Компактный высокий

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14180 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье для приложений по сбору энергии демонстрируются новые компактные высокоэффективные многополосные выпрямители, которые обеспечивают положительное и отрицательное выходное напряжение. Предложенные схемы удвоителя напряжения используются в качестве реальных источников постоянного напряжения радиочастотных КМОП-приемников миллиметрового диапазона. Действующие многополосные выпрямители имеют сложную структуру, которая требует большего количества резонансных цепей, чтобы заставить выпрямитель работать в многополосном режиме. Реализованы новые последовательные и параллельные резонансные схемы, позволяющие выпрямителю работать в двухдиапазонном режиме на частотах 850 и 1400 МГц. Предложенная резонансная схема устраняет изменение импеданса диода Шоттки при изменении входной мощности или частоты, поддерживает согласование импеданса и минимизирует вносимые потери. Новый высококачественный микрополосковый дроссель синусоидальной формы с добротностью выше 65 в диапазоне частот от 200 до 1400 МГц и индуктивностью 14 ± 2 нГн предназначен для повышения эффективности и улучшения характеристик при низких уровнях мощности. Первый предложенный ВЧ-выпрямитель с удвоителем напряжения с последовательной резонансной обратной связью между входом и катодом диода и параллельным резонансом работает в двух полосах частот 850 и 1400 МГц и обеспечивает пиковый КПД преобразования 59%, насыщаемое выходное напряжение постоянного тока составляет 2,5 В. , а эффективность преобразования составляет 40% при входной ВЧ-мощности – 10 дБм. Этот удвоитель напряжения обеспечивает необходимый параметр источника постоянного тока (1,1 В и 450 мкА) для смещения приемника мм-волн при входной ВЧ мощности 0 дБм. В противном случае второй предложенный выпрямитель отрицательного напряжения имеет максимальную моделируемую эффективность преобразования 65%, отрицательное напряжение насыщения постоянного тока составляет - 3,5 В, а эффективность преобразования составляет 45% при входной ВЧ мощности - 10 дБм. Выпрямитель отрицательного напряжения обеспечивает параметры питания постоянного тока (- 0,5 В и отсутствие тока, используемого для смещения затвора) при входной мощности - 10 дБм.

Наиболее важными темами в исследованиях радиочастот являются сбор энергии (EH) и беспроводная передача энергии (WPT). В телекоммуникационных системах с высокими уровнями мощности и передачей энергии на большие расстояния удобнее использовать БПЭ. Тогда как системы с низким уровнем мощности лучше всего подходят для использования энергии (EH). Использование батарей в устройствах/системах с низким энергопотреблением исключается за счет обеспечения сбора энергии радиочастот окружающей среды, например, в технологии Интернета вещей (IoT). В связи с быстрым распространением беспроводных технологий источники электромагнитной энергии, такие как Wi-Fi, устройства ISM и сотовые сети, становятся все более доступными и пригодными для сбора энергии1. Чтобы собрать как можно больше энергии, ЕН-выпрямители должны работать в широкополосном или многополосном режиме. Тем не менее, разработать многополосные2 или широкополосные выпрямители3 с высокой эффективностью преобразования и широким диапазоном входной мощности непросто. Причина кроется в нелинейном изменении импеданса диода в зависимости от частоты и входной радиочастотной мощности. Таким образом, необходимы сложные схемы согласования, что приводит к дополнительным вносимым потерям и низкой эффективности RF-DC.

Кроме того, проводится много исследований по разработке радиочастотных выпрямителей, например, реконфигурируемого удвоителя напряжения класса F и двухкаскадного удвоителя напряжения на частотах 650 и 900 МГц, и авторы этой работы концентрируются только на выходном напряжении постоянного тока, и схема очень проста. сложный между тем ничего не упоминает о текущем4. Широкополосный радиочастотный выпрямитель зависит от структуры микрополосковых линий передачи (TL), которая занимает большую печатную плату размером 40 × 25 мм2, максимальный КПД и выходное напряжение постоянного тока достигаются при высокой входной мощности RF 15 дБм, что не подходит для приложений сбора энергии5 что делает его непригодным для приложений по сбору энергии из окружающей среды. Хотя в статье6 был представлен ВЧ-выпрямитель с диапазоном частот 0,87–2,5 ГГц, он достиг низкой эффективности 30% при входной мощности 0 дБм, а выходное напряжение постоянного тока в статье не упоминалось. В Ref5,6 не говорилось о токе выпрямителя, его интересовало только выходное напряжение постоянного тока и потребление большой площади. В ссылках 7,8 были представлены системы сбора энергии (EH), обеспечивающие длительную работу устройств и приложений Интернета вещей без подзарядки. В работе 9 авторами был изготовлен широкополосный выпрямитель-удвоитель напряжения с использованием схемы π-секции и последовательной LC-цепи, что увеличивает сложность конструкции и получен КПД преобразования RF-DC выше 69% в полосе частот от 720 до 1050 МГц. а коэффициент входного отражения (\({S}_{11})\) составляет менее − 10 дБ при значении входной мощности 3 дБм. В то время как в ссылке 10 для работы выпрямителя в двухдиапазонном режиме использовалась сложная Т-образная секция, состоящая из параллельной LC-цепи в двух плечах. Моделирование диода Шоттки и анализ выбора выпрямителя с учетом импеданса описаны в статьях11,12.