Tri-band CMOS Circuit Dedicated for Ambient RF Energy Harvesting

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.