A wide dynamic range RF-DC rectifier circuit for a 900MHz energy harvesting system using 180nm CMOS technology

Abstract

En los captadores de energía de RF, la eficiencia del rectificador RF-DC viene determinada por la potencia de RF de entrada, que suele fluctuar debido a las pérdidas en el espacio libre y a las interferencias de la señal, entre otras causas. Para maximizar la transferencia de potencia de RF, el rectificador RF-DC debe mantener una eficiencia de conversión de potencia (PCE) cercana al máximo en un amplio rango de entrada, conocido como rango dinámico (DR). Sin embargo, esto presenta retos a bajos niveles de potencia debido a la tensión umbral del transistor y a altos niveles de potencia debido a las corrientes de fuga inversas del transistor. Este trabajo presenta un rectificador diferencial RF-DC de 900 MHz para sistemas de captación de energía optimizado para un amplio rango dinámico. La arquitectura propuesta incorpora un circuito de realimentación adaptativo para maximizar la transferencia de potencia a niveles bajos de potencia de entrada y reducir las corrientes de fuga a niveles medios y altos de potencia de entrada. Se ha diseñado, simulado y fabricado un prototipo del rectificador RF-DC en la tecnología CMOS de 180 nm Mixed-Mode/RF de UMC. Los resultados de la simulación muestran dos eficiencias de conversión de potencia de pico del 84,49% a -11,34 dBm y del 82,71% a -24,16 dBm, una RD teórica de 30 dB, una RD práctica de 16.56 dB y una sensibilidad de -18,99 dBm.

In RF energy harvesters the efficiency of the RF-DC rectifier is determined by the input RF power which typically fluctuates due to free-space losses and signal interference among other causes. To maximize the RF power transfer, the RF-DC rectifier must maintain a near to maximum power conversion efficiency (PCE) across a wide input range, known as the dynamic range (DR). However, this presents challenges at low power levels due to the transistor’s threshold voltage and high power levels due to the transistor’s reverse leakage currents. This work presents a 900MHz differential RF-DC rectifier for energy harvesting systems optimized for a wide dynamic range. The proposed architecture incorporates an adaptive feedback circuit to maximize power transfer at low input power levels and reduce the leakage currents at mid and high input power levels. A prototype of the RF-DC rectifier was designed, simulated, and fabricated in UMC’s 180nm Mixed-Mode/RF CMOS technology. Simulation results show two peak power conversion efficiencies of 84.49% at -11.34dBm and 82.71% at -24.16dBm, a theoretical DR of 30 dB, a practical DR of 16.56 dB, and a sensitivity of -18.99 dBm.