Evaluación de la Eficiencia de Captación de Energía de RF de una Antena Impresa de Banda Ancha para su conversión en DC

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1 Evaluación de la Eficiencia de Captación de Energía de RF de una Antena Impresa de Banda Ancha para su conversión en DC Jorge Simón, Juan R. Flores, Margarito Cruz, Eleazar S. Kolosovas, Francisco C. Ordaz Academia de Telemática, Universidad Politécnica de San Luis Potosí Academia de Telemática, Universidad Politécnica de San Luis Potosí Urbano Villalón 500, Predio La Ladrillera, San Luis Potosí, SLP, México RESUMEN En el presente trabajo se lleva a cabo la propuesta, el análisis y la caracterización de una antena impresa logaritmico-periodica con el fin de conocer su eficiencia y desempeño en términos de captación de energía de radiofrecuencia. La antena fue diseñada para ser una antena de banda ancha que comprende las frecuencias que van desde 1.5 hasta 5.5 GHz, rango de frecuencia donde se encuentra la segunda parte de UHF y una parte de SHF y donde podemos encontrar servicios como la telefonía celular y las redes WLAN que son lo que más abunda en los ambientes urbanos. Este dispositivo muestra buena respuesta en esa porción del espectro y es una buen candidato para ser implementado en la alimentación de circuitos de conversión de RF a DC, mismos que acondicionaran las señales recibidas por la antena y entregando energía de DC. La combinación de una antena con buena eficiencia de captación y con un ancho de banda amplio junto con los circuitos de conversión forman un sistema de alimentación/carga para dispositivos electrónicos de bajo consumo, dándoles libertad de movimiento y la posibilidad de ser libres de baterías al no requerir ser alimentados alámbricamente. El sistema propuesto es una idea novedosa en el campo de las energías alternativas. Los resultados obtenidos de la caracterización de la antena fueron validados teórica y experimentalmente, de los cuales podemos mencionar impedancia, return loss, patrones de radiación y distribución de corriente eléctrica. PALABRAS CLAVE: eficiencia, captación de energía de RF, antena impresa, conversión RF-DC. 1. INTRODUCCIÓN La presente investigación encuentra su razón de ser en dos aspectos muy importantes y presentes en la actualidad y que sin duda dan pie a una extensa y creciente línea de investigación. Las dos áreas implicadas son por una lado, el creciente uso de tecnología de comunicaciones inalámbricas que hace que cada vez existan más unidades móviles, unidades de comunicación que operan en distintas bandas de frecuencia, como por ejemplo los teléfonos celulares que son dispositivos multibanda que incluyen conexiones a través de las redes del operador, conexiones WiFi, bluetooth, GPS, etc. Esta relativamente grande cantidad de unidades móviles hace que en los ambientes urbanos el espacio libre esté plagado de energía de RF proveniente de los distintos estándares de comunicación inalámbrica. Por otro lado en los tiempos actuales ha existido la preocupación del cuidado del medio ambiente y una de las maneras en que se puede combatir el deterioro del mismo, es buscando y aplicando nuevas formas de generación de energía o lo que comúnmente se conoce como energías alternativas. Si unimos estos dos aspectos, encontramos que una opción viable en materia de energías alternativas, consiste en la captación de energía de RF del medio ambiente por medio de antenas 1

2 multibanda o antenas de banda ancha. La energía captada por estas antenas es convertida a corriente directa (DC) por medio de electrónica de conversión y acondicionamiento. La energía de DC puede ser entonces utilizada para alimentar o cargar dispositivos electrónicos de bajo consumo, como pueden ser sensores médicos vestibles, GPS, e-book readers, auriculares, etc. El tener un sistema de conversión de energía de RF a DC, da la posibilidad de tener dispositivos electrónicos libres de baterías y con movilidad, ya que no necesitan estar atados a un cable para alimentarse o ser cargados. 2. METODOLOGIA La metodología seguida en el presente trabajo consistió fundamentalmente en las siguientes 4 etapas: diseño, simulación, caracterización y conversión de RF a DC. En la etapa de diseño se llevó a cabo la aplicación de geometrías de antenas planas con el fin de determinar una estructura que ofreciera una respuesta de banda ancha en el dominio de la frecuencia y que cubriera las bandas de los principales servicios de comunicación inalámbrica, móvil y personal, como lo son la telefonía celular y las redes WLAN. La estructura de antena plana propuesta fue una antena tipo dipolo logarítimico-periódica[1][4] con un largo de mm y un ancho de mm. El largo de cada brazo de la antena dipolar fue de mm, el ángulo fue de 30 y el ángulo de 60. Otras dimensiones de la estructura de la antena son =0.7, =0.84, ancho de puerto=21.21mm, espesor del sustrato=1.5748mm y el material del sustrato fue baquelita. En la Figura 1 se puede apreciar en 3D la geometría y dimensiones de la antena. Una vez diseñada la antena se procedió a la simulación computacional de la antena, esto con el fin de conocer sus parámetros que caracterizan su comportamiento antes de pasar a la fabricación y con ello ahorrar costos de antenas que no cumplan los requisitos. La simulación computacional se Figura 1. Geometría y dimensiones de la antena logarítmico-periodica llevó a cabo mediante HFSS (High Frequency Structural Simulator), software comercial para antenas y electromagnetismo basado en el método del elemento finito, donde se procedió a dibujar la estructura de la antena y el dominio de simulación junto con las condiciones de frontera. Para esta simulación se usaron los parámetros del estándar RG-8/U [2][3] que establece una impedancia de 50Ω, dicha impedancia fue asignada a un puerto que conecta los dos brazos de la antena. Posteriormente se creó una caja de vacío a la que se le asignó condiciones de frontera de radiación, la cual fue enlazada posteriormente a una esfera infinita de radiación. Una vez establecidas las condiciones de frontera necesarias para la simulación se procedió a la ejecución de esta para así poder obtener sus parámetros fundamentales que definen su desempeño y principalmente su eficiencia de captación como return loss, patrón de radiación, distribución de corriente, entre otros. 2

3 La fabricación de la antena se llevó a cabo mediante tecnología de circuitos impresos PCB donde se plasmó una estructura de dos brazos tipo dipolar. La antena no cuenta con plano de tierra y se encuentra sobre baquelita con la misma geometría y dimensiones mencionadas para la simulación en HFSS. Una vez llevada a cabo la fabricación de la antena mediante tecnología PCB, se procedió a la caracterización de la misma mediante la utilización de un analizador vectorial de impedancias VIA Echo 2500 con el cual se midió la impedancia en las terminales de la antena, esto con el fin de conocer su acoplamiento con la línea de transmisión de 50 a la cual fue conectado, es decir el return loss. El return loss nos permite conocer las resonancias o bandas de operación. Todos los resultados obtenidos en mediciones fueron corroborados con su contraparte de simulación computacional. Para la correcta visualización de los resultados obtenidos mediante las pruebas de laboratorio efectuadas sobre esta antena, fue necesario hacer un filtrado y suavizado de los datos obtenidos utilizando el método Savitzky-Golay, con un margen de 25 y un polinomio de orden 5. Respecto a la aplicación de la antena diseñada, podemos decir que se refiere a convertir las señales de radio frecuencia en energía eléctrica de DC para hacer posible alimentar sobre todo, dispositivos de bajo consumo de potencia. Principalmente los beneficios se verán reflejados en los dispositivos que utilicen tanto pilas desechables como recargables prolongando su vida útil, además de que, en algún momento se les puede suprimir de conectores, cables y elementos de carga especiales de las baterías. Es interesante como la energía de RF puede ser convertida en corriente directa, y más importante aún es el funcionamiento del colector de energía en cuanto a eficiencia de conversión se refiere si se consideren las variaciones tanto la potencia de entrada como de la resistencia de salida o carga. En el diagrama de bloques en la Figura 2, se muestra el proceso para la conversión de señales de radio frecuencia en corriente directa (DC). Figura 2. Diagrama de bloques del sistema de Captación de energía de RF Los Niveles de voltaje típicos que se manejan en un convertidor de energía de RF a DC comerciales, son 3.3 V, 4.2 V hasta 5.5 V. En el presente trabajo se propone una antena de alta eficiencia de captación y de banda ancha para sustituir a los monopolos que comúnmente vienen con estos equipos convertidores y que no son de banda ancha. 3. RESULTADOS Como se mencionó en secciones anteriores, el presente estudio está basado en la simulación y en la caracterización de la antena de banda ancha propuesta de tipo logarítmico periódica. Entre los parámetros que se obtuvieron de la antena mediante simulación está el return loss, que representa cuanta potencia es reflejada de la antena hacia la línea de transmisión debido a que 3

4 nos mide las pérdidas por al mal acoplamiento de impedancia entre la antena y la línea de transmisión (pérdidas de retorno). La figura 3 muestra una gráfica del return loss S11 donde se puede apreciar que para las frecuencias comprendidas entre 1.5 GHz y 5.5 GHz éste parámetro siempre está por debajo de los -4 db y las frecuencias donde este parámetro es menor es donde se presentan menos pérdidas, este comportamiento es fácil de apreciar. Figura 3. Grafica de coeficiente de reflexión. Como se puede apreciar, la antena se desempeña de forma adecuada en las frecuencias para las que se diseñó. Para complementar el estudio de la antena se procedió a obtener la impedancia de ésta, como se muestra en la Figura 4. La impedancia de la antena nos indica el valor resistivo y reactivo de la antena a determinadas frecuencias, en base a dichos valores se pude calcula el coeficiente de reflexión usando el valor de la carga asociada al puerto como valor resistivo de acoplamiento. 4

5 Figura 4. Grafica con las impedancias de la antena. En la figura 5 se puede observar la impedancia obtenida con el analizador vectorial de impedancias comparada con la obtenida en software de simulación (HFSS). La grafica anterior muestra la magnitud de la impedancia [5] medida con el VIA comparada con la obtenida con el software de simulación, dicha comparación es necearía para validar los resultados obtenidos. Figura 5. Grafica con la impedancia medida de la antena y la obtenida con el software. 5

6 Se obtuvo además la gráfica del return loss que nos indica las frecuencias de resonancia de la antena, al igual que la gráfica anterior se compara contra el obtenido en software. Dicha grafica aparece en la figura 6. El coeficiente de reflexión [6] nos muestra las frecuencias de resonancia de la antena. Dicho valor nos indica las frecuencias a las que esta antena se desempeña mejor que son 900 MHz, 1.9 GHz y 2.1 GHz aproximadamente. Cabe mencionar que tanto la Figura 5 y 6 consideran un barrido de frecuencias solo hasta 2.25 GHz debido a que ese es el ancho de banda del analizador vectorial de impedancias utilizado en la parte experimental. Figura 6. Grafica con con el coeficiente de reflexión medido en la antena y el obtenida con el software. 4. CONCLUSIONES Una vez llevado a cabo el diseño y el análisis de la antena plana logarítmico-periodica se pudo observar que efectivamente se trata de una antena de banda ancha que puede ser aplicada para la captación de energía de radio frecuencia, observándose un desempeño aceptable en términos de eficiencia de captación para el rango de frecuencia comprendido 500 MHz a 5.5 GHz, mostrando un return loss siempre por debajo de los -4 db. Dentro del ancho de banda antes mencionado se pude observar notablemente que las frecuencias de 900 MHz, 1.9 GHz y 2.15 GHz, frecuencias comúnmente utilizadas en la telefonía móvil celular, son las frecuencias en las que la antena presenta mejor desempeño, donde los valores de S11 son de -8.5 db,-7.5 db y db respectivamente. De igual forma los valores de magnitud de impedancia entrados fueron de 45 Ω,55 Ω y 52 Ω respectivamente. En conclusión se presenta una antena con buen desempeño en un amplio ancho de banda y sobresalientemente mejor en las tres frecuencias de telefonía celular antes mencionadas, ya que en esas frecuencias si impedancia es muy similar a la de una línea de transmisión de 50Ω conectada, lo que se traduce en pérdidas de retorno relativamente bajas debidas al buen acoplamiento y que aseguran la máxima transferencia de potencia del medio ambiente a la antena y de la antena a la línea de transmisión. Esto ofrece grandes ventajas al conectar la antena diseñada a una circuitería conversora de RF a DC. agradecimientos 6

7 Al Dr. Gustavo Vera Reveles por su valioso apoyo durante las mediciones efectuadas para la caracterización de la antena, así como a al Dr. Francisco Javier González por la facilitación de instrumentos de medición de su laboratorio, ambos de la Coordinación para la Innovación y Aplicación de la Ciencia y la Tecnología de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. 5. REFERENCIAS [1] Constantine A. Balanis. ANTENNA THEORY ANALYSIS AND DESIGN. 3 rd ed., New York: Wiley & Sons [2] Kizer, George Maurice, Microwave communication. Iowa State University Press, 1990 [3] The ARRL UHF/Microwave Experimenter's Manual, American Radio Relay League, Newington CT USA, [4] V.H. Rumsey, Frequency independent antennas, Academic Press, New York and London, [5] Alexander, Charles; Sadiku, Matthew, Fundamentals of Electric Circuits, 3rd ed., McGraw-Hill, 2006 [6] Trevor S. Bird, "Definition and Misuse of Return Loss", IEEE Antennas & Propagation Magazine, April [7] Serway, Raymond A., Jewett, John W., Physics for Scientists and Engineers 6ª ed., Brooks/Cole,