High efficiency energy harvesting system from D-TV spectrum

Abstract

A recolha de energia do meio ambiente para alimentar dispositivos como forma de os tornar auto-sustentáveis tem vindo cada vez mais a suscitar interesse. Por outro lado, o crescimento contínuo do espectro resultante das telecomunicações constitui uma grande oportunidade para a colheita de energia. Assim sendo, neste trabalho e proposto um sistema altamente e ciente de recolha de energia de rádio-frequência que utiliza o sinal da televisão digital (D-TV) portuguesa e que converte-o em tenso que poder a ser reaproveitada. De forma a ser vantajoso, o sistema e otimizado para operar a baixos níveis de potência. Assim, o presente trabalho pretende também fornecer orientações para o correto desenvolvimento do sistema de colheita de energia para baixa potência de entrada, contribuindo para o desenvolvimento de projetos futuros. O sistema e dividido numa antena recetora e num retificador. Para o retificador são propostas três soluções distintas: um díodo série, um díodo paralelo e um duplicador de tensão. A eficiência obtida e semelhante para as três configurações - cerca de 54% para um sinal de entrada sinusoidal com um nível de potência de -10.5 dBm. Medições com o multiplicador de tensão e o sinal real da D-TV como entrada mostraram uma eficiência de 63% para o mesmo nível de potência. Relativamente à antena, e proposta uma patch com slots e com um elemento parasita que utiliza como substrato dielétrico FR-4. Esta configuração resulta da necessidade de melhorar a largura de banda da microstrip simples. Medições mostraram um aumento da largura de banda em cerca de 4 vezes quando em comparação com uma patch simples.

Collect energy from the surroundings is being biased to power-up devices in order to turn them self-sustainable. On the other hand, the spectrum resultant from the telecommunications tends to progressively increase and becomes wide-reaching, constituting an enormous opportunity to energy harvesting. Thus, in this work a high e ciency radio-frequency energy harvesting system is proposed that takes uses of the Portuguese Digital Television (D-TV) signal to obtain Direct Current (DC) power. To be useful, the system is optimized to operate at low power conditions. So, this work also aims to provide reliable guidelines in the design of energy harvesting systems with low-input power. The system is divided into an antenna and a recti er. For the recti er, three di erent solutions are presented: a single-series diode, a singleshunt diode and a voltage doubler con guration. The e ciency is similar for the three recti ers { around 54% with a sine-wave excitation and -10.5 dBm input power. Field measurements with the voltage doubler has proven 63% e ciency for the same input power. As receiver antenna is proposed a slotted patch with a stacked parasitic based on FR-4 substrate. This con guration results from the need to improve the bandwidth of the basic microstrip patch. Measurements have proven and enhancement around 4 times in comparison with a basic patch.