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projecto de pesquisa rf

1. DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA RECTIFICADOR DE RADIOFREQUÊNCIAS PARA ENERGIA ELECTRICA DE CORRENTE CONTÍNUA PARA USO DOMÉSTICO CAÁLA 14 MARÇO 2024 INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DA CAÁLA CURSO DE LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELÉCTRICA ATAÍDE GUERRA SEBASTIÃO PAULO 

2. DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA RECTIFICADOR DE RADIOFREQUÊNCIAS PARA ENERGIA ELECTRICA DE CORRENTE CONTÍNUA PARA USO DOMÉSTICO Projecto de pesquisa para elaboração do relatório final do pfc a ser apresentado no departamento de ensino investigação e produção em engenharia electrica do isp-caála , como requisito para obtenção do grau de licenciatura em engenharia electrica . Orientador: Adolfo antunes INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DA CAÁLA CURSO DE LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELÉCTRICA  

3. ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO 2. OBJECTIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS 3. MATERIAIS NECESSÁRIOS 4. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 5. CRONOGRAMA CONTRUÇÃO DO CIRCUITO CONSIDERAÇÕES FINAIS

4. 1. INTRODUÇÃO Em termos gerais, a tecnologia de radiofrequência (RF), ou sem fios, como é por vezes conhecida, é a exploração de fenómenos de ondas electromagnéticas na parte do espectro entre 3 Hz e 300 GHz. É sem dúvida uma das tecnologias mais importantes da sociedade moderna. A possibilidade de ondas electromagnéticas foi postulada pela primeira vez por James Maxwell em 1864 e a sua existência foi verificada por Heinrich Hertz em 1887. Em 1895, Guglielmo Marconi demonstrou que o rádio era uma tecnologia de comunicação eficaz. Com o desenvolvimento da válvula termiônica no final do século XIX, a tecnologia do rádio tornou-se um meio de comunicação de massa e entretenimento. A primeira metade do século XX assistiu a desenvolvimentos como o radar e a televisão, que alargaram ainda mais o âmbito desta tecnologia. (COLEMANN 2004)

5. Na segunda metade do século XX, grandes avanços ocorreram com o desenvolvimento de dispositivos semicondutores e circuitos integrados. Esses avanços tornaram possíveis dispositivos de comunicação extremamente compactos e portáteis que resultaram na revolução das comunicações móveis. O tamanho da electrónica continua a diminuir e, como consequência, abriram-se áreas totalmente novas. Em particular, as comunicações de espectro espalhado em frequências gigahertz são cada vez mais utilizadas para substituir cabos e outros sistemas que fornecem conectividade local. (COLEMANN 2004)

6. Em 1999, foi introduzido o conceito de Internet das coisas ( IoT ), que ocasionou em um intenso desenvolvimento de uma variedade de tecnologias relacionadas à transferência de energia sem fio de campo distante. A IoT é um conceito de computação em que dispositivos físicos do cotidiano são conectados à internet e se comunicam entre si, sem que haja diretamente uma interferência humana. A IoT está sendo empregada em áreas de consumo como comunicações, entretenimento pessoal, casas inteligentes, transportes inteligentes, sistemas e cidades inteligentes, segurança e assistência médica. As principais vantagens da IoT são: análise mais inteligente, segurança aprimorada, maior produtividade, tráfego mais seguro, visibilidade da demanda em tempo real, entre outros. Além disso, a IoT cria oportunidades para empresas e pessoas com habilidades em segurança de dados, projeto de rede e análise de dados

7. Então, Os conceitos de transferência de energia sem fio podem ser divididos em quatro tecnologias: transmissão de energia por micro-ondas, transmissão de energia por laser, transmissão capacitiva de potência transmissão indutiva. As tecnologias de transferência indutiva ou capacitiva são classificadas como não radiante ou campo próximo. Essas operam em curtas distâncias e podem recarregar baterias em telefones celulares e veículos elétricos, dispositivos médicos, entre outros. Já as tecnologias de transferência de energia por micro-ondas e por laser são classificadas como radiante ou de campo distante, operam em distâncias maiores através da propagação de ondas em alta frequência. ( Rakelane Mendes 2020)

8. 2. OBJECTIVOS GERAIS E ESPECÍPFICOS Esta pesquisa tem como objectivo , montar um rectificador de radiofrequências para energia electrica de corrente contínua para uso doméstico, ou também conhecido como rectenna . Como todos sabemos a energia electromagnetica disponível no ambiente é ultrabaixa e variável, o que torna o reaproveitamento da energia das radiofrequências um desafio enorme no desenvolvimento destes dispositivos, que capturam e reutilizam a energia. Sendo que os pressupostos para a construção do dispositivo são: Potências de entradas Ultrabaixas, Maior eficiência e Tensão de Saída possíveis, Os objectivos específicos são:

9. Caracterização do substracto FR4 (resina Epoxi PCB) Modelagem do Conector SMA 3011 (cabo coaxial) no Software ADS Simulação e Optimização do circuito rectificador Simulação e Optimização da Antena Montagem do sistema Rectenna completo Montagem do sistema Rectenna na mesma Placa para evitar o uso de conectores. Testes e Comparação com as simulações Aplicação do sistema Rectenna para alimenta uma carga de 5 volts (telemóvel)

10. 3. Materiais necessários Diodo schottky hsms 2860 Diodo Schottky sms 7630 Diodo Spice Schottky sms 7630 Antena microfita de plaqueta Conversores DC-DC Conversor LTC 3105

11. Steval – isv0191v1 Circuíto UVLO undervoltage lockout (Bloqueio de Sob tensão) Ship receptor modulo P2110B powercast transistores de efeito de campo de canal N (NMOS), transistor de efeito de campo de canal P (PMOS). O NMOS é o transistor FDV301N e o PMOS é o transistor FDV304P.

12. 4. Procedimentos Metodológicos Actualmente esta ser feita uma revisão bibliográfica a respeito de sistemas rectennas , que utilizam diversas configurações de circuitos retificadores e antenas de microfita de diferentes formatos. Também foi realizada uma revisão bibliográfica acerca da modelagem de conectores SMA. Após a revisão bibliográfica, o substrato FR4 e o conector SMA foram caracterizados e ambos serão utilizados na construção dos protótipos. Posteriormente, a topologia do circuito retificador será escolhida. A escolha vai se basear na topologia que apresentar maior eficiência em potências ultrabaixas. Após esta etapa o circuito retificador será optimizado no software ADS, utilizando a ferramenta de otimização algoritmo genético, que é muito eficiente quando trata- se de problemas que envolvem multimodalidade, descontinuidade e não linearidade. O desempenho do circuito retificador será testado utilizando o gerador de sinais modelo N5181A, com diferentes níveis de potência de entrada. E comparado com as simulações

13. A escolha da antena vai se basear em: maior ganho, menor coeficiente de reflexão e maior eficiência. O ganho é a qualidade de uma antena captar (no caso de uma antena receptora ) com maior ou menor eficiência os sinais transmitidos por uma estação ou de transferir (no caso de uma antena transmissora) sinais para o espaço. A antena será optimizada no Software Computer Simulation Technology (CST). Para medir o coeficiente de reflexão será utilizado o analisador de rede E5071C da Keysight . E para medir a potência recebida pela antena serão utilizados os gerador de sinais e o analisador de espectro modelo N9912 A da Agilent . Os testes experimentais do sistema rectenna completo serão realizados com auxílio do gerador de sinais, analisador de espectros, multímetros e osciloscópio.

14. Do contrário se não seguirmos os procedimentos acima descritos para acoplamento capacitivo ou indutivo, teríamos de calcular manualmente o seguinte: Comprimento das ondas recebidas e transmitidas =c\f ou =2 π pois transmissões alem deste ponto já são consideradas de campo distante. E considerar os seguintes parâmetros: CA = antena fonte de Tensão S = potencia do Sinal emitido\recebido Pav = Potência do sinal disponível Ae = Area efectiva da antena (raio) Rs = Impedância em Série (resistência a Radiação) Rloss = Resitência de Perda Xant = Parte reactiva  

15. A amplitude da tensão gerada na antena quando combinada expressa por ˆv depende da PAv and Rs : Za , na Zin = Rin + j Xin é a impedância do retificador e da carga resultante A rede de correspondência de indutores shunt que é amplamente utilizada em transponders RFID. Para combinar as impedâncias da antena e do retificador, Lshunt deve ressonar com a Cin do rectificador , portanto, suas impedâncias devem ser iguais na frequência de trabalho: Lshunt =1/( ω_r 2Cin) Rs e Rin que é a tensão máxima obtida com o circuito.  

16. Então nesta equação podemos confirmar que quanto maior for o Cin, ou um valor baixo de Lshunt , resultará num Q maior, e consequentemente uma largura de banda estreita. Entendemos que o Cin deve ser mantido baixo o sufiente para obtermos uma largura de banda razoável, e mais, um valor alto de Rs aumenta ambos vin , e Q, mas diminui a largura de banda. A rede de impedancia correspondente LC aumenta a tensão da antena. É vantajoso porque fornece tensão de pico mais alta ao retificador e oferece uma eficiência comparativamente melhor, especialmente quando PAV, portanto a vs é baixa. Este tipo de circuitos igual ao apresentado para este trabalho de fim curso, é vantajoso em antenas com um Rs baixo, que também apresentem um vs mais baixo, pois para obter um circuito ressonante, a impedância enfrentada pela rede correspondente deve ser o conjugado da impedância da antena. Assim, igualar as partes real e imaginária de ambas a impedância gera duas equações que permitem o cálculo dos valores de Lm e Cm Cm=  

17. Estas equações acima revelam que a Lm depende do valor da Cin, mas que Cm não, só depende da Rs , Rin e Wr . Tal como acontece com a rede de correspondência de indutores shunt, Lm diminui quando a Cin aumenta. Entretanto. Cin deve ser mantida a mais baixa possível. Para obter um valor viável de Lm, usando as equações acima, para calcular a relação entre vin e vs na ressonância permite: H( Wr )= Cin = Capacitor Paralelo  

18. E o Q resulta em: Q= O que mostra que quando Rin , a tensão será aumentada e o circuito se tornará mais selectivo (maior Q e largura de banda mais estreita). O valor de Rin necessário para aumentar a tensão para um determinado valor pode ser determinado nas equações acima. A primeira equação pode então ser usada para calcular Cin o valor de Lm poderá ser encontrado por tentativas e erros, uma vez que o valor de Cin não é certamente sabido. A resistência parasitária dos elementos correspondentes acabará por limitar o Q geral do circuito e, consequentemente, limitará o factor de reforço. Mas isto pode ser mudado, porque algumas antenas são projetadas de forma personalizada para serem combinadas em potência com o estágio de retificação para uma determinada frequência e faixa de potência. Os elementos correspondentes podem ser implementados no projeto da PCB ou podem ser componentes prontos para uso. Os traços da placa de circuito impresso podem ser projetados para exibir um valor indutivo ou capacitivo definido na frequência desejada, o que reduz o custo dos componentes. ( María Teresa Penella -López, 2011)  

19. Então, visto que a rede impedância que corresponda em valores iguais nos dois lados e possa acontecer o casamento, entre antena transmissora e receptora deverá ser calculada por tentativa e erro, é mais seguro usar um software que auxilia achar os valores em Ohm necessários. Também é importante referir que o que um dos elementos mais importantes desta pesquisa é o circuito UVLO ou undervoltage lockout ou ainda circuito de sob bloqueio de tensão, porque permite manter a tensão de saída em uma determinada faixa de tensão, desejada. Este circuíto UVLO é composto por dois transistores de efeito de campo de canal N (NMOS), e por um transistor de efeito de campo de canal P (PMOS). O NMOS é o transistor FDV301N e o PMOS é o transistor FDV304P.

20. 5. cronograma

21. 6. Considerações finais Consideramos então que finalizados os trabalhos propostos o nosso circuito deverá ter o seguinte esquema:

22. Esquemático do circuito UVLO

23. Obrigado!