tan δ = 0.025, 厚さ = 1.6 mm, 寸法 = 125 mm × 95 mm
ホットロールラミネーターGBCH65温度範囲: 80–140 °C, 速度: 0.5–3 m/min
イソプロピルアルコール（洗浄剤）Sigma-Aldrich34863純度 = 99.9%
KiCad 7.0KiCad EDAオープンソース、Gerberファイル検証に使用
ラボコートMedlineDYNA2310065%ポリエステル / 35%綿
鉛フリーはんだ線Kester245 No-Clean直径 = 0.8 mm, 組成: Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5
電動アンテナポジショナーOrbitFR-959方位角回転: 0–360°, 仰角: ±180°, ステップ分解能: 0.1°
ニトリル手袋Kimberly-ClarkKimtechパウダーフリー、厚さ: 5 mil
PCBドリル（コネクタ穴用）ProxxonMICROMOT 50/Eドリルビット径: 1.2 mm（SMA取り付け穴用）
Powercast P2110B評価ボードPowercast Corporation一体型マッチングネットワーク、ショットキー整流器、およびストレージコンデンサ
精密ピンセットExcelta225A-SF反磁性、ステンレス鋼
RF信号発生器KeysightN5172B周波数範囲: 9 kHz – 13.6 GHz, 出力電力: +23 dBm
安全ゴーグルUvexStealth防曇、UV保護
SMAケーブル、50 ΩHuber+SuhnerSucoflex 104長さ = 1 m, 周波数範囲: DC – 26.5 GHz, 挿入損失 < 0.5 dB（18 GHz時）
SMAメスPCBエッジマウントコネクタAmphenol901-987150 Ω, 周波数範囲: DC–18 GHz
炭酸ナトリウム（現像剤）Sigma-Aldrich451614濃度 = 1% w/v（脱イオン水中）
標準ゲインホーンアンテナETS-Lindgren3164-05周波数範囲: 800 MHz – 5 GHz, ゲイン: 6–12 dBi
UV LED露光システムM&RSaturn 2波長: 365 nm, 出力: 120 W
ベクトルネットワークアナライザ（VNA）KeysightN5222B周波数範囲: 10 MHz – 26.5 GHz, ポート: 2

参考文献

  1. Al-Saegh AM, et al. Channel quality predictions assisted by new algorithms for high throughput satellite and 5G systems. Sci Rep. 2025;15:34649.
  2. Elwi TA, et al. A beam-split and gain-enhanced patch antenna using metamaterial superstrate for wireless communications. Informacije MIDEM. 2025;55(3):1-10.
  3. Taher F, et al. Novel antenna-based metamaterial structure with slotted and parasitic patches for 5G sub-6 GHz applications. J Adv Res Appl Sci Eng Technol. 2025;65(2):143-152.
  4. Elwi TA, et al. On the performance of a photonic reconfigurable electromagnetic band gap antenna array for 5G applications. IEEE Access. 2024;12:1-12.
  5. Hamad AR, et al. Rectenna design optimized by binary genetic algorithm for hybrid energy harvesting applications across 5G sub-6 GHz band. Radio Sci. 2025;60(6):e2024RS008154.
  6. Alnaiemy Y, et al. A further realization of binary genetic algorithm to design a dual frequency band rectenna for energy harvesting in 5G networks. DJES. 2025;18(2):203-214.
  7. Alsudani M, Ozturk T, Oleiwi TA. Performance of CRLH-TL-Hilbert structure inspired antenna loaded with AMC reflector for wireless applications. J Vis Exp. 2026;(231):e70367.
  8. Al-Rawe TSA, et al. A dual-band high-efficiency fractal rectenna for RF energy harvesting systems. In: 2023 5th International Congress on Human-Computer Interaction, Optimization and Robotic Applications (HORA); 2023. p.1-6.
  9. Almizan H, et al. Novel metasurface based microstrip antenna design for gain enhancement RF harvesting. Infocommunications J. 2023;15(1):2-8.
  10. Elwi TA. A systematic study on the metamaterial microstrip antenna design for self-powered wireless systems. 2024: DOI:10.1049/PBCE124E_ch5.
  11. Alaukally MNN, et al. Miniaturized flexible metamaterial antenna of circularly polarized high gain-bandwidth product for radio frequency energy harvesting. Int J Commun Syst. 2022;35(3):e5024.
  12. Almizan H, et al. Circularly polarized, wide-range coverage azimuth and elevation angles microstrip antenna for RF harvesting. J Eng Sustain Dev. 2020;24:191-198.
  13. Elwi TA, et al. Further realization of a flexible metamaterial-based antenna on indium nickel oxide polymerized palm fiber substrates for RF energy harvesting. Int J Microw Wirel Technol. 2021;13(1):67-75.
  14. Elwi TA. A further realization of a flexible metamaterial-based antenna on nickel oxide polymerized palm fiber substrates for RF energy harvesting. Wirel Pers Commun. 2020;115(2):1623-1634.
  15. Elwi TA, et al. Novel miniaturized folded UWB microstrip antenna-based metamaterial for RF energy harvesting. Int J Commun Syst. 2020;33(6):e4305.
  16. Elwi TA, et al. Hilbert metamaterial printed antenna based on organic substrates for energy harvesting. IET Microw Antennas Propag. 2019;13(12):2185-2192.
  17. Elwi TA. Novel UWB printed metamaterial microstrip antenna based organic substrates for RF energy harvesting applications. AEU Int J Electron Commun. 2019;101:44-53.
  18. Elwi TA, et al. A UWB monopole antenna design based RF energy harvesting technology. In: 2018 Third Scientific Conference of Electrical Engineering (SCEE); 2018: DOI:10.1109/SCEE.2018.8684112.
  19. Jassim YA, et al. 10 GHz printed circuit antenna for wireless power transfer applications. In: 2023 5th International Congress on Human-Computer Interaction, Optimization and Robotic Applications (HORA); 2023: DOI:10.1109/HORA58378.2023.10156795.
  20. Abbood HT, et al. A dual band rectenna designed with binary coding technique of genetic algorithm. In: 2025 5th International Conference on Artificial Intelligence and Signal Processing (AISP); 2026: DOI:10.1109/AISP68263.2025.11396314.
  21. Noori NM, et al. IoT borders security technology with aid of VANET machine learning applications. In: 2024 4th International Conference on Artificial Intelligence and Signal Processing (AISP); 2024: DOI:10.1109/AISP61711.2024.10870694.
  22. Al-Asady R, et al. A modern RIS design based AI driven for cooperative relay networks. Iraqi J Inf Commun Technol. 2025;8(3):73-82.
  23. Elwi TA, et al. IAE-CRP: Improved ant optimization with ECC-based clustered routing protocol for wireless sensor network. Iraqi J Inf Commun Technol. 2026;9(1):30-43.
  24. Ismail MM, et al. Frequency reconfigurable using CRLH for 5G sub-6 GHz wireless application. Iraqi J Inf Commun Technol. 2025;8(3):62-72.
  25. Jwair MH, et al. Circularly shaped metamaterial fractal reconfigurable antenna for 5G networks. Iraqi J Inf Commun Technol. 2023;6(3):65-75.
  26. Hadi SM, Abdullah O, Al-Saegh AM, et al. Uncertainty-calibrated indoor localization with Sinkhorn contrastive pretraining and MDN-transformer using beamforming feedback. Research Square. 2026: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-9128192/v1.
  27. Alaukally MNN, Ilyas M, Oleiwi TA. Fabrication and testing of an optically controlled microwave sensor for urea level detection in urine. J Vis Exp. 2026;(231):e70483.
  28. Al-Attar S, Alibakhshikenari M, Qasaymeh YM, et al. A reconfigurable MTM-EMBG MIMO antenna array with solar panel integration for sustainable 5G networks. Sci Rep. 2026: https://doi.org/10.1038/s41598-026-48125-x.

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