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Oct 24, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14180 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この論文では、エネルギーハーベスティング用途向けに、正および負の出力電圧を供給する新しいコンパクトで高効率のマルチバンド整流器を実証します。 提案された倍電圧回路は、無線周波数ミリ波 CMOS 受信機の実際の DC 電圧供給源として使用されます。 マルチバンド整流器の動作には複雑な構造があり、整流器をマルチバンドで動作させるにはより多くの共振ネットワークが必要です。 新しい直列および並列共振ネットワークが実装され、整流器が 850 および 1400 MHz の周波数でデュアルバンドで動作するようになります。 提案された共振ネットワークは、入力電力または周波数が変化するときのショットキー ダイオードのインピーダンス変動を排除し、インピーダンス整合をサポートし、挿入損失を最小限に抑えます。 200 ～ 1400 MHz の周波数帯域で 65 を超える品質係数と 14 ± 2 nH に等しいインダクタンスを実現する、新しい高品質サイン形状マイクロストリップ インダクタは、効率を向上させ、低電力レベルでの性能を向上させるように設計されています。 最初に提案された RF 倍電圧整流器は、入力とダイオードのカソード間の直列共振フィードバックと並列共振を備え、850 MHz と 1400 MHz の 2 つの周波数帯域で動作し、59% のピーク変換効率が得られ、飽和出力 DC 電圧は 2.5 V です。 、変換効率は RF 入力電力 - 10 dBm で 40% です。 この倍電圧器は、0 dBm の RF 入力電力でミリ波受信機をバイアスするために必要な DC 電源パラメータ (1.1 V および 450 uA) を実現します。 それ以外の場合、2 番目に推奨される負電圧整流器のシミュレートされた最大変換効率は 65%、飽和負 DC 電圧は - 3.5 V、RF 入力電力 - 10 dBm での変換効率は 45% です。 負電圧整流器は、入力電力 - 10 dBm で DC 電源パラメータ (- 0.5 V、ゲート バイアスに使用される電流条件なし) を取得します。

高周波研究における最も重要なトピックは、エナジーハーベスティング (EH) とワイヤレス電力伝送 (WPT) です。 電力レベルが高く、長距離にわたる電力伝送を行う通信システムでは、WPT を使用する方が便利です。 一方、電力レベルが低いシステムは、エナジーハーベスティング (EH) の使用に最適です。 モノのインターネット (IoT) テクノロジーなどの周囲無線周波数エネルギーハーベスティングを提供することにより、低電力デバイス/システムでのバッテリーの使用が排除されます。 無線技術の急速な拡大により、WiFi、ISM デバイス、携帯電話ネットワークなどの電磁エネルギー源がますます利用可能になり、エネルギーハーベスティングの対象となりました1。 可能な限り多くのエネルギーを収集するには、EH 整流器が広帯域またはマルチバンドで動作する必要があります。 それにもかかわらず、高い変換効率と広い入力電力範囲を備えたマルチバンド 2 または広帯域整流器 3 を設計することは困難です。 その理由は、周波数および RF 入力電力に応じたダイオード インピーダンスの非直線性変化にあります。 そのため、複雑な整合回路が必要となり、挿入損失が増加し、RF-DC 効率が低下します。

さらに、再構成可能なクラス F 電圧ダブラや 650 MHz および 900 MHz の 2 段電圧ダブラなど、高周波整流器の設計については多くの研究が行われていますが、この研究の著者は DC 出力電圧のみに焦点を当てており、回路は非常に複雑です。一方、complex では、現在の 4 については何も言及されていません。 広帯域高周波整流器は、40 × 25 mm2 という大きな PCB サイズを占めるマイクロストリップ伝送線路 (TL) 構造に依存しており、最大効率と DC 出力電圧は 15 dBm の高い RF 入力電力で達成されますが、環境発電アプリケーションには適していません 5したがって、周囲環境発電用途には不適切です。 0.87 ～ 2.5 GHz の RF 整流器が論文で紹介されましたが、これは 0 dBm 入力電力で 30% という低い効率を達成し、DC 出力電圧については論文では言及されていませんでした。 参考文献 5、6 では整流器電流については説明されておらず、DC 出力電圧と大きな面積を消費することのみに関心がありました。 参考文献 7,8 では、IoT デバイスとアプリケーションの長期再充電不要の動作を可能にするエナジーハーベスティング (EH) システムが紹介されています。 ref9 では、設計の複雑さを増大させるπセクション ネットワークと直列 LC 回路を使用した広帯域倍電圧整流器が著者によって製造され、720 ～ 1050 MHz の周波数帯域で 69% 以上の RF-DC 変換効率が得られました。また、入力反射係数 (\({S}_{11})\) は、入力電力値 3 dBm で - 10 dB 未満です。 ref10 では、2 つのアームの並列 LC 回路で構成される複雑な T セクションを利用して、整流器をデュアルバンドで動作させました。 ショットキー ダイオードのモデリングと、インピーダンスを考慮した整流器のサイジングの分析については、11、12 で説明します。