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Design and Optimization of Printed Antennas for Wireless Powering

Hakimi Tehrani, Ardeshir :
Design and Optimization of Printed Antennas for Wireless Powering.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Design and optimization of printed antennas for wireless powering - Text (PhD thesis)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design and Optimization of Printed Antennas for Wireless Powering
Language: English
Abstract:

The aim of present research was design and optimization of printed spiral inductor coils as the antennas for wireless powering. Power transfer was limited to some milliwatts over several centimeters with mega Hertz range frequency for low power consumer products like desktop accessories or packaging. Generally, the efficiency of power transferring through printed antennas is less than conventional coils because of some characteristics of conductive inks and printing processes. In this thesis, design and optimization of printed antennas based on printing limits was considering. Geometrical parameters of spiral antennas and the effect of them on inductive powering were reviewed. Three layouts for screen printing of the antennas were represented: Preliminary layout for practical tests on fine line printing and dimensional characteristics of antennas; Comparative layout for comparison between electromagnetic characteristics of antennas; and a Final layout for using in wireless powering. Two types of mesh screens and three types of conductive silver inks were applied for printing the samples on PET substrates. Characterization of printed samples was done by application of a network analyzer based on reflection method in frequency range of 100 Hz to 40 MHz. The magnitude and phase angle of impedance spectrum were plotted and the inductance, resistance, and parasitic capacitance were calculated based on equivalent RLC model. The first resonance frequency of most of antennas was included in the frequency range of measurement. The phase angle did not exceed 90° in all of the samples. The resonance frequency improved extremely by increasing the track width and decreasing the number of turns. Application of different inks could significantly change the impedance value. The measurements showed that the proximity effect losses could be more effective than skin effect in printed samples. Also, by increasing the track length or turn numbers, the parasitic capacitance and inductance could be increased. The results represented that the quality factor could be a problematic factor for comparison between different geometries. Figure-of-merit was applied for comparison between different antennas based on overall area of the antennas. The overall area was substituted with ink area to represent the ratio of efficiency to ink consumption. The FOM of printed antennas in present research was relatively less than PCB antennas that could be caused by high resistive losses of conductive inks. Finally, the functionality of printed antennas was represented by a demonstrator. Also, a concept for software workflow for the design of printed antennas was represented.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Auslegung und Optimierung von gedruckten Spiralinduktionsspulen als Antennen für die drahtlose Stromversorgung. Die Leistungsübertragung wurde über eine Abstand von mehreren Zentimetern im Mega Hertz Frequenzbereich für niedrigen Stromverbrauch bei Gütern wie Desktop-Zubehör und Verpackung auf einige Milliwatt beschränkt. Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad der Leistungs Übertragung durch gedruckte Antennen weniger als bei herkömmlichen Spulen aufgrund einiger Eigenschaften der leitfähigen Tinten und Druckverfahren. In dieser Arbeit wurde die Auslegung und Optimierung von gedruckten Antennen unter Berücksichtigung der Grenzen der Druckverfahren dargelegt, geometrische Parameter der Spiralantennen und deren Wirkung auf induktive Stromversorgung überprüft. Drei Layouts für den Siebdruck der Antennen wurden verwendet: ein vorläufiges Layout für Praxistests auf feinen Liniendruck und Abmessungseigenschaften der Antennen; ein Vergleichs-Layout für den Vergleich zwischen der elektromagnetischen Eigenschaften von Antennen; und ein endgültiges Layout für die Verwendung in der drahtlosen Stromversorgung. Zum Drucken der Proben auf PET-Träger wurden zwei Arten von Maschensieben und drei Arten von leitenden Silbertinten aufgebracht. Die Charakterisierung von bedruckten Proben wurde durch Anwendung eines Netzwerkanalysators basierend auf Reflexionsverfahren in Frequenzbereich von 100 Hz bis 40 MHz durchgeführt. Der Betrag und die Phasenlage des Impedanzspektrums wurden aufgetragen, und die Induktivität, Widerstand und die parasitäre Kapazität wurden basierend auf äquivalente RLC-Modelle berechnet. Die erste Resonanzfrequenz der meisten Antennen ist in dem Frequenzbereich der Messung enthalten. Der Phasenwinkel hat 90 ° in allen Proben nicht überschritten. Die Resonanzfrequenz wurde extrem verbessert durch Erhöhen der Spurweite und der Verringerung der Zahl der Windungen. Die Anwendung der verschiedenen Druckfarben konnte den Impedanzwert erheblich verändern. Die Messungen zeigten, dass die Verluste durch den Nachbarschaftseffekt wirksamer als der Skin-Effekt in bedruckten Proben sein können. Auch durch Erhöhung der Kettenlänge oder Windungszahlen kann die parasitäre Kapazität und Induktivität erhöht werden. Die Ergebnisse haben dargestellt, dass der Gütefaktor ein problematischer Faktor für den Vergleich zwischen verschiedenen Geometrien sein könnte. Der Wert des Gütefaktors wurde für den Vergleich zwischen verschiedenen Antennen bezogen auf den Gesamtbereich der Antennen angewendet. Die Gesamtfläche wurde durch den mit Tinte bedruckten Bereich ersetzt, um das Verhältnis von Wirkungsgrad zu Tintenverbrauch zu repräsentieren. Der Gütefaktor von gedruckten Antennen in der vorliegenden Untersuchung war relativ weniger als der von PCB-Antennen, was durch hohe Widerstandsverluste von leitfähigen Tinten verursacht werden könnte. Schließlich wurde die Funktionalität der gedruckten Antennen von einem Demonstrator nachgewiesen. Auch ein Konzept für den Software-Workflow für die Gestaltung von gedruckten Antennen wurde vorgestellt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
Date Deposited: 08 Dec 2015 09:55
Last Modified: 17 Dec 2015 07:33
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46863
Referees: Dörsam, Prof.DrIng Edgar and Hofmann, Prof.DrIng Klaus
Refereed: 16 July 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4686
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