Microstrip Patch Antenna Array Design for RF Energy Harvesting Applications

Abstract

In recent years, with the rapid developments in the field of technology and the development of wireless communication systems; led to a noticeable increase in the number of portable, rechargeable and low-power devices. These electronic devices have become a necessity even in our simplest works, due to the increase in their number and variety; It is desired that the energy needs can be met continuously and quickly at a low cost. Batteries, which are non-renewable generators, provide the energy required for such low-power devices in the world. The increase in the tendency towards non-renewable energy sources leads to negative environmental and economic consequences. Therefore, it becomes important to turn to renewable energy sources and to work on it. Energy harvesting systems, which are an innovative energy source, are the best potential alternatives to collect the energy needed by the mentioned low-power devices. With the increase of different frequency bands such as GSM 900, GSM 1800, UMTS, 3G, Wi-Fi, Wi-Max and LTE, RF energy harvesting is becoming quite common. In this paper, a printed multiband microstrip patch antenna is presented. Antenna design covers numerically calculated frequencies of 1.6dBi at 2.4GHz, 3.95dBi at 5.2GHz, gain values, and frequencies often used for electronic device communication such as Wi-Fi 2.4GHz and WiMAX. The proposed antenna design has allowable gain values to be used for RF energy harvesting applications.

Keywords

• RF Energy Harvesting
• Antenna Design
• Microstrip Patch Antenna
• Array Antenna
• Low Power Application

RF Enerji Hasatlama Uygulamaları için Mikroşerit Dizi Anten Tasarımı

Abstract

Son yıllarda teknoloji alanındaki hızlı gelişmeler ve kablosuz iletişim sistemlerinin de geliştirilmesiyle; taşınabilir, şarj edilebilir ve düşük güçlü cihazların sayısında gözle görülebilir bir artışa neden olmuştur. Bu elektronik cihazlar en basit işlerimizde dahi ihtiyaç haline gelmiş olup, sayılarının ve çeşitlerinin artması nedeniyle; enerji ihtiyacının düşük maliyetle, sürekli ve hızlı bir şekilde karşılanabilir olması istenmektedir. Dünyada bu tarz düşük güç tüketen cihazlara gereken enerjiyi genellikle yenilenemeyen üreteç olan piller sağlamaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmek ve bunun üzerine çalışmalar yapmak önemli hale gelmektedir. Bahsedilen düşük güçlü cihazların ihtiyacı olan enerjinin toplanabilmesi için yenilikçi bir enerji kaynağı olan enerji hasatlama sistemleri en iyi potansiyel alternatiflerdir. GSM 900, GSM 1800, UMTS, 3G, Wi-Fi, Wi-Max ve LTE gibi farklı frekans bantlarının artmasıyla birlikte RF enerji hasadı oldukça yaygın hale gelmektedir. Bu yazıda, basılı birçok bantlı mikroşerit yama anteni sunulmaktadır. Anten tasarımı, sayısal olarak hesaplanan 2,4 GHz'de 1,6 dBi, 5,2 GHz'de 3,95 dBi frekansları, kazanç değerlerini ve genellikle Wi-Fi 2,4 GHz ve WiMAX gibi elektronik cihaz iletişimi için kullanılan frekansları kapsar. Önerilen anten tasarımı, RF enerji hasatlama uygulamaları için kullanılmasına izin verilen kazanç değerlerine sahiptir.

Keywords

• RF Enerji Hasatlama
• Anten Tasarımı
• Mikroşerit Yama Anten
• Dizi Anten
• Düşük Güç Uygulamaları

References

1. D. Altınel, “Gelecek nesil kablosuz haberleşme ağları için enerji hasatlama sistemleri,” Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, 2019.
2. Lu, X., Wang, P., Niyato, D., Kim, D. I., & Han, Z., “Wireless networks with RF energy harvesting: A contemporary survey,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2015.
3. N. N. Yoon, N. Ha-Van, and C. Seo, “High-gain and wideband aperture coupled feed patch antenna using four split ring resonators,” Microw. Opt. Technol. Lett., Aug. 2018.
4. Y. Luo, L. Pu, G. Wang, and Y. Zhao, “RF Energy Harvesting Wireless Communications: Rf Environment, Device Hardware and Practical İssues,” Sensors, 2019.
5. U. Özkaya, L. Seyfi and Ş. Öztürk, “Çoklu banda sahip mikroşerit antenlerde boyut optimizasyonunun derin öğrenme yöntemleri ile gerçekleştirilmesi” Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 27(2), 229-233, 2021.
6. A. Mohan and S. Mondal, “An impedance matching strategy for micro-scale RF energy harvesting systems,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2020
7. Khemar, A., Kacha, A., Takhedmit, H., & Abib, G. “Design and experiments of a dual-band rectenna for ambient RF energy harvesting in urban environments,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2017.
8. S. Shrestha, S.K. Noh, and D.Y. Choi, “Comparative Study of Antenna Designs for RF Energy Harvesting,” Int. J. Antennas Propag, vol. 2013, Feb. 2013.

9. Bhattacharya A., “Design, simulation and analysis of a Penta Band Microstrip Patch Antenna with a Circular Slot,” 2013.
10. Irianto A., Mutiara A. B., Shappe A. A., “Designing and Manufacturing Microstrip Antenna for Wireless Communication at 2. 4 GHz,” 2011.
11. Pradeep Chindhi, H P Rajani, Geeta Kalkhambkar, “A Spurious Free Dual Band Microstrip Patch Antenna for Radio Frequency Energy Harvesting,” Indian Journal of Science and Technology, Feb. 2022.
12. M. Rele, D. Patil, “RF Energy Harvesting System: Design of Antenna, Rectenna, and Improving Rectenna Conversion Efficiency,” Proceedings of the Fifth International Conference on Inventive Computation Technologies (IEEE), 2022.