Capturing of Radio Frequency Energy with a Compact Ultra-wideband Patch Antenna

Abstract

У цій статті представлено новий дизайн прямокутної патч-антени, спеціально призначеної для застосування у збиранні радіочастотної (RF) енергії. Конструкція використовує гібридну стратегію (HS), що поєднує прорізаний патч та часткову заземлюючу площину зі структурою дефектного заземлення (DGS). Це інтегрування допомагає оптимізувати погодження імпедансу, мінімізувати коефіцієнт зворотних втрат і покращити загальну продуктивність антени. Антена виготовлена на підкладці FR4 розміром 30 мм x 20 мм, а її компактний патч має розміри 18 мм x мм. Використана підкладка FR4 характеризується тангенсом втрат 0,02, товщиною 0,8 мм і діелектричною проникністю 4,4. Живлення антени здійснюється через мікросмужкову лінію з хвильовим опором 50 Ом. Антена працює на частоті 3,5 ГГц, що входить до надширокосмугового (UWB) діапазону 3,1 – 10,6 ГГц. Проектування та оптимізація антени виконані за допомогою програмного забезпечення HFSS v.15. Результати моделювання демонструють відмінні характеристики антени. Вона забезпечує чудове погодження імпедансу, із зворотними втратами – 29,43 дБ. Антена також має широку смугу пропускання 19,54 ГГц, що робить її придатною для роботи з різними джерелами радіочастотної енергії. Крім того, ефективність передачі потужності є високою, із коефіцієнтом стоячої хвилі (VSWR) 1,0699. Антена ефективно захоплює енергію, забезпечуючи піковий коефіцієнт підсилення 8,7 дБ та фокусовану спрямованість випромінювання, з директівністю 10,21 дБ. Вона ефективно перетворює радіочастотну енергію в електричну, досягаючи коефіцієнта корисної дії (ККД) 96,14%. Компактні розміри антени, а також її виняткові характеристики роблять її придатною для широкого спектру застосувань у бездротовому збиранні енергії.

This article presents a novel design for a rectangular patch antenna that is specifically intended for RF energy harvesting applications. The design incorporates a hybrid strategy (HS) that combines a slotted patch and partial ground plane with a defected ground structure (DGS). This integration helps to optimize impedance matching, minimize return loss, and improve the overall performance of the antenna. The antenna is constructed on a 30 mm by 20 mm FR4 substrate, with a compact patch size measuring 18 mm x 14 mm. The FR4 substrate used has a tangent loss of 0.02, a thickness of 0.8 mm, and a dielectric permittivity of 4.4. To feed the antenna, a 50 Ω microstrip feed line is employed. The antenna operates at a frequency of 3.5 GHz, which falls within the ultrawideband (UWB) range of 3.1 GHz to 10.6 GHz. The design and optimization of the antenna are carried out using HFSS v.15 software. The simulation results show outstanding performance of the antenna. It exhibits excellent impedance matching, with a return loss of – 29.43 dB. The antenna also boasts a wide bandwidth of 19.54 GHz, making it suitable for various RF energy sources. Additionally, the power transfer efficiency is high, with a VSWR of 1.0699. The antenna demonstrates effective energy capture, with a peak gain of 8.7 dB, and focused energy directionality, with a directivity of 10.21 dB. This antenna efficiently converts RF energy into electrical energy, achieving an efficiency rate of 96.14%. The antenna's compact size, along with its impressive characteristics, renders it suitable for a wide range of wireless energy harvesting applications.