Radyo frekansı enerji toplama uygulamaları için ultra geniş bantlı monopol anten ile beslenen koplanar dalgakılavuz

Özet

Bu protokol, birden fazla iletişim bandı boyunca radyo frekansı enerji hasamı (RFEH) için düşük maliyetli, aynı düzlemsel dalgakılavuz beslemeli (CPW) Ultra Geniş Bant (UWB) anteninin simülasyonu, tasarımı, test ve üretimini tanımlar.

Özet

Kablosuz şarj temelli RFEH, düşük enerjili Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazlarını beslemek için umut vadeden bir teknolojidir; ancak verimliliği anten tasarımı ve empedans eşleştirme ile hâlâ sınırlıdır. Bu çalışmada, RFEH için uygun bir basılı anten CPW beslemesi ile geliştirilmiştir. Anten, yarı dairesel bir fraktal eğriden oluşur; bu, bir incir yaprağı ağacı yayımlayan yamaya benziyor ve FR4 düşük maliyetli bir alt tabaka üzerinde dikdörtgen çentikler üretilebilir. 700 MHz'den 3 GHz'e kadar olan operasyonel bant genişliğine sahiptir ve GSM, WLAN, ISM ve Wi-Fi uygulamaları dahil olmak üzere önemli iletişim bantlarını kapsar. Sayısal simülasyonlar, hesaplamalı elektromanyetik modelleme yazılımı kullanılarak gerçekleştirildi. Deneysel çalışmalar, bu antenin stabil omnidirectional radyasyon desenleri ve 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz ve 2400 MHz dahil olmak üzere beş hedef frekansta başarılı RF-den DC'ye dönüşüm verimliliğine uygunluğunu gösterdi. Anten, ortam RF koşullarında düşük enerjili IoT cihazlarını besleme potansiyeli gösteriyor. Önerilen çalışma, ölçülen ve simüle edilen sonuçları karşılaştırmayı amaçlamaktadır. Son olarak, sayısal ve deneysel sonuçlar karşılaştırılır ve dikkat çekici bir uyum gösterir.

Giriş

5G, 6G ve IoT 1,2,3,4 gibi kablosuz iletişim sistemlerindeki son gelişmeler, verimli RFEH çözümlerine olan talebin artmasına yol açmıştır. Kentsel ortamlar, hücresel baz istasyonlarından, Wi-Fi erişim noktalarından ve yayın vericilerinden gelen ortam RF sinyalleriyle doludur; bu da onları düşük enerjili elektronik cihazlar için uygun bir parazitik güç^{kaynağı yapar 5,6,7}. Özellikle, monopol konfigürasyonları gibi UWB antenleri, geniş anında bant genişliği, basit düzlemsel geometri ve doğrultucu devreleriyle kolay entegrasyonları nedeniyle RF enerji toplama uygulamaları^{için oldukça uygundur 8}. Besleme CPW yapısı, daha iyi empedans uyumu, besleme hattından gelen parazitik radyasyonun azalması ve arka taraf toprak düzlemleri olmadan daha kolay üretim gibi ek avantajlar^{sunar 9}.

Genel kablosuz iletişim için birkaç UWB anten bildirilmiş olsa da, birçoğu belirli ticari frekans^bantlarında geniş bantlı RF-DC enerji dönüşümü yerine sinyal saliiti veya darbe koruma için tasarlanmıştır. Son zamanlarda diğer yönler arasında kompakt yüksek kazançlı^{tasarımlar 12}, entegre eşleştirme ağları¹³ olan rectenna'ya özgü antenler ve bilişsel radyo için ayarlanabilir^{yapılar 14} yer almaktadır. Ancak bu teknikler genellikle çok katmanlı substratlara, karmaşık gravür süreçlerine veya dar bantlı rezonatörlere dayanır ve bu da ortam çok bantlı hasat senaryolarında kullanımlarını sınırlar. Önceki teknolojiye kıyasla, mevcut çalışma doğrudan karşılaştırmada dört pratik iyileştirme sunuyor: (1) Çok katmanlı veya yüksek frekanslı laminat çözümlere kıyasla üretim maliyetini ve karmaşıklığını azaltan, tamamen basılabilir, tek katmanlı FR4^{tasarımı 15,16}; (2) 700 MHz'den 25 GHz'e kadar olan bir operasyonel bant genişliği, GSM (Mobil İletişim Küresel Sistemi), DCS, PCS ve Wi-Fi bantlarını aynı anda kapsamak, oysa önceki antenlerin çoğu daha az veya kesintili^{bantları kapsamaktadır 17,18}; (3) Sadece S₁₁ veya kazanç^{karakterizasyonu 19,20} yerine hasat kurulumunda açık deneysel doğrulama (beş ayrı frekansta RF-to-DC verimlilik ölçümü); (4) CPW ile beslenen, dikdörtgen oluk içeren yarı dairesel geometri, delikler veya kusurlu zemin yapıları olmadan geniş bant uyumu sağlar ve düşük kaynak gerektiren ayarlarda tekrarlanabilirliği kolaylaştırır²¹.

RF ortam hasadı teknolojisi umut verici, ancak pratik gerçekler iyi belgelenmiş kısıtlamalarla mücadele ediyor. Kentsel ortamlarda ortam RF alanlarının güç yoğunluğu genellikle 0.1 μW/^{cm 2} ile 1 μW/^cm 2 arasında değişir; bu da kompakt^{anten 22,23} için -30 dBm ile -10 dBm arasında alınan güç seviyelerine karşılık gelir. Bu nedenle, bu çalışmada hasat değerlendirmesi için orta mesafeli ortam senaryoları kapsamında giriş RF güç seviyesi -20 dBm olmasını hedefliyoruz. Burada, ortalama 100 μW ile 1 mW²⁴ arasında DC gücü gerektiren "düşük enerjili cihazlar" tabanlı IoT sensörleri, giyilebilir cihazlar ve kablosuz düğümler. Burada beklediğimiz ve Tartışma bölümünde tekrar ele aldığımız bilinen bir sınırlama, yaklaşık 2 GHz'in üzerinde verimliliği düşüren bir kayıp teğetli (tan δ = 0.025) FR4 altının kullanılmasıdır; ancak hedef bantları (2.4 GHz'e kadar) ve genişletilmiş UWB aralığı, geniş empedans^{eşleşmesi 25} sayesinde hasat için hâlâ uygundur.

CPW ile beslenen, yarım dairesel yama ve iki simetrik dikdörtgen çentikli bir UWB monopol anten önerilmiştir; bu anten, GSM'de 850/900 MHz, DCS 1800 MHz, PCS 1900 MHz ve Wi-Fi frekans bantlarında RF enerji toplama için özel olarak tasarlanmıştır. Yenilik, geometrik sadeliğinde, deneysel olarak doğrulanmış geniş bant genişliğinde ve RF'den DC'ye dönüşümün doğrudan hasat değerlendirme panosunda gösterilmesinde yatmaktadır. Bildiğimiz kadarıyla, bu beş frekansta çoklu bantlı enerji hasamı için özel olarak tasarlanmış düşük maliyetli, bastırılabilir bir UWB monopolü, ticari bir doğrultucu kullanılıyor ve henüz keşfedilmemiş^durumda 26,27,28.

Protokol

Kullanılan tüketim malzemeleri, ekipman ve yazılımlar Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.

1. Anten tasarımı ve simülasyonu

1. Substrat seçimi ve başlangıç geometrisi
   1. Dielektrik sabitimi (εr) 4.3, kayıp teğeti (tan δ) 0.025 ve boyutları 125 mm × 95 mm × 1.6 mm boyutlarına sahip bir FR4 alt tabakası seçin; Şekil 1'de görülmüştür.
   2. Elektromanyetik alan simülasyon yazılımını açın. Yeni bir proje oluşturun ve birimleri milimetreye ayarlayın.
   3. Dahili FR4 modelini kullanarak substrat malzemesini tanımlayın.
   4. Aynı tabaka üzerine yarım dairesel bir bakır leke (yarıçapı = 40 mm) ve dikdörtgen bir zemin düzlemi (95 mm × 40 mm) çizin.
   5. Yamaya bağlı 50 Ω CPW besleme hattı (genişlik = 3 mm, boşluk = 0,5 mm) takın.
2. UWB performansı için geometri optimizasyonu
   1. Yarım dairesel yamanın alt kenarına simetrik olarak iki dikdörtgen çentik ekleyin (genişlik = 3 mm, derinlik = 5 mm).
   2. CPW besleme hattını 20° açıda flaşlatarak empedans uyumunu iyileştirin.
   3. Yarık genişliği (1–5 mm), çentik derinliği (2–10 mm) ve parlama açısı (10°–30°) değişen parametrik bir süpürme yapın.
   4. Frekans aralığını 0.5 MHz ile 3 GHz arasında ayarlayın. Açık sınır koşullarıyla Zaman Alanı Çözücüsünü kullanın.
   5. Besleme hattında ayrık bir port tanımlayın. Uzak alan radyasyonu için bir frekans monitörü ekleyin. Anten yüzey akımı Şekil 2'de görüldüğü gibi değerlendirilmiştir.
   6. S11'i simüle edin ve kontrol edin. S11'e kadar yineleme yapın < -10 dB'yi 0.5 MHz'den 3 GHz'e kadar kullanın.
3. Alternatif yazılımlarla çapraz doğrulama
   1. Son anten tasarım geometrisini bir şekilde çıkar. SAT dosyası.
   2. Önerilen modeli içe aktardıktan sonra sonlu elemanlı EM simülasyon yazılımını çalıştırın.
   3. Aynı malzeme özelliklerini ve sınır koşullarını atan.
   4. Sonlu Eleman Yöntemi (FEM) tekniğini çalıştırın. Frekans taramasını 0.5 MHz'den 3 GHz'e 2001 puan ile ayarlayın.
   5. Tutarlılığı doğrulamak için S11 spektrumları ile CST çözücüsünden alınan radyasyon desenlerini karşılaştırmak.

2. Anten üretimi

1. PCB düzeni hazırlığı
   1. CST'den, nihai tasarımı hem üst hem de arka katmanlar için bir Gerber dosyasına aktarın.
   2. Gerber dosyasını bir PCB tasarım yazılımında (KiCad) çalıştırın ve boyutları doğrulayın.
   3. SMA delikleri için NC matkap dosyası oluşturun.
2. Fotolitografi süreci
   1. FR4 alt tabakasını izopropil alkolle temizleyin ve iyice kurutun.
   2. Kuru fotorezist filmleri 115 °C'de ilgili alt tabakaya kapla.
   3. Anten katmanını yüksek çözünürlüklü bir yazıcı kullanarak şeffaf bir film üzerine yazdırın.
   4. Film maskesini substrata hizalı şekilde bastırarak UV ışığına maruz bırakmak için 50 saniye boyunca basın.
   5. Substratı %1,5 w/v oranında sodyum karbonat çözeltisinde geliştirmek için 70 saniye olmalıdır.
   6. Deiyonize damıtılmış suyla durulayın ve temiz havayla kurutun.
3. Gravür ve bitirme
   1. Açıkta kalan bakırı ferrik klorür çözeltisi (45 °C) ile 6–12 dakika boyunca aşındırın.
   2. İstenmeyen bakırı çıkardıktan sonra gravür yapmayı bırakın.
   3. Kalan fotorezisti asetonla sökül.
   4. SMA konnektörünü önerilen CPW besleme hattına, Şekil 3'te gösterildiği gibi kurşunsuz lehim kullanarak lehimleyin.
   5. Antenin kusurlarını mikroskop altında kontrol edin.

3. Deneysel ölçümler ve karakterizasyonlar

1. S11 spektrum ölçümü
   1. Anteni, 50 Ω esnek bir koaksiyel kablo aracılığıyla güç spektrum analizörüne bağlayın.
   2. Elektronik kalibrasyon kiti kullanarak tam iki portlu kalibrasyon süreciyle uygulayın.
   3. 0.5 MHz ile 3 GHz arasındaki frekans aralığını, 2001 puan ve 1 kHz IF bant genişliği ile gerçekleştirin.
   4. Gürültüyü en aza indirmek için ortalama 10'dan fazla süpürme uygulayın.
   5. S11'i ölçüp verileri .csv dosyası olarak dışa aktarın.
2. Radyasyon deseni ölçümü
   1. Anteni, motorlu bir konumlayıcı üzerinde 4 m × 4 m × 4 m) yankılı bir odaya yerleştirin.
   2. Antenin faz merkezini dönme ekseni ile hizala.
   3. Verici olarak standart bir kazanç korna antenini kullanın, 3 m uzakta yerleştirilir.
   4. Sinyal üretecini her hedef frekansa (850, 900, 1800, 1900, 2400 MHz) ve 0 dBm çıkış gücüne ayarlayın.
   5. Test edilen anteni 5° aralıklarla döndürün ve alınan gücü kaydedin.
   6. Kalıpları maksimum kazanca normalize et ve dB ile çiz.
3. RF enerji hasadı değerlendirmesi
   1. Anteni ticari bir RF hasat değerlendirme panosuna bağlayın.
   2. Her hedef frekansta -20 dBm güçle bir giriş RF sinyali uygulayın.
   3. Dijital multimetre kullanarak 1 kΩ yük direnci üzerinden DC çıkış voltajını ölçün.
   4. RF-to-DC verimliliğini şu yöntemlerle hesaplayın:
       
   5. Ölçümleri üç kez tekrarlayın ve sonuçların ortalamasını alın.

Sonuçlar

Şekil 1, önerilen antenin geometrisini göstermektedir; bu anten, iki simetrik dikdörtgen çentik ve CPW besleme hattına sahip yarım dairesel bir radyasyon yamasından oluşmaktadır. Şekil 2'de gösterildiği gibi 1.8 GHz'deki yüzey akımı dağılımı besin hattı boyunca ve yamanın alt kenarlarında güçlü akım konsantrasyonunu doğrular; bu, geniş bant empedans eşleştirmesinden sorumlu temel rezonans moduyla uyumludur.

Tartışma

700 MHz ile 25 GHz arasında çalışma frekans aralığına sahip, geniş bantlı CPW beslemeli UWB monopol anten tasarlamak için iki simetrik dikdörtgen çentikli basit modifiye edilmiş bir monopol yapısı önerilmektedir. Bu bölüm, protokolün eleştirel bir metodolojik yorumunu sunar, optimizasyon kararlarını ve sorun giderme değerlendirmelerini tartışır, tasarımı mevcut yaklaşımlarla karşılaştırır ve gelecekteki uygulamaları ve geliştirmeleri inceler.

Performan...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Acetone (Photoresist Stripper)	Fisher Chemical	A18-4	Purity ≥ 99.5%
Ansys HFSS 2022 R2	Ansys Inc.		Version: 2022 R2, Solver: Finite Element Method (FEM)
Compact Anechoic Chamber	ETS-Lindgren	Model 5300	Internal dimensions: 4 m × 4 m × 4 m, Frequency range: 700 MHz – 40 GHz
Copper Cladding	Generic PCB copper foil		Thickness = 35 µm (1 oz), Adhesion = 1.5 N/mm²
CST Studio Suite 2022		Dassault Systèmes	Version: 2022, Solver: Finite Integration Technique (FIT)
Digital Multimeter (DMM)	Keysight	34461A	DC Voltage range: 0–100 V, Accuracy: ±0.0035%
Digital USB Microscope	Celestron	44308	Magnification: 10x–200x, LED illumination
Dry Photoresist Film	ORCAL	925	Thickness = 1.2 mil, Lamination temperature = 110 °C
Electronic Calibration Module (ECal)	Keysight	N4691B	Frequency range: 10 MHz – 26.5 GHz, 2-port
Ferric Chloride Etchant	MG Chemicals	415	Concentration = 40–42 °Baumé, Temperature = 40 °C
FR4 Epoxy Laminate	Isola Group	FR408	εr = 4.3, tan δ = 0.025, Thickness = 1.6 mm, Dimensions = 125 mm × 95 mm
Hot Roll Laminator	GBC	H65	Temperature range: 80–140 °C, Speed: 0.5–3 m/min
Isopropyl Alcohol (Cleaning Agent)	Sigma-Aldrich	34863	Purity = 99.9%
KiCad 7.0	KiCad EDA		Open-source, used for Gerber file verification
Lab Coat	Medline	DYNA23100	65% polyester / 35% cotton
Lead-Free Solder Wire	Kester	245 No-Clean	Diameter = 0.8 mm, Composition: Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5
Motorized Antenna Positioner	Orbit	FR-959	Azimuth rotation: 0–360°, Elevation: ±180°, Step resolution: 0.1°
Nitrile Gloves	Kimberly-Clark	Kimtech	Powder-free, thickness: 5 mil
PCB Drill (for connector holes)	Proxxon	MICROMOT 50/E	Drill bit diameter: 1.2 mm (for SMA mounting holes)
Powercast P2110B Evaluation Board	Powercast Corporation		Integrated matching network, Schottky rectifier, and storage capacitor
Precision Tweezers	Excelta	225A-SF	Anti-magnetic, stainless steel
RF Signal Generator	Keysight	N5172B	Frequency range: 9 kHz – 13.6 GHz, Output power: +23 dBm
Safety Goggles	Uvex	Stealth	Anti-fog, UV protection
SMA Cable, 50 Ω	Huber+Suhner	Sucoflex 104	Length = 1 m, Frequency range: DC – 26.5 GHz, Insertion loss < 0.5 dB at 18 GHz
SMA Female PCB Edge Mount Connector	Amphenol	901-9871	50 Ω, Frequency range: DC–18 GHz
Sodium Carbonate (Developer)	Sigma-Aldrich	451614	Concentration = 1% w/v in deionized water
Standard Gain Horn Antenna	ETS-Lindgren	3164-05	Frequency range: 800 MHz – 5 GHz, Gain: 6–12 dBi
UV LED Exposure System	M&R	Saturn 2	Wavelength: 365 nm, Power: 120 W
Vector Network Analyzer (VNA)	Keysight	N5222B	Frequency range: 10 MHz – 26.5 GHz, Ports: 2