Projeto e análise de rectenas de baixa potência com simplificação e redução de circuitos casadores para reutilização de energia RF
Carregando...
Data
Autor(es)
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Low power rectenna design and analysis with simplification and reduction of matching circuits for RF energy reuse
Primeiro orientador
Membros da banca
Xisto Lucas Travassos Junior
Rose Mary de Souza Batalha
Diogo Batista de Oliveira
Hugo Daniel Hernandez Herrera
Marcela Silva Novo
Rose Mary de Souza Batalha
Diogo Batista de Oliveira
Hugo Daniel Hernandez Herrera
Marcela Silva Novo
Resumo
O reaproveitamento da energia eletromagnética disponível no ambiente, para alimentar dispositivos de pequenas cargas, tem impulsionado diversas pesquisas. Dentro desse contexto, essa tese apresenta um estudo teórico e experimental de uma rectena, que é uma antena acoplada a um circuito retificador, usada na captação e conversão da energia disponível no ambiente na faixa de micro-ondas, em energia elétrica de corrente contínua. A utilização de rectenas para reaproveitamento de energia eletromagnética é uma aplicação recente, que deve levar em consideração as características do sinal recebido, tais como alta frequência e baixos níveis de potência. Essas características adicionadas a não linearidade do circuito retificador implicam em limitações no casamento de impedância entre a antena e o circuito retificador, conduzindo a necessidade de um projeto específico para cada aplicação.
Geralmente a análise computacional completa do sistema rectena é complexa, uma vez que é importante considerar as duas partes: a antena e circuito retificador. Embora a análise do problema eletromagnético acoplado ao circuito não linear seja possível, a simulação comumente possui um custo computacional elevado dependendo do método numérico empregado. Logo, uma ferramenta de análise para rectena constituída de um modelo SPICE de extração de circuitos para a antena que permite a incorporação do circuito não linear é apresentada como alternativa para as soluções de onda completa baseadas em métodos numéricos. A metodologia proposta possibilita analisar o problema tridimensional da antena e o circuito retificador separadamente.
Alternativamente, duas metodologias de projeto baseadas na otimização da impedância da antena são propostas a fim de aumentar a eficiência do sistema rectena.
Primeiramente, uma técnica de projeto baseada na otimização da impedância da antena é proposta a fim reduzir a complexidade do circuito de casamento de impedância. Assim, o circuito retificador é projetado com um $stub$ simples a fim de manter a impedância do retificador próxima de 50$\Omega$. A impedância da antena é otimizada para casar com o retificador medido. Então, o sistema rectena projetado com a antena de impedância corrigida é comparado com um sistema constituído de uma antena de 50$\Omega$, para diferentes distâncias. Por fim, os resultados são validados com base em experimentos e dados disponíveis na literatura.
Objetivando a eliminação completa do circuito casador, uma segunda abordagem foi desenvolvida onde uma topologia de antena foi otimizada para permitir o casamento direto com o circuito retificador. A análise do circuito retificador dobrador de tensão empregado aponta uma impedância relativamente baixa conduzindo à escolha de uma nova topologia de antena. A sintonização da antena é apresentada e seus resultados são comparados com a técnica inicial e trabalhos contemporâneos apresentados na literatura.
Abstract
The reuse of energy available in the environment to feed low power devices has led
to many different research. Within this context, this paper presents a theoretical and
experimental study of a rectenna, which is an antenna coupled to a rectifier circuit. It is
used in the capture and conversion of energy, available in the environment, in the range
of microwave frequencies into electrical DC power. The use of rectennas to reuse electromagnetic energy is a recent application, which should take into account the characteristics
of the received signal, such as high frequency and low power levels. These characteristics added to the non-linearity of the rectifier circuit imply limitations in the impedance
matching between the antenna and the rectifier circuit, leading to the need for a specific
design for each application.
Generally the complete computational analysis of the rectenna system is complex
as it is important to consider both parts: the antenna and rectifier circuit. Although
the analysis of the electromagnetic problem coupled to the nonlinear circuit is possible,
the simulation commonly has a high computational cost depending on the numerical
method employed. Therefore, a retinal analysis tool consisting of a SPICE antenna circuit
extraction model that allows the incorporation of the nonlinear circuit is presented as an
alternative to full wave solutions based on numerical methods. The proposed methodology
makes it possible to analyze the three-dimensional problem of the antenna and the rectifier
circuit separately.
Alternatively, two design methodologies based on antenna impedance optimization are
proposed in order to increase the efficiency of the rectenna system.
Firstly, a design technique based on antenna impedance optimization is proposed in
order to reduce the complexity of the impedance matching circuit. Thus, the rectifier
circuit is designed with a simple stub to keep the rectifier impedance close to 50Ω. The
antenna impedance is optimized to match the measured rectifier. Then, the rectenna
system designed with the impedance corrected antenna is compared to a system consisting
of a 50Ω antenna for different distances. Finally, the results are validated based on
experiments and data available in the literature.
In order to completely eliminate the matching circuit, a second approach was developed
where an antenna topology was optimized to allow direct matching with the rectifier
circuit. The analysis of the voltage doubling rectifier circuit employed points to a relatively
low impedance leading to the choice of a new antenna topology. The antenna tuning is
presented and its results are compared with the initial technique and contemporary works
presented in the literature.
Assunto
Engenharia elétrica, Otimização combinatória, Antenas (Eletrônica), Retificadores (Eletrônica)
Palavras-chave
Antena, Circuito retificador, Otimização, Rectenna