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Aug 06, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14180 (2023) Citare questo articolo

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In questo articolo vengono dimostrati nuovi raddrizzatori multibanda compatti ad alta efficienza che forniscono tensioni di uscita positive e negative per applicazioni di raccolta di energia. I circuiti duplicatori di tensione proposti vengono utilizzati come veri e propri alimentatori di tensione continua di ricevitori CMOS a radiofrequenza a onde mm. I raddrizzatori multibanda funzionanti hanno una struttura complicata che richiede più reti di risonanza per forzare il raddrizzatore a lavorare in multibanda. Vengono implementate nuove serie e reti di risonanza parallele per forzare il raddrizzatore a funzionare in doppia banda alle frequenze di 850 e 1400 MHz. La rete di risonanza proposta elimina la variazione di impedenza del diodo Schottky al variare della potenza di ingresso o della frequenza e supporta l'adattamento dell'impedenza e riduce al minimo la perdita di inserzione. Un nuovo induttore a microstriscia sinusoidale di alta qualità che ottiene un fattore di qualità superiore a 65 sulla banda di frequenza da 200 a 1400 MHz e un'induttanza pari a 14 ± 2 nH è progettato per migliorare l'efficienza e migliorare le prestazioni a bassi livelli di potenza. Il primo raddrizzatore duplicatore di tensione RF suggerito con feedback di risonanza in serie tra l'ingresso e il catodo del diodo e risonanza parallela funziona a due bande di frequenza di 850 e 1400 MHz e ottiene un'efficienza di conversione di picco del 59%, una tensione CC di uscita satura è di 2,5 V e l'efficienza di conversione è del 40% con una potenza di ingresso RF di −10 dBm. Questo duplicatore di tensione raggiunge il parametro di alimentazione CC richiesto (1,1 V e 450 uA) per polarizzare il ricevitore a onde millimetriche con una potenza di ingresso RF di 0 dBm. Altrimenti, il secondo raddrizzatore di tensione negativa suggerito ha un'efficienza di conversione simulata massima del 65%, la tensione CC negativa saturata è di −3,5 V e l'efficienza di conversione è del 45% con una potenza di ingresso RF di −10 dBm. Il raddrizzatore di tensione negativa ottiene parametri di alimentazione CC (−0,5 V e nessuna condizione di corrente utilizzata per una polarizzazione del gate) con una potenza di ingresso di −10 dBm.

Gli argomenti più importanti nella ricerca sulle radiofrequenze sono la raccolta di energia (EH) e il trasferimento di potenza wireless (WPT). I sistemi di telecomunicazione con elevati livelli di potenza e trasmissione di potenza su grandi distanze sono più convenienti da utilizzare WPT. Mentre i sistemi con bassi livelli di potenza sono più adatti a utilizzare la raccolta di energia (EH). L'uso di batterie in dispositivi/sistemi a basso consumo viene eliminato fornendo la raccolta di energia in radiofrequenza ambientale, come nella tecnologia dell'Internet delle cose (IoT). A causa della rapida espansione delle tecniche wireless, le fonti di energia elettromagnetica come WiFi, dispositivi ISM e reti cellulari diventano sempre più disponibili e idonee per la raccolta di energia1. Per raccogliere la massima energia possibile, i raddrizzatori EH devono funzionare in banda larga o multibanda. Tuttavia, è difficile progettare raddrizzatori multi-banda2 o a banda larga3 con un’elevata efficienza di conversione e un ampio intervallo di potenza in ingresso. Il motivo deriva dalla variazione di non linearità dell'impedenza del diodo con la frequenza e la potenza di ingresso RF. Sono quindi necessari circuiti di adattamento complicati, che portano a perdite di inserzione aggiuntive e a una scarsa efficienza RF-CC.

Inoltre, sono in corso molte ricerche sulla progettazione di raddrizzatori a radiofrequenza, ad esempio un duplicatore di tensione riconfigurabile di classe F e un duplicatore di tensione a due stadi a 650 e 900 MHz, e gli autori di questo lavoro si concentrano solo sulla tensione di uscita CC e il circuito è molto complicato nel frattempo non menziona nulla dell'attuale4. Un raddrizzatore a radiofrequenza a banda larga dipende dalla struttura delle linee di trasmissione a microstriscia (TL) che occupa una grande dimensione PCB di 40 × 25 mm2, la massima efficienza e la tensione di uscita CC si ottengono con un'elevata potenza di ingresso RF di 15 dBm, non adatta per applicazioni di raccolta di energia5 rendendolo quindi inappropriato per le applicazioni di raccolta di energia ambientale. Mentre nel documento6 è stato presentato un raddrizzatore RF da 0,87–2,5 GHz, questo ha raggiunto un'efficienza bassa del 30% con una potenza di ingresso di 0 dBm e la tensione di uscita CC non è stata menzionata nel documento. Rif5,6 non parlava della corrente del raddrizzatore, interessava solo la tensione di uscita CC e consumava una vasta area. Nel rif7,8 sono stati presentati i sistemi di raccolta di energia (EH) per consentire il funzionamento a lungo termine senza ricarica di dispositivi e applicazioni IoT. Nel rif9 un raddrizzatore duplicatore di tensione a banda larga che utilizza una rete a sezione π e un circuito LC in serie, aumentando la complessità del progetto è stato fabbricato dagli autori e ha ottenuto un'efficienza di conversione RF-CC superiore al 69% nella banda di frequenza da 720 a 1050 MHz, e il coefficiente di riflessione in ingresso (\({S}_{11})\) è inferiore a −10 dB con un valore di potenza in ingresso di 3 dBm. Mentre in rif10 è stata utilizzata una complicata sezione a T costituita da un circuito LC parallelo nei due bracci per far funzionare il raddrizzatore in doppia banda. La modellazione del diodo Schottky e l'analisi del dimensionamento del raddrizzatore sensibile all'impedenza sono spiegati in 11,12.