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