무선 주파수 에너지 수집 응용을 위한 초광대역 단극 안테나를 동면파도 공급하는 도파

요약

이 프로토콜은 여러 통신 대역에서 무선 주파수 에너지 수확(RFEH)을 위한 저비용 동면형 웨이브가이드(CPW) 초광대역(UWB) 안테나의 시뮬레이션, 설계, 시험 및 제작을 정의합니다.

초록

무선 충전을 기반으로 한 RFEH는 저전력 사물인터넷(IoT) 기기에 전력을 공급하는 유망한 기술입니다; 하지만 효율성은 여전히 안테나 설계와 임피던스 매칭에 의해 제한됩니다. 이 작업에서는 RFEH에 적합한 인쇄 안테나를 CPW 피드로 개발합니다. 안테나는 무화과 잎 방사형 패치와 유사한 반원형 프랙탈 곡선으로 구성되며, FR4 저비용 기판 위에 제작할 직사각형 홈이 있습니다. 700 MHz에서 3 GHz까지의 운영 대역폭을 가지며, GSM, WLAN, ISM, Wi-Fi 애플리케이션 등 주요 통신 대역을 지원합니다. 수치 시뮬레이션은 계산 전자기 모델링 소프트웨어를 사용해 수행되었습니다. 실험 결과, 이 안테나는 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz, 2400 MHz 등 다섯 가지 목표 주파수에서 안정적인 전방향 방파 패턴과 성공적인 RF-DC 변환 효율에 적합함을 입증했습니다. 이 안테나는 주변 RF 환경에서 저에너지 IoT 기기에 전력을 공급할 잠재력을 보여줍니다. 제안된 연구는 측정된 결과와 시뮬레이션된 결과를 비교하는 것을 목표로 합니다. 마지막으로, 수치적 결과와 실험적 결과를 비교하여 놀라운 일치를 보여준다.

서론

5G, 6G, IoT 1,2,3,4와 같은 무선 통신 시스템의 최근 발전으로 인해 효율적인 RFEH 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 도시 환경은 셀룰러 기지국, Wi-Fi 접속 지점, 방송 송신기에서 발생하는 주변 RF 신호로 가득 차 있어, 저에너지 전자 장치(^5,6,7)에 적합한 기생 전력원이 됩니다. 특히, 단극 구성과 같은 UWB 안테나는 넓은 순간 대역폭, 단순한 평면 기하학, 정류기 회로와의 용이한 통합성 때문에 RF 에너지 수확 응용에 매우^{적합합니다.} 피딩 CPW 구조는 더 나은 임피던스 매칭, 피드 라인에서의 기생 복사 감소, 백사이드 접지 평면 없이의 제작 용이성 등 추가적인 장점을^{제공합니다.}

일반 무선 통신을 위한 여러 UWB 안테나가 보고되었지만, 많은 안테나는 특정 상업용 주파수^{대역 10,11}에서 광대역 RF-DC 에너지 변환보다는 신호 충실도나 펄스 보존을 위해 설계되었습니다. 최근 방향으로는 소형 고게인 설계¹², 통합 매칭 네트워크¹³과 인지 라디오용 조정 가능한 구조¹⁴가 있습니다. 하지만 이러한 기법들은 일반적으로 다층 기판, 복잡한 식각 공정, 또는 협대역 공진기를 사용하여 주변 다중 대역 수확 시나리오에서의 사용이 제한적입니다. 기존 기술과 비교했을 때, 본 연구는 직접 비교 시 네 가지 실질적 개선점을 제공합니다: (1) 다층 또는 고주파 라미네이트 솔루션에 비해 제조 비용과 복잡성을 줄이는 완전 인쇄 가능한 단층 FR4 설계^15,16; (2) 700 MHz에서 25 GHz까지 작동하는 운영 대역폭으로, GSM(글로벌 모바일 통신 시스템), DCS, PCS, Wi-Fi 대역을 동시에 커버하며, 이전 많은 안테나가 더 적거나 불연속적인 대역을 커버하는 반면^17,18; (3) 수확 설정에서의 명시적 실험적 검증(다섯 개의 이산 주파수에 걸친 RF-DC 효율 측정)이 S₁₁이나 이득 특성화^19,20만 수행하지 않음; (4) 직사각형 노치가 있는 CPW 공급된 반원형 기하학으로, 구멍이나 결함 있는 접지 구조 없이 광대역 매칭을 달성하여 저자원 환경에서 재현성을 용이하게 합니다²¹.

RF 앰비언트 하베스팅 기술은 유망하지만, 실제로는 잘 문서화된 제약에 시달리고 있습니다. 도시 환경에서 주변 RF 필드의 전력 밀도는 보통 0.1 μW/^{cm 2}에서 1 μW/^{cm 2} 범위로, 콤팩트 안테나^22,23의 경우 -30 dBm에서 -10 dBm 사이의 수신 전력 수준에 해당합니다. 따라서 본 작업에서는 중간 거리 주변 시나리오 범위 내에서 수확 평가를 위해 -20 dBm의 입력 RF 출력 수준을 목표로 합니다. 여기서는 평균 DC 전력이 100 μW에서 1^{mW 사이의} '저에너지 기기' 기반 IoT 센서, 웨어러블, 무선 노드를 포함합니다. 여기서 예상하고 토론 섹션에서 다시 다루는 알려진 한계 중 하나는 손실 접선(tan δ = 0.025)을 가진 FR4 기판을 사용하여 약 2 GHz 이상에서 효율이 저하되는 경우입니다; 하지만 목표 대역(최대 2.4 GHz)과 확장된 UWB 범위는 넓은 임피던스 매칭²⁵ 덕분에 여전히 수확에 적합합니다.

반원형 패치와 두 개의 대칭적인 직사각형 노치가 있는 CPW 공급 UWB 단극 안테나가 제안되었으며, 이는 GSM 850/900 MHz, DCS 1800 MHz, PCS 1900 MHz, Wi-Fi 2400 MHz 주파수 대역에서 RF 에너지 수확을 위해 특별히 설계되었습니다. 새로움은 기하학적 단순성, 실험적으로 검증된 광대역폭, 그리고 수확 평가 보드에서 RF-DC 변환을 직접 시연한 데 있습니다. 우리가 아는 한, 상업용 정류기를 사용해 이 다섯 대역에서 다중 대역 에너지 수확을 위해 특별히 설계된 저비용 인쇄형 UWB 단극은^{26, 27, 28} MHz에 아직 미지수로 남아 있습니다.

프로토콜

사용된 소모품, 장비 및 소프트웨어는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 안테나 설계 및 시뮬레이션

1. 기질 선택 및 초기 기하학
   1. 유전체 상수(εr)가 4.3, 손실 접선(tan δ)이 0.025, 크기가 125 mm × 95 mm × 1.6 mm인 FR4 기판을 선택하세요.
   2. 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어를 열어. 새 프로젝트를 만들고 단위를 밀리미터 단위로 설정하세요.
   3. 내장된 FR4 모델을 사용하여 기판 재료를 정의합니다.
   4. 같은 층에 반원형 구리 패치(반경 = 40mm)와 직사각형 지면(95mm × 40mm)을 그립니다.
   5. 패치에 연결된 50 Ω CPW 피드 라인(폭 = 3 mm, 간격 = 0.5 mm)을 삽입합니다.
2. UWB 성능을 위한 지오메트리 최적화
   1. 반원형 패치 하단 가장자리에 대칭적으로 두 개의 직사각형 홈(너비 = 3 mm, 깊이 = 5 mm)을 추가합니다.
   2. 임피던스 매칭을 개선하기 위해 CPW 피드라인을 20° 각도로 플레어합니다.
   3. 노치 폭(1–5 mm), 노치 깊이(2–10 mm), 플레어 각도(10°–30°)를 조절하는 파라메트릭 스윕을 사용하세요.
   4. 주파수 범위를 0.5 MHz에서 3 GHz로 설정하세요. 오픈 경계 조건에서 시간 도메인 솔버를 사용하세요.
   5. 피드라인에 이산 포트를 정의하세요. 원거리 방사선 주파수 모니터를 추가하세요. 안테나 표면 전류는 그림 2에서 볼 수 있는 것처럼 평가됩니다.
   6. 시뮬레이션하고 S11을 확인하세요. S11까지 반복해서 0.5 MHz에서 3 GHz로 -10 dB < 반복하세요.
3. 대체 소프트웨어와의 교차 검증
   1. 최종 안테나 설계 기하학을 .로 추출합니다. SAT 파일.
   2. 제안된 모델을 가져오고 유한요소 전자기(EM) 시뮬레이션 소프트웨어를 실행하세요.
   3. 동일한 재료 특성과 경계 조건을 할당하세요.
   4. 유한요소법(FEM) 기법을 실행하세요. 주파수 스윕을 0.5 MHz에서 3 GHz로 설정하고 2001 포인트를 사용하세요.
   5. 일관성을 확인하기 위해 S11 스펙트럼과 CST 해석기의 방사선 패턴을 비교하는 것.

2. 안테나 제작

1. PCB 레이아웃 준비
   1. CST에서 최종 디자인을 Gerber 파일로 내보내서 상단과 뒷면 레이어 모두를 사용할 수 있습니다.
   2. Gerber 파일을 PCB 설계 소프트웨어(KiCad)에서 실행하고 치수를 확인하세요.
   3. SMA 구멍을 위한 NC 드릴 파일을 제작하세요.
2. 포토리소그래피 공정
   1. FR4 기질을 이소프로필 알코올로 깨끗이 청소하고 잘 말리세요.
   2. 건조한 포토레지스트 필름을 115 °C에서 고려된 기판 위에 덮습니다.
   3. 안테나 층을 고해상도 프린터를 사용해 투명 필름에 인쇄하세요.
   4. 필름 마스크를 기판에 맞춰 50초 동안 자외선에 노출시키도록 누르세요.
   5. 기질을 1.5% w/v 탄산나트륨 용액에서 70초 동안 현상해야 합니다.
   6. 이온이 제거된 증류수로 씻고 신선한 공기로 말리세요.
3. 에칭 및 마감
   1. 노출된 구리를 염화철 용액(45 °C)으로 6–12분 식각합니다.
   2. 원하지 않는 구리를 제거한 후에는 에칭을 멈추세요.
   3. 남은 포토레지스트를 아세톤으로 제거하세요.
   4. 그림 3에 나타난 것처럼 제안된 CPW 공급 라인에 납땜하여 SMA 커넥터를 납땜합니다.
   5. 현미경으로 안테나에 결함이 있는지 확인하세요.

3. 실험적 측정 및 특성화

1. S11 스펙트럼 측정
   1. 안테나를 전력 스펙트럼 분석기에 50 Ω 유연한 동축 케이블을 연결한다.
   2. 전자 보정 키트를 이용한 완전한 2포트 보정 과정을 적용하세요.
   3. 0.5 MHz에서 3 GHz까지의 주파수 범위를 수행하며, 2001 포인트와 1 kHz의 IF 대역폭을 사용합니다.
   4. 소음을 최소화하기 위해 10회 이상 스윕 평균을 적용하세요.
   5. S11을 측정하고 데이터를 .csv 파일로 내보내세요.
2. 방사선 패턴 측정
   1. 안테나를 무반향실(4m × 4m × 4m) 모터 구동 포지셔너 위에 배치합니다.
   2. 안테나의 위상 중심을 회전축에 맞추세요.
   3. 표준 이득 혼 안테나를 송신기로 사용하고, 3m 떨어진 곳에 설치하세요.
   4. 신호 발생기를 각 목표 주파수(850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz)로 설정하고, 출력 전력은 0dBm 상태로 설정하세요.
   5. 테스트 중인 안테나를 5° 단위로 회전시키고 수신 전력을 기록합니다.
   6. 패턴을 최대 게인으로 정규화하고 dB 단위로 그래프를 그립니다.
3. RF 에너지 수확 평가
   1. 안테나를 상업용 RF 하베스팅 평가 보드에 연결하세요.
   2. 각 목표 주파수에 -20 dBm 출력의 입력 RF 신호를 인가합니다.
   3. 디지털 멀티미터를 사용해 1 kΩ 부하 저항기에서 DC 출력 전압을 측정합니다.
   4. RF-대 DC 효율을 다음과 같이 계산하세요:
       
   5. 측정을 세 번 반복하고 결과를 평균내세요.

결과

그림 1은 제안된 안테나의 형상을 보여주며, 두 개의 대칭적인 직사각형 노치가 있는 반원형 방사 패치와 CPW 급전 라인으로 구성되어 있습니다. 그림 2에 나타난 1.8 GHz의 표면 전류 분포는 급선과 패치의 하단 가장자리를 따라 강한 전류 농도를 확인시켜 주며, 이는 광대역 임피던스 매칭을 담당하는 기본 공진 모드와 일치합니다. 그림 3은 저비용 FR4 기판에서 설계가 성공적으로 구현되었음을 검증한 제조된 프로토타입 사진을 보여줍니다.

안테나는 700 MHz에서 25 GHz까지 임피던스 대역폭을 제공하며, S11 < -10 dB를 지원합니다(그림 4A). 시뮬레이션과 측정된...

토론

두 개의 대칭적인 직사각형 노치를 가진 단순한 수정 단극 구조가 제안되어, 700 MHz에서 25 GHz까지 작동하는 주파수 범위를 가진 광대역 CPW 공급 UWB 단극 안테나를 설계할 예정입니다. 이 섹션은 프로토콜의 비판적 방법론적 해석을 제공하며, 최적화 결정과 문제 해결 사항을 논의하고, 기존 접근법과 설계를 비교하며, 향후 응용 및 발전 가능성을 탐구합니다.

성능과 재현성에 영향을 미치는 주요 프로토콜 단계

프로토콜의 여러 단계는 성공적인 안테나 성능과 실험의 재현성을 보장하기 위해 특히 중요합니다. 첫째, 이소프로필 알코올을 이용한 기판 준비 및 세척 절차(단계 2.2.1)는 광서적 접착에 매우 중요합니다; 적절한 세척이 없으면 레지스트에 핀홀이 생기고 균일하지 않은 식각이 발생할 수 있으며, 이는 10GHz 이상에서 임피던스 매...

재료

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이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
아세톤(포토레지스트 스트리퍼)	Fisher Chemical	A18-4	순도 ≥ 99.5%
Ansys HFSS 2022 R2	Ansys Inc.		버전: 2022 R2, 솔버: 유한 요소 방법(FEM)
소형 무반사 챔버	ETS-Lindgren	모델 5300	내부 치수: 4 m × 4 m × 4 m, 주파수 범위: 700 MHz – 40 GHz
구리 클래딩	일반 PCB 구리 폴리		두께 = 35 µm (1 oz), 접착력 = 1.5 N/mm²
CST Studio Suite 2022		Dassault Systèmes	버전: 2022, 솔버: 유한 적분 기법(FIT)
디지털 멀티미터(DMM)	Keysight	34461A	DC 전압 범위: 0–100 V, 정확도: ±0.0035%
디지털 USB 현미경	Celestron	44308	배율: 10x–200x, LED 조명
건식 포토레지스트 필름	ORCAL	925	두께 = 1.2 mil, 라미네이션 온도 = 110 °C
전자 교정 모듈(ECal)	Keysight	N4691B	주파수 범위: 10 MHz – 26.5 GHz, 2-포트
염화철 식각제	MG Chemicals	415	농도 = 40–42 °Baumé, 온도 = 40 °C
FR4 에폭시 라미네이트	Isola Group	FR408	εr = 4.3, tan δ = 0.025, 두께 = 1.6 mm, 치수 = 125 mm × 95 mm
핫롤 라미네이터	GBC	H65	온도 범위: 80–140 °C, 속도: 0.5–3 m/분
이소프로필 알코올(세척제)	Sigma-Aldrich	34863	순도 = 99.9%
KiCad 7.0	KiCad EDA		오픈 소스, Gerber 파일 검증에 사용
실험실 코트	Medline	DYNA23100	65% 폴리에스터 / 35% 면
무연 솔더 와이어	Kester	245 No-Clean	직경 = 0.8 mm, 구성: Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5
자동화 안테나 포지셔너	Orbit	FR-959	방위 회전: 0–360°, 고도: ±180°, 단계 해상도: 0.1°
니트릴 장갑	Kimberly-Clark	Kimtech	분말 무첨가, 두께: 5 mil
PCB 드릴(커넥터 구멍용)	Proxxon	MICROMOT 50/E	드릴 비트 직경: 1.2 mm(SMA 장착 구멍용)
Powercast P2110B 평가 보드	Powercast Corporation		통합 매칭 네트워크, 쇼트키 정류기 및 저장 커패시터
정밀 핀셋	Excelta	225A-SF	안티 마그네틱, 스테인리스 스틸
RF 신호 발생기	Keysight	N5172B	주파수 범위: 9 kHz – 13.6 GHz, 출력 전력: +23 dBm
안전 고글	Uvex	Stealth	안개 방지, UV 보호
SMA 케이블, 50 Ω	Huber+Suhner	Sucoflex 104	길이 = 1 m, 주파수 범위: DC – 26.5 GHz, 삽입 손실 < 0.5 dB(18 GHz에서)
SMA 여성 PCB 엣지 마운트 커넥터	Amphenol	901-9871	50 Ω, 주파수 범위: DC–18 GHz
탄산 나트륨(현상액)	Sigma-Aldrich	451614	농도 = 1% w/v(탈이온수에서)
표준 게인 혼 안테나	ETS-Lindgren	3164-05	주파수 범위: 800 MHz – 5 GHz, 이득: 6–12 dBi
UV LED 노출 시스템	M&R	Saturn 2	파장: 365 nm, 전력: 120 W
벡터 네트워크 분석기(VNA)	Keysight	N5222B	주파수 범위: 10 MHz – 26.5 GHz, 포트: 2

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