In this study, we exploit genetic algorithms to design a rectenna required to harvest ambient radio-frequency (RF) energy from four different RF bands in critical (ultra-low power) conditions. For this purpose a set of multi-resonant annular-ring patch antennas are pixel-wise described inside an electromagnetic simulator to provide the ‘population’ of individuals among which the genetic tool is able to select the most adapted one with respect to the design specifications. The further use of circuit-level non-linear simulation tool, based on Harmonic balance technique, allows the rigorous multi-band design of the whole rectenna system in RF stationary conditions at several received power levels. The result is a novel compact, lightweight and highly efficient tetra-band rectenna, able to harvest RF energy from GSM 900, GSM 1800, UMTS and WiFi sources available in the ambient. At these frequency bands high radiation efficiency is desired as an essential prerequisite for optimally handling very low-power densities. Very good agreement with measurements of both the radiating and rectifying designs is demonstrated in real office scenarios. Finally the rectenna is connected to a power management unit and the resulting assembly is tested in terms of stored energy while harvesting from a mobile cell-phone call

چکیده

در این مطالعه، ما از الگوریتم های ژنتیک برای طراحی یک رکتنا مورد نیاز جهت برداشت انرژی فرکانس رادیویی (RF) محیط از چهار باند RF مختلف در شرایط بحرانی (توان بسیار پایین) بهره گرفتیم. بدین منظور، یک مجموعه از آنتن های پچ حلقوی در مقیاس پیکسل درون یک شبیه ساز الکترومغناطیس توصیف شد تا "تعداد" مواردی را که ابزار ژنتیک می تواند با در نظر گرفتن مشخصات طراحی، سازگارترین را از بین آن ها انتخاب کند، مشخص کند. استفاده بعدی از ابزار شبیه سازی غیر خطی سطح مدار مبتنی بر تکنیک بالانس هارمونیک امکان طراحی چند بانده دقیق سیستم رکتنا کامل را در شرایط ایستگاهی RF در چندین سطح توان دریافتی فراهم می کند. یک رکتنا جدید فشرده، سبک وزن با کارایی بالا حاصل می گردد که می تواند انرژی RF را از منابع GSM900، GSM 1800، UMTS و WiFi موجود در محیط برداشت کند. در این باندهای فرکانسی، اثر تابشی بالا به عنوان یک پیش شرط ضروری برای کنترل بهینه تراکم های توان بسیار پایین، مطلوب است. توافق بسیار خوبی با اندازه گیری های طراحی های تابشی و یکسو کننده در سناریوهای رسمی واقعی صورت گرفته است. در نهایت رکتنا به یک واحد مدیریت توان متصل شده و پیاده سازی حاصل از منظر انرژی ذخیره شده در حین برداشت از یک تماس گوشی موبایل، تست می شود.

1-مقدمه

نیاز فزاینده ای برای میکروسیستم های نهفته در محیط با توزیع بالا وجود دارد که ارتباطات بی سیم و عملکردهای حسگر را مجتمع نموده و از دیدگاه منبع تغذیه مستقل هستند. برای نیازهای توان در حد چند میکرووات، می توان سیستم های برداشت را مجتمع کرد تا بتواند توان فرکانس رادیویی (RF) موجود در محیط را از کاربردهای بی سیم موجود به طور موثر دریافت کند [3-1]. برای دستیابی به این هدف، گیرنده های R باید در حد زیادی هم در مورد فرکانس کاری و هم محدوده توان RF همه جانبه باشند. این نیازمند استفاده از آنتن های رزونانس چند بانده با فرکانس تابش بالا به جای آنتن های دور برد غیر رزونانت و قطبش گردشی (CP) در هر باند فرکانس کاری است تا حداکثر توان دریافتی از منابع RF با مسیر نامشخص ورود و قطبش تضمین کند. پس از آن، رویه های پیشرفته ای برای طراحی عنصر تابش مورد نیاز است. در این مقاله، ما یک روش مقاوم را برای حل موازنه های طراحی حساس یک آنتن سطحی تک عنصره چهار رزونانس ارائه می کنیم که برای جمع آوری انرژی در ناحیه ای که نقاط GSM 900، GSM 1800، UMTS و WiFi در حال انتقال هستند، طراحی شده است. برای مدیریت مشکل مکان نامشخص و جهت منابع RF و یا برداشت کننده، ما یک آنتن چند باند و یک یکسو کننده آنتن چند باند مطابق با چینش شبکه طراحی می کنیم تا برای هر باند عملیاتی باریک، امکان حداکثرسازی کارایی سیستم (آنتن، یکسو کننده و واحد مدیریت توان)، ویژگی های CP در زمان ممکن و کاهش شکست ها در مدار یکسو کننده به وجود آید...