מערכות פסיביות ואקטיביות לבישות רחבות פס לקצירת אנרגיה ירוקה

תקציר – הדרישה לאנרגיה ירוקה נמצאת בגידול מתמיד. אנטנות לבישות רחבות סרט בעלות נצילות גבוהה הן חיוניות ביותר עבור מערכות לבישות לקצירת אנרגיה. אנטנות קטנות לקצירת אנרגיה סובלות מנצילות נמוכה. אפשר לשפר את הנצילות של מערכות לבישות לקצירת אנרגיה על ידי שימוש במערכות אקטיביות לבישות לקצירת אנרגיה, בעלות צריכת אנרגיה נמוכה. ניתן לחבר מגברים לקו ההזנה של אנטנה לבישה, כדי להגדיל את הטווח הדינמי של המערכת. במאמר זה מוצגות מערכות אקטיביות חדשניות לקצירת אנרגיה. לאנטנות ויואלדי (notch) ואנטנות חריץ (slot) יש פרופיל נמוך ועלות נמוכה, ואפשר להשתמש בהן במערכות לבישות לקצירת אנרגיה. הרכיבים של מערכת לבישה לקצירת אנרגיה מורכבים על אותו מעגל מודפס. רוחב הפס של אנטנות ויואלדי (notch) ואנטנות החריץ (slot) הוא בין 50% ל- 100% עם יג”ע (VSWR) טוב יותר מ- 3:1. השבח של אנטנת חריץ נע סביב 3dBi עם נצילות גבוהה
מ- 90%. הפרמטרים החשמליים של האנטנות חושבו בקרבה של גוף אדם. השבח של אנטנה אקטיבית הוא 24 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח שמשתרע מ- 200 מגה הרץ עד 900 מגה הרץ. השבח של אנטנה אקטיבית הוא 12.5 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח המשתרע
מ- 1 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ. ספרת הרעש של אנטנת חריץ היא 0.5 dB ± 0.3 dB עבור תדירויות בטווח שבין 200 מגה הרץ לבין 3.3 ג’יגה הרץ. האנרגיה הדרושה לאספקת מתחים למגבר של מערכת קצירת האנרגיה מסופקת מספק המתח של מערכת התקשורת.

מונחי אינדקס – קצירת אנרגיה, מערכות אקטיביות, מטענים

א. מבוא

הרעיון של שימוש באנרגיית הסביבה בצורות של אור, תנודות, חום, גלי רדיו וכיו”ב הפך בשנים האחרונות להיות אטרקטיבי יותר ויותר, בעקבות זה פותחו מספר שיטות להפקת חשמל מסוגים שונים של מקורות אנרגיה [1-8]. טכנולוגיה לקצירת אנרגיה תוכל לבטל את הצורך בסוללות וכבלי חשמל. חשוב לקלוט את ההספק הסביבתי של ת”ר (RF) המופק ממערכות אלחוטיות מרובות, על מנת לקצור אנרגיה בכמות המרבית האפשרית. במקרים אלו, שימוש באנטנות רחבות סרט ונצילות הפך להיות חיוני ביותר. עקב צפיפויות הספק נמוכות מאוד שנקלטות באנטנה, נעשה שימוש במקרנים בעלי נצילות גבוהה, שפועלים בטווח תדירות מסוים ובמצבי קיטוב מסוימים. עקום הקרינה המועדף של האנטנה אמור להיות בעל אלומה רחבה. בספרות הוצגו מספר אנטנות מודפסות לשימוש ביישומים לקצירת אנרגיה [1-8]. אנטנות לבישות בטכנולוגיה מודפסת משמשות בהיקף גדול במערכות תקשורת ובמערכות רפואיות [9-35]. ההשפעה שיש לגוף אדם על הביצועים החשמליים של מערכות לבישות לא תמיד מוצגת בספרות. המאפיינים החשמליים של רקמות אדם נחקרו ב- [25-26]. אנטנות חריץ ואנטנות ויואלדי חדשות פותחו עבור יישומים של מערכות לבישות לקצירת אנרגיה. התכונות של אנטנות ויואלדי ואנטנות חריץ כוללות נפח קטן, משקל קל ועלויות ייצור נמוכות. בנוסף, עבור אנטנות ויואלדי ואנטנות חריץ אקטיביות רשת הזנה זולה מתקבלת על ידי שילוב רכיבים אקטיביים עם המרכיבים המקרינים על אותו מצע.

אנטנות לבישות אקטיביות בטכנולוגיה מודפסת ליישומי קצירת אנרגיה מוצגות בספרות לעתים נדירות. במאמר זה מוצג סוג חדש של אנטנות לבישות פסיביות ואקטיביות ליישומים של קצירת אנרגיה. אפשר לחבר מגברים לקו ההזנה של האנטנה הלבישה כדי לשפר את נצילות המערכת. סוללות קלות משקל וזולות יספקו את המתח הדרוש לרכיבים האקטיביים של מערכת קצירת האנרגיה. בנוסף האנרגיה הדרושה לאספקת מתחים למגבר של מערכת קצירת האנרגיה מסופקת מספק המתח של מערכת התקשורת.

אפשר להשתמש במערכת המוצעת לקצירת אנרגיה במערכות תקשורת אלחוטיות ובמערכות רפואיות לבישות. רוחב הפס של האנטנה האקטיבית נע סביב 200% עבור S11 קטן
מ- –5dB. השבח של אנטנה אקטיבית הוא 22 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות שנעות בטווח מ- 200 מגה הרץ עד 900 מגה הרץ. השבח של אנטנה אקטיבית הוא 12.5 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות שנמצאות בטווח מ- 1 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ.

ב. הרעיון שמאחורי קצירת אנרגיה אקטיבית

קצירת אנרגיית ת”ר היא תהליך שבו לוכדים אנרגיה אלקטרומגנטית שמתפשטת באוויר, מאחסנים אותה, ומשתמשים בה לטעינת סוללות ומצברים וליישומים מסחריים אחרים. העוצמה של אנרגיית ת”ר היא הפוכה יחסית למרחק, ולכן היא יורדת עם עליית המרחק מהמקור. הספק שנקצר ממקורות אנרגיה בת”ר יהיה נמוך מ- 0.1 מיקרו וואט לסמ”ר. אפשר לחבר מגברים לקו ההזנה של אנטנה לבישה כדי לשפר את נצילות המערכת. העיקרון של קצירת אנרגיית ת”ר מוצג באיור 1. יחידת מתח ישר מנהלת ומבקרת את הספק המתח הישר במערכת המוצעת. יש עלייה בכמות גלי הרדיו באוויר. הכמות של גלי רדיו באוויר שהייתה צפויה בשנת 2017 היא 11 אקסה-ביית (10¹⁸) לחודש כפי שמפורט בטבלה 1. כיום יש אפשרות לבצע חישובים רבים יותר לכל קילו וואט-שעה, כפי שמפורט בטבלה 2. מקורות האנרגיה מפורטים בטבלה 3.

איור 1: עיקרון הפעולה של מערכת אקטיבית לקצירת אנרגיה

מערכת קצירת אנרגיה שפועלת בת”ר מורכבת מאנטנה, מעגל יישור וסוללה נטענת (או מצבר נטען). את רמת ההספק בתהליך לקצירת אנרגיה אפשר לחשב בעזרת המשוואות 1 עד 4 המופיעות בהמשך.

ניחות מרחבי חופשי (Lp) מייצג את הפסדי ההתפשטות במרחב החופשי. יש לקחת בחשבון במשוואת התמסורת גם הפסדים שנגזרים כתוצאה מהניחות באטמוספירה, La.

יש לקחת בחשבון גם הפסדים הנובעים מחוסר תיאום בקיטוב, Lpol. בחישוב תקציב השידור אין להזניח הפסדים הקשורים באנטנת הקליטה, Lra, ובמקלט, Lr. הפסדים הקשורים לאנטנת השידור ניתן לייצג כ, Lta.

כאשר:   Pt=Pout/Lt

EIRP = Pt Gt

Pt הוא ההספק של האנטנה המשדרת. Lt הוא הניחות בין מקור ההספק לבין האנטנה. EIRP הוא ההספק האיזוטרופי היעיל המוקרן.

ההספק הנקלט Pr ב- dBm נתון במשוואה 4. בדרך כלל מתייחסים להספק הנקלט Pr כ”הספק הגל הנושא”.

לטלפונים ניידים הפועלים לפי תקן 802.11 מותר על פי החוק לשדר בעוצמה של כ 30 dBm.

ג. אנטנת ויואלדי רחבת פס, ל- 2 ג’יגה הרץ עד 7.8 ג’יגה הרץ,
עבור יישומים של קצירת אנרגיה

אנטנת ויואלדי רחבת פס הודפסה על מצע דיאלקטרי מסוג RT–DUROID עם קבוע דיאלקטרי 2.2 ועובי של 1.2 מ”מ. ממדי אנטנת הויואלדי ‏ הם 116.4 x 71.4 מ”מ כפי שמוצג באיור 2. רוחב הפס של האנטנה הוא סביב 100% עבור S11 קטן מ- –6.5 dB, כפי שמוצג באיור 3. היג”ע של אנטנת הויואלדי ‏ טוב יותר מ- 3:1 עבור תדירויות מ- 2.1 ג’יגה הרץ עד 7.8 ג’יגה הרץ. רוחב אלומת האנטנה הוא סביב 84°. שבח האנטנה הוא סביב 2.5 dBi. איור 4 מציג את עקום הקרינה של אנטנת הויואלדי ‏ בתדר של 3.5 ג’יגה הרץ. יש הסכמה בין תוצאות החישובים לתוצאות המדידות. מעגל יישור הספק מחובר למבוא האנטנה. סוללה נטענת מחוברת למוצא של מעגל היישור.

ד. אנטנת ויואלדי ‏ חדשה אקטיבית, קומפקטית ורחבת פס
ל- 0.5 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ לקצירת אנרגיה

הספק שנקצר מערוצי תקשורת שמשדרים ת”ר נמוך בדרך כלל מ- 0.1 מיקרוואט לסמ”ר. אנטנות אקטיביות יכולות לשפר את הנצילות של מערכת קצירת האנרגיה.

איור 2: מערכת לבישה רחבת פס ל- 2 ג’יגה הרץ עד 7.8 ג’יגה הרץ לקצירת אנרגיה

איור S11 :3 מחושב של אנטנת ויואלדי רחבת פס ל- 2 ג’יגה הרץ עד 7.8 ג’יגה הרץ

איור 4: תבנית קרינה של אנטנת ויואלדי ב- 3.5 ג’יגה הרץ

אנטנה בעלת מבנה פרקטאלי הודפסה על מצע בעובי 1.2 מ”מ עם קבוע דיאלקטרי של 2.2.
אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית מוצגת באיור 5. ממדי אנטנת הויואלדי ‏ הם 74.5 x 57.1 מ”מ. התדר המרכזי של האנטנה הוא 1.75 ג’יגה הרץ. רוחב הפס הפעיל של האנטנה הוא סביב 200% עבור S11 קטן מ-5 dB-. היג”ע הפעיל של אנטנת הויואלדי ‏ טוב יותר מ- 3:1 עבור תדירויות מ- 0.5 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ. רוחב אלומת האנטנה הוא סביב 84º. מגבר דל רעש (LNA) בטכנולוגיית E-PHMET חובר לאנטנת ויואלדי ‏ דרך רשת תיאום בכניסה. רשת תיאום ביציאה מחברת את המגבר למעגל יישור ההספק. רשת ממתח במתח ישר מספקת את המתחים הנחוצים למגברים. הפרמטרים החשמליים של המגברים נמדדו על ידי יצרן המגברים. המפרט של המגברים מפורט בטבלה 4. פרמטרי S המרוכבים של המגבר מפורטים בדף הנתונים TAV541 של Mini–Circuits. פרמטר S21 של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית, הגבר האנטנה, מוצג באיור 6. שבח האנטנה האקטיבית הוא

22 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח מ- 200 מגה הרץ עד 900 מגה הרץ. שבח האנטנה האקטיבית הוא 12.5 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח מ- 1 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ. ספרת הרעש של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית מוצגת באיור 7. ספרת הרעש של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית היא 0.5 ± 0.3 dB עבור תדירויות בטווח מ- 300 מגה הרץ עד 3.0 ג’יגה הרץ. פרמטר S22 של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית קטן מ- -5 dB עבור תדירויות מ- 0.5 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ. תוצאות מחושבות אלו תואמות לתוצאות שנמדדו. כל האנטנות המוצגות במאמר זה יכולות לפעול גם כאנטנות פסיביות.

איור 5: אנטנת ויואלדי רחבת פס אקטיבית פרקטלית ולבישה

איור 6: פרמטר S21 של אנטנת ויואלדי אקטיבית

ה. אנטנת ויואלדי ‏ אקטיבית רחבת פס, חדשה, קומפקטית
ל- 0.4 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ לקצירת אנרגיה

אנטנת ויואלדי ‏ רחבת פס תוכננה עם מבנה פרקטלי. האנטנה הודפסה על מצע דיאלקטרי עם קבוע דיאלקטרי של 2.2 ובעובי של 1.2 מ”מ. אנטנת הויואלדי ‏ מוצגת באיור 8. הממדים של אנטנת הויואלדי ‏ הם 52.2 x 36.8 מ”מ. התדר המרכזי של האנטנה הוא 1.7 ג’יגה הרץ. רוחב הפס של האנטנה הוא סביב 100% עבור S11 קטן מ- –5dB. היג”ע של אנטנת הויואלדי ‏ טוב יותר מ- 3:1 עבור תדירויות מ-0.4 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ.

איור 7:
ספרת הרעש שלאנטנת ויואלדי אקטיבית

רוחב אלומת האנטנה הוא סביב 84º. מגבר נמוך רעש בטכנולוגיית E-PHEMT חובר לאנטנה. החלק הקורן חובר למגבר נמוך הרעש דרך רשת תיאום בכניסה. רשת תיאום ביציאה חיברה את חיבור המגבר למעגל היישור. רשת ממתח במתח ישר סיפקה את המתחים הנחוצים למערכת קצירת האנרגיה. פרמטרי S המרוכבים של המגבר מפורטים בדף הנתונים TAV541 של Mini–Circuits. פרמטר S21 של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית, השבח, מוצג באיור 9. שבח האנטנה האקטיבית הוא
20 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח מ- 400 מגה הרץ עד 1.3 ג’יגה הרץ. שבח האנטנה האקטיבית הוא 12.5 dB ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח מ- 1.3 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ.
ספרת הרעש של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית מוצגת באיור 10. ספרת הרעש של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית היא 0.5 dB ± 0.3 dB עבור תדירויות בטווח מ- 300 מגה הרץ עד 3.0 ג’יגה הרץ. פרמטר S22 של אנטנת הויואלדי ‏ האקטיבית קטן מ- -5 dB עבור תדירויות מ- 0.5 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ.

איור 8:
אנטנת ויואלדי אקטיבית, לבישה, פרקטלית
ורחבת פס עם מבנה פרקטלי

ו. אנטנת חריץ אקטיבית, פרקטלית, רחבת פס, חדשה, קומפקטית
ל- 0.8 ג’יגה הרץ עד 5.4 ג’יגה הרץ לקצירת אנרגיה

אנטנת חריץ לבישה, במבנה T, רחבת פס ליישומים של קצירת אנרגיה מוצגת באיור 11. הפרמטרים החשמליים של האנטנה חושבו באמצעות התוכנה momentum [36]. הממדים של אנטנת החריץ במבנה T הם 7 x 7 x 0.12 ס”מ. התדר המרכזי של אנטנת החריץ הוא סביב 3 ג’יגה הרץ. פרמטרי S11 המחושבים מוצגים באיור 12. רוחב הפס של האנטנה הוא סביב 100% עבור יג”ע טוב יותר
מ- 3:1. רוחב האלומה של האנטנה הוא סביב 138º ב- 1 ג’יגה הרץ כפי שמוצג באיור 13.

איור 8:
אנטנת ויואלדי אקטיבית, לבישה, פרקטלית
ורחבת פס עם מבנה פרקטלי

איור 10 : ספרת הרעש של אנטנת ויואלדי פרקטלית אקטיבית

השבח של האנטנה הוא סביב 2.5 dBi. האנטנה תוכננה גם כאנטנה אקטיבית כפי שמוצג באיור 15. החלק הקורן מחובר למגבר LNA דרך רשת תיאום כניסה. רשת תיאום יציאה מחברת את נקודת יציאת המגבר למעגל יישור. רשת ממתח מתח ישר מספקת את המתחים הנחוצים למערכת קצירת האנרגיה. פרמטרי S המרוכבים של המגבר מפורטים בדף הנתונים TAV541 של Mini–Circuits. פרמטר S21 של אנטנת החריץ האקטיבית, השבח, מוצג באיור 15. שבח האנטנה האקטיבית הוא 24 ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח מ- 200 מגה הרץ עד 900 מגה הרץ. שבח האנטנה האקטיבית הוא 12.5 ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח מ- 1 ג’יגה הרץ עד 3 ג’יגה הרץ. אפשר לשפר את שטיחות (flatness) ההגבר ל- ±2 dB עבור תדירויות – 0.2 ג’יגה הרץ עד 6 ג’יגה הרץ באמצעות מגבר עם שטיחות הגבר של ±2 dB. ספרת הרעש של אנטנת החריץ האקטיבית היא 0.5 ± 0.3 dB עבור תדירויות בטווח מ- 200 מגה הרץ עד 3.0 ג’יגה הרץ. פרמטרי S11 של אנטנת חריץ בצורת T על גוף אדם מוצגים באיור 13. הקבוע הדיאלקטרי של רקמת קיבה הוא 45, עיין ב- [25-26]. האנטנה הוצמדה באזור הקיבה לחולצה עם קבוע דיאלקטרי של 2.2 בעובי של 1 מ”מ.

ז. מערכות לבישות לקצירת אנרגיה ליישומים רפואיים ומסחריים

הביצועים החשמליים של אנטנות בקרבת גוף של אדם נחקרו על ידי שימוש במודל המוצג באיור 17. המאפיינים של רקמות גוף אדם מפורטות בטבלה 5 [25–26]. מאפיינים אלו שמשו בתכנון של המערכת הלבישה. אפשר להרכיב כמה אנטנות לקצירת אנרגיה בחגורה כדי להצמיד אותן לגוף של מטופל כפי שמוצג באיור 18.

איור 11 : אנטנת חריץ רחבת פס לקצירת אנרגיה

מתח הממתח לרכיבים האקטיביים מסופק על ידי סוללת רשם קומפקטית. כבלי המתח הישר מכל אנטנת קצירה מחוברים לסוללה נטענת. אפשר להכניס לחגורה כמה אנטנות קצירה פסיביות או אקטיביות. אפשר להשתמש באנרגיה האלקטרומגנטית המומרת כדי לטעון רשתות תקשורת של הגוף, BAN, רפואיות או מסחריות.

איור S11 :12 מחושב של אנטנת חריץ רחבת פס ל- 0.8
ג’יגה הרץ עד 5.4 ג’יגה הרץ

איור 13 : תבנית הקרינה של אנטנת חריץ לקצירת אנרגיה

איור 14 : אנטנת חריץ פעילה רחבת פס לקצירת אנרגיה

איור S21 :15 של אנטנת חריץ אקטיבית לקצירת אנרגיה

איור S11 :16 מחושב של אנטנת חריץ רחבת פס ל-
0.8 ג’יגה הרץ עד 5.4 ג’יגה הרץ על גוף אדם

ח. מערכת לקצירת אנרגיה

כפי שאפשר לראות באיור 1, מערכת קצירת האנרגיה בת”ר מורכבת מאנטנה, מעגל יישור וסוללה נטענת. מיישר הוא מעגל שממיר את זרם החילופין (AC) של האנטנה, או את האנרגיה האלקטרומגנטית לזרם ישר (DC). אפשר להשתמש במעגל יישור חצי גל או במעגל יישור גל שלם כדי להמיר אנרגיה אלקטרומגנטית לאנרגיה חשמלית.

איור 17 : מבנה של אנטנות חריץ לבישות לפי ניתוח

איור 18 : מערכת אקטיבית לבישה לקצירת אנרגיה

מעגל יישור חצי גל מוצג באיור 19. מעגל יישור חצי גל מוליך רק במהלך המחצית החיובית של המחזור. הוא מאפשר רק למחצית אחת של צורת גל חילופין לעבור דרך העומס. המתח הישר במוצא מעגל היישור, V_ODC, נתון במשוואה 5. אפשר לשפר את מתח המוצא של מעגל היישור על ידי חיבור קבל במקביל לנגד. מעגל היישור המשופר של חצי הגל מוצג באיור 20. קבוע הזמן τ צריך להיות נמוך מ- T. כאשר τ = RC << T. הנצילות של מיישר חצי גל היא 40.6 % כפי שמוצג במשוואה 7. המשמעות היא שרק 40.6 % מהספק החילופין שבכניסה מומרים למתח ישר. כאשר rf, ההתנגדות הקדמית של הדיודה זניחה בהשוואה לערך של R. גשר יישור של גל שלם הוא המעגל הנפוץ ביותר בשימוש במעגלים של ספקי כוח. הוא מורכב מארבע דיודות D1 עד D4, כפי שמוצג באיור 21, המחוברות בצורה של גשר. במהלך מחצית המחזור של מתח חיובי בכניסה, חיבור A יהיה חיובי וחיבור B יהיה שלילי. הדיודות D1 ו- D2 יהיו בממתח קדמי והדיודות D3 ו- D4 יהיו בממתח הפוך.

איור 19 : מעגל יישור חצי גל

איור 20 : מעגל יישור חצי גל משופר

המתח הישר במוצא מעגל היישור יהיה . אפשר לשפר את מתח המוצא של מעגל היישור על ידי חיבור קבל במקביל לנגד. המעגל המשופר ליישור חצי הגל מוצג באיור 22. הנצילות של מעגל היישור בחצי גל הוא 81.2 % כפי שמוצג במשוואה 8. המשמעות היא שרק 81.2 % מהספק מתח החילופין בכניסה מומר למתח ישר.

איור 21 : מעגל יישור גל מלא

איור 22 : מעגל יישור משופר לגל מלא

הקבל המשמש במעגל היישור המשופר יכולה להיות דיודת וארקטור (varactor) מבוקרת מתח. וארקטורים הם קבלים משתנים מבוקרי מתח המתוכננים לספק כוונון אלקטרוני של התקנים חשמליים. אפשר לכוונן את אדוות (ripple) המתח במוצא של מעגל היישור המשופר, משוואה 6, כפונקציה של תדירות האות הנקלט או של התנגדות העומס, R. דיודת שוטקי (schottkey) יכולה לשמש במעגל היישור. דיודת שוטקי היא דיודת מוליך למחצה שיש לה מפל מתח קדמי נמוך ופעולת המיתוג שלה מהירה ביותר. מפל מתח קטן קיים על פני חיבורי הדיודה כאשר זורם זרם דרך דיודה. לדיודה רגילה יש מפל מתח בין 0.6 ל- 1.7 וולט. מפל המתח על פני דיודת שוטקי הוא בדרך כלל בין 0.15 ל- 0.4 וולט. מפל מתח נמוך זה מספק נצילות טובה יותר של המערכת ומהירות מיתוג גבוהה יותר. השוואה בין דיודת שוטקי לבין דיודות PN רגילות מפורטת בטבלה 6. עקומות V – I אופייניות של דיודות שוטקי מסחריות מוצגות באיור 23. איור 24 מציג מערכת קצירה לבישה ומטען סוללה לביש שמחוברים לחולצה של מטופל.

איור 23 : עקומות V–I אופייניות של דיודות שוטקי

איור 24 : מערכת קצירה רפואית, לבישה

ט. מסקנות

מאמר זה מציג מערכות אקטיביות חדשות, קומפקטיות ולבישות לקצירת אנרגיה בעלות רוחב פס גבוה ביותר הפועלות בטווח התדירויות מ- 0.4 ג’יגה הרץ עד 8 ג’יגה הרץ. הניתוח של אנטנות הויואלדי ‏ והחריץ הלבישות האקטיביות התבצע באמצעות תוכנת תלת ממד לגל מלא. הספק שנקצר מקישורים המשדרים בת”ר נמוך בדרך כלל מ- 0.1 מיקרו וואט לסמ”ר. אנטנות אקטיביות יכולות לשפר את הנצילות של קצירת האנרגיה. עם זאת, כל האנטנות שהוצגו במאמר זה יכולות לפעול גם כאנטנות פסיביות. רוחבי הפס של אנטנת הויואלדי ‏ ואנטנת החריץ הם מ- 50% עד 100% עם יג”ע טוב יותר מ- 3:1. ההגבר של אנטנת החריץ הוא סביב 3 dBi עם נצילות גבוהה מ- 90%. הפרמטרים החשמליים של האנטנה חושבו בקרבת גוף אדם. ההגבר של אנטנת חריץ אקטיבית הוא 24 ± 2.5 dB עבור תדירויות בטווח מ- 200 מגה הרץ עד 900 מגה הרץ. ההגבר של אנטנת חריץ אקטיבית הוא
12 ± 2 dB עבור תדירויות בטווח מ- 1 ג’יגה הרץ עד 3.3 ג’יגה הרץ. אפשר לשפר את שטיחות ההגבר של מערכת קצירת אנרגיה על ידי שימוש במגבר עם שטיחות הגבר משופרת. אפשר להשתמש במגבר עם שטיחות הגבר של ± 2 dB עבור תדירויות מ- 0.2 ג’יגה הרץ עד 6 ג’יגה הרץ. אפשר להשתמש באנטנות אקטיביות לבישות במערכות של קצירת אנרגיה. מגבר נמוך רעש מחובר לאנטנת קצירת האנרגיה. רשת תיאום במוצא מחברת את חיבור מוצא המגבר למעגל יישור.סוללה נטענת מחוברת למוצא של מעגל היישור. רכיבי מערכת הקצירה הלבישה מורכבים על אותו המעגל המודפס. אפשר להשתמש במערכת קצירת האנרגיה המוצעת במערכות תקשורת אלחוטית לבישות ובמערכות רפואיות לבישות.

REFERENCES

• Xiao Lu , Ping Wang , Dusit Niyato , Wireless Networks With RF Energy Harvesting: A Contemporary Survey, IEEE Communications Surveys & Tutorials Volume: 17, issue 2, pp. 757 – 789 2015
• J. Visser, R. J. M. Vullers, “RF energy harvesting and transport for wireless sensor network applications: Principles and requirements”, Proc. IEEE, vol. 101, no. 6, pp. 1410-1423, Jun. 2013.
• A. Paradiso and T. Starner, “Energy scavenging for mobile and wireless electronics,” IEEE Pervasive Computing, vol. 4, no. 1, pp. 18–27, 2005.
• R. Valenta and G. D. Durgin, “Harvesting wireless power: survey of energy-harvester conversion efficiency in far-field, wireless power transfer systems,” IEEE Microwave Magazine, vol. 15, no. 4, pp. 108–120, 2014.
• Nintanavongsa, U. Muncuk, D. R. Lewis, and K. R. Chowdhury, “Design optimization and implementation for RF energy harvesting circuits,” IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, vol. 2, no. 1, pp. 24–33, 2012.
• K. A. Devi, S. Sadasivam, N. M. Din, and C. K. Chakrabarthy, “Design of a 377 Ω patch antenna for ambient RF energy harvesting at downlink frequency of GSM 900,” in Proceedings of the 17th Asia Pacific Conference on Communications (APCC ’11), pp. 492–495, Sabah, Malaysia, October 2011.
• A. Rahim, F. Malek, S. F. W. Anwar, S. L. S. Hassan, M. N. Junita, and H. F. Hassan, “A harmonic suppression circularly polarized patch antenna for an RF ambient energy harvesting system,” in Proceedings of the IEEE Conference on Clean Energy and Technology (CEAT ’13), pp. 33–37, IEEE, Lankgkawi, Malaysia, November 2013.
• Krakauskas, A. M. A. Sabaawi, and C. C. Tsimenidis, “Suspended patch microstrip antenna with cut rectangular slots for RF energy harvesting,” in Proceedings of the 10th Loughborough Antennas and Propagation Conference (LAPC ’14), pp. 304–307, Loughborough, UK, November 2014.
• Albert Sabban, ” Low visibility Antennas for communication systems” , TAYLOR & FRANCIS group, 2015, USA.
• Albert Sabban, “Wideband RF Technologies and Antenna in Microwave Frequencies”, Wiley Sons, July 2016, USA.
• R. James, P.S Hall and C. Wood, “Microstrip Antenna Theory and

Design”,1981 London.

• Sabban and K.C. Gupta, “Characterization of Radiation Loss from Microstrip Discontinuities Using a Multiport Network Modeling Approach”, I.E.E.E Trans. on M.T.T, Vol. 39,No. 4,April 1991, pp. 705-712.
• Sabban,” A New Wideband Stacked Microstrip Antenna”, I.E.E.E Antenna and Propagation Symp., Houston, Texas, U.S.A, June 1983.
• Balanis, C.A. “Antenna Theory: Analysis and Design”, 2nd Edition. Wiley, 1996
• Inventors: Albert Sabban, Microstrip antenna arrays, U.S. Patent US 1986/4,623,893, 1986.
• Sabban, “Wideband Microstrip Antenna Arrays”, I.E.E.E Antenna and Propagation Symposium MELCOM, Tel-Aviv June 1981.
• Fujimoto, J.R. James, Editors, Mobile Antenna Systems Handbook, Artech House, Boston USA, 1994.
• Sabban, “New Wideband Notch Antennas for Communication Systems”, Wireless Engineering and Technology Journal, pp. 75-82, April 2016.
• Inventors: Albert Sabban, Dual polarized dipole wearable antenna, U.S Patent number: 8203497, June 19, 2012, USA.
• Sabban (2012) Wideband Tunable Printed Antennas for Medical Applications. I.E.E.E Antenna and Propagation Symp., Chicago IL. ,U.S.A, July 2012.
• Sabban, “New Wideband printed Antennas For Medical Applications” I.E.E.E Trans. on Antennas and Propagation, January 2013, Vol. 61, No. 1, pp. 84-91.
• Sabban, “Comprehensive Study of Printed Antennas on Human Body for Medical Applications” International Journal of Advance in Medical Science (AMS), Vol. 1, pp. 1-10, February 2013.
• Kastner, E. Heyman, A. Sabban, “Spectral Domain Iterative Analysis of Single and Double-Layered Microstrip Antennas Using the Conjugate Gradient Algorithm”, I.E.E.E Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 36, No. 9, Sept. 1988, pp. 1204-1212.
• Sabban, “Microstrip Antenna Arrays”, Microstrip Antennas, Nasimuddin Nasimuddin (Ed.), ISBN: 978-953-307-247-0, InTech,           http://www.intechopen.com/articles/show/title/microstrip-antenna-arrays , pp..361-384, 2011.
• Lawrence C. Chirwa*, Paul A. Hammond, Scott Roy, and David R. S. Cumming, “Electromagnetic Radiation from Ingested Sources in the Human Intestine between 150 MHz and 1.2 GHz”, IEEE Transaction on Biomedical eng., VOL. 50, NO. 4, April 2003, pp 484-492.
• Werber, A. Schwentner, E. M. Biebl,”Investigation of RF transmission properties of human tissues”, Adv. Radio Sci., 4, 357–360, 2006.
• Gupta, B., Sankaralingam S., Dhar, S.,”Development of wearable and implantable antennas in the last decade”, Microwave Symposium (MMS), 2010 Mediterranean 2010 , Page(s): 251 – 267.
• Thalmann T., Popovic Z., Notaros B.M, Mosig, J.R.,” Investigation and design of a multi-band wearable antenna”, 3rd European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2009. 462 – 465.
• Salonen, P., Rahmat-Samii, Y., Kivikoski, M.,” Wearable antennas in the vicinity of human body”, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2004. 1 pp. 467 – 470.
• Kellomaki T., Heikkinen J., Kivikoski, M., ” Wearable antennas for FM reception”, First European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2006 , pp. 1-6.  
• Sabban, “Comprehensive Study of Printed Antennas on Human Body for Medical Applications” International Journal of Advance in Medical Science (AMS), Vol. 1, pp. 1-10, February 2013.
• Sabban, “Wideband printed antennas for medical applications” APMC 2009 Conference, Singapore, Dec. 2009.
• Alomainy, A. Sani et all “Transient Characteristics of Wearable Antennas and Radio Propagation Channels for Ultrawideband B ody-centric Wireless Communication”, I.E.E.E Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 57, No. 4, April 2009, pp. 875-884.
• Klemm and G. Troester, “Textile UWB antenna for Wireless Body Area Networks”, ”, I.E.E.E Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 54, No. 11, Nov. 2006, pp. 3192-3197.
• M. Izdebski, H. Rajagoplan and Y. Rahmat-Sami, “Conformal Ingestible Capsule Antenna: A Novel Chandelier Meandered Design”, I.E.E.E Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 57, No. 4, April 2009, pp. 900-909.
• ADS momentum software, Keysightt,

http://www.keysight.com/en/pc-1297113/advanced-design-system- ads?cc=IL&lc=eng

על המחבר:

א. סבן בעל תואר B.Sc ותואר M.Sc בהנדסת חשמל שאותם קיבל בהצטיינות יתרה מאוניברסיטת תל-אביב, ישראל, בשנת 1976 ובשנת 1986, בהתאמה. הוא בעל תואר Ph.D. בהנדסת חשמל שאותו קיבל בשנת 1991 מאוניברסיטת קולורדו שבבולדר, ארה”ב. תחומי העניין המחקריים של דר’ א. סבן הם הנדסת גלי מיקרו והנדסת אנטנות.

בשנת 1976, הצטרף סבן ל’רשות פיתוח אמצעי לחימה’ – רפאל – בישראל. ברפאל, הוא מילא תפקידים של חוקר בכיר, מוביל קבוצה ומוביל פרוייקטים במחלקת אלקטרומגנטיות עד לשנת 2007. בשנת 2007 פרש סבן מרפאל. בין השנים 2008 עד 2010 הוא עבד כמומחה בתחום ת”ר [FR] וכמוביל פרוייקטים בחברות טכנולוגיה עילית. משנת 2010 ועד היום, הוא משמש כמרצה בכיר וחוקר בקולג’ ‘אורט בראודה’ בישראל, במחלקת הנדסת חשמל.

דר’ סבן פרסם יותר מ- 65 מאמרים מחקריים והוא בעל פטנטים רשומים בארצות הברית בתחום האנטנות. סבן כתב 5 ספרים ו- 2 פרקים בספרים שעוסקים בהנדסת גלי מיקרו ואנטנות