Rectificador altamente sensible multiservicio para la captación de energía RF mejorada | informes cientificos

Rectificador altamente sensible multiservicio para la captación de energía RF mejorada | informes cientificos

Anonim

Asignaturas

  • Ingeniería eléctrica y electrónica
  • Dispositivos electrónicos y espintrónicos.

Resumen

Debido a las implicaciones crecientes de los costos de energía y la huella de carbono, la necesidad de adoptar estrategias económicas y de recolección de energía verde es de suma importancia para la conservación a largo plazo del medio ambiente y la economía global. Para abordar esto, se examina la viabilidad de recolectar energía de RF ambiental de baja densidad de potencia simultáneamente de múltiples fuentes. Se propone un rectificador multirresonante de alta eficiencia, que opera en dos bandas de frecuencia (478–496 y 852–869 MHz) y exhibe una adaptación de impedancia favorable en un amplio rango de potencia de entrada (−40 a −10 dBm). La simulación y los resultados experimentales del coeficiente de reflexión de entrada y la potencia de salida rectificada están en excelente acuerdo, lo que demuestra la utilidad de esta innovadora técnica de rectificación de baja potencia. Los resultados de la medición indican una eficiencia efectiva de 54.3%, y se logra un voltaje de CC de salida de 772.8 mV para una potencia de entrada multitono de −10 dBm. Además, la potencia de CC de salida medida de la recolección de energía de RF de múltiples servicios exhibe simultáneamente un aumento de 3.14 y 7.24 veces sobre la rectificación de frecuencia única a 490 y 860 MHz respectivamente. Por lo tanto, el rectificador altamente sensible multiservicio propuesto es una técnica prometedora para proporcionar una fuente de energía sostenible para aplicaciones de baja potencia en entornos urbanos.

Introducción

La recolección de energía AMBIENTE está atrayendo un interés generalizado ya que tiene el potencial de proporcionar una fuente de energía sostenible para el crecimiento futuro y la protección del medio ambiente. Un considerable esfuerzo de investigación se ha dirigido a dispositivos de bajo perfil, bajo consumo de energía, eficientes y autosostenibles con el objetivo de recolectar energía de fuentes inagotables como energía solar, térmica, biomasa, fuentes mecánicas (por ejemplo, viento, cinética, vibración y océano). olas) aguas residuales y energía de microondas. Un completo conjunto de revisiones se da en la literatura 1, 2, 3, 4 . Entre estas fuentes de energía ecológica, ha habido un creciente interés por la captación de energía de radiofrecuencia (RF), ya que la disponibilidad de energía de RF ambiental ha aumentado debido a los avances en los sistemas de radiodifusión y comunicación inalámbrica. Además, el desarrollo de tecnologías de transmisión de energía inalámbrica (WPT) 5 que permiten que los micro sensores 6, dispositivos electrónicos móviles 7, interfaces neuronales inalámbricas implantables 8 y sistemas RFID pasivos de campo lejano (identificación por radiofrecuencia) 9, 10, 11 funcionen sin Las baterías han impulsado el impulso para la recolección de energía de RF.

La recolección eficiente de energía de RF es un problema muy desafiante, ya que trata con los niveles de potencia de RF muy bajos disponibles en el medio ambiente. Además, el nivel de potencia captable puede variar de forma impredecible, dependiendo de varios factores, como la distancia desde la fuente de alimentación, los medios de transmisión, la densidad del tráfico de telecomunicaciones y la orientación de la antena. La mayoría de la literatura disponible sobre la rectificación de RF se ha dedicado a las rectennas de banda estrecha, que funcionan esencialmente en una sola frecuencia y, por lo tanto, proporcionan una baja potencia de salida de CC 12, 13 . Se han empleado diversas topologías, como los duplicadores o multiplicadores de voltaje para aumentar la eficiencia de conversión de RF a CC y el voltaje de CC de salida para aplicaciones específicas 14, 15, 16 . Sin embargo, desde una perspectiva de barrido de RF ambiental, la recolección de energía de varias frecuencias disponibles podría maximizar la recolección de energía y, por lo tanto, aumentar la potencia de CC de salida. Las matrices de rectenna de banda ultra ancha y banda ancha se han propuesto como una posible solución 17, 18 . Sin embargo, en algunos casos, no se proporcionaron resultados de simulación y experimentales para demostrar los resultados 17 . Se demostró una rectenna de banda ancha que consiste en una matriz de rectenna espiral polarizada circularmente dual que opera en un rango de frecuencia de 2–18 GHz 18 . La potencia de CC rectificada se caracterizó en función de la carga de CC, la frecuencia de RF y la polarización para densidades de potencia entre 10 −5 y 10 −1 mW / cm 2 . Sin embargo, la rectenna propuesta se ajustó a un nivel de potencia de RF de entrada única para una resistencia de carga específica para la caracterización. Además, debido al bajo valor Q del circuito rectificador, la eficiencia de conversión fue una fracción del 1% a -15.5 dBm. Desde el punto de vista del diseño, si bien es relativamente fácil lograr una antena de banda ancha, es muy difícil realizar una rectenna de banda ancha debido a la no linealidad de la impedancia del rectificador con potencia de entrada a través de la banda de frecuencia 19 .

Para abordar esto, un enfoque prometedor es utilizar una configuración de doble banda o multibanda. Esto puede maximizar la eficiencia de conversión de potencia (PCE) en las frecuencias específicas donde el nivel máximo de señal ambiental está disponible. Se han demostrado varios sistemas de recolección de energía de RF de doble banda 20, 21, 22, 23, 24, sin embargo, un análisis de señal grande del rectificador generalmente no se proporcionó en un amplio rango de potencia de entrada. Se ha propuesto una recolección de energía de RF de doble banda utilizando la adaptación de impedancia de doble banda de frecuencia limitada 20 y el PCE se mostró en un rango de alta potencia de 0 a 160 mW, sin embargo, solo se ajustó a un solo nivel de potencia de entrada (10 dBm) . Un circuito CMOS de cosechadora de energía de banda estrecha dual se modeló a niveles de potencia ambiental 21 . Nuevamente, la eficiencia del rectificador se demostró con solo niveles de potencia de entrada únicos de −19 y −19.3 dBm a 2 GHz y 900 MHz respectivamente, y no se presentó un análisis de señal grande. Se ha demostrado una rectenna compacta de doble banda que funciona a 915 MHz y 2, 45 GHz 22 y se mostró el PCE para niveles de potencia de entrada de −15, −9 y −3 dBm. Sin embargo, el coeficiente de reflexión se evaluó en un solo nivel de potencia incidente. Además, los resultados de eficiencia con la excitación de doble tono simultáneamente y la excitación de un solo tono (a 915 MHz) son muy similares, por lo tanto, el impacto de aplicar una técnica de doble banda no demuestra una clara ventaja sobre una sola banda. Se ha propuesto una rectenna de doble frecuencia para WPT 23 que logró una eficiencia de conversión de 84.4% y 82.7% a 2.45 y 5.8 GHz con un alto nivel de potencia de entrada de 89.84 y 49.09 mW respectivamente. Estos niveles de potencia superan con creces los niveles ambientales en el medio ambiente 19 . Se ha presentado una rectenna híbrida conforme a la recolección de energía solar y electromagnética (EM) 24 y el PCE recibió una potencia de entrada de −30 a 5 dBm, logrando una eficiencia de hasta el 40% a 1.85 GHz para niveles de potencia de entrada más altos (por encima de −5 dBm ) Sin embargo, el coeficiente de reflexión no se proporcionó en un rango de potencia de entrada bajo.

Se ha evaluado una rectenna multirresonante que utiliza una antena multicapa y un rectificador para un nivel de potencia recibida de −16 dBm a +8 dBm RF, pero el diseño del circuito del rectificador y el análisis de señal grande no se proporcionaron para aclarar los hallazgos 25 . Además, se ha propuesto una rectenna para comunicaciones de biotelemetría de triple banda utilizando una antena de triple banda y un rectificador de frecuencia única 26 . Sin embargo, esta rectenna no es adecuada para la eliminación de energía de RF debido a la baja eficiencia a niveles de potencia de entrada más bajos. Otra rectenna de triple banda presentó una eficiencia de RF-CC en el rango de potencia de entrada de −14 a +20 dBm 27, sin embargo, los resultados del coeficiente de reflexión solo se evaluaron en un solo nivel de potencia de entrada. Se demostró que esta rectenna cosecha 7, 06 μW de potencia de CC de tres fuentes simultáneamente a un alto nivel de potencia de entrada de +10 dBm. También se ha propuesto un sistema de recolección multibanda donde cuatro cosechadoras individuales están diseñadas para cubrir cuatro bandas de frecuencia 28 . Sin embargo, no se proporcionó un análisis de señal grande en un amplio rango de potencia de entrada. Además, el sistema de recolección propuesto tiene una sensibilidad mínima de −25 dBm, mientras que en un entorno real se requieren sistemas más sensibles ya que los niveles de potencia de RF disponibles son muy bajos 19 .

Se han demostrado redes de correspondencia de impedancia sintonizable para recoger señales de RF de varias fuentes y convertirlas en corriente continua 29 . Sin embargo, desde el punto de vista de la aplicación, esto sigue siendo una rectificación de frecuencia única y no es ampliamente aplicable a la eliminación de energía de RF ambiental donde la potencia disponible es muy baja.

Para aumentar la cantidad de energía de RF captada por una rectenna, es crucial identificar y recolectar múltiples fuentes de frecuencia ambiental sobre su rango de energía disponible realista. Nuestra investigación previa ha demostrado la viabilidad de la recolección de energía de RF a través de investigaciones de campo de RF y análisis de potencia máxima disponible en áreas metropolitanas de Melbourne, Australia 19 . Se analizó la potencia máxima disponible para diferentes bandas de frecuencia en función de la apertura de la antena y el número de antenas en un área de recolección determinada. Los resultados medidos y el análisis indicaron que los sistemas celulares y las fuentes de transmisión son muy adecuados para la recolección, con una potencia de RF captable que oscila entre −40 y −10 dBm. Esto identifica dos consideraciones importantes en el diseño de una rectenna eficiente para la recolección de energía de RF: las fuentes de energía de RF ambientales eliminables disponibles y la variación significativa de esta energía.

Las soluciones de rectificador de RF a CC propuestas en la literatura reciente se han centrado en maximizar la eficiencia del sistema en un nivel de potencia de entrada dado, y a menudo bastante alto. Esto descuida los problemas relacionados con la variación de potencia de entrada que pueden conducir a variaciones inesperadas en la red correspondiente debido a la no linealidad del diodo. Además, se ha demostrado que los niveles escalables de potencia de RF ambiental son de órdenes de magnitud más bajos. Por lo tanto, en base a los resultados y recomendaciones anteriores de nuestra investigación 19, una solución eficiente de recolección de energía podría abarcar un circuito de coincidencia multibanda en las frecuencias específicas donde está disponible la máxima potencia de señal, permitiendo una mayor recolección de energía debido a la combinación de señales de RF. Esto también da como resultado una mayor potencia alimentada a un solo rectificador, utilizando la función de diodo de manera más eficiente.

Este documento presenta un método de recolección de energía de RF que puede eliminar una amplia gama de niveles de potencia ambiental que son órdenes de magnitud inferiores a las técnicas reportadas anteriormente en la literatura. Se propone un circuito rectificador dual resonante eficiente, adaptado a un puerto de entrada de 50 Ω a 490 y 860 MHz en un amplio rango de potencia de RF de entrada baja de −40 a −10 dBm. La red de coincidencia de resonancia dual propuesta funciona de manera eficiente en dos bandas de frecuencia de recolección identificadas en un amplio rango de potencia de entrada, maximizando la potencia de CC mediante la búsqueda simultánea de dos fuentes.

El resto de este documento está organizado de la siguiente manera. Primero, se presentan los resultados clave para el coeficiente de reflexión y la potencia de CC de salida. Posteriormente, la sección de Discusión resume los resultados y demuestra sus posibles implicaciones, las limitaciones de este estudio, las preguntas abiertas y la investigación futura. Finalmente, la sección Método describe el diseño del rectificador propuesto.

Resultados

Se fabricó un rectificador de doble resonancia sobre un sustrato FR-4 de 1.58 mm con una constante dieléctrica ε r ≈ 4.5 y una tangente de pérdida δ ≈ 0.025. Estos parámetros del sustrato se midieron utilizando el método 30 de Nicolson-Ross, de modo que podrían usarse valores precisos en el diseño del rectificador. En la Fig. 1 se muestra una fotografía del rectificador resonante dual fabricado que muestra el puerto RF de entrada, los componentes agrupados de red de coincidencia de doble banda, los diodos Schottky y el terminal de salida. El rendimiento del rectificador se verificó midiendo las propiedades de reflexión de entrada, y la potencia de salida se calculó a partir del voltaje de CC de salida medido para las potencias de entrada de −40 a −10 dBm.

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Coeficiente de reflexión

El | S 11 | del rectificador se evaluó usando un analizador de red vectorial (VNA). El VNA se recalibró para cada nivel de potencia de entrada. La figura 2 compara el simulado y medido | S 11 | versus frecuencia para el circuito rectificador resonante dual a cuatro niveles de potencia de entrada diferentes de −40 a −10 dBm. Los resultados medidos muestran muy buen acuerdo con las simulaciones. Se observó una reflexión ligeramente más alta para las frecuencias resonantes en la parte inferior del rango de potencia de entrada (debido a las características del diodo). Sin embargo, el circuito rectificador propuesto está bien adaptado (| S 11 | <−10 dB) en las bandas de frecuencia deseadas de 478–496 MHz y 852–869 MHz en el amplio rango de potencias de entrada de −40 a −10 dBm. La pequeña diferencia entre simulación y medición se debe a la precisión de extracción parasitaria.

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

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Potencia DC de salida

En el dominio de la frecuencia, el método de análisis Balance armónico proporciona un tratamiento integral de un problema multiespectral 18 . El método tiene en cuenta intrínsecamente el componente de CC y un número específico de armónicos, al tiempo que permite la capacidad de especificar la impedancia de la fuente y las terminaciones armónicas. Se usó una simulación de equilibrio armónico para evaluar numéricamente el voltaje de CC de salida del rectificador resonante dual para una entrada de uno y dos tonos. El voltaje de CC de salida a través de la resistencia de carga también se midió y se usó para calcular la potencia de CC de salida. Las mediciones se realizaron usando un generador de señal sintetizada Wiltron 68247B como fuente de energía de RF para el circuito rectificador. La grabación del voltaje de CC de salida a través de la resistencia de carga se logró con un medidor de voltaje digital Fluke 79III. La potencia de la fuente de RF se estableció inicialmente en −10 dBm, y disminuyó en pasos de 2 dB. En el caso de medición de doble banda, dos generadores de señal de RF se alimentaron al circuito rectificador simultáneamente a través de un combinador de potencia.

Los resultados de simulación y medición para tonos de entrada simples y dobles se resumen en la Fig. 3 (a) y (b). Se logra un voltaje de CC medido de 772.8 mV con dos tonos de entrada simultáneos a una potencia de entrada de −10 dBm. Para mediciones de un solo tono, se producen voltajes de CC de 436 mV y 286 mV a 490 MHz y 860 MHz, respectivamente. La comparación entre los rectificadores individuales de 490 y 860 MHz resalta el impacto de la frecuencia de entrada en el PCE. Se puede generar una mayor cantidad de voltaje de CC a la frecuencia más baja. Esta diferencia proviene de la disminución del rendimiento del diodo a la frecuencia más alta debido a la mayor capacitancia de unión del diodo 31 .

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(Este rango de potencia está asociado con la fuente de señal).

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Es importante destacar que se puede generar un voltaje de CC ligeramente más alto con el rectificador resonante dual en comparación con la suma del voltaje de salida de las dos bandas individuales, particularmente en los niveles de potencia de entrada más bajos como se puede ver en la Fig. 3 (b) que muestra el sección de potencia inferior de la Fig. 3 (a) con más detalle. Al maximizar la recolección de energía de varias fuentes de diferentes frecuencias y entregar la energía combinada al circuito de rectificación, se mejora la eficiencia de conversión del diodo, lo que resulta en un mayor nivel de voltaje rectificado. La Figura 4 compara la potencia de CC de salida simulada y medida para el circuito rectificador resonante dual con tonos de entrada simples y dobles. Se puede generar una potencia de CC medida de 17.3 μW y 7.5 μW a 490 MHz y 860 MHz respectivamente con una entrada de tono único de −10 dBm (100 μW). Esto representa verdaderas eficiencias de 17.3% y 7.5% para la rectificación individual de banda única (ver Fig. 5). Sin embargo, la potencia de salida de CC medida con dos tonos de entrada concurrentes de −10 dBm es 54.3 μW, lo que corresponde a una eficiencia efectiva de 54.3% para el rectificador de doble banda (ver Fig. 6). Esto representa un aumento de 3.14 y 7.24 veces en la potencia de CC de salida sobre la excitación de tono único a 490 MHz u 860 MHz, respectivamente. Esta tendencia es evidente hasta niveles bajos de potencia de entrada (alrededor de 40 μW). Además, hay un aumento significativo en el PCE del rectificador resonante dual para niveles de potencia de entrada más bajos (<40 μW).

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Aquí, la eficiencia efectiva se define como la relación entre la potencia de CC de salida y la potencia de RF de entrada disponible en lugar de la potencia entregada a los diodos (ecuación (1)). El nivel de potencia disponible está asociado con la fuente de señal. Para el resonador único, la potencia de entrada disponible es −10 dBm y la potencia suministrada también es −10 dBm (suponiendo que no haya pérdida). Sin embargo, al crear una red de coincidencia resonante dual, la potencia entregada a los diodos es de −7 dBm (potencia de entrada total combinada de dos generadores de señal) pero la potencia disponible sigue siendo de −10 dBm.

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Por lo tanto, la combinación de las señales de RF de entrada en una sola etapa de rectificación da como resultado un rectificador de alta sensibilidad, que es ampliamente aplicable a la captación de energía de RF ambiental real. Esta técnica multibanda puede proporcionar una mayor potencia de CC que la combinación de dos circuitos rectificadores de frecuencia única separados que funcionan a las mismas frecuencias. Esto se debe al hecho de que la recolección de energía de RF de varias fuentes disponibles aumenta simultáneamente la potencia entregada al rectificador, lo que mejora la eficiencia de conversión de diodos y, en consecuencia, aumenta la potencia de CC de salida. La Tabla 1 resume este trabajo en comparación con el trabajo publicado anteriormente.

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Con el fin de proporcionar un escenario realista para el rectificador de doble banda propuesto, los resultados de la medición se tomaron en tres suburbios de Melbourne, Australia, congruentes con los resultados de nuestras investigaciones anteriores 19 . La Tabla 2 resume estos resultados de medición ambiental. Cabe señalar que la banda inferior (478–496 MHz) tiene un ancho de banda fraccional de 3.67% y la banda superior (852–869 MHz) tiene alrededor del 2% de ancho de banda fraccional. Por lo tanto, se pueden recolectar varias frecuencias de RF de diferentes fuentes dentro de estas dos bandas. Los resultados de las mediciones ambientales demuestran la viabilidad de recolectar energía EM ambiental de múltiples fuentes simultáneamente.

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Discusión

En este trabajo se investiga la factibilidad de recolectar energía EM ambiental de múltiples fuentes simultáneamente. El rectificador resonante dual propuesto opera en dos bandas de frecuencia (478-496 y 852-869 MHz), que se utilizan para la radiodifusión y los sistemas celulares, respectivamente. El rectificador de doble resonancia exhibe una adaptación de impedancia favorable en un amplio rango de potencia de entrada (−40 a −10 dBm) en estas dos bandas. La sensibilidad y el rango dinámico logrados demuestran la utilidad de esta innovadora técnica de rectificación de baja potencia de entrada. La simulación y los resultados experimentales del coeficiente de reflexión de entrada y la potencia de salida rectificada están en excelente acuerdo. Los resultados de la medición demuestran que una entrada de dos tonos al sistema de recolección de energía de RF de doble banda propuesto puede generar 3.14 y 7.24 veces más potencia que un solo tono a 490 u 860 MHz respectivamente, lo que resulta en una eficiencia efectiva medida de 54.3% para un doble -potencia de entrada de tono de -10 dBm. Es evidente que esta técnica de rectificación de doble resonancia aumenta la eficiencia de conversión efectiva de RF a CC y, por lo tanto, la potencia de CC recuperable para aplicaciones de baja potencia. Además, desde una perspectiva económica y de diseño, la utilización de una gran cantidad de componentes (por ejemplo, antenas, diodos) para realizar circuitos rectificadores individuales para cada banda de frecuencia crea un gasto adicional. Para proporcionar resultados de medición más realistas, el rectificador de doble banda propuesto se probó en tres suburbios de Melbourne, Australia. Por lo tanto, esta técnica de doble banda ofrece una solución simple y rentable que es de suma importancia para los sistemas de recolección de energía ambiental. Esta técnica innovadora tiene el potencial de generar una fuente de energía perpetua viable para aplicaciones de baja potencia en entornos urbanos.

Limitación del estudio, preguntas abiertas y trabajos futuros.

La utilización de diodos más adecuados para aplicaciones de baja potencia ( P i <−20 dBm) podría aumentar la sensibilidad del voltaje, lo que daría como resultado una mayor eficiencia de conversión de RF-DC 32 . Aplicando una excitación de forma de onda de potencia optimizada al circuito rectificador en estas bandas de frecuencia, se puede generar una mayor cantidad de potencia de CC en comparación con una excitación de tono único y doble con la misma potencia de entrada 33, 34 . Sin embargo, esta técnica no es aplicable a la recolección de energía donde la forma de onda de entrada es arbitraria.

La utilización de nuestra técnica de rectificación de resonancia dual propuesta para combinar circuitos resonantes para cualquier otra banda de frecuencia arbitraria podría mejorar el PCE, siempre que se seleccionen los diodos adecuados para las bandas de frecuencia deseadas. Tenga en cuenta que al aumentar la frecuencia de funcionamiento, el rendimiento de la rectificación se degrada debido a la mayor capacitancia de unión del diodo. Por lo tanto, se espera un voltaje de salida más bajo en bandas de frecuencia más altas.

El objetivo de nuestro trabajo futuro es diseñar una matriz de rectenna multibanda para una mejor recolección de energía de RF. Además, también se investigará el aumento del ancho de banda, la sensibilidad y la eficiencia.

Métodos

El objetivo principal en el diseño de un sistema eficiente de recolección de RF es producir una alta potencia de salida de CC. Para lograr este objetivo, un rectificador de alta sensibilidad es crucial para la eliminación óptima de RF. Un factor significativo que gobierna la sensibilidad de un rectificador es el voltaje de umbral del diodo utilizado para la rectificación. El diodo debe poder "encenderse" para niveles de energía ambiental muy bajos.

Para abordar este problema de sensibilidad, se propone un sistema que elimina la energía de múltiples bandas de frecuencia y las combina para activar un circuito de rectificación. El diagrama de bloques general del sistema propuesto se muestra en la Fig. 7. Varias fuentes de energía de RF ambiental de diferentes frecuencias son recogidas por una antena diseñada apropiadamente, y entregadas al circuito de rectificación a través de una red de coincidencia multibanda. El circuito de rectificación convierte la combinación de señales de RF en energía de CC para aplicaciones de baja potencia. La realización en este documento realiza un circuito de coincidencia resonante dual como una transición entre una salida de antena nominal de 50 Ω y el dispositivo de rectificación no lineal a 490 y 860 MHz. Basado en el Plan de espectro de radiofrecuencia australiano 35, estas bandas se asignan a servicios de radiodifusión y sistemas celulares.

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Selección de dispositivo

Debido a la muy baja potencia ambiental disponible en un entorno real 19, se requiere un dispositivo de rectificación de voltaje de umbral muy bajo para aumentar la sensibilidad. Por esta razón, los diodos Schottky (GaAs o Si) se emplean comúnmente para la recolección de energía de RF. En este trabajo, se elige un detector Schottky de microondas HSMS2820 ( C j0 = 0.7 pF, R s = 6 Ω, I s = 2.2e −8 A) debido a su excelente rendimiento de alta frecuencia, baja resistencia en serie ( R s ) y unión capacitancia ( C j ) y voltaje de umbral bajo con corriente de alta saturación 31 . Este voltaje de umbral bajo (0.15–0.3 V) admite la rectificación a bajos niveles de potencia de entrada.

Diseño de rectificador propuesto

Para diseñar un sistema eficiente de recolección de RF, la no linealidad de la impedancia del rectificador con frecuencia y potencia de entrada debe coincidir con la salida de 50 Ω de la antena en las bandas de frecuencia deseadas. Por lo tanto, la impedancia de entrada del diodo en función de la frecuencia y los diferentes niveles de potencia se calcularon y analizaron 36 . Para hacer coincidir la impedancia de entrada del rectificador con la salida de 50 Ω de la antena, se debe determinar la impedancia de carga total para diferentes potencias y frecuencias de entrada. Se simuló un circuito que consta de un par de diodos de barrera de Schottky (SBD) terminados con una resistencia de carga ( R Load = 11 kΩ) y un condensador de derivación de salida ( C2 = 6.8 pF) utilizando el software Agilent ADS. La Figura 8 muestra la geometría propuesta de la topología de duplicador de voltaje 31, 37 . La estructura del rectificador duplicador de voltaje se emplea para el diseño del sistema de conversión de potencia RF-DC, ya que esta topología es muy adecuada para la rectificación de baja potencia. La resistencia y el condensador en la salida filtrarán las frecuencias altas. Se eligió la resistencia de alta carga (11 kΩ) para observar un voltaje de salida razonable a corrientes muy bajas. Mediante el análisis de parámetros S grandes de señal en el software ADS de Agilent, se determinó y optimizó la impedancia de carga y el condensador de derivación.

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El rectificador duplicador de voltaje en la figura 8 consiste en un rectificador de pico formado por D2 y un condensador de derivación C2 (6.8 pF) y una pinza de voltaje formada por D1 y C1 (capacitancia total de las líneas de transmisión y capacitancia parásita del diodo ( C p )). En la fase negativa de la entrada, la corriente fluye a través de D1 mientras que D2 es de corte. El voltaje a través de D1 permanece constante alrededor de su voltaje umbral y el voltaje en el nodo 1 se carga a - V th1 (donde - V th1 es el voltaje umbral de D1 ). En el pico negativo, el voltaje a través de C1 es V amp - V th1 (donde V amp es la amplitud de la señal de entrada). En la fase positiva de la entrada, la corriente fluye a través de D2 mientras que D1 es de corte. El voltaje a través de C1 sigue siendo el mismo que la fase anterior porque no tiene forma de descargar. En el pico positivo, el voltaje a través de D1 es de 2 V amp - V th1 . Como D2 conduce corriente para cargar C2 , el voltaje en la salida es V out = 2 V amp - V th1 - V th2 .

El circuito equivalente de CC del SBD es una fuente de voltaje en serie con la resistencia de unión R j que se obtiene al diferenciar la característica de voltaje-corriente del diodo y está dada por la ecuación (2) 31, 38 :

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Donde n es el factor de idealidad del diodo, K es la constante de Boltzmann, T es la temperatura en grados Kelvin, q es la carga electrónica, I s es la corriente de saturación del diodo e I b es la corriente de polarización externa. A bajos niveles de potencia, la corriente de saturación es muy pequeña ( I s = 2.2 e −8 A) y para un diodo de polarización cero, I b = 0. Por lo tanto, el valor resultante de la resistencia de la unión a temperatura ambiente es aproximadamente 1.7 MΩ. Como la corriente de saturación depende en gran medida de la temperatura, R j será aún mayor a temperaturas más bajas, lo que tiende a disminuir el voltaje de salida. A medida que aumenta la potencia de entrada, parte de la corriente rectificada en circulación provocará una caída en el valor de R j y este fenómeno aumentará el valor de la tensión de salida de CC. Además, vale la pena destacar que la corriente rectificada producida por el primer diodo ( D1 ) en la Fig. 8 constituye la corriente de polarización externa del segundo diodo ( D2 ) que ayudará a reducir la R j y, por lo tanto, se mejora la sensibilidad de detección . Por lo tanto, dependiendo de la cantidad de corriente de polarización disponible, R j varía (ecuación (2)), por lo tanto, la red de adaptación está cambiando, lo que afecta la cantidad de energía suministrada al diodo y da como resultado diferentes valores de PCE.

Un diodo de barrera Schottky puede ser modelado por el circuito equivalente lineal que se muestra en la Fig. 9, donde Lp y Cp son la inductancia parásita y la capacitancia del diodo, respectivamente, debido al empaquetado ( Lp = 2 nH y Cp = 0.08 pF) que son generalmente no deseado 39 . Este modelo lineal se usa para determinar la impedancia del diodo a una potencia de entrada dada.

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La impedancia del diodo se analizó utilizando un simulador de equilibrio armónico y un modelo no lineal de diodos en el rango de frecuencia de 400 a 900 MHz a varios niveles de potencia de entrada (Fig. 10). Debido a la gran resistencia de unión a bajos niveles de potencia de RF de entrada, el dispositivo de rectificación se apaga en ausencia de una red de adaptación adecuada. Se realizó un análisis de parámetro S de señal grande y se aplicó una potencia de entrada más alta (asociada con la fuente de señal) directamente a la configuración de diodos Schottky de la Fig. 8, que no incluye una red coincidente para encender los diodos (reducir el valor de R j ) y extraer el valor aproximado de la impedancia de entrada como nuestro punto de partida en el diseño de una red coincidente. Como se puede ver en la Fig. 10, al aumentar la potencia de la fuente, la impedancia del diodo varía y comienza a encenderse. Por lo tanto, la impedancia de entrada debe determinarse cuando se enciende el diodo para realizar la red correspondiente para un circuito rectificador. Obviamente, en presencia de una red de adaptación adecuada, el dispositivo de rectificación se puede encender a niveles de potencia más bajos, mientras que en ausencia de una red de adaptación se debe aplicar una potencia de entrada más alta para encender el diodo. (Tenga en cuenta que, con un rectificador sin igual, la potencia de entrada total aplicada desde la fuente de señal no puede entregarse al diodo debido a la alta reflexión en el circuito).

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El objetivo es hacer coincidir la impedancia de entrada del dispositivo con 50 Ω a bandas de 478–496 MHz y 852–869 MHz en una amplia gama de potencias de RF de entrada. El procedimiento comienza haciendo coincidir la impedancia de entrada del diodo con una fuente de energía de alta potencia sin igual y cambiando la impedancia de entrada del diodo a varios niveles de potencia dentro del círculo de relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) <2 en la tabla Smith. Este procedimiento supone que la impedancia de entrada del diodo no cambia drásticamente en este rango de baja potencia. Los resultados de la simulación de la Fig. 10 demuestran que este es el caso.

Para proporcionar la máxima transferencia de potencia desde la antena al circuito rectificador, una red rectificadora de doble resonancia está diseñada como una transición entre una salida de antena nominal de 50 Ω y el dispositivo de rectificación no lineal en el rango de potencia de −40 a −10 dBm (ver Fig. 11). Por lo tanto, una estructura de resonador acoplado con resonadores en serie y en derivación está diseñada para lograr una red de doble banda 40 . El modelo de circuito lineal equivalente del chip SBD 39 se ha tenido en cuenta para diseñar la coincidencia de doble banda en las bandas de frecuencia deseadas. En la Fig. 11, el equivalente C representa la capacitancia total de los diodos y el condensador de derivación y el equivalente L es la inductancia parasitaria general de los diodos. El resonador LC serie ( equivalente L4 + L y equivalente C ) y el resonador LC paralelo ( C3 y L3 ) definen el circuito resonante dual. El resonador en serie corresponde estrechamente a la especificación de banda superior de 852–869 MHz, mientras que el resonador paralelo se aproxima a la banda inferior de 478–496 MHz. Se utilizó un número mínimo de componentes para reducir las pérdidas óhmicas y parasitarias.

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La frecuencia de resonancia de cada subcircuito se determinó de forma aislada utilizando la siguiente ecuación:

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Se calcularon los componentes del circuito resonador de banda de 852–869 MHz. Aquí, C = C equivalente ≅ 1.3 pF consiste en la combinación del condensador de derivación (6.8 pF) y la unión general ( C j0 = 0.7 pF) y la capacitancia parásita ( C p = 0.08 pF) de D1 y D2 . Por lo tanto, L se calcula en 26.5 nH para lograr una frecuencia de resonancia apropiada. Tenga en cuenta que, L consiste en L 4 y la inductancia parasitaria general ( L equivalente ≅ 1 nH) de D1 y D2 . Los componentes del circuito resonador de banda de 478–496 MHz se calcularon como C3 ≅ 15 pF y L3 ≅ 7.2 nH. Por lo tanto, los valores de los componentes iniciales se determinan para los dos circuitos resonantes.

Inicialmente, estos resonadores se combinaron para lograr una estructura de doble banda. Luego, se utiliza la técnica 40 de coincidencia LC estándar para determinar C1 , C2 , L1 y L2 para lograr una reflexión mínima en las frecuencias resonantes. La sustitución de valores realistas de componentes de chips con sus parásitos asociados, y la adición de líneas de microstrip de 50 Ω y uniones en T introducen un retraso y desplazan la parte imaginaria de la impedancia de entrada. Los orificios de paso también contribuyen a una inductancia adicional en el circuito. Por lo tanto, se realizan pequeños ajustes de circuito para ajustar las frecuencias resonantes a los valores deseados. Los valores finales optimizados de los componentes estándar del chip son: L3 '= 3.9 nH, C3' = 7.5 pF y L4 '= 11.6 nH. El análisis de parámetros S de señal grande también se realiza para demostrar el rendimiento de la red correspondiente a medida que varía la potencia de entrada. Los resultados de la simulación para la impedancia de entrada del circuito representado en la Fig. 11 se ilustran en la Fig. 12. El circuito de coincidencia de doble resonancia propuesto logra un VSWR <2 a 478–496 MHz y 852–869 MHz para una potencia de entrada que varía de −40 a −10 dBm. Cabe señalar que el circuito de adaptación se diseñó en función de la impedancia de entrada de dos diodos y la resistencia de salida y el condensador (Fig. 10). Por lo tanto, seleccionar un valor diferente para la resistencia de carga requiere un nuevo circuito de adaptación para ser diseñado.

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(a) 478–496 MHz. (b) 852–869 MHz.

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Referencias

  1. 1)

    Paradiso, JA y Starner, T. Recolección de energía para electrónica móvil e inalámbrica. IEEE Computo generalizado. 4, 18–27 (2005).

      • Artículo
      • Google Académico
  2. 2)

    Singh, R., Gupta, N. & Poole, KF Revolución global de conversión de energía verde en el siglo XXI a través de dispositivos de estado sólido. 26ª Conferencia Internacional de Microelectrónica, Nis, Serbia. IEEE 10.1109 / ICMEL.2008.4559221. 45-54 (11-14 de mayo de 2008).

      • Google Académico
  3. 3)

    Wang, YK, Sheng, GP, Shi, BJ, Li, WW y Yu, HQ Un novedoso biorreactor de membrana electroquímica como potencial productor de energía neta para el tratamiento sostenible de aguas residuales. Sci. Rep. 3, 10.1038 / srep01864 (2013).

      • Google Académico
  4. 4)

    Inayat, SB, Rader, KR y Hussain, MM Nano-materiales permitieron la termoelectricidad de los vidrios de las ventanas. Sci. Rep. 2, 10.1038 / srep00841 (2012).

      • Google Académico
  5. 5)

    Brown, WC La historia de la transmisión de energía por ondas de radio. IEEE Trans. Microw. Teoría Tech. 32, 1230-1242 (1984).

      • Artículo
      • Google Académico
  6. 6)

    Le, T., Mayaram, K. y Fiez, T. Recolección eficiente de energía de radiofrecuencia de campo lejano para redes de sensores alimentados pasivamente. IEEE J. Circuitos de estado sólido. 43, 1287-1302 (2008).

      • Artículo
      • Google Académico
  7. 7)

    Paolo, J. & Gaspar, PD Review y tendencia futura de los métodos de recolección de energía para dispositivos médicos portátiles. Actas del Congreso Mundial de Ingeniería (WCE). Londres, Reino Unido 909–914 (30 de junio a 2 de julio de 2010).

      • Google Académico
  8. 8)

    Matsuki, H., Yamakata, Y., Chubachi, N., Nitta, S. y Hashimoto, H. Convertidor DC-DC transcutáneo para corazón artificial totalmente implantable utilizando rectificador sincrónico. IEEE Trans. Magn. 32, 5118-5120 (1996).

      • Artículo
      • Google Académico
  9. 9)

    Scorcioni, S. y col. Rectificador CMOS de RF a CC con alta eficiencia en un amplio rango de potencia de entrada para aplicaciones RFID. Simposio de microondas Digest (IMS), IEEE MTT-S . Montreal, QC, Cabada. 10.1109 / MWSYM.2012.6259760. 1–3 (17–22 de junio de 2012).

      • Google Académico
  10. 10)

    Shameli, A., Safarian, A., Rofougaran, A., Rofougaran, M. y De Flaviis, F. Diseño de cosechadora de potencia para etiqueta RFID UHF pasiva utilizando una técnica de aumento de voltaje. IEEE Trans. Microw. Teoría Tech. 55, 1089-1097 (2007).

      • Artículo
      • Google Académico
  11. 11)

    Mandal, S. y Sarpeshkar, R. Diseño de rectificador CMOS de baja potencia para aplicaciones RFID. IEEE Trans. Circuitos Syst. Yo, reg. Papeles. 54, 1177-1188 (2007).

      • Google Académico
  12. 12)

    Sun, H., Guo, YX, He, M. y Zhong, Z. Diseño de una rectenna de 2, 45 GHz de alta eficiencia para la recolección de energía de baja potencia de entrada. Antenas IEEE inalámbrica Propag. Letón. 11, 929–932 (2012).

      • Artículo
      • Google Académico
  13. 13)

    McSpadden, JO, Fan, L. y Chang, K. Diseño y experimentos de una rectenna de alta eficiencia de conversión de 5.8 GHz. IEEE Trans. Microw. Teoría Tech. 46, 2053-2060 (1998).

      • Artículo
      • Google Académico
  14. 14)

    Din, NM, Chakrabarty, CK, Bin Ismail, A., Devi, KKA & Chen, WY Diseño de sistema de recolección de energía de RF para energizar dispositivos de baja potencia. MUELLE. 132, 49-69 (2012).

      • Artículo
      • Google Académico
  15. 15.

    Barnett, RE, Liu, J. y Lazar, S. Un modelo de conversión de voltaje de RF a CC para rectificadores de etapas múltiples en transpondedores RFID UHF. IEEE J. Circuitos de estado sólido. 44, 354-370 (2009).

      • Artículo
      • Google Académico
  16. dieciséis.

    Kanaya, H. y col. Circuito de recolección de energía en una antena flexible direccional unilateral. IEEE Microw. Compon inalámbrico. Letón. 23, 164-166 (2013).

      • Artículo
      • Google Académico
  17. 17)

    Buonanno, A., D'Urso, M. y Pavone, D. Un sistema de banda ultra ancha para la recolección de energía de RF. Conferencia Europea sobre Antenas y Propagación (EUCAP). Roma, Italia. IEEE 388–389 (11–15 de abril de 2011).

      • Google Académico
  18. 18)

    Hagerty, JA, Helmbrecht, FB, McCalpin, WH, Zane, R. & Popovic, ZB Reciclando energía de microondas ambiental con conjuntos de rectenna de banda ancha. IEEE Trans. Microw. Teoría Tech. 52, 1014-1024 (2004).

      • Artículo
      • Google Académico
  19. 19)

    Shariati, N., Rowe, WST y Ghorbani, K. Investigación de campo de RF y análisis de potencia máxima disponible para la captación de energía de RF mejorada. 42ª Conferencia Europea de Microondas (EuMC). Amsterdam RAI, Países Bajos. IEEE 329–332 (29 de octubre – 1 de noviembre de 2012).

      • Google Académico
  20. 20)

    Kim, P., Chaudhary, G. y Jeong, Y. Una recolección de energía de doble banda utilizando la adaptación de impedancia de doble banda de frecuencia limitada. MUELLE. 141, 443–461 (2013).

      • Artículo
      • Google Académico
  21. 21)

    Li, B. y col. Una antena codiseña la cosechadora de energía de RF de doble banda. IEEE Trans. Circuitos Syst. Yo, reg. Papeles. 60, 3256–3266 (2013).

      • Google Académico
  22. 22)

    Niotaki, K. y col. Una rectenna compacta de doble banda con antena dipolo plegada de doble banda cargada con ranura. Antenas IEEE inalámbrica Propag. Letón. 12, 1634-1637 (2013).

      • Artículo
      • Google Académico
  23. 23)

    Suh, YH & Chang, K. Una rectenna de doble frecuencia de alta eficiencia para transmisión de energía inalámbrica de 2.45 y 5.8 GHz. IEEE Trans. Microw. Teoría Tech. 50, 1784-1789 (2002).

      • Artículo
      • Google Académico
  24. 24)

    Collado, A. y Georgiadis, A. Rectenna híbrida conforme a la captación de energía solar y electromagnética (EM). IEEE Trans. Circuitos Syst. Yo, reg. Papeles. 60, 2225–2234 (20013).

      • Google Académico
  25. 25)

    Rizzoli, V., Bichicchi, G., Costanzo, A., Donzelli, F. y Masotti, D. CAD de rectenna multi-resonador para la generación de micro-potencia. Conferencia Europea de Circuitos Integrados de Microondas (EuMIC). Roma, Italia. IEEE 331–334 (228–29 de septiembre de 2009).

      • Google Académico
  26. 26)

    Huang, FJ y col. Aplicación Rectenna de diseño de antena implantable en miniatura para la comunicación biotelemetría de triple banda. IEEE Trans. Antenas Propag. 59, 2646-2653 (2011).

      • Artículo
      • Google Académico
  27. 27)

    Antena de triple banda Pham, BL y Pham, AV y diseño de rectificador de alta eficiencia para recolección de energía de RF a 900, 1900 y 2400 MHz. Simposio de microondas Digest (IMS), IEEE MTT-S . Seattle, WA. 10.1109 / MWSYM.2013.6697364. 1-3 (2013).

      • Google Académico
  28. 28)

    Pinuela, M., Mitcheson, PD y Lucyszyn, S. Recolección de energía de RF ambiental en entornos urbanos y semiurbanos. IEEE Trans. Microw. Teoría Tech. 61, 2715–2726 (2013).

      • Artículo
      • Google Académico
  29. 29)

    Mikeka, C. y Arai, H. Diente de microondas para el suministro de energía del sensor en aplicaciones sin batería. Actas de la Conferencia de microondas de Asia-Pacífico (APMC). Melbourne, VIC. IEEE 1802–1805 (5–8 de diciembre de 2011).

      • Google Académico
  30. 30)

    Baum, T., Thompson, L. y Ghorbani, K. Mediciones dieléctricas complejas de cenizas de incendios forestales a frecuencias de banda X. IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 8, 859–863 (2011).

      • Artículo
      • Google Académico
  31. 31)

    Avago Technologies, Diodos de barrera Schottky RF de montaje en superficie Serie HSMS-282X . Hoja de datos . (2005) Disponible en: //www.avagotech.com/docs/AV02-1320EN. (Acceso: 22/11/2014).

      • Google Académico
  32. 32)

    Avago Technologies, Diodos detectores Schottky de montaje en superficie Zero Bias serie HSMS-285X . Hoja de datos . (2005) Disponible en: //www.avagotech.com/docs/AV02-1377EN. (Acceso: 22/11/2014).

      • Google Académico
  33. 33)

    Valenta, CR y Durgin, rendimiento de GD Rectenna bajo excitación de forma de onda con potencia optimizada. IEEE Conferencia internacional sobre RFID. Penang 10.1109 / RFID.2013.6548160. 237–244 (30 de abril a 2 de mayo de 2013).

      • Google Académico
  34. 34)

    Trotter, MS & Durgin, GD Encuesta de mejora de rango de etiquetas RFID comerciales con formas de onda de potencia optimizada. IEEE Conferencia internacional sobre RFID. Orlando 10.1109 / RFID.2010.5467265. 195-202 (14-16 de abril de 2010).

      • Google Académico
  35. 35)

    Gobierno de Australia, Plan de espectro de radiofrecuencia de Australia (ACMA) . (Enero 2013). Disponible en: //acma.gov.au/ ∼ /media/Spectrum%20Transformation%20and%20Government/Information/pdf/Australian%20Radiofrequency%20Spectrum%20Plan%202013.pdf. (Acceso: 22/09/2014).

      • Google Académico
  36. 36)

    Keyrouz, S., Visser, HJ & Tijhuis, AG Análisis de rectificadores para recolección de energía de radiofrecuencia y transporte de energía. 42ª Conferencia Europea de Microondas (EuMC). Amsterdam RAI, Países Bajos. IEEE 428-431 (29 de octubre al 1 de noviembre de 2012).

      • Google Académico
  37. 37)

    Avago Technologies, duplicador de voltaje de diodo Schottky. Nota de aplicación 956-4 . (2005) Disponible en: //c1233384.r84.cf3.rackcdn.com/UK_HPA_HSCH-5331_7AN.pdf. (Acceso: 22/11/2014).

      • Google Académico
  38. 38)

    Eriksson, H. & Waugh, RW Un detector de diodos lineales con compensación de temperatura. Consejo de diseño . Tecnologías Agilent. (2000) Disponible en: //electronix.ru/forum/index.php?act=Attach&type=post&id=13726. (Acceso: 22/11/2014).

      • Google Académico
  39. 39)

    Avago Technologies, el detector de diodo Schottky de polarización cero a temperaturas extremas: problemas y soluciones. Nota de aplicación AN 1090 . (2005) Disponible en: //www.efo.ru/download/Zero_bias_shottky_over_temperature.pdf. (Acceso: 22/11/2014).

      • Google Académico
  40. 40)

    Mattaei, G., Young, L. & Jones, filtros de microondas EMT , redes de igualación de impedancia y estructuras de acoplamiento . Libros de la casa de Artech, Dedham, MA. (1980)

      • Google Académico

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Expresiones de gratitud

Los autores desean agradecer al Dr. Khashayar Khoshmanesh por sus valiosos consejos. Los autores también agradecen al Sr. David Welch por su ayuda en la fabricación del circuito rectificador.

Comentarios

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