Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2007

For radio frequency energy transmission, the conversion efficiency of the receiver is decisive not only for reducing sending power, but also for enabling energy transmission over long and variable distances. In this contribution, we present a passive RF-DC converter for energy harvesting at ultra-low input power at 868 MHz. The novel converter consists of a reactive matching circuit and a combined voltage multiplier and rectifier. The stored energy in the input inductor and capacitance, during the negative wave, is conveyed to the output capacitance during the positive one. Although Dickson and Villard topologies have principally comparable efficiency for multi-stage voltage multipliers, the Dickson topology reaches a better efficiency within the novel ultra-low input power converter concept. At the output stage, a low-pass filter is introduced to reduce ripple at high frequencies in order to realize a stable DC signal. The proposed rectifier enables harvesting energy at even a low input power from −40 dBm for a resistive load of 50 kΩ. It realizes a significant improvement in comparison with state of the art solutions

For radio frequency energy transmission, the conversion efficiency of the receiver is decisive not only for reducing sending power, but also for enabling energy transmission over long and variable distances. In this contribution, we present a passive RF-DC converter for energy harvesting at ultra-low input power at 868 MHz. The novel converter consists of a reactive matching circuit and a combined voltage multiplier and rectifier. The stored energy in the input inductor and capacitance, during the negative wave, is conveyed to the output capacitance during the positive one. Although Dickson and Villard topologies have principally comparable efficiency for multi-stage voltage multipliers, the Dickson topology reaches a better efficiency within the novel ultra-low input power converter concept. At the output stage, a low-pass filter is introduced to reduce ripple at high frequencies in order to realize a stable DC signal. The proposed rectifier enables harvesting energy at even a low input power from −40 dBm for a resistive load of 50 kΩ. It realizes a significant improvement in comparison with state of the art solutions

Die Einführung des millimeter-Wellen-Bandes eröffnet neue Perspektiven für die Radio Frequency Identification (RFID) Kommunikationssysteme. Der Enwurf des Systems im 60-GHz-Band ermöglicht die Implementierung der On-Chip Antenne und darüber hinaus die Implementierung eines RFID-Tags auf einem einzigen Chip. Dennoch ist es aufgrund der gesetzlichen Beschränkung der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP) des Lesegeräts und der erhöhten Freiraum-Dielektrikumsverluste eine Herausforderung, eine zuverlässige Kommunikationsreichweite von mehreren Millimetern zu erreichen. Neue Lösungen sind für jeden Block sowohl im Lesegerät als auch im Single-Chip-Tag erforderlich. Obwohl das Lesegerät batteriebetrieben ist, ist es immer noch eine Herausforderung, die maximal zulässigen 20 dBm IERP des Lesersenders energieeffizient zu erzeugen. Darüber hinaus sollte der Empfänger einen ausreichenden Dynamikbereich haben, um das vom Tag kommende Signal zu erkennen. Auf der Tag-Seite sind die Hauptherausforderungen das Co-Design der effizienten On-Chip-Antennen-Implementierung, die hochempfindliche Gleichrichter-Implementierung und das Rückkommunikationskonzept. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Machbarkeitsstudie des Single-Chip-RFID-Tags und die Implementierung im Millimeterwellenbereich. Es werden zwei Rückkommunikationskonzepte untersucht - Backscattering-Rückkommunikation und eine Kommunikation unter Verwendung von Ultra-Low-Power (ULP) Radios. Beide werden in einem 22 nm FDSOI Prozess auf einem Substrat mit geringem Widerstand implementiert. Beide Tags arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 0,4 V, um die Kommunikationsreichweite zu maximieren. Die Link-Budgets sind so ausgelegt, dass sie die regulatorischen Beschränkungen einhalten. Die Auswahl des Technologieknotens wird begründet. Verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit der Technologie werden diskutiert, wie z. B. Geräteleistung, passiver Qualitätsfaktor, Leistungsdichte der Kondensatoren. Der Backscattering RFID-Tag wird zuerst entworfen, da er eine relativ einfachere Topologie hat. Die Probleme der Gleichrichterempfindlichkeit im Rahmen des analogen Frontends, der On-Chip-Antenneneffizienz und der konjugierten Anpassung beider werden untersucht. Eine Kommunikationsreichweite von 5 mm wird angestrebt und realisiert. Um die Kommunikationsreichweite weiter zu erhöhen, wird in der zweiten Phase ein Tag mit einer aktiven Rückkommunikation implementiert. Hier wird die Gleichrichterempfindlichkeit weiter verbessert. Es wird ein 0,4V ULP Radio entworfen, das sich die Antenne mit dem Gleichrichter über einen Single-Pole- Double-Through (SPDT) Schalter teilt. Ein Abstand von 2 cm erwies sich als realisierbar, wobei die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten und der dynamische Bereich des Leseempfängers nicht überschritten wurde. Es wird die höchste normalisierte Kommunikationsreichweite pro Leser-EIRP erreicht. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert.

The intentions of the so-called "More Electrical Aircraft" (MEA) are higher efficiency and lower weight. A main topic here is the application of electrical instead of hydraulical, pneumatical and mechanical systems. The necessary power electronic devices have intermediate DC-links, which are typically supplied by a three-phase system with active B6 and passive B12 rectifiers. A possible alternative is the B6 diode bridge in combination with an active power filter (APF). Due to the parallel arrangement, the APF offers a higher power density and is able to compensate for harmonics from several devices. The use of the diode bridge rectifier alone is not permitted due to the highly distorted phase current. The following investigations are dealing with the development of an active power filter for a three-phase supply with variable frequency from 360 to 800 Hz. All relevant components such as inductors, EMC-filters, power modules and DC-link capacitor are designed. A particular focus is put on the customized power module with SiC-MOSFETs and SiC-diodes, which is characterized electrically and thermally. The maximum supply frequency slope has a value of 50 Hz/ms, which requires a high dynamic and robustness on the control algorithm. Furthermore, the content of 5th and 7th harmonics must be reduced to less than 2 %, which demands a high accuracy. To cope with both requirements, a two-stage filter algorithm is developed and implemented in two independent signal processors. Simulations and laboratory experiments confirm the performance and robustness of the control algorithm. This work comprehensively presents the design of aerospace rectifiers. The results were published in conferences and patents. / Hauptziele des sogenannten "More Electrical Aircraft" (MEA) sind Effizienzerhöhung und Gewichtseinsparung. Ein Schwerpunkt hierbei ist die Nutzung von elektrischen statt hydraulischen, pneumatischen und mechanischen Systemen. Die notwendigen Leistungselektroniken haben DC-Zwischenkreise, welche mittels aktiven B6 und passiven B12 Gleichrichtern aus dem Dreiphasennetz gespeist werden. Eine mögliche Alternative ist die B6 Diodenbrücke in Kombination mit einem aktiven Netzfilter, welcher aufgrund der parallelen Anordnung eine höhere Leistungsdichte aufweist und darüber hinaus mehrere Geräte gleichzeitig entstören kann. Die alleinige Nutzung einer Diodenbrücke ist aufgrund des hohen Anteils von Stromharmonischen nicht zulässig. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines aktiven Filters für ein Dreiphasensystem mit variabler Frequenz von 360 bis 800 Hz. Es werden alle relevanten Bauteile wie Induktivitäten, EMV-Filter, Leistungsmodule und Zwischenkreiskondensator ausgelegt. Besonderes Augenmerk liegt auf dem kundenspezifischen Modul mit SiC-Dioden und SiCMOSFETs, welches vollständig elektrisch und thermisch charakterisiert wird. Die Änderung der Netzfrequenz beträgt bis zu 50 Hz/ms, was eine hohe Dynamik und Robustheit von der Filterregelung verlangt. Weiterhin ist im statischen Fall eine hohe Genauigkeit gefordert, da die 5. und 7. Harmonische auf unter 2% geregelt werden müssen. Um beiden Anforderungen gerecht zu werden, wird ein zweistufiger Regelungsalgorithmus entwickelt der auf zwei digitalen Signalprozessoren implementiert wird. Simulationen und Labormessungen bestätigen die Robustheit des Regelungskonzeptes. Diese Arbeit stellt umfassend die Entwicklung von Luftfahrtgleichrichtern dar. Die Ergebnisse wurden in Konferenzen und Patenten veröffentlicht.

The intentions of the so-called "More Electrical Aircraft" (MEA) are higher efficiency and lower weight. A main topic here is the application of electrical instead of hydraulical, pneumatical and mechanical systems. The necessary power electronic devices have intermediate DC-links, which are typically supplied by a three-phase system with active B6 and passive B12 rectifiers. A possible alternative is the B6 diode bridge in combination with an active power filter (APF). Due to the parallel arrangement, the APF offers a higher power density and is able to compensate for harmonics from several devices. The use of the diode bridge rectifier alone is not permitted due to the highly distorted phase current. The following investigations are dealing with the development of an active power filter for a three-phase supply with variable frequency from 360 to 800 Hz. All relevant components such as inductors, EMC-filters, power modules and DC-link capacitor are designed. A particular focus is put on the customized power module with SiC-MOSFETs and SiC-diodes, which is characterized electrically and thermally. The maximum supply frequency slope has a value of 50 Hz/ms, which requires a high dynamic and robustness on the control algorithm. Furthermore, the content of 5th and 7th harmonics must be reduced to less than 2 %, which demands a high accuracy. To cope with both requirements, a two-stage filter algorithm is developed and implemented in two independent signal processors. Simulations and laboratory experiments confirm the performance and robustness of the control algorithm. This work comprehensively presents the design of aerospace rectifiers. The results were published in conferences and patents. / Hauptziele des sogenannten "More Electrical Aircraft" (MEA) sind Effizienzerhöhung und Gewichtseinsparung. Ein Schwerpunkt hierbei ist die Nutzung von elektrischen statt hydraulischen, pneumatischen und mechanischen Systemen. Die notwendigen Leistungselektroniken haben DC-Zwischenkreise, welche mittels aktiven B6 und passiven B12 Gleichrichtern aus dem Dreiphasennetz gespeist werden. Eine mögliche Alternative ist die B6 Diodenbrücke in Kombination mit einem aktiven Netzfilter, welcher aufgrund der parallelen Anordnung eine höhere Leistungsdichte aufweist und darüber hinaus mehrere Geräte gleichzeitig entstören kann. Die alleinige Nutzung einer Diodenbrücke ist aufgrund des hohen Anteils von Stromharmonischen nicht zulässig. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines aktiven Filters für ein Dreiphasensystem mit variabler Frequenz von 360 bis 800 Hz. Es werden alle relevanten Bauteile wie Induktivitäten, EMV-Filter, Leistungsmodule und Zwischenkreiskondensator ausgelegt. Besonderes Augenmerk liegt auf dem kundenspezifischen Modul mit SiC-Dioden und SiCMOSFETs, welches vollständig elektrisch und thermisch charakterisiert wird. Die Änderung der Netzfrequenz beträgt bis zu 50 Hz/ms, was eine hohe Dynamik und Robustheit von der Filterregelung verlangt. Weiterhin ist im statischen Fall eine hohe Genauigkeit gefordert, da die 5. und 7. Harmonische auf unter 2% geregelt werden müssen. Um beiden Anforderungen gerecht zu werden, wird ein zweistufiger Regelungsalgorithmus entwickelt der auf zwei digitalen Signalprozessoren implementiert wird. Simulationen und Labormessungen bestätigen die Robustheit des Regelungskonzeptes. Diese Arbeit stellt umfassend die Entwicklung von Luftfahrtgleichrichtern dar. Die Ergebnisse wurden in Konferenzen und Patenten veröffentlicht.

Radio Frequency (RF) energy transfer is getting increasingly importance in new generations of wireless sensor networks and this trend is tremendously supported by the modern trends to Internet of things (IoT). This promising technology enables proactive energy replenishment for wireless devices. With RF energy, transmission long distances between the energy source and the receiver can be overbridged. The main challenge thereby is the power conversion efficiency from a low level RF input power to a Direct Current (DC) voltage which is able to supply the mobile system. For this purpose, a novel approach for RF DC conversion is proposed. It consists of a modified voltage multiplier RF DC converter circuit by incorporating an inductor at the input of the circuit, which generates an induced voltage able to boost the output circuit and improve the conversion efficiency. Analytical analysis of the novel approach has been carried out to determine the optimal value of the inductor to maximize the output power. The experimental investigations show that the proposed solution is able to improve significantly both the output voltage and the power conversion efficiency, compared to the state of the art, and this especially at low input power ranges, which are often the case. At -10 dBm input power, the modified voltage multiplier RF DC converter circuit can reach 1.71 V output voltage and 49.21 % power conversion efficiency for, respectively, 500 kΩ and 10 kΩ resistive loads. In order to validate the new proposal for the RF transfer system experimentally, microstrip meander line antennas and microstrip patch antenna arrays are designed for different ISM bands, where relevant requirements for RF energy transfer are respected. For each antenna a modified voltage multiplier RF DC converter circuit has been applied and the system is tuned to the corresponding resonant frequency to avoid mismatching. In this investigation several scenarios have been addressed, such as RF transmission energy, RF energy harvesting in Global System for Mobile (GSM) bands and Wireless Local Area Networks (WLAN) band are developed. Field test results show high performances of experimental results in comparison to the state of the art.:1 Introduction 2 Theoretical Background 3 State of the Art of RF Energy Transfer 4 Novel Approach for a RF DC Converter Circuit 5 Antennas Design 6 Experimental Verification at Specific Scenarios 7 Conclusion / Die RF-Energieübertragung (RF) gewinnt in neuen Generationen von drahtlosen Sensornetzen zunehmend an Bedeutung. Dieser Trend wird durch das Internet der Dinge (IoT) weiter unterstützt. Diese vielversprechende Technologie ermöglicht eine proaktive Energieversorgung für drahtlose Geräte. Mit RF-Energie können große Entfernungen zwischen der Energiequelle und dem Empfänger überbrückt werden. Die größte Herausforderung dabei ist der Wirkungsgrad, mit dem von einer niedrigen HF-Eingangsleistung in eine Gleichspannung (DC), mit welcher das mobile System versorgt wird, gewandelt wird. Zu diesem Zweck wird ein neuer Ansatz für einen RF-DC-Wandler vorgeschlagen. Er besteht aus einer modifizierten Spannungsvervielfacher-RF-DC-Wandlerschaltung, die eine Spule am Eingang der Schaltung integriert. Diese erzeugt eine induzierte Spannung, die in der Lage ist die Ausgangsschaltung zu verstärken und den Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern. Analytische Untersuchungen zu diesem neuartigen Ansatz wurden durchgeführt, um den optimalen Wert der Spule zu bestimmen und die Ausgangsleistung zu maximieren. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die vorgeschlagene Lösung in der Lage ist, sowohl die Ausgangsspannung als auch den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich zu verbessern. Dies gilt besonders für niedrige Eingangsleistungsbereiche, welche häufig vorkommen. Bei -10 dBm Eingangsleistung kann die modifizierte Spannungsvervielfacher-RF-DC-Wandlerschaltung 1.71 V Ausgangsspannung und 49.21 % Leistungswandlungswirkungsgrad für jeweils 500 kΩ und 10 kΩ ohmsche Last erreichen. Um das neue RF-Übertragungssystem experimentell zu validieren, werden Mikrostreifenmäanderlinienantennen und Mikrostreifen-Patch-Antennenarrays für verschiedene ISM-Bänder ausgelegt, wobei die relevanten Anforderungen an die RF-Energieübertragung eingehalten werden. Für jede Antenne wurde eine modifizierte Spannungsvervielfacher-HF-DC-Wandlerschaltung verwendet und das System auf die entsprechende Resonanzfrequenz abgestimmt, um Fehlanpassungen zu vermeiden. Dabei wurden mehrere Szenarien untersucht, wie z.B. RF-Energieübertragung, RF-Energiegewinnung aus GSM-Bändern und WLAN-Netzwerken. Die Feldtests zeigen eine hohe Leistungsfähigkeit der experimentellen Ergebnisse im Vergleich zum Stand der Technik.:1 Introduction 2 Theoretical Background 3 State of the Art of RF Energy Transfer 4 Novel Approach for a RF DC Converter Circuit 5 Antennas Design 6 Experimental Verification at Specific Scenarios 7 Conclusion