URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
2.45 GHz Elektromanyetik Enerji Hasatçısı
Osman Ceylan, Emre Aydın, Bekir Çelik, Selçuk Paker, H. Bülent Yağcı
İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
İstanbul
{ceylanos, aydinem, celikb, spaker, [email protected]
Özet: Bu çalışmada, 2.45 GHz’de -10 dBm gibi düşük giriş güç seviyesi altında çalışabilen bir RF-DC
dönüştürücü (Antenli Doğrultucu) tasarımı sunulmuştur. Bu sistem yüksek kazançlı ve küçük boyutlu bir YagiUda dizi anteni içermektedir. Tek diyotlu doğrultucu devrede ise kutuplamasız schottky diyot kullanılmıştır. 900
Ω yük ile -10 dBm giriş gücü şartlarında devre verimi % 36 olmaktadır. Bu sistem, Wi-Fi erişim noktaları gibi
2.45 GHz vericilerin etrafında bulunan ve çok düşük güç gerektiren uygulamalarda enerji kaynağı olarak
kullanılabilir.
Abstract: In this study, a RF-DC converter (rectenna) design which works under low input power such as -10
dBm at 2.45 GHz is proposed. Rectenna includes high gain small sized Yagi-Uda array antenna. A zero bias
schottky diode is used at the rectifier circuit. Efficiency is around 36% with 900 Ω load and -10 dBm input
power. This system can be used for batteryless ultra-low power applications around 2.45 GHz transmitters such
as Wi-Fi access points.
1. Giriş
Günümüzde, 2.4-2.5 GHz band aralığı lisans gerektirmemesi sebebiyle birçok düşük güçlü iletişim sisteminde
tercih edilmektedir. Kablosuz internet erişim noktası, bluetooth, uzaktan kumanda gibi birçok sistem 2.4-2.5
GHz bandını kullanır. Bu sistemlerin sayısının giderek artması bu banttaki elektromanyetik enerji yoğunluğunu
gün geçtikçe arttırmaktadır.
Ortamdaki elektromanyetik enerjinin kullanılabilir doğru akım haline getirilmesi çok düşük güç ile çalışan
sistemlerin pilsiz olarak çalıştırılabilmesi fikrini ortaya çıkarmıştır. Genel bir RF-DC dönüştürücüde, anten
tarafından toplanan elektromanyetik enerji elektriksel işarete dönüştürülüp doğrultucu devreye iletilir (Şekil 1).
Anten
Şekil 1 RF-DC dönüştürücü blok şeması
Bu çalışmada 2.45 GHz’te düşük güçte çalışabilen bir elektromanyetik hasatçı tasarımı yapılmıştır. Sistemin
1µW/cm2 güç yoğunluğu altında olacağı varsayılmıştır. Bu da 0 dBi kazançlı 50Ω bir anten ile -19.2 dBm güç
anlamına gelmektedir. Bildirinin ilk bölümünde, anten kazancı ve boyut arasındaki dengeyi sağlamak amacı ile
denenen çeşitli anten yapıları verilmiştir. Devam eden bölümde ise doğrultucu yapısından bahsedilmiştir. Son
kısımda, yapılan ölçüm sonuçları sunulmuştur.
2. Anten Tasarımı
Çevrede bulunan elektromanyetik enerji anten tarafından toplanır, bu nedenle yüksek verimli ve kazançlı bir
anten ile daha fazla enerji hasat edilebilir. Sistemin daha kullanışlı olması için antenin küçük boyutlu olması da
amaçlanmıştır. Bu projede; Yagi-Uda, End-Fire, Broad-Side veya çift yüzlü mikro şerit anten gibi farklı tipte
antenler kazanç-boyut dengesini görmek için ele alınmıştır [2]. Broad-side ve end-fire antenler, Yagi-Uda ile
karşılaştırıldığında aynı kazancı verebilmesi için neredeyse iki katı daha fazla yüzey alanı gerektirmektedir.
Bununla beraber, mikro-şerit antenler, dielektrik malzeme kayıpları sebebiyle yüksek kazanç
sağlayamamaktadır. Yagi-Uda dizisi ile en iyi kazanç-boyut dengesi sağlanmıştır. Şekil 2’de Ansoft HFSS
benzetim ortamında tasarlanan antenler ve sağladıkları özellikler verilmiştir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 2 Tasarlanan anten yapıları
Şekil 3 HFSS ile tasarlanan anten
Şekil 2’de görülen 3. tasarım en iyi kazanç-boyut oranını sağlamaktadır. Daha yüksek kazanç sağlamak için ise
bu tasarım üzerine bir yansıtıcı ve yönlendirici eleman eklenmiştir. Son sistemde merkezinde kaynak olarak,
katlanmış dipol anten içeren, arkasında yansıtıcı ve önünde yönlendirici bulunan Şekil 3’te görülen 3 elemanlı
bir Yagi-Uda dizisi oluşturulmuştur. Benzetimine sonucuna göre yaklaşık 9.8dBi kazanç elde edilmiştir (Şekil
4). Tasarlanan dipol anten geniş bant bir balun kullanılarak ölçülmüştür. Ölçüm sonucunda 9.5 dB kazanç ve 18.5 dB geri yansıma gözlenmiştir (Şekil 5). Bu değerler benzetim sonuçlarına oldukça yakındır.
Şekil 4 Anten ışıma örüntüsü (benzetim)
Şekil 5 Antenin geri yansıma değeri ölçümü
3. Doğrultucu Yapısı
Doğrultucunun verimini ve çıkış geriliminin tepe değerini belirleyen kilit unsur diyot seçimidir. Bu çalışmada
doğrultucu katında kullanılmak üzere Avago Tech firmasının kutuplamasız “HSMS2850” schottky diyotu tercih
edilmiştir (Tablo 1). Bu diyotun kullanılmasındaki en önemli sebeplerden bir tanesi diyot girişinden görülen
kapasitenin küçük, doyma akımının büyük olmasıdır.
Parametre
Toplam Kapasite
Temas Kapasitesi
Doyma Akımı
En büyük ileri kutuplama gerilimi
Seri direnci
Değer
0.3 pF
0.18 pF
3x10-6 A
150 mV
25 Ω
Tablo 1 Schottky diyot parametreleri [1]
Parametre
Diyot Modeli
Yük Direnci
Doğrultucu kapasite
Endüktans
Ön hat karakteristik empedansı
Değer
HSMS2850
900 Ω
22 nF
10 nH
128 Ω
Tablo 2 Doğrultucu devre parametreleri
En yüksek verimi elde etmek için devrenin giriş empedansının en uygun şekilde sonlandırımı gereklidir. En
yüksek verimi elde edebilmek için gerekli empedans değeri kaynak çekim (source-pull) yöntemi ile
belirlenmiştir. Gerekli giriş sonlandırım empedansının belirlenmesinin ardından NI AWR Microwave Office
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
yazılım aracıyla devre tasarımı yapılmıştır. Elde edilen devre elemanı değerleri Tablo 2’de ve tam yapı Şekil
6’da görülebilir.
Bu durumda -10 dBm giriş gücü ile ulaşılan verim % 36 olmuştur. Devre dahil sistemin boyutu 30x55x60 mm3
olmuştur. Anten dizisinin uzatılması, kazancı arttırmakla beraber hedeflenen boyut-güç ilişkisinin dışına çıktığı
için tercih edilmemiştir.
Şekil 6 Doğrultucu yapısı
4. Devrelerin Hazırlanması ve Ölçümler
Taban olarak Taconic TSM-DS3 taban (h=0.76 mm, DK=3, Tand=0.0014) kullanılmıştır ve anten yansıtıcısının
arkasına konumlandırılmıştır (Şekil 7). Gerekli güç yoğunluğunu sağlamak için sistem 4 elemanlı bir mikro şerit
dizi antenden yaklaşık 2 metre uzağa konumlandırılmıştır (Şekil 8). Antenin bulunduğu konumda 1 µW/cm2 güç
yoğunluğu sağlandıktan sonra ölçümler yapılmıştır. Sadece anten ile yapılan ölçümlerde anten çıkışında
beklendiği gibi -10 dBm giriş gücü görülmüştür. Bütün sistem ile yapılan ölçümde 900 Ω yük üzerinde 180 mV
gerilim, yani 36 µW güç gözlenmiştir.
Şekil 7 Gerçeklenen sistem
Şekil 8 Ölçüm sistemi
5. Sonuç
Telsiz iletişim cihazlarının artması etraftaki elektromanyetik enerji yoğunluğunun da artmasına yol açmaktadır.
Özellikle insanların bulunduğu kapalı alanlarda sık kullanılan 2.45 GHz bandı için ortamdaki elektromanyetik
enerjinin toplanarak çok düşük güçlü sistemler için pilsiz bir enerji kaynağı oluşturması çerçevesinde bu
çalışmada, tasarlanan küçük boyutlu sistem ile 1 µW/cm2 güç yoğunluğu altında yaklaşık 36 µW güç
toplanabilmiştir. Verim, belirlenen güç yoğunluğu altında %36 olarak ölçülmüştür.
6. Kaynaklar
[1] HSMS-285x Series Surface Mount Zero Bias Schottky Detector Diodes Datasheet 2009, Avago
Technologies, www.avagotech.com
[2] C. A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Edition W. H. Cantrell,” Wiley “Tuning analysis
for the high-Q class-E power amplifier,” J. Wiley & Sons, 2005.
Download

135