Ten protokół definiuje symulację, projektowanie, testowanie i produkcję niskokosztowej anteny Ultra-Wide-Band (UWB) zasilanej przewodowo współrzędnym (CPW) do pozyskiwania energii radioczęstotliwościowej (RFEH) w wielu pasmach komunikacyjnych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół definiuje symulację, projektowanie, testowanie i produkcję niskokosztowej anteny Ultra-Wide-Band (UWB) zasilanej przewodowo współrzędnym (CPW) do pozyskiwania energii radioczęstotliwościowej (RFEH) w wielu pasmach komunikacyjnych.
RFEH oparty na ładowaniu bezprzewodowym jest obiecującą technologią zasilania urządzeń niskoenergetycznych w sieci Internet Rzeczy (IoT); jednak jego wydajność jest nadal ograniczona przez projekt anteny i dopasowanie impedancji. W niniejszej pracy opracowano drukowaną antenę odpowiednią dla RFEH z zasilaniem CPW. Antena składa się z półokrągłej krzywej fraktalnej, podobnej do łatki promieniującej liścia figowego, z prostokątnymi wycięciami, które mają być wykonane na taniej podstawie FR4. Ma pasmo robocze od 700 MHz do 3 GHz, obejmujące kluczowe pasma komunikacyjne, w tym aplikacje GSM, WLAN, ISM i Wi-Fi. Symulacje numeryczne przeprowadzono za pomocą oprogramowania do modelowania elektromagnetycznego. Praca eksperymentalna wykazała przydatność tej anteny do stabilnych wszechkierunkowych wzorców promieniowania i skutecznego wydajności konwersji RF-DC na pięciu docelowych częstotliwościach, w tym 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz i 2400 MHz. Antena wykazuje potencjał do zasilania niskoenergetycznych urządzeń IoT w środowisku RF. Zaproponowana praca ma na celu porównanie wyników pomiarowych i symulowanych. Na koniec wyniki numeryczne i eksperymentalne są porównywane i wykazują znaczącą zgodność.
Ostatnie osiągnięcia w systemach bezprzewodowych komunikacji, takich jak 5G, 6G i IoT1,2,3,4 skutkują rosnącym zapotrzebowaniem na efektywne rozwiązania RFEH. Środowisko miejskie jest wypełnione znakami RF z baz stacji bazowych, punktów dostępu Wi-Fi i nadajników nadawczych, co sprawia, że są one odpowiednim źródłem energii pasożytniczej dla urządzeń elektronicznych o niskiej energii5,6,7. Szczególnie anteny UWB, takie jak konfiguracje monopolowe, są dobrze przystosowane do zastosowań w dziedzinie zbierania energii RF, głównie ze względu na ich szeroki natychmiastowy pasmo przenoszenia, prostą geometrię płaską i łatwą integrację z obwodami prostownikowymi8. Struktura zasilania CPW oferuje dalsze zalety, w tym lepsze dopasowanie impedancji, zmniejszoną pasożytniczą radiację z linii zasilającej i łatwiejszą produkcję bez tyłowych płaszczyzn uziemienia9.
Chociaż kilkanaście anten UWB zostało zaprojektowanych dla ogólnego bezprzewodowego komunikacji, wiele z nich jest zaprojektowanych dla wierności sygnału lub zachowania impulsów, a nie szerokopasmowej konwersji energii RF do DC w określonych komercyjnych pasmach częstotliwości10,11. Inne ostatnie kierunki obejmują kompaktowe konstrukcje o wysokim zysku12, anteny specyficzne dla rectenna z zintegrowanymi sieciami dopasowującymi13 i struktuary modulujące14 dla radia kognitywnego. Jednak te techniki zwykle opierają się na wielowarstwowym podłożu, złożonych procesach trawienia lub wąskopasmowych rezonatorów, co ogranicza ich zastosowanie w scenariuszach zbierania energii z wielu pasm znajdujących się w otoczeniu. W porównaniu z poprzednimi rozwiązaniami, obecna praca zapewnia cztery praktyczne udoskonalenia w porównaniu bezpośrednim, a mianowicie: (1) Całkowicie drukowany, jednowarstwowy projekt FR4, który zmniejsza koszt i złożoność produkcji w stosunku do rozwiązań wielowarstwowych lub wysokoczęstotliwościowych15,16; (2) Operacyjne pasmo od 700 MHz do 25 GHz, obejmujące jednocześnie pasma GSM (Global System for Mobile Communications), DCS, PCS i Wi-Fi, podczas gdy wiele wcześniejszych anten obejmuje mniej lub nieciągłe pasma17,18; (3) Wyraźna eksperymentalna walidacja w konfiguracji zbierania energii (pomiar wydajności RF-do-DC w pięciu dyskretnych częstotliwościach) zamiast tylko charakterystyki S11 lub zysku19,20; (4) Geometria półkolista zasilana przez CPW z prostokątnymi wycięciami, która osiąga szerokopasmowe dopasowanie bez otworów via lub wadliwych struktur uziemienia, co ułatwia reproduktywalność w warunkach ograniczonych zasobów21.
Technologia zbierania energii RF z otoczenia jest obiecująca, ale praktyczne realizacje cierpią na dobrze udokumentowane ograniczenia. Gęstość mocy znaków RF w środowisku miejskim wynosi zwykle od 0,1 µW/cm2 do 1 µW/cm2, co odpowiada poziomom mocy odbiorczym na poziomie -30 dBm do -10 dBm dla kompaktowej anteny22,23. Dlatego w tej pracy dążymy do poziomu mocy RF wejściowej -20 dBm w zakresie oceny zbierania energii, w zakresie scenariuszy otoczenia na umiarkowanej odległości. Tutaj "urządzenia o niskiej energii" to sensory IoT, urządzenia przenośne i węzły bezprzewodowe, które wymagają średniej mocy DC od 100 µW do 1 mW24. Jednym znanym ograniczeniem, którego oczekujemy tutaj i które ponownie omówimy w sekcji Dyskusja, jest użycie podłoża FR4 o tangiency (tan δ = 0,025), która obniża wydajność powyżej około 2 GHz; jednak docelowe pasma (do 2,4 GHz) i rozszerzony zakres UWB nadal nadają się do zbierania energii z powodu szerokiego dopasowania impedancji25.
Zaproponowano anteny monopolowe UWB zasilane przez CPW z półkolistą plaską i dwoma symetrycznymi prostokątnymi wycięciami, specjalnie zaprojektowane dla zbierania energii RF w pasmach GSM na 850/900 MHz, DCS na 1800 MHz, PCS na 1900 MHz i Wi-Fi na 2400 MHz. Nowość polega na prostocie geometrycznej, szerokim pasmie przenoszenia potwierdzonym eksperymentalnie i bezpośrednim pokazaniu konwersji RF do DC na płytce ewaluacyjnej zbierania energii. Według naszej wiedzy nisko kosztowa, drukowany monopol UWB zaprojektowany specjalnie dla zbierania energii wielopasmowej na tych pięciu częstotliwościach, przy użyciu komercyjnego prostownika, pozostaje niedostatecznie zbadany26,27,28.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zużycie, sprzęt oraz oprogramowanie wykorzystane w procedurze są wymienione w Tabeli Materiałów.
1. Projektowanie i symulacja anteny
2. Wytwarzanie anteny
3. Pomiary eksperymentalne i charakteryzacja

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 1 przedstawia geometrię proponowanej anteny, która składa się z półkolistego promiennika z dwoma symetrycznymi prostokątnymi wcięciami oraz linii zasilającej CPW. Rozkład prądów powierzchniowych przy 1,8 GHz, pokazany na Rysunku 2, potwierdza silną koncentrację prądu wzdłuż linii zasilającej i dolnych krawędzi promiennika, co jest zgodne z podstawowym modem rezonansowym odpowiedzialnym za szerokopasmowe dopasowanie impedancyjne.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zaproponowano prostą zmodyfikowaną strukturę monopoli z dwiema symetrycznymi prostokątnymi szczelinami w celu zaprojektowania szerokopasmowej anteny monopoli zasilanej przez CPW z zakresem częstotliwości od 700 MHz do 25 GHz. Sekcja ta oferuje krytyczną metodologiczną interpretację protokołu, omawia decyzje dotyczące optymalizacji i rozwiązywania problemów, porównuje projekt z istniejącymi podejściami i bada przyszłe zastosowania i rozwój.
Kluczowe kroki protokołu, które wpływają na wy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie deklarują żadnych konfliktów interesów.
Autorzy dziękują Międzynarodowemu Centrum Badań Stosowanego i Teoretycznego (IATRC) za wsparcie techniczne.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Acetone (Photoresist Stripper) | Fisher Chemical | A18-4 | Czystość ≥ 99.5% |
| Ansys HFSS 2022 R2 | Ansys Inc. | Wersja: 2022 R2, Solver: Finite Element Method (FEM) | |
| Compact Anechoic Chamber | ETS-Lindgren | Model 5300 | Wymiary wewnętrzne: 4 m × 4 m × 4 m, Zakres częstotliwości: 700 MHz – 40 GHz |
| Copper Cladding | Generic PCB copper foil | Grubość = 35 µm (1 oz), Adhezja = 1.5 N/mm² | |
| CST Studio Suite 2022 | Dassault Systèmes | Wersja: 2022, Solver: Finite Integration Technique (FIT) | |
| Digital Multimeter (DMM) | Keysight | 34461A | Zakres napięcia DC: 0–100 V, Dokładność: ±0.0035% |
| Digital USB Microscope | Celestron | 44308 | Powiększenie: 10x–200x, Oświetlenie LED |
| Dry Photoresist Film | ORCAL | 925 | Grubość = 1.2 mil, Temperatura laminowania = 110 °C |
| Electronic Calibration Module (ECal) | Keysight | N4691B | Zakres częstotliwości: 10 MHz – 26.5 GHz, 2-port |
| Ferric Chloride Etchant | MG Chemicals | 415 | Koncentracja = 40–42 °Baumé, Temperatura = 40 °C |
| FR4 Epoxy Laminate | Isola Group | FR408 | εr = 4.3, tan δ = 0.025, Grubość = 1.6 mm, Wymiary = 125 mm × 95 mm |
| Hot Roll Laminator | GBC | H65 | Zakres temperatury: 80–140 °C, Prędkość: 0.5–3 m/min |
| Isopropyl Alcohol (Cleaning Agent) | Sigma-Aldrich | 34863 | Czystość = 99.9% |
| KiCad 7.0 | KiCad EDA | Open-source, używany do weryfikacji plików Gerber | |
| Lab Coat | Medline | DYNA23100 | 65% poliester / 35% bawełna |
| Lead-Free Solder Wire | Kester | 245 No-Clean | Średnica = 0.8 mm, Skład: Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 |
| Motorized Antenna Positioner | Orbit | FR-959 | Obrót azimutalny: 0–360°, Elewacja: ±180°, Rozdzielczość krokowa: 0.1° |
| Nitrile Gloves | Kimberly-Clark | Kimtech | Bez proszku, grubość: 5 mil |
| PCB Drill (for connector holes) | Proxxon | MICROMOT 50/E | Średnica wiertła: 1.2 mm (dla otworów montażowych SMA) |
| Powercast P2110B Evaluation Board | Powercast Corporation | Zintegrowana sieć dopasowująca, prostownik Schottky i kondensator magazynujący | |
| Precision Tweezers | Excelta | 225A-SF | Antymagnetyczne, ze stali nierdzewnej |
| RF Signal Generator | Keysight | N5172B | Zakres częstotliwości: 9 kHz – 13.6 GHz, Moc wyjściowa: +23 dBm |
| Safety Goggles | Uvex | Stealth | Antiefogacyjne, Ochrona UV |
| SMA Cable, 50 Ω | Huber+Suhner | Sucoflex 104 | Długość = 1 m, Zakres częstotliwości: DC – 26.5 GHz, Straty wstawiania < 0.5 dB przy 18 GHz |
| SMA Female PCB Edge Mount Connector | Amphenol | 901-9871 | 50 Ω, Zakres częstotliwości: DC–18 GHz |
| Sodium Carbonate (Developer) | Sigma-Aldrich | 451614 | Koncentracja = 1% w/v w dejonizowanej wodzie |
| Standard Gain Horn Antenna | ETS-Lindgren | 3164-05 | Zakres częstotliwości: 800 MHz – 5 GHz, Zysk: 6–12 dBi |
| UV LED Exposure System | M&R | Saturn 2 | Długość fali: 365 nm, Moc: 120 W |
| Vector Network Analyzer (VNA) | Keysight | N5222B | Zakres częstotliwości: 10 MHz – 26.5 GHz, Porty: 2 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.