Sklízení RF energie v pásmech GSM a Wifi

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: Jazyk / Language CZ Sklízení RF energie v pásmech GSM a Wifi RF Energy Harvesting at GSM and WiFi bands Martin Kokolia, Jaroslav Láčík, Zbyněk Raida xkokol01@stud.feec.vutbr.cz Faculty of Electrical Engineering and Communication, Brno University of Technology DOI: - Abstract: The paper presents a two-band wearable rectifying antenna operating in the 900 MHz GSM band and the 2.00 GHz ISM band. The rectifier antenna has been designed as a multi-layered structure to reduce size, maintain a sufficient gain and have a sufficiently wide radiation pattern. The rectifier was designed as a voltage doubler to maximize voltage on the load. The manufactured antenna had a gain of 6.3 dbi at 900 MHz and 2.8 dbi at 2.45 GHz. The rectifier worked from -20 dbm and was measured up-to -2 dbm with 19 % efficiency for the GSM band and 17 % efficiency for the ISM band.

2 Sklízení RF energie v pásmech GSM a WiFi Martin Kokolia, Jaroslav Láčik, Zbyněk Raida Ústav radioelektroniky, Vysoké učení technické v Brně, Technická 12, Brno, Česká republika xkokol01@stud.feec.vutbr.cz, {lacik, raida}@feec.vutbr.cz Abstrakt - V příspěvku je prezentována dvoupásmová nositelná usměrňující anténa pracující v GSM pásmu 900 MHz a ISM pásmu 2,45 GHz. Usměrňující anténa byla navržena jako vícevrstvá struktura pro zmenšení velikosti, zachování dostatečně velkého zisku a vytvoření dostatečně širokého vyzařovacího diagramu. Usměrňovač byl koncipován jako zdvojovač napětí, aby bylo maximalizováno napětí na zátěži. Vyrobená anténa měla zisk 6,3 dbi při 900 MHz a 2,8 dbi při 2,45 GHz. Usměrňovač pracoval od -20 dbm a byl měřen až do -2 dbm s 19% účinností pro pásmo GSM a 17% účinností pro pásmo ISM. 1 Úvod V posledních letech přilákal značnou pozornost návrh nositelných zařízení pro bezdrátové sklízení energie k napájení různých aplikací. Hlavní oblasti zájmu o napájení vysokofrekvenční energií je napájení senzorů v textilu [1, 2], nebo napájení samostatných zařízení sbírajících data a internet věcí [3, 4]. Taková zařízení jsou dobře využitelná zejména v oblasti monitorování zdravotního stavu, záchranných služeb nebo i sportovních výkonů. Klíčovou součástí zařízení integrovaných do textilu je nositelná anténa, která by měla být vyrobena přímo na tkanině, měla by mít nízký profil, nízkou hmotnost, měla by vykazovat mechanickou pružnost a vysokou odolnost. Není tedy mnoho prací, kde by byly všechny omezení vzaty v potaz. Například v [1] je navržen pouze usměrňovací obvod s nabíjecím obvodem kondenzátoru. V [2] je navržena malá, dobře nositelná anténa na textil, ale měření je provedeno pouze pro relativně velké výkony okolo 17 dbm. V článku [5] je navržena jednoduchá a kompaktní anténa na klasickém substrátu FR4 s rektifikačním obvodem s diskrétními diodami. Nicméně funguje pouze na pásmu GSM a výsledky ukazují účinnost nad 50 %, ale měření je provedeno pouze pro výkony od 0 až 15 dbm, které jsou dosažitelné jen v bezprostřední blízkosti vysílače. Doposud byly na textilních substrátech navrženy hlavně různé antény pro bezdrátovou komunikaci po lidském těle. Několik antén s usměrňovači pro sklízení RF energie (anglicky rectenn bylo popsáno v [6] a [7]. Často jsou však usměrňující antény navrženy pro úrovně výkonu, které nelze reálně dosáhnout vzhledem k povaze užitých komunikačních služeb. Navíc často návrh bere v potaz jen napětí na zátěži, a ne dodaný výkon. Například jednoduchá usměrňující anténa pro pásmo 900 GHz na substrátu FR4 popsaná v [6] sestávala z diferenční antény s dvoustupňovým usměrňovačem pro oba výstupy s použitím tranzistorů CMOS namísto klasických diod. V [7] byly vodivé části usměrňující antény vyrobeny z vodivé netkané textilie. Třípásmová usměrňující anténa byla navržena pro pásma GSM 900 MHz, GSM 1,8 GHz a ISM 2,45 GHz. Pásma GSM 900 MHz a ISM 2,45 GHz byla pokryta anténou s kruhovou polarizací a pásmo GSM 1,8 GHz anténou s polarizací lineární. Usměrňující anténa se skládala ze dvou vrstev textilu, vrstvy kaptonu, termolepicí vrstvy na každém rozhraní mezi textilem a vodivou látkou a EMC stínící tkaniny, z níž byly vyrobeny vodivé vrstvy. Návrh této usměrňující antény je poměrně složitý. Navíc funguje s dobrou účinností pouze při vyšších výkonech. Motivace pro tuto práci je spojit všechny potřebné části do jednoho kompaktního zařízení pomocí levné technologie a zajistit praktickou použitelnost při reálně aplikaci. Při srovnání různých konstrukcí a výsledků se nabízí možnost využít sklízení z více běžně užívaných frekvenčních pásem zároveň. Jako zajímavá realizace se jeví integrace antény i usměrňovacího obvodu do textilu s užitím jednoduché topologie a levných součástek. Takto lze dosáhnout maximálního výkonu při jednoduché a levné výrobě. V tomto článku je popsána nositelná dvoupásmová lineárně polarizovaná usměrňující anténa pracující v pásmech GSM 900 MHz a ISM 2,45 GHz. U obou bezdrátových služeb se užívá běžně vertikální polarizace, jsou přítomné velmi běžně a vyzařují relativně velké výkony. V důsledku ztrát šířením ve volném prostoru ve vybraných pásmech musí být usměrňovač schopen pracovat alespoň s výkonovými úrovněmi od -20 dbm až do 0 dbm. Pokud je požadována vyšší úroveň RF energie, musí nějaké zařízení používající tyto bezdrátové služby vysílat poblíž usměrňující antény. Běžné úrovně výkonu v prostředí se totiž pohybují od -60 po -30 dbm. Nabízí se tedy integrace do oděvu nebo například do sedaček dopravních prostředků. Zde lze předpokládat, že například cestující využívá bezdrátová zařízení a usměrňující anténa napájí například senzory, které jsou potřeba pouze, pokud je cestující přítomen. Cílem je tedy hlavně dosáhnout účinnosti alespoň 10 % i při úrovních výkonu přijímaného signálu nižší než 0 dbm. Pro maximální přijatý výkon je 168

3 třeba, aby anténa fungovala přes celé pásmo downlinku GSM a přes celé pásmo WiFi se ziskem alespoň 6 dbi. V tomto článku je pozornost zaměřena na jednodušší případ integrace do textilních částí dopravních prostředků, kde jsou minimalizovány vlivy blízkosti lidského těla. Blízkost vodivého povrchu lidského těla způsobuje rozladění antén i chování obvodových prvků. Největší problém jsou mechanické deformace a zvýšená vlhkost v textilu. Změna tloušťky substrátu nebo změna permitivity zvýšením obsahu vody způsobuje zásadní změny v rezonanční frekvenci antény. Anténa má na obou pásmech šířku pásma asi 4 %, takže by se snadno mohlo stát, že se rezonanční kmitočet posune mimo rozsah bezdrátových služeb. Pokud je rectena integrovaná například do zadní strany sedadla nebo potaženého stropu vozidla, jsou tyto vlivy téměř zanedbatelné. Nezanedbatelným kritériem je také cena výsledného zařízení. Je třeba použít relativně běžný textil a snadno dostupné materiály i součástky, aby aplikace měla ekonomický smysl. 2 Konfigurace usměrňující antény Konfigurace navržené antény je znázorněna na Obr. 1. Usměrňující anténa sestává ze tří vrstev: Horní vodivá vrstva tvoří dvoupásmovou lineárně polarizovanou flíčkovou anténu. Vyladění antény na obě pásma je dosaženo pomocí úzké zkratované štěrbiny ve tvaru písmene U uprostřed flíčku. Prostřední vrstva tvoří zemní desku s otvorem pro budící proudovou sondu. Spodní vrstva tvoří impedanční přizpůsobovací obvod a usměrňovač se zátěží. Při návrhu antény byl kladen důraz na maximální zisk a šířku vyzařovacího diagramu pro maximální přijatý výkon. Zároveň jsme se snažili vyhnout vybuzení nežádoucích vidů. V případě odrazu signálu od diod usměrňovače by totiž docházelo k vyzařování vyšších harmonických anténou zpět do prostředí. V některých pracích se setkáváme s řešením pomocí pásmových propustí, které ale zvyšují ztráty. Anténu jsme konstruovali jako poměrně robustní, abychom minimalizovali účinky mechanických deformací. Anténa je ve svém středu buzená proudovou sondou. Sonda vybudí na ploše ohraničené štěrbinou mód v pásmu WiFi s vertikální polarizací. Proud prochází v pásmu GSM úzkým spojením do hlavní části flíčku, kde vybudí mód s vertikální polarizací. Díky prodloužení cesty proudu je možné anténu zmenšit o cca 15 %, ale vlivem velmi malé permitivity textilie a relativně nízké frekvence je anténa stále poměrně velká. Tato robustnost je na druhou stranu prospěšná pro částečnou odolnost vůči mechanickým deformacím. Mezi každou vodivou vrstvou je vrstva flísové tkaniny, která složí jako mikrovlnný substrát. Díky tloušťce cca 1,5 mm bude mít obvod dostatečnou šířku pásma. Spodní vrstva s usměrňovačem je překryta vrstvou textilu navíc jako ochrana obvodu. c) Obr. 1: Vrstvy navržené usměrňující antény. : dvoupásmová anténa. : zemní deska. c): impedanční transformátor a usměrňovač. Lineární impedanční transformátor přizpůsobuje impedanci výstupu antény k impedanci usměrňovače. Díky třikrát vyšší impedanci na vstupu usměrňovače je napětí také vyšší a diody mohou dosáhnout prahového napětí i při nízkém přijatém výkonu. Transformátor je připojen k jednofázovému usměrňovači s konfigurací napěťového zdvojovače. Přizpůsobení imaginární části vstupní impedance pro obě pracovní pásma je dosaženo dvěma L-články s různými hodnotami součástek i délek vedení. Cívka L1 slouží pro přizpůsobení impedance na frekvenci 2,45 GHz a cívka L2 pro přizpůsobení impedance na frekvenci 947,5 MHz. Proto je vedení k nim rozdílné v poměru těchto dvou 169

4 frekvencí. Délky vedení jsou určeny výpočtem ze Smithova diagramu také u ostatních součástek pro dosažení optimálního impedančního přizpůsobení. Výstupní impedance je k zátěži přizpůsobena dalším L-článkem, který navíc částečně vyhladí průběh výstupního napětí. Vzhledem k možné nositelné aplikaci, případně aplikaci v textilních částek dopravních prostředků, je celý obvod bez definovaného potenciálu země. Kondenzátory a cívky tedy slouží i k oddělení vysokofrekvenční a stejnosměrné části obvodu. Tab. 1: Parametry navržené usměrňující antény. Symbol Hodnota Jednotka L0 128 mm L1 57 mm L2 37 mm L3 24 mm L4 20 mm L5 20 mm L6 12 mm L7 80 mm Lg 158 mm W0 230 mm W1 60 mm Wg 260 mm W3 20 mm Xs 15 mm d0 4 mm d1 2 mm d2 8 mm yg 77 mm Lg 153 mm Wg 195 mm D1 HSMS 286c Model D2 HSMS 286c Model C1 5,1 pf C2 5,1 pf C3 5,1 pf L1 1,5 nh L2 43 nh L3 43 nh L4 22 nh L5 43 nh RL 8600 Ω Flíčková anténa byla vyrobena z vodivé tkaniny NI/CU NYLON RIPSTOP FABRIC vyráběné firmou Laird Technology. Impedanční transformátor a usměrňovač byly vyrobeny z měděné fólie pro účinnější kontakt součástek s mikropáskovým vedením. Vodivé lepidlo s uhlíkovým základem se ukázalo jako nedostatečné pro kontaktování SMD součástek, a proto bylo použito jen pro spojení proudové sondy s anténou. Usměrňující anténa byla navržena se Schottkyho diodou HSMS 286c, která má velmi nízké prahové napětí (250 mv) a je výrobcem optimalizována pro užití na frekvencích 950 MHz, 2,45 GHz a 5,8 GHz. Cívky a kondenzátory mají velmi malé hodnoty parazitních vlastností a vlastní rezonanční kmitočet minimálně 3 GHz. Rozměry navrhované usměrňující antény a parametry použitých součástek jsou shrnuty v Tab. 1. Obr. 2: Ekvivalentní obvod usměrňovače. 3 Simulace a měření Usměrňující anténa byla navržena v programech CST Microwave Studio a CST Design Studio pro střední frekvence 947,5 MHz a 2,45 GHz. Jako substrát pro všechny vrstvy byla použita flísová tkanina tloušťky 1,5 mm s relativní permitivitou 1,2. Pro simulace funkčnosti antény je budící mikropáskové vedení o impedanci 50 Ω přivedeno na budící port. Obdobně při simulaci funkčnosti usměrňovacího obvodu je model buzený z portu o impedanci 50 Ω. Poté návrhu antény tak, aby splňovala požadovaný zisk a šířku pásma, byl proveden návrh obvodu usměrňovače. Nejprve byl simulovaný pouze zjednodušený ekvivalentní obvod (Obr. 2), který byl následně doplněn o reálné rozměry mikropáskových vedení. Pomocí optimalizace byly nalezeny rozměry takové, aby byla maximální účinnost pro obě pracovní pásma a zároveň byl obvod vyrobitelný. To znamená, že délka vedení mezi komponenty by neměla být kratší než 2 mm, pro snadné napájení SMD součástek a hlavně musí celkové vedení tvořit uzavřenou smyčku. Byly provedeny i simulace citlivosti na odchylky ve výrobě a přiměřené mechanické deformace. Flíčková anténa, usměrňovač a celá usměrňující anténa byla vyrobena a měřena po částech a později jako celek, aby byla ověřena její funkčnost. Vyrobená anténa s obvodem je zobrazena na Obr

5 Vlivem textilního substrátu a nedokonalostí výroby jsou patrné rozdíly, které se mohou projevit většími ztrátami v dielektriku a nižším ziskem. Obr. 3 : Vyrobená usměrňující anténa. : flíčková anténa. : impedanční transformátor a usměrňovač. 3.1 Dvoupásmová flíčková anténa Frekvenční závislost činitele odrazu na vstupu antény byla měřena vektorovým analyzátorem. Vyzařovací diagramy byly měřeny v bezodrazové komoře. Pří měření činitele odrazu a zisku antény byl nejprve místo usměrňovacího obvodu použit mikropásek vedoucí až na okraj substrátu k měřícímu portu. Ten byl později nahrazen skutečným usměrňovacím obvodem. Obr. 5: Simulované a změřené vyzařovací diagramy flíčkové antény na kmitočtu 947,5 MHz. : rovina E. : rovina H. Z výsledků měření na obrázku číslo 5 vyplívá, že pro nižší frekvenční pásmo je vyzařovací diagram v rovině E velmi vyrovnaný s menší odchylkou od simulovaných výsledků v rovině H. Obecně je anténa pro nižší frekvence odolnější proti mechanické deformaci. Pro vyšší pásmo způsobují deformace zásadnější rozladění a snížení zisku. Obr. 4: Simulovaná a změřená frekvenční odezva činitele odrazu na vstupu flíčkové antény. Simulovaná a měřená frekvenční odezva koeficientu odrazu na vstupu flíčkové antény jsou znázorněna na Obr

6 Obr. 6: Simulované a změřené vyzařovací diagramy flíčkové antény na kmitočtu 2,45 GHz. : rovina E. : rovina H. Na Obr. 5 a 6 jsou porovnány vyzařovací diagramy antény na obou frekvenčních pásmech. V simulacích byly zanedbány ztráty. Simulovaný zisk byl 7,8 dbi na 947,5 MHz a 7,3 dbi na 2,45 GHz. Naměřený zisk lze očekávat o 1 db až 3 db nižší, jak dokládá Obr. 7. Pro GSM pásmo je vyzařovací diagram je velmi vyrovnaný a zisk je 6,3 dbi, což odpovídá očekávanému poklesu zisku, který je daný dielektrickými ztrátami. Pro pásmo WiFi je zisk pouze 2,8 dbi, což je již značný rozdíl oproti 7,3 dbi. Anténa rezonuje na správné frekvenci, takže tento pokles může být způsoben značnou frekvenční závislostí ztrátového činitele dielektrika a také nepřesnostmi výroby či lehkou deformací textilního substrátu. Celkově je zisk antény v dostatečný pro očekávanou aplikaci i přes nedokonalosti užitých materiálů. Obr. 7: Změřené závislost zisku na frekvenci. : pásmo GSM. : pásmo WiFi. 3.2 Usměrňující anténa Po změření činitele odrazu a zisku samotné antény byla proměřena kompletní anténa usměrňující. Při ozařování usměrňující antény RF signály v bezodrazové komoře byl změřen přijatý výkon na zatěžovacím odporu pomocí běžného voltmetru. Pro měření přijatého výkonu byla použita lineárně polarizovaná dvojitá hřebenová anténa umístěná ve vzdálené oblasti (d = 1,3 m). Pro měření stejnosměrného napětí byly k odporové zátěži připojeny dva vodiče vedoucí k voltmetru. Účinnost převodu RF-DC byla spočítána pomocí poměru změřeného výkonu na zátěži k přijatému výkonu na anténě, který by zjištěn pomocí Friisovy rovnice [6]: 2 2 Pout VL 4 d 1. (1) P R R L P T G T G R Zde je P out výstupní stejnosměrný výkon, P R je přijatý mikrovlnný výkon usměrňující antény vypočtený podle Friisovy rovnice, P T je výkon na vstupu vysílací antény, G T je zisk vysílací antény, G R je zisk usměrňující antény, λ značí vlnovou délku ve volném prostoru a V L je stejnosměrné napětí na zátěži R L. Obr. 8: Celková účinnost usměrňovače. : 947,5 MHz. : 2,45 GHz. 172

7 Celková účinnost převodu výkonu RF-DC je zobrazena na Obr. 8. Pro pásmo GSM bylo změřeno do -2 dbm a pro ISM pásmo bylo změřeno až -8 dbm (generátor signálu byl nastaven tak, aby poskytoval vyšší výkon a kompenzoval ztráty přenosu). Výsledná účinnost je asi o 10 % nižší pro pásmo GSM a asi o 5 % nižší pro pásmo WiFi, než ukazují simulace. Samozřejmě byl pokles účinnosti oproti ideálním součástkám a spojům očekávaný a i přes tato omezení je v rozsahu výkonů od -10 dbm vyšší než 10 %, jak byl stanovený cíl pro použitelnost aplikace. Článek Tab. 2: Srovnání výsledků. Výkon (dbm) Tento -20 až -5 Frekvence (GHz) Maximální účinnost (%) 0, , [1] -25 až 10 0, [2] , [6] -17 až 0 [7] 10 až 30 4 Závěr 0, , , ,400 1 V příspěvku byl popsán návrh dvoupásmové usměrňující antény integrované do textilního substrátu. Simulovaná i vyrobená usměrňující anténa vykazují dostatečně široké vyzařovací diagramy pro získání maximální energie se ziskem 6,3 dbi v GSM pásmu 900 MHz a ziskem 2,8 dbi v ISM pásmu 2,45 GHz. Zisk v pásmu WiFi je asi o 3 db nižší, než byl stanovený cíl. Tento rozdíl je pravděpodobně způsoben nepřesnostmi výroby a mírnými deformacemi textilu během manipulace, na které je toto pásmo samozřejmě citlivější. Ukázalo se, že usměrňovač funguje i při velmi nízkých úrovních výkonu (-20 dbm) s účinností až 20 % při 0 dbm. Účinnost rektifikačního obvodu (Tab. 2) dosahuje požadované účinnosti v oblasti reálných hodnot výkonu. I přes použití levných materiálů je výsledek uspokojivý a využívá běžně používaných frekvenčních pásem a dosahuje přijatelných výkonů. Navržená rectena může být využita pro aplikace například do sedadla v dopravním prostředku. Po optimalizaci odolnosti proti deformacím a vlivu lidského těla je rectenu možné aplikovat i do nositelného textilu. Literatura [1] BORGES, Luís M, Raul CHÁVEZ-SANTIAGO, Norberto BARROCA, Fernando José VELEZ a Ilangko BALASINGHAM. Radio-frequency energy harvesting for wearable sensors. Healthcare technology letters [online]. 1502, 2(1), 22 [cit ]. DOI: /htl [2] BITO, Jo, Manos SANGKIL KIM, Symeon TENTZERIS a Symeon NIKOLAOU.. Ambient RF Energy Harvesting From a Two-Way Talk Radio for Flexible Wearable Wireless Sensor Devices Utilizing Inkjet Printing Technologies. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques [online]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2015, 63(12) [cit ]. DOI: /TMTT ISSN [3] VARGHESE, Bibin, Nidhin Easow JOHN, S. SREELAL a Karthika GOPAL. Design and Development of an RF Energy Harvesting Wireless Sensor Node (EH-WSN) for Aerospace Applications. Procedia Computer Science[online]. Elsevier B.V, 2016, 93, [cit ]. DOI: /j.procs ISSN LIU, Jingxian, Ke XIONG, Pingyi FAN a Zhangdui ZHONG. RF Energy Harvesting Wireless Powered Sensor Networks for Smart Cities. Access, IEEE [online]. USA: IEEE, 2017, 5, [cit ]. DOI: /ACCESS [4] ARRAWATIA, Mahima, Maryam Shojaei BAGHINI a Girish KUMAR. Differential Microstrip Antenna for RF Energy Harvesting. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on [online]. USA: IEEE, 1504, 63(4), [cit ]. DOI: /TAP ISSN X.YAN, S.,SOH, P. J., VANDENBOSCH, G. A. E., Dual-Band Textile MIMO Antenna Based on Substrate-Integrated Waveguide (SIW) Technology, IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 2015, vol. 63, no. 11, p , DOI: /TAP [5] BERTACCHINI, Alessandro, Luca LARCHER, Moreno MAINI, Luca VINCETTI a Stefano SCORCIONI. Reconfigurable RF Energy Harvester with Customized Differential PCB Antenna. Journal of Low Power Electronics and Applications [online]. Basel: MDPI, 2015, 5(4), [cit ]. DOI: /jlpea ISSN [6] MASOTTI, D., COSTANZO, A., ADAMI, S., Design and realization of a wearable multi-frequency RF energy harvesting system, in Proc. 5th Eur. Conf. on Antennas and Propagation, 2011, p , DOI: [7] ABD KADIR, Ermeey, Aiguo Patrick HU, Morteza BIGLARI- ABHARI a Kean C. AW. Indoor WiFi energy harvester with multiple antenna for low-power wireless applications. In: Industrial Electronics (ISIE), 2014 IEEE 23rd International Symposium on [online]. IEEE, 1406, s [cit ]. DOI: /ISIE [8] ARUN, V. a L. KARL MARX. Micro-controlled Tree Shaped Reconfigurable Patch Antenna with RF-Energy Harvesting. Wireless Personal Communications [online]. New York: Springer US, 1706, 94(4), [cit ]. DOI: /s z. ISSN Poděkování Prezentovaný výzkum podpořilo Ministerstvo školství ČR v rámci Národního programu udržitelnosti grantem LO1401. Výzkum je součástí projektu MPO TRIO, registrační číslo FV