Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Копланарная волноводная сверхширокополосная монопольная антенна для радиочастотного сбора энергии

225 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/70346

⸱

7 августа 2026 г.

 ,  ,  , 
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)

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол определяет моделирование, проектирование, тестирование и изготовление недорогой антенны с копланарным волноводом (CPW) сверхширокополосной (UWB) для радиочастотного сбора энергии (RFEH) в нескольких диапазонах связи.

Аннотация

RFEH на базе беспроводной зарядки — это перспективная технология для питания низкоэнергетических устройств Интернета вещей (IoT); однако его эффективность всё ещё ограничена конструкцией антенны и согласованием импедансов. В этой работе разработана печатная антенна, подходящая для RFEH, с CPW-сигналом. Антенна состоит из полукруглой фрактальной кривой, похожей на радиационный участок фигового листа, с прямоугольными выемками для изготовления на недорогом субстрате FR4. Она имеет рабочую пропускную способность от 700 МГц до 3 ГГц, охватывая ключевые коммуникационные диапазоны, включая GSM, WLAN, ISM и Wi-Fi. Численное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения для вычислительного электромагнитного моделирования. Экспериментальная работа продемонстрировала пригодность этой антенны для стабильных всенаправленных диаграмм излучения и успешной эффективности преобразования РЧ в DC на пяти целевых частотах, включая 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц и 2400 МГц. Антенна обладает потенциалом для питания низкоэнергетических IoT-устройств в условиях окружающей радиочастоты. Предлагаемая работа направлена на сравнение измеренных и смоделированных результатов. Наконец, сравниваются численные и экспериментальные результаты, которые демонстрируют удивительное совпадение.

Введение

Недавние достижения в системах беспроводной связи, таких как 5G, 6G и IoT 1,2,3,4, привели к росту спроса на эффективные решения RFEH. Городская среда наполнена окружающими радиочастотными сигналами от сотовых базовых станций, Wi-Fi точек доступа и вещательных передатчиков, что делает их подходящим паразитным источником энергии для низкоэнергетических электронныхустройств 5,6,7. В частности, UWB-антенны, такие как монопольные конфигурации, хорошо подходят для радиочастотного сбора энергии, главным образом благодаря широкой мгновенной полосе пропускания, простой плоской геометрии и простой интеграции с выпрямляющимисхемами 8. Структура подачи CPW предлагает дополнительные преимущества, включая лучшее согласование импеданса, снижение паразитного излучения от линии подачи и упрощение изготовления без задней поверхностиземли 9.

Хотя было сообщено о нескольких антеннах UWB для общей беспроводной связи, многие из них предназначены для сохранения точности сигнала или импульсов, а не для широкополосного преобразования энергии РЧ в DC в конкретных коммерческих частотныхдиапазонах 10,11. Другие современные направления включают компактные высококоэффициентныеконструкции 12, антенны, специфичные для ректенны, с интегрированными сетямисогласования 13 и настраиваемыеструктуры 14 для когнитивного радио. Однако эти методы обычно опираются на многослойные подложки, сложные процессы травления или узкополосные резонаторы, что ограничивает их использование в многополосных условиях сбора в окружающей атмосфере. По сравнению с предыдущим уровнем техники, настоящая работа предлагает четыре практических улучшения в прямом сравнении, а именно: (1) полностью печатная однослойная конструкция FR4, которая снижает стоимость изготовления и сложность по сравнению с многослойными или высокочастотнымиламинатными решениями 15,16; (2) Рабочая полоса пропускания от 700 МГц до 25 ГГц, охватывающая одновременно диапазоны GSM (Global System for Mobile Communications), DCS, PCS и Wi-Fi, тогда как многие предыдущие антенны охватывали меньшее или прерывистыедиапазоны 17, 18; (3) Явная экспериментальная валидация в системе сбора (измерение эффективности от РЧ к постоянному току по пяти дискретным частотам), а не только по S11 или характеристикеусиления 19,20; (4) Полукруглая геометрия с прямоугольными вырезами, подаваемая CPW, обеспечивающая широкополосное сопоставление без проходных отверстий или дефектов грунтовых структур, облегчая воспроизводимость в условиях с ограниченнымиресурсами 21.

Технология радиочастотного сбора окружающей среды многообещающая, но практические реализации страдают от хорошо задокументированных ограничений. Плотность мощности окружающих радиочастотных полей в городских условиях обычно составляет диапазон от 0,1 мкВт/см 2 до 1 мкВт/см², что соответствует принятым уровням мощности порядка от -30 дБм до -10 дБм для компактнойантенны 22,23. Поэтому мы стремимся к входному РЧ мощности -20 дБм в этой работе для оценки сбора в рамках сценариев среднего расстояния. Здесь используются IoT-датчики на основе «низкоэнергетических устройств», носимые устройства и беспроводные узлы, требующие средней постоянной мощности от 100 мкВт до 1мВт 24. Одно известное ограничение, которое мы ожидаем здесь и которое мы возвращаемся в разделе обсуждения, — использование субстрата FR4 с тангенсом потерь (tan δ = 0,025), которая снижает эффективность выше примерно 2 ГГц; однако целевые диапазоны (до 2,4 ГГц) и расширенный диапазон UWB по-прежнему подходят для сбора благодаря широкому сопротивлению25.

Предлагается монопольная антенна UWB с питаемой CPW с полукруглым участком и двумя симметричными прямоугольными вырезами, специально разработанная для сбора радиочастотной энергии в GSM на 850/900 МГц, DCS на 1800 МГц, PCS на 1900 МГц и Wi-Fi на частотах 2400 МГц. Новизна заключается в геометрической простоте, экспериментально проверенной широкой полосе пропускной способности и прямой демонстрации преобразования РЧ в DC на плате для оценки сбора. Насколько нам известно, недорогой, печатный монопольный UWB, специально разработанный для многодиапазонного сбора энергии на этих пяти частотах с использованием коммерческого выпрямителя, остаётся недостаточноизученным 26, 27 и 28.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Используемые расходные материалы, оборудование и программное обеспечение перечислены в Таблице материалов.

1. Проектирование и моделирование антенн

  1. Выбор подложки и начальная геометрия
    1. Выберите подложку FR4 с диэлектрической постоянной (εr) 4,3, тангенсом потерь (tangent δ) 0,025 и размерами 125 мм × 95 мм × 1,6 мм, как показано на рисунке 1.
    2. Откройте программное обеспечение для моделирования электромагнитного поля. Создайте новый проект и установите единицы в миллиметрах.
    3. Определите материал подложки с помощью встроенной модели FR4.
    4. Нарисуйте полукруглый медный участок (радиус = 40 мм) и прямоугольную землю (95 мм × 40 мм) на одном слое.
    5. Вставьте 50 Ω CPW кабель подачи (ширина = 3 мм, зазор = 0,5 мм), подключённую к патч.
  2. Оптимизация геометрии для производительности UWB
    1. Добавьте две прямоугольные выемки (ширина = 3 мм, глубина = 5 мм) симметрично на нижнем краю полукруглого участка.
    2. Расширите кабель подачи CPW под углом 20° для улучшения согласования импеданса.
    3. Проведите параметрическую стрелку с изменяющей шириной выемки (1–5 мм), глубиной выемки (2–10 мм) и углом расширения (10°–30°).
    4. Установите диапазон частот от 0,5 МГц до 3 ГГц. Используйте решатель временной области при открытых граничных условиях.
    5. Определите дискретный порт на линии подачи. Добавьте частотный монитор для дальнего излучения. Поверхностный ток антенны оценивается, как показано на рисунке 2.
    6. Смоделируйте и проверьте S11. Повторяйте до S11 < -10 дБ с 0,5 МГц до 3 ГГц.
  3. Перекрёстная проверка с альтернативным программным обеспечением
    1. Извлеките итоговую геометрию конструкции антенны в виде . Файл SAT.
    2. Запустите программное обеспечение конечных элементов электромагнитного моделирования после импорта предлагаемой модели.
    3. Присваивать одни и те же свойства материала и граничные условия.
    4. Используйте метод конечных элементов (FEM). Установите частотный диапазон с 0,5 МГц до 3 ГГц с 2001 точкой.
    5. Сравнение спектров S11 и диаграмм излучения от решателя CST для подтверждения согласованности.

2. Изготовление антенн

  1. Подготовка компоновки печатных плат
    1. Из CST экспортируйте финальный дизайн в файл Gerber для верхнего и заднего слоёв.
    2. Запустите файл Gerber в программном обеспечении для проектирования печатных плат (KiCad) и уточните размеры.
    3. Создайте файл для сверления NC, чтобы отверстия SMA.
  2. Процесс фотолитографии
    1. Очистите субстрат FR4 изопропиловым спиртом и хорошо высушите.
    2. Накройте сухие фоторезистные пленки на рассматриваемую подложку при температуре 115 °C.
    3. Напечатайте слой антенны на прозрачной плёнке с помощью принтера высокого разрешения.
    4. Прижмите пленочную маску с выравниванием на подложке, чтобы она находилась под ультрафиолетовым излучением в течение 50 секунд.
    5. Проявление субстрата в растворе карбоната натрия 1,5% w/v должно длиться 70 секунд.
    6. Прополосните деионизированной дистиллированной водой и высушите свежим воздухом.
  3. Гравировка и отделка
    1. Травите открытую медь с помощью раствора хлорида железа (45 °C) в течение 6–12 минут.
    2. Прекратите травление после удаления ненужной меди.
    3. Снимите остаточный фоторезист ацетоном.
    4. Припаять разъём SMA к предполагаемой линии подачи CPW с помощью безпроводного припоя, как показано на рисунке 3.
    5. Проверьте антенну под микроскопом на наличие несовершенств.

3. Экспериментальные измерения и характеристики

  1. Измерение спектров S11
    1. Подключите антенну к анализатору спектра мощности через гибкий коаксиальный кабель Ω 50 .
    2. Применяйте полный двухпортовый процесс калибровки с использованием электронного калибровочного комплекта.
    3. Выполните частотный диапазон от 0,5 МГц до 3 ГГц с 2001 точкой и полосой пропускания IF 1 кГц.
    4. Наносите среднее более 10 разрезов, чтобы минимизировать шум.
    5. Измеряйте S11 и экспортируйте данные в виде .csv файла.
  2. Измерение диаграммы излучения
    1. Поместите антенну в безэховую камеру (4 м × 4 м × 4 м) на моторизованном позиционировании.
    2. Выровняйте фазовый центр антенны с осью вращения.
    3. Используйте стандартную антенну с ротором усиления в качестве передатчика, расположенную на расстоянии 3 м.
    4. Установите генератор сигнала на каждую целевую частоту (850, 900, 1800, 1900, 2400 МГц) с выходной мощностью 0 дБм.
    5. Поворачивайте тестируемую антенну с шагом в 5° и фиксируйте приёмную мощность.
    6. Нормализуйте паттерны до максимального усиления и постройте график в дБ.
  3. Оценка сбора энергии РЧ
    1. Подключите антенну к коммерческой оценочной плате для радиосигнального сбора.
    2. Подайте входной радиочастотный сигнал на каждой целевой частоте с мощностью -20 дБм.
    3. Измерьте выходное напряжение постоянного тока на резисторе нагрузки 1 кОм с помощью цифрового мультиметра.
    4. Рассчитайте эффективность РЧ-тока с помощью следующих параметров:
       figure-protocol-1
    5. Повторите измерения три раза и усредняйте результаты.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На рисунке 1 показана геометрия предлагаемой антенны, которая состоит из полукруглого излучающего участка с двумя симметричными прямоугольными вырезами и линией подачи CPW. Распределение поверхностного тока на 1,8 ГГц, как показано на рисунке 2, подтверждает сильную концентрацию тока вдоль линии подачи и нижних краёв участка, что соответствует фундаментальному резонансному режиму, отвечающему за согласование шир...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Предлагается простая модифицированная монопольная структура с двумя симметричными прямоугольными вырезами для проектирования широкополосной UWB-монопольной антенны с питаемой CPW с рабочим частотным диапазоном от 700 МГц до 25 ГГц. В этом разделе предлагается критическая методологическая интерпретация протокола, обсуждаются решения по оптимизации и аспекты устранения неполадок, сравниваются конструкции с существующими подходами, а также рассматриваются будущие применения и разработки.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о конкурирующих интересах.

Благодарности

Авторы благодарят Международный центр прикладных и теоретических исследований (IATRC) за техническую поддержку.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Ацетон (средство для снятия фоторезистов)Fisher ChemicalA18-4Чистота ≥ 99,5%
Ansys HFSS 2022 R2Ansys Inc.Версия: 2022 R2, Солвер: Метод конечных элементов (МКЭ)
Компактная анэхоичная камераETS-LindgrenМодель 5300Внутренние размеры: 4 м × 4 м × 4 м, Частота: 700 МГц – 40 ГГц
Медная обкладкаОбщая медная фольга для ПЦПТолщина = 35 мкм (1 унция), Сцепление = 1,5 Н/мм²
CST Studio Suite 2022Dassault SystèmesВерсия: 2022, Солвер: Метод конечных интегралов (МКИ)
Цифровой мультиметр (ЦМ)Keysight34461AДиапазон напряжения постоянного тока: 0–100 В, Точность: ±0,0035%
Цифровой USB микроскопCelestron44308Увеличение: 10×–200×, Светодиодное освещение
Сухая фоторезистная пленкаORCAL925Толщина = 1,2 мили, Температура ламинирования = 110 °C
Электронный калибровочный модуль (ECal)KeysightN4691BДиапазон частот: 10 МГц – 26,5 ГГц, 2-портовый
Печь на основе хлорида железаMG Chemicals415Концентрация = 40–42 °Боме, Температура = 40 °C
Эпоксидный ламинат FR4Isola GroupFR408εr = 4,3, tan δ = 0,025, Толщина = 1,6 мм, Размеры = 125 мм × 95 мм
Горячий ламинаторGBCH65Температурный диапазон: 80–140 °C, Скорость: 0,5–3 м/мин
Изопропиловый спирт (очистное средство)Sigma-Aldrich34863Чистота = 99,9%
KiCad 7.0KiCad EDAОткрытый исходный код, используется для проверки файлов Gerber
Лабораторный халатMedlineDYNA2310065% полиэстер / 35% хлопок
Безсвинцовая паяльная проволокаKester245 No-CleanДиаметр = 0,8 мм, Состав: Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5
Моторизованный позиционер антенныOrbitFR-959Повороты по азимуту: 0–360°, Повороты по высоте: ±180°, Шаговая разрешающая способность: 0,1°
Нитриловые перчаткиKimberly-ClarkKimtechБез пыли, толщина: 5 мили
Сверло для ПЦП (для отверстий под разъемы)ProxxonMICROMOT 50/EДиаметр сверла: 1,2 мм (для монтажных отверстий SMA)
Плата оценки Powercast P2110BPowercast CorporationИнтегрированная согласующая сеть, Шоттки ректификатор и конденсатор хранения
Прецизионные пинцетыExcelta225A-SFАнтимагнитные, нержавеющая сталь
Генератор РЧ сигналовKeysightN5172BДиапазон частот: 9 кГц – 13,6 ГГц, Выходная мощность: +23 дБм
Защитные очкиUvexStealthПротивотуманные, защита от УФ
Кабель SMA, 50 ΩHuber+SuhnerSucoflex 104Длина = 1 м, Диапазон частот: DC – 26,5 ГГц, Потери при вводе < 0,5 дБ на 18 ГГц
Женский разъем PCB для крайнего монтажаAmphenol901-987150 Ω, Диапазон частот: DC–18 ГГц
Карбонат натрия (девелопер)Sigma-Aldrich451614Концентрация = 1% по массе в деионизированной воде
Стандартная рупорная антеннаETS-Lindgren3164-05Диапазон частот: 800 МГц – 5 ГГц, Коэффициент усиления: 6–12 дБи
Система экспозиции с УФ светодиодамиM&RSaturn 2Длина волны: 365 нм, Мощность: 120 Вт
Векторный сетевой анализатор (VNA)KeysightN5222BДиапазон частот: 10 МГц – 26,5 ГГц, Порты: 2

Ссылки

  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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Инженериявыпуск 234выпуск 234пустое значениевыпускUWBсбор радиочастотной энергии.
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.