Σχεδιασμός Πολισυχνοτικών και Ευρυζωνικών Rectennas για Συγκομιδή RF Ενέργειας από Ασύρματα Δίκτυα Τηλεπικοινωνιών
Creators: name: Κορομπίλης Γεώργιος Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Συγκομιδή RF Ενέργειας
Κεραία - Ανορθωτής
Rectennas
RF Energy Harvesting
Antennas – Rectifiers

description: Με την συνεχή ανάπτυξη των τεχνολογιών του ΔτΠ, και συγκεκριμένα των συστημάτων αισθητήρων, η ανάγκη για αυτοβιωσιμότητα γίνεται συνεχώς μεγαλύτερη. Η αυτοβιωσιμότητα μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση «πράσινων» πηγών ενέργειας, η με άλλα λόγια, τύπων ενέργειας που υπάρχουν στο περιβάλλον των αισθητήρων και δεν αξιοποιούνται. Η χρήση της περιβάλλουσας ενέργειας ραδιοσυχνοτήτων για αυτόν τον σκοπό, ονομάζεται συγκομιδή ενέργειας ραδιοσυχνοτήτων (RF energy harvesting). Η συγκεκριμένη εργασία έχει ως σκοπό τον σχεδιασμό συστημάτων συγκομιδής ενέργειας ραδιοσυχνοτήτων, που ονομάζονται rectennas (rectifier + antenna). Οι rectennas αποτελούνται κυρίως από μία κεραία που συλλέγει την περιβάλλουσα RF ενέργεια, ένα δικτύωμα προσαρμογής, και έναν ανορθωτή που μετατρέπει τα συλλεγόμενα σήματα από AC σε DC, καθώς και ένα φορτίο όπου καταλήγει αυτή η ενέργεια ή μια μονάδα όπου αποθηκεύεται. Για λόγους απλότητας, ως φορτίο θεωρείται μία μπαταρία, η οποία δεν μελετάτε στην εργασία αυτή, ενώ ο ανορθωτής επιλέχθηκε να είναι ένας διπλασιαστής τάσης Greinacher, σε όλα τα μελετώμενα κυκλώματα ανόρθωσης (με εξαίρεση το R2, όπου το κύκλωμα είναι πιο περίπλοκο). Το πρώτο βήμα για την υλοποίηση του του βασικού στόχου της έρευνας αυτής ήταν η ανάπτυξη μιας καινοτόμου κεραίας και ακολούθησε η σχεδίαση μιας σειράς κυκλωμάτων ανόρθωσης, τα οποία αποτελούνται από ένα δικτύωμα προσαρμογής, και τον προαναφερθέντα ανορθωτή. Η κεραία είναι μικροταινιακού τύπου και αρκετές καινοτόμες δομές κεραιών σχεδιάστηκαν για τις προτεινόμενες rectennas. Ξεκινώντας με μια απλή κεραία microstrip κυκλικής μορφής και μετά από αρκετές διαδοχικές τροποποιήσεις της επιφάνειάς τους δημιουργήθηκαν νέες μικροταινιακές κεραίες. Η βέλτιστη από αυτές έχει μέγεθος 79.42mm x 79.42mm και η μέγιστη απολαβή (Gain) που επιτυγχάνει είναι 2.7dB στα 1.8GHz, 3.16dB στα 2.1GHz, 3.81dB στα 2.45GHz και ̴4dB στα 2.6GHz. Η κεραία είναι δομημένη σε διηλεκτρικό υπόστρωμα με διηλεκτρική σταθερά εr=3.75(Isola FR408) και πάχος 1.6mm. Η βέλτιστη αυτή κεραία χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη σύνθεση μιας επίπεδης στοιχειοκεραίας 2x2. Το μέγεθος της συστοιχίας είναι 163mm x 151mm και η μέγιστη απολαβή που επιτυγχάνει είναι 6.67dB στα 1.8GHz, 8.1dB στα 2.1GHz, 7.34dB στα 2.45GHz και 7.56dB στα 2.6GHz. Όπως φαίνεται από τα αποτελέσματα και τα δύο, η κεραία ενός στοιχείου και η αντίστοιχη συστοιχία λειτουργούν πολύ ικανοποιητικά, εκτός από τις τρεις ζώνες του αρχικού στόχου, και στη ζώνη LTE των 2,6 GHz. Συγκεκριμένα, η σχεδιασμένη νέα κεραία μπορεί να συλλέξει σήματα από 1,5 έως 2,68 GHz, με πολύ χαμηλό συντελεστή σκέδασης (S11 ≤ - 17 dB) στο μεγαλύτερο μέρος της ζώνης αυτής. Δοκιμάστηκε επίσης, μέσω προσομοιώσεων, ότι η ύπαρξη των τεσσάρων στοιχείων της στοιχειοκεραίας, σε σύγκριση με το ένα μόνο στοιχείο, αυξάνει την ποσότητα της συλλεγόμενης ραδιοσυχνοτικής ισχύος. Tρία ανορθωτικά κυκλώματα σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν. Σε όλα ο ανορθωτής ήταν ένας διπλασιαστής τάσης Greinacher (εκτός στο R2) ενώ το δικτύωμα προσαρμογής είναι αυτό που μεταβάλλεται, με την κεραία να απεικονίζεται ως μία πηγή ισχύος με τρεις τόνους – σήματα των 0 dBm ισχύος, στις στοχευόμενες συχνότητες: 1.8 GHz GSM, 2.1 GHz UMTS, and 2.45 GHz Wi-Fi. Το πρώτο κύκλωμα ανόρθωσης αποτελείται από ένα δικτύωμα προσαρμογής από συγκεντρωμένα στοιχεία (Lumped elements), και μπορεί να μετατρέψει από AC σε DC αποτελεσματικά, όπως και το αντίστοιχο S11 διάγραμμα επιβεβαιώνει (S11 ≈ -80 dB), στις συχνότητες 1.8 GHz GSM, 2.1 GHz UMTS, and 2.45 GHz Wi-Fi. Το δεύτερο είναι ένας πολλαπλασιαστής τάσης έξι σταδίων με τρία πηνία σε τρεις διακλαδώσεις του (οδηγώντας σε ένα κύκλωμα που δεν συμπεριφέρεται ως ένας πολλαπλασιαστής έξι σταδίων), που μετατρέπει αποτελεσματικά (S11 ≈ -80 dB) από AC σε DC, σήματα των ίδιων συχνοτήτων, με εξαίρεση τα 1.8 GHz, όπου S11 = -8 dB και συνεπώς η μετατροπή δεν είναι τόσο αποτελεσματική. Τέλος, στο τρίτο κύκλωμα ανόρθωσης, σχεδιάστηκε ένα δικτύωμα προσαρμογής αποτελούμενο από μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς, και ύστερα από τροποποιήσεις και βελτιστοποιήσεις, επιτεύχθηκε αποτελεσματική (S11 ≈ -80 dB) μετατροπή από AC σε DC στις τρεις συχνότητες στόχους. Όλα τα κυκλώματα, δικτύωμα προσαρμογής συν ανορθωτής, δοκιμάστηκαν μέσω προσομοιώσεων χρησιμοποιώντας την πηγή ισχύος με τρία σήματα στις επιλεγμένες συχνότητες με ισχύ 0 dBm (απεικόνιση της κεραίας στο κύκλωμα). Το βέλτιστο (αλλά και υλοποιήσιμο) κύκλωμα βρέθηκε να δίνει στην έξοδο του ανορθωτή τάση DC ίση με 3,7 Volts. Πραγματοποιήθηκε επίσης έρευνα σχετικά με την ικανότητα της σχεδιασμένης νέας κεραίας να συλλέγει RF ενέργεια από το περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ένας απλός ανορθωτής διπλασιασμού τάσης και συνδέθηκε απευθείας με την είσοδο της κεραίας. Προσομοιώνοντας, μέσω ηλεκτρομαγνητικού λογισμικού, ολόκληρη την rectenna (κεραία + ανορθωτής), διαπιστώθηκε ότι σε περίπτωση προσπίπτοντος επιπέδου κύματος με ένταση ηλεκτρικού πεδίου πλάτους 1Volt, εμφανίζεται τάση DC 0,263Volts στην έξοδο του ανορθωτή. Όταν δίκτυο προσαρμογής, σχεδιασμένο από συγκεντρωμένα στοιχεία, συνδέθηκε μεταξύ της κεραίας και του ανορθωτή, η προσομοίωση ολόκληρης της δομής έδειξε ότι η τάση DC είναι 0,51Volts. Μελετήθηκαν επίσης δύο άλλες τοπολογίες δικτύων προσαρμογής που αποτελούνται από τμήματα μικροταινιακών γραμμών(microstrip stubs). Σε αυτές τις περιπτώσεις οι DC τάσεις εξόδου βρέθηκαν, μέσω προσομοίωσης, να είναι 0,377Volts και 0,473Volts
description: With the constant development of the IoT technologies, and especially the sensor systems, the demand for self-sustainability is getting greater and greater. Self-sustainability is achieved by using green sources of energy, or in other words, energy that exists in the ambient environment of the sensor and is not utilized. The use of RF ambient energy for this cause, is called RF energy harvesting. The present thesis had as a goal the design of RF energy harvesting systems called rectennas. Rectennas are mainly consisted of an antenna that collects RF ambient energy, a matching network, and a rectifier that converts the collected signals from AC to DC, and a load that the energy is fed to. The goal of this research, was the synthesis of a rectenna system with target bands of operation at 1.8 GSM. 2.1 UMTS and 2.4 Wi-Fi bands. Thus, the main aim was the development of a novel antenna, a matching network and the rectifying circuit. The rectifiers are chosen to be, in almost (exception is rectifier R2, whose design is more complex) all the experiments, regardless of the matching network, the special circuitry of a Greinacher voltage doubler. The antenna is of microstrip type and several novel antenna structures were designed for the proposed rectennas. Starting with a simple microstrip antenna of circular form and after several successive modifications of their surface novel microstrip antennas were obtained. The best one of them has size 79.42mm x 79.42mm and the maximum gain it obtains is 2.7dB at 1.8GHz, 3.16dB at 2.1GHz, 3.81dB at 2.45GHz and ̴4dB at 2.6GHz. It is structured on dielectric substrate of dihlectric constant εr=3.75(Isola FR408) and thickness 1.6mm. The optimum element was also used for the synthesis of a plana 2x2 antenna array. The size of the array is 163mm x 151mm and the maximum gain it obtains is 6.67dB at 1.8GHz, 8.1dB at 2.1GHz, 7.34dB at 2.45GHz and 7.56dB at 2.6GHz. As shown from the results both, the single element antenna and the respective array operate very satisfactory, besides in the three bands of the intitial target, in the LTE band of 2.6 GHz as well. Specifically, the designed novel antenna can operate - collect signals from 1.5 to 2.68 GHz, with a very low scattering coefficient (S11 ≤ - 17 dB) within the most of the band. It was also tested, via simulations, that the existence of four collecting patches in the array, compared to a single element, increases the amount of collected RF power. Rectifying circuits of greinacher voltage doubler type, and, three novel matching circuits were synthesized properly to operate at the frequencies of interest. Rectifiers and matching networks were designed with characteristis suitable for connection with the designed antenna, in order to function as integral rectennas. Specifically, all the circuitries, matching network plus rectifier, were tested via simulations using the power source (depicting the collecting antenna) with three tones at the afformentioned target frequencies (1.8 GHz, 2.1 GHz, 2.45 GHz), each of which with power 0 dBm. The optimum (and realistic) circuit was found to give at the output of the rectifier DC voltage equal to 3.7 Volts. Research on the capability of the designed novel antenna to harvest ambient RF energy was also made. For this purpose a voltage doubling simple rectifier was used and connected directly to the input of the antenna. Simulating, via electromagnetic software, the entire rectenna(antenna+rectifier), it was found that in case of an incident plane wave with electric field intentsity of amplitude 1Volt, DC voltage of 0.263Volts appears at the rectifier’s output. When a matching network, designed by lumped elements, was connected between the antenna and the rectifier, the simulation of the whole structure showed that the DC voltage is 0.51Volts. Two other topologies of matching networks consisting of microstrip stubs were also studied. In these cases the DC output voltages were found, via simulation, to be 0.377Volts and 0.473Volts