콤팩트 하이

Oct 24, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14180(2023) 이 기사 인용

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본 논문에서는 에너지 하베스팅 애플리케이션을 위해 포지티브 및 네거티브 출력 전압을 공급하는 새로운 소형 고효율 다중 대역 정류기를 시연합니다. 제안된 전압 더블러 회로는 무선 주파수 mm-wave CMOS 수신기의 실제 DC 전압 공급 장치로 사용됩니다. 다중 대역 정류기를 작동하려면 정류기가 다중 대역에서 작동하도록 하기 위해 더 많은 공진 네트워크가 필요한 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 정류기가 850MHz 및 1400MHz 주파수의 이중 대역에서 작동하도록 하기 위해 새로운 직렬 및 병렬 공진 네트워크가 구현되었습니다. 제안된 공진 네트워크는 입력 전력이나 주파수 변화에 따른 쇼트키 다이오드 임피던스 변화를 제거하고 임피던스 매칭을 지원하며 삽입 손실을 최소화한다. 200~1400MHz의 주파수 대역에서 65 이상의 품질 계수와 14 ± 2nH의 인덕턴스를 얻는 새로운 고품질 사인형 마이크로 스트립 인덕터는 저전력 레벨에서 효율성을 향상하고 성능을 향상시키도록 설계되었습니다. 다이오드의 입력과 음극 사이의 직렬 공진 피드백과 병렬 공진을 갖춘 첫 번째 제안 RF 전압 더블러 정류기는 850MHz와 1400MHz의 두 주파수 대역에서 작동하고 59%의 피크 변환 효율을 얻습니다. 포화 출력 DC 전압은 2.5V입니다. , 변환 효율은 RF 입력 전력 -10dBm에서 40%입니다. 이 전압 더블러는 0dBm의 RF 입력 전력에서 mm-wave 수신기를 바이어스하는 데 필요한 DC 공급 매개변수(1.1V 및 450uA)를 달성합니다. 그렇지 않은 경우 두 번째로 제안된 음전압 정류기는 최대 시뮬레이션 변환 효율이 65%이고, 포화 음 DC 전압은 -3.5V이며, RF 입력 전력 -10dBm에서 변환 효율은 45%입니다. 음전압 정류기는 - 10dBm 입력 전력에서 DC 공급 매개변수(-0.5V 및 게이트 바이어스에 사용되는 전류 조건 없음)를 얻습니다.

무선 주파수 연구에서 가장 중요한 주제는 에너지 하베스팅(EH)과 무선 전력 전송(WPT)입니다. 높은 전력 수준과 장거리 전력 전송을 갖춘 통신 시스템은 WPT를 사용하는 것이 더 편리합니다. 반면, 전력 수준이 낮은 시스템은 에너지 수확(EH)을 사용하는 데 가장 적합합니다. 사물 인터넷(IoT) 기술과 같은 주변 무선 주파수 에너지 수확 기능을 제공하면 저전력 장치/시스템에서 배터리 사용이 제거됩니다. 무선 기술의 급속한 확장으로 인해 WiFi, ISM 장치 및 셀룰러 네트워크와 같은 전자기 에너지원의 가용성이 높아지고 에너지 수확에 적합해졌습니다1. 가능한 최대의 에너지를 수집하려면 EH 정류기가 광대역 또는 다중 대역에서 작동해야 합니다. 그럼에도 불구하고 높은 변환 효율과 넓은 입력 전력 범위를 갖춘 다중 대역2 또는 광대역 정류기3를 설계하는 것은 어렵습니다. 그 이유는 주파수 및 RF 입력 전력에 따른 다이오드 임피던스의 비선형 변화 때문입니다. 따라서 복잡한 정합 회로가 필요하며 이로 인해 추가 삽입 손실이 발생하고 RF-DC 효율이 저하됩니다.

더욱이, 650MHz와 900MHz에서 재구성 가능한 클래스 F 전압 더블러와 2단 전압 더블러와 같은 무선 주파수 정류기 설계에 대한 많은 연구가 있으며, 이 연구의 저자는 DC 출력 전압에만 집중하고 회로는 매우 한편 복잡한 것은 현재에 대해 아무 것도 언급하지 않습니다4. 광대역 무선 주파수 정류기는 40 × 25 mm2의 큰 PCB 크기를 차지하는 마이크로스트립 전송선(TL) 구조에 의존하며, 15dBm의 높은 RF 입력 전력에서 최대 효율과 DC 출력 전압을 달성하므로 에너지 하베스팅 애플리케이션에는 적합하지 않습니다5 따라서 주변 에너지 수확 애플리케이션에는 부적합합니다. 6에서는 0.87~2.5GHz RF 정류기가 제시된 반면, 이는 0dBm 입력 전력에서 30%의 낮은 효율을 달성했으며 DC 출력 전압은 논문에서 언급되지 않았습니다. Ref5,6은 정류기 전류에 대해서는 언급하지 않았으며 DC 출력 전압에만 관심이 있고 넓은 면적을 소비합니다. ref7에서는 IoT 장치 및 애플리케이션의 장기간 재충전 없는 작동을 가능하게 하는 에너지 하베스팅(EH) 시스템이 제시되었습니다. ref9에서는 π-섹션 네트워크와 직렬 LC 회로를 사용하여 설계의 복잡성을 증가시키는 광대역 전압 더블러 정류기를 저자가 제작했으며, 720~1050MHz의 주파수 대역에서 69% 이상의 RF-DC 변환 효율을 얻었습니다. 입력 반사 계수(\({S}_{11})\)는 3dBm의 입력 전력 값에서 -10dB보다 작습니다. 참조 10에서는 두 개의 암에 있는 병렬 LC 회로로 구성된 복잡한 T 섹션을 사용하여 이중 대역에서 정류기를 작동했습니다. 쇼트키 다이오드의 모델링과 임피던스 인식 정류기 크기 분석은 11,12에 설명되어 있습니다.