МОДЕЛЬ РЕКТЕННЫ НА ОСНОВЕ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ ДЛЯ СОБИРАНИЯ СВЧ ЭНЕРГИИ ПРИ СВЕРХНИЗКИХ УРОВНЯХ МОЩНОСТИ:

Б.Г. Коноплев

Б.Г. Коноплев Южный федеральный университет

Ключевые слова: Собирание СВЧ энергии из окружающей среды, ректенны, нанометровые МОП-транзисторы, подпороговый режим, модель ректенны

Аннотация

Для беспроводного и безбатарейного питания автономных приборов с малой потребляемой
мощностью все шире применяется собирание радиочастотной энергии из окружающей среды:
энергии излучения станций сотовой связи, радиотелевизионных станций, СВЧ-печей, Wi-Fi, Bluetooth
и др. источников. Для преобразования собранной энергии в напряжение питания постоянного
тока применяются устройства, состоящие из антенны, выпрямителя и схемы согласования им-
педансов антенны и выпрямителя, называемые ректеннами. При собирании энергии из окружаю-
щей среды плотность мощности электромагнитного поля может быть весьма малой: от сотен
микроватт до десятков пиковатт на см2. Поэтому актуальной является задача разработки рек-
тенн, способных работать при сверхнизких уровнях мощности. Параметры составляющих рек-
тенны (антенны, схемы согласования импедансов, выпрямителя) сильно связаны между собой,
поэтому для получения оптимальных характеристик необходимо выполнять проектирование
ректенны с учетом взаимовлияния всех составляющих и использовать соответствующие модели.
В работе выполнен анализ особенностей построения и разработка модели ректенны на основе
МОП-транзисторов для работы при сверхнизких уровнях мощности в составе автономных уст-
ройств с беспроводным питанием. Получены выражения для оценки выходного напряжения рек-
тенны с учетом основных параметров антенны, выпрямителя/умножителя напряжения и уст-
ройства согласования импедансов. Выполнены расчеты по полученным выражениям и моделиро-
вание для типовой КМОП-технологии 90 нм. Показана возможность построения ректенн на ос-
нове МОП-транзисторов при сверхнизких мощностях вплоть до -50 дБм. Даны рекомендации по
выбору технологических и конструктивных параметров ректенн для собирания СВЧ энергии.

Литература

1. Shinohara N. Wireless Power Transfer via Radiowaves. – London: ISTE Ltd., 2014. – 238 p.
2. Tran L.-G., Cha H.-K., Park W.-T. RF power harvesting: a review on designing methodologies and
applications // Micro and Nano Systems Letters. – 2017. – Vol. 5, No. 14. – P. 1-16.
3. Luo Y., Pu L., Wang G., Zhao Y. RF Energy Harvesting Wireless Communications: RF Environment,
Device Hardware and Practical Issues // Sensors. – 2019. – Vol. 19. – Article 3010. - 28 p.
4. Shinohara N. History and Innovation of Wireless Power Transfer via Microwaves // IEEE Journal on
Microwaves. – 2021. - Vol. 1, No. 1. – P. 218-228.
5. Ibrahim H.H., Singh M.J., Al-Bawri S.S., Ibrahim S.K., Islam M.T., Alzamil A., Islam M.S. Radio Frequency
Energy Harvesting Technologies: A Comprehensive Review on Designing, Methodologies,
and Potential Applications // Sensors. – 2022. Vol. 22, 4144. – 30 p.
6. Binod Kumar Kanaujia, Neeta Singh, Sachin Kumar. Rectenna: Wireless Energy Harvesting System.
– Singapore: Springer, 2021. – 180 p.
7. Gao S.-P., Ou J.-H., Zhang X., Guo Y. Scavenging Microwave Wireless Power: A Unified Model,
Rectenna Design Automation, and Cutting-Edge Techniques // Engineering. – 2023. – Vol. 30, No. 11.
– P. 32-48.
8. Rashid A.H., Ahmad B.H., Abd Aziz M.Z., Nornikman H. Rectenna for Radio Frequency Energy Harvesting:
A Review // Elektrika. – 2024. – Vol. 23, No. 1. – P. 12-17.
9. Sadek D.H., Shawkey H.A., Zekry A.A. Compact and High-Efficiency Rectenna for Wireless Power-
Harvesting Applications // Hindawi International Journal of Antennas and Propagation. – 2021. – Vol. 21.
– 1109850. – 8 p.
10. Ali W., Subbyal H., Sun L., Shamoon S. Wireless Energy Harvesting Using Rectenna Integrated with
Voltage Multiplier Circuit at 2.4 GHz Operating Frequency // Journal of Power and Energy Engineering.
– 2022. – No. 10. – P. 22-34.
11. Pramono S., Shidiq D.D., Ibrahim M.H., Adriyanto F., Hikmaturokhman A. RF energy harvesting
using a compact rectenna with an antenna array at 2.45 GHz for IoT applications // Journal of Electrical
Engineering. – 2021. – Vol. 72, No. 3. – P. 159-167.
12. Pinuela M., Mitcheson P.D., Lucyszyn S. Ambient RF Energy Harvesting in Urban and Semi-Urban
Environments, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2013, Vol. 61, No. 7, pp.
2715-2726.
13. Wagih M., Beeby S. Thin Flexible RF Energy Harvesting Rectenna Surface with a Large Effective
Aperture for Sub-μW/cm2 Powering of Wireless Sensor Nodes, IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, 2022, Vol. 70, No. 9, pp. 4328-4338.
14. Chen Z., Song C., Zhang J., Zheng X., Volskiy V., Chu P., Vandenbosch G.A. Wearable Rectenna with
Integrated Miniaturized Feeding Slot and Rectifier Structure // IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, 2023, Vol. 71, No. 5. - pp. 3868-3881.
15. Konoplev B.G. Analiz vypryamitelnykh svoystv nanometrovykh MOP-tranzistorov v diodnom
vklyuchenii pri sverkhnizkikh napryazheniyakh [Analysis of rectifier properties of nanometer
MOSFETS in diode connection at ultra-low voltages], Izvestiya YuFu. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya
SFedU. Engineering Sciences], 2024, No. 2 (238), pp. 175-183.
16. Sinyukin A.S., Konoplev B.G. Integrated CMOS Microwave Power Converter for Passive Wireless
Devices, Russian Microelectronics, 2021, Vol. 50, No. 3, pp. 189-196.
17. Johnson R. C. Antenna Engineering Handbook. New York: McGraw-Hill, 1993, 988 p.
18. Hameed Z., Moez K. Design of impedance matching circuits for RF energy harvesting systems, Microelectronics
Journal, 2017, Vol. 62, pp. 49-56.
19. Shameli A., Safarian A., Rofougaran A., Rofougaran M., De Flaviis F. Power Harvester Design for
Passive UHF RFID Tag Using a Voltage Boosting Technique, IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques, 2007, Vol. 55, No. 6, pp. 1089-1097.
20. Le T., Mayaram K., Fiez T. Efficient Far-Field Radio Frequency Energy Harvesting for Passively
Powered Sensor Networks, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, Vol. 43, No. 5, pp. 1287-1302.
21. Oh S., Wentzloff D.D. A -32dBm Sensitivity RF Power Harvester in 130nm CMOS, IEEE Radio Frequency
Integrated Circuits Symposium, June 2012, Canada, Montréal, pp. 483-486.
22. Aksoyak I.K., Chletsou A., Papapolymerou J., Ulusoy A.C. A High Sensitivity RF Energy Harvester
for Diverse Environments, 2020 50th European Microwave Conference, January 2021, Netherlands,
Utrecht, pp. 444-447.
23. Lee T.H. The design of CMOS radio-frequency integrated circuits. New York: Cambridge University
Press, 2012, 797 p.
24. Razavi B. RF microelectronics. New York: Prentice Hall, 2012, 916 p.
25. Barnett R.E., Liu J., Lazar S. A RF to DC Voltage Conversion Model for Multi-Stage Rectifiers in
UHF RFID Transponders, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2009, Vol. 44, No. 2, pp. 354-370.
26. Hu C., Niknejad A.M., Chauhan S.Y. BSIM4v4.8.2 MOSFET Model – User’s Manual. USA, CA,
Berkeley: University of California, 2020, 176 p.
27. Sicard E., Bendhia S.D. Basics of CMOS Cell Design. New York: McGraw-Hill, 2007, 429 p.