Calcolo rigoroso del campo elettromagnetico ricevuto in radiocollegamenti non convenzionali

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1 Clcolo rigoroso del cmpo elettromgnetico ricevuto in rdiocollegmenti non convenzionli Dottorndo: Nicol Arbizzni Tutor: Chir.mo rof. Ing. Vittorio Rizzoli Dott. Ing. Diego Msotti DEIS Università di Bologn RX TX RX A RX A TX G RX A G TX TX Antenne in zon di Frunhofer Cmpo incidente sull'ntenn RX si considerbile come ond pin

2 In sistemi come le wireless sensor network, sistemi di recupero di energi rdio frequenz (RF Hrvesting), o interzioni circuito-pckge, il modello convenzionle non è più vlido: Antenne poste in zon di cmpo vicino osizionmento delle ntenne TX e RX csule (dissste rispetto lle direzioni di mssimo irrggimento) Z R Y A eq1 Y T Teori Scttering I g Y g Y L s ( ) V b s ( ) s ( ) E E i +

3 Y T Teori Scttering Teorem Reciprocità p1 I g Y g Y L p s ( ) V b s ( ) 3 s ( ) E E i + E s Le correnti dipendono dl cmpo nel ckge e quindi dl regime presente sul DIE Teorem di Reciprocità ( ) ( ) b( ) R + Z I I E ( ) A b d V V

4 Teorem di Reciprocità Situzione Situzione b Applicndo l Legge di Kirchhoff delle correnti possimo clcolre I A in funzione dell eq (incognit) I eq 1+ R Y A Applicndo l Legge di Kirchhoff delle tensioni possimo clcolre I B in funzione dell U (sorgente del cmpo) I b U 1+ YA R Y A Teorem di Reciprocità ( ) ( ) b( ) R Z I I E ( ) eq eq + A b V 1 U 1+ R Y V ( b( ) E ( )) ( ) b( ) 1+ R Y e ( ) A A V ( ) V dv dv Espressione rigoros del genertore equivlente di Norton rppresentnte gli effetti del cmpo incidente sull ntenne/circuito ricevente dv

5 Teorem di Reciprocità eq eq 1 U 1+ R Y ( b( ) E ( )) ( ) b( ) 1+ R Y e ( ) A A V ( ) V dv dv er l vlutzione dell eq occorrono: il vlore dell corrente ( ), sorgente del cmpo incidente Il vlore del cmpo E b ( ), cmpo prodotto dl sistem ricevente un volt soppressi i genertori ( ) Rdiocollegmenti convenzionli eq 1 U 1+ R Y A V ( b( ) E ( )) dv Se ci trovimo nelle condizioni di: ntenne nelle rispettive zone di Frunhofer cmpo incidente sull'ntenn RX considerbile come ond pin Allor possimo semplificre l espressione come segue: eq j 1 U 1+ R Y A λr η e jβr E ( ) b r, θ, ϕ E ( r, θ, ϕ) Cmpo irrdito dll ntenn in TX o dll sorgente RF, vlutto nel centro di fse dell ntenn in RX Cmpo irrdito dll ntenn in RX e vlutto nel centro di fse dell ntenn in TX

6 Rdiocollegmenti NON convenzionli [] In sistemi di Energy Hrvesting, o in Reti di sensori wireless ci trovimo spesso nelle condizioni di: ntenne nelle rispettive zone di cmpo vicino cmpo incidente sull'ntenn RX NON considerbile come ond pin Σ Surf ( Σ ) Sorgente RF M Surf ( Σ ) n Sistem Ricevente eq VS S ( S ) 1 + RYA (E R ( ) S ( ))d V U V Teorem di Reciprocità Reciprocità eq Teorem di Equivlenz Surf ( Σ ) nˆ H S ( Σ ) M Surf ( Σ ) E S ( Σ ) nˆ 1 + RYA nˆ [E S ( Σ ) H R ( Σ ) E R ( Σ ) H S ( Σ )]d Σ U Σ Rdiocollegmenti NON convenzionli

7 Rdiocollegmenti NON convenzionli Rdiocollegmenti NON convenzionli

8 Rdiocollegmenti NON convenzionli Rdiocollegmenti NON convenzionli

9 Rdiocollegmenti NON convenzionli Misure Rdiocollegmenti NON convenzionli Misure

10 Rdiocollegmenti NON convenzionli Misure con ntenne llinete er d/l > 1 i risultti sono identici er d/l < 1 (zon cmpo vicino) il Metodo Approssimto effettu un legger sovrstim z x y d λ Rdiocollegmenti NON convenzionli Misure con ntenne dissste Il Metodo Approssimto effettu sempre un sovrstim, trnne che per d/l 1 Il Nuovo Metodo vlut l eq meglio in tutte le situzioni z x y d λ

11 Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA L nuov procedur espost permette un corrett vlutzione dell eq Sono stte effettute prove su sistemi di recupero di energi rdio frequenz (RF Hrvesting), formti d un ntenn multibnd e d un circuito rettifictore e finlizzto l recupero dell energi. Sfruttndo i metodi precedentemente illustrti e ffincndoli un ottimizzzione bst sugli Algoritmi Genetici (GA) si è cercto di progettre un nuov ntenn multibnd d collegre l circuito di recupero energi che presentsse prestzioni migliori si per qunto rigurd l ccoppimento con il circuito rettifictore che per l efficienz di rdizione. Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA Dominio L Algoritmo Genetico: Elbor in prllelo un insieme di punti del dominio (opolzione) Ogni punto è definito individuo o cromosom Ad ogni individuo ssoci un vlore (FOB) Scegliendo opportunmente gli individui d combinre in funzione dei rispettivi FOB, cre un nuov popolzione L crezione può vvenire per: Cross Over Riproduzione Mutzione

12 Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA Cromosomi: sequenze di BIT. Antenn di tipo Annulr Ring. Ad ogni BIT è ssocit un prte dell microstrisci, e lo stto del BIT ne determin l presenz/ssenz. Un volt costruito il primo ottvo di microstrisci si ottiene l ntenn complet per riflessione. L FOB viene vlutt d un simultore elettromgnetico.5d lle frequenze di interesse. FOB n f { esoi{ Sogli i 1log[ S11( fi )] } i 1 Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA Gestore lgoritmo GA: 1. Crezione topologi d simulre (file DXF). Gestione cronologi (elementi popolzione già simulti e rispettivi risultti) 3. Se l elemento non è ncor stto vlutto: richiest simulzione e recupero risultti, ltrimenti solo recupero risultti d cronologi 4. Crezione nuovo elemento dell popolzione d vlutre 5. Gestione delle Generzioni Simulzione ntenn e restituzione vlori S 11 per il clcolo dell FOB lle frequenze di interesse: 1. 9 MHz. 175 MHz MHz MHz

13 Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA Antenn cndidt ll prototipizzzione: Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA Antenn cndidt ll prototipizzzione: Neltec Vcuum Ground Tconic RF-6 ε R.8 ε R 1. ε R 6.15 Copper (tch)

14 Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA Rdiocollegmenti NON convenzionli Sistem di Hrvesting multibnd ottimizzto trmite GA

15 Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge [1] s ( ) Y T s ( ) s ( ) p1 I g Y g Y L p m E im S ( ) H ( ) H( ) H ( ) S S [ H( ) H ( )] E ( ) i m m 1+ RY U Am i im ( ) E ( ) ( 1+ R Y ) ( ) e ( ) Am S S S S ds im im ds ds Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge + m n Esprimimo in form mtricile: Q R D n 1 [ Qmn ] [ R ] mn D V n n 1 Dn n Qmn ds + ( 1+ R Y ) nˆ H( A )( ) e ( ) ( 1+ R Y ) nˆ [ H( B )( ) h ( )] e ( ) Q + RV Am Am S S D n R Y T n mn [ 1n Q] D [ 1 Q] n D n im 1 1 RV D R + Y DV L im D D + Y ds L

16 Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge

17 Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge rllelepipedo bse qudrt Frequenz di risonnz 7 [GHz] 1 f m,n,k π µε m n k 1 b mπ nπ kπ + + d b b d 3.91[mm] b 1 f,1,1 Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge µ ε

18 Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge

19 Rdiocollegmenti NON convenzionli Effetti del ckge Tempi di simulzione Solo ckge Solo DIE DIE + ckge HFSS (FEM) h 14 5 (A) 1h 5 17 (B) 7h (C) CST (FDTD) h (Vribile) h h 51 3 (7 h per port) Tempo Nuov Teori [(A) + (B) + Tempo Elborzioni] << (C) [1] IEEE MTT-S Interntionl Microwve Symposium Digest Coupled Numericl nd Field-Theoreticl Computtion of the Effects of Circuit-ckge Interctions on the Liner nd Nonliner erformnce of Active MMIC s V. Rizzoli, D. Msotti, A. Costnzo, nd N. Arbizzni Giugno 9 [] Microwve Symposium Digest (MTT), 1 IEEE MTT-S Interntionl CAD procedure for predicting the energy received by wireless scvenging systems in the ner- nd fr-field region V. Rizzoli, D. Msotti, N. Arbizzni nd A. Costnzo Mggio 1

20 Sviluppi Futuri Studio delle interzioni tr cmpo elettromgnetico mbientle e circuiti integrti lineri e non lineri opernti microonde e onde millimetriche: Ulteriore estensione e ppliczione importnti csi di progetto ingegneristico del metodo di nlisi delle interzioni tr cmpo elettromgnetico mbientle e circuiti integrti lineri e non lineri Anlisi di stbilità dei circuiti incpsulti in un pckge metllico Simulzione e progetto di sistemi di energy scvenging utilizzti per l uto-limentzione di sensori mbientli e biosensori.