RF ENERJİ HASATLAMA SİSTEMLERİ İÇİN ÇİFT BANDLI GREİNACHER DOĞRULTUCU DEVRE TASARIMI

Enerji hasatlama sistemleri günümüzde yeni bir enerji kaynağı olarak adlandırılmakta ve ortamda bulunan mevcut elektromanyetik enerjinin kullanılmasını hedeflemektedir. Enerji hasatlama sistemleri, düşük güç tüketimine sahip cihazlar için etkili bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Bu sistemlerinin temel amacı, düşük güç tüketimine sahip haberleşme sistemleri (ZigBee teknolojileri ve Kablosuz sensör ağları) ile birlikte kullanılıp batarya ömrünü uzatmaktır. Bu sistemlerin temel bileşenleri şunlardır: (1) minyatür anten ve (2) yüksek verimli doğrultucu devresi. Birinci bileşen ortamdaki RF dalgalarını toplarken, ikincisi ise toplanan RF enerjisini doğrultarak DC'ye çevirir.Bu çalışmada 2.4GHz ve 2.7GHz frekanslarında çalışan çift bandlı Greinacher doğrultucu devre tasarımı önerilmiştir. Uyumlandırma katında L-C ve mikroşerit Stub yapıları kullanılmıştır. Greinacher doğrultucu devresinin simetrik yapısı, diyotlar tarafından üretilen harmoniğin azalmasına yardımcı olmaktadır. Yapılan simülasyon sonuçlarına göre, 10dBm giriş gücüne karşılık çıkışta 100 Kohm’luk yük direncinde 4,023V’luk bir DC gerilim elde edilmiştir. 0dBm’lik giriş gücünde ise LTE frekansında 100ohm ile 100Kohm arasında değişen yük dirençlerinde -5 ile -15dBm arasında güç değerleri elde edilmiştir. Doğrultucudan elde edilen DC gerilim kullanılarak düşük güç tüketimine sahip sensörler ve sensör ağları beslenebilir ya da DC gerilim depolanarak pil ömrü uzatılabilir.

Anahtar Kelimeler:

RF Enerji Hasatlama, Kablosuz Enerji Transferi, RF Doğrultucu, Greinacher Doğrultucu Devre, schotky diyot

DUAL BAND GREINACHER RECTIFIER CIRCUIT DESIGN FOR ENERGY HARVESTING SYSTEMS

Harvester systems are seen as an effective solution method for low power consumption circuits. These systems can be used with low power consumption communication system (ZigBee and wireless sensors) to extend the battery life. These systems are consist of: (a) a miniaturized antenna, (b) a high performance rectifier circuit. The first component gathers the RF signals in environment while the second component rectifies the signals to a DC current. Herein, design of a dual band Greinacher rectifier circuit for 2.4 and 2.7 GHz applications is studied. L-C type circuits and microstrip stub structures are used for matching layer. The symmetrical structure of Greincacher rectifier provides reduction in harmonics of diodes. As it can be seen from simulation results, for an input power of 10 dBm a voltage of 4.02V DC voltage on a 100 Kohm load resistor, and for an input power of 0 dBm with a variable load resistor of 100-100K ohm -5~15 dBm is obtained. Designs and specifications were obtained by simulations performed in AWRsoftware. Thus, by using the DC voltage that is rectified by the RF harvester it is possible to supply low power sensors or extend the battery life of the systems.

Keywords:

RF Energy Harversting, Wireless Energy Transfer, Greinacher Rectifier, Rectenna, HSMS2850,

PDF

___

Paradiso, J.A., Starner, T.: ‘Energy scavenging for mobile and wireless electronics’, IEEE Pervasive Comput., 4, (1), pp. 18–27, 2005.
Gilbert, J.M., Balouchi, F., ‘Comparison of energy harvesting systems for wireless sensor networks’, Int. J. Autom. Comput., 5, (4), pp. 334–347, 2008.
Rebello, J.: ‘Global wireless subscriptions reach 5 billion’, September 2010. Available: http://www.isuppli.com/Mobile-and-Wireless-communications/News/Pages/Global-Wireless-Subscriptions-Reach-5-Billion.aspx
Cheng, Y.-C., Chawathe, Y., LaMarca, A., Krumm, J.: ‘Accuracy characterization for metropolitan-scale Wi-Fi localization’. Proc. Third Int. Conf. on Mobile Systems, pp. 233–245, January 2005.
Hagerty, J.A., Helmbrecht, F.B., McCalpin, W.H., Zane, R., Popovic, Z.B., et al.: ‘Recycling ambient microwave energy with broadband rectenna arrays’, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., MTT-52, (3), pp. 1014–1024, 2004.
Sample, A., Smith, J.: ‘Experimental results with two wireless power transfer systems’. Proc. IEEE RWS, pp. 16–18, January 2009.
Ostaffe, H.: ‘Power out of thin air: ambient RF energy harvesting for wireless sensors’, 2010, http://powercastco.com/PDF/Power-Out-of-Thin-Air.pdf
H. Yan, J. G. M. Montero, A. Akhnoukh, L. C. N. de Vreede, and J. N. Burghart, ”‘An integration scheme for RF power harvesting”, 8th Annu. Workshop Semiconductor Advances Future Electron. Sensors, Veldhoven, The Netherlands, 2005.
Curty, J.-P., Joehl, N., Krummenacher, F., Dehollain, C., Declercq, M.: ‘A model for m-power rectifier analysis and design’, IEEE Trans. Circuits Syst. I, 52, (12), pp. 2771–2779, 2000.
U. Olgun C.-C. Chen J.L. Volakis, Design of an efficient ambient WiFi energy harvesting system, IET Microw. Antennas Propag., Vol. 6, Iss. 11, pp. 1200–1206, 2012.