RF enerji hasatlama devreleri için verimi arttırılmış doğrultucu topoloji tasarımı
Design of enhanced efficiency rectifier topology for RF energy harvesting circuits
Yazar: MAHMUT AHMET GÖZEL
Danışman: DOÇ. DR. MESUD KAHRİMAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışma ile "Radyo Frekansları ile Enerji Hasatlama" (RFEH) ve "Kablosuz Enerji Transferi" (KET) sistemlerinde kullanılan, yüksek verimle güç dönüştürebilen, yeni doğrultma devre topolojileri üretilmiştir. Bu amaçla ilk olarak, yaşam alanlarındaki "Radyo Frekansı" (RF) güç seviyelerinin tespitini sağlayan yeni bir sistem geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem ile açık, yarı açık ve kapalı olarak kategorize edilen 17 farklı ortamda güç seviyesi ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümlerde 900 MHz ve 1800 MHz frekanslarında çalışabilen "Mikroşerit Katlanmış Dipol Antenler" (MKDA) kullanılarak, yaşam alanlarından elde edilebilecek RF güç seviyesi, ortam güç yoğunluğu ve hasatlanabilecek enerji miktarı tespit edilmiştir.
Tasarlanan geleneksel doğrultma devre topolojileri ile "Güç Dönüştürme Verimini" (GDV) etkileyen parametreler ortaya çıkarılmıştır. GDV değerini etkileyen; doğrultma devre topolojisi, diyot parametreleri, alttaş malzeme özellikleri, doğrultma katman sayısı, yük direnci gibi parametreler benzetim ve ölçüm yapılarak incelenmiştir. Yapılan bu ölçüm ve benzetim çalışmaları neticesinde; verimin, "GDV" ekseni ve "Giriş Gücü" ekseninde arttırıldığı iki yeni doğrultma devre topolojisi geliştirilmiştir. Bu yeni doğrultma devre topolojilerinde pasif RF/Mikrodalga bağlaştırıcılar kullanılmıştır.
Verimin giriş gücü ekseninde arttırılabilmesi için pasif bir Mikrodalga/RF devre elemanı olan yönlü bağlaştırıcı kullanılmıştır. Kullanılan bağlaştırıcı 1 GHz ile 3 GHz arasında benzetim ve ölçüm sonuçlarına göre 18 dB bağlaşım oranını göstermektedir. Bu bağlaştırıcı devre ile üç katmanlı Dickson ve yarım dalga doğrultma devresi birleştirilerek yeni bir doğrultma devre topolojisi geliştirilmiştir. Öncelikle her iki doğrultma devresi için 2,45 GHz frekansında verim analizleri yapılmıştır. % 20 kesim verimi sınırında, 28 dB giriş gücü bandına sahip, yarım dalga doğrultma devresi; maksimum verimi (% 69) 1 dBm giriş gücü seviyesinde yakalamıştır. Aynı kesim verimi sınırında, 22 dB giriş gücü bandına sahip, Dickson devre topolojisi ise maksimum verimi (% 75) 19 dBm giriş gücünde sağlamıştır. Farklı giriş güçlerinde yüksek verimle çalışacak şekilde tasarlanan iki doğrultma devre topolojisi; yönlü bağlaştırıcının, bağlaşım ve iletim kapılarında birleştirilmiştir. Dickson doğrultma devresi iletim kapısına, yarım dalga doğrultma devresi bağlaşım kapısına yerleştirilmiştir. Yönlü bağlaştırıcı ile geliştirilen yeni doğrultma devre topolojisi ile giriş gücü bandı 40 dB değeri seviyesine arttırılmıştır. Böylece bu yeni doğrultma devre topolojisi ile geniş giriş gücü spektrumunda yüksek verim elde edilmiştir.
Geliştirilen bir diğer doğrultma devre topolojisi ile verim, GDV ekseninde arttırılmıştır. Geleneksel Greinacher tam dalga doğrultma devresi iki gerilim katlayıcı devrenin birleştirilmesi ile oluşmaktadır. Greinacher doğrultma devresinde gerilim katlayıcı katı ile ters polariteli gerilim katlayıcı katlarına eşit faz ve genlikte RF sinyaller gönderilir. Yeni geliştirilen doğrultma devre topolojisinde ise bu iki devre girişi arasında 180° faz farkı oluşturabilmek için "Halka Karma Bağlaştırıcı" (HKB) devresi kullanılmıştır. Benzetim ve ölçüm sonuçları HKB devresinin 1,3 GHz ile 2,34 GHz arasında çalıştığını göstermektedir. 180° HKB ile Greinacher tam dalga doğrultma devreleri birleştirilerek verim -10 dBm ile 10 dBm giriş güçleri arasında GDV ekseninde arttırılmıştır. Bu çalışma için geliştirilen doğrultma devresi verim performansı benzetim ve ölçüm çalışmaları, GSM 1800 frekans bandı düşünülerek, 1,85 GHz çalışma frekansında gerçekleştirilmiştir. HKB kullanılarak geliştirilen bu ikinci yeni doğrultma topolojisi ile verim; benzetim ortamında % 20, ölçüm ortamında ise % 17,7 değerinde arttırılmıştır.

Abstract:
With this study, new rectifier circuit topologies used in "Radio Frequency Energy Harvesting" (RFEH) and "Wireless Power Transfer" (WPT) systems that can convert power with high efficiency have been fabricated. For this purpose; firstly, a new system has been developed that enables the determination of "Radio Frequency" (RF) power levels in urban areas. With the developed system, power level measurements were performed in 17 different environments that were categorized as outdoor, semi-outdoor and indoor areas. In these measurements the RF power level, ambient power density and the amount of energy that can be harvested from urban areas were detected with using the "Microstrip Folded Dipole Antennas" (MFDA), which can operate at 900 MHz and 1800 MHz frequencies.
Parameters affecting "Power Conversion Efficiency" (PCE) have been found out with the traditional rectification circuit topologies, designed. Parameters, affecting the PCE value such as rectifier circuit topology, diode parameters, substrate material properties, rectification layer number, and load resistance were investigated by simulation and measurement. As a result of these measurement and simulation studies, two new rectification circuit topologies have been developed in which the efficiency is increased in the "PCE" axis and "Input Power" axis. Passive RF/Microwave couplers are used in these new rectification circuit topologies.
A directional coupler that is a passive Microwave/RF circuit element was used to increase efficiency in the input power axis. This designed and fabricated coupler shows the 18 dB coupling ratio between 1 GHz and 3 GHz according to simulation and measurement results. A new rectification circuit topology has been improved by combining this coupler circuit with the three-layer Dickson and half-wave rectification circuit. First of all, efficiency analysis at 2.45 GHz frequency was carried out for both rectification circuits. Half-wave rectification circuit with 28 dB input power band at the 20% cutting efficiency limit, captured the maximum efficiency (69%) at the input power level of 1 dBm. Dickson circuit topology with 22 dB input power band at the same cutting efficiency limit provided the maximum efficiency (75%) at 19 dBm input power. Two rectification circuit topologies designed to operate with high efficiency at different input powers is combined at the coupled and through port of the directional coupler. Dickson rectification circuit is located in the through port; half-wave rectification circuit is located in the coupled port. With the new rectification circuit topology developed with directional coupler, the input power band has been enhanced to 40 dB. So, with this new rectifier circuit topology, high efficiency was obtained in the wide input power spectrum.
With another rectification circuit topology developed, the efficiency is enhanced in the PCE axis. The traditional Greinacher full wave rectification circuit consists of combining two voltage doubler circuits. In Greinacher rectification circuit, RF signals are sent to the voltage doubler layer and reverse polarized voltage doubler layers with equal phase and amplitude. In the novel rectification circuit topology, "Hybrid Ring Coupler" (HRC) circuit was prefered to create a 180° phase difference between these two circuit inputs. Simulation and measurement results show that the HRC circuit operates between 1.3 GHz and 2.34 GHz. By combining 180° HRC and Greinacher full wave rectification circuits, the efficiency is enhanced in the PCE axis between -10 dBm and 10 dBm input powers. The rectification circuit efficiency performance in simulation and measurement studies developed for this study were carried out at the 1.85 GHz operating frequency with the GSM 1800 frequency band in mind. Efficiency with this second novel rectification circuit topology improved using HRC: enhanced by 20% in simulation and 17.7% in measurement.