Coplanaire golfgeleider gevoede ultra-breedband-monopoolantenne voor radiofrequentie-energie-oogsttoepassingen

Samenvatting

Dit protocol definieert de simulatie, ontwerp, testen en fabricage van een goedkope, coplanaire golfgeleider (CPW) Ultra-Wide-Band (UWB) antenne voor radiofrequentie-energiewinning (RFEH) over meerdere communicatiebanden.

Samenvatting

De RFEH gebaseerd op draadloos opladen is een veelbelovende technologie voor het voeden van energiearme Internet-of-Things (IoT)-apparaten; de efficiëntie wordt echter nog steeds beperkt door antenneontwerp en impedantiematching. In dit werk wordt een geprinte antenne ontwikkeld die geschikt is voor RFEH met een CPW-feed. De antenne bestaat uit een halfronde fractale kromme, vergelijkbaar met een vijgenblad-uitstralende patch, met rechthoekige inkepingen die worden vervaardigd op een FR4 goedkope substraat. Het heeft een operationele bandbreedte van 700 MHz tot 3 GHz, die belangrijke communicatiebanden bestrijkt, waaronder GSM, WLAN, ISM en Wi-Fi-toepassingen. Numerieke simulaties werden uitgevoerd met behulp van computationele elektromagnetische modelleringssoftware. Het experimentele werk toonde de geschiktheid van deze antenne aan voor stabiele omnidirectionele stralingspatronen en succesvolle RF-naar-DC-conversie-efficiënties op de vijf doelfrequenties, waaronder 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz en 2400 MHz. De antenne toont potentie om energiezuinige IoT-apparaten van stroom te voorzien onder omgevings-RF. Het voorgestelde werk heeft als doel de gemeten en gesimuleerde resultaten te vergelijken. Tot slot worden de numerieke en experimentele resultaten vergeleken en laten ze opmerkelijke overeenstemming zien.

Inleiding

Recente ontwikkelingen in draadloze communicatiesystemen zoals 5G, 6G en IoT^{1, 2, 3, 4} hebben geleid tot een toenemende vraag naar efficiënte RFEH-oplossingen. Stedelijke omgevingen zijn gevuld met omgevings-RF-signalen van mobiele basisstations, Wi-Fi-toegangspunten en uitzenders, wat ze een geschikte parasitaire energiebron maakt voor energiezuinige elektronische apparaten ^5,6,7. In het bijzonder zijn UWB-antennes, zoals monopoolconfiguraties, zeer geschikt voor RF-energiewinningstoepassingen, voornamelijk vanwege hun brede instantane bandbreedte, eenvoudige vlakke geometrie en eenvoudige integratie met gelijkrichtercircuits⁸. De voedingsstructuur van CPW biedt verdere voordelen, waaronder betere impedantiematching, verminderde parasitaire straling van de voedingslijn en eenvoudigere fabricage zonder backside grondvlakken⁹.

Hoewel verschillende UWB-antennes zijn gerapporteerd voor algemene draadloze communicatie, zijn veel ontworpen voor signaalnauwkeurigheid of pulsbehoud, in plaats van breedbandige RF-naar-DC-energieconversie in specifieke commerciële frequentiebanden^10,11. Andere recente richtingen zijn compacte high-gain ontwerpen¹², rectenna-specifieke antennes met geïntegreerde matchingnetwerken¹³ en afstembare structuren¹⁴ voor cognitieve radio. Deze technieken zijn echter doorgaans afhankelijk van meerlaagse substraten, complexe etsprocessen of smalbandresonatoren, die hun gebruik beperken in omgevingsscenario's voor multibandoogst. In vergelijking met de stand van de techniek biedt het huidige werk vier praktische verbeteringen in directe vergelijking, namelijk: (1) Een volledig afdrukbaar, enkellaags FR4-ontwerp dat de fabricagekosten en complexiteit vermindert ten opzichte van meerlagige of hoogfrequente laminaatoplossingen^15,16; (2) Een operationele bandbreedte van 700 MHz tot 25 GHz, die gelijktijdig de GSM (Global System for Mobile Communications), DCS, PCS en Wi-Fi banden bestrijkt, terwijl veel eerdere antennes minder of discontinu banden^17,18 beslaan; (3) Expliciete experimentele validatie in een oogstopstelling (RF-naar-DC efficiëntiemeting over vijf discrete frequenties) in plaats van alleen S₁₁ of versterkingskarakterisering^19,20; (4) Een door CPW gevoede halfcirkelvormige geometrie met rechthoekige inkepingen die breedbandmatching bereikt zonder via gaten of defecte grondstructuren, wat reproduceerbaarheid in omgevingen met weinig hulpbronnen vergemakkelijkt²¹.

De technologie van RF-omgevingsoogst is veelbelovend, maar praktische realisaties ondervinden goed gedocumenteerde beperkingen. De vermogensdichtheid van omgevings-RF-velden in stedelijke omgevingen ligt meestal in het bereik van 0,1 μW/cm² tot 1 μW/cm^², wat overeenkomt met ontvangen vermogensniveaus van -30 dBm tot -10 dBm voor een compacte antenne^22,23. Daarom streven we in dit werk naar een input-RF-vermogensniveau van -20 dBm voor oogstevaluatie, binnen de scope van omgevingsscenario's op matige afstand. Hier zijn IoT-sensoren, wearables en draadloze nodes gebaseerd op "low-energy devices" die gemiddeld een gelijkstroom van tussen 100 μW en 1 mW^nodig hebben. Een bekende beperking, die we hier verwachten en opnieuw bespreken in de Discussiesectie, is het gebruik van een FR4-substraat met een verliestangens (tan δ = 0,025) die de efficiëntie boven ongeveer 2 GHz vermindert; de doelbanden (tot 2,4 GHz) en het uitgebreide UWB-bereik zijn echter nog steeds geschikt voor oogsten dankzij de brede impedantie-matching^{van 25}.

Een door CPW gevoede UWB-monopoolantenne met een halfronde patch en twee symmetrische rechthoekige inkepingen wordt voorgesteld, speciaal ontworpen voor RF-energiewinning in de GSM op 850/900 MHz, DCS op 1800 MHz, PCS op 1900 MHz en Wi-Fi op 2400 MHz frequentiebanden. De nieuwigheid ligt in de geometrische eenvoud, experimenteel gevalideerde brede bandbreedte en directe demonstratie van RF-naar-DC-conversie op een oogstevaluatiebord. Voor zover wij weten, is een goedkope, printbare UWB-monopole, speciaal afgestemd op multiband-energiewinning over deze vijf frequenties, met een commerciële gelijkrichter, onderbegonen geworden 26,27,28.

Protocol

De verbruiksartikelen, apparatuur en software die worden gebruikt, staan vermeld in de Materiaallijst.

1. Antenneontwerp en simulatie

1. Substraatselectie en initiële geometrie
   1. Kies een FR4-substraat met een diëlektrische constante (εr) van 4,3, verliestangens (tan δ) van 0,025 en afmetingen van 125 mm × 95 mm × 1,6 mm zoals te zien in Figuur 1.
   2. Open de elektromagnetische veldsimulatiesoftware. Maak een nieuw project aan en stel eenheden in op millimeters.
   3. Definieer het substraatmateriaal met behulp van het ingebouwde FR4-model.
   4. Teken een halfronde koperen patch (straal = 40 mm) en een rechthoekig grondvlak (95 mm × 40 mm) op dezelfde laag.
   5. Plaats een 50 Ω CPW-voedingslijn (breedte = 3 mm, opening = 0,5 mm) die op de patch is aangesloten.
2. Geometrie-optimalisatie voor UWB-prestaties
   1. Voeg twee rechthoekige inkepingen (breedte = 3 mm, diepte = 5 mm) symmetrisch toe aan de onderkant van de halfronde lap.
   2. Sprei de CPW-voedingslijn onder een hoek van 20° om impedantieafstemming te verbeteren.
   3. Voer een parametrische sweep uit waarbij de inkepingsbreedte (1–5 mm), inkepingsdiepte (2–10 mm) en flarehoek (10°–30°) varieert.
   4. Stel het frequentiebereik in van 0,5 MHz tot 3 GHz. Gebruik de Time Domain Solver met open randvoorwaarden.
   5. Definieer een discrete poort bij de voedingslijn. Voeg een frequentiemonitor toe voor ver-veld straling. De stroom aan het oppervlak van de antenne wordt geëvalueerd zoals te zien is in Figuur 2.
   6. Simuleer en controleer S11. Itereren tot S11 < -10 dB van 0,5 MHz naar 3 GHz.
3. Kruisverificatie met alternatieve software
   1. Haal de uiteindelijke antenneontwerpgeometrie eruit als een . SAT-bestand.
   2. Voer de eindige-elementen EM-simulatiesoftware uit nadat je het voorgestelde model hebt geïmporteerd.
   3. Ken dezelfde materiaaleigenschappen en randvoorwaarden toe.
   4. Voer de Finite Element Method (FEM) techniek uit. Stel de frequentiesweep in van 0,5 MHz naar 3 GHz met 2001-punten.
   5. Het vergelijken van de S11-spectra en de stralingspatronen van de CST-solver om consistentie te bevestigen.

2. Antennefabricage

1. PCB-lay-out voorbereiding
   1. Vanuit CST exporteert u het uiteindelijke ontwerp naar een Gerber-bestand voor zowel de bovenste als de achterste lagen.
   2. Voer het Gerber-bestand uit in een PCB-ontwerpsoftware (KiCad) en bevestig de afmetingen.
   3. Maak een NC-boorbestand voor SMA-gaten.
2. Fotolithografieproces
   1. Maak het FR4-substraat schoon met isopropylalcohol en droog het goed.
   2. Bedek de droge fotoresistfilms op het gebruikte substraat bij 115 °C.
   3. Print de antennelaag op een transparante film met een hoge-resolutieprinter.
   4. Druk het filmmasker met uitlijning op het substraat zodat het 50 seconden aan UV-licht wordt blootgesteld.
   5. Het ontwikkelen van het substraat in een natriumcarbonaatoplossing van 1,5% w/v moet 70 seconden duren.
   6. Spoel af met gedeïoniseerd gedestilleerd water en droog met frisse lucht.
3. Ets en afwerking
   1. Ets het blootliggende koper met een ijzerchloride-oplossing (45 °C) gedurende 6–12 minuten.
   2. Stop met etsen nadat je het ongewenste koper hebt verwijderd.
   3. Strip de resterende fotoresist met aceton.
   4. Soldeer de SMA-connector aan de voorgestelde CPW-voedingslijn met loodvrij soldeer zoals weergegeven in Figuur 3.
   5. Controleer de antenne onder een microscoop op imperfecties.

3. Experimentele metingen en karakteriseringen

1. S11-spectrameting
   1. Verbind de antenne met de vermogensspectrumanalyzer via een flexibele coaxkabel van 50 Ω.
   2. Breng het toe met een volledig kalibratieproces met twee poorten en gebruik een elektronische kalibratiekit.
   3. Voer het frequentiebereik uit van 0,5 MHz tot 3 GHz, met 2001 punten en een IF-bandbreedte van 1 kHz.
   4. Breng gemiddeld meer dan 10 sweeps toe om ruis te minimaliseren.
   5. Meet S11 en exporteer data als een .csv bestand.
2. Meting van stralingspatroon
   1. Plaats de antenne in een echoloze kamer (4 m × 4 m × 4 m) op een gemotoriseerde positioner.
   2. Lijn het fasecentrum van de antenne uit met de rotatieas.
   3. Gebruik een standaard versterkingshoornantenne als zender, geplaatst op 3 meter afstand.
   4. Stel de signaalgenerator in op elke doelfrequentie (850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz) met 0 dBm uitgangsvermogen.
   5. Draai de te testen antenne in stappen van 5° en registreer het ontvangen vermogen.
   6. Normaliseer patronen tot de maximale gain en plot in dB.
3. RF-energie-oogstevaluatie
   1. Sluit de antenne aan op een commercieel RF-harvesting-evaluatiebord.
   2. Pas een ingangs-RF-signaal toe op elke doelfrequentie met -20 dBm vermogen.
   3. Meet de DC-uitgangsspanning over een 1 kΩ belastingweerstand met een digitale multimeter.
   4. Bereken de RF-naar-DC efficiëntie met behulp van:
       
   5. Herhaal de metingen drie keer en gemiddeld het resultaat.

Resultaten

Figuur 1 toont de geometrie van de voorgestelde antenne, die bestaat uit een halfcirkelvormig stralingsveld met twee symmetrische rechthoekige inkepingen en een CPW-voedingslijn. De oppervlaktestroomverdeling bij 1,8 GHz, zoals weergegeven in Figuur 2, bevestigt de sterke stroomconcentratie langs de voedingslijn en de onderste randen van de patch, consistent met de fundamentele resonantiemodus die verantwoordeli...

Discussie

Een eenvoudige aangepaste monopoolstructuur met twee symmetrische rechthoekige inkepingen wordt voorgesteld om een breedbandige CPW-gevoede UWB-monopoolantenne te ontwerpen met een werkfrequentiebereik van 700 MHz tot 25 GHz. Deze sectie biedt een kritische methodologische interpretatie van het protocol, bespreekt optimalisatiebeslissingen en probleemoplossingsoverwegingen, vergelijkt het ontwerp met bestaande benaderingen en onderzoekt toekomstige toepassingen en ontwikkelingen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Acetone (Photoresist Stripper)	Fisher Chemical	A18-4	Reinheit ≥ 99,5%
Ansys HFSS 2022 R2	Ansys Inc.		Versie: 2022 R2, Solver: Finite Element Method (FEM)
Compact Anechoic Chamber	ETS-Lindgren	Model 5300	Interne afmetingen: 4 m × 4 m × 4 m, Frequentiebereik: 700 MHz – 40 GHz
Copper Cladding	Generic PCB copper foil		Dikte = 35 µm (1 oz), Hechtheid = 1,5 N/mm²
CST Studio Suite 2022		Dassault Systèmes	Versie: 2022, Solver: Finite Integration Technique (FIT)
Digital Multimeter (DMM)	Keysight	34461A	DC-spanningsbereik: 0–100 V, Nauwkeurigheid: ±0,0035%
Digital USB Microscope	Celestron	44308	Vergroting: 10x–200x, LED-verlichting
Dry Photoresist Film	ORCAL	925	Dikte = 1,2 mil, Lamineringstemperatuur = 110 °C
Electronic Calibration Module (ECal)	Keysight	N4691B	Frequentiebereik: 10 MHz – 26,5 GHz, 2-poorts
Ferric Chloride Etchant	MG Chemicals	415	Concentratie = 40–42 °Baumé, Temperatuur = 40 °C
FR4 Epoxy Laminate	Isola Group	FR408	εr = 4,3, tan δ = 0,025, Dikte = 1,6 mm, Afmetingen = 125 mm × 95 mm
Hot Roll Laminator	GBC	H65	Temperatuurbereik: 80–140 °C, Snelheid: 0,5–3 m/min
Isopropyl Alcohol (Reinigingsmiddel)	Sigma-Aldrich	34863	Zuiverheid = 99,9%
KiCad 7.0	KiCad EDA		Open-source, gebruikt voor Gerber-bestandsverificatie
Labjas	Medline	DYNA23100	65% polyester / 35% katoen
Lead-Free Solder Wire	Kester	245 No-Clean	Diameter = 0,8 mm, Samenstelling: Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5
Motorized Antenna Positioner	Orbit	FR-959	Azimuthrotatie: 0–360°, Elevatie: ±180°, Stapresolutie: 0,1°
Nitrile Handschoenen	Kimberly-Clark	Kimtech	Poedervrij, dikte: 5 mil
PCB-boor (voor connectorgaten)	Proxxon	MICROMOT 50/E	Boordiameter: 1,2 mm (voor SMA-montagegaten)
Powercast P2110B Evaluatiebord	Powercast Corporation		Geïntegreerd afstemnetwerk, Schottky-gelijkrichter en opslagcondensator
Precision Tweezers	Excelta	225A-SF	Antimagnetisch, roestvrij staal
RF-signaalgenerator	Keysight	N5172B	Frequentiebereik: 9 kHz – 13,6 GHz, Uitgangsvermogen: +23 dBm
Veiligheidsbril	Uvex	Stealth	Anti-fog, UV-bescherming
SMA-kabel, 50 Ω	Huber+Suhner	Sucoflex 104	Lengte = 1 m, Frequentiebereik: DC – 26,5 GHz, Invoerverlies < 0,5 dB bij 18 GHz
SMA Female PCB Edge Mount Connector	Amphenol	901-9871	50 Ω, Frequentiebereik: DC–18 GHz
Sodium Carbonate (Ontwikkelaar)	Sigma-Aldrich	451614	Concentratie = 1% w/v in gedeïoniseerd water
Standard Gain Horn Antenna	ETS-Lindgren	3164-05	Frequentiebereik: 800 MHz – 5 GHz, Versterking: 6–12 dBi
UV LED Exposure System	M&R	Saturn 2	Golflengte: 365 nm, Vermogen: 120 W
Vector Network Analyzer (VNA)	Keysight	N5222B	Frequentiebereik: 10 MHz – 26,5 GHz, Poorten: 2