V SRST – SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES
INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES – INATEL
ISSN 2358-1913 SETEMBRO DE 2016
Abstract—This work presents a simple and low-cost rectenna
for 2.4 GHz ISM band. The rectenna prototype has been fabricated using a FR-4 substrate and a monopole antenna from a Wi-Fi access point.
Index Terms—Rectenna, wireless power transmission (WPT),
energy harvesting.
Resumo—Este artigo apresenta uma rectenna de baixo custo e
baixa complexidade para operar na faixa ISM de 2,4 GHz. A rectenna foi construída utilizando um substrato FR-4 e uma antena monopolo de roteador Wi-Fi.
Palavras chave—Antena, rectenna, transmissão de energia sem fio, captação de energia.
I. INTRODUÇÃO
Há mais de 100 anos atrás, Nikola Tesla já estudava a transmissão sem fio da energia elétrica e fazia demonstrações utilizando osciladores que operavam em frequências muito baixas [1] [2]. Nos anos 60 surgiu o conceito de rectenna [3], originado de antenas retificadoras que basicamente consistiam de uma antena dipolo de meia-onda com um diodo semicondutor. Desde então vem se estudando formas de melhorar a eficiência da transmissão de energia sem fio por meio do uso de rectennas e recentemente o tema tem ganhado notoriedade como uma alternativa de fonte de energia para dispositivos IoT (Internet of Things).
Existem muitos artigos relevantes sobre o desenvolvimento de rectennas (por exemplo [4-6]). Este artigo propõe o desenvolvimento e o uso de uma rectenna para a frequência de 2,45 GHz como uma alternativa de baixo custo, baixa complexidade, mas com alto desempenho. O protótipo da rectenna proposta foi construído utilizando um substrato de fibra de vidro (FR-4), acoplamento de impedância com linha de transmissão microstrip e antena monopolo de roteador Wi-Fi (IEEE 802.11).
II. RECTENNAS
Um dos mais promissores métodos para transmissão sem fio de energia é o uso de rectenna que é a combinação de uma antena com um circuito retificador. A composição básica de
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. (Arismar Cerqueira S. Jr.). Trabalho aprovado em 06/2016.
uma rectenna é mostrada no diagrama de blocos da figura 1, onde a energia transmitida por ondas eletromagnéticas é captada por uma antena, passa por um casador de impedâncias e então é transferida para um diodo retificador que converte a energia transmitida em energia de corrente contínua (DC). Após o diodo retificador existe um filtro passa-baixa para fazer o casamento de impedância entre o diodo retificador e a carga e também bloquear os harmônicos de alta ordem gerados pelo diodo retificador.
Figura. 1. Diagrama de uma rectenna.
Tipicamente, almeja-se maximizar a transferência de energia elétrica para a carga, ou seja, maximizar a eficiência na conversão de RF para DC [7]. Para isso, temos que fazer corretamente o casamento de impedâncias. Contudo, no casamento de impedâncias em uma rectenna, existe uma complexidade adicional devido ao fato do diodo retificador apresentar um comportamento não-linear.
III. DESENVOLVIMENTO
A. Antena
A antena adotada no desenvolvimento da rectenna deste artigo é uma monopolo de fabricação industrial modelo W1010 produzida pela Pulse que opera no intervalo de frequência entre 2,4 – 2,5 GHz, com impedância de 50 Ohm e ganho de 2 dBi. O coeficiente de reflexão da antena pode ser visto na figura 2.
Rectenna de baixo custo e baixa complexidade
para transmissão de energia sem fio
Figura. 2. S11 da antena monopo utilizada na rectenna.
Mostrada na figura 3, apesar da antena monopolo apresentar baixo ganho, ela foi adotada por ser facilmente encontrada em equipamentos que operam em redes de Wi-Fi (IEEE 802.11).
Figura. 3. Foto da antena monopolo utilizada na rectenna. B. Retificador
A parte de retificação basicamente consiste no uso de um diodo que deve ser escolhido de modo a ter a melhor eficiência na conversão RF-DC [7]: IN RF DC P P K (1)
Como retificador foi empregado um diodo detector Schottky modelo SMS7630-079LF produzido pela Skyworks. A adoção deste diodo se deve ao fato dele já ter sido utilizado com sucesso em outras rectennas [7] [8] e por ser um diodo
Zero Bias Schottky Detector, ou seja, o diodo Schottky Zero Bias possui um tempo de transição mais curto quando
comparado com os diodos p-n o que é necessário quando se trabalha com altas frequências. Além disso, o diodo Schottky
Zero Bias possui uma baixa tensão de turn-on o que é
necessário para se trabalhar com baixas potências, pois, desse modo, ele não irá operar apenas na parte íngreme da curva I-V, conforme pode ser visto na figura 4.
Figura. 4. Comparação da curva I-V de um diodo Schottky e um diodo p-n. C. Casamento de impedâncias e Carga
O casamento de impedâncias entre a antena e o retificador é parte fundamental para atingir a melhor eficiência na conversão RF-DC. Para realizar esse casamento de impedâncias é necessário definir a impedância do diodo que é não-linear e depende da frequência e potência de RF [9]: ( , )
IN
RF diodo Z f P
Z (2)
Também se deve considerar a carga utilizada, pois a eficiência na conversão também depende do valor da carga: ( , , ) L RF RF DC f P R P P IN IN K K (3)
Para realizar as simulações neste artigo, foi utilizado o software Agilent ADS (Advanced Design System), onde os dados do diodo foram obtidos no datasheet do fabricante.
Figura. 5. Modelo utilizado na simulação com o Agilent ADS.
A partir do modelo construído no Agilent ADS (figura 5) podemos simular a tensão de saída otimizada para a frequência fundamental de 2,45 GHz a partir da potência de entrada utilizando o Método de Equilíbrio Harmônico [10], que é uma boa escolha quando se trabalha com circuitos não-lineares no domínio da frequência. O resultado obtido na simulação pode ser visto na figura 6.
Figura. 6. Simulação da tensão de saída x potência de entrada
Contudo, o mais importante num sistema de transmissão de energia sem fio é a sua eficiência, que também foi simulada utilizando o método de Equilíbrio Harmônico, conforme podemos ver na figura 7.
Figura. 7. Simulação da eficiência x potência de entrada.
Na simulação foram consideradas a capacitância e indutância do encapsulamento, mas também deve-se considerar outros fatores como perdas e parasitas na PCB e conectores. Como existem muitas variáveis envolvidas para determinar a impedância do diodo, foi utilizado um Analisador de Redes Vetorial, onde o diodo foi posicionado sobre a placa FR-4 com uma carga de 3300 Ohm em paralelo com um capacitor de 100 pF utilizado como filtro passa-baixa. Após ter o valor da impedância do diodo (com a carga e filtro incluídos), foi realizado o casamento de impedâncias e calculado uma linha de transmissão microstrip utilizando as ferramentas do ADS e realizada uma simulação usando o Momentum do ADS, que é baseada no Método dos Momentos. Na figura 8 têm-se as dimensões para a construção da PCB com a linha de transmissão microstrip.
Figura. 8. PCB com linha de transmissão microstrip.
Na figura 9 pode ser visto o coeficiente de reflexão da parte do circuito retificador já com a linha de transmissão microstrip fazendo o casamento de impedâncias. E na figura 10 é mostrada uma foto da rectenna completa, ou seja, a antena monopolo conectada ao circuito retificador.
Figura. 9. S11 do circuito retificador
Figura. 10. Foto da rectenna completa (antena + placa)
IV. RESULTADOS OBTIDOS
Foram utilizadas duas configurações para a realização dos experimentos. Primeiro, a placa sem antena foi conectada ao gerador de RF através de um adaptador, e desse modo, foi possível verificar a parte do retificador da rectenna. Nas figuras 11 e 12 temos os resultados obtidos.
Figura. 11. Tensão x frequência para potência de entrada de 0 dBm com retificador acoplado ao gerador de RF com adaptador. A faixa de operação da antena monopolo está destacada.
Figura. 12. Eficiência x potência de entrada com retificador acoplado ao gerador de RF com adaptador.
Numa segunda configuração a rectenna completa foi posicionada a 0,3 m de uma fonte geradora de RF em 2,45 GHz, com +10 dBm de potência e conectada a uma antena monopolo similar a utilizada na rectenna (figura 13). Nesse caso devemos considerar a atenuação no espaço livre dada por [11]: 2 4 ¸ ¹ · ¨ © § O Sd AEL (4)
Também devemos considerar o ganho de 2 dBi das antenas e as perdas nos conectores e adaptadores. Assim, a potência recebida pela rectenna que será convertido em DC é dada por: Adapt AntRX EL AntTX RF in P G A G A P (5)
Os resultados obtidos nessa segunda configuração dos experimentos podem ser vistos na figura 14.
Figura. 13. Experimento com a rectenna posicionada a 0,3m da fonte geradora.
Figura. 14. Tensão x frequência para gerador de RF com potência de +10 dBm conectado a antena monopolo e rectenna posicionada a 0,3 m de distância. A faixa de operação da antena monopolo está destacada.
V. CONCLUSÕES
Neste artigo foi apresentada uma rectenna para operar na banda ISM de 2,4 GHz e que pode ser construída com baixo custo e baixa complexidade. O desempenho da rectenna foi verificado de dois modos: primeiro conectando o retificador da rectenna ao gerador de RF e depois posicionando a rectenna completa a 0,3 m de uma fonte geradora de RF com uma antena similar ao utilizado na rectenna. Obteve-se uma boa concordância qualitativa entre os resultados experimentais e as simulações numéricas na faixa de operação da antena monopolo (2,4 a 2,5 GHz). As pequenas divergências devem-se a efeitos provocados por adaptadores e conectores que não foram considerados nas simulações.
REFERÊNCIAS
[1] TESLA, Nikola. The transmission of electric energy without wires. Electrical World and Engineer, 1904.
[2] TESLA, Nikola. Experiments with alternate currents of high potential and high frequency. New York: Institution of Electrical Engineers, London, 1892.
[3] BROWN, W. C. The history of power transmission by radio waves. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, v. 32, n. 9, p. 1230–1242, set. 1984.
[4] REN, Yu-Jiun, CHANG, Kai. 5.8-GHz circularly polarized dual-diode rectenna and rectenna array for microwave power transmission. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, v. 54, n. 4, p. 1495–1502, jun. 2006.
[5] OLGUN, Ugur, CHEN, Chi-Chih, VOLAKIS, John L. Investigation of Rectenna Array Configurations for Enhanced RF Power Harvesting. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, v. 10, p. 262-265, abr. 2011.
[6] HUANG, Yi, ZHOU, Jiafeng, ZHANG, Jingwei, YUAN, Sheng, CARTER, Paul. A High-Efficiency Broadband Rectenna for Ambient Wireless Energy Harvesting. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, v. 63, n. 8, p. 3486-3495, maio. 2015.
[7] VALENTA, Christopher R., DURGIN, Gregory D. Harvesting Wireless Power: Survey of Energy-Harvester Conversion Efficiency in Far-Field, Wireless Power Transfer Systems. IEEE microwave magazine, v. 4, pp. 108-120, jun. 2014.
[8] WANG, D., NEGRA R. Design of a dual-band rectifier for wireless power transmission. IEEE Wireless Power Transfer, in Proc., pp. 127-130, maio 2013
[9] FALKENSTEIN, Erez, ROBERG, Michael, POPOVIC, Zoya. Low-Power Wireless Low-Power Delivery. IEEE transactions on microwave theory and techniques, v. 60, n. 7, jul. 2012.
[10] GEORGIADIA, A., ANDIA, G. Vera, COLLADO, A. Rectenna design and optimization using reciprocity theory and harmonic balance analysis for electromagnetic (EM) energy harvesting. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, v. 9, pp. 444-446, maio 2010.
[11] IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std 145-1983). IEEE Transactions on Antennas and Propagation, v. AP-17, n. 3, maio 1969; v. AP-22, n. 1, janeiro 1974, v. AP-31, n. 6, Part II, novembro 1983.
Euclides Lourenço Chuma nasceu em Campinas, SP, em dezembro de 1977.
Possui o título de Licenciatura em Matemática pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP, 2003). Trabalha atualmente no desenvolvimento de softwares e análise de redes utilizando teoria de grafos e teoria de redes. As suas principais áreas de interesse são: Antenas, Micro-ondas, Rádio Cognitivo, Rádio definido por software (SDR), Comunicações móveis, Transferência sem fio de energia (WPT).
Arismar Cerqueira Sodre Júnior possui Graduação em Engenharia Elétrica
pela Universidade Federal da Bahia (2001), Mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (2002), Ph.D. em Engenharia de Telecomunicações pela Scuola Superiore Sant´Anna - Itália e University of Bath - Inglaterra (2006) e Pós-Doutorado em Engenharia Elétrica pela UNICAMP (2009). Trabalha atualmente como Professor Adjunto IV do Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL). De março de 2009 a agosto de 2011, foi professor concursado da UNICAMP na área de Telecomunicações. Por diversas vezes foi Invited Researcher de universidades renomeadas internacionalmente, tais como University of Bath - Inglaterra (2004,2005 e 2007), Max Planck Institute- Alemanha (2010) e Technical University of Denmark-Dinamarca (2013). As suas principais áreas de pesquisa são: Fotônica de Micro-ondas, Antenas e Radares, Sistemas Rádio sobre Fibra (RoF), Comunicações Ópticas, Óptica Não-linear, Comunicações Móveis, Fibras de Cristais Fotônicos (PCFs), Rádio Cognitivo e Rede de Sensores sem Fio (WSN).
