Alto compacto

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14180 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Neste artigo, novos retificadores multibanda compactos de alta eficiência que fornecem tensões de saída positivas e negativas são demonstrados para aplicações de coleta de energia. Os circuitos duplicadores de tensão propostos são usados ​​​​como fontes reais de tensão CC de receptores CMOS de ondas mm de radiofrequência. Os retificadores multibanda operacionais possuem uma estrutura complicada que exigia mais redes de ressonância para forçar o retificador a trabalhar em multibanda. Novas redes de ressonância em série e paralelas são implementadas para forçar o retificador a operar em banda dupla nas frequências de 850 e 1400 MHz. A rede de ressonância proposta elimina a variação da impedância do diodo Schottky conforme a potência ou frequência de entrada muda e suporta o casamento de impedância e minimiza a perda de inserção. Um novo indutor de microfaixa em formato senoidal de alta qualidade que obtém um fator de qualidade acima de 65 na faixa de frequência de 200 a 1400 MHz e indutância igual a 14 ± 2 nH é projetado para melhorar a eficiência e melhorar o desempenho em baixos níveis de potência. O primeiro retificador duplicador de tensão de RF sugerido com realimentação de ressonância em série entre a entrada e o cátodo do diodo e ressonância paralela opera em duas bandas de frequência de 850 e 1400 MHz e obtém uma eficiência de conversão de pico de 59%, uma tensão CC de saída saturada é de 2,5 V , e a eficiência de conversão é de 40% com potência de entrada de RF de −10 dBm. Este duplicador de tensão atinge o parâmetro de alimentação CC necessário (1,1 V e 450 uA) para polarizar o receptor de onda mm a uma potência de entrada de RF de 0 dBm. Caso contrário, o segundo retificador de tensão negativa sugerido tem uma eficiência de conversão simulada máxima de 65%, a tensão CC negativa saturada é de -3,5 V e a eficiência de conversão é de 45% com uma potência de entrada de RF de -10 dBm. O retificador de tensão negativa obtém parâmetros de alimentação CC (- 0,5 V e nenhuma condição de corrente usada para polarização de porta) com potência de entrada de - 10 dBm.

Os tópicos mais importantes na pesquisa de radiofrequência são a coleta de energia (EH) e a transferência de energia sem fio (WPT). Sistemas de telecomunicações com altos níveis de potência e transmissão de energia em grandes distâncias são mais convenientes para usar o WPT. Considerando que sistemas com baixos níveis de potência são mais adequados para usar a coleta de energia (EH). O uso de baterias em dispositivos/sistemas de baixa potência é eliminado fornecendo coleta de energia de radiofrequência ambiente, como na tecnologia da Internet das Coisas (IoT). Devido à rápida expansão das técnicas sem fio, as fontes de energia eletromagnética, como WiFi, dispositivos ISM e redes celulares, tornam-se cada vez mais disponíveis e elegíveis para captação de energia1. Para reunir o máximo de energia possível, os retificadores EH devem operar em banda larga ou multibanda. No entanto, é um desafio projetar retificadores multibanda2 ou de banda larga3 com alta eficiência de conversão e uma ampla faixa de potência de entrada. A razão vem da variação não linear da impedância do diodo com a frequência e a potência de entrada de RF. Portanto, são necessários circuitos de correspondência complicados, o que leva a perda extra de inserção e baixa eficiência de RF-DC.

Além disso, há muitas pesquisas no projeto de retificadores de radiofrequência, por exemplo, um duplicador de tensão classe F reconfigurável e um duplicador de tensão de dois estágios em 650 e 900 MHz, e os autores deste trabalho concentram-se apenas na tensão de saída CC e o circuito é muito complicado, entretanto, não menciona nada sobre o atual4. Um retificador de radiofrequência de banda larga depende da estrutura de linhas de transmissão de microfita (TL) que ocupa um grande tamanho de PCB de 40 × 25 mm2, a eficiência máxima e a tensão de saída CC são alcançadas com alta potência de entrada de RF de 15 dBm, não apropriada para aplicações de coleta de energia5 tornando-o, portanto, inadequado para aplicações de captação de energia ambiental. Embora um retificador de RF de 0,87–2,5 GHz tenha sido apresentado em 6, ele alcançou uma baixa eficiência de 30% com potência de entrada de 0 dBm, e a tensão de saída CC não foi mencionada no artigo. Ref5,6 não falou sobre a corrente do retificador, apenas interessado na tensão de saída DC e consumindo uma grande área. Na ref7,8 foram apresentados sistemas de coleta de energia (EH) para permitir a operação de longo prazo sem recarga de dispositivos e aplicações IoT. No ref9, um retificador duplicador de tensão de banda larga usando uma rede de seção π e circuito LC em série, aumentando a complexidade do projeto, foi fabricado pelos autores e obteve eficiência de conversão RF-DC acima de 69% na faixa de frequência de 720 a 1050 MHz, e o coeficiente de reflexão de entrada (\({S}_{11})\) é inferior a - 10 dB com um valor de potência de entrada de 3 dBm. Enquanto no ref10 uma complicada seção em T que consiste em um circuito LC paralelo nos dois braços foi utilizada para operar o retificador em banda dupla. A modelagem do diodo Schottky e a análise do dimensionamento do retificador com reconhecimento de impedância são explicadas em 11,12.