Come costruire una semplice rectenna

Una rectenna è, come suggerisce la parola stessa, un’“antenna rettificante”, ovvero un tipo speciale di antenna ricevente che viene utilizzata per convertire l’energia elettromagnetica in elettricità a corrente continua (DC). La rectenna fu inventata nel 1964 e negli anni ’60 rese fattibile la trasmissione di energia wireless a lunga distanza. Viene ancor oggi utilizzata in sistemi di trasmissione di elettricità senza fili che trasmettono energia tramite onde radio. In questo articolo vedremo come costruire delle semplici rectenne   per raccogliere energia dalla onde elettromagnetiche in modo efficiente.

Un semplice elemento rectenna è costituito da un’antenna a dipolo con un diodo RF collegato attraverso gli elementi del dipolo. Il diodo rettifica la corrente alternata indotta nell’antenna dalle microonde, per produrre corrente continua, che alimenta un carico collegato attraverso il diodo. Di solito vengono usati diodi Schottky perché hanno la caduta di tensione e la velocità più basse, e pertanto presentano le perdite di potenza minori dovute alla conduzione e alla commutazione.

Le grandi rectenne consistono di una serie di molti di questi elementi dipolari. A partire dagli anni ’70, una delle principali motivazioni per la ricerca sulla rectenna è stata quella di sviluppare un’antenna ricevente per satelliti che raccogliessero energia dalla luce del sole con celle solari e la trasmettessero sulla Terra come microonde. Un’applicazione militare proposta è quella di alimentare dei droni da ricognizione con microonde emesse da terra, permettendo loro di volare per lunghi periodi.

Le applicazioni recenti: rectenne RF e ottiche

Negli ultimi anni, l’interesse nell’uso di rectenne è come fonte di energia per piccoli dispositivi microelettronici wireless. Il più grande uso corrente è nei tag RFID, nelle carte di prossimità e nelle smart card senza contatto, che contengono un circuito integrato (IC) che è alimentato da un piccolo elemento rectenna. Quando il dispositivo viene avvicinato a un’unità di lettura elettronica, le onde radio del lettore vengono ricevute dalla rectenna, accendendo l’IC, che trasmette i suoi dati al lettore.

La tecnologia RFID sfrutta una semplicissima rectenna sul tag wireless auto-alimentato.

I ricercatori stanno sperimentando l’uso di rectenne per alimentare i sensori in aree remote. Le rectenne a radio frequenza (RF) sono utilizzate per diverse forme di trasferimento dell’energia wireless. Nella gamma delle microonde, i dispositivi sperimentali hanno già raggiunto un’efficienza di conversione dell’energia dell’85-90%. Un esempio utilizza solo un’antenna con un’area di acquisizione limitata. Una rectenna reale usa più antenne sparse su una vasta area per catturare più energia.

Il radioricevitore a cristallo più semplice – che impiega un’antenna e un diodo demodulatore (raddrizzatore) – è in realtà una rectenna, sebbene scarti la componente DC prima di inviare il segnale agli auricolari. Le persone che vivono vicino a forti trasmettitori radio occasionalmente scoprono che con una lunga antenna ricevente possono ottenere abbastanza energia elettrica per accendere una lampadina. Se è anche il vostro caso, potreste subire dei danni legati all’inquinamento elettromagnetico.

La più semplice rectenna fu sviluppata dalla Raytheon e consisteva in un antenna dipolo a mezz’onda con un ponte bilanciato o un singolo diodo a semiconduttore posto sopra un piano riflettente. Dagli anni ’60 agli anni ’70, l’efficienza di conversione di una rectenna alla frequenza delle microonde (2,45 GHz) è stata via via aumentata. La massima efficienza di conversione mai registrata da una singola rectenna si è avuta nel 1977: è stata del 90,6% usando un diodo Schottky GaAsPt e antenna con barre in alluminio.

L’inventore della rectenna W.C. Brown sperimenta un elicottero a rectenna.

Ricordo che le microonde sono onde elettromagnetiche con lunghezze d’onda che vanno da un metro a un millimetro. Il prefisso “micro-” indica che le microonde sono piccole rispetto alle onde utilizzate nelle trasmissioni radio tipiche: in pratica, hanno lunghezze d’onda più corte. Le microonde possono essere usate anche per il “trasferimento di potenza wireless”, cioè la trasmissione di energia elettrica da una fonte di alimentazione a un dispositivo utilizzatore senza usare cavi o conduttori solidi.

Negli ultimi anni, dispositivi simili sono stati usati per convertire la luce direttamente in elettricità. Questo tipo di dispositivo è chiamato rectenna ottica, o nantenna. L’efficienza è stata finora limitata, ma si pensa che alla fine possa venire raggiunta un’efficienza di conversione dell’energia solare in elettricità superiore al 70%. L’idea è di usare un’antenna abbastanza piccola da accoppiare lunghezze d’onda ottiche e la creazione di un diodo ultraveloce in grado di correggere le oscillazioni ad alta frequenza.

Nel 2015, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno fabbricato una rectenna ottica utilizzando 2 milioni di nanotubi di carbonio a pareti multiple per cm2 (rivestiti in ossido di alluminio e ricoperti con uno strato superiore metallico), accoppiati a diodi raddrizzatori su scala nanometrica. Questa combinazione di nanotubi a pareti multiple, ossido, metallo è considerata il più veloce diodo tunneling metallo-isolante-metallo al mondo, in grado di raddrizzare le frequenze ottiche.

La rectenna ottica realizzata dai ricercatori del Georgia Institute of Technology.

Raccolta efficiente dell’energia con una rectenna

Molti sistemi wireless sono stati sviluppati e sono oggi ampiamente utilizzati in tutto il mondo. Gli esempi di sistemi più importanti sono la telefonia mobile cellulare e il Wi-Fi. Proprio come i sistemi di trasmissione radiotelevisiva, irradiano onde / energia elettromagnetica nell’aria, ma una grande quantità di energia viene effettivamente sprecata, quindi come raccogliere e riciclare l’energia elettromagnetica wireless presente nell’ambiente è diventato un argomento sempre più interessante.

Uno dei metodi più promettenti per raccogliere l’energia wireless è usare una rectenna, che come detto è una combinazione di un raddrizzatore e un’antenna. Un tipico schema a blocchi di una rectenna più efficiente di quella elementare illustrata in precedenza è mostrato nella figura qui sotto. L’energia wireless può essere raccolta dall’antenna collegata a dei diodi di raddrizzamento, con l’aggiunta però di opportuni filtri e di un circuito per l’accoppiamento dell’impedenza.

Schema a blocchi di una rectenna con un carico.

I diodi raddrizzatori convertono l’energia wireless ricevuta in corrente continua. Il filtro passa-basso, invece, assicurerà l’accoppiamento del carico con il raddrizzatore e bloccherà le armoniche di ordine elevato generate dal diodo per ottenere un’elevata efficienza di conversione dell’energia, che è il parametro più importante in questo tipo dispositivo. I vantaggi della rectenna sono che ha una vita quasi illimitata – per cui non ha bisogno di essere sostituita – ed è “verde”, cioè non inquina.

L’antenna di una rectenna può essere di qualsiasi tipo, come un dipolo, un’antenna Yagi-Uda, un’antenna a microstrip, monopolo, patch complanare, antenna a spirale o anche antenna parabolica. La rectenna può anche usare qualsiasi tipo di circuito raddrizzatore, come il raddrizzatore a onda intera a singolo shunt, il raddrizzatore a ponte a onda intera o altri raddrizzatori ibridi. Il circuito – in particolare il diodo usato – determina principalmente l’efficienza di conversione da RF a corrente continua (DC).

Quando la potenza è piccola o il carico non è abbinato come impedenza, l’efficienza diventa piuttosto bassa. L’efficienza è determinata anche dalla caratteristica del diodo, che ha una propria tensione di giunzione e tensione di rottura: se la tensione di ingresso al diodo è inferiore alla tensione di giunzione o è superiore alla tensione di rottura del diodo, esso non è rettificante. Di conseguenza, l’efficienza di conversione RF-DC diminuisce con un ingresso più basso o più alto dell’ottimale.

Relazione generale fra l’efficienza di conversione da RF a microonde a corrente continua (DC) all’aumentare della potenza in ingresso alla rectenna.

Vale la pena notare che tutta le efficienze di conversione elevate registrate sono state generate ad un elevato livello di potenza incidente, per il motivo appena menzionato. A bassi livelli di potenza incidente (ad es. 250 μW/cm2), l’efficienza di conversione misurata può essere intorno al 20%. Fondamentalmente, vi sono due approcci per aumentare l’efficienza alla bassa densità di potenza delle microonde:

  • uno è aumentare l’apertura dell’antenna. Esso, però, produce un’alta direttività ed è applicato solo per applicazioni esclusive come gli esperimenti con i satelliti SPS e non per applicazioni a bassa potenza come l’RFID o il riciclaggio di energia a microonde.
  • l’altro approccio è quello di sviluppare un nuovo circuito raddrizzatore per aumentare l’efficienza in caso di debolezza dell’ingresso a microonde.

Una semplice rectenna, illustrata più avanti in questo articolo, per estrarre dall’ambiente energia con cui accendere un led.

Inoltre, esistono rectenne a banda stretta e rectenne a larga banda. In particolare, sono state sviluppate molte rectenne a banda stretta, mentre sono state sviluppate pochissime rectenne a banda larga, che però sono le rectenne più desiderabili per la raccolta di energia wireless dall’ambiente. Esse possono raccogliere energia da sistemi operanti a frequenze diverse (come ad es. le già citate sorgenti di telefonia cellulare e Wi-Fi) per massimizzare la potenza di uscita in una determinata posizione.

Al fine di ottimizzare la rectenna per il massimo trasferimento di potenza, l’impedenza dell’antenna deve essere abbinata all’impedenza del diodo raddrizzatore (ad es. un diodo Schottky Alfa SMS7630-079). I risultati mostrati sul “diagramma di Smith” riportato qui sotto indicano che l’impedenza ottimale di una sorgente va accoppiata a ciascun diodo muovendosi in senso antiorario con l’aumento della frequenza, e più vicino al centro del diagramma con l’aumento della potenza in ingresso.

(a) Gamma simulata di impedenza ottimale della sorgente per un diodo Schottky da 1 a 16 GHz e con una potenza in ingresso da -30 dBm a 10 dBm. (b) Impedenza di ingresso simulata per un’antenna a spirale.

L’impedenza di ingresso simulata per un’antenna a spirale è mostrata nella parte (b) della figura. L’antenna della rectenna è collegata direttamente a un diodo Shottcky, non a una linea di trasmissione. Pertanto, l’antenna a spirale deve corrispondere, come impedenza, all’ingresso del diodo. Dalla figura, si vede che una buona corrispondenza nell’impedenza tra gli elementi dell’antenna e i loro rispettivi diodi si ha a 2,7 GHz per basse potenze di ingresso ed a 5,8-8 GHz per potenze elevate.

A questo punto può essere interessante avere un modo per testare l’efficienza della rectenna. Una configurazione sperimentale tipica adottata per eseguire un test sull’efficienza è illustrata in figura. Per produrre una densità di potenza variabile, si usa un generatore di segnale e un amplificatore. Le misurazioni possono essere eseguite variando la distanza R dall’antenna del trasmettitore alla rectenna. La tensione di uscita viene misurata ai capi di una resistenza di carico con un votmetro.

Il setup sperimentale per misurare le caratteristiche della nostra rectenna.

La potenza elettrica di uscita (Pout) ottenibile da una rectenna è data dal quadrato della tensione di uscita (VDC) diviso la resistenza del carico (R): Pout = VDC x VDC / R. La potenza di ingresso Pin), invece, dipende dalla potenza del trasmettitore (Pt), dalla sua distanza (d), e dal guadagno dell’antenna del trasmettitore (Gt) e dell’antenna della rectenna (Gr): in pratica, Pin = k x Pt x Gt x Gr x λ2 / d2, dove λ è la lunghezza d’onda della radiazione e k è una costante numerica. L’efficienza della rectenna è h =  Pout /Pin.

 

Come realizzare una semplice rectenna

Una semplice rectenna è costruita usando un diodo Schottky, che è formato dalla fusione di un metallo con un semiconduttore. Il materiale semiconduttore utilizzato per questo scopo è selezionato da diversi materiali come cromo, molibdeno, tungsteno, etc. Il diodo Schottky è utilizzato in questo tipo di progetto perché il suo tempo di recupero è più veloce, ha una caduta di tensione diretta (Vforward) relativamente più bassa (di soli 0,15 V nei diodi migliori) e caratteristiche RF piuttosto buone.

La caduta di tensione caratteristica di un diodo Shottky SB520-SB540 a varie correnti. 

L’antenna che viene utilizzata nella rectenna può essere Yagi-Uda, a patch, a dipolo o un’antenna parabolica. La rectenna può comprendere una maglia di dipoli e diodi per scopi di rettifica. Una semplice rectenna può essere costruita usando un diodo Schottky che verrà posizionato tra i dipoli dell’antenna. Il diodo rettifica la corrente indotta nell’antenna dall’energia a microonde. La figura seguente ci dà l’idea della semplicissima costruzione della rectenna usando un diodo Schottky.

Schema di una semplice rectenna per accendere un led quando è vicina a un router e un esempio di semplice circuito per accendere un led vicino a una sorgente RF.

Se usiamo come antenna un semplice dipolo, per calcolare la sua lunghezza fisica basta conoscere la frequenza su cui vogliamo risuonare, poichè qualsiasi pezzo di filo di una data lunghezza potrà (irradiare o) ricevere un segnale solo nel caso che la sua lunghezza fisica gli permetta di risuonare sulla lunghezza d’onda su cui vogliamo ricevere (o trasmettere). In pratica, l’antenna di un dipolo – o il classico pezzo di filo – risulta risonante alla frequenza completa di un’onda intera, cioè con semionda “+”e “-“.

La lunghezza in metri è data da 300 / frequenza (in MHz), perciò per le microonde (2,45 GHz) è pari a 300 / 2450 = 0,1224 m, ovvero 12,2 cm. Tuttavia, l’antenna viene di solito costruita con una lunghezza fisica di mezz’onda, perché altrimenti al suo centro avrebbe un’impedenza talmente alta da vanificare la captazione RF su quella lunghezza d’onda. Perciò, il nostro dipolo (o spezzone di filo) dovrà essere lungo 6,1 cm, avrà un guadagno di circa 2 dBi e un diagramma di radiazione relativamente circolare.

Schema di un’antenna a dipolo a 1/2 onda fai-da-te utilizzabile per una semplice rectenna.

Naturalmente, è possibile usare direttamente l’antenna di un router Wi-Fi, che opera sui 2,4 GHz (banda ISM) e va posta verticalmente. Possiamo usare un normale router domestico anche come sorgente di radiazione per un test, dato che tipicamente in Italia questi apparecchi hanno una potenza di uscita pari a 100 mW, aumentabile fino a 200 mW con l’utilizzo di antenne da 3 dB. Se invece non vi sono sorgenti RF vicine, la nostra rectenna potrebbe dare segnali DC di soli microvolt / nanoampere.

L’antenna a dipolo a 1/2 onda che troviamo in un modem e (in alto) il suo interno.

Si noti che la corrente DC fornita dal diodo rettificatore può essere anche inviata a un super-condensatore, al fine di immagazzinare l’energia raccolta dalla rectenna. Inoltre, si può usare un convertitore boost DC-DC per aumentare il livello di tensione sul super-condensatore. E, per testare la rectenna, si può usare un generatore di funzioni che produca energia nelle microonde, un amplificatore di potenza che amplifichi tale segnale e un’antenna a tromba che lo trasmetta all’antenna della rectenna.

Lo schema a blocchi di un semplice sistema per immagazzinare l’energia di una rectenna.

La rectenna può essere posta a 1-1,3 m di distanza dall’antenna a tromba. Quella della rectenna è un’antenna dipolare a mezza lunghezza d’onda che riceve l’energia dall’antenna a corno. Un’antenna a dipolo a mezza lunghezza d’onda è composta da due poli, o sezioni, che sono uguali in lunghezza. I segnali ricevuti vengono portati via dal ricevitore attraverso un feeder, cioè un cavo o una linea di trasmissione che serve a trasferire l’energia proveniente dall’antenna con la minore perdita possibile.

La lunghezza totale del dipolo è una mezza lunghezza d’onda, il che rende ogni gamba del dipolo lungo un quarto d’onda. Affinché l’energia possa entrare o uscire da un’antenna, devono esserci correnti e tensioni associate. Le tensioni e le correnti variano in modo sinusoidale lungo la lunghezza dell’antenna. La tensione è bassa al centro e sale a un massimo alle estremità, mentre la corrente scende a zero alle estremità ed è al massimo nel mezzo. Questo fornisce un punto di connessione a bassa impedenza.

Come variano la tensione e la corrente lungo una semplice antenna a dipolo a onda intera.

Un cavo coassiale a bassa “impedenza” (l’opposizione di un conduttore al flusso di elettroni in corrente alternata) è l’ideale perché rende conveniente l’abbinamento. L’impedenza del cavo è misurata nel punto dell’antenna in cui il cavo è collegato, e l’abbinarla assicura che la massima quantità di energia venga trasferita dall’antenna al cavo. L’attenuazione del segnale nel cavo coassiale dipende dalla frequenza (più alta è, maggiore risulterà l’attenuazione) e dalla lunghezza del cavo.

Un disadattamento dell’impedenza crea delle onde riflesse e, nei casi peggiori, dei picchi di attenuazione molto ripidi. Al centro di un’antenna a mezz’onda avremo un’impedenza prossima ai 52-75 Ohm, mentre ai suoi estremi avremo un’impedenza altissima, oltre i 5.000 Ohm. Per questo le antenne commerciali sono costruire con la presa per il cavo coassiale al centro della loro metà. Come cavo coassiale, possiamo quindi usare quello da 75 Ohm normalmente usato per le antenne TV.

Un’antenna a dipolo a 1/2 onda offre un punto di connessione a bassa impedenza.

Dopodiché, un induttore posto in serie al cavo di trasmissione agisce come un filtro passabanda che blocca la radiazione delle armoniche, che sono generate dal diodo raddrizzatore posto a valle. I diodi sono dispositivi non lineari, quindi generano sempre alcune armoniche di frequenza. Bloccando quelle armoniche, si migliorerà l’efficienza della conversione RF-DC. L’energia viene quindi inviata attraverso il diodo Schottky, che ha la funzione di raddrizzare la corrente oscillante.

Infine, un filtro passa-basso viene utilizzato per bypassare la corrente continua e bloccare la corrente RF verso il carico. Il diodo raddrizzatore, infatti, genera corrente continua (DC) e armoniche. Si desidera avere solo la componente DC e non le armoniche. Un super condensatore da 10 F può essere usato come dispositivo di accumulo a monte di un convertitore boost che aumenta la tensione a 3,3 V, mentre un altro super-condensatore da 0,1 F può essere posto sull’uscita del convertitore boost.

Un esempio di super-condensatore da 10 F a 2,5 V.

In alternativa, è possibile realizzare una rectenna a banda stretta per la banda dei 2,45 GHz (microonde), usando un’antenna a patch o microstrip, che abbiamo illustrato nell’articolo Come realizzare un’antenna patch o microstrip. Una simile rectenna può essere composta da un’antenna a patch (realizzata con la basetta in rame e vetronite spessa 1 mm usata per i circuiti stampati), un filtro passa-basso e un diodo Schottky. Tale rectenna può raggiungere un’efficienza di conversione RF-DC del 63%.

Schema di un’antenna a patch: a sinistra la parte frontale, a destra il retro.

Un buon diodo Schottky commerciale ottimo per una rectenna per la banda dei 2,45 GHz è il modello HSMS-286C della Avago Technologies. Questo è un semiconduttore compatto a montaggio superficiale senza piombo utilizzabile da 915 MHz a 5,8 GHz. È dotato di un’alta sensibilità di rilevamento fino a 50 mV / μW a 915 MHz, 35 mV / μW a 2,45 GHz e 25 mV / μW a 5,8 GHz. Inoltre, ha una ridotta caduta di tensione, risposta e elaborazione ad alta velocità e consuma poca energia.

La rectenna realizzata con una piastrina per circuiti stampati in vetronite spessa 1 mm.

Testando il sistema con un’antenna a tromba che trasmette a livelli di potenza dell’ordine 4 W, si può usare un diodo ad emissione luminosa (LED) come carico a basso consumo energetico per verificare le prestazioni della rectenna. La rectenna può essere usata per pilotare un singolo LED a una distanza di 1 metro e ad una tensione di +1,7 V DC. L’energia ricevuta dalla rectenna è dell’ordine +7 dBm. Ciò si traduce in un’efficienza del 14%, che diminuendo la distanza dall’antenna a tromba a 75 cm sale al 45%.

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