Energy Harvesting aus dem HF-Feld
Quarz- und OFW-Resonatoren als Induktivität hoher Güte
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
HF-Energy-Harvester mit Quarz-Resonator
Um eine Impedanzanpassung hoher Güte mit einem Quarz-Resonator mit einer Anpassung, realisiert mit einer herkömmlichen Induktivität (Spulengüte <200), vergleichen zu können, wurden zwei einfache Energy-Harvesting-Netzwerke simuliert, aufgebaut und analysiert (Bilder 4 und 5). Die Netzwerke bestehen aus einer Anpassungsschaltung und einem belasteten einstufigen Delon-Spannungsverdoppler. Sie werden bei einer Frequenz von 13,56 MHz betrieben, die auch bei RFID-Applikationen verwendet wird. Für die Simulationen wurde das Programm Advanced Design System (ADS) von Keysight Technologies benutzt.
Bei den beiden Anpassungsnetzwerken (Bilder 4 und 5) wurde die L-Schaltung verwendet. Sie unterscheiden sich lediglich durch den induktiven Serienzweig. Bei der Anpassung mit hoher Güte wurde ein Quarz-Resonator des Typs 9B-13.560MEEJ-B von der TXC Corporation als Induktivität mit einer unbelasteten Güte >80.000 verwendet und für die Anpassung mit niedriger Güte wird eine herkömmliche Induktivität mit einer Spulengüte <200 benutzt. Mit einem Netzwerkanalysator wurden für den Quarz-Resonator die folgenden BVD-Parameter gemessen:
| Parameter | Messwert |
|---|---|
| dynamische Kapazität C1 | 14,8216 fF |
| dynamische Induktivität L1 | 9,3004 mH |
| Resonanzwiderstand R1 | 9,78 Ω |
| statische Kapazität C0 | 3,3094 pF |
| unbelastete Güte Q | 81.000 |
Damit ergeben sich für die Serien- und Parallelresonanzfrequenz nach den Gleichungen (1) und (2) folgende Werte:
fS = 13,556 MHz
fP = 13,586 MHz
Die BVD-Parameter sind bei der Simulation des Quarzes benutzt worden. Die Simulation der Reaktanz des Quarzschwingers von 13,55 MHz bis 13,6 MHz (Bild 6) zeigt, dass die Serienresonanzfrequenz – die Frequenz, bei der die Reaktanz null ist – bei 13,556 MHz liegt und die Parallelresonanzfrequenz – die Frequenz, bei der die Reaktanz maximal ist – bei 13,586 MHz liegt. Die simulierten Werte stimmen exakt mit den berechneten überein.
Die Simulation des Eingangsreflexionsfaktors bei der Schaltung mit hoher Güte (Bild 4) in Abhängigkeit von der Frequenz bei einer Eingangsleistung von –20 dBm und einem Lastwiderstand von 1 MΩ ergibt bei einer Parallelkapazität C4 = 5,3 pF (Q = 800) den in Bild 7 grün dargestellten Verlauf. Der Eingangsreflexionsfaktor erreicht bei einer Frequenz von 13,566 MHz ein Minimum von 0,043. Das bedeutet, dass bei dieser Frequenz am Eingang der Harvester-Schaltung 4,3 % der eingespeisten Leistung reflektiert wird. Die Frequenz von 13,566 MHz liegt wie erwartet zwischen der Serienresonanzfrequenz von 13,556 MHz und der Parallelresonanzfrequenz von 13,586 MHz. In diesem Bereich weist der Quarz-Resonator ein induktives Verhalten auf. Es ergibt sich bei dieser Schaltung eine Bandbreite von 0,8 kHz.
Der Eingangsreflexionsfaktor der Schaltung mit niedriger Güte (Bild 5) in Abhängigkeit von der Frequenz bei einer Eingangsleistung von –20 dBm und einem Lastwiderstand von 1 MΩ ist in Bild 7 rot dargestellt. Für die Serieninduktivität L1 und die Parallelkapazität C1 wurden die Werte 15,8 µH und 7 pF gewählt. Dadurch ergibt sich bei der betrachteten Frequenz von 13,566 MHz ein Eingangsreflexionsfaktor von 0,044. Die Bandbreite der Schaltung beträgt 960 kHz. Somit unterscheiden sich die beiden Harvester-Schaltungen lediglich durch ihre induktiven und kapazitiven Blindelemente in der Anpassung. Der Eingangsreflexionsfaktor (S11 = 0,04), die Eingangsleistung (PEin = –20 dBm), die Betriebsfrequenz (f = 13,566 MHz) und die Last (RL = 1 MΩ) sind identisch, sodass ein aussagekräftiger Vergleich der beiden Schaltungen möglich ist.
Die Ausgangsspannung der Schaltung mit hoher Güte (Bild 4) beträgt bei der Resonanzfrequenz 1,74 V (Bild 8 grün). Bei der Schaltung mit niedriger Güte beträgt die Ausgangsspannung 1,33 V. Sie ist innerhalb der betrachteten Bandbreite (13,54 MHz bis 13,58 MHz) nahezu konstant (Bild 8 rot). Durch die Anpassung mit hoher Güte konnte die Ausgangsspannung um fast 25 % erhöht werden. Die Ausgangsspannung der Schaltung mit hoher Güte (Bild 4) in Abhängigkeit von der Frequenz bei verschiedenen Lasten im angepassten Zustand ist in Bild 9 dargestellt. Die Verschiebung der Resonanzfrequenzen bei den unterschiedlichen Lasten kommt dadurch zustande, dass bei den unterschiedlichen Lasten die Anpassung durch Variation der Parallelkapazität C4 die Resonanzfrequenz der Schaltung verändert wird. Die Anpassung wurde bei jeder Last mit einer Toleranz <1 % optimiert. Die Bandbreite vergrößert sich und die Amplitude verringert sich bei kleiner werdendem Lastwiderstand.
In Bild 10 ist der simulierte Wirkungsgrad als Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsleistung des HF-Energy-Harvesters bei der Resonanzfrequenz von 13,566 MHz in Abhängigkeit von der Eingangsleistung dargestellt. Für die Schaltung mit hoher Güte (Bild 10 grün) beträgt der Wirkungsgrad bei einer Eingangsleistung PEin = –20 dBm und einem Lastwiderstand RL = 1 MΩ 30,3 %. Im Vergleich dazu beträgt der Wirkungsgrad der Schaltung mit niedriger Güte in dem Arbeitspunkt 17,7 % (Bild 10 rot). Durch die Anpassung mit hoher Güte konnte somit der Wirkungsgrad um fast 13 Prozentpunkte gesteigert werden.
Bildergalerie: Bilder 8 bis 10
Literatur:
[1] Neubig, B; Briese, W.: Das grosse Quarzkochbuch. Franzis Verlag, 2000.
[2] Lee, T. H.: Planar Microwave Engineering. University Press, Cambridge, 2004.
[3] Dembowski, K.: Energy Harvesting für die Mikroelektronik. VDE Verlag, Berlin, 2011.
Der Autor:
| Christian Merz, M.Sc. |
|---|
| ist gebürtiger Landshuter und studierte an der Technischen Hochschule Deggendorf zuerst den Bachelor- und anschließend den Masterstudiengang Elektro- und Informationstechnik. Nach dem Studium hat er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Hochschule Deggendorf angefangen und beschäftigt sich derzeit mit HF-Energy-Harvesting, Nachrichtentechnik, kontaktloser Energieübertragung und Impedanzanpassung mit hoher Güte. Bisher hat Merz acht Publikationen zu den Themen HF-Energy-Harvesting und Impedanzanpassung mit hoher Güte veröffentlicht. |
christian.merz@th-deg.de
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