Energy Harvesting for Ambient Backscatter Communications

Abstract

I denne avhandlingen blir designet av en 50 Ohm patch antenne og et radiofrekvens energihøstings system egnet for en sannsynelig ambient backscatter kommunikasjons enhet forklart. Systemet er montert på et FR-4 substrat og består av butikk-kjøpte komponenter, og høster energi ved å konvertere 1800 MHz elektromagnetisk stråling til DC ved bruk av en 1-trinns Villard spennings dobler krets, hvilket handler som en likeretter.

Likeretteren bruker Skyworks SMS7630, null-bias Schottky dioder til å likerette innkommende lav effekt AC signaler til elektrisk ladning som kan brukes til å drive en lav-effekt mikrokontroller slik som Microchip's ATMega4809. I teorien skal hvert trinn doble inngangs spenningen. Ved å kansellere kapasitansen til likeretter diodene ved bruk av spoler kan spennings multiplikatoren økes videre uten behov for flere trinn.

Gjennom spektrummålinger ved et fast sted ble det funnet at antenna klarte på sitt beste å gi en utgangs AC effekt på -13 dBm (50 uW) for ett bånd som spenner fra 1790- til 1910 MHz. Levering av en 1850 MHz sinus bølge med samme effekt på inngangen av energi høsteren gav oss en målt DC utgangsspenning på 107 mV, hvilket ikke er nok til å drive ATMega4809. Den minste mengden effekt som kreves for at systemet skal kunne gi 2 V er 6 dBm (4 mW).

Det ble konkludert med at å utvikle av et fungerende radiofrekvens energihøstings system med butikk-kjøpte komponenter var en vanskelig prosess på grunn av behovet for nøyaktige simulerings modeller og etter produksjons tuning, samt mangel på kontroll over parasitter og komponent toleranser. Som avsluttende dom ble det resonnert til at en lav-effekt ladepumpe ville vært ett nyttig tillegg til systemet for å gi 2 V med mindre inngangs effekt.

In this thesis the design of a 50 Ohm patch antenna and radio frequency energy harvesting system usable for a plausible ambient backscatter communications device is detailed. The system is assembled on a FR-4 substrate and built using only off-the-shelf components, and harvests power by converting 1800 MHz electromagnetic radiation to DC through the use of a 1-stage Villard voltage doubler circuit, which acts as a rectifier.

The rectifier uses Skyworks SMS7630, zero-bias Schottky diodes to rectify any incoming low power AC signals into electrical charge which can then be used to power a low-power microcontroller like Microchip's ATMega4809. In theory each stage should double the input voltage. By cancelling the capacitance of the rectifier diodes through the use of inductors the voltage multiplier is further increased without the need for more stages.

Through spectrum measurements at a fixed location it was found that the antenna could at best provide an output AC power of -13 dBm (50 uW) for a band ranging from 1790- to 1910 MHz. Supplying a 1850 MHz sine wave with the same power on the input of our energy harvester gave us a measured DC output voltage of 107 mV, which is not enough to power the ATMega4809. The minimum amount of input power required for the system to provide 2 V is 6 dBm (4 mW).

It was concluded that developing a feasible radio frequency energy harvesting system with off-the-shelf components was a difficult process due to the need for accurate simulation models and post-manufacture tuning, and lack of control over parasitics and component tolerances. As a final verdict, it was reasoned that a low-power charge pump would have been a useful addition for the system so as to provide 2 V with less input power.