Создание ректенны на основе геометрического фрактала «Дракон Хартера-Хейтуэя¹

Смирнов Андрей Владимирович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории 172 Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Аннотация: Целью работы стало изучение перспективы использования геометрических фракталов для создания широкополосных ректенн. Эффективность поглощения электромагнитной энергии оценивалась путем анализа частотной зависимости S11 параметров в диапазоне частот 0-6ГГц.

В результате работы создана широкополосная ректенна на основе геометрического фрактала «Дракон Хартера-Хейтуэя», обладающая широким спектром поглощения. 

Сделан вывод, что использование геометрических фракталов позволяет создать широкополосные ректенны перспективные для применения в качестве основного, приемного, элемента беспроводной системы сбора электромагнитной энергии.

Ключевые слова: фрактал, ректенна, «Дракон Хартера-Хейтуэя», сбор ЭМ энергии.

Введение

В 1998 году была сформулирована концепция интернета вещей (Internet of Things или IoT), суть её заключается в применении средств радиочастотной идентификации для реализации возможности взаимодействия различных технических устройств между собой и оператором посредством радиоканала. Начиная с 2010 года концепция начала интенсивно развиваться благодаря развитию беспроводных технологий и облачному вычислению. Концепция IoT обладает большими перспективами, так как возможное применение включает в себя практически любую область науки и техники. Начиная с бытового применения – технология «умный дом» и заканчивая созданием распространенных сенсорных сетей сложного технологического производства.

Материалы и методы

В качестве материала использовался двусторонний фольгированный диэлектрик ФЛАН-М толщиной 1 мм. Антенна изготавливалась из пластины размером 55x45 мм. На одну из сторон пластины наносился слой позитивного фоторезиста S1813SP15 толщиной 2 мкм с помощью настольной центрифуги для нанесения резистов Sawatec SM-180-BT (Швейцария). После этого структура выдерживалась 30 мин при температуре 90-95°С, и затем на слое фоторезиста создавался рисунок, соответствующий геометрическому фракталу, размер 53 на 43 мм, толщина линий 0.1 мм, с помощью безмасочной фотолитографической установки Smart Print (Microlight 3D, Франция). Далее ненужная часть фоторезиста удалялась проявителем П-236А-МФ, а излишняя часть меди стравливалась хлорным железом. Остатки фоторезиста удалялись ацетоном. Для изучения S параметров ректенны использовался векторный анализатор цепей Tektronix TTR506A(США). Измерения проводились в специально подготовленной безэховой камере, внутренняя часть которой была покрыта радиопоглощающим материалом МОХ 1/50. Подключение ректенны к измерительному прибору осуществлялось с помощью фазостабильного кабеля.

Литературный обзор

Создание беспроводных сенсорных систем - технологически сложная и экономически затратная задача. Важным требованием для подобных систем является обеспечение бесперебойного питания сенсорных элементов. Коммерческие продукты, представленные на рынке беспроводных датчиков, к примеру охранные датчики движения, разбития стекла или противопожарные датчики задымлённости в качестве питающего элемента используются маломощные аккумуляторные батареи с ресурсом от 1 до 2 лет работы. Использование подобного подхода вполне оправдано в случае частных решений, обеспечении безопасности в частных домах или небольших офисных и производственных помещениях. Но практически, при масштабировании системы безопасности на крупный промышленный объект количество устройств может возрасти с десятков до сотен и тысяч. В связи с этим, замена питающих элементов является сложной и экономически затратной задачей. В связи с вышесказанным, перспективной задачей является поиск нового технологического решения питания беспроводных сенсорных систем. Таким решением может послужить технология беспроводной передачи энергии на основе ректенн[1]. Как правило, ректенны крайне требовательны к плотности энергии и зависимы от направленности, так как большинство из них рассчитываются на одну полосу частот. Поэтому, применительно к системам сбора энергии более перспективными являются многодиапазонные антенные решетки способные работать при низкой плотности энергии [2] и имеющие диаграмму направленности, не зависящую от азимутального угла. Антенные решетки обладают определенными недостатками, одно из них размер и сложность в исполнении. Эффективным решением этих проблем может быть использование фрактальных структур при проектировании ректенн. Использование геометрических фракталов при разработки топологии ректенн позволяет увеличить и расширить полосу поглощения ректенны и уменьшить её геометрические размеры, благодаря большей плотности заполнения подложки. Исследования в данном направлении ведутся уже не первый год, для увеличения эффективной электрической длины используют различные геометрические фракталы, такие как снежинка Коха, фрактал «дракона», «Сетка Апполония», множество Кантора, кривая Минковского, кривая Гильберта и многие другие[3].

Результаты

На рисунке 1(а) представлена модель геометрического фрактала, используемая при проведения процесса литографии. На рисунке 1(б) представлено изображение лицевой части пластины с сформированной на ней ректенной. С тыльной стороны ректенны припаивался стандартный SMA разъем для подключения к прибору, рисунок 2(в).

Рисунок 1. Используемая для процесса литографии модель фрактала(а), фотография лицевой(б) и тыльной(в) стороны образца ректенны.

На рисунке 2 представлен график частотной зависимости S₁₁-параметров, полученный в результате эксперимента.

Рисунок 2. Частотная зависимость S₁₁-параметров ректенны.

Обсуждение

Представленная на рисунке 2 частотная зависимость S₁₁ параметров в диапазоне 0.1-6 ГГц, позволяет сделать вывод о том, что ректенна поглощает энергию практически во всем представленном диапазоне. Наблюдаются максимумы поглощения при 0.4, 0.75, 1.3, 2.3, 2.7, 4.2, 5, 5.5 и 5.75 ГГц, величины пиков достигает -14 дБ. Стоит отметить что антенна наиболее эффективно поглощает на частоте 5 ГГц, что является несущей частотой для Wi-Fi сетей нового поколения, также обладает широким пиком поглощения в области от 2до 2.5 ГГц сетей Wi-Fi предыдущего поколения. Поэтому для питания устройств на базе представленной ректенны может быть использованы существующие передающие антенны Wi-Fi передатчиков.

Заключение

Таким образом показано, малогабаритная ректенна на основе фрактала «Дракон» обладает широкой полосой поглощения, коэффициент усиления в которой достигает порядка 14 дБ и может применяться в качестве приемной антенны(ректенны) в системах мироэнергетики [4].

Практическое применение ректенн весьма широко- от передачи электроэнергии радиоволнами СВЧ диапазона до питания микромощных потребителей различного функционального назначения. В частности, интерес к таким устройствам вызван возможностью их применения, например, для беспроводной передачи энергии для распределенных сенсорных систем нового поколения.

Список литературы

1. Mei H. et al. High-efficiency microstrip rectenna for microwave power transmission at Ka band with low cost //IET Microwaves, Antennas & Propagation. – 2016. – Т. 10. – №. – С. 1648-1655.
2. Kuzu S., Akcam N. Array antenna using defected ground structure shaped with fractal form generated by Apollonius circle //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2016. – Т. 16. – С. 1020-1023.
3. Palazzi V. et al. Performance analysis of a ultra-compact low-power rectenna in paper substrate for RF energy harvesting //2017 IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks (WiSNet). – IEEE, 2017. – С. 65-68.
4. Колесов В. В., Решетилов А. Н. Микроэнергетика: системы с накоплением энергии для микроэлектронных устройств //Радиотехника. – 2015. – №. 8. – С. 66-72.

¹ Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования № 0030-2019-0016 и частично поддержана Советом по грантам Президента Российской Федерации. (Проект № МК-1503.2020.8).