Radio Frequency Energy Harvesting Receiving Antenna for sub-6 GHz Bluetooth and Wi-Fi Application Bands of 5G Technology

Abstract

Збір радіочастотної (РЧ) енергії знаходить застосування в бездротових датчиках, радіочастотних кодах, розумних комутаторах, додатках пристроїв Інтернету речей тощо. На відміну від батарей, збір радіочастотної енергії відкритий для електромагнітних хвиль, що надходять від різних джерел, і немає обмежень щодо розмірів і тривалість застосування. Збирач радіочастотної енергії вловлює електромагнітну енергію від джерела, якому він піддається, і перетворює цю енергію на корисну напругу постійного струму. У цій статті ми пропонуємо основний блок РЧ-харвестера, мікросмужкову антену. Мікросмугова патч-антена має низку таких якостей, як невеликий розмір, низька ціна, простий дизайн, менша вага, легке виготовлення та багато іншого. Запропонована мікрополоскова антена для збору радіочастотної енергії розроблена з використанням підкладки FR4 з діелектричною проникністю 4,4 і тангенсом втрат 0,009. Субстрат знаходиться між землею та мідною металевою латкою. Обрана цільова робоча частота становить 2,4 ГГц і 5 ГГц, які знаходяться в діапазоні Wi-Fi. Використовується мікросмужкова лінія шириною 1,1 мм для узгодження навантаження з опором 50 Ом. Антена має вбудоване живлення. Розробка та моделювання виконуються за допомогою програмного забезпечення High-Frequency Structure Simulator (HFSS), а розміри антени визначаються стандартними рівняннями антени. Результати моделювання досягли посилення 7 дБ на 2,4 ГГц з низькими зворотними втратами (параметр S11). Зворотні втрати становлять близько – 13 дБ. Коефіцієнт посилення РЧ-харвестера при роботі на частоті 5 ГГц становить 6 дБі з неймовірно низькими зворотними втратами – 28 дБ. Завдяки наданим результатам і стабільній всеспрямованій діаграмі спрямованості запропонована конструкція антени підходить для використання в системах збору енергії для міліметрових хвиль, а саме. Програми Bluetooth, Wi-Fi та WiMAX як альтернативне джерело енергії, яке відповідає глобальним потребам у енергії через збільшення попиту на електроенергію.

Radio frequency (RF) energy harvesting finds application in wireless sensors, RF codes, smart switches, IoT device applications, etc. Contrary to batteries, RF energy harvesting is open to electromagnetic waves coming from different sources and there is no limitation on the dimension and duration of application. A RF energy harvester captures electromagnetic energy from the source to which it is exposed and convert this energy into usable DC voltage. In this paper we propose the fundamental unit of RF harvester, the microstrip patch antenna. Microstrip patch antenna comes with a host of qualities like small size, low price, simple design, less weight, easy fabrication and many more. The proposed microstrip patch RF energy harvest antenna is developed using FR4 substrate with dielectric constant 4.4 and loss tangent 0.009. The substrate comes in between the ground and copper metal patch. Selected target frequency of operations is 2.4 GHz and 5 GHz, which lie in the Wi-Fi band. A microstrip line of width 1.1 mm for 50 impedance load matching is used. The antenna is inset-fed. The design and simulation are carried out using High-Frequency Structure Simulator (HFSS) software and the antenna dimensions are due to standard antenna equations. Simulation results achieved gain of 7 dBi at 2.4 GHz with low return loss (S11 parameter). The return loss stands near – 13 dB. The gain of the RF harvester at 5 GHz frequency operation is obtained to be 6 dBi with a remarkable low return loss of – 28 dB. With the given results and stable omnidirectional radiation pattern, the proposed antenna design is suitable for energy harvesting application for mm wave application viz. Bluetooth, Wi-Fi, and WiMAX applications, as an alternate energy source meeting the global energy requirement due to increase in demand of power.