Revision: An Inkjet-Printed Solar-Powered Wireless Beacon on Paper for Identification and Wireless Power Transmission Applications

  baliza inalámbrica activa de 800 MHz alimentada por energía solar

, compuesta por una antena y un oscilador integrado sobre un sustrato de papel económico

s pistas del circuito conductor y la antena de ranura plegada se fabrican mediante impresión de inyección de tinta

el circuito oscilador se diseña con componentes estándar montados sobre el sustrato de papel.

n células solares de silicio amorfo (a-Si) flexibles y económicas sobre la base de la ranura

Materiales para conduccion

Análisis detallado del diseño del circuito electromagnético y no lineal, mediciones de los patrones de radiación de la ganancia de potencia de la antena activa y la caracterización del rendimiento del oscilador de antena activa en cuanto a ruido de fase

a topología de antena de ranura CPW sobre un sustrato de papel flexible

estructura de ranura plegada CPW, ya que ofrece mayor flexibilidad al diseñador para lograr la impedancia deseada en un rango de frecuencias más amplio

no se utilizó la tira de cortocircuito, ya que la reducción de tamaño no era un objetivo crítico de diseño.

La antena es la carga de salida del oscilador, así como un resonador que controla eficazmente la frecuencia de oscilación. La configuración de antena de ranura plegada de banda ancha se eligió debido a su impedancia de entrada estable en todo su rango de frecuencia de operación, lo que facilita el diseño del oscilador y mejora su estabilidad.  

 es común en los módulos inalámbricos que operan en entornos "resistentes" que la frecuencia de resonancia de la antena pueda variar debido al entorno circundante 

. El oscilador puede verse mínimamente afectado por este fenómeno utilizando una antena de banda ancha con una variabilidad de impedancia de entrada relativamente pequeña, a diferencia de las antenas de banda estrecha, como las antenas de parche. A

s, la antena activa podrá seguir funcionando incluso si la frecuencia de oscilación puede variar. Por lo tanto, la antena activa propuesta puede generar un nivel de potencia "estable" independientemente del entorno ambiental, una característica crítica en aplicaciones de identificación y transmisión de potencia

 El sustrato de papel es un material muy económico, renovable y biocompatible. La constante dieléctrica de un papel fotográfico Kodak de 0,23 mm de grosor es de 3,5 a 0,8-1,0 GHz, y la tangente de pérdida es de 0,07 en la banda de frecuencia de interés

se utilizó la impresora Dimatix DMP2800¹ y el cartucho Dimatix de 10 pL (DMC-11610). El ángulo del cabezal de impresión se ajustó para lograr una resolución de impresión de 1270 puntos por pulgada (dpi). La tinta utilizada para la fabricación fue Cabot CCI-300². Una vez impreso el patrón deseado, debe curarse en un horno durante 4 h a 130 °C. El patrón de plata impreso suele tener una conductividad de CC de entre 9 ± 10 S m y 1,1 ± 10 S m, con una rugosidad de aproximadamente 1 µm

antena pasiva  . La ranura tiene una longitud de 126 mm y un ancho de 3,5 mm. La antena tiene una longitud total de 152 mm, un ancho de 43,2 mm y un espesor del sustrato de papel de 228,6 m. La antena se alimenta mediante una línea CPW con un ancho de línea de señal de 5 mm y una separación de 0,2 mm entre la línea de tierra y la de seña 

software de método de elementos finitos (FEM) de onda completa (Ansys HFSS) para diseñar y simular la antena pasiva.

e impedancia de entrada en un ancho de banda de aproximadamente el 41,5 %. 

ganancia de la antena pasiva disminuye aproximadamente 10 dB al colocarse sobre el cuerpo, y otros 10 dB al atravesar el cuerpo humano

Las ganancias de la antena en el espacio libre y en el cuerpo humano se evaluaron en una configuración exterior, obteniéndose un valor aproximado de 6 dBi a 960 MHz

Una antena osciladora activa combina un circuito oscilador Con una estructura de radiación pasiva

diseño de circuito simple, utilizando un dispositivo activo y un número mínimo de componentes pasivos, que pueden integrarse en la estructura de la antena (en este caso, el plano de tierra que rodea la ranura de radiación), lo que permite un diseño de circuito de perfil bajo

los transistores  Los semiconductores como HEMT tienen una alta eficiencia de CC a RF, baja disipación de calor y una baja figura de ruido,

El circuito oscilador fue diseñado utilizando el NE3509M04 HEMT pseudomórfico (pHEMT). Un tipo de reflexión de una etapa 

efectos parásitos adicionales parasitos

 La antena está conectada al terminal de compuerta del dispositivo activo, mientras que una resistencia de fuente R₁ se utiliza para autopolarizar el dispositivo. Los condensadores Cs, Cf y Ca, y los inductores Ls y Ld sintonizan la frecuencia de oscilación alrededor de 800 MHz. El condensador Ca1 proporciona un cortocircuito de RF y aísla la alimentación de CC del circuito del oscilador. El oscilador se diseñó inicialmente sin la fuente de alimentación de la célula solar, utilizando un voltaje de la fuente de alimentación de operación (HP/Ag-ilent E3620A) de 1,8 V y un consumo de corriente de 4 mA. Se utilizó un simulador comercial de balance armónico (Agilent ADS) para simular el circuito del oscilador. Se construyó un oscilador prototipo y se caracterizó su rendimiento. La frecuencia del oscilador concuerda bien con la simulación dentro de una variación de rendimiento esperada de los valores de los componentes estándar (Tabla I).

 La corriente de drenaje del oscilador medida fue de aproximadamente 4 mA para voltajes de polarización de hasta 4,0 V

, la potencia de CC del oscilador aumenta de 5,6 V

Se espera que la EIRP máxima en los planos E y H sea de 22,88 y 25,98 dBm, mientras que la EIRP mínima en ambos planos sea de 3,91 y 20,34 dBm, respectivamente.

Se utilizó como fuente de alimentación de CC un módulo solar de silicio amorfo a-Si (Power Film SP3-37) con una tensión de circuito abierto de 4,1 V y una corriente de cortocircuito de 28 mA bajo una radiación solar de 100 mW/cm² (1 sol: unidad de flujo de potencia solar). El módulo SP3-37 consta internamente de cinco células solares a-Si con una tensión de circuito abierto de aproximadamente 0,85 V y una corriente de cortocircuito de 28 mA.

Cada pieza de célula solar tiene una tensión de circuito abierto de aproximadamente 4,1 V Voltaje y corriente de cortocircuito de 14 mA Un circuito equivalente al modelo de la célula solar que consta de una fuente de corriente ideal, un diodo ideal con corriente de saturación Is, una resistencia en paralelo 

Rp y una resistencia en serie R, El modelo de circuito equivalente del módulo solar combinado donde los parámetros del modelo de célula solar son I = 1 nA, Rp = 110 Ω, y R = 7 Ω [10]. 

La irradiancia solar de 100 mW cm

La frecuencia se puede estabilizar introduciendo un regulador de voltaje La frecuencia se puede estabilizar introduciendo un regulador de voltaje  

distribucion paper

En las Secciones II y III se presentan los detalles de diseño y simulación de la antena pasiva y activa (baliza), respectivamente. La sección IV contiene mediciones y caracterización de los prototipos integrados fabricados con energía luminosa. 

estado del arte

En [9], se presentó una antena activa solar sobre un sustrato no flexible de Arlon A25N, mientras que en [10], se demostró un prototipo de antena activa solar del tamaño de una tarjeta de crédito sobre PET

En [20], se utilizó un sistema similar para aumentar el alcance de un RFID pasivo, introduciendo la señal directamente en el RFID en lugar de transmitirla desde el oscilado 

una ranura única [11]. En un diseño previo [9], se utilizó una estructura de ranura plegada con conexión a tierra [12], lo que permitió una ligera reducción del tamaño de la anten

Diseño del panel tomado de se creó en [8] midiendo la curva I-V de CC de la célula. 

teoria

La banda de 800 MHz se utiliza comúnmente como el medio principal de comunicación por radio de datos y voz para muchos gobiernos municipales, especialmente para seguridad pública y emergencias. La frecuencia de operación de la antena activa propuesta se puede ampliar o reducir fácilmente a cualquier otra banda de frecuencia dependiendo de la aplicación.

las células solares pueden colocarse compartiendo la misma área de la antena o incluso en su plano de tierra

Requisitos de diseño: n: 1) diseño simple; 

o permite la producción a gran escala y de bajo costo requerida para aplicaciones RFID o de redes de sensores inalámbricas. La tecnología de guía de ondas coplanar (CPW) utiliza solo una capa conductora y, por lo tanto, se prefiere a la tecnología de microbanda en términos de simplicidad de fabricación.

2) fácil integración con paneles solares y circuitos activos;

permite la reducción de área y, en consecuencia, la reducción de costos. Las antenas de ranura requieren un plano de tierra grande, lo cual es ventajoso para las células solares, así como la integración de circuitos adicionales

3) radiación omnidireccional; 

4) capacidad de sintonización de frecuencia o rendimiento de banda ancha; 

. Se busca la sintonización de frecuencia o la característica de banda ancha para reconfigurar fácilmente la antena para cubrir diferentes bandas de frecuencia según la ubicación geográfica o aplicaciones específicas. 

y 5) flexibilidad mecánica

diodos como Gunn o diodos de tiempo de tránsito de avalancha de ionización por impacto (IMPATT) o transistores como los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) o los transistores bipolares de heterojunción (HBT) como fuente activa para  oscilador PERO no son adecuados para la identificación. y aplicaciones de transmisión de energía inalámbrica debido a su baja eficienco RF CC

s, las células solares deberían generar suficiente energía par Alimente la antena activa y la potencia proporcionada debe se estable para evitar variaciones en la frecuencia de oscilación