RF enerji hasatlama için 915 MHz taşıyıcı frekansında mikroşerit anten tasarımı ve uygulaması

Öz

Radyo Frekansı (RF) enerji hasatlama sistemleri günümüzde alternatif bir enerji kaynağı olarak adlandırılmakta ve ortamda bulunan mevcut elektromanyetik enerjinin kullanılmasını hedeflemektedir. Bu enerji hasatlama sistemlerinin amaçlarından biri, düşük güç tüketimine sahip haberleşme sistemleri ile birlikte kullanılıp batarya ömrünü uzatmaktır. RF enerji hasatlama sistemi; anten, empedans uyumlandırma, RF doğrultucu devresi, DC filtre devresi ve yükten oluşmaktadır. Bu çalışmada, 915 MHz taşıyıcı frekansında ve 200 MHz bant genişliğinde bir mikroşerit anten modeli elektromanyetik yapıları sonlu elemanlar yöntemi ile çözen HFSS programı yardımıyla tasarlanmıştır. Önerilen 79x100x1.6 mm3 anten boyutu, parametrik analiz kullanılarak optimize edilmiştir. Daha sonra tasarlanan anten, düşük profilli FR4 alt katmanı üzerinde imal edilmiştir. Son aşamada vektör network analizör cihazı ile antenin ölçümleri alınmış ve geri dönüş kaybı, VSWR ve ışıma paterni gibi özellikleri değerlendirilmiştir. Tasarlanan anten kazancının 2.38 dB olduğu hesaplanmıştır. Ayrıca, antenin ölçüm ve simülasyon sonuçlarının uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Son olarak, bu çalışmanın sonuçları göz önünde bulundurulduğunda, önerilen antenin 915 MHz taşıyıcı frekansında çalışan RF enerji hasatlama sistemleri için uygun bir anten olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Mikroşerit anten
• Enerji hasatlama
• RF enerji

Design and implementation of microstrip antenna at 915 MHz carrier frequency for RF energy harvesting

Abstract

Nowadays, Radio Frequency (RF) energy harvesting systems are called an alternative energy source and target to use the electromagnetic energy available in the environment. One of the purposes of these energy harvesting systems is to extend battery life by being used with communication systems with low power consumption. RF energy harvesting system consists of antenna, impedance matching, RF rectifier circuit, DC filter circuit and load. In this study, a microstrip antenna model with a carrier frequency of 915 MHz and a bandwidth of 200 MHz was designed with the help of HFSS program that solves electromagnetic structures by finite element method. The proposed antenna size of 79x100x1.6 mm3 has been optimized using parametric analysis. Later, designed antenna is fabricated on a low profile FR4 substrate. In the last step, the measurements of the antenna were taken by the vector network analyzer device and the characteristics such as return loss, VSWR and radiation pattern were evaluated. The designed antenna gain is calculated as 2.38 dB. In addition, it has been observed that the measurement and simulation results of the antenna are compatible. Finally, considering the results of this study, it has been determined that the proposed antenna is suitable for RF energy harvesting systems operating at 915 MHz carrier frequency.

Keywords

• Microstrip antenna
• Energy harvesting
• RF energy

References

1. [1] H. J. Visser and R. Vullers, "RF Energy Harvesting and Transport for Wireless Sensor Network Applications: Principles and Requirements," Proceedings of the IEEE, pp. 1410 - 1423, 2013. [2] A. Takacs, A. Okba, H. Aubert ve S. Charlot, «Recent Advances in Electromagnetic Energy Harvesting and Wireless Power Transfer for IoT and SHM Applications,» IEEE International Workshop of Electronics, pp. 1-4, 2017.