CC BY
41
DOI 10.36622^Ти.2021.17.2.015 УДК 621.396
ОБЗОР СПОСОБОВ ИНТЕГРАЦИИ АНТЕНН И СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ С.М. Фёдоров, И.А. Черноиваненко, Е.А. Ищенко
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматриваются методы проектирования для расширенной интеграции низкопрофильных антенн с солнечными системами для беспроводной связи малого радиуса действия. Необходимость перехода к более устойчивым источникам энергии возникает из-за чрезмерного производства вредных выбросов углерода. Основное внимание уделяется способам интеграции антенн и солнечных панелей из кристаллического кремния. Было предложено решение для минимизации чувствительности, которое использовалось для успешной изоляции микрополосковой линии передачи от солнечной решетки, что позволило продемонстрировать пять конфигураций антенн. Дальнейшая работа над кристаллическими солнечными панелями продемонстрировала их использование вместе с антеннами с круговой поляризацией для летательных аппаратов, а также позволила показать необходимость их использования совместно с Mesh-антеннами для небольших спутников. Солнечная дипольная антенна была разработана для использования внутри помещений с низким энергопотреблением. Эти подходы позволили создать инженерные возможности для уменьшения размера и веса устройства за счет интеграции технологий радио- и солнечных панелей. Представлены основные характеристики антенн для исследуемых случаев, произведено их сравнение, а также определено влияние на их параметры проводниковых материалов
Ключевые слова: диаграмма направленности, инвертированная F-антенна, антенна с круговой поляризацией, дипольная антенна, Мesh-антенна
Введение
Солнечная энергия становится привлекательной альтернативой для питания автономных систем связи. Эти устройства часто предполагают использование отдельных фотоэлектрических элементов и антенн, что требует компромисса в использовании ограниченного пространства.
Развитие технологий использования источников энергии необходимо для транспорта, например, для полета вокруг планеты на самолете, работающем на солнечной энергии.
Коммерческие полеты с использованием полностью электрических самолетов получат гораздо большее развитие благодаря замене механических, гидравлических и пневматических систем на электрические [1]. Растет интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА), снижение затрат на техническое обслуживание и увеличение дальности приводит к исследованиям БПЛА, работающих на солнечной энергии [2]. Восстановление энергии - это распространенный метод снижения эксплуатационных расходов транспортных средств.
Классификация видов интеграции антенн и солнечных панелей
Интеграция антенн с солнечными элементами обычно принимает одну из пяти
© Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А., Ищенко Е.А., 2021
следующих форм:
1. Солнечный элемент расположен над излучающим элементом или над заземляющей плоскостью с некоторым пространством вокруг антенны для обеспечения возможности генерации излучения, при этом оставляется неиспользованной часть пространства.
2. Солнечный элемент используется в качестве опоры для металлической антенны, например, служит параболическим отражателем.
3. Солнечный элемент используется в качестве излучающего элемента антенны и металлической заземляющей плоскости, предназначенной для генерации электромагнитного поля.
4. Солнечный элемент используется в качестве заземления для металлической антенны.
5. Полностью интегрированная солнечная антенна, в которой солнечный элемент образует излучающий элемент; дополнительная металлизация для генерации излучения не требуется.
Подробно рассмотрим каждый вид интеграции.
Простейшая форма интеграции солнечных антенн заключается в совмещении в пространстве антенны и солнечного элемента для минимизации занимаемого пространства, то есть конструкция состоит из полностью металлической антенны и солнечных элементов, расположенных в некотором удалении от нее. Это сводит к
минимуму их взаимное влияние, обеспечивая функциональное разделение двух систем. Однако такая конструкция требует дополнительного пространства, а также дополнительных затрат на металлизацию антенны и заземления.
Совместное размещение копланарной вол-новодной инвертированной F-антенны (IFA) с солнечными элементами на основе a-Si [3] позволяет создать хорошую изоляцию для уменьшения взаимных помех. Антенна занимает 25% доступного солнечного пятна.
Антенны с круговой поляризацией используются вместе с солнечными элементами в космических устройствах [4]. В этом случае микрополосковые патч-антенны с круговой поляризацией, работающие на частоте 2,4 ГГц, были размещены в разных местах на мини-космическом корабле, чтобы определить наилучшую конфигурацию для обеспечения связи с наземными системами. Подобные конструкции требуют разнесенных площадей для антенн и солнечных элементов, а значит, спутник должен быть большим.
CPW Inverted F mongpole
рНЕМТ solar Celí N3509MÜ4
Soiar Cell
Solar Cell
Рис. 1. Копланарная волноводная инвертированная F-антенна с a-Si панелью
Для ограничения размера тени предпочтительной является вертикальная интеграция антенны при минимальном затенении от солнца. Солнечная панель располагалась над щелевой антенной [5], излучающей через апертуру, которая уменьшала освещенную зону на 6,5%, однако высота рассматриваемой антенны составляла 25 мм. В аналогичной конструкции солнечная батарея размещалась над антенной с четырьмя щелями (высота антенны была 11,5 мм), обеспечивая всенаправленное покрытие с достаточными зазорами для излучения [6].
Рис. 3. 4-щелевая антенна
Так же как и совместное размещение антенны и солнечного элемента, использование принципа вспомогательной поддержки помогает свести к минимуму взаимодействие между системами путем их функциональной изоляции. В этой конфигурации антенна изготавливается из металла и функционирует без солнечных элементов. Солнечная батарея используется для улучшения работы антенны, например, как отражатель, фокусирующий луч антенны.
Поликристаллический кремниевый солнечный элемент может использоваться как плоскость заземления для микрополосковой линии передачи и служить отражателем для дипольной антенны из меди [7]. Исследования показали, что солнечный элемент генерирует ту же диаграмму направленности, что и идеальный электрический проводник, падение коэффициента усиления составляет всего 0,24 дБи.
Параболический отражатель, ламинированный заданным типом солнечных батарей, позволяет сформировать луч рупорной антенны на частоте 12 ГГц с уменьшением коэффициента усиления всего на 2,8 дБи по сравнению с обычным рефлектором. Рассматриваемая антенна реализует коэффициент усиления 31 дБи, но луч шириной 3° затрудняет поддержание радиочастотной связи.
Рис. 2. Патч-антенна с круговой поляризацией
Рис. 4. с^ отражатель
Известна конструкция антенны с круговой поляризацией, состоящая из четырех низкопрофильных печатных инвертированных Б-антенн с заземляющей плоскостью из четырех муль-тикристаллических кремниевых солнечных панелей, подходящих для бортовой связи [8].
Квадратная плоскость заземления состоит из четырех ячеек кристаллического кремния, расположенных так, чтобы образовать пластину заземления шириной 322 мм над легкой опорой. Антенна использует катодный слой солнечных элементов в качестве заземляющего слоя. Для создания солнечной панели с выходной мощностью около 0,5 В и более 12 Вт используется медная полоска.
Рис. 5. Конфигурация солнечной антенны с круговой поляризацией
Измеренная ширина луча солнечной антенны по уровню 3 дБ составила 50° в плоскости Х7 и 58° в плоскости YZ. Графики диаграмм направленности показаны на рис. 6.
Существует конструкция высотой 8 мм, основанная на использовании поликристаллического солнечного элемента в качестве паразитного элемента [9] для достижения резонанса в четырех полосах частот со значениями коэффициента усиления от 2 до 4 дБи. Это позволяет реализовать облучение всей поверхности солнечного элемента, но требует значительного пространства для металлической антенны и плоскости заземления.
При использовании принципа «солнечный элемент работает как излучатель» достигается снижение общего веса устройства и уменьшение стоимости металлизации антенны. Однако в конструкции устройства по-прежнему необходима металлическая плоскость заземления для генерации излучения.
В [10] солнечный элемент из гидрированного аморфного кремния (а-Б1:Н) был выполнен в виде сверхширокополосной монопольной антенны с наклонным медным питанием для использования в качестве беспроводного датчика. Результаты моделирования показали, что в полосе 2-10 ГГц антенна обладает коэффициентом усиления 0-3 дБи. Среднее энергопотребление датчика составляло 29 мкВт, что позволяет поддерживать его работу в течение более чем 48 часов при использовании накопительного конденсатора емкостью 500 мФ. Схема сенсора и устройства питания встроены в заземление, сводя к минимуму ненужную металлизацию.
Рис. 6. Усиление круговой поляризации XZ (слева) и YZ (справа)
Рис. 7. a-Si монопольная антенна
Дальнейшее снижение затрат на производство может быть достигнуто за счет использования солнечного элемента в качестве плоскости заземления и интеграции металлического излучающего элемента с помощью значительно меньших затратах. Однако затенение антенной солнечного элемента отрицательно скажется на его выходной мощности, а структура солнечного элемента может затруднить согласование сопротивления.
Существует конструкция высотой всего 2 мм, построенная на основе патч-антенны, размещенной над поликристаллической солнечной ячейкой [11]. Наличие взаимного влияния солнечной решетки и антенны приводит к генерации более слабых электрических полей при ориентации линии передачи параллельно электродам, что показывает зависимость антенны от свойств солнечного элемента. Тень от антенны составляет значительную часть площади солнечного элемента, равную примерно 13%.
В [12] представлены солнечные элементы, соединенные с алюминиевой пластиной с помощью проводящей эпоксидной смолы для формирования плоскости заземления для mesh-антенны на прозрачной подложке. Исследования показали, что в таком устройстве сложно достичь хорошего согласования сопротивлений антенны и системы питания, проходящей через солнечный элемент и соединяющий плоскость заземления.
Рис. 8. Солнечная патч-антенна
Рис. 9. Mesh-антенна
Идеальным вариантом интеграции было бы изготовление антенны и солнечного элемента в виде одной компактной системы с малым весом. Реализовать такую конструкцию легче всего с помощью менее эффективных типов солнечных элементов, так как изменение формы таких элементов требует меньше затрат. Существует компромиссное решение, связанное с удалением светочувствительного материала с целью генерации необходимого качества излучения. Это решение выглядит наиболее привлекательным из-за снижения веса и стоимости.
Известна конструкция, в которой солнечный концентратор использовался в качестве параболического рефлектора для увеличения коэффициента усиления антенны и выходной мощности солнечной энергии путем фокусировки света на четырех последовательно соединенных «emitter-wrap-through» (EWT) солнечных элементах для создания дипольной антенны, работающей на частоте 1,5 ГГц [13]. Выходное напряжение такой конструкции составляет 2,2 В (73,8 мВт). Этого хватает для питания датчика с низким энергопотреблением, но устройство в целом получается слишком большим для такой выходной мощности.
В [14] представлена конструкция сверхширокополосной дипольной антенны, состоящая из пары гидрированных a-Si солнечных батарей и запитываемая медными скосами. Рассматриваемая антенна работает на частоте 3-10 ГГц с пиковым коэффициентом усиления 3 дБи. Среднее потребление датчика составляет 55 мкВт, время работы 95 минут на накопительном конденсаторе емкостью 70 мФ.
DC "¡гчь 50 EJ ичч
Рис. 10. EWT дипольная антенна
Рис. 11. a-Si дипольная антенна
Смоделированный и измеренный Sn-параметр дипольной антенны показан на рис. 12. Измеренные обратные потери превышают 10 дБ в диапазоне частот от 1,35 ГГц до 1,68 ГГц, что соответствует полосе частот с импедансом 21%. Измеренное усиление на средней частоте оказалось равным 11,1 дБ с небольшим изменением по всей полосе.
-5-10-
£ -15-М
-20-25-
-30-
.....
\V
у и
1 \f 1
уГ»-
-Maasuwd ------Simulated
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Frequency (GHz)
Рис. 12. Измеренный и смоделированный Sn-параметр для EWT дипольной антенны
Заключение
Из рассмотренных исследований видно, что совместное расположение антенны приводит к чрезмерно большой площади устройства, мешающей размещению обеих систем, и требует нанесения дополнительной металлизации. Поэтому такого метода интеграции следует избегать.
Хотя использование солнечных элементов или панелей как вспомогательных устройств
является достаточно успешной формой интеграции антенны, оно имеет ограниченные потенциальные возможности применения, поскольку высоко сфокусированные диаграммы направленности ограничивают возможности для солнечной оптимизации.
Использование солнечного элемента в качестве излучающего элемента антенны может свести к минимуму паразитное взаимодействие с конструкцией и материалом солнечного элемента, однако необходимость создания металлической плоскости заземления делает этот метод менее привлекательным.
Металлическая антенна над плоскостью заземления солнечного элемента является экономически эффективным способом интеграции, так как антенный элемент обычно не требует развитой металлизации, в то время как солнечный элемент уже имеет однородную металлическую область, пригодную для использования в качестве заземляющей плоскости. Размеры антенны в такой конструкции должны быть как можно меньше, чтобы уменьшить область тени и увеличить выработку электроэнергии.
Полностью интегрированные солнечные антенны являются идеальным решением, требующим только одного производственного цикла для изготовления как антенны, так и источника питания устройства. Главным направлением развития такой конструкции является максимизация использования пространства устройства путем минимизации апертур прорезей и использования различных типов солнечных элементов для разных приложений.
Литература
1. Stockholm Environment Institute, "The SEI Initiative on Fossil Fuels and Climate Change," 2015.
2. Solar Impulse, "Exploraton to change the world".
3. UHF Solar Powered Active Oscillator Antenna on Low Cost Flexible Substrate for Wireless Identification Applications / A. Georgiadis, A. Collado, S. Kim, H. Lee, M.M. Tentzeris // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT), 2012.
4. Maleszka T., Gorski P., Kabacik P. On Omnidirectional coverage with minimum nuber of circularly polarized patch antenna placed on minisatellites // Antennas and Propagation Society International Symposium. 2007. pp. 3037-3040
5. Huang M. Z. J. Antennas Integrated with Solar Arrays for Space Vehicle Applications // in 5th Intl Symp on Antennas Propag. & EM Theory, Beijing, China, 2000.
6. Wu T., Li R., Tentzeris M.M. A Scalable Solar Antenna for Autonomous Integrated Wireless Sensor Nodes // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. Vol. 10. Pp. 510-513.
7. A Microstrip Printed Dipole Solar Antenna using Polycrystalline Silicon Solar Cells / S.V. Shynu, M.J. Roos
Ons, G. Ruvio, M. J. Ammann, S. McCormack, B. Norton // IEEE AP-S International Symposium on Antenna and Propo-gation, 2008.
8. Circularly Polarized Solar Antenna for Airborne Communications Nodes / O. O'Conchubhair, A. Nar-budowicz, P. McEvoy, M. J. Ammann // Electronics Letters. 2015. Vol. 51. No. 9. Pp. 667 - 669.
9. Yurduseven O., Smith D. A Solar Cell Stacked Multi-Slot Quad-Band PIFA for GSM, WLAN and WiMAX Networks // IEEE Microwave &Wireless Component Letters. 2013. Vol. 23. No. 6. Pp. 285 -287.
10. Danesh M., Long J.R. An Autonomous Wireless Sensor Node Incorporating a Solar Cell Antenna for Energy Harvesting // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2011. Vol. 59. Pp. 3546-3555.
11. On Surface Currents in a Polycrystalline Solar Cell Acting as Ground Plane for Microstrip Patch Antennas / M. J. Roo Ons, Shynu Nair, M. J. Ammann, S. McCormack, B. Norton // IEEE International Antennas & PropagationSympo-sium, San Diego, 2008.
12. Turpin T.W. Meshed Patch Antennas Integrated On Solar Cell -A Feasibility Study And Optimization // Utah State University, 2008.
13. Emitter-wrap-through photovoltaic dipole antenna with solar concentrator / S.V. Shynu, M.J. Ammann, S.J. McCormack, B. Norton // Electronic Letters. 2009. Vol. 45. No. 5. Pp. 241-242.
14. Danesh M., Long J.R. Solar cell antenna for autonomous wireless smart sensors // Smart Systems Integration (SSI), Dresden, Germany, 2011.
Поступила 25.01.2021; принята к публикации 15.04.2021 Информация об авторах
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
Черноиваненко Игорь Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru
OVERVIEW OF METHODS TO INTEGRATE ANTENNAS AND SOLAR CELLS S.M. Fyedorov, I.A. Chernoivanenko, E.A. Ishchenko Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers methods for advanced integration of low-profile antennas with solar systems for short-range wireless communications. The need to move to more sustainable energy sources arises from the excessive production of harmful carbon emissions. The focus is on the ways to integrate crystalline silicon antennas and solar panels. We proposed and used a solution to minimize sensitivity to successfully isolate the microstrip transmission line from the solar array, thus demonstrating five antenna configurations. Further work on crystalline solar panels demonstrated their use in conjunction with circularly polarized antennas for aircraft and it also allowed us to show the need for their use with Meshed Patch Antennas for small satellites. A solar dipole antenna was developed for low power indoor applications. These approaches created the engineering capability to reduce device size and weight by integrating radio and solar panel technologies. The article presents the main characteristics of antennas for the cases under study, compares them, and determines the effect of conductive material on their parameters
Key words: radiation pattern, inverted F-antenna, circularly polarized antenna, dipole antenna, Meshed patch antenna
References
1. "The SEI initiative on fossil fuels and climate change," Stockholm Environment Institute, 2015.
2. "Exploraton to change the world," Solar Impulse.
3. Georgiadis A., Collado A., Kim S., Lee H., Tentzeris M.M. "UHF solar powered active oscillator antenna on low-cost flexible substrate for wireless identification applications," IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT), 2012.
4. Maleszka T., Gorski P., Kabacik P. "On Omnidirectional coverage with minimum number of circularly polarized patch antenna placed on minisatellites," Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007, pp. 3037-3040
5. Huang M.Z.J. "Antennas integrated with solar arrays for space vehicle applications," 5th Intl Symp on Antennas Propag. & EM Theory, China, Beijing, 2000.
6. Wu T., Li R., Tentzeris M.M. "A scalable solar antenna for autonomous integrated wireless sensor nodes," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, vol. 10, pp. 510-513.
7. Shynu S.V., Roos Ons M.J., Ruvio G., Ammann M.J., McCormack S., Norton B. "A microstrip printed dipole solar antenna using polycrystalline silicon solar cells," IEEE AP-S International Symposium on Antenna and Propagation, 2008.
8. O'Conchubhair O., Narbudowicz A., McEvoy P., Ammann M.J. "Circularly polarized solar antenna for airborne communications nodes" Electronics Letters, April 2015, vol. 51, no. 9, pp. 667-669.
9. Yurduseven O., Smith D. "A solar cell stacked multi-slot quad-band PIFA for GSM, WLAN and WiMAX networks," IEEE Microwave &Wireless Component Letters, 2013, vol. 23, no. 6, pp. 285-287.
10. Danesh M., Long J.R. "An autonomous wireless sensor node incorporating a solar cell antenna for energy harvesting," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2011, vol. 59, pp. 3546-3555.
11. Roo Ons M.J., Shynu Nair, Ammann M.J., McCormack S., Norton B. "On surface currents in a polycrystalline solar cell acting as ground plane for microstrip patch antennas," IEEE International Antennas & Propagation Symposium, San Diego, 2008.
12. Turpin T.W. "Meshed patch antennas integrated on solar cell -a feasibility study and optimization," Utah State University,
2008.
13. Shynu S.V., Ammann M.J., McCormack S.J., Norton B. "Emitter-wrap-through photovoltaic dipole antenna with solar concentrator," Electronic Letters, 2009, vol. 45, no. 5, pp. 241-242.
14. Danesh M., Long J.R. "Solar cell antenna for autonomous wireless smart sensors," Smart Systems Integration (SSI), Germany, Dresden, 2011.
Submitted 25.01.2021; revised 15.04.2021 Information about the authors
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
Igor A. Chernoivanenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru
