DESIGN AND ANALYSIS OF IMPEDANCE-MATCHING AND DICKSON-VOLTAGE-MULTIPLIER FOR 915-MHZ RF ENERGY/HARVESTING SYSTEM

Abstract

ABSTRACT

As the world continues to shift towards sustainable and renewable energy sources, RFEH systems are gaining popularity as a promising solution for providing power to low-power electronic devices by converting ambient radio frequency waves into usable electrical power. This thesis analysis and investigates the relationship between RFEH parameters and the DC output voltage for input power from -40 dBm to 40 dBm. Three types of matching impedance networks have been used to design Dickson voltage multipliers stages (DVMs) such as (L, T, and π) matching networks. The design and implementation of DVM in this study for a range of load resistances from 20 to 2500 kΩ. To examine how alternative impedance matching impedance networks affect efficiency and output DC voltage. To design the DVM circuits, three types of Schottky diode models have been used: HSMS-2852, HSMS-2822, and HSMS-2860. The Advance Design System (ADS) 2021 environmental has been utilized to perform every simulation.

The Industrial, Scientific, and Medical Radio Band (ISM) selected frequency used in the suggested design is 915 MHz. At low-level input power, the simulation results indicated that the DVM circuit design with matching was more efficient than the DVM circuit without matching. Additionally, the simulation results demonstrate that low load usage boosts the harvesting circuit's efficiency. Furthermore, HSMS-2852 Schottky diode models are more efficient than HSMS-2822 models and HSMS-2860. Besides, The HSMS-2860 has the lowest forward voltage drop and the highest reverse voltage rating, which makes it the most efficient choice for a Dickson voltage multiplier. Moreover, the harvesting system with a matching circuit benefits the system without a matching circuit for low input power because all designs depend on the efficiency level. Hence, the comparison result and data analysis for both voltage and efficiency has been done in detail for all simulation parts in this thesis.

ÖZET

Dünya sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynaklarına doğru kaymaya devam ederken, RF enerji toplama sistemleri, ortamdaki radyo frekans dalgalarını kullanılabilir elektrik gücüne dönüştürerek düşük güçlü elektronik cihazlara güç sağlamak için umut verici bir çözüm olarak popülerlik kazanıyor. Bu tez, -40 dBm ile 40 dBm arasındaki giriş gücü için RF enerji toplama parametreleri ile çıkış DC voltajı arasındaki ilişkiyi analiz eder ve araştırır. (L, T ve π) eşleştirme ağları gibi Dickson voltaj çarpanı aşamalarını (DVÇ'ler) tasarlamak için üç tür eşleştirme empedans ağı kullanılmıştır. Bu çalışmada 20 ila 2500 kΩ yük direnci aralığı için DVM'nin tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. Bu tez, alternatif empedans eşleştirme, empedans ağlarının verimliliği ve çıkış DC voltajını nasıl etkilediğini inceler. DVM devrelerini tasarlamak için üç tip Schottky diyot modeli kullanılmıştır: HSMS-2852, HSMS-2822 ve HSMS-2860. Her bir simülasyonu gerçekleştirmek için Gelişmiş Tasarım Sistemi (GTS) 2021 ortamı kullanılmıştır. Tasarımda kullanılan Endüstriyel, Bilimsel ve Tıbbi Radyo Bandı (ISM bandı) hedef frekansı 915 MHz'dir. Düşük seviyeli giriş gücünde, simülasyon sonuçları, eşleştirmeli DVÇ devresi tasarımının, eşleştirmesiz DVÇ devresinden daha verimli olduğunu göstermiştir. Ek olarak simülasyon sonuçları, düşük yük kullanımının hasat devresinin verimliliğini artırdığını göstermektedir. Ayrıca HSMS-2852 Schottky diyot modelleri, HSMS-2822 modellerinden ve HSMS-2860 modellerinden daha verimlidir. Ayrıca HSMS-2860, en düşük ileri voltaj düşüşüne ve en yüksek ters voltaj değerine sahiptir, bu da onu bir Dickson voltaj çarpanı için en verimli seçim haline getirir. Ayrıca, tüm tasarımlar verimlilik düzeyine bağlı olduğundan, eşleştirme devresi olan toplama sistemi, düşük giriş gücü için eşleştirme devresi olmayan toplama sistemine göre daha avantajlıdır. Bu nedenle, bu tezdeki tüm simülasyon bölümleri için hem voltaj hem de verim için karşılaştırma sonucu ve veri analizi ayrıntılı olarak yapılmıştır.