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

Millimeter-scale RF Integrated Circuits and Antennas for Energy-efficient Wireless Sensor Nodes

Recently there has been increased demand for a millimeter-scale wireless sensor node for applications such as biomedical devices, defense, and surveillance. This form-factor is driven by a desire to be vanishingly small, injectable through a needle, or implantable through a minimally-invasive surgical procedure. Wireless communication is a necessity, but there are several challenges at the millimeter-scale wireless sensor node. One of the main challenges is external components like crystal reference and antenna become the bottleneck of realizing the mm-scale wireless sensor node device. A second challenge is power consumption of the electronics. At mm-scale, the micro-battery has limited capacity and small peak current. Moreover, the RF front-end circuits that operates at the highest frequency in the system will consume most of the power from the battery. Finally, as node volume reduces, there is a challenge of integrating the entire system together, in particular for the RF performance, because all components, including the battery and ICs, need to be placed in close proximity of the antenna. This research explores ways to implement low-power integrated circuits in an energy-constrained and volume constrained application. Three different prototypes are mainly conducted in the proposal. The first is a fully-encapsulated, autonomous, complete wireless sensor node with UWB transmitter in 10.6mm3 volume. It is the first time to demonstrate a full and stand-alone wireless sensing functionality with such a tiny integrated system. The second prototype is a low power GPS front-end receiver that supports burst-mode. A double super-heterodyne topology enables the reception of the three public GPS bands, L1, L2 and L5 simultaneously. The third prototype is an integrated rectangular slot loop antenna in a standard 0.13-μm BiCMOS technology. The antenna is efficiently designed to cover the bandwidth at 60 GHz band and easily satisfy the metal density rules and can be integrated with other circuitry in a standard process.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/143972/1/hskims_1.pd

Diseño y aplicaciones de sistemas de antenas inteligentes para redes inalámbricas en el contexto de la internet de las cosas

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Las antenas de onda de fuga (LWA) consisten en una estructura de guía de onda que permite la fuga de parte de la potencia a lo largo de la estructura. Por esta razón, la radiación de la antena se produce por la fuga de energía. Para producir una radiación coherente, es necesario controlar esta tasa de radiación a lo largo de la estructura radiante. Así, ajustando con precisión la tasa de radiación, se controla la forma del diagrama de radiación. Las LWAs han sido ampliamente estudiadas por la comunidad científica debido a sus ventajas, tales como, red de alimentación simple, alta directividad y escaneo en frecuencia pasivo. Sin embargo, presentan ciertas desventajas entre las cuales, la más importante a destacar es el efecto de beam-squinting. Éste se produce por la propiedad dispersiva inherente a este tipo de antenas. Además, presentan dificultades a la hora de generar radiación coherente en las direcciones broadside y endfire, aumentando la complejidad del diseńo para la radiación en dichas direcciones. Las LWA han sido relativamente poco utilizadas en aplicaciones prácticas hasta la fecha, a pesar de sus ventajas. Las pocas aplicaciones en las que se han utilizado son los radares de onda continua modulada en frecuencia y los sistemas de enfoque controlado en frecuencia de campo cercano. Esta tesis propone el uso de las LWAs en aplicaciones prácticas aprovechando las ventajas mencionadas anteriormente y teniendo en cuenta los inconvenientes de este tipo de antenas para que su uso no sea limitado. Recientemente, las LWAs han sido propuestas para aplicaciones de localización de bajo coste, ya que permiten el diseńo de estructuras planas con haces directivos. Además, debido al aumento exponencial del uso de la tecnología, es necesario encontrar nuevas tecnologías para una transmisión de datos mayor, más rápida y más eficiente, manteniendo bajos costes de fabricación. Por lo tanto las LWAs pueden ser una solución crucial al mezclar bajos costes de fabricación, alta integrabilidad en diferentes sistemas debido a su tecnología impresa planar y alta directividad al mismo tiempo que se aprovecha su característica dispersiva que proporciona un escaneo pasivo en frecuencia. En este contexto, la principal aportación de esta Tesis consiste en el estudio, análisis, diseńo e integración de LWAs en aplicaciones reales y prácticas. Esta Tesis presenta las siguientes tres contribuciones principales, definidas en los tres bloques principales de este documento: • Estudio y análisis de LWAs para su uso en sistemas de estimación de dirección de llegada basados en técnicas de amplitud de monopulso. Comparar las características y prestaciones de las LWAs junto con las antenas comerciales más utilizadas. Para ello, diseńar y fabricar las HWM-LWAs con el fin de comparar sus prestaciones con las antenas de panel adquiridas comercialmente. Dado que cada aplicación requiere el diseńo de una HWM-LWA nueva y diferente, estudiar y proponer una técnica eficiente de análisis y diseńo de antenas para obtener fácilmente diagramas de radiación monopulso escaneados en frecuencia. • Una vez analizado que las HWM-LWA son una solución factible para su uso en aplicaciones reales de localización debido a sus diversas ventajas. Integrar las HWM-LWAs diseńadas en sistemas digitales para estimación del ángulo de llegada en interiores. Por lo tanto, diseńar, desarrollar, configurar e integrar las LWAs en diferentes sistemas basados en las bandas de frecuencia Wi-Fi ISM de 2,4 GHz y 5 GHz. Finalmente, comparar los resultados de estimación obtenidos con otras soluciones propuestas para corroborar que los LWAs pueden ser utilizados en aplicaciones reales. • Asimismo, debido a su bajo coste de fabricación y a su principal propiedad de escaneo en frecuencia. Ampliar el uso de las LWAs para la localización angular en redes de sensores inalámbricas (WSN) utilizando la banda de frecuencias UHF de 900 MHz. Utilizando así etiquetas RFID pasivas. También estudiar su aplicabilidad en WSNs utilizando etiquetas LoRa activas. Este documento se presenta como una Tesis por compendio, por lo que se presentarán y explicarán brevemente los 4 artículos de revistas que se han publicado durante el programa de doctorado. Además, también se presentarán algunos artículos de conferencias y otros trabajos en revisión para exponer algunas de las investigaciones que no han sido publicadas en revistas hasta la fecha de depósito de tesis. El documento está organizado como se indica a continuación: En la Introducción, se presenta una contextualización del estado del arte y una explicación rigurosa sobre las LWAs y las aplicaciones anteriormente mencionadas. Las dos partes siguientes se vi dedican a presentar y explicar brevemente los trabajos publicados que contribuyen a esta Tesis. En la parte II, se presentan los cuatro artículos que conforman el compendio. Esto es, el análisis de las LWAs para la estimación de la dirección del ángulo de llegada y la integración de las LWAs en sistemas de localización digital usando el protocolo Wi-Fi en el Capítulo 1, la banda de frecuencias ISM UHF 900 MHz se utiliza junto con los HWM-LWAs en el Capítulo 2, luego se implementa en un sistema en tiempo real para la estimación de la dirección de llegada de múltiples tags pasivos en el Capítulo 3 y la integración de LoRa en el Capítulo 4. Finalmente, en la Parte III, se discuten las conclusiones generales y las futuras líneas de investigación. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Leaky-Wave Antennas (LWA) consist on a waveguide structure which allows the leakage of part of the power along the structure. For this reason, the radiation of the antenna is produced by the leakage of power. In order to produce coherent radiation, it is necessary to control this leakage rate along the radiating structure. Thus, precisely adjusting the leakage rate, the shape of the radiation pattern is controlled. LWAs have been widely studied by the scientific community due to their advantages, such as, simple feeding network, high directivity and passive frequency-scanning performance. However, they present certain disadvantages among which, the most important to highlight is the beam-squinting effect. TThis is due to the inherent dispersion property of this type of antenna. In addition, LWAs present difficulties when generating coherent radiation in broadside and endfire directions, increasing the complexity of the design for radiation in these directions. LWAs have been relatively unused in practical applications to date, despite of their benefits. The few applications in which they have been used are frequency modulated continuous wave radars and near-field frequency controlled focusing systems.This thesis proposes the use of LWAs in practical applications by exploiting the advantages mentioned above while taking into account the drawbacks of this type of antennas so that their use is not limited. Recently, LWAs have been proposed for low-cost localization applications, as they allow the design of planar structures with directive beams. In addition, due to the exponential increase in the use of technology, it is necessary to find new technologies for higher, faster and more efficient data transmission while maintaining low manufacturing costs. Therefore, LWAs can be a crucial solution mixing low manufacturing costs, high integrability in different systems due to their planar printed technology and high directivity while taking advantage of their dispersive characteristic that provides passive frequency scanning. In this context, the main contribution of this Thesis consist of the study, analysis, design and integration of LWAs in real and practical applications. This Thesis presents the following three main contributions, defined in the three main blocks of this document: • Study and analysis of LWAs for its use in direction of arrival estimation systems based on monopulse amplitude techniques. Compare the characteristics and performance of LWAs along with widely used commercial antennas. For this purpose, design and manufacture the HWM-LWAs in order to compare their performance with commercially acquired panel antennas. Since each application requires the design of a new and different HWM-LWA, a main objective of this block is to study and propose an efficient antenna analysis and design technique to facilitate obtaining frequency-scanned monopulse patterns. • Once analyzed that LWAs are a feasible solution for its use in real localization applications due to their several advantages, integrate the designed half-width microstrip (HWM-LWAs) in digital indoor angle-of-arrival estimation systems. Therefore, design, develop, configure and integrate LWAs in different systems based on the Wi-Fi ISM 2.4 GHz and 5 GHz frequency bands. Finally, compare the obtained estimation results with other proposed solutions to corroborate that LWAs can be used in real applications. • Extending the use of antennas for angular localization in sensor networks using the 900 MHz UHF frequency band: the main properties of low manufacturing cost and passive frequency beam scanning can be used in other applications. Thus, the localization estimation of passive RFID tags is studied, as well as their application in Wireless Sensor Networks (WSNs) using active tags with LORA technology. This document is presented as a Thesis by compilation, so the 4 journal articles that have been published during the Ph.D program will be presented and briefly explained. Besides, some conference articles and other work under review will be also presented to expose some of the research that has not been published in journals. The document is organized as outlined hereafter: In Part I, a state-of-the-art contextualization, a rigorous explanation about LWAs and the previous applications mentioned above is presented. The next two parts are dedicated to present and briefly explain the published works included in this Thesis and their main contributions. In Part II the explanation of the four papers which compose the compendium are presented. This is, LWAs analysis for direction of arrival estimation and the integration of LWAs in digital Wi-Fi localization systems in chapter 1, the UHF 900 MHz ISM frequency band is used in conjunction with HWM-LWAs in chapter 2, then, it is implemented in a real time system for direction of arrival estimation of multi RFID tags in chapter 3 and LoRa integration in chapter 4. Finally, in Part III, the overall conclusions and the future research lines are discussed.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos. Article 1.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. A. Lopez-Pastor, J. C. Sanchez-Aarnoutse and J. L. Gomez-Tornero, Wi-Fi Direction Finding with Frequency-Scanned Antenna and Channel Hopping Scheme IEEE sensors Journal, , vol. 22, no. 6, pp. 5210-5222, 2022. DOI: 10.1109/JSEN.2021.3122232. Article 2.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Frequency-Scanned Monopulse Antenna for RSSI-based Direction Finding of UHF RFID tags IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,, vol. 21, no. 1, pp. 158-162, 2022. DOI: 10.1109/LAWP.2021.3122232. Article 3.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. Garcia-Fernandez, M. Campo-Valera, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Direction Finding of RFID tags in UHF Band Using a Passive Beam-Scanning Leaky-Wave Antenna IEEE Journal of Radio Frequency Identi cation, doi: 10.1109/JRFID.2021.3122233. Article 4.-: J. L. Gomez-Tornero, A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia and D. Cañete-Rebenaque, ARIEL: Passive Beam-Scanning Antenna TeRminal for Iridiscent and E cient LEO Satellite Connectivity in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, doi: 10.1109/LAWP.2022.3193040.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicacione

Wireless Sensor Networks

The aim of this book is to present few important issues of WSNs, from the application, design and technology points of view. The book highlights power efficient design issues related to wireless sensor networks, the existing WSN applications, and discusses the research efforts being undertaken in this field which put the reader in good pace to be able to understand more advanced research and make a contribution in this field for themselves. It is believed that this book serves as a comprehensive reference for graduate and undergraduate senior students who seek to learn latest development in wireless sensor networks