Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   13 ,  No.   1 ,  Jan uar y   201 9 ,   pp.  2 26 ~ 2 34   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 3 .i 1 .pp 2 26 - 2 34          226       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   A new d esig n  of  high out pu t v olta ge re ctifi er for r ectenn a  system  at 2.4 5 G Hz       A.  T aybi 1 , A.  Tajm ouat i 2 ,  J.  Z bito u 3 , A. E rrki k 4 , M. L atrach 5 ,  L. El  A bdell aoui 6   1,2,3,4,6 LMEE T ,   F ST  of  Set ta t ,   H a ss an  1st Uni ver s ity ,   Settat ,   Moro cc o   5 Microwa ve  Gro up  ESEO  Anger s,  Franc e       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   A ug  29 , 201 8   Re vised N ov 15 , 2 018   Accepte d Nov  26 , 201 8       Thi s  pap er  d ea l s  with  th e  d esign  and  ac h ie ve m ent   of  a   nove l  m ic rostr i p   rec t ifi er  wi th  hig h  conve rsion  eff ic i ency   and  outp ut  volt ag e.   Firstl y ,   we  h av e   designe d  a   re ct if ie r  base d   on  HS MS 2820  Schott k y   d iode s  b y   us ing  a  ser ie s   topol og y   to   co nver t  the  elec t r om agne ti c   en er g y   int o   DC  po wer.   The n,     a  steppe d - imped anc e  low  pass  fil te r  was  implemente d  to  fi lt er  th e  unwanted   har m onic s  gene r at ed  b y   the   non - li ne ar  Schott k y   diode .   Bo th  of  t he  struct ur e s   have   be en  sim ula t ed  and  fab ricate d  on  an  FR 4  subs tra te   wit h  die l ec tr i c   per m it ti vi t y   con stant   4. 4 ,   th ic kn ess  of  1. 6  m m   and  loss  t ang en t  of  0. 025 .   Good  per form anc es  were   conf ir m ed  throughout   the   m ea surem en t  resul ts  an d   an  in te rest ing  ou tput   vol ta g e  was  observe d.   Ke yw or ds:   Mi cro strip  r ect ifie r   Ou t pu t  volt age   Schott ky d i od e   Stepp e d - im ped ance lo w pass   filt er   W i reless  powe r  tra ns m issi on     Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed.   Corres pond in g  Aut h or :   A.   Tay bi ,   LME ET,  FST of  Sett at ,    Hassa n 1st Uni ver sit y, Sett at , M orocco .   Em a il :  taybi.abdell ah@gm ai l. com       1.   INTROD U CTION     Ow i ng   to  t he  pro gr ess  of   el ect ronics  in  re cent  ye ars,   it   has  bec om e  increasin gly  co m m on   to  us e  sens or s ,  se ns or  net works  an d  wi reless  act uato rs  in  m any  areas  (s pace ,  m il it ary,  m e dical ,  dom est i c,  ...) ,     and   es pecial ly   in  places  that  a re  da ng e r ou s  a nd  d if ficu lt   to  acce ss.  F or   a be tt er  integrati on  in  the  e nv i ronm ent,  it   is  necessa ry  to  re duce  the   s iz e  of  these   syst e m s  and   t o  e ns ure  t heir  e ne rg y  a uton om y.   Co nv e ntio nal  batte ry  or   batte ry  po w erin g  te chn i ques  rem a in  restr ic ti ve  or   eve n  diff ic ult  to  m atch   for  certai n  app li cat io ns .  I nd ee d,  they   are  lim ited  in  auto no m y,  req uire  pe rio dic  rep la ce m ents  and   the ir  recyc li ng   is  exp e ns ive .  Re centl y,    as  a  so l ution,  var i ou s  wirele ss  powe r  te ch no l og ie s  a re  pro posed  i n  [ 1 - 4 ]   w hich  hav e   gen e rated   sig nificant   researc h  i ntere st i n  t his a rea.   The  c oncept is   to elim inate  in t he  f uture th e c on st raints  of ba tt ery rep la ce m ent.    The  ai m   of   this  pap e r  is  to  propose  a n  al te r native  s olu ti on   that  is  eff ic ie nt ,  le ss  restrict ive  an d  m or e  resp ect fu l  of  the  en vironm ent.  Fr om   this  p oin t  of   view,   wi reless  powe r  transm issi on   ( W PT )  [ 5 ]   is   a  very   interest ing  so l ution.  A s  sho wn   i n  Fig ure  1( a ),   it   co ns ist s  of   t ran sm it tin g  e ne rg y  fro m   on e  po i nt  to  an othe r  thr ough  the  f re e  sp ace,  a nd   once  capt ur e d  a nd   c onve rted  i nto   DC,  will   be   us ed  t o  fee d  the  wireless  de v ic e(s ).   In   t his  stud y,  we  f oc us ed  on  m ic ro wav e  energy  tran sfe r  at   2.45   G Hz   wh ic h  is  the   Industri al   Scie ntific   Me dical   (ISM )   fr e quency  ba nd.  Firstl y,  the  DC  el ect rical   energy  is  c onve rted  i nto   m ic ro wa ve  e ne rg y  us in g  an  RF  s ource.  The n,   this  e nergy  is  rad ia t ed  i n  the  f ree  s pac e  by  a  transm itti ng   ante nn a .  F inall y,  the  rad i at ed   energy  is  capt ured  by  a  Re ct enn a  (Rect ify in g  A nten na )  [ 6 - 7 ]   ci rcu it ,  c onver te d  into  DC   powe r  an d  delivere d  to a  resist ive lo ad.   A  c onve ntiona l  recten na  ci rc uit  (F i gure  1(b ))   is   com po se d  from   a  receivi ng  ante nna  [ 8 - 11 ]   fo ll owe d  by  a  non - li ne ar  char act e risti c  RF - DC  conver si on   ci rc uit.  This  ci rcu it   con ta in s  m os t   of te n  one  or   m or e   Schott ky  diode s  [ 12 ] ,   an   HF   i nput  filt er,  a   D C  outp ut  filt er  and  a  resist ive  load.  T he  c halle ng e   is  t o  op ti m iz e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A n ew   desi gn of  h ig h ou t pu t  v oltag e  recti fi er for r ect e nna s yst em at 2 .45 GHz …   ( A. Tay bi )   227   t he  entire  rect enn a ,  with  t he   obj ect ive  of  m axi m izing   the  DC  outp ut   in  te r m s  of  RF - DC  c onve rsion  eff ic ie ncy.  T he   op ti m iz a ti on   m us t  be  done   on   the  whol e  ci rcu it ,  he nc e  the  need   t o  us e  global  a naly sis   m et ho ds   com bin ing   el ect r oma gn et ic   sim ula ti on   an d  ci rcu i t.  Nu m erical   m od el ing   will   be  a  fund am ental   too l  thr oughout  this  wo r k,   the  ai m   bein g  to  ta ke  into  acco unt  al l  the  po ssi ble  couplin gs   bet we en  the  dif fer e nt   par ts  of the circ uit.         (a)     (b)     Figure  1. (a ) W i reless  powe r  tra ns m issi on   syst e m , ( b) Bl oc k diag ram  o f  r ect enn a  ci rcu it   [13]       The  ai m   fr om  this  wor k  is  to  desig n,   op ti m iz e,  reali ze  and   ex per im ental ly   char act erize  innov at iv e ,   com pact  and   high  volt age  r ect ifie r  ci rcu it .   A  series  topo log y  is  us ed  a nd   a  ste ppe d - i m ped ance  Lo w  Pass   Fil te r  LPF  is  p l aced at t he ou t pu t  of the  circ ui t t o  obta in a  stable DC  outp ut  volt age.       2.   RECTIFIE R DESIG N A N D  SI M ULATI ON   The  sim ulati o n  an d  optim izati on   of  the  ci rcu it   wer e  ca r ried  out  unde r   Advan ce d  De sign   Syst em   ADS  [14]  s olv er   with   a  c ouplin g  bet wee n  har m on ic   ba la nce  a nd  Lar ge - si gn al   S - pa ram et ers.   Pr io r   to  t he   op ti m iz ation   ste p,   pa ram et ric  stud ie s  we re  c onduct ed  to d e te rm ine  the  sen sit ivit y  of   the  conve rsion  ef fici ency  to  so m e  i m po rtant  par am et ers  and   m or e  pa r ti c ularly ,  the  load  (R L ),   t he  di od e  par am et ers,   the  capaci ty   of   th e   DC  filt er,   the   m ic ro strip  li ne   sect ions.  The   resu lt s  t hat  em erg e   f ro m   this  stu dy  al lo wed  us  to   m ake  certai n  cho ic es  and t o sim plify t he  op tim iz at ion  pro c ess.     2.1.  M ono - Di od e  Seri es  Re ctifie r   The  devel oped   ci rcu it   is  in  s eries  to po l og y  (F ig ur e   2(a) ),   i t  con ta in s  a  Sc ho tt ky  diode  HS MS  28 20   wh ic h  ha s  a  lo w  ju nction  ca pa ci ty   Cj0   (0.18   pF ) ,  a  lo w  RS   series  resist an ce  (5   Ω ),   a  junc ti on   resist a nc e  RJ,     a  pack a ge  in du ct a nce  LP,  and   a  pac ka ge   capaci t ance   CP.  Its  fo r w ard - bias  tu rn - on   vo lt age  V BI  and   br ea kdow n  vol ta ge  VB .  T he  equ i valent  el ec tric al   m od el   of   the  diode  is  gi ven   i n  Fi gure  2(b).  T he  ci rc uit  is  powe red  by  a   char act e risti c  im ped ance  50  Ω  m ic ro strip  li ne,   it   has   bee n  et ched  on  t he  R4  s ubstrat e  (ε r  =  4.4 ,   h  =  1.6 mm , ta nδ  =  0.02 5).           (a)     (b)     Figure  2. (a )  T he pr opos e d re ct ifie r  to po l ogy (b) E quivale nt circ uit m od el  o f  the  Schott ky  d io de       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   1 ,  Ja nu a ry 20 19   :   2 2 6   –   2 3 4   228   The  ef fici ency  [15]  descr i bes  the  abili ty   of   t he  recti fier  to  pro vid e  co ntin uous   el ect rical   powe r  to  the  load   f ro m   the  RF  ene r gy  pr ovide d  by  the   re cei vin g  syst em   or  oth e r  m ic ro wav e   power  s ource .  T his  e ff ic ie ncy  represe nts  the  m ai n  obj ect ive   durin g  a  proc ess  of  the  c on ver si on   ci rcu it   op ti m iz ation .  The  var ia ti on  of   t he  Schott ky  diod e  i m ped ance  ge ner at es  a  m is m at ch  that  dir ect ly   aff ect s  the  co nversi on  eff ic ie ncy.  Fi gure  3  sh ows  the  sim ulate d  res ults  of  the  pro pose d  recti fier,  the  ci rcu it   has  a g oo d  m at ching   input  i m ped ance  a rou nd   2.45  G Hz  i n  t he  IS M  band.  The  se ns it ivit y  of  the   recti fie r  is  directl y  rel at ed  t o  the  se nsi ti vity   of   the   diodes  us e d  an d  it s  no n - li nea r  cha rac te risti c.  The  f ol lowing  sect io ns   will   desc rib e  the  m e tho dol og y  a nd   t he  dif fer e nt  ste ps   fo ll owe d t o  opti m ise  the prop os ed  r ect i fier ass ociat ed   to the DC  filt er.         (a)     (b)     Figure  3. Sim ulate d  res ults (a )  S 11 vers us   frequ e ncy , ( b)  C onve rsion  e ff ic ie ncy  ve rsus in pu t  powe r       2.2.     S teppe d - Imped an ce  L ow - Pass Fi lter   Passive  m ic ro wav e  filt ers  are  ver y  im p or ta nt  par t  of  m od ern   te le com m un ic at i on   syst em s    (Rect enn a   ap pl ic at ion s).  T he  te chnolo gy  of  m ic ro wa ve  filt ers  m ade  the  e vid e nce,  from   the  point  of   vi ew  of   desig n  an d  m i niaturizat io n,   a s  well   as  fr om  the  po int  of  vi ew  of   the  use   of   sp eci fic  m at erial s,  in  ord er  to  achieve  bette r   responses  of   sel ect ivit y,  qu al it y  fa ct or   and   t un a bili ty  in  fr e qu e ncy.   Im pr ov e d  el ect rical   perform ances,  increase d  sel ect ivit y,  a  co m pact  siz e  and   reduce d  pro du ct ion   costs  are   the  m ai n  const raints   facin g  the  desi gn   of  RF  an d  m ic ro wa ve  filt ers.   In   t his  co ntext,  th e  de ve lop m ent  of   highly   sel ect ive  filt ers,  with  low  le vel s  of   losses  a nd  com pact  size,   is  at   pr esen t  a  fiel d  of   act ivit y  of   fund a m ental   interest .  Su c h  filt ers  are  m ade  by  var io us   te chnolo gies,  m i cro st rip  li nes,   s lot  li nes  and   co plana r  wa vegu ides.  Mi cro st rip  [16]   is o ne of  t he d om inant  te chnolo gies,  w hich ca n pro vid e im plem entat ion  in  lo w p rofil e topolo gies.   An   e ff ic ie nt  w ay   to  i m ple m e nt  low  pass  filt ers  in  m ic ro strip  te ch no l og y  is   to  us e  al te r nat ing   sect io ns  of   ve ry  hi gh   and  ve ry  lo w   char a ct erist ic   i m ped ance   li nes.   Su c h  filt ers  are   usua ll y  ref er re d  as  ste pp e d  i m ped ance  filt ers.   T his  ki nd   of   filt ers  are  popula r  beca us e   they   are  easi e r  to  desig n  an d  ta ke  up   le ss  sp ace   than  a  sim il ar  low - pass   filt er   us in g  st ub s .  The  ste pp e d  i m ped ance  filt er  is  one  of   t he   conve ntio nal  filt ers,   m ai nly  du e  t o  the  ease   of  im plem entat ion   in  ei the r  m ic ro s trip  or  co plana r  te ch nolo gy.  This  filt er  is  norm al ly  com po sed  of   a lt ern at ing   l ow   and   high  im ped ance  re gions  (the  hi gh   im ped ance  li ne s  act   as  series  indu ct or s   and  the  lo w  i m ped ance  li ne s  act   as  shu nt  capaci tors),  w her e  t he  c hang e  in  im ped anc e  is  co ntro ll e d  by  the  width   of  the  st rip.   For  achie vi ng   a  high  de gr ee  of   at te nuat ion   i n  the  st op   band  it   is  nece ssary  to  ob ta in   a  high   to  low  im ped ance  rati o  (Z H /Z L )  or   to  inc re ase  the  order   of  the  filt er.  Als o,   one  of  the  m ai n  req uirem ents  for  the  ste ppe d  im ped a nce  filt er  is  that  each   sec ti on   m us t  be  le ss  tha n  half  of   the  qua rter  wa velen gth   at   t he   cut - off  f reque ncy  ( l  λ/8).   T he  ove rall   siz e  of   t he  filt er  will   be  la rg e  at   lo w  fr e quencies  e sp eci al ly   if  the  nu m ber   of   the ele m ents i s incr ease d  t o  a chieve  sp eci al   requirem ents as in  s ha rp ed ge  f il te rs.             (a)     (b)   Figure  4. (a ) G ener al  st ru ct ure o f  the  step pe d - im ped ance  low pas s m ic ro strip  filt ers.  (b )  L - C l a dd e r  ty pe  of  low pass  f il te rs  to be a ppr ox i m at ed.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A n ew   desi gn of  h ig h ou t pu t  v oltag e  recti fi er for r ect e nna s yst em at 2 .45 GHz …   ( A. Tay bi )   229   Figure  4( a )  s hows   a  gen e ral  structu re  of  th e  ste pped - im p edan ce   lo w  pa ss  m ic ro strip  f il te rs,   w hic h  us e  a   casca ded  struct ur e   of  al te rn at in g  high  and  lo w  im pedance  tra ns m issi on   li nes.   Thes e  are  m uch  shorte r   than  t he  ass oci at ed  guide d  w avelen gth ,   s o  a s  to  act   as  sem i  lum ped   el e m ents.  T he  high - im ped ance  li ne s  act   as  series  i nduc tors  a nd  t he  l ow - im ped ance   li nes  act   as   s hunt  ca pacit ors.  T her e fore,   this  filt er  struc ture  i s   directl y  reali zi ng   t he  L - C  la dd e r  ty pe  of   l ow   pass   filt ers   of   Fig ur e  4(b ).   S om e  a  pr io ri  desi gn   i nform at ion  m us t  be  pr ovided  a bout  the   m ic ro strip  li nes,   beca us e  ex pr essi ons  f or   inducta nce  a nd   capaci ta nce  de pe nd   upon  both  ch aracte risti c  i m ped a nce  an d  le ng t h.   It  w ou l d  be  pract ic al   to  init ia l ly   fi x  the  char act e risti c  i m ped ances  of  high -   an d  l ow - i m ped ance  li ne s b y c onside rati on   of:   a)   Z L   <  Z 0   <   Z H ,   wh e re  Z L   a nd  Z H   de no te   the  char act e risti c  im ped ances  of  the  l ow  an d  high  im ped anc e   li nes,  r e sp ect iv el y, and Z 0   is t he  s ource im ped ance , whic h  i s u s ually  50 ohm s f or  m ic ro strip  filt ers.     b)   A  lo wer  Z L   re su lt s  in  a  bette r  ap pro xim ation   of   a  l um ped - el em ent  capaci tor,   bu t  t he  re su lt ing   li ne   width  W C   m us t n ot all ow an y  trans ver se  r es onance  to occ ur  at  o pe rati on  fr e qu e ncies.   c)     A  highe r  Z H   l eads  t o  a  bette r  a pproxim at io n  of   a  lum ped - el e m ent  inductor ,  but  Z H   m ust   no t  be  s o  high  that  it s  fab ricat io n  bec om es  ino rd i na te ly   diff ic ult  as  a  nar r ow  li ne ,  or   it s  cu rr e nt - car ryi ng  capab il it y bec om es a lim i ta ti o n.   In   this  sect io n,  a  ste pp ed - im ped ance  L ow - P ass  Fil te r  is  design e d  an d  sim ula te d.   It’s  a bout  a  LPF   hav i ng  a  m axi m al l y  flat   res ponse   a nd  a  c ut - off   f reque ncy  of  1.5   G Hz.  It   is  desire d  to  ha ve  m or e  t han  20  dB  insertio n  lo ss  a t  2.5  GH z .  T he   filt er  im ped an ce  is  50  Ω  t he  highest  pr act ic al   li ne  i m ped a nce  is  120Ω ,  a nd  the   lowest  is  20Ω.  Con si der   t he  ef fect  of  losse s  wh e n  t h is  filt er   is  i m ple m ente d  wit h  an   FR4   su bst rate  an d  c oppe r   cond ucto rs.   T o  desig n  th e   desire d  filt er,  we   m us t  first  de fine   the   ap pro pr ia te   orde r   by  us in g  the     fo ll owin g Fi gu re  5.           Figure  5. Atte nuat ion ve rs us   norm al iz ed  fr e quency  f or  m axim al l y flat  f il te r  prot otypes  [17 ]       The n,   the  el em ent  values  for  the  la dd e r - ty pe   ci rcu it s  of   Fig ur e  4(b)   ca n  be   ta bu la te d.   Ta ble  1  gi ve s   su c h  el em ent  values   f or   m axim a ll y  flat   low - pass  filt er  prot otypes  for  N  =  1  t o  10 .  These  data  ca n  be  us ed   with eit he r of t he  la dde r  ci rc ui ts of   Fig ur e  4( b) in t he  f ollo wing  way.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   1 ,  Ja nu a ry 20 19   :   2 2 6   –   2 3 4   230   The  el em ent  v al ues  are  num ber e d  f ro m   g 0   at   the  gen erat or  i m ped ance  to   g N+1  at   the  load  i m ped an c e   for  a   filt er  havi ng   N   reacti ve   el e m ents.   To   r eplace   the   seri es  in du ct or s   an d  s hunt  ca pacit or s   with   sect io ns   of  low - im ped anc e  and   high - im ped a nce  li nes ,   the  re qu i re d  el ect rical   li ne  le ng th s,  βi ,  al ong  with  the  ph ysi cal   m ic ro strip li ne   widths,  Wi,  a nd len gths, Li,  a re  giv e n by :     0   H LR l Z   (In du ct or)   (1)     0   L CZ l R   (Capacit or)     ( 2)     T he final   desig n of t he  ste pp e d - im ped ance  low - pa ss  filt er is sho wn   in t he follo wing  F ig ure   6.           Figure  6. The   pro po se d fil te r l ay ou t       Figure  7  s hows  a go od r es ponse  of the  f il te r  i n rej ect in g  t he undesire d fr e quency  ba nds (h igh e r order   har m on ic s  generate d by the  s cho tt ky  diode ).           Figure  7. Sim ulate d  filt er r e spon s e  ver s us   fr e qu e ncy       2.3.     Fin al  Re ctifier  D e sign   Figure  8  s how s  the  desig ne d  recti fier  wh e re   the  init ia l  rect ifie r  str uctu re  and  the  ste ppe d - im ped ance   low pass f il te r have bee n  ass oc ia te d.  A  m at c hing circ uit i s essen ti al  in  pro vid in g  the m axi m u m  p ow e r  tr ansf e r   from   the  antenn a  to  the  recti fier  ci rcu it .  As   it   is  sh own  i n  Figure  8,  to  m at c h  the  in pu t  im ped ance  of   t he  di ode   with  the  ante nna  im ped ance  of   50 Ω  (or  any   oth er  s ource  of  RF  powe r) ,  a   com bin at ion   of  a  transm issi on   li ne  and   a  m ic ro str ip  rad ia l  stu b  is  desig ne d.   T he   op ti m iz a ti on   of   the  im ped a nce  m at chi ng   consi sts  of   a dju sti ng   the  le ngth  a nd  the  an gle  of   t he  m ic ro strip  rad ia l  stu b  a nd  the  le ng t h  of  the  tra ns m issi on   li ne  by  us ing   an   op ti m iz ation   m et ho d  unde r  ADS  s of twa re.   In  ad diti on,  t he  sam e  Scho t tky  diode  m entioned  in  t he  init ia l  recti fier  de sig n  sect i on   hav e  be en  em plo ye d  in  the  DC  port ion   of   t he  recti fier,   i n  series  with  R L   [ 18 ]   in  or der   to im pr ov e  the  detect ion sen sit ivit y, so  that t he dio de  act s a s a  var ia ble  res ist or :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A n ew   desi gn of  h ig h ou t pu t  v oltag e  recti fi er for r ect e nna s yst em at 2 .45 GHz …   ( A. Tay bi )   231       /     j s b R n K T q I I      ( 3)     Wh e re    is t he d iod e i deali ty  f act or ,  K is t he  B oltzm ann ’s  c onsta nt, q is the  e le ct ro nic c ha rge, I s   is  the  diod e  sat ur at io n  c urr ent,  I b   is t he  ext ern al   bias c urr ent, a nd T is t he  te m per at ure  of the  diode i n degrees  Kelvi n.             Figure  8. Final   recti fier  desi gn       T he  c om bin at i on   of  pas sive   el e m ents  (an t enn a s,  li ne  se ct ion s,  i nducto rs,   ca pacit or s )   and   act i ve   el e m ents  (d io de s)  poses  the  pro blem   of   the  ov e rall   nu m erical   si m ulati on   of   the  de vice.   Re gardin g  the  us e  of  high  f re qu e nc y  ci rcu it s,  it   is  i m po rtant  t o  sel ect   a  su it ab le   si m ulati on   env i ronm ent,  wh ic h  is  able  to  offe r   diff e re nt  ty pes  of   sim ulatio ns  sp eci fic  to  RF  ci rcu it s.  Adva nced   Desig n  S yst e m s  fr om  Ag il ent  Tech no l og ie s   offer s  a  bro ad   sp ect ru m   of   too ls  de dicat ed  to  the  desi gn   of   RF  ci r cuits.  Ti m e  (Tr an sie nt),   fr e qu e ncy   (H a rm on ic   Ba l ance,  SPa ram e te r,   LSSP )  an d  el ect ro m agn et ic   (Mom entu m ,  EMDS)  sim ulati on s  are  incl ud e d  in  the  s of twa re .  In  addit ion,  a large  li brary  of   com po ne nt  m od el s  s uc h  as  S cho tt ky d io des  is  avail able.  F or  the  desig ne d  recti f ie r,   sim ulati on s  ha ve  bee n  pe rfor m ed  by  usi ng   Ha rm on ic   Ba l ance  as  a  ti m e - fr e qu e ncy  analy sis  of  the   no n - li ne ar  beh a viou r  of  the   ci rcu it .   More ov e r,  the   m at ching   in put  im ped ance   is  validat e d  by  us i ng  Larg e  Sig nal S - Param et ers  (L SSP).   The  e ff ic ie ncy  (η) of t he  m ic ro wa ve rect ifie r  is d e fine d by:     η   =    P dc / P r   =   V dc 2   /P r  R L   (4)     Wh e re  P DC   is  the  dc  powe r  pro duced  at   the  load  re sist ance   (R L )  of  the  re ct ifie r  and   P r   is  the  powe r   receive d  at   the   anten na  of   rec te nn a  or  any  ot her   s ource  of   m ic ro wa ve  en erg y.  P r   is  cal culat ed  f r om   th e  Fr ii s   transm issi on   equ at io n  wich  giv es  t he  am ou nt  of   power   an  ante nn a  rec ei ved   under   i de al   conditi on s   fr om   ano t her ante nna. T he  P ower  f ro m  isotropic a nten na fal ls o ff as R 2 , so t hat the  powe r dens i ty  ( p) wo uld   be :      p  =  p t   /  4  π R 2    (5)     Mult iply ing   by the  gain o f  the  tran sm it ti ng  an te nn a  giv es  a  real ante nn a  p a tt ern       p  =  ( p t   / 4   π R 2 )  G t   (6)     If   receivi ng an t enn a  h a s a n  ef f ect ive ap e rtu re  of A e ff   the  po wer recei ve d b y t his an te nn a  (P r )  is     P r   =  p.   A e ff   (7)     Th us     P r  =  (p t   /  4  πR 2 )  G t   A e ff   (8)     The  e ff ect ive  a per t ur e  of a n  a nten na  ca n be  wr it te n  as:       A eff   =  ( λ 2 /4π) . G   (9)     So ,  w e  conclu de  that the  frii s tran sm issi on  e quat ion co ul d b e   ex pr es sed  as  fo ll ow:      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   1 ,  Ja nu a ry 20 19   :   2 2 6   –   2 3 4   232   P r   = P t .  G t . G r . ( λ /4 π R) 2   (10)     Figure  9  s how s  the  si m ulati on   res ults  after  op ti m iz ation   of  the  ci rcu it ,  it ’ s  cl ear  from   th e  gr a phs  that   the p e rfo rm ances of th e  r ect ifi er  hav e  b ee n re m ark ably  im pr ov e d.          (a)     (b)       (c)     Figure  9. Sim ulati on  r es ults  ( a) r e flect ion co eff ic ie nt  versus   fr e quency  ( b)   Conver sio n  ef f ic ie ncy v ers us  input  powe r  (c ) O utput v oltage  ve rs us  i nput  power       3.   ACHIEVE M ENT A N D M EASURE MENTS   The  series - m ou nte d  recti fier  was  buil t  with  the  intenti on   to  m easur e  it s   per f orm ance  fo r  diff e re nt   input  powe r  points:   - 20   dB m   to  20   dBm .  It  was  pr inte d  on   a n  FR 4  sub strat e  with  diel ect ric  con sta nt   of   4.4  and  ha vi ng  a  thickne ss  of  1.6m m .  The  str uctu re  of  the  recti fier  is  s ho wn  in  Fig ur e   10 ;  it   c onsist s  of  a   Schott ky  diode   in  series  with  a  filt er  at  the  ou tp ut  of   the  ci r cuit  to  re m ov e  the  unwa nted  RF  com po nen t   at   the  load  le vel,  t his   la te r  was  ch ose n  to  be  2  kOh m .   Fo r  the  desi gn   a nd  reali zat ion   of   the  recti fier,  we  rem ind   that   we  ha ve  us e d  a  Scho tt ky  diode  ty pe  HS MS - 28 20.  The  m e asur em ent  set up   show n  in  Fi gure  10(a )  was   us e d  for  the   e xp e rim ental   char act erizat ion   of   th e  conversi on  ci rcu it .  It  co nt ai ns   an  RF  ge ner at or   AN R ITSU   68347C  10  M HZ - 20  GH Z   to   supp ly   the   ci r cuits  with  t he  RF  sig nal  at   th e  desire d  fr e qu ency  an d  a  m ultim e te r   to  m easur e  the   ou tp ut  volt age   le vel  of   the  ci rcu it .  Fig ur e  11  shows  the  m easur e d  outp ut   vo lt age  le vel  ver s us   si m ulate d  on e ,   an  interest in g  val ue  is  ob serv e d  with  just  one  recti fi cat ion   di od e ,  this  resu lt s  s how  t he   po s sibil it y  of   us in g  our  rect ifie r  in  real  a pp li cat io ns   on  2.4 5  GH z   of   the  IS M  band.   Table  2   s how n   a s   perform ance  com par ison   wit h othe r  rece nt  r esearche s.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A n ew   desi gn of  h ig h ou t pu t  v oltag e  recti fi er for r ect e nna s yst em at 2 .45 GHz …   ( A. Tay bi )   233     (a)     (b)       (c)     Figure  10.   (a)  Me asur em ent  set up   ( b)   Me as ured   outp ut  vo lt age  (c)   Fabri ca te d  recti fier           Figure  11. Si m ulate d  a nd m ea su re d o utput v oltage  ver s us i nput  powe r of  t he rect ifie r       Table  2.   Per for m ance  Com pari so n   with  O t he r  Re cent Re se a rch es   So u rce   Op erating  f requ en cy     Techn o lo g y   Ou tp u t Voltag e   [ 3 ]   2 .45  GHz   Vo ltag e Dou b ler   1 0 .75 V ( 2 0  dB m )   [ 1 9 ]   2 .45  GHz   Vo ltag e Dou b ler   2 .3V (M ax )   This  pap er   2 .45  GHz   Sin g le Diod e   1 1 .23 V ( 2 0  dB m )         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   1 ,  Ja nu a ry 20 19   :   2 2 6   –   2 3 4   234   4.   CONCL US I O N     A  hi gh   volt ag e  recti fier  has  been   presente d  to  co ver   the  needs  f or   a pp l ic at ion s  in vo l vi ng   wireless   powe r  tra ns m i ssion.  W e   ha ve   us e d  an   HSM S2 82 0  Sc hott ky  diode  as  a  recti ficat ion   de vice  m ou nted  i n  serie s   topolo gy.  A  st epp e d - im ped ance  lo w - pas s  f il te r  hav e   bee n  us e d  at   the   ou t pu t  of  the   ci rcu it   to  e nha nce  th e   perform ance  of   the  recti fier  by   pr ovidin g  a  su ccess fu l  sup pressi on  of  unde sired  RF  com pone nts.  Sim ul at ions   hav e  bee n  car r ie d  out  by  us i ng  A dvance d  D esi gn   Syst em   a nd   t he  res ults  hav e  bee n  co nf irm ed  by  fab ri cat ion  and   m easur em ents.  W e  ha ve  us e d  an  FR 4  s ub st rate  with  di el ect ric  per m itti vity   con sta nt  4.4,  thic kn es s  of   1. 6  m m   and   loss  ta ng e nt  of  0.0 25.  W e  ha ve  reac hed   a n  im po rtant  value  of  o ut pu t vo lt age o f  11.23 V  with j ust   one   recti ficat ion   di od e ,   s o  t hat the  circuit i s  judg ed  to  b e  co m pa ct , lo w  cost  and e ff ic ie nt.       REFERE NCE S    [1]   M.  Sudou,  H.  T aka o,   K .   Sawad a,   and  M .   Ishid a.   A  nove l  RF   i nduce d   power  s uppl y   s y stem  fo r  m onoli thi c al l y   int egr at ed   ubiquitous m ic ro  senso r  nodes.  Sensors   and  Actuators A .   2 008;  145 - 146 : 343 – 348.   [2]   C.   Yu,  F.  Ta n,   a nd  C.   Li u.   A  C - band  m ic rowave   rec te nn a  using  ape rtur e - coup le d   ant enna   ar ra y   a nd  novel   Cla ss - F  rec t ifi er   with   c a vity .   J .   E lectromag.  Wav es  App .   Jul y   2015 ;  29(8) :  977 - 991.   [3]   D.  H.  Chuc   an d  B.   G.  Duong .   Design  and  Fabricat ion   of  R ec t if y ing  Ant en na  Circ u it   for   W ire le ss   Pow er  Tra nsm ission  S y stem  Opera t in g  at   ISM   Band.   Inte rnational   J ournal  of  El ec t rical   and  Computer  Engi ne erin g   ( IJE CE) .   Augus t  2016;  6(4) :  152 2 - 1528.   [4]   Dee pak  Kum ar,  Kalpa n a  C hau dhar y .   High   E ffic i ency   Ha rm onic   Harv este r   Rec t enna  for   Ene rg y   Sto ra ge   Applic a ti on.   Int e rnational   Journal  of   Powe r   Elec t ronics  and  Dr ive   Syste m ( IJPEDS) .   Marc h  2018;   9(1):  252 - 259 .   [5]   Nicol as  Te sla .   E xper iments  with   Alte rna te   Cur ren t  of  High   Poten tial and  H igh   Freq uency .   London : M cGra w,  1904.     [6]   W .   C.   Brown.  T he  histor y   of   po wer  tra nsm ission  b y   rad io   wave s.  IEEE  Tr ans.  Mic row.  Theory  Techn.   Sep .   198 4;   MTT - 32(9):  123 0 - 1242.   [7]   A.  Tay bi ,   A.  T ajm ouat i,   J.  Zb it o u,   A.  Err kik ,   M.  La tr ac h ,   L.   El   A bdel l aoui .   A  Ne w  Config ura ti on   of  a  High  Output  Volta ge  2. 45  G Hz  Rec ti f ie r  fo r  W ire le ss   Powe r  Tra nsm ission  Applic ations.  Tele communic a t ion,   Computing,  El e ct ronics  and   Control  Journal   ( TEL K OMNIKA) .   Octobe r  2018 ;   16(5):  1939 - 194 6.   [8]   Kuldee p  Kum ar  Para shar.   Design  and  Anal y sis   of  ISl ott ed  Recta ngul ar  Microst rip  Patc h  Anten na  for  W ire le ss  Applic a ti on.   Int e rnational   Journal  of   Elec tric al   an d  Computer  Eng ine ering   ( IJE CE ) .   2014;  4(1):   31 - 36.   [9]   C.   Y.  D.  Sim ,   M.  H.  Chang,   and  B.   Y.  Chen.   Microstri p - fed   r ing  slot  ant enna  design  with  wi deba nd  h armoni c  suppress ion.   IE E E  Tr ans.  Antenn as P ropag.  Sep .   2014;  62(9):   482 8 - 4832.     [10]   R.   A.  Rahi m ,   S.  I.   S.  Hass an,   F .   Male k,   M.  N.  Junita ,   H.  F.  Hass an,   S.  F.  W .   Anw ar.   A  har moni c  suppress ion  ci rcu la rl y   po la r i ze d  pa tc h  an te n na  for  an  RF   a m bie nt  ene rg y   h arv esti n g  s y s te m .   in  Proc .   IE EE  Int.   Conf .   Cle a n  Ene rgy  Te chnol.   La nkgk awi, Ma lay s ia.  Nov.   18 - 20,   2013:   4933 - 4936.   [11]   Fu - Jhuan  Huan g,   Tz ong - Che e  Yo,  Chie n -   Ming  Le e,   and  C hing  Hs ing  Luo.   Design  of  Circ ula r  Polar iz a ti o n  Antenna   W it h  Harm onic   Suppress ion  for  Re ctenna   A pplica ti o n.   IE EE   Ant enn as  Wirel ess  Pro pag.   Lett .   2012 ;     11:  592 - 595.   [12]   Surfac e   m ount   R F Schott k y   b arr i er  diod e  HS MS - 282X seri es.   Agilent Tec hnol . ,   P alo  A lt o,   CA ,   Te ch.   Data ,   2001 .   [13]   V.Mari an ,   C. Me nudie r, M.T hev e not,   C. Vol laire ,   J.Verdi er ,   B. Al l ard .   Eff icient d e sign o f  recti f y in g  ant enn as  for  lo w  power  detec ti on.   Inte rnat ional   M ic rowave   Sympo sium.  Baltim ore ,   Unite d   States.  J un  2011:  CD.     [14]   Jam es  O.  McSpadden,  L .   Fan,   and  K.  Ch ang.   Design  and  exp eri m ent s  of  a  hi gh - conve rsion - e ffic i ency   5 . 8 - G Hz  rec t enna.  I EE E   Ant ennas. Wire l ess.  Prog.   Lett .   Dec   1998;   46(12 ):  2053 - 2060.   [15]   Y. - J  Ren  and   K.   Chang.  5. 8 - GH z  Cir cul ar l y   Po l ari z ed  Dual - Dio de  Re ct enn a  and   Rec t enna  Arra y  for  Microwa v e   Pow er  Tra nsm ission.  IE EE Tr ans.  On Mi crowav e   Theory  an d  Te chni ques.   April   2006;  54(4):   149 5 - 1502.     [16]   Jia - Shen  G.  Hong  &  M.J.  La nca s te r.   Microstr ip  Filt ers  for  RF /Mic rowave   Applicati ons.  New  York:  John   W il e y   &   Sons   Inc . ,   2001.     [17]   David  M.   Pozar .   Microwa ve   Eng ine er ing. Fourth Edit ion .   John   W il e y   &  Sons   Inc . ,   2011.   [18]   J.  Zbi tou ,   M.  Latra ch  and  S.  Tou ta in .   H y br id  Recte nna  and  Monolit hi c  Inte g rated  Ze ro - Bi as  Micro wave   Rectifier .  IEE E   Tr ans.  On  Mic rowave   Theo ry  and  Tech niqu es .   Jan .   2006;   54 (1):  147 - 152 .     [19]   B. H.  Zha ng ,   J.W .   Zha ng ,   Z. P.  W u,   C. G.  L iu  and B.  Zha ng .   A 2. 4 5  GH z  Diel ec tr i c  Resonat or  Re c te nn a  for  W irele s s   Pow er  Tra nsm ission.  2017  In te r nati onal  confere nce   o f  E lectroni cs,   Comm unic at ion  and  A erospace   Te chnol ogy   ( ICECA ) .  Coim b at ore ,   Ind ia.  20 - 22  April, 2017.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.