Revision: ELECTROMAGNETIC ENERGY HARVESTING USING 2.40 GHZ COMPACT HIGH GAIN PATCH ANTENNA

 

prototipo

se utilizó el módulo convertidor RF-CC RFD-ASSY-01 para configurar todo el sistema

utiliza cuatro módulos RFD102A y un módulo de motor de captación de energía RFD88ALa antena propuesta constaba de un parche simple de ranura cuadrada ancha con dos cortes truncados en las esquinas. Un plano de tierra cuadrado. La antena se fabricó sobre un sustrato Rogers RT-duroid5880™ con un espesor de 1,575, una tangente de pérdida de 0,0009 y una constante dieléctrica de 2,2. Se empleó el método de alimentación directa para fijar el parche; el plano de tierra se imprimió dentro del parche  alcanzó la ganancia máxima medida de 6,69 dBi, con una variación de 0,5 dB 

Diseño de la Rectena:

• El sistema de energía electromagnética (rectena) fue diseñado utilizando una antena de parche compacta de alta ganancia, específicamente un parche cuadrado con cortes en las esquinas truncadas.

• Las dimensiones de la antena son 40.6 mm × 40.6 mm.

• Se utilizó un sustrato Rogers RT-duroid5880(TM), con un grosor de 1.575 mm, constante dieléctrica de 2.2 y tangente de pérdida de 0.0009.

• La antena tiene una frecuencia de resonancia de 2.4 GHz y una ganancia máxima de 6.69 dBi.

Integración con el Convertidor RF-DC:

• Se acopló la antena propuesta a un módulo conversor RF-DC RFD-ASSY-01, que convierte la señal de RF recibida en corriente continua (DC). Este módulo incluye varios componentes, como los módulos RFD102A y el motor de recolección de energía RFD88A.

• La configuración permite captar señales en el rango de 0.001 GHz a 6 GHz, lo que hace posible la recolección de energía de diversas fuentes inalámbricas.

Pruebas Experimentales:

• Configuración de pruebas: El sistema de rectena fue probado en un entorno experimental donde se utilizó un enrutador NETIS (AC1200) WLAN como fuente de señal RF. Este enrutador estaba ubicado a una distancia de 1 metro de la antena.

• Se midió el voltaje de salida utilizando un multímetro conectado a una resistencia variable de 50 kΩ. La potencia de entrada RF fue ajustada usando software para cambiar la potencia de transmisión del enrutador, lo que permitió estudiar la respuesta de la rectena a diferentes niveles de potencia.

Evaluación de Eficiencia:

• Se evaluó la eficiencia de conversión de la rectena midiendo la potencia de salida DC y comparándola con la potencia de entrada RF. Se calculó la eficiencia de conversión usando la fórmula:

  $$\eta = \frac{P_{DC}}{P_{in}}$$

  Donde $P_{DC}$ es la potencia de salida DC y $P_{in}$ es la potencia incidente.

• En los experimentos, alcanzaron una eficiencia de conversión máxima de 71% a una potencia de entrada de 7 dBm.

Análisis de Resultados:

• Se analizaron diferentes resistencias de carga (5 kΩ, 30 kΩ, 45 kΩ) y se observó cómo la variación en la potencia de entrada afectaba la tensión de salida de la rectena. La eficiencia de conversión se mantuvo alta incluso con cambios en la carga y la potencia de entrada.

• Se destacó la relación entre la distancia de la fuente RF y la eficiencia de conversión, indicando que aumentar la distancia entre la rectena y la fuente RF reduce la eficiencia.

teoria

Teoría del sistema de rectenas

estado del arte

Niotaki et al. [2] seleccionaron dos bandas de frecuencia (0,915 y 2,45 GHz) para operar su rectenna compacta de doble banda. Esta rectenna consta de una antena dipolo plegada de doble banda con ranura de 60 × 60 mm y un rectificador de doble banda. Las eficiencias de conversión de potencia de esta rectenna en bandas de frecuencia de 0,915 y 2,45 GHz fueron del 37 % y 30 %, respectivamente, a 9 dBm de potencia de entrada y una resistencia de carga de 2,2 kΩ. 

 En otro estudio para la recolección de energía de RF en interiores, se utilizó un circuito de procesamiento de potencia que opera a 2,4 GHz [3]. El circuito se conectó a una antena y a una unidad de gestión de potencia; el análisis analítico de este circuito mostró una eficiencia de conversión general del 30 %

4]. Esta rectenna alcanzó diferentes eficiencias de conversión (4,3 %, 24,3 %, 48,5 %, 63 %) con diferentes potencias de entrada (-30, -20, -10, 0 dBm)

Alneyadi et al. [5] presentaron el diseño y la evaluación de un recolector de RF. El recolector opera en la banda WiFi de 2,42 GHz; su diseño comprendía varias antenas de parche de microbanda (dimensiones = 45,1 × 45,1 mm) r. La eficiencia de conversión de este diseño fue del 57,8 % con valores de potencia de entrada de 6 a 8 dBm. 

 

Amjad et al. [6] simularon y analizaron el diseño de un sistema de captación de energía de RF  bandas de frecuencia de 2,4 GHz y 5,8 GHz. Con base en los resultados simulados y medidos, el sistema alcanzó una eficiencia global del 45 % con una potencia de entrada de 10 mW. 

Fayçal y Dibi [7] presentaron el diseño y la fabricación de un sensor compacto para la captación de energía electromagnética. El sensor utiliza una antena de doble polarización que opera a 2,45 GHz dentro de la banda ISM. La eficiencia de conversión máxima del sensor fue del 41 % a una frecuencia de 2,49 GHz y una potencia de entrada de −10 dBm 

trabajos futuros

Añadir un condensador con terminales en el pin de entrada de CC a la masa del convertidor de potencia.

• ​​Configurar el módulo RFD88A a 4,3 V para baja tensión y 5,2 V para alta tensión.

• Mejorar la adaptación a un rango de potencia y frecuencia específicos.

• Realizar una optimización adicional para mejorar la eficiencia de conversión y la absorción de energías de entrada más bajas.

• Mejorar la respuesta del recolector mediante la investigación de diferentes diseños de antena.