Zařízení pro sklízení RF energie v pásmu GSM

Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: Jazyk / Language 016 18 5 CZ Zařízení pro sklízení RF energie v pásmu GSM RF energy harvesting device in GSM band Petr Kaděra, Michal Mrnka xkader05@stud.feec.vutbr.cz, xmrnka01@stud.feec.vutbr.cz Faculty of Electrical Engineering and Communication, Brno University of Technology DOI: - Abstract: This article is focused on radio frequency energy harvesting using the GSM cellular telecommunications system. The authors examine the possible appliactions of harvested energy, architecture of harvesting network along with requirements for the individual parts of this device, next there are presented two planar antenna structures including their proposal description and the measurement results of the constructed device in the city of Brno. This work involve utilization of commercialy available circuit Powercast P110B.

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 Zařízení pro sklízení RF energie v pásmu GSM Petr Kaděra, Michal Mrnka Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: xkader05@stud.feec.vutbr.cz, xmrnka01@stud.feec.vutbr.cz Abstrakt Tento článek se zabývá problematikou sklízení vysokofrekvenční energie ve frekvenčním pásmu mobilní telekomunikační sítě GSM. V článku jsou rozebrány možnosti aplikace takto sklizené energie, architektura sklízecího řetězce společně s požadavky na jeho jednotlivé bloky, dále jsou představeny dvě planární anténní struktury společně s popisem jejich návrhu a výsledky měření zhotoveného zařízení v městě Brně při využití komerčně dostupného obvodu Powercast P110B. 1 Úvod Téma využití volně dostupné vysokofrekvenční energie pro napájení nízkopříkonových zařízení je v dnešní době velmi aktuální, neboť se rozrůstá počet bezdrátových senzorových sítí, které umožňují nezávislé monitorování prostředí (teplota, vlhkost, tlak), a to i v místech těžko dostupných pro použití kabelových rozvodů, další příkladné aplikace těchto zařízení jsou v monitorování znečištění ovzduší [1] a vody v životním prostředí [], sledování mechanických otřesů v průmyslu nebo také ve zdravotní péči při dohledu nad zdravotním stavem pacientů [3] pomocí nositelných elektronických zařízení a jejich propojení s technologiemi budoucnosti, a to v Internetu věcí (IoT) a radiofrekvenční identifikace RFID [4]. K dané problematice sklízení vysokofrekvenční energie pomocí tzv. rektifikačních antén, jejichž princip je rozebrán ve druhé kapitole, přispělo již mnoho autorů a příklady řešení těchto antén jsou následující: Fang, Xin, et al. pojednávají o kompaktní mikropáskové rektifikační anténě pracující v oblasti bezdrátového komunikačního standartu WiFi,45 GHz [5], autoři Collado a Georgiadis představují rektifikační anténu s využitím technologie SIW pro pásmo 4 GHz a také flexibilní dvoupásmové rektifikační antény v pásmech 850, 1900 MHz a,45 GHz v kombinaci se solárním článkem pracující i za nepřítomnosti vysokofrekvenčního signálu [6][7]. O sběru volné energie v blízkosti střešních antén s využitím širokopásmového spirálovitého pole rektifikačních antén pojednává Hagerty, et al. v [8], návrh miniaturní fraktální antény pro RFID aplikace prezentují Yalin, Zhuming, et al. v [9], možnosti sběru energie z televizního pásma rozebírá Uzun a Kurt v [10], Chen, Din, et al. prezentují rektifikační anténu tvaru E se sedmistupňovým násobičem napětí v [11]. Jiapin a Xinen se zaobírají analýzou mikrovlnného usměrňovače pro pásmo,45 GHz v [1], Raida, Mrnka, et al. představují srovnání flíčkové antény, dvojitě fraktální Kochovy antény, DRA a IFA antén k současnému pokrytí kmitočtových pásem bezdrátových komunikačních systému mezi něž patří GSM, UMTS, LTE a WiFi (IEEE 80.11) [13]. Druhá kapitola článku pojednává o architektuře sklízecího řetězce včetně popisu a požadavků na parametry jednotlivých částí. Ve třetí kapitole je představen obvod Powercast P110B současně s jeho změřenými parametry. Čtvrtá kapitola pojednává o požadavcích na antény společně s návrhem planární flíčkové antény tvaru E a srovnáním s biplanární Yagi-Uda anténou. Pátá kapitola je věnována měření zařízení v městě Brně včetně polohy jednotlivých lokalit měření. Závěrečná kapitola shrnuje dosažené výsledky a poukazuje na budoucí využití sklízení vysokofrekvenční energie. Architektura sklízecího řetězce Obrázek.1: Blokové schéma sklízecího řetězce [14]. Na obrázku.1 je zachycen princip sklízení elektromagnetické energie. Na vstupu zařízení je vhodná anténa nebo anténní řada, která slouží k zachytávání energie v daném kmitočtovém pásmu, za touto anténní strukturou následuje člen impedančního přizpůsobení, který zajišťuje maximální přenos výkonu do obvodu usměrňovače a zároveň plní funkci potlačení vyšších harmonických složek ze strany usměrňovače zpět do antény, které vznikají nedokonalým impedančním přizpůsobením celého kmitočtového a výkonového rozsahu vstupního signálu na nelinearitách usměrňujících diod. Samotný usměrňovač je pak tvořen nejčastěji buď dvoucestným zapojením Schottkyho diod, jenž se vyznačují menším úbytkem napětí v propustném směru, vyšší rychlostí a menšími spínacími a vodivostními ztrátami vůči klasickým polovodičovým diodám, nebo kombinovaným zapojením násobiče napětí. Po usměrnění se výstupní napětí vyfiltruje na stejnosměrný signál, který pak nabíjí zásobník energie tvořený superkondenzátory nebo baterií. Pro úpravu napěťové úrovně výstupního napětí se používá zvyšující měnič, který zajistí požadovanou napěťovou úroveň pro navazující nízkopříkonovou zátěž, kterou může představovat např. mikroprocesor s potřebnými senzory a rádiovým rozhraním pracující v pulzním režimu [14]. Sklízení vysokofrekvenční energie je možné realizovat v širokém frekvenčním rozsahu dostupných mobilních komunikačních systémů, mezi něž patří GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, UMTS 100 MHz, pásma LTE (700, 800, 900, 19

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 1800, 100 MHz) nebo WiFi sítě v pásmech,4 GHz, 5 GHz a v budoucnosti i 10 GHz, případně také v Ka pásmech budoucích 5G sítí kolem kmitočtu 4 GHz [15]. Při implementaci sklízecího obvodu můžeme vycházet buď z vlastního návrhu jednotlivých bloků řetězce, nebo využít komerčně dostupný modul, kombinující většinu z potřebných bloků uvedených na obrázku.1, jež se v poslední době objevil na trhu [16]. Vzhledem k tomu, že pásmo GSM 900 MHz, které je vyhrazeno v kmitočtovém rozsahu 890 915 MHz pro uplink a 935 960 MHz pro downlink, poskytuje vysokou výkonovou hustotu dle měření v [13] a zároveň existuje pro pokrytí daného pásma komerčně dostupný modul [16], tak je výhodné otestovat zařízení právě v tomto kmitočtovém rozsahu. Pro jiné frekvenční pásma v současné době zatím neexistuje obdobný komerčně dostupný modul. Výkonová hustota v kmitočtových pásmech systému LTE není pro sklízení RF energie dostatečná. V pásmu sítí WiFi se sklízení využít dá, avšak pouze v blízkosti routerů neboť výkonová hustota signálu prudce klesá se vzdáleností útlumem šíření. Použití v bezlicenčním kmitočtovém pásmu 868 MHz je také možné, avšak obvod v něm vykazuje nižší účinnost a je také potřeba dostupná vyšší výkonová hustota, která v současnosti není k dispozici. Nevýhoda použití pásma GSM 900 MHz je ta, že použité antény dosahují poněkud větších rozměrů. Požadavky na jednotlivé bloky sklízecího zařízení jsou představeny v následujících podkapitolách [14]..1 Vstupní anténa Požadovanou vlastností pro směrový příjem energie z vybraných zdrojů prostředí je alespoň střední zisk antény a dostatečná impedanční šířka pásma antény pro pokrytí pásma GSM 900 MHz. Jelikož jsou vysílací antény na základnových stanicích (BTS) provozovány s vertikální polarizací, tak je potřeba, aby navržena anténa měla lineární polarizaci. Dále by měla anténa dosahovat vysoké účinnosti a nabývat relativně malých rozměrů při dostatečné robustnosti a nízkých výrobních nákladech.. Přizpůsobovací obvod Hlavním požadavkem na přizpůsobovací obvod je jeho širokopásmovost, dána nízkých činitelem jakosti, která je důležitá pro maximalizaci přenosu výkonu z antény do usměrňovače v širokém rozmezí kmitočtů a vstupních výkonů. Dalším požadavkem tohoto obvodu je vysoké potlačení vyšších harmonických složek ze strany usměrňovače a nízký vložný útlum žádaného přijímaného signálu ze strany antény. V moderních rádiových systémech se pro tyto požadavky využívá například elektronicky regulovaná impedanční síť..3 Usměrňovač Pro usměrnění signálu je potřebné použít vhodnou kombinaci Schottkyho diod, jež se vyznačují nízkým prahovým napětím (U P 300 mv) nebo využít tranzistory s plovoucím hradlem, u nichž dosahuje prahové napětí ještě nižší hodnoty (U P 150 mv). Použité diody je potřebné vybrat se shodnými parametry, nejlépe s minimální kapacitou a odporem polovodičového přechodu, který se podílí na útlumu v oblasti vysokých kmitočtů. Pro dosažení vysoké účinnosti konverze při nízkých vstupních výkonech je potřebná dostatečně vysoká hodnota zátěže. Mezi další požadavky usměrňovače patří zejména minimální zvlnění výstupního signálu a také výběr topologie pro dosažení nízké vstupní citlivosti, kdy lze využít aplikace dvojité nábojové pumpy nebo rezonátoru pro tranzistory s plovoucím hradlem..4 Úložiště energie K uskladnění posbírané energie se využívají primárně superkondenzátory, které se vyznačují dostatečnou kapacitou, jenž umožní spolehlivou funkci následujících obvodů. Mezi jejich požadované parametry se řadí především minimální svodový proud, minimální ekvivalentní sériový odpor ESR a minimální ekvivalentní sériová indukčnost ESL, dále pak nízký činitel samovybíjení a vysoký počet nabíjecích cyklů. Druhotnou možnost uchování energie představují Li- Ion baterie a v budoucnu také i tenkovrstvé tištěné baterie..5 Zvyšující měnič Mezi požadavky na zvyšující měnič patří dosažení maximální účinnosti a funkce na vysokém pracovním kmitočtu, což umožňuje minimalizovat rozměry potřebných stavebních prvků a tím i celého měniče. Důležité je použití kvalitních jader tlumivek a kondenzátorů s nizkým ESR. Pro generování strmých hran používané pulzní šířkové modulace PWM je potřebný také velice rychlý komparátor. Řízení měniče musí zajistit automatické přizpůsobení vstupní impedance měniče dle aktuálního dostupného výkonu zařízení tak, aby byl zajištěn maximální přenos výkonu do zátěže. Tento princip řízení je hojně využívám u solárních článků a označuje se jako maximum power point tracking (MPPT). 3 Obvod Powercast P110B Vybraný obvod dokáže zpracovávat vstupní vysokofrekvenční signál pomocí dříve představených vnitřních bloků a následně ho upravit do stejnosměrné pulzní podoby. Vstupní impedance obvodu je 50 Ω, což znamená, že k němu můžeme použít vlastní antény nebo případně komerčně dostupné anténní moduly. V obvodu je zabudován komparátor, který sleduje napětí na pinu V CAP (Obrázek 3.1), kde je připojen externí kondenzátor a při překročení prahové hodnoty U MAX dojde k aktivaci výstupního pinu V OUT, na kterém se objeví napěťový impulz nastavené napěťové úrovně a následně lze napájet připojenou zátěž. Po určité době, kdy se připojený kondenzátor vybije a napětí na něm poklesne pod úroveň U MIN, dojde k deaktivaci výstupu obvodu a odpojení napájení připojené zátěže. Obrázek 3. představuje blokové schéma obvodu, z něhož je patrné to, že na jeho vstupu je usměrňovací obvod (RF/DC měnič), následuje přepínač mezi externím kondenzátorem a měřicím rezistorem, který je ve výchozím stavu připojen ke kondenzátoru a přivedením napětí alespoň 1,8 V na pin D SET umožňuje komutaci přepínače a měření hodnotu úrovně signálu RSSI na pinu D OUT. Poté je zařazen zvyšující měnič s řízením, 130

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 jenž umožňuje upravit výstupní napěťovou úroveň na požadovanou hodnotu pomocí přídavného rezistoru. Mezi hlavní parametry obvodu patří rozsah zpracovávané vstupní úrovně signálu od -1 dbm až do + 10 dbm. Obvod je určen primárně pro funkci v kmitočtovém pásmu od 900 MHz do 950 MHz, kde vykazuje správnou funkci při minimálním vstupním výkonu P IN = - 1 dbm. Výstupní napětí obvodu lze pomocným rezistorem nastavit v rozmezí V 5 V. Napěťové úrovně překlopení komparátoru jsou U MIN = 1,0 V a U MAX = 1,5 V. Na obrázku 3.3 je znázorněna účinnost obvodu v závislosti na vstupním výkonu pro tři různé frekvence, z něhož vyplývá, že obvod dosahuje účinnosti RF/DC konverze maximálně 60 %, což je v porovnání se studií v [17], kde je dosaženo účinnosti maximálně 54 %, mírně lepší výsledek. Na obrázku 3.4 je představena perioda T o, za níž dochází k překlopení komparátoru z nízké do vysoké úrovně a tím i k aktivaci výstupu obvodu, která se pohybuje v rozmezí 1,5 5 minut pro P IN = - 10 dbm a pro vstupní výkon P IN = - 4 dbm je to mezi 10 s a 30 s. Znalost této doby je důležitá zejména proto, abychom věděli, jak často můžeme například posílat data ze senzorů a čidel do centrálního uzlu k dalšímu zpracování. Z obrázku 3.5 je patrné to, že daný obvod umožňuje měření závislosti síly úrovně vstupního signálu RSSI na vstupním výkonu P IN v rozsahu -0 dbm až + 10 dbm, což se dá využít jako jednoduchý měřič velikosti přijímaného výkonu bez potřeby složitých přístrojů. Správná komunikace mezi vysílačem a přijímačem může probíhat v rozmezí hodnot signálu RSSI od 30 mv až do 1000 mv, které vyjadřují vstupní výkon P IN v rozsahu od -1 dbm až po + 10 dbm. V oblastech mimo primární frekvenční rozsah je pro rozběh obvodu nutný vstupní výkon P IN alespoň -7 dbm. Indikace úroveň síly signálu RSSI na vstupním výkonu P IN je v celém kmitočtovém rozsahu téměř konstantní a její znalost je velice významná pro určování lokalit, kde je sklízení RF energie možné a také, kde už možné není. Obrázek 3.1: Průběhy napětí na pinech V CAP a V OUT obvodu Powercast P110B [16]. Obrázek 3.: Blokové schéma obvodu Powercast P110B [16]. 3.1 Vlastnosti obvodu Obrázek 3.3: Závislost účinnosti obvodu na vstupním výkonu a frekvenci [16]. 3. Změřené parametry obvodu Měření parametrů obvodu probíhalo za pomocí vysokofrekvenčního generátoru, multimetru, napájecího zdroje a stopek v laboratoři anténní techniky na ústavu radioelektroniky na FEKT VUT v Brně. Cílem měření bylo ověřit parametry obvodu, které udává výrobce. Měření probíhalo tak, že jsme propojili vf generátor se zařízením a pomoci multimetru jsme ověřili minimální vstupní výkon, kdy obvod začne fungovat, následně jsme zjistili doby nabíjení kondenzátoru s kapacitou C = 10 μf a C = 450 mf do prvotní aktivace výstupu obvodu [14], poté jsme změřili periodu aktivace výstupu obvodu T o a následně závislost indikované síly signálu RSSI na vstupním výkonu P IN. Měření jsme prováděli pro různé kombinace vstupních výkonů a frekvencí. Obrázek 3.4: Závislost periody aktivace výstupu obvodu T o na vstupním výkonu P IN a frekvenci f [14]. 131

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 Obrázek 3.5: Závislost úrovně signálu RSSI na vstupním výkonu P IN pro frekvenci f = 950 MHz [14]. VUT v Brně a to tak, že se nejprve pomocí obvodového analyzátoru změřil přenos mezi dvěma referenčními anténami ve směru maxim jejich vyzařování a následně se změřil přenos mezi referenční a měřenou anténou, přičemž bylo měřenou anténou rotováno pomocí anténního skeneru řízeného počítačem v rozsahu úhlů 0 až 360 v rovinách E i H pro dané kmitočty. Ze známých hodnot zisku referenční antény a přenosu se následně dopočítal zisk měřené antény. Změřená impedanční šířka pásma BW vyrobené antény je 13 MHz (tj. 14, % vůči navržené střední frekvenci f = 930 MHz) a hodnota realizovaného zisku G r dosahuje hodnot mezi 8 9 dbi. 4 Anténní struktury Pro příjem vysokofrekvenčního signálu v pásmu GSM 900 MHz byly navrženy dvě níže uvedené planární anténní struktury, jejichž parametry byly následně ověřeny měřením na kmitočtu 950 MHz, který se nachází téměř uprostřed downlinku daného systému GSM a je na něm dosažena vysoká výkonová hustota. Mezi charakteristické vlastnosti vybraných antén patří zejména střední hodnota zisku (cca. 6 9 dbi), dostatečná impedanční šířka pro pokrytí požadovaného pásma (880 960 MHz), vysoká účinnost (cca. 93 %) a lineární polarizace. Obě anténní struktury byly přizpůsobeny k impedanci 50 ohmů. Obrázek 4.1: Uspořádání měřicího pracoviště [14]. 4.1 Flíčková anténa tvaru E Jedná se o druh rezonanční antény, u které se při návrhu vychází z jednoduché flíčkové antény, která je příliš úzkopásmová pro použití v naší aplikaci (BW 10 MHz), a proto je potřebné její impedanční šířku pásma navýšit pomocí některé z metod uvedených v [14]. Byla vybrána metoda zavěšení substrátu společně s přídavnými štěrbinami, které tvoří tvar motivu antény do písmene E a snižují tak rezonanční frekvenci vidu TM 0, který se společně s videm TM 01 podílí na rozšíření impedanční šířky pásma antény [18]. Samotný motiv je nanesen na dielektrickém substrátu Foamclad s relativní permitivitou ε r = 1,5, ztrátovým činitelem tg δ = 0,0035 a výškou h = 1,88 mm. Při návrhu rozměrů se vychází z toho, že střední rezonanční kmitočet určuje převážně délka antény a impedanční šířku pásma zase šířka anténa, avšak při zavedení štěrbin je nutné upravit jejich polohu tak, aby byl dosažen optimální činitel odrazu na vstupu antény v celém potřebném kmitočtovém pásmu. Důležité je také umístění napájecí koaxiální sondy, která je zavedena v místě, kde anténa dosahuje hodnoty vstupní impedance 50 ohmů. Výška zavěšení substrátu ovlivňuje zisk a impedanční šířku pásma antény. Obrázek 4. představuje zhotovenou anténu a obrázky 4.3 a 4.4 pak porovnání simulovaných a změřených výsledných parametrů, jako je modul činitele odrazu na vstupu antény S 11 a realizovaný zisk G r. Měření impedančního přizpůsobení antény bylo provedeno pomocí vektorového analyzátoru R&S ZVL13 ve frekvenčním pásmu 850 MHz 1100 MHz. Na obrázku 4.1 je ilustrace zachycující měření směrových charakteristik antén v bezodrazové stíněné komoře, které probíhalo na pracovišti Obrázek 4.: Zhotovená flíčková anténa tvaru E [14]. Obrázek 4.3: Modul činitele odrazu na vstupu flíčkové antény tvaru E [14] Obrázek 4.4: Realizovaný zisk flíčkové antény tvaru E v rovinách E a H pro f = 950 MHz [14]. 13

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 4. Biplanární Yagi-Uda anténa Jedná se o druh rezonanční antény vycházející z všesměrového půlvlnného dipól, který je doplněn reflektorem pro minimalizaci záření směrem do zadního směru a také direktorem pro zvýšení příjmu z předního směru. Motiv antény je nanesen na dielektrickém substrátu Cuclad 17 s relativní permitivitou ε r =,17, ztrátovým činitelem tg δ = 0,0009 a výškou h = 1,54 mm. Ojedinělostí této antény je nesymetrické napájení ramen půlvlnného dipólu umístěných na protějších stranách, kdy není zapotřebí použít symetrizační člen (balun) [19]. Zhotovená anténa je představena na obrázku 4.5 z obou stran a na obrázcích 4.6 a 4.7 jsou pak její změřené parametry, obdobně jako u flíčkové antény tvaru E. Měření této antény probíhalo stejným způsobem, jenž je rozebrán v předešlé podkapitole. Změřená impedanční šířka pásma BW vyrobené antény je 100 MHz (tj. 10,5 % vůči navržené střední frekvenci f = 950 MHz) a hodnota realizovaného zisku G r dosahuje hodnot mezi 6,5 7 dbi. 5 Měření sklízecího zařízení Pro otestování zařízení byla v městě Brně vybrána část lokalit, kde se vyskytují v dostatečné blízkosti mobilní základnové stanice BTS dle [0]. Mapa míst měření zařízení na obrázku 5.1 je vytvořena pomocí portálu Mapy.cz. V daných lokalitách byla zaznamenána maximální indikovaná hodnota síly signálu RSSI. Měřicí antény byly nasměrovány v rovině vertikální polarizace vůči vysílacím anténám BTS ve výšce přibližně 1,4 m nad zemským povrchem. Tabulka 5.1 znázorňuje podrobný seznam lokalit měření včetně naměřených úrovní RSSI. Obrázek 4.5: Zhotovená biplanární Yagi-Uda anténa [14]. Obrázek 5.1: Mapa lokalit měření zařízení pro sklízení RF energie [14]. Obrázek 4.6: Modul činitele odrazu na vstupu biplanární Yagi- Uda antény [14]. Obrázek 4.7: Realizovaný zisk biplanární Yagi-Uda antény v rovinách E a H pro f = 950 MHz [14]. Nejvyšší dosažené hodnoty úrovně signálu RSSI byly dosaženy na místech, odkud je přímá viditelnost na vysílací anténu BTS, ve směru jejího maxima vyzařování, v co nejshodnější výšce a při minimální vzdáleností mezi vysílací a přijímací anténou (lokality 5 a 6). V hustě osídlených městech, kde je mnoho základnových stanic BTS se dá sklízení RF energie na vhodných místech spolehlivě využívat. Jako nejvýhodnější umístění zařízení se jeví na vysokých budovách nebo komínech. Vzhledem k tomu, že jsou vysílací antény BTS směrovány tak, aby zářily pod daným úhlem do určité vzdálenosti daných sektorů, tak je naměřená úroveň i v relativně blízkých vzdálenostech od antén nízká díky ztrátám polarizačního nepřizpůsobení a nepřesného směrování. Ověření pomocí výpočtu Friisovy přenosové rovnice je ve shodě s naměřenou úrovní vstupního výkonu danou hodnotou RSSI a následným převodem pomocí grafu z obrázku 3.5. Minimální potřebná hodnota RSSI pro aktivaci obvodu je 9 mv. Na obrázku 5. je pak kompletní zařízení pro sklízení vysokofrekvenční energie osazené biplanární Yagi-Uda anténou. 133

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 Tabulka 5.1 Lokality měření zařízení pro sklízení RF energie [14]. Příklad použití Friisovy přenosové rovnice v lokalitě č. 6 [14]: P IN GV P V 1 V 1 P 8 310 31,5 5 950 10 10 4 50 Lokalita V, V GP P, P 4 R cos 6 L 1 1 0,03 cos(5) 0,95 377W 4,4dBm, C Naměřená úroveň signálu RSSI [mv] Vhodnost pro sklízení energie 1 Technická - IBM 90 ANO Náměstí svobody - střed 30 70 ANO 3 Košínova 3 ANO 4 Bayerova - FIT MUNI 1 NE 5 Náměstí svobody - policie ČR 10 ANO 6 Tůmova - hvězdárna 15 ANO 7 Purkyňova - technické muzeum 54 ANO 8 Tábor 14 8 NE 9 Purkyňova - silniční most 43 ANO 10 Sportovní - plavecký stadion 44 ANO 11 Špilberk - sady 1 NE 1 Špilberk - park NE 13 Šilingrovo náměstí 1 NE 14 Rooseveltova - Moravské náměstí 5 ANO 15 Hrubého 18 NE 16 Vaňkovo náměstí 64 ANO 17 Sportovní - Boby centrum 37 ANO 18 Kounicova - UO 34 ANO 19 Slovanské náměstí 7 NE (1.1) kde P IN představuje dostupný přijatý vstupní výkon antény, P V značí výstupní výkon vysílací antény (běžně 10 W), G V je zisk vysílací antény (běžně 15 dbi), G P určuje zisk přijímací antény (biplanární Yagi-Uda dosahuje hodnoty 7 dbi), λ značí vlnovou délku signálu, R je vzdálenost mezi vysílací a přijímací anténou, Γ V představuje činitel odrazu vysílací antény, Γ P je činitel odrazu přijímací antény, cosѱ vyjadřuje polarizační nepřizpůsobení obou antén a L C značí ztráty způsobené útlumem konektorů a vodivých cest. Závěr V článku byl proveden rozbor obecné architektury sklízecího řetězce volně dostupné vysokofrekvenční energie včetně příkladů možných variant řešení rektifikačních antén v rozmanitém spektru kmitočtů, do kterých zasahují běžně užívané mobilní komunikační systémy jako GSM, UMTS, LTE či WiFi (80.11). Následně jsou stanoveny požadavky na jednotlivé bloky řetězce sklízení a pro pásmo GSM 900 MHz je vybrán komerčně dostupný obvod Powercast P110B, který je schopen danou energii sklízet už od hodnoty vstupního výkonu -1 dbm s periodou aktivace následujícího zařízení v řádu desítek sekund až minut dle velikosti vstupního výkonu. Mimo jiné lze spolehlivě využít funkci obvodu měření úrovně síly signálu RSSI pro orientační zjišťování lokalit vhodných pro sklízení RF energie. Pro danou aplikaci jsou navrženy a zkonstruovány dvě směrové planární anténní struktury, a to flíčková anténa tvaru E, jenž dosahuje realizovaného zisku G r = 8 9 dbi a šířky pásma BW = 136 MHz pro činitel odrazu S 11 < - 10 db, a také biplanární Yagi-Uda anténa, která dosahuje realizovaného zisku G r = 6,5 7 dbi a šířky pásma BW = 100 MHz pro činitel odrazu S 11 < - 10 db. Pro dosažení větší směrovosti by bylo potřeba navýšit počet direktorů antény na 5 až 7 (G r 14 dbi) a z důvodu úspory materiálu ji vyrobit pomocí drátových vodičů. Výsledky terénního měření v daných lokalitách města Brna jasně dokazují, že při umístění sklízecího zařízení na vyvýšených místech je možné zaručit bezdrátové napájení nízkopříkonových monitorovacích zařízení se spotřebou desítek μw až desítek mw po dobu 4 hodin denně, což se může mimo jiné projevit snížením nákladů za provoz daných zařízení nebo za provedení kabelových rozvodů. Také by se zvýšila šetrnost vůči životnímu prostředí, kdy by nebylo potřebné recyklovat vybité baterie a došlo by celkově k účelnému využití jinak zmařené volně dostupné energie. Závěrem pro vědeckou komunitu je tedy ověření využití komerčně dostupných bloků a technologie, což je nespornou výhodou pro možnost výrazného rozšíření ve městech, společně s vytipováním vhodných lokalit pro sklízení RF energii v městě Brně, kdy zatím v České republice nebyl obdobný průzkum proveden. Vzhledem k možnosti variabilní velikosti zátěže a rozsahu nastavení výstupního napětí je energetická náročnost testovaného zařízení celkově nízká. Současné trendy výzkumu rektifikačních antén a zařízení pro sklízení vysokofrekvenční energie směřují k vývoji rekonfigurovatelných antén s dynamickým řízením směru hlavního svazku v rovinách E i H a to na taková místa, odkud je přijímán nejvyšší výkon [1]. Tento koncept je plánován s nasazením 5G sítí společně s využitím technologie MIMO. Další významnou oblastí výzkumu je využití tištěných antén a mikrovlnných obvodů na 3D textilním substrátu [], což představuje přívětivý směr pro budoucí využití sklízení vysokofrekvenční energie například pro RFID tagy společně s propojením pomocí technologie chytrých senzorových sítí v IoT [4]. Obrázek 5.: Zařízení pro sklízení RF energie [14]. 134

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 Literatura [1] KADRI, A., YAACOUB, E., et al. Wireless sensor network for real-time air pollution monitoring. In: Communications, Signal Processing, and their Applications (ICCSPA), 013 1st International Conference on. 013, pp. 1-5. DOI:10.1109/ICCSPA.013.648733. [] YANG, S. C., PAN., Y. The Application of the Wireless Sensor Network (WSN) in the Monitoring of Fushun Reach River in China. In: Computer and Network Technology (ICCNT), 010 Second International Conference on. 010, pp. 331-333. DOI: 10.1109/ICCNT.010.70. [3] ULLAH, K., SHAH, M. A., ZHANG, S. Effective ways to use Internet of Things in the field of medical and smart health care. In: 016 International Conference on Intelligent Systems Engineering (ICISE). 016, pp. 37-379. DOI: 10.1109/INTELSE.016.7475151. [4] Wireless sensor network. Wikipedia: the free encyclopedia. [online]. 001- [cit. 016-06-16]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/wireless_sensor_network [5] FANG, Z., XIN, L., FAN-YI, M., et al. Design of a Compact Planar Rectenna for Wireless Power Transfer in the ISM Band. In: International Journal of Antennas and Propagation. 014, Article ID: 9817, 9 s. DOI:10.1155/014/9817. [6] COLLADO, A., GEORGIADIS, A. 4 GHz substrate integrated waveguide (SIW) rectenna for energy harvesting and wireless power transmission. In: Microwave Symposium Digest (IMS). IEEE MTT-S International, - 7 June 013, pp. 1-3. DOI: 10.1109/MWSYM.013.669777. [7] COLLADO, A., GEORGIADIS, A. Conformal Hybrid Solar and Electromagnetic (EM) Energy Harvesting Rectenna. In: Circuits and Systems I: Regular Papers. IEEE Transactions, August 013, vol. 60, no. 8, pp. 5-34. DOI: 10.1109/TCSI.013.39154. [8] HAGERTY, J. A., HELMBRECHT, F. B., MCCALPIN, W. H., et al. Recycling ambient microwave energy with broad-band rectenna arrays. In: Microwave Theory and Techniques. IEEE Transactions, March 004, vol. 5, no. 3, pp. 1014-104. DOI: 10.1109/TMTT.004.8358. [9] YALIN, G., ZHUMING, Z., YANFEI, L., HUAIBAO, X. A Novel Design of Compact Dipole Antenna for 900 MHz and.4 GHz RFID Tag Applications. In: Progress In Electromagnetics Research Letters. 014, vol. 45, pp. 99 104. DOI: 10.58/pierl1401701. [10] UZUN, Y., KURT, E. Design and simulation of a new dual-band RF energy harvester with high efficiency. In: Consumer Electronics (ISCE). IEEE International Symposium, June 015, pp. 1-, 4-6. DOI: 10.1109/ISCE.015.7177837. [11] DIN, N. M., DEVI, K. K. A., CHEN, W.-Y., et al. Design of RF energy harvesting system for energizing low power devices. In: Progress In Electromagnetics Research. 01, vol. 13, pp. 49 69. DOI: 10.58/pier10700. [1] JIAPIN, G., XINEN, Z. An improved analytical model for RF-DC conversion efficiency in microwave rectifiers. In: 01 Microwave Symposium Digest (MTT). IEEE MTT-S International. June 01, pp. 1-3, 17-. DOI: 10.1109/MWSYM.01.65949. [13] RAIDA, Z., MRNKA, M., et al. The RF Energy Harvesting Antennas Operating in Commercially Deployed Frequency Bands: A Comparative Study. In: International Journal of Antennas and Propagation. 016, Article ID: 737964, 11 s. DOI: 10.1155/016/737964. [14] KADĚRA, P. Demonstrační zařízení pro sklízení energie. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 016. 84 s. Bakalářská práce. Vedoucí práce: Ing. Michal Mrnka. [15] PARKER, M., KOCZIAN, G., et al. High capacity communications at 4 GHz and 60 GHz for converged 5G networking. In: Networks and Optical Communications - (NOC), 015 0 th European Conference on. 015, pp. 1-6. DOI: 10.1109/NOC.015.73860. [16] P110B 915 MHz RF Powerharvester Receiver. Powercast. [online]. [cit. 016-06-6]. Dostupné z www: http://www.powercastco.com/pdf/p110b-datasheetv1.0.pdf. [17] CHEN, Y.-K. RF Energy Harvesting Principle and Research. Prezentace [online]. National Taiwan University, 9/013 [cit. 016-08-10]. Dostupné z: http://cc.ee.ntu.edu.tw/~ykchen/11-jlee.pdf. [18] DESHMUKH, A. A., PHATAK, N. V., NAGAR- BOWDI, S., AHUJA, R. Analysis of Broadband E- shaped Microstrip Antennas. In: International Journal of Computer Applications. Oct 013, vol. 80, no. 7, pp. 4-9. DOI: 10.510/13874-1743. [19] NAVARRO, E. A., BLANES, J. M., CARRASCO, J. A., REIG, C. Yagi-Like Printed Antennas for Wireless Sensor Networks. In: 007 Sensor Technologies and Applications. SensorComm 14-0 Oct 007. International Conference, pp. 54-59. DOI: 10.1109/SENSORCOMM.007.4394930. [0] GSMweb.cz - interaktivní mapa BTS. [online]. 1997-016 [cit. 016-6-16]. Dostupné z: http://www.gsmweb.cz/mapa/ [1] NARBUDOWICZ, A., AMMANN, M. J., HEBERLING, D. Combining reconfigurable antennas into linear array for dual-plane beamsteering. In: 016 1st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Commu- 135

VOL.18, NO.5, OCTOBER 016 nications (MIKON). 016, pp. 1-4. DOI: 10.1109/MIKON.016.74909. [] RAIDA, Z., VÉLIM, J., et al. Slot loop antennas printed on 3D textile substrate. In: 016 1st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON). 016, pp. 1-3. DOI: 10.1109/MIKON.016.749085. 136