Antena monopolo ultra-larga de banda alimentada por guia de onda coplanar para aplicações de captação de energia por radiofrequência

Resumo

Este protocolo define a simulação, design, teste e fabricação de uma antena Ultra-Wide-Band (UWB) de baixo custo, alimentada por guia de onda coplanar (CPW), para captação de energia por radiofrequência (RFEH) em múltiplas faixas de comunicação.

Resumo

O RFEH baseado em carregamento sem fio é uma tecnologia promissora para alimentar dispositivos de Internet das Coisas (IoT) de baixa energia; no entanto, sua eficiência ainda é limitada pelo design da antena e pela adaptação de impedância. Neste trabalho, uma antena impressa adequada para RFEH é desenvolvida com um feed CPW. A antena é composta por uma curva fractal semicircular, semelhante a uma mancha radiante de árvore de folha de figueira, com entalhes retangulares a serem fabricados sobre um substrato de baixo custo FR4. Possui uma largura de banda operacional de 700 MHz a 3 GHz, cobrindo faixas de comunicação chave, incluindo aplicações GSM, WLAN, ISM e Wi-Fi. Simulações numéricas foram realizadas usando software de modelagem eletromagnética computacional. O trabalho experimental demonstrou a adequação dessa antena para padrões estáveis de radiação omnidirecional e eficiências bem-sucedidas de conversão de RF para DC nas cinco frequências-alvo, incluindo 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz e 2400 MHz. A antena demonstra potencial para alimentar dispositivos IoT de baixa energia em condições ambientes de RF. O trabalho proposto tem como objetivo comparar os resultados medidos e simulados. Por fim, os resultados numéricos e experimentais são comparados e mostram notável concordância.

Introdução

Desenvolvimentos recentes em sistemas de comunicação sem fio, como 5G, 6G e IoT ^1,2,3,4, resultaram em uma demanda crescente por soluções RFEH eficientes. Ambientes urbanos são preenchidos com sinais de RF ambiente provenientes de estações base celulares, pontos de acesso Wi-Fi e transmissores de transmissão, o que os torna uma fonte de energia parasita adequada para dispositivos eletrônicos de baixo consumo ^5,6,7. Em particular, antenas UWB, como configurações monopolistas, são bem adequadas para aplicações de captação de energia RF, principalmente devido à sua ampla largura de banda instantânea, geometria planar simples e fácil integração com circuitos^{retificadores 8}. A estrutura CPW de alimentação oferece benefícios adicionais, incluindo melhor adaptação de impedância, redução da radiação parasita da linha de alimentação e fabricação mais fácil sem planos de terra do lado^{traseiro 9}.

Embora várias antenas UWB tenham sido relatadas para comunicações sem fio gerais, muitas são projetadas para fidelidade de sinal ou preservação de pulsos, em vez de conversão de energia de banda larga de RF para DC em faixas comerciais específicas^10,11. Outras direções recentes incluem projetos compactos de alto^{ganho 12}, antenas específicas para retênas com redes integradas de correspondência¹³ e estruturas sintonizáveis¹⁴ para rádio cognitivo. No entanto, essas técnicas normalmente dependem de substratos multicamadas, processos complexos de gravação ou ressonadores de banda estreita, que limitam seu uso em cenários de colheita multibanda ambiente. Comparado à técnica anterior, o presente trabalho oferece quatro melhorias práticas em comparação direta, a saber: (1) Um design FR4 totalmente imprimível, de camada única, que reduz o custo e a complexidade de fabricação em relação a soluções laminadas multicamadas ou de alta^{frequência 15,16}; (2) Uma largura de banda operacional de 700 MHz até 25 GHz, cobrindo simultaneamente as bandas GSM (Sistema Global para Comunicações Móveis), DCS, PCS e Wi-Fi, enquanto muitas antenas anteriores cobrem as bandas menos ou descontínuas^{17, 18}; (3) Validação experimental explícita em um sistema de colheita (medição de eficiência RF-DC em cinco frequências discretas) em vez de apenas S₁₁ ou caracterização de^{ganho 19,20}; (4) Uma geometria semicircular alimentada por CPW com entalhes retangulares que alcança correspondência em banda larga sem buracos ou estruturas de solo defeituosas, facilitando a reprodutibilidade em ambientes de poucos recursos²¹.

A tecnologia de colheita de ambiente por RF é promissora, mas as realizações práticas sofrem com restrições bem documentadas. A densidade de potência dos campos de RF ambiente em ambientes urbanos geralmente está na faixa de 0,1 μW/^{cm 2} a 1 μW/^{cm 2}, correspondendo a níveis de potência recebida na ordem de -30 dBm a -10 dBm para uma antena^{compacta 22,23}. Portanto, buscamos um nível de potência de RF de entrada de -20 dBm neste trabalho para avaliação de colheita, dentro do escopo de cenários ambientes de distância moderada. Aqui, sensores IoT baseados em "dispositivos de baixa energia", wearables e nós sem fio que requerem uma potência média DC entre 100 μW e 1^{mW 24}. Uma limitação conhecida, que esperamos aqui e revisitamos na seção de Discussão, é o uso de um substrato FR4 com tangente de perda (tan-δ = 0,025) que degrada a eficiência acima de aproximadamente 2 GHz; no entanto, as bandas-alvo (até 2,4 GHz) e a faixa estendida UWB ainda são adequadas para colheita devido à ampla impedância^{de adaptação de 25}.

Uma antena monopolo UWB alimentada por CPW com patch semicircular e dois entalhes retangulares simétricos é proposta, projetada especificamente para captação de energia RF no GSM em 850/900 MHz, DCS em 1800 MHz, PCS em 1900 MHz e Wi-Fi nas faixas de frequência de 2400 MHz. A novidade está em sua simplicidade geométrica, largura de banda ampla validada experimentalmente e demonstração direta da conversão de RF para DC em uma placa de avaliação de colheita. Até onde sabemos, um monopolo UWB de baixo custo e imprimível, especificamente voltado para captação de energia multibanda nessas cinco frequências, usando um retificador comercial, permaneceu pouco explorado^{26, 27, 28}.

Protocolo

Os consumíveis, equipamentos e softwares utilizados estão listados na Tabela de Materiais.

1. Projeto e simulação de antenas

1. Seleção do substrato e geometria inicial
   1. Selecione um substrato FR4 com constante dielétrica (εr) de 4,3, tangente de perda (δ tan) de 0,025 e dimensões de 125 mm × 95 mm × 1,6 mm, conforme visto na Figura 1.
   2. Abra o software de simulação do campo eletromagnético. Crie um novo projeto e defina as unidades para milímetros.
   3. Defina o material do substrato usando o modelo FR4 embutido.
   4. Desenhe uma mancha semicircular de cobre (raio = 40 mm) e um plano de terra retangular (95 mm × 40 mm) na mesma camada.
   5. Insira uma linha de alimentação CPW de 50 Ω (largura = 3 mm, folga = 0,5 mm) conectada ao patch.
2. Otimização geométrica para desempenho de UWB
   1. Adicione duas entalhes retangulares (largura = 3 mm, profundidade = 5 mm) simetricamente na borda inferior do recorte semicircular.
   2. Alargar a linha de alimentação CPW em um ângulo de 20° para melhorar o ajuste de impedância.
   3. Execute uma varrida paramétrica variando largura de entalhe (1–5 mm), profundidade de entalhe (2–10 mm) e ângulo de alargamento (10°–30°).
   4. Defina a faixa de frequência de 0,5 MHz para 3 GHz. Use o Solucionador do Domínio do Tempo com condições de contorno abertas.
   5. Defina uma porta discreta na linha de alimentação. Adicione um monitor de frequência para radiação de campo distante. A corrente de superfície da antena é avaliada conforme visto na Figura 2.
   6. Simule e verifique a S11. Itere até S11 < -10 dB de 0,5 MHz para 3 GHz.
3. Verificação cruzada com software alternativo
   1. Extraia a geometria final do projeto da antena como um . Arquivo SAT.
   2. Execute o software de simulação EM por elementos finitos após importar o modelo proposto.
   3. Atribua as mesmas propriedades do material e condições de contorno.
   4. Execute a técnica do Método dos Elementos Finitos (FEM). Ajuste a varredura de frequência de 0,5 MHz para 3 GHz com 2001 pontos.
   5. Comparando os espectros S11 e os padrões de radiação do solucionador CST para confirmar a consistência.

2. Fabricação de antenas

1. Preparação do layout da PCB
   1. Do CST, exporte o design final para um arquivo Gerber tanto para as camadas superior quanto para a traseira.
   2. Execute o arquivo Gerber em um software de projeto de PCB (KiCad) e confirme as dimensões.
   3. Produza arquivo de perfuração NC para furos SMA.
2. Processo de fotolitografia
   1. Limpe o substrato FR4 com álcool isopropílico e seque bem.
   2. Cubra os filmes fotorresistíveis secos sobre o substrato considerado a 115 °C.
   3. Imprima a camada da antena em um filme transparente usando uma impressora de alta resolução.
   4. Pressione a máscara de filme com alinhamento no substrato para ser exposto à luz UV por 50 segundos.
   5. Desenvolver o substrato em uma solução de carbonato de sódio de 1,5% w/v deve ser por 70 s.
   6. Enxágue com água destilada deionizada e sece com ar fresco.
3. Gravura e acabamento
   1. Grave o cobre exposto usando solução de cloreto férrico (45 °C) por 6 a 12 minutos.
   2. Pare de gravar depois de remover o cobre indesejado.
   3. Remova o fotorresiste residual com acetona.
   4. Solde o conector SMA à linha de alimentação CPW proposta usando solda sem chumbo, como mostrado na Figura 3.
   5. Verifique a antena ao microscópio para ver se há imperfeições.

3. Medições e caracterizações experimentais

1. Medição de espectros S11
   1. Conecte a antena ao analisador de espectro de potência por meio de um cabo coaxial flexível de 50 Ω.
   2. Aplique com um processo completo de calibração de duas portas usando um kit eletrônico de calibração.
   3. Execute a faixa de frequência de 0,5 MHz a 3 GHz, com 2001 pontos e uma largura de banda IF de 1 kHz.
   4. Aplique uma média de varreduras superiores a 10 para minimizar o ruído.
   5. Meça o S11 e exporte os dados como um arquivo .csv.
2. Medição do padrão de radiação
   1. Coloque a antena em uma câmara anecoica (4 m × 4 m × 4 m) em um posicionador motorizado.
   2. Alinhe o centro de fase da antena com o eixo de rotação.
   3. Use uma antena de buzina de ganho padrão como transmissor, posicionada a 3 m de distância.
   4. Ajuste o gerador de sinal para cada frequência alvo (850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz) com potência de saída de 0 dBm.
   5. Gire a antena em teste em incrementos de 5° e registre a potência recebida.
   6. Normalize padrões até o ganho máximo e plote em dB.
3. Avaliação da captação de energia em RF
   1. Conecte a antena a uma placa comercial de avaliação de captação de RF.
   2. Aplique um sinal RF de entrada em cada frequência alvo com potência de -20 dBm.
   3. Meça a tensão de saída DC em um resistor de carga de 1 kΩ usando um multímetro digital.
   4. Calcule a eficiência de RF para DC usando:
       
   5. Repita as medições três vezes e faça a média dos resultados.

Resultados

A Figura 1 mostra a geometria da antena proposta, que consiste em um patch semicircular radiante com dois entalhes retangulares simétricos e uma linha de alimentação CPW. A distribuição de corrente superficial em 1,8 GHz, como mostrado na Figura 2, confirma a forte concentração de corrente ao longo da linha de alimentação e das bordas inferiores do patch, consistente com o modo ressonante fundamental responsável...

Discussão

Uma estrutura monopolo simples modificada com dois entalhes retangulares simétricos é proposta para projetar uma antena monopolo UWB alimentada por CPW de banda larga, com uma faixa de frequência de funcionamento de 700 MHz a 25 GHz. Esta seção oferece uma interpretação metodológica crítica do protocolo, discute decisões de otimização e considerações de solução de problemas, compara o projeto com abordagens existentes e explora aplicações e desenvolvimentos futuros.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Acetone (Photoresist Stripper)	Fisher Chemical	A18-4	Pureza ≥ 99,5%
Ansys HFSS 2022 R2	Ansys Inc.		Versão: 2022 R2, Solver: Método dos Elementos Finitos (FEM)
Compact Anechoic Chamber	ETS-Lindgren	Model 5300	Dimensões internas: 4 m × 4 m × 4 m, Faixa de frequência: 700 MHz – 40 GHz
Copper Cladding	Generic PCB copper foil		Espessura = 35 µm (1 oz), Adesão = 1,5 N/mm²
CST Studio Suite 2022		Dassault Systèmes	Versão: 2022, Solver: Técnica de Integração Finita (FIT)
Digital Multimeter (DMM)	Keysight	34461A	Faixa de tensão DC: 0–100 V, Precisão: ±0,0035%
Digital USB Microscope	Celestron	44308	Magnificação: 10x–200x, Iluminação LED
Dry Photoresist Film	ORCAL	925	Espessura = 1,2 mil, Temperatura de laminação = 110 °C
Electronic Calibration Module (ECal)	Keysight	N4691B	Faixa de frequência: 10 MHz – 26,5 GHz, 2 portas
Ferric Chloride Etchant	MG Chemicals	415	Concentração = 40–42 °Baumé, Temperatura = 40 °C
FR4 Epoxy Laminate	Isola Group	FR408	εr = 4,3, tan δ = 0,025, Espessura = 1,6 mm, Dimensões = 125 mm × 95 mm
Hot Roll Laminator	GBC	H65	Faixa de temperatura: 80–140 °C, Velocidade: 0,5–3 m/min
Isopropyl Alcohol (Cleaning Agent)	Sigma-Aldrich	34863	Pureza = 99,9%
KiCad 7.0	KiCad EDA		Open-source, usado para verificação de arquivo Gerber
Lab Coat	Medline	DYNA23100	65% poliéster / 35% algodão
Lead-Free Solder Wire	Kester	245 No-Clean	Diâmetro = 0,8 mm, Composição: Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5
Motorized Antenna Positioner	Orbit	FR-959	Rotação azimuth: 0–360°, Elevação: ±180°, Resolução de passo: 0,1°
Nitrile Gloves	Kimberly-Clark	Kimtech	Sem pó, espessura: 5 mil
PCB Drill (for connector holes)	Proxxon	MICROMOT 50/E	Diâmetro da broca: 1,2 mm (para furos de montagem SMA)
Powercast P2110B Evaluation Board	Powercast Corporation		Rede de correspondência integrada, retificador Schottky e capacitor de armazenamento
Precision Tweezers	Excelta	225A-SF	Antimagnético, aço inoxidável
RF Signal Generator	Keysight	N5172B	Faixa de frequência: 9 kHz – 13,6 GHz, Potência de saída: +23 dBm
Safety Goggles	Uvex	Stealth	Antiembaçante, proteção UV
SMA Cable, 50 Ω	Huber+Suhner	Sucoflex 104	Comprimento = 1 m, Faixa de frequência: DC – 26,5 GHz, Perda de inserção < 0,5 dB a 18 GHz
SMA Female PCB Edge Mount Connector	Amphenol	901-9871	50 Ω, Faixa de frequência: DC–18 GHz
Sodium Carbonate (Developer)	Sigma-Aldrich	451614	Concentração = 1% p/v em água desionizada
Standard Gain Horn Antenna	ETS-Lindgren	3164-05	Faixa de frequência: 800 MHz – 5 GHz, Ganho: 6–12 dBi
UV LED Exposure System	M&R	Saturn 2	Comprimento de onda: 365 nm, Potência: 120 W
Vector Network Analyzer (VNA)	Keysight	N5222B	Faixa de frequência: 10 MHz – 26,5 GHz, Portas: 2