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Ricardo Luiz da Silva Adrianohttp://lattes.cnpq.br/4249905570348130Úrsula do Carmo ResendeXisto Lucas Travassos JuniorRose Mary de Souza BatalhaDiogo Batista de OliveiraHugo Daniel Hernandez HerreraMarcela Silva Novohttp://lattes.cnpq.br/4909820733560882Polyanna Mara Pereira2020-02-20T18:14:12Z2020-02-20T18:14:12Z2019-10-30http://hdl.handle.net/1843/32597O reaproveitamento da energia eletromagnética disponível no ambiente, para alimentar dispositivos de pequenas cargas, tem impulsionado diversas pesquisas. Dentro desse contexto, essa tese apresenta um estudo teórico e experimental de uma rectena, que é uma antena acoplada a um circuito retificador, usada na captação e conversão da energia disponível no ambiente na faixa de micro-ondas, em energia elétrica de corrente contínua. A utilização de rectenas para reaproveitamento de energia eletromagnética é uma aplicação recente, que deve levar em consideração as características do sinal recebido, tais como alta frequência e baixos níveis de potência. Essas características adicionadas a não linearidade do circuito retificador implicam em limitações no casamento de impedância entre a antena e o circuito retificador, conduzindo a necessidade de um projeto específico para cada aplicação. Geralmente a análise computacional completa do sistema rectena é complexa, uma vez que é importante considerar as duas partes: a antena e circuito retificador. Embora a análise do problema eletromagnético acoplado ao circuito não linear seja possível, a simulação comumente possui um custo computacional elevado dependendo do método numérico empregado. Logo, uma ferramenta de análise para rectena constituída de um modelo SPICE de extração de circuitos para a antena que permite a incorporação do circuito não linear é apresentada como alternativa para as soluções de onda completa baseadas em métodos numéricos. A metodologia proposta possibilita analisar o problema tridimensional da antena e o circuito retificador separadamente. Alternativamente, duas metodologias de projeto baseadas na otimização da impedância da antena são propostas a fim de aumentar a eficiência do sistema rectena. Primeiramente, uma técnica de projeto baseada na otimização da impedância da antena é proposta a fim reduzir a complexidade do circuito de casamento de impedância. Assim, o circuito retificador é projetado com um $stub$ simples a fim de manter a impedância do retificador próxima de 50$\Omega$. A impedância da antena é otimizada para casar com o retificador medido. Então, o sistema rectena projetado com a antena de impedância corrigida é comparado com um sistema constituído de uma antena de 50$\Omega$, para diferentes distâncias. Por fim, os resultados são validados com base em experimentos e dados disponíveis na literatura. Objetivando a eliminação completa do circuito casador, uma segunda abordagem foi desenvolvida onde uma topologia de antena foi otimizada para permitir o casamento direto com o circuito retificador. A análise do circuito retificador dobrador de tensão empregado aponta uma impedância relativamente baixa conduzindo à escolha de uma nova topologia de antena. A sintonização da antena é apresentada e seus resultados são comparados com a técnica inicial e trabalhos contemporâneos apresentados na literatura.The reuse of energy available in the environment to feed low power devices has led to many different research. Within this context, this paper presents a theoretical and experimental study of a rectenna, which is an antenna coupled to a rectifier circuit. It is used in the capture and conversion of energy, available in the environment, in the range of microwave frequencies into electrical DC power. The use of rectennas to reuse electromagnetic energy is a recent application, which should take into account the characteristics of the received signal, such as high frequency and low power levels. These characteristics added to the non-linearity of the rectifier circuit imply limitations in the impedance matching between the antenna and the rectifier circuit, leading to the need for a specific design for each application. Generally the complete computational analysis of the rectenna system is complex as it is important to consider both parts: the antenna and rectifier circuit. Although the analysis of the electromagnetic problem coupled to the nonlinear circuit is possible, the simulation commonly has a high computational cost depending on the numerical method employed. Therefore, a retinal analysis tool consisting of a SPICE antenna circuit extraction model that allows the incorporation of the nonlinear circuit is presented as an alternative to full wave solutions based on numerical methods. The proposed methodology makes it possible to analyze the three-dimensional problem of the antenna and the rectifier circuit separately. Alternatively, two design methodologies based on antenna impedance optimization are proposed in order to increase the efficiency of the rectenna system. Firstly, a design technique based on antenna impedance optimization is proposed in order to reduce the complexity of the impedance matching circuit. Thus, the rectifier circuit is designed with a simple stub to keep the rectifier impedance close to 50Ω. The antenna impedance is optimized to match the measured rectifier. Then, the rectenna system designed with the impedance corrected antenna is compared to a system consisting of a 50Ω antenna for different distances. Finally, the results are validated based on experiments and data available in the literature. In order to completely eliminate the matching circuit, a second approach was developed where an antenna topology was optimized to allow direct matching with the rectifier circuit. The analysis of the voltage doubling rectifier circuit employed points to a relatively low impedance leading to the choice of a new antenna topology. The antenna tuning is presented and its results are compared with the initial technique and contemporary works presented in the literature.FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas GeraisporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFMGBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAEngenharia elétricaOtimização combinatóriaAntenas (Eletrônica)Retificadores (Eletrônica)AntenaCircuito retificadorOtimizaçãoRectennaProjeto e análise de rectenas de baixa potência com simplificação e redução de circuitos casadores para reutilização de energia RFLow power rectenna design and analysis with simplification and reduction of matching circuits for RF energy reuseinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALTese_PolyannaMaraPereira.pdfTese_PolyannaMaraPereira.pdfapplication/pdf6689966https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/32597/1/Tese_PolyannaMaraPereira.pdf9751df75ceaf61935aa35acc9e9c0165MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82119https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/32597/2/license.txt34badce4be7e31e3adb4575ae96af679MD52TEXTTese_PolyannaMaraPereira.pdf.txtTese_PolyannaMaraPereira.pdf.txtExtracted texttext/plain209631https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/32597/3/Tese_PolyannaMaraPereira.pdf.txt2c39afdf0f2a3b480ad807eb181dd667MD531843/325972020-02-21 03:29:24.928oai:repositorio.ufmg.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2020-02-21T06:29:24Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false
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