An RF-to-DC energy harvester for co-integration in a low-power 2.4 GHz transceiver frontend

Comunicación presentada al "ISCAS 2012" celebrado en Seúl (Corea del Sur) del 20 al 23 de Mayo del 2012.A 2.4 GHz energy harvester for co-integration into a low-power transceiver (TRx) operating at the same frequency is presented. An RF switch decouples the harvester from the TRx and keeps the performance degradation of the TRx low, i.e. 0.2 dB reduced output power in Tx-mode and 0.4 dB reduced sensitivity in Rx-mode. In order to enable the harvester to operate without a DC power supply, an RF switch is used that is passively turned on. The circuit is implemented in a 130 nm CMOS process, and requires a minimum input RF power of -10 dBm. Based on post-layout simulation results the proposed energy harvester achieves a peak efficiency of 22.7% at an input power level of -3 dBm.This work has been supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation under grant TEC2009-08447, the Junta de Andalucía under grant TIC-02818 and the 2007-2013 FEDER Program.Peer Reviewe

Parasitics Impact on the Performance of Rectifier Circuits in Sensing RF Energy Harvesting

This work presents some accurate guidelines for the design of rectifier circuits in radiofrequency (RF) energy harvesting. New light is shed on the design process, paying special attention to the nonlinearity of the circuits and the modeling of the parasitic elements. Two different configurations are tested: a Cockcroft–Walton multiplier and a half-wave rectifier. Several combinations of diodes, capacitors, inductors and loads were studied. Furthermore, the parasitics that are part of the circuits were modeled. Thus, the most harmful parasitics were identified and studied in depth in order to improve the conversion e ciency and enhance the performance of self-sustaining sensing systems. The experimental results show that the parasitics associated with the diode package and the via holes in the PCB (Printed Circuit Board) can leave the circuits inoperative. As an example, the rectifier e ciency is below 5% without considering the influence of the parasitics. On the other hand, it increases to over 30% in both circuits after considering them, twice the value of typical passive rectifiers.This work was supported in part by the Spanish Research and Development National Program under projects TIN2016-75097-P, TEC2017-85529-C3-1-R and RTI2018-102002-A-I00

Tri-band CMOS Circuit Dedicated for Ambient RF Energy Harvesting

RÉSUMÉ L'utilisation de systèmes sans fil connait une croissance rapide dans divers domaines tels que les réseaux de téléphonie cellulaire, Wi-Fi, Wi-Max, la radiodiffusion et les communications par satellite. Cette croissance mènera à une quantité considérable d'énergie électromagnétique générée dans l'air ambiant, mais toujours en dessous des limites de sécurité internationales. Ainsi, la recherche au niveau des systèmes de récupération d'énergie RF pour alimenter des appareils électroniques miniaturisés à faible consommation de puissance devient attrayante et prometteuse. Le bloc principal dans un système de récupération d'énergie RF est le redresseur qui détermine l'efficacité et la sensibilité de l'ensemble du système. Étant donné que la puissance RF ambiante est très faible, la quantité d'énergie captée par l'antenne l’est également. En outre, il y a des pertes au niveau du réseau d'adaptation d’impédance qui réduisent encore plus la puissance transmise au bloc redresseur. Par conséquent, la puissance disponible est trop faible pour faire fonctionner des redresseurs classiques. Dans ce mémoire, nous proposons trois redresseurs à trois-étages et à grilles totalement croisées-couplées en utilisant des transistors à faible tension de seuil afin d’opérer à de faibles puissances d'entrée. Les trois redresseurs ont été conçus et intégrés au sein d’une même puce fabriquée en utilisant une technologie CMOS 130nm d’IBM. Ils ont été optimisés à des fréquences de 880MHz, 1960MHz et 2.45GHz respectivement. Les résultats expérimentaux démontrent qu’ils atteignent une efficacité de conversion de puissance maximale de 62%, 62% et 56.2% respectivement. Les mesures montrent également une grande amélioration de l'efficacité à de faibles niveaux de puissance d'entrée. Afin de récupérer l'énergie ambiante de trois principales sources RF au Canada – GSM-850, GSM-1900 et Wi-Fi, un système de redresseur utilisé pour la combinaison de la puissance de ces trois canaux est simulé et analysé. Le système utilise une topologie consistant simplement à connecter les sorties des redresseurs ensemble pour charger le condensateur de charge. En dépit de la grande amélioration de l'efficacité et de la sensibilité dans la plage de 0-5μW, une baisse d'efficacité indésirable se produit aux puissances plus élevées. Ainsi, un nouveau bloc de gestion de l'alimentation est proposé. De plus, une antenne tri-bande est conçue et simulée pour diminuer le volume de l'ensemble du système de récupération d'énergie RF. En particulier, les pertes par réflexion obtenues sont de -25.43dB, -13.92dB et -12.73dB aux fréquences citées plus haut respectivement.---------- ABSTRACT Nowadays, the use of wireless systems has grown rapidly in various domains such as cellular phone networks, Wi-Fi, Wi-Max, radio broadcasting and satellite communications. The growing use of these wireless systems leads to considerable amount of electromagnetic energy generated in ambient air (of course, still below international safety limits). Thus the research in ambient RF energy harvesting system dedicated for powering up low-power-consumption miniaturized electronic devices becomes attractive and promising. The main block in a RF harvesting system is the rectifier which determines the efficiency and sensitivity of the whole system. Since ambient RF power is very low, the amount of power captured by the antenna is extremely low. Besides, there is loss on matching networks, thus the available power given to the rectifier block is too low for traditional rectifiers to operate. Therefore, in this master thesis, three three-stage fully gate cross-coupled rectifiers using low-thresholdvoltage transistors are proposed to overcome the dead zone in low input power range. The three rectifiers optimized at 880MHz, 1960MHz and 2.45GHz frequencies respectively are designed on one chip layout. Their experimental results are retrieved from this custom fabricated integrated circuit using IBM 130nm CMOS technology. They achieve peak efficiencies of 62%, 62% and 56.2% respectively and show great improvements on power conversion efficiency at low input power level. In order to harvest ambient RF energy from the three main RF contributors in Canada – GSM-850, GSM-1900 and Wi-Fi 2.4GHz, a rectifier system used for power combination from these three channels is simulated and analyzed. The system employs a simple topology by connecting the outputs together to charge the load capacitor. In spite of its high improvements on efficiency and sensitivity in 0-5μW range, an undesirable efficiency drop happens at higher input power levels. Thus an idea of power management block is proposed. In addition, a tri-band antenna is designed and simulated so as to decrease the volume of the overall RF energy harvesting system. It achieves return loss of -25.43dB, -13.92dB and - 12.73dB at each desired band respectively