Multitjänst mycket känslig likriktare för förbättrad rf energy scavenging | vetenskapliga rapporter

Multitjänst mycket känslig likriktare för förbättrad rf energy scavenging | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Elektrisk och elektronisk teknik
  • Elektroniska och spintroniska enheter

Abstrakt

På grund av de växande effekterna av energikostnader och kolavtryck är behovet av att anta billiga, skördar strategier för grön energi av största vikt för att bevara miljön och den globala ekonomin på lång sikt. För att hantera detta undersöks möjligheten att skörda RF-energi med låg effektdensitet samtidigt från flera källor. En högeffektiv multiresonant likriktare föreslås, som arbetar med två frekvensband (478–496 och 852–869 MHz) och uppvisar fördelaktig impedansmatchning över ett brett ingångseffektområde (−40 till −10 dBm). Simulering och experimentella resultat av ingångsreflektionskoefficient och likriktad utgångseffekt är i utmärkt överensstämmelse, vilket visar användbarheten med denna innovativa lågeffekträtningsteknik. Mätningsresultaten indikerar en effektiv verkningsgrad på 54, 3%, och en utgångsspänning på 772, 8 mV uppnås för en flersignal ingångseffekt på −10 dBm. Vidare uppvisar den uppmätta DC-effekten från skörd av RF-energi från flera tjänster samtidigt en ökning med 3, 14 och 7, 24 gånger jämfört med enfrekvensriktning vid 490 respektive 860 MHz. Därför är den föreslagna högkänsliga likriktaren med flera tjänster en lovande teknik för att tillhandahålla en hållbar energikälla för applikationer med låg effekt i stadsmiljöer.

Introduktion

AMBIENT energiskördning lockar ett brett intresse eftersom det har potential att tillhandahålla en hållbar energikälla för framtida tillväxt och miljöskydd. Betydande forskningsinsatser har riktats mot lågprofilerade, lågeffektiva, energieffektiva och självhållbara anordningar som syftar till att skörda energi från outtömliga källor som solenergi, termisk, biomassa, mekaniska källor (t.ex. vind, kinetik, vibration och hav vågor) avloppsvatten och mikrovågsenergi. En grundlig uppsättning recensioner ges i litteraturen 1, 2, 3, 4 . Bland dessa gröna energikällor har det funnits ett växande intresse för radiofrekvensenergi (RF), eftersom tillgängligheten av omgivande RF-energi har ökat på grund av framstegen inom sändning och trådlösa kommunikationssystem. Vidare utvecklingen av trådlös kraftöverföringsteknologi (WPT) -teknologi 5 som tillåter mikrosensorer 6, mobila elektroniska enheter 7, trådlösa implanterbara neurala gränssnitt 8 och långtgående passiva RFID-system (radiofrekvensidentifiering) 9, 10, 11 att fungera utan batterier har utlöst drivkraft för RF-skörden.

Effektiv skörning av RF-energi är en mycket utmanande fråga eftersom den handlar om de mycket låga RF-effektnivåerna som finns i miljön. Vidare kan den avtagbara effektnivån variera oförutsägbart, beroende på flera faktorer, såsom avståndet från kraftkällan, överföringsmediet, telekommunikationstrafikdensiteten och antennorienteringen. Huvuddelen av tillgänglig litteratur om RF-likriktning har ägnats åt smalbandiga rektennor, som i huvudsak arbetar med en enda frekvens och därmed ger låg DC-uteffekt 12, 13 . Olika topologier, såsom spänningsfördubblare eller multiplikatorer har använts för att öka RF-till-DC-omvandlingseffektiviteten och utgångs-DC-spänningen för specifika tillämpningar 14, 15, 16 . Från ett omgivande RF-rensningsperspektiv kan skörden av energi från olika tillgängliga frekvenser emellertid maximera kraftsamlingen och därmed öka den utgående likströmmen. Ultrabredbands- och bredbands-rektenna-arrayer har föreslagits som en potentiell lösning 17, 18 . I vissa fall gavs emellertid inte simulering och experimentella resultat för att visa resultaten 17 . En bredbandsrektenna bestående av en dubbelcirkulär polariserad spiralrektenna-array som arbetar över ett frekvensområde på 2–18 GHz demonstrerades 18 . Den likriktade likströmmen kännetecknades som en funktion av DC-belastning, RF-frekvens och polarisering för effektdensiteter mellan 10 −5 och 10 −1 mW / cm 2 . Emellertid matchades den föreslagna rektenna vid en enda ingångs RF-effektnivå för en specificerad belastningsmotstånd för karakteriseringen. På grund av likriktarkretsens låga Q-värde var konverteringseffektiviteten en bråkdel av 1% vid -15, 5 dBm. Ur designmässig synvinkel, medan det är relativt enkelt att uppnå en bredbandsantenn, är det mycket utmanande att realisera en bredbandsrektenna på grund av likriktningen av likriktningsimpedansen med ingångseffekt över frekvensbandet 19 .

För att hantera detta är ett lovande tillvägagångssätt att använda en dual-band eller multi-band konfiguration. Detta kan maximera effektomvandlingseffektiviteten (PCE) vid de specifika frekvenserna där den maximala omgivningssignalnivån är tillgänglig. Olika system för skördning av RF-energi med två band har visats 20, 21, 22, 23, 24, men en stor signalanalys av likriktaren tillhandahölls vanligtvis inte över ett brett ingångseffektområde. En dubbelbands RF-energiskördning med frekvensbegränsad dubbelbandsimpedansmatchning har föreslagits 20 och PCE visades över ett högt effektområde från 0 till 160 mW, men det matchades bara vid en enda ingångseffektnivå (10 dBm) . En CMOS-skördarkrets med dubbla smalband har modellerats vid miljöeffektnivåer 21 . Återigen visades likriktarens effektivitet med endast enstaka ingångseffektnivåer på −19 och −19, 3 dBm vid 2 GHz respektive 900 MHz, och en stor signalanalys presenterades inte. En kompakt dubbelband-rektenna som arbetar vid 915 MHz och 2, 45 GHz har visats 22 och PCE visades för ingångseffektnivåer på −15, −9 och −3 dBm. Reflektionskoefficienten utvärderades emellertid vid en effektnivå för en enda incident. Dessutom är effektivitetsresultaten med dubbla tonexcitering samtidigt och entonat excitation (vid 915 MHz) mycket lika, varför effekten av att använda en dubbelbandsteknik inte visar någon tydlig fördel jämfört med ett enda band. En dubbelfrekvent rektenna för WPT har föreslagits 23 som uppnådde en omvandlingseffektivitet på 84, 4% och 82, 7% vid 2, 45 och 5, 8 GHz med en hög ingångseffektnivå på 89, 84 respektive 49, 09 mW. Dessa effektnivåer överstiger mycket miljönivån i miljön 19 . En överensstämmande hybrid av solenergi och elektromagnetisk (EM) energi skördande rektang har presenterats 24 och PCE försågs med ingångseffekt −30 till 5 dBm, vilket uppnådde en effektivitet upp till 40% vid 1, 85 GHz för högre ingående effektnivåer (över −5 dBm ). Reflektionskoefficienten tillhandahölls emellertid inte vid låg ingångseffektområde.

En flerresonant rektenna som använder en flerskiktsantenn och likriktare har utvärderats för en −16 dBm till +8 dBm RF mottagen effektnivå, men likriktarkretslayouten och stor signalanalys tillhandahölls inte för att klargöra resultaten 25 . Vidare har en rektenna för trippelbandskommunikation för biotelemetri föreslagits med användning av en trippelbandsantenn och enfrekvent likriktare 26 . Emellertid är denna rektang inte lämplig för RF-energiutrensning på grund av den låga effektiviteten vid lägre ingångseffektnivåer. En annan trippelband-rektenna presenterade en RF-DC-effektivitet över ingångseffektintervallet −14 till +20 dBm 27, men reflektionskoefficientresultaten utvärderades endast vid en enda ingångseffektnivå. Denna rectenna visade sig skörda 7, 06 μW DC-effekt från tre källor samtidigt vid en hög ingångseffektnivå på +10 dBm. Ett skördesystem med flera band har också föreslagits där fyra individuella skördare är utformade för att täcka fyra frekvensband 28 . En stor signalanalys tillhandahölls emellertid inte över ett brett ingångseffektområde. Dessutom har det föreslagna skördesystemet en minsta känslighet på −25 dBm, medan det i en verklig miljö krävs mer känsliga system eftersom de tillgängliga RF-effektnivåerna är mycket låga 19 .

Tunbara impedansmatchande nätverk har demonstrerats för att samla RF-signaler från olika källor och konvertera dem till likström 29 . Från en applikationssynpunkt är detta emellertid fortfarande enkelfrekvensrätning och det är inte allmänt tillämpligt på RF-energisnålning där den tillgängliga effekten är mycket låg.

För att öka mängden RF-energi som rensas av en rectenna är det avgörande att identifiera och skörda flera omgivningsfrekvenskällor över deras realistiska tillgängliga energiområde. Vår tidigare forskning har visat genomförbarheten för RF-energiskördning genom RF-fältundersökningar och maximalt tillgängligt effektanalys i storstadsområdena i Melbourne, Australien 19 . Den maximala tillgängliga effekten för olika frekvensband baserat på antennöppning och antalet antenner i ett givet uppsamlingsområde analyserades. Uppmätta resultat och analys indikerade att cellulära system och sändningskällor är väl lämpade för skörd, med scavengeable RF-effekt som sträcker sig från −40 till −10 dBm. Detta identifierar två viktiga överväganden vid utformningen av effektiv rektenna för RF-energiskördning: de tillgängliga scavengeable RF-kraftkällorna och den betydande variationen i denna effekt.

RF-till-likriktarlösningarna som föreslagits i ny litteratur har fokuserat på att maximera systemeffektiviteten vid en given och ofta ganska hög ingångseffektnivå. Detta försummar problemen relaterade till variationer i ingångseffekt, vilket kan leda till oväntade variationer i det matchande nätverket på grund av dioden olinjäritet. Dessutom har de upptagbara nivåerna av den omgivande RF-kraften visat sig vara ordningsföljd som är lägre. Därför, baserat på våra tidigare forskningsresultat och rekommendationer 19, skulle en effektiv kraftavverkningslösning kunna omfatta en multi-band-matchningskrets vid de specifika frekvenserna där maximal signaleffekt är tillgänglig, vilket möjliggör större kraftavverkning på grund av kombinationen av RF-signaler. Detta resulterar också i att en högre effekt matas till en enda likriktare, vilket använder diodfunktionen mer effektivt.

Detta dokument presenterar en metod för skörd av RF-energi som kan rensa ett brett spektrum av omgivningseffektnivåer som är ordningsföljd som är lägre än tidigare rapporterade tekniker i litteraturen. En effektiv dubbelresonant likriktarkrets föreslås, anpassad till en 50 Ω ingångsport vid 490 och 860 MHz över ett brett RF-ingång med låg ingång från 40 till −10 dBm. Det föreslagna dubbla resonansmatchningsnätverket fungerar effektivt vid två identifierade skördefrekvensband över ett brett ingångseffektområde, vilket maximerar likström genom att rensa två källor samtidigt.

Återstoden av detta dokument är organiserat enligt följande. Först presenteras nyckelresultaten för reflektionskoefficienten och utgångseffekten. Därefter sammanfattar diskussionsavsnittet resultaten och visar deras potentiella konsekvenser, begränsningarna för denna studie, öppna frågor och framtida forskning. Slutligen beskriver metodavsnittet den föreslagna likriktarkonstruktionen.

Resultat

En dubbel resonanslikriktare tillverkades på ett 1, 58 mm FR-4-substrat med en dielektrisk konstant r r ≈ 4, 5 och en förlusttangens ≈ ≈ 0, 025. Dessa substratparametrar mättes med användning av Nicolson-Ross-metoden 30 så att exakta värden kunde användas i likriktarkonstruktionen. Ett fotografi av den tillverkade dubbla resonanslikriktaren visas i fig. 1 som visar ingångs-RF-port, dubbelbandsmatchande nätverkskomponenter, Schottky-dioder och utgångsterminalen. Likriktarens prestanda verifierades genom att mäta ingångsreflektionsegenskaperna, och uteffekten beräknades utifrån den uppmätta utgångsspänningen för ingångseffekterna från −40 till −10 dBm.

Image

Bild i full storlek

Reflektionskoefficient

| S 11 | av likriktaren utvärderades med användning av en vektornätverksanalysator (VNA). VNA kalibrerades om för varje ingångseffektnivå. I figur 2 jämförs den simulerade och uppmätta | S 11 | kontra frekvens för den dubbla resonant likriktarkretsen vid fyra olika ingångseffektnivåer från −40 till −10 dBm. De uppmätta resultaten visar mycket bra överensstämmelse med simuleringarna. Något högre reflektion observerades för resonansfrekvenserna vid den nedre delen av ingångseffektområdet (på grund av diodkaraktäristiken). Den föreslagna likriktarkretsen är emellertid väl anpassad (| S 11 | <−10 dB) vid de önskade frekvensbanden på 478–496 MHz och 852–869 MHz över det breda intervallet ingångseffekter från −40 till −10 dBm. Den lilla skillnaden mellan simulering och mätning beror på den parasitiska extraktionsnoggrannheten.

Image

(a) −10 dBm. (b) −20 dBm. (c) −30 dBm. (d) −40 dBm.

Bild i full storlek

Utgång DC Power

Inom frekvensområdet ger Harmonic Balance analysmetoden en omfattande behandling av ett multispektralt problem 18 . Metoden tar i sin tur hänsyn till DC-komponenten och ett specificerat antal övertoner, samtidigt som det gör det möjligt att specificera källimpedansen och harmoniska avslutningar. En harmonisk balanssimulering användes för att numeriskt utvärdera utgångs-DC-spänningen för den dubbla resonanslikriktaren för både en enda och två toningång. Utgångs-DC-spänningen över lastmotståndet mättes också och användes för att beräkna utgångs-likström. Mätningar utfördes med användning av en Wiltron 68247B syntetiserad signalgenerator som en RF-kraftkälla för likriktarkretsen. Inspelning av den utgående likspänningen över lastmotståndet uppnåddes med en Fluke 79III digital spänningsmätare. RF-källkraften sattes initialt till −10 dBm och minskade i 2 dB-steg. I mätfallet med två band matades två RF-signalgeneratorer till likriktarkretsen samtidigt via en kraftkombinator.

Simulerings- och mätresultaten för enstaka och dubbla insignaler sammanfattas i fig 3 (a) och (b). En uppmätt likspänning på 772, 8 mV uppnås med två samtidiga insignaler vid en ingångseffekt på −10 dBm. För enkeltonmätningar produceras likspänningar på 436 mV respektive 286 mV vid 490 MHz respektive 860 MHz. Jämförelsen mellan enstaka likriktare 490 och 860 MHz belyser inmatningsfrekvensens inverkan på PCE. En högre mängd likspänning kan genereras vid den lägre frekvensen. Denna skillnad kommer från minskande diodprestanda vid den högre frekvensen på grund av den högre förbindningskapacitansen för dioden 31 .

Image

(Detta effektområde är kopplat till signalkällan).

Bild i full storlek

Det är viktigt att en något högre likspänning kan alstras med den dubbla resonanslikriktaren jämfört med summan av utspänningen från de två enskilda banden, särskilt vid de lägre ingångseffektnivåerna som kan ses i fig. 3 (b) som visar den nedre kraftsektionen i fig. 3 (a) mer i detalj. Genom att maximera kraftsamlingen från olika källor med olika frekvenser och leverera den kombinerade kraften till likriktningskretsen förbättras diodeomvandlingseffektiviteten vilket resulterar i en högre nivå av likriktad spänning. I figur 4 jämförs den simulerade och uppmätta utgångseffekten för den dubbla resonans likriktarkretsen med både enkla och dubbla insignaler. En uppmätt likström på 17, 3 μW och 7, 5 μW kan genereras vid 490 MHz respektive 860 MHz med en enda toningång på −10 dBm (100 μW). Detta representerar verkliga effektiviteter på 17, 3% och 7, 5% för den enskilda enkelbandsrätningen (se fig. 5). Den uppmätta likströmseffekten med två samtidiga ingångstoner på −10 dBm är emellertid 54, 3 μW, vilket motsvarar en effektiv verkningsgrad på 54, 3% för dubbelbandslikriktaren (se fig. 6). Detta representerar en 3, 14 och 7, 24 gånger ökning av uteffekt DC-effekt över excitering av enstaka ton vid 490 MHz respektive 860 MHz. Denna trend är uppenbar till låga ingående effektnivåer (cirka 40 μW). Dessutom finns det en signifikant ökning av PCE för den dubbla resonanslikriktaren för lägre ingångseffektnivåer (<40 μW).

Image

Bild i full storlek

Image

Bild i full storlek

Image

Bild i full storlek

Här definieras den effektiva verkningsgraden som förhållandet mellan uteffekt DC-effekt och den tillgängliga ingångs RF-effekten snarare än den effekt som levereras till dioderna (ekvation (1)). Den tillgängliga effektnivån är associerad med signalkällan. För den enda resonatorn är den tillgängliga ingångseffekten −10 dBm och den levererade effekten är också −10 dBm (förutsatt ingen förlust). Men genom att skapa ett dubbel resonansmatchande nätverk är kraften som levereras till dioderna −7 dBm (kombinerad total ingångseffekt från två signalgeneratorer) men den tillgängliga effekten är fortfarande −10 dBm.

Image

Därför resulterar kombination av inmatade RF-signaler i ett enda rektifieringssteg i en likriktare med hög känslighet, vilket är allmänt tillämpligt för reell miljö RF-energiupptagning. Denna multibandsteknik kan ge högre likström än att kombinera två separata enfrekvent likriktarkretsar som arbetar vid samma frekvenser. Detta beror på det faktum att skörd av RF-energi från olika tillgängliga källor samtidigt ökar den levererade effekten till likriktaren, vilket förbättrar diodkonverteringseffektiviteten och följaktligen förbättrar den utgående likströmseffekten. Tabell 1 sammanfattar detta arbete jämfört med tidigare publicerade verk.

Full storlek bord

För att tillhandahålla ett realistiskt scenario för den föreslagna likriktaren med två band, togs mätresultat i tre förorter i Melbourne, Australien, i överensstämmelse med våra tidigare forskningsresultat 19 . Tabell 2 sammanfattar dessa miljömässiga resultat. Det bör noteras att det undre bandet (478–496 MHz) har en 3, 67% fraktionerad bandbredd och det högre bandet (852–869 MHz) har cirka 2% fraktionerad bandbredd. Följaktligen kan olika RF-frekvenser från olika källor skördas inom dessa två band. Miljömätningsresultaten visar möjligheten att skörda den omgivande EM-energin från flera källor samtidigt.

Full storlek bord

Diskussion

Möjligheten att skörda omgivande EM-energi från flera källor samtidigt undersöks i detta dokument. Den föreslagna dubbla resonanslikriktaren fungerar vid två frekvensband (478–496 och 852–869 MHz), som används för sändning respektive cellulära system. Den dubbla resonanslikriktaren uppvisar fördelaktig impedansmatchning över ett brett ingångseffektområde (−40 till −10 dBm) vid dessa två band. Den uppnådda känsligheten och det dynamiska intervallet visar användbarheten med denna innovativa teknik för rätning av låg ingångseffekt. Simulering och experimentella resultat av ingångsreflektionskoefficient och likriktad utgångseffekt är enastående överensstämmelse. Mätningsresultaten visar att en tvåtoningång till det föreslagna RF-skörningssystemet med två band kan generera 3, 14 och 7, 24 gånger mer effekt än en enda ton vid 490 respektive 860 MHz, vilket resulterar i en uppmätt effektiv effektivitet på 54, 3% för en dubbel -toningångseffekt på −10 dBm. Det är uppenbart att denna dubbla resonansriktningsteknik ökar effektiviteten för RF-till-DC-omvandling och därmed den återvinnbara DC-effekten för applikationer med låg effekt. Utifrån ett design- och ekonomiskt perspektiv skapar ytterligare kostnader för att använda ett stort antal komponenter (t.ex. antenner, dioder) för att realisera enskilda likriktarkretsar för varje frekvensband. För att ge mer realistiska mätresultat testades den föreslagna dubbelsidig likriktaren i tre förorter i Melbourne, Australien. Därför erbjuder denna dual-band-teknik en enkel och kostnadseffektiv lösning som är av största vikt för miljöskörningssystem. Denna innovativa teknik har potential att generera en livskraftig, evig energikälla för applikationer med låg effekt i stadsmiljöer.

Begränsning av studien, öppna frågor och framtida arbete

Att använda dioder som är mer lämpade för applikationer med låg effekt ( P i <−20 dBm) kan öka spänningskänsligheten, vilket resulterar i en högre RF-DC-omvandlingseffektivitet 32 . Genom att använda en effektoptimerad vågformexcitering på likriktarkretsen i dessa frekvensband kan en högre mängd likström genereras jämfört med en enstaka och dubbla toncitationer med samma ingångseffekt 33, 34 . Denna teknik är emellertid inte tillämplig på energiskörning där ingångsvågformen är godtycklig.

Att använda vår föreslagna dubbla resonansrätningsteknik för att kombinera resonanskretsar för andra godtyckliga frekvensband kan leda till förbättring av PCE, förutsatt att lämpliga dioder för de önskade frekvensbanden väljs. Observera att genom att öka driftsfrekvensen försämras korrigeringsprestandan på grund av den högre kopplingskapacitansen för dioden. Därför förväntas lägre utspänning vid högre frekvensband.

Det är syftet med vårt framtida arbete att designa en multi-band rectenna-grupp för förbättrad RF-skörd. Dessutom kommer ökad bandbredd, känslighet och effektivitet också att undersökas.

metoder

Det huvudsakliga målet för att utforma ett effektivt RF-skördesystem är att producera hög DC-effekt. Mot detta mål är en likriktare med hög känslighet avgörande för optimal RF-rensning. En betydande faktor som reglerar känsligheten hos en likriktare är tröskelspänningen för dioden som används för likriktningen. Dioden måste kunna "slå på" för mycket låga energinivåer.

För att ta itu med denna känslighetsproblem föreslås ett system som avlägsnar kraft från flera frekvensband och kombinerar dem för att aktivera en likriktningskrets. Det allmänna blockschemat för det föreslagna systemet visas i fig. 7. Olika miljö-RF-energikällor med olika frekvenser samlas in av en lämpligt utformad antenn och levereras till likriktningskretsen via ett flerbandsmatchande nätverk. Korrektionskretsen omvandlar kombinationen av RF-signaler till likström för applikationer med låg effekt. Utföringsformen i detta papper inser en dubbel resonansmatchningskrets som en övergång mellan en 50 Ω nominell antennutgång och den icke-linjära likriktningsanordningen vid 490 och 860 MHz. Baserat på Australian Radiofrequency Spectrum Plan 35 fördelas dessa band till sändningstjänster och cellulära system.

Image

Bild i full storlek

Enhetsval

På grund av den mycket låga omgivningseffekt som finns i en verklig miljö 19, krävs en mycket låg tröskelspänningsriktningsanordning för att öka känsligheten. Av denna anledning används Schottky-dioder (GaAs eller Si) vanligtvis för RF-skörd av energi. I detta arbete väljs en mikrovågs Schottky-detektor HSMS2820 ( Cj0 = 0, 7 pF, Rs = 6 Ω, I s = 2.2e −8 A) på grund av dess utmärkta högfrekvensprestanda, låga seriemotstånd ( Rs ) och korsning kapacitans ( Cj ) och låg tröskelspänning med hög mättnadsström 31 . Denna låga tröskelspänning (0, 15–0, 3 V) stöder likriktning vid låga ingångseffektnivåer.

Föreslagen likriktningsdesign

För att utforma ett effektivt RF-skördesystem bör likriktningen av likriktningsimpedansen med frekvens och ingångseffekt anpassas till antennens 50 Ω utgång vid de önskade frekvensbanden. Därför beräknades och analyserades diodeingångsimpedansen som en funktion av frekvens och olika effektnivåer 36 . För att matcha likriktarens ingångsimpedans och antennens 50 Ω utgång, bör den totala belastningsimpedansen för olika ingångseffekt och frekvenser bestämmas. En krets bestående av ett par Schottky Barrier Diodes (SBD) avslutade med ett belastningsmotstånd ( R Last = 11 kΩ) och en utgångsbypass-kondensator ( C2 = 6, 8 pF) simulerades med användning av Agilent ADS-programvara. Figur 8 visar den föreslagna geometri för spänningsdubbeltopologin 31, 37 . Spänningsdubblarlikriktarkonstruktionen används för konstruktionen av RF-DC kraftomvandlingssystem eftersom denna topologi är väl lämpad för lågeffektlikriktning. Motståndet och kondensatorn vid utgången filtrerar höga frekvenser. Höglastmotståndet (11 kΩ) valdes för att observera en rimlig utgångsspänning vid mycket låga strömmar. Med användning av S-Parameters analys av stora signaler i Agilent ADS-programvara bestämdes och optimerades belastningsimpedansen och bypass-kondensatorn.

Image

Bild i full storlek

Spänningsdubblarlikriktaren i fig. 8 består av en topplikriktare bildad av D2 och förbikopplingskondensator C2 (6, 8 pF) och en spänningsklemma bildad av Dl och Cl (total kapacitans för transmissionslinjerna och diodens parasitiska kapacitans ( Cp )). I den negativa fasen av ingången flyter strömmen genom D1 medan D2 är avstängd. Spänningen över D1 förblir konstant runt dess tröskelspänning och spänningen vid nod 1 laddas till - V th1 (där - V th1 är tröskelspänningen för D1 ). Vid den negativa toppen är spänningen över C1 V amp - V th1 (där V amp är amplituden för insignalen). I den positiva fasen för ingången flyter strömmen genom D2 medan D1 är avstängd. Spänningen över C1 förblir densamma som i föregående fas eftersom den inte har något sätt att urladdas. Vid den positiva toppen är spänningen över D1 2 V amp - V th1 . Eftersom D2 leder ström för att ladda C2 , är spänningen vid utgången V ut = 2 V amp - V th1 - V th2 .

SBD: s likvärdiga krets är en spänningskälla i serie med förbindningsmotståndet Rj som erhålles genom att differentiera diodspänning-strömkaraktäristik och ges av ekvation (2) 31, 38 :

Image

Där n är diodidealitetsfaktorn, K är Boltzmanns konstant, T är temperaturen i grader Kelvin, q är den elektroniska laddningen, Is är diodmättnadsströmmen och Ib är den externa förspänningsströmmen. Vid låga effektnivåer är mättningsströmmen mycket liten ( I s = 2, 2 e −8 A) och för en noll-partisk diod, Ib = 0. Därför är det resulterande värdet på kopplingsmotstånd vid rumstemperatur ungefär 1, 7 MΩ. Eftersom mättnadsströmmen är mycket temperaturberoende kommer Rj att bli ännu högre vid lägre temperaturer, vilket tenderar att minska utspänningen. När ingångseffekten ökar kommer viss cirkulerande likriktad ström att orsaka en minskning av värdet på Rj och detta fenomen kommer att öka värdet på likströmsutspänningen. Vidare är det värt att framhäva att den likriktade ström som alstras av den första dioden ( D1 ) i fig. 8 utgör den yttre förspänningsströmmen för den andra dioden ( D2 ), vilket kommer att bidra till att minska Rj och följaktligen förbättras detekteringskänsligheten . Beroende på mängden tillgänglig förspänningsström varierar därför Rj (ekvation (2)), varför det matchande nätverket förändras vilket påverkar mängden levererad effekt till dioden och resulterar i olika värden på PCE.

En Schottky barriärdiod kan modelleras av den linjära ekvivalenta kretsen som visas i fig. 9, där Lp och Cp är diodens parasitiska induktans respektive kapacitans beroende på förpackning (Lp = 2 nH och Cp = 0, 08 pF) som är i allmänhet oönskade 39 . Denna linjära modell används för att bestämma diodimpedansen vid en given ingångseffekt.

Image

Bild i full storlek

Diodimpedansen analyserades med användning av en Harmonic Balance-simulator och en olinjär modell av dioderna över frekvensområdet 400 till 900 MHz vid olika ingångseffektnivåer (fig. 10). På grund av det stora kopplingsmotståndet vid låga ingående RF-effektnivåer stängs korrigeringsanordningen av i frånvaro av ett lämpligt matchande nätverk. Stor signal-S-parameteranalys genomfördes och högre ingångseffekt (associerad med signalkällan) appliceras direkt på Schottky-diodkonfigurationen i fig. 8, som inte inkluderar ett matchande nätverk för att aktivera dioderna (minska värdet på R j ) och extrahera ungefärligt ingångsimpedansvärde som vår utgångspunkt i utformningen av ett matchande nätverk. Som det kan ses i fig. 10, med att öka källkraften, varierar diodimpedansen och den börjar slå på. Följaktligen måste ingångsimpedansen bestämmas när dioden slås på för att realisera det matchande nätverket för en likriktarkrets. Uppenbarligen, i närvaro av ett lämpligt matchande nätverk, kan korrigeringsanordningen slås på vid lägre effektnivåer, medan i frånvaro av ett matchande nätverk bör en högre ingångseffekt appliceras för att slå på dioden. (Observera att med en ojämförlig likriktare kan den totala applicerade ingångseffekten från signalkällan inte levereras till dioden på grund av den höga reflektionen i kretsen).

Image

Bild i full storlek

Målet är att matcha enhetens ingångsimpedans till 50 Ω vid 478–496 MHz och 852–869 MHz-band över ett brett spektrum av RF-ingångar. Proceduren påbörjas genom att matcha diodeingångsimpedansen vid hög oöverträffad källkraft och flytta diodeingångsimpedansen vid olika effektnivåer till inom spänningens stående vågförhållande (VSWR) <2 cirkel i Smith-diagrammet. Denna procedur antar att diodeingångsimpedansen inte drastiskt förändras i detta låga effektområde. Simuleringsresultaten i fig. 10 bevisar att detta är fallet.

För att tillhandahålla maximal effektöverföring från antennen till likriktarkretsen är ett dubbelt resonansriktarnätverk utformat som en övergång mellan en 50 Ω nominell antennutgång och den icke-linjära likriktningsanordningen över effektområdet −40 till −10 dBm (se fig. 11). Följaktligen är en kopplad resonatorstruktur med både serie- och shuntresonatorer utformad för att uppnå ett dubbelt bandnätverk 40 . Den linjära ekvivalenta kretsmodellen för SBD-chipet 39 har beaktats för att utforma dubbelbandmatchningen vid de önskade frekvensbanden. I fig. 11 representerar C- ekvivalent den totala kapacitansen för dioderna och bypass-kondensatorn och L- ekvivalent är den totala parasitiska induktansen för dioderna. Serien LC- resonator ( L4 + L- ekvivalent och C- ekvivalent ) och den parallella LC-resonatorn ( C3 och L3 ) definierar den dubbla resonanskretsen. Serieresonatorn motsvarar nära den högre bandspecifikationen 852–869 MHz, medan den parallella resonatorn är ungefär det lägre 478–496 MHz-bandet. Ett minimalt antal komponenter användes för att minska de ohmiska och parasitiska förlusterna.

Image

Bild i full storlek

Resonansfrekvensen för varje delkrets bestämdes isolerat med användning av följande ekvation:

Image

852–869 MHz bandresonatorkretskomponenterna beräknades. Här består C = C- ekvivalent ≅ 1, 3 pF av kombinationen av förbikopplingskondensatorn (6, 8 pF) och den totala övergången ( Cj0 = 0, 7 pF) och parasitisk kapacitans ( C p = 0, 08 pF) av D1 och D2 . Således beräknas L till 26, 5 nH för att uppnå en lämplig resonansfrekvens. Observera att L består av L4 och den totala parasitiska induktansen ( L- ekvivalent ≅ 1 nH) av D1 och D2 . Komponenterna för resonatorkretsar på 478–496 MHz beräknades som C3 - 15 pF och L3 - 7, 2 nH. Följaktligen bestäms de initiala komponentvärdena för de två resonanskretsarna.

Ursprungligen kombinerades dessa resonatorer för att uppnå en dubbelbandstruktur. Sedan används standard LC- matchningsteknik 40 för att bestämma Cl , C2 , L1 och L2 för att uppnå minimal reflektion vid resonansfrekvenserna. Substitutionen av realistiska chipkomponentvärden med deras tillhörande parasit, och tillsats av 50 Ω mikrostriplinjer och T-övergångar introducerar fördröjning och förskjuter den imaginära delen av ingångsimpedansen. Viahålen bidrar också till extra induktans i kretsen. Därför görs mindre kretsjusteringar för att finjustera resonansfrekvenserna till de önskade värdena. De slutliga optimerade värdena för standardchipkomponenterna är: L3 ′ = 3, 9 nH, C3 ′ = 7, 5 pF och L4 ′ = 11, 6 nH. Stor signal S-parameteranalys utförs också för att demonstrera matchande nätverksprestanda eftersom ingångseffekten varierar. Simuleringsresultat för ingångsimpedansen för kretsen som visas i fig. 11 illustreras i fig. 12. Den föreslagna dubbelresonanta matchande kretsen uppnår en VSWR <2 vid 478–496 MHz och 852–869 MHz för ingångseffekt som sträcker sig från −40 till −10 dBm. Det bör noteras att matchningskretsen utformades baserat på ingångsimpedansen för två dioder och utgångsmotståndet och kondensatorn (fig. 10). Därför kräver det att välja ett annat värde för lastmotståndet en ny matchningskrets för att utformas.

Image

(a) 478–496 MHz. (b) 852–869 MHz.

Bild i full storlek

referenser

  1. 1.

    Paradiso, JA & Starner, T. Energispädning för mobil och trådlös elektronik. IEEE Pervasive Comput. 4, 18–27 (2005).

      • Artikel
      • Google Scholar
  2. 2.

    Singh, R., Gupta, N. & Poole, KF Global omvandling av grön energiomvandling under 2000-talet genom solid state-enheter. 26: e internationella konferensen om mikroelektronik, Nis, Serbien. IEEE. 10, 1109 / ICMEL.2008.4559221. 45–54 (11–14 maj 2008).

      • Google Scholar
  3. 3.

    Wang, YK, Sheng, GP, Shi, BJ, Li, WW & Yu, HQ En ny elektrokemisk membranbioreaktor som en potentiell nettoenergiproducent för hållbar avloppsrening. Sci. Rep. 3, 10.1038 / srep01864 (2013).

      • Google Scholar
  4. 4.

    Inayat, SB, Rader, KR & Hussain, MM Nano-material möjliggjorde termoelektricitet från fönsterglas. Sci. Rep. 2, 10.1038 / srep00841 (2012).

      • Google Scholar
  5. 5.

    Brown, WC Historik för kraftöverföring med radiovågor. IEEE Trans. Micro. Teori Tech. 32, 1230–1242 (1984).

      • Artikel
      • Google Scholar
  6. 6.

    Le, T., Mayaram, K. & Fiez, T. Effektiv avverkning av radiofrekvensenergifält för passivt drivna sensornätverk. IEEE J. Solid State Circuits. 43, 1287–1302 (2008).

      • Artikel
      • Google Scholar
  7. 7.

    Paolo, J. & Gaspar, PD Granskning och framtida trend för energisamlingsmetoder för bärbara medicinska apparater. Förfaranden från World Congress on Engineering (WCE). London, Storbritannien 909–914 (30 juni – 2 juli, 2010).

      • Google Scholar
  8. 8.

    Matsuki, H., Yamakata, Y., Chubachi, N., Nitta, S. & Hashimoto, H. Transkutan DC-DC-omvandlare för helt implanterbart konstgjord hjärta med synkron likriktare. IEEE Trans. Magn. 32, 5118–5120 (1996).

      • Artikel
      • Google Scholar
  9. 9.

    Scorcioni, S. et al. RF till DC CMOS-likriktare med hög effektivitet över ett brett ingångseffektområde för RFID-applikationer. Mikrovågsymposium Digest (IMS), IEEE MTT-S . Montreal, QC, Cabada. 10, 1109 / MWSYM.2012.6259760. 1–3 (17–22 juni 2012).

      • Google Scholar
  10. 10.

    Shameli, A., Safarian, A., Rofougaran, A., Rofougaran, M. & De Flaviis, F. Power Harvester design för passiv UHF RFID-etikett med hjälp av en spänningsförstärkningsteknik. IEEE Trans. Micro. Teori Tech. 55, 1089–1097 (2007).

      • Artikel
      • Google Scholar
  11. 11.

    Mandal, S. & Sarpeshkar, R. CMOS-likriktarkonstruktion med låg effekt för RFID-applikationer. IEEE Trans. Kretsar Syst. Jag, Reg. Papper. 54, 1177–1188 (2007).

      • Google Scholar
  12. 12.

    Sun, H., Guo, YX, He, M. & Zhong, Z. Utformning av en högeffektiv 2, 45 GHz rectenna för låg sköring av energi. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. 11, 929–932 (2012).

      • Artikel
      • Google Scholar
  13. 13.

    McSpadden, JO, Fan, L. & Chang, K. Design och experiment med en högkonverteringseffektivitet på 5, 8 GHz-rektenna. IEEE Trans. Micro. Teori Tech. 46, 2053–2060 (1998).

      • Artikel
      • Google Scholar
  14. 14.

    Din, NM, Chakrabarty, CK, Bin Ismail, A., Devi, KKA & Chen, WY Design av RF-skördesystem för energiverkande enheter med låg effekt. PIR. 132, 49–69 (2012).

      • Artikel
      • Google Scholar
  15. 15.

    Barnett, RE, Liu, J. & Lazar, S. En RF-till-DC-spänningsomvandlingsmodell för flerstegs likriktare i UHF RFID-transponder. IEEE J. Solid State Circuits. 44, 354–370 (2009).

      • Artikel
      • Google Scholar
  16. 16.

    Kanaya, H. et al. Energiskörningskrets på en ensidig riktad flexibel antenn. IEEE Microw. Trådlös Compon. Lett. 23, 164–166 (2013).

      • Artikel
      • Google Scholar
  17. 17.

    Buonanno, A., D'Urso, M. & Pavone, D. Ett ultrabredbandssystem för RF-skörden. 5: e europeiska konferensen om antenner och förökning (EUCAP). Rom, Italien. IEEE. 388–389 (11–15 april, 2011).

      • Google Scholar
  18. 18.

    Hagerty, JA, Helmbrecht, FB, McCalpin, WH, Zane, R. & Popovic, ZB Återvinning av mikrovågsenergi med bredband i rektangrupper. IEEE Trans. Micro. Teori Tech. 52, 1014–1024 (2004).

      • Artikel
      • Google Scholar
  19. 19.

    Shariati, N., Rowe, WST & Ghorbani, K. RF-fältundersökning och maximalt tillgängligt effektanalys för förbättrad RF-energiupptagning. 42: e europeiska mikrovågsugnskonferensen (EuMC). Amsterdam RAI, Nederländerna. IEEE. 329–332 (29 oktober – 1 november, 2012).

      • Google Scholar
  20. 20.

    Kim, P., Chaudhary, G. & Jeong, Y. En energibesparande med två band med frekvensbegränsad dubbelbandsimpedansmatchning. PIR. 141, 443–461 (2013).

      • Artikel
      • Google Scholar
  21. 21.

    Li, B. et al. En antenn som samarbetar med RF-energiupptagare med dubbla band. IEEE Trans. Kretsar Syst. Jag, Reg. Papper. 60, 3256–3266 (2013).

      • Google Scholar
  22. 22.

    Niotaki, K. et al. En kompakt dubbelband-rektenna med spårladdad dubbelbandsvikten dipolantenn. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. 12, 1634–1637 (2013).

      • Artikel
      • Google Scholar
  23. 23.

    Suh, YH & Chang, K. En högeffektiv dubbelfrekvent rektenna för 2, 45- och 5, 8 GHz trådlös kraftöverföring. IEEE Trans. Micro. Teori Tech. 50, 1784–1789 (2002).

      • Artikel
      • Google Scholar
  24. 24.

    Collado, A. & Georgiadis, A. Conformal hybrid sol- och elektromagnetisk (EM) energi skördar rectenna. IEEE Trans. Kretsar Syst. Jag, Reg. Papper. 60, 2225–2234 (20013).

      • Google Scholar
  25. 25.

    Rizzoli, V., Bichicchi, G., Costanzo, A., Donzelli, F. & Masotti, D. CAD från multi-resonator rectenna för mikrokraftproduktion. Europeiska mikrovågsugn Integrated Circuits Conference (EuMIC). Rom, Italien. IEEE. 331–334 (228–29 september, 2009).

      • Google Scholar
  26. 26.

    Huang, FJ et al. Rectenna-applikation av miniatyriserad implanterbar antenndesign för trippelband biotelemetri-kommunikation. IEEE Trans. Antenner Propag. 59, 2646–2653 (2011).

      • Artikel
      • Google Scholar
  27. 27.

    Pham, BL & Pham, AV Tripleband-antenn och högeffektiv likriktarkonstruktion för RF-energiskörning vid 900, 1900 och 2400 MHz. Mikrovågsymposium Digest (IMS), IEEE MTT-S . Seattle, WA. 10, 1109 / MWSYM.2013.6697364. 1–3 (2013).

      • Google Scholar
  28. 28.

    Pinuela, M., Mitcheson, PD & Lucyszyn, S. Ambient RF-energi skörd i stads- och halvstadsområden. IEEE Trans. Micro. Teori Tech. 61, 2715–2726 (2013).

      • Artikel
      • Google Scholar
  29. 29.

    Mikeka, C. & Arai, H. Mikrovågsugn för sensorns strömförsörjning i batterifria applikationer. Fortsättningar av Asien-Stillahavsområdet Mikrovågskonferens (APMC). Melbourne, VIC. IEEE. 1802–1805 (5–8 december, 2011).

      • Google Scholar
  30. 30.

    Baum, T., Thompson, L. & Ghorbani, K. Komplexa dielektriska mätningar av skogsbrännaska vid X-bandfrekvenser. IEEE Geosci. Fjärrkontroll. 8, 859–863 (2011).

      • Artikel
      • Google Scholar
  31. 31.

    Avago Technologies, Surface Mount RF Schottky Barrier Diodes HSMS-282X Series . Datablad . (2005). Finns på: //www.avagotech.com/docs/AV02-1320SV. (Åtkomst: 22/11/2014).

      • Google Scholar
  32. 32.

    Avago Technologies, Surface Mount Zero Bias Schottky Detector Diodes HSMS-285X Series . Datablad . (2005). Finns på: //www.avagotech.com/docs/AV02-1377EN. (Åtkomst: 22/11/2014).

      • Google Scholar
  33. 33.

    Valenta, CR & Durgin, GD Rectenna-prestanda under kraftoptimerad vågformscitation. IEEE International Conference on RFID. Penang. 10, 1109 / RFID.2013.6548160. 237–244 (30 april – 2 maj 2013).

      • Google Scholar
  34. 34.

    Trotter, MS & Durgin, GD Undersökning av intervallförbättring av kommersiella RFID-taggar med effektoptimerade vågformer. IEEE International Conference on RFID. Orlando. 10, 1109 / RFID.2010.5467265. 195–202 (14–16 april 2010).

      • Google Scholar
  35. 35.

    Australiens regering, Australien Radio Frequency Spectrum Plan (ACMA) . (Januari 2013). Finns på: //acma.gov.au/ ∼ /media/Spectrum%20Transformation%20and%20Go Government/Information/pdf/Australian%20Radiofrequency%20Spectrum%20Plan%202013.pdf. (Åtkomst: 22/09/2014).

      • Google Scholar
  36. 36.

    Keyrouz, S., Visser, HJ & Tijhuis, AG Likriktaranalys för energiförbrukning av radiofrekvens och krafttransport. 42: e europeiska mikrovågsugnskonferensen (EuMC). Amsterdam RAI, Nederländerna. IEEE. 428–431 (29 oktober – 1 november, 2012).

      • Google Scholar
  37. 37.

    Avago Technologies, Schottky Diode Voltage Doubler. Tillämpningsanm. 956-4 . (2005). Finns på: //c1233384.r84.cf3.rackcdn.com/UK_HPA_HSCH-5331_7AN.pdf. (Åtkomst: 22/11/2014).

      • Google Scholar
  38. 38.

    Eriksson, H. & Waugh, RW En temperaturkompenserad linjär dioddetektor. Designtips . Agilent Technologies. (2000). Finns på: //electronix.ru/forum/index.php?act=Attach&type=post&id=13726. (Åtkomst: 22/11/2014).

      • Google Scholar
  39. 39.

    Avago Technologies, Zero Bias Schottky dioddetektor vid temperaturextreme-problem och lösningar. Tillämpningsanmälan AN 1090 . (2005). Finns på: //www.efo.ru/download/Zero_bias_shottky_over_temperature.pdf. (Åtkomst: 22/11/2014).

      • Google Scholar
  40. 40.

    Mattaei, G., Young, L. & Jones, EMT- mikrovågsfilter, impedansmatchande nätverk och kopplingsstrukturer . Artech husböcker, Dedham, MA. (1980).

      • Google Scholar

Ladda ner referenser

Tack

Författarna vill erkänna Dr. Khashayar Khoshmanesh för värdefull råd. Författarna erkänner också David Welch för hjälp i tillverkning av likriktarkretsen.

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.