I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 8 ,   p p .   252 ~ 259   I SS N:  2088 - 8 694 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v 9 . i1 . pp 2 5 2 - 259           252       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   H ig h Ef ficiency  H a r m o nic  H a rv este r Rec tenna  for E nerg y   Stora g e Applicati o n       Dee pa k   K u m a r K a lpa na   Cha ud ha ry   De p a rtme n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   In d i a n   I n stit u te o f   T e c h n o lo g y   BHU ( In d ia )       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   2 3 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Dec   2 8 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J an   11 ,   2 0 1 8     T h is  w o rk   p re se n ts  h a r m o n ic  h a rv e ste Re c ten n a   in teg ra ted   p o w e r   m a n a g e m e n c ircu it ry   f o i m p ro v in g   RF - DC  p o w e c o n v e rsio n   e ff ici e n c y .   T h e   c ircu it ry   is  d e v e lo p e d   f o b a t ter y   c h a rg in g   o e n e rg y   sto ra g e   a p p li c a ti o n ;   re sista n c e   e m u latio n   m e th o d   is  u se d   to   re a li z e   a   m a tch in g   lo a d   re sista n c e   a o u t p u term i n a ls.  T h e   p ro p o se d   tec h n iq u e   is  u se f u f o h a rv e stin g   n e a r   m a x i m u m   o u tp u p o w e f ro m   th e   d u a re c ti f iers   (f u n d a m e n tal  a n d   h a r m o n ics in d e p e n d e n t ly .   A lso ,   it   d e li v e rs  th e   c o m b in e d   m a x i m a p o w e to   th e   e n e rg y   sto ra g e   c e ll .   T h e   p o we m a n a g e m e n m o d u le  b a se d   o n   d u a in p u t   b u c k - b o o st   c o n v e rter w it h   sim p le o p e n   lo o p   c o n tr o is  u ti li z e d .   K ey w o r d :   Har m o n ic  h ar v e s ter   P o w er   m an a g e m en   R ec ten n a   R ec ti f ier   S w itc h ed   co n tr o l   Co p y rig h ©   201 8   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Dee p ak   Ku m ar ,   Kalp an C h a u d h ar y   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,     I n d ian   I n s tit u te  o f   T ec h n o lo g y   B HU  Var an asi 2 2 1 0 0 5 ,   I n d ia .   E m ail:  Dee p a k . r s . ee e1 4 @ itb h u . ac . in       1.   I NT RO D UCT I O N   R ec en t l y ,   R ec te n n d ev ice s   ar g ai n i n g   lo t   o f   a tten tio n   b y   b o th   ac ad e m ia  a n d   i n d u s tr y   [ 1 ] [ 3 ] .   I n   th R ec te n n a ,   R F - D C   p o w er   co n v er s io n   e f f icie n c y   d ep en d s   o n   th e   lo ad   co n n ec ted   to   t h o u tp u t   ter m in a l;  a t   th m a tch i n g   lo ad   r esis tan ce ,   th o u tp u p o w er   is   m a x i m al  [ 4 ] ,   [ 5 ] .   Un f o r tu n atel y ,   th e n er g y   s to r a g u n its   lik r ec h ar g ea b le  b atter y   o r   s u p er   ca p ac ito r   d o   n o h av v o ltag e/  c u r r en c h ar ac ter is tic s   o f   r esis to r .   An d   th p u r p o s o f   R ec ten n f o r   b atter y   ch ar g in g   o r   en er g y   s to r ag ap p licatio n   w ith   m a x i m al   p o w er   tr an s f er   is   a   ch alle n g i n g   ta s k .   Fo r   ex a m p le ,   P h o to v o ltaic  an d   w i n d   p o w e r   s y s te m   al s o   r eq u ir m atc h i n g   lo ad   r esis ta n ce ,   an d   th eir   m a x i m u m   p o w er   p o in tr ac k in g   ( MP PP T )   t ec h n iq u es  ar u s ed   f o r   s o l v in g   lo ad   m atc h in g   p r o b lem [ 6 ] ,   [ 7 ] .   Ho w e v er ,   R e cten n a   o p er ates   at  v er y   lo w   p o w er   le v els   ( t y p icall y   R ec te n n o u tp u p o w er   i n   m ill   w att s ) .   T h er ef o r e   s u ch   MP PT   tech n iq u es   ar n o s u it ab le  in   R ec te n n a,   w h ich   is   d u to   th e   h ig h - p o w er   o v er h ea d   o f   co m p lex   co n tr o l   cir cu itr y .   W r eq u ir R ec ten n p o w er   m a n ag e m e n co n tr o tech n iq u t h at  is   co m p atib le,   co s ef f ec ti v an d   ad ap tiv e.   A ls o ,   it  m u s b as  s i m p le  as  p o s s ib le  s o   t h at   th co n tr o cir cu it   co n s u m p tio n   ca n   b r ed u ce d   to   f e w   m icr o w att s   [ 8 ] .   R e s is ta n ce   e m u latio n   tec h n iq u e   is   p r o v id ed   i n   [ 9 ]   p r o p o s ed   lo w   b u r d en   co n tr o cir cu it   an d   f o u n d   s u itab le  f o r   en er g y   h ar v e s tin g   f r o m   d i f f er en lo w   p o w er   s o u r ce s th i s   tec h n iq u w as  f ir s t   p r o p o s ed   in   [ 1 0 ]   u s i n g   b u c k   co n v er ter   a n d   in   [ 1 1 ]   u s i n g   f l y b ac k   co n v er ter .   E ar lier   th is   tech n iq u h as  b ee n   u s ed   f o r   p o w er   f a cto r   co r r ec tio n it   in v o lv e s   DC - D C   co n v er ter   w it h   s i m p le   co n tr o s w itc h   o p er atin g   i n   d is co n ti n u o u s   c u r r en m o d ( DC M) .   I n   t h is   tech n iq u s w i tch i n g   w i ll   co n tr o av er ag i n p u r es is ta n ce ,   th er e f o r w i th   t h p r o p er   s w i tch i n g m atch in g   lo a d   r esis tan ce   ca n   b r ea lized   by   t h s to r ag ele m en t a t th o u tp u t te r m i n al.   T y p icall y   co n v er s io n   ef f icie n c y   o f   R r ec ti f ier   i s   ( 5 0 - 7 0 %);  th er ar lo s s es  d u to   d io d o h m ic  lo s s   an d   n o n -   r ec tifie d   s ig n al  h ar m o n ic s .   Du to   s i n g le  p h ase   o p er atio n   an d   d io d n o n lin e ar it y ,   th r ec ti f ied   s ig n al s   co n tai n   h ar m o n ic s   in   ad d itio n   to   d esire d   DC   s ig n al   [ 1 2 ] .     T h er ef o r h ar m o n ics   h ar v est in g   cir cu it   th at  w il r e - r ec ti f y   h ar m o n ic s   as  p r o p o s ed   in   [ 1 3 ]   w ill  i m p r o v R F - DC   co n v er s io n   ef f i cien c y .     R ec te n n a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2088 - 8 694       Hig h   E fficien cy   Ha r mo n ic  Ha r ve s ter R ec ten n a   fo r   E n erg S to r a g A p p lica tio n   ( Dee p a K u ma r )   253   u tili zi n g   h ar m o n ic s   h ar v e s ter   w il h a v t w o   o u tp u ter m in al s ,   o n f o r   f u n d a m e n tal  s ig n al  r ec tif ier   o u tp u a n d   o th er   is   h ar m o n ic s   r ec tif ier   o u tp u [ 1 3 ] .   Har m o n ics  h ar v es ter   R ec ten n w it h   f u n d a m e n t al  r ec tif ier   o u tp u t   v o ltag ( V1 )   an d   h ar m o n ic  r e ctif ier   o u tp u v o ltag ( V HH)   i s   p r esen ted   i n   F i g u r 1 .   W h av to   k ee p   i n   m i n d   th at  b o th   r ec tif ier   o u tp u ter m i n als  h av t h eir   in d i v id u al   m atc h in g   lo ad   r esis tan ce .   He r ea ch   r ec tif ier   ar e   in d iv id u all y   co n n ec ted   to   its   m atch in g   lo ad   r esis tan ce s t h is   co n d itio n   is   cr iticall y   n e ed ed   f o r   ass o ciate d   m ax i m a o u tp u t   p o w er   tr an s f er .   C o m p le m en tar y   P u l s ed   M o d C o n tr o ller   is   u til ized   to   ac h iev e   t h g o al  o f   r ep lacin g   I n d i v id u al  r ec ti f ier s   m atc h i n g   lo ad   r esis ta n ce   w i th   s i n g le  lo ad   th at  i s   r ec h ar g ea b le   b atter y   o r   s u p er   ca p ac ito r .   Her e,   th s y s te m   tu r n s   i n to   d u al  i n p u p o w er   s o u r ce   w it h   d i f f er e n v o lta g e/c u r r en t   ch ar ac ter is tic s   [ 1 4 ] If   th t wo   ter m in al s   ar co n n ec ted   to   co m m o n   lo ad ,   o n l y   th e   h i g h er   v o lta g ter m i n al   w il s u p p l y   p o w er ,   an d   a n o th er   ter m i n al  w i ll  b eh a v as  lo ad   ( th er ar also   ch an ce s   o f   s o u r ce   ter m in al   o s cillatio n )   [ 1 4 ] .   T h u s   in   h ar m o n ic s   h ar v ester   R ec te n n ca s e,   co s ef f ec t iv tec h n iq u i s   r eq u ir ed   s o   th at  th e   m ax i m u m   o u tp u t p o w er   f r o m   t w o   r ec ti f ier s   ca n   b f ed   to   co m m o n   lo ad   f o r   en er g y   s to r ag ap p licatio n .           Fig u r 1 .   Har m o n ics  h ar v e s ter   R ec ten n at  2 . 4 5   GHz   w i t h   f u n d a m e n tal  r ec ti f ier   o u tp u v o lt ag ( V 1 )   an d   h ar m o n ic  r ec tifie r   o u tp u v o lta g ( V HH ) ,   cir cu it  w it h   i n d iv id u al  m atc h in g   lo ad   r esis ta n ce       T h tech n iq u p r o p o s ed   in   th is   w o r k   is   u s ef u f o r   co llectin g   p o w er   f r o m   t h t w o   r ec tif ier s   ( f u n d a m e n tal  a n d   h ar m o n i c s )   also   d eliv er   th co m b i n ed   m ax i m a p o w er   i n to   en er g y   s to r ag ce l l.  T h e   h ar m o n ics  h ar v e s ter   R ec te n n a,   w h ich   h as  f u n d a m en tal  r ec tif ier   o u tp u an d   h ar m o n i cs  r ec tif ier   o u tp u t   ter m i n als,  t h t w o   ter m i n als  a r e   in ter f ac ed   th r o u g h   s w i tch e s   to   co n n ec w it h   t h b u ck - b o o s co n v er ter .   T h t w o   s w i tch e s   w ill  b co n tr o lled   s u ch   t h at  th e m u la ted   r esis tan ce   f o r   b o th   cir cu its   i s   eq u a to   th eir   m a tch i n g   lo ad   r esis tan ce   at  t h o u tp u t te r m in a l to   en s u r m a x i m al  p o w er   tr an s f er .       2.   H ARM O NIC H ARVES T E R   RE CT E NN A   Har m o n ic s   h ar v e s ter   R ec te n n at  2 . 4 5   GHz ,   cir cu it   w it h   in d iv id u al  m atc h i n g   lo ad   r es is tan ce   is   p r esen ted   in   F ig u r 1 .   A   p r o p er   i m p ed an ce   m atch in g   n et w o r k   I M1   is   r eq u ir ed   to   m atc h   r e ctif ier s   i m p ed an ce   w it h   5 0   Oh m   tr a n s m is s io n   l in e.   A s   t h r ec ti f ied   s i g n al  h a s   DC   co m p o n e n ts   a n d   h ar m o n ic s ,   lo w   i n d u cto r   L 1   is   i n tr o d u ce d   in   t h p ath   t h at  w il p r ev e n h ar m o n ics   an d   o n l y   allo w s   DC   s i g n al.   I n   t h w a y ,   r ec ti f ied   p u r e   DC   o u tp u o f   t h f u n d a m e n t al   s ig n al  i s   av a ilab le  at  V 1 .   A   s ec o n d ar y   cir c u it  is   u ti lize d   f o r   r e - r ec tify i n g   ha r m o n ics   s i g n al  w i th   i m p ed a n ce   m atc h i n g   b lo ck   r ep r ese n t ed   as  I M2 .   T h r e - r ec ti f icat io n   i s   p er f o r m ed   w it h   s in g le  d io d D2   to   im p le m e n lo w   co m p o n e n co u n an d   v ias,  T h DC   o u tp u af ter   r e - r ec tif icatio n   o f   h ar m o n ics s ig n al  is   a v ailab le  a t V HH .   R ec ten n w it h   h ar m o n ic s   h ar v ester   is   s i m u lated   in   A g ilen t’ s   A d v a n ce   Desi g n   S y s te m .   R So u r ce   o f   p o w er   10   d B m ,   f r eq u e n c y   at  2 . 4 5   GHz ,   an d   s o u r ce   i m p ed a n ce   5 0   Oh m   u s ed .   I r ep r ese n t s   an te n n ele m e n ts   in   as s o ciatio n   co n s id er in g   10   d B m   b ala n ce d   ar r ay   co n d itio n   an d   ea ch   o f   th e m   is   e n er g ize d   w it h   id en tical  R F   in p u p o w er .   Fo r   r ec tif icatio n ,   s in g le  s ta g v o lta g d o u b ler   co n f i g u r atio n   u s i n g   HSM S - 8202  Sch o ttk y   d io d is   s elec ted .   A D 2 0 1 1   Sm ith   C h ar Utilit y   f o r   I m p ed an ce   Ma tch in g   w it h   s o u r ce   i m p e d an ce   5 0   Oh m   a n d   r ec tif ier s   f o u n d   i m p ed an ce   f o r   f u n d a m en tal  is   u s ed   f o r   I M1 .   Fo r   I M 2   s o u r ce   an d   lo a d   im p ed an ce s ,   ea c h   ca lcu lated   an d   m atc h i n g   w as  p er f o r m ed .   T h f u n d a m e n tal  r ec tif ier   ter m i n al  an d   h ar m o n ic s   h ar v es ter   ter m in a l   ar co n n ec ted   to   t w o   d if f er e n lo ad   r esis tan ce s   R 1   a n d   R HH   r esp ec tiv el y .   Her e,   P 1   an d   P HH   r ep r esen p o w er   d eliv er ed   to   lo ad   r esis tan ce s   R 1   an d   R HH   r esp ec ti v el y .   T h co r r esp o n d in g   P o w er   cu r v e   v ar y i n g   w it h   lo ad   r esis ta n ce   h a s   s h o w n   i n   F i g u r 2 .   P1   h as  m ax i m u m   p o w e r   p o in i.e .   m 2 at  t h lo ad   o f   1 0 0 2 . 3 4   Ω ,   an d   P HH   R F   S o u r c e Z =   5 0   O h m F r e q =   2 . 4 5   G H z P =   d b m t o w ( 1 0 ) I M 1 I M 2 I M 2 I M 2 I M 1 C 1 D 1 D 2 C 3 D 3 C 2 C 4 L 1 H a r m o n i c   H a r v e s t e r   R e c t e n n a R 1 R H H V 1   , V H H   , P 1 P H H Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   252     2 5 9   254   h as  m a x i m u m   p o w er   p o in t   i.e .   m 1 at  t h lo ad   o f   6 6 6 . 7   Ω .   I n   th is   w o r k ,   f ir s t,   t h h ar m o n ics  h ar v e s ter   r ec ten n a   is   s i m u lated   co n s id e r in g   r esis tiv e   lo ad   co n d itio n   j u s t   to   f i n d   m atch in g   lo ad   r esi s tan ce .   F u r th er ,   t h e   r esis ta n ce s   w ill  b e   r ep lace d   b y   b atter y   a n d   i n   b et w ee n   p o w er   m a n a g e m en t   cir cu itr y   to   r ea lize  m a x i m al   p o w er   s u p p l y   i n   t h b atter y   o r   en er g y   s to r ag ce ll.           Fig u r 2 .   P o w er   v er s u s   r e s is ti v e   lo ad   f o r   th f u n d a m e n tal  r e ctif ier ( P 1 )   an d   h ar m o n ics r ec ti f ier ( P HH )       3.   HA RM O NIC H ARVES T E R   RE CT E NN P O WE M ANAG E M E NT   CIR CUI T   F O B AT T E RY  CH AR G I NG   Har m o n ic   Har v e s ter   R ec ten n f o r   B atter y   C h ar g i n g   o r   en er g y   s to r a g ap p licatio n   i s   p r esen ted   i n   F ig u r 3 .   A   r ec te n n w i ll  d eli v er   m a x i m u m   p o w er   o n l y   if   m atc h in g   lo ad   r esis ta n ce   is   co n n ec ted .   T h er ef o r e,   r ec ten n f o r   b atter y   ch ar g in g   cr iticall y   n ee d ed   p o w er   m an ag e m e n cir cu it  i n   b et w ee n   to   co n tr o l   av er ag lo ad   cu r r en t.  Fo r   b atter y   ch ar g in g   n ea r   m a x i m u m   p o w er   tr an s f er ,   th av er a g lo ad   cu r r en is   co n tr o lled   s u ch   th at  it  r ese m b le s   m atc h in g   r esis ti v lo ad   s itu atio n .   I is   ca lled   R esis ta n ce   E m u latio n   tech n iq u e,   an d   w i th   s i m p le  d is co n ti n u o u s   m o d c u r r en t c o n tr o l ( DC M) ,   th lo ad   r esis ta n ce   o f   th d es ir ed   v alu e   ca n   b r ea lized .           Fig u r 3 .   Har m o n ic  h ar v ester   r ec ten n f o r   b atter y   c h ar g i n g       T h s y s te m   e f f icie n c y   is   f u r th er   i m p r o v ed   u tili zi n g   h ar m o n ics  r e - r ec ti f ier .   Fo r   th f u n d a m e n ta l   r ec tif ier   P 1   m a x i m u m   a n d   f o r   Har m o n ic  Har v e s ter   P HH   m a x i m u m ,   an d   t h co llectiv m a x i m u m   p o w er   f r o m   th t w o   r ec ti f ier s   s u p p l y i n g   to   th b atter y   n ee d ed .   T h tec h n iq u p r o p o s ed   h er u tili z ed ,   th t w o   r ec tif ier s   in ter f ac ed   th r o u g h   s w itc h es  a n d   ea ch   s w itc h   is   p u ls ed   m o d co n tr o lled   w it h   d if f er e n f r eq u en c y   s u c h   th at   th eir   i n d iv id u al  a v er ag e   lo a d   cu r r en i s   m a x i m u m .   An   in te g r ated   B u c k - B o o s co n v er ter   w ill   in cr ea s ch ar g ea b le  b atter y   v o ltag r an g e.     3 . 1 .     Circ uit  t o po l o g y   T h m atc h i n g   lo ad   r esis ta n ce   f o r   in d iv id u al  r ec tif ier s   w o u ld   d ec id th r esis to r   em u lati o n   co n tr o l   s ch e m e.   No w   c ir cu itr y   o p er atio n   h a s   d is c u s s ed ,   it  is   ca p ab le  o f   tr an s f er r in g   m ax i m u m   e n er g y   f r o m   R s o u r ce   R es i s t a n c e( Ω ) P o w er ( mW ) P HH P 1 m2 P o w e r =   2 . 2 0 7   mW R e s i s tan c e =   1 0 0 2 . 3 4   Ω m1 P o w e r =   2 . 6 5 2   mW R e s i s tan c e =   6 6 6 . 7   Ω R F   S o u r c e Z =   5 0   O h m F r e q =   2 . 4 5   G H z P =   d b m t o w ( P i n ) R e c t i f i e r H a r m o n i c R e c t i f i e r F i l t e r P H H M a x i m u m P 1 M a x i m u m S w i t c h e d   C o n t r o l   P o w e r   M a n a g e m e n t B a t t e r y C h a r g i n g V H H V 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2088 - 8 694       Hig h   E fficien cy   Ha r mo n ic  Ha r ve s ter R ec ten n a   fo r   E n erg S to r a g A p p lica tio n   ( Dee p a K u ma r )   255   to   th b atter y .   T h e   cir cu it  to p o lo g y   o f   F u n d a m en tal  r ec tif ie r   o u tp u an d   h ar m o n ic   r ec ti f ier   o u tp u t,  th t w o   ter m i n als  ar in ter f ac ed   th r o u g h   s w i tch e s   in te g r ated   w i th   th b u ck - b o o s t   co n v er ter   is   s h o w n   i n   F i g u r 4.   T h er ar t w o   in p u v o ltag e s   V 1 ,   V HH   an d   c u r r en t s   I 1 ,   I HH .   F o r   f ast  s w itc h i n g   an d   co s e f f ec tiv e   o p er atio n ,   Mo s f et  w it h   lo w   on - r e s is ta n ce   is   s u itab le.   T h t w o   i n p u ts   ar in ter f ac ed   th r o u g h   f o r w ar d   co n d u cti n g   s w itc h es   w il l s h ar co m m o n   in d u cto r   an d   an   o u tp u t   ca p ac ito r .   T h o u tp u t   v o lta g an d   cu r r e n ts   ar V out   an d   I out .           Fig u r 4 .   Fu n d a m e n tal  r ec ti f ie r   o u tp u t a n d     h ar m o n ic  r ec ti f ie r   o u tp u t a r in ter f ac ed   t h r o u g h   s w itch e s   in te g r ated   w i th   b u c k - b o o s t c o n v er ter       4.   B UCK - B O O ST   CO NVERT E SW I T CH I N G   ( DCM   M O DE )   AND  ANA L YS I S   Du al  in p u b u ck - b o o s to p o lo g y   s w i tch in g   s ch e m e   is   s h o wn   i n   F i g u r 5 .   S w itc h es   Q 1   a n d   Q HH   is   w o r k i n g   i n   co m p le m e n tar y   p u ls ed   m o d w it h   lo w - f r eq u en c y   p u ls ed   d u t y   c y cle  k   an d   1 - k   r esp ec tiv el y   f o r   p er io d   ‘T LF .   T h i n d u cto r   cu r r en w av e f o r m   is   o p er atin g   i n   D C w it h   o n   ti m t 1   an d   co n s ta n f r eq u e n c y   1 /T HF .   I n   th i s   ca s e,   th av er a g lo ad   r esis tan ce   r ea lized   ( em u lated   r esis ta n ce )   f o r   th f u n d am e n tal  r ec ti f ier   is   V 1   d iv id ed   b y   t h a v er ag e   v a lu o f   cu r r en I 1   an d   f o r   th h ar m o n ic  r ec ti f ier   is   V HH   d i v i d ed   b y   t h a v er ag e   v alu o f   c u r r en I HH ,   g i v en   b y   eq u atio n   3   an d   6   r esp ec tiv el y .     1 =    1 1 2    × ( 1 )   ( 1 )    1 =   1 . 1   ( 2 )   ( 1 )   = 1 1 =   2  1 2 ( 1 )           ( 3 )    =    _  1 2    × ( )   ( 4 )    _  =    . 1   ( 5 )   (  )   =   = 2  1 2   ( 6 )       Fro m   th e m u lated   r esis ta n ce   eq u atio n ,   w ca n   n o tice  t h er ar t w o   v ar iab le  p ar a m eter s ,   t 1   an d   k   ca n   b co n tr o lled   by   t h d esire d   v alu o f   a v er ag c u r r en t.  T h t w o   v ar iab le  p ar am e ter s   ar n o lin k ed   an d   u s e f u l   b y   u s er s   i n   tu n i n g   co n d itio n   f o r   m atc h i n g   lo ad ,   an d   it  is   also   p r o m o te  o p er atin g   r an g e.   Fo r   th b atter y   ch ar g i n g   ap p licatio n ,   t h b e n ef it  o f   u s i n g   t w o   f r eq u e n c y   co n tr o lled   s w itc h   i s   t h at  m u l tip le  av er ag e   lo ad   r esis ta n ce   ca n   b r ea lized   b y   s i m p l y   v ar y in g   co n tr o p ar a m eter s   a s   g i v en   in   eq u at io n   3   a n d   6 ,   an d   co m p le m e n tar y   p u l s ed   m o d e   s w itc h i n g   is   s u itab le  f o r   m ax i m al  e n er g y   h ar v e s ti n g   f r o m   t h f u n d a m en tal  r ec tif ier   as  w ell  a s   Har m o n ic   r ec tif ier .       V 1 V H H I H H I 1 I L =   I L 1 + I   L _ H H + - P o w e r   s t o r a g e I o u t V o u t Q 1 Q H H Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   252     2 5 9   256     Fig u r 5 .   Hig h - f r eq u e n c y   p er i o d   ( T HF )   an d   lo w - f r eq u e n c y   p er io d   ( T LF ) ,   Du r atio n   o f   p u l s e d   o p er atio n   o f   s w itc h   Q 1   is   k T L an d   Q HH   i s   ( 1 - k ) T L ,   in d u c to r   cu r r en wav ef o r m   in   f i x ed   f r eq u e n c y   D C w it h   o n   ti m t an d   o f f   ti m t 2       T h o u tp u p o w er   f r o m   t h t w o   r ec tif ier s   is   t u n ed   u p   to   n ea r   m a x i m u m   o u tp u p o w er   a n d   t h r es u lt s   f r o m   o p ti m ized   s i m u latio n   in   A D e n v ir o n m e n t.  A t   1 0   d B m   in p u p o w er   R s o u r ce ,   th f o u n d   v al u es   o f   m atc h in g   lo ad   r esis ta n ce   f o r   th f u n d a m e n tal  a n d   h ar m o n i c s   r ec ti f ier s   ar R ( 1 ) ma tch= 1 0 0 2 . 3 4   Ω   an d   R ( HH ) match =6 6 6 . 7   Ω   r esp ec tiv el y .   T h ese  v al u es  ar cr iticall y   n ee d ed   f o r   p r ac tical  cir cu it d esig n .       5.   H ARDWA R E   F AB RICA T I O N       T ab le  1   C o m p o n e n ts   Mo d el  a n d   Sp ec if icat io n   C o mp o n e n t   M o d e l   S p e c i f i c a t i o n   M O S F ET   (N - c h a n n e l )   I R F Z 4 4   D S( on)   =   0 . 0 2 8   Ω   =   6 7   n C   os s   =   9 2 0 p F   S u r f a c e   mo u n t   m i c r o w a v e   sch o t t k y   mi x e r   d i o d e s   H S M S - 8 2 0 2 ,   S O T   2 3   P a c k a g e   V F   =   2 5 0   mV   V BR   =   4   V   H i g h   sp e e d   M O S F ET   g a t e   d r i v e   o p t o c o u p l e r s   F O D   3 1 2 0   I CC H   =   3 . 8   μA   I CCL   =   3 . 8   μA   I n d u c t o r   T o r o i d a l   I n d u c t o r   L   =   1 8 0   μH           Fig u r 6 .   C h a n n el  3 -   Q HH  g ate  d r iv v o ltag e,   c h an n el  2 -   Q 1   g ate  d r iv v o ltag e       A 2 . 4 5   GHz ,   Har m o n ic  H ar v ester   R ec ten n a   b atter y   c h ar g i n g   cir cu i h a s   s i m u late d   in   A D S   s ch e m atic.   T h en   w co n s tr u c ted   th o p ti m ized   cir c u it  la y o u in   ADS  la y o u w i n d o w .   T h lay o u cir c u it   p er f o r m a n ce   i n   s i m u latio n   en v ir o n m e n is   s ig n i f ica n an d   m o r ac cu r ate,   f o r   th is   p u r p o s w p er f o r m ed   A D co - s i m u lat io n   w it h   la y o u m o d el  i n   th s ch e m atic ,   t h e   la y o u p er f o r m a n ce   f o u n d   s u i tab le.   T h d esig n ed   la y o u f ab r icate d   on   F R 4   s u b s tr ate,   w it h   t h s p ec if icat io n ,   t h h e ig h t   o f   s u b s tr ate  1 . 6   m m ,   d ielec tr ic  co n s ta n t   4 . 4 ,   an d   th co n d u cto r   m ater ia is   3 5   μ m   t h ick   co p p er .   I n   t h e   co m p o n en ts   co n n ec t io n ,   o n e   s h o u ld   tak e   ca r in   g H H g 1 I L _ H H I p e a k _ H H T H F T L F t 1 t 2 ( 1 - k ) T L F k T L F I L 1 I p e a k 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2088 - 8 694       Hig h   E fficien cy   Ha r mo n ic  Ha r ve s ter R ec ten n a   fo r   E n erg S to r a g A p p lica tio n   ( Dee p a K u ma r )   257   s o ld er in g   SOT - 2 3 ,   HSMS - 8202   Sch o ttk y   d io d e.   Fo r   R s o u r ce ,   A P L A B   2 1 3 0   Ser ies  Sig n a Gen er ato r   w it h   9   k Hz~ 3 0 0 2   MH f r eq u e n c y   c o v er ag w i th   5 0   O h m   VN o u tp u p o r u s ed .   Her e,   VN to   SM A   co n n e cto r   n ee d ed   to   c o n n ec R s o u r ce   w it h   t h f ab r icate d   cir cu it.   T h f ab r icate d   cir cu it  w it h   R s o u r ce   h as  p r esen ted   in   F i g u r 7 .           Fig u r 7 .   Fab r icate d   h ar m o n ic s   h ar v e s ter   R ec te n n cir cu it.  T h n u m b er s   in   p ar en t h esi s   ar th len g t h   an d   w id t h   o f   tr an s m is s io n   li n e s   ( l,w )   i n   m i lli m eter s       T h g ate  d r iv es  h i g h - f r eq u e n c y   s w itc h i n g   p er f o r m ed   at  1 0 0   k Hz ,   i.e .   T HF   e q u als  to   1 0   μ s   w it h   o n   ti m t 1   is   3   μ s .   T h p er io d   T LF   is   5 0   μ s   w it h   lo w - f r eq u e n c y   p u ls ed   d u t y   c y cle  k   a n d   1 - k   ar 0 . 6   an d   0 . 4   r esp ec ti v el y .   Gate   d r iv v o lta g f o r   s w itc h es  Q a n d   Q HH   is   s h o w n   i n   F i g u r 7 .   T h p ar a m eter s   t 1 ,   T HF , T LF ,   k ,   L 2   an d   C 1   ar s elec ted   s u c h   a s ,   e m u lated   r esi s ta n ce   R ( 1 )   an d   R ( HH)   h a v ca lc u lated   v alu es  o f   1 0 0 2 . 4 Ω   an d   6 6 6 . 7 Ω   r esp ec tiv el y .   T h s et u p   is   o p er atin g   at  d es ir ed   m atch i n g   lo ad   r esis ta n ce   f o r   4   b atter y   c h ar g i n g   ap p licatio n ,   Me asu r ed   R ec ten n o u tp u t   p o w er   v er s u s   m u lti p le  in p u p o w er   is   s h o w n   i n   F ig u r 8 .   R F   to   D C   co n v er s io n   ef f icie n c y   f o r   b atter y   ch ar g i n g   is   s h o w n   in   F ig u r 9 .   T h m ea s u r ed   m a x i m u m   co n v er s io n   ef f icien c y   i s   3 7 . 6   % a t 2 0   m w .     ( 1 )   = 1 1 =   2  1 2 ( 1 ) = 1002 . 4     ( 7 )   (  )   =   = 2  1 2 = 666 . 7     ( 8 )   M a x i m um   m e a s ur e d   e f f i c i e n c y   =             ( 9 )           Fig u r 9 .   Har m o n ic  h ar v ester   r ec tif ier   ef f icie n c y   v er s u s   i n p u t RF   p o w er       co m p ar is io n   a m o n g   p r ev io u s   h i g h   f r eq u e n c y   r ec ti f ier s   f o r   en er g y   s to r ag ap p licatio n   i s   p r esen ted   in   T ab le  2 .         ( 2 8 . 8 7 , 3 . 0 4 5 ) ( 1 2 . 6 5 , 3 . 0 4 5 ) ( 1 1 . 2 3 , 3 . 0 4 5 ) ( 8 . 7 3 , 3 . 0 4 5 ) ( 1 6 . 8 8 , 3 . 0 4 5 ) ( 7 . 3 0 , 3 . 0 4 5 ) C 1 =   4 7   p F H S M S   8 2 0 2 s c h o t t k y   D i o d e L 1 =   2   u H ( 1 1 . 2 3 , 3 . 0 4 5 ) ( 1 1 . 2 3 , 3 . 0 4 5 ) F O D   3 1 2 0 M o s f e t   g a t e   d r i v e r I R F   Z 4 4 C 2 = C 3 = 1 0 0   p F L 2 =   1 8 0   u H C 1 =   1 0 0   p F E n e r g y   s t o r a g e   e l e m e n t H a r m o n i c   H a r v e s t e r   ( s i m u l a t i o n ) H a r m o n i c   H a r v e s t e r   ( m e a s u r e d )   0               2 . 5                 5               7 . 5             1 0             1 2 . 5           1 5             1 7 . 5           2 0           2 2 . 5           2 5           2 7 . 5           3 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0       1 5 1 0 R F   p o w e r   ( m W ) R F   t o   D C   c o n v e r s i o n   E f f i c i e n c y   ( % ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   252     2 5 9   258   T ab le  2 C o m p ar is io n   a m o n g   P r ev io u s   Hi g h   Fre q u e n c y   R ec tif ier s   f o r   E n er g y   Sto r ag A p p licatio n   S o u r c e   O p e r a t i n g   F r e q u e n c y   ( G H z )   R e q u i r e d   R F   P o w e r   ( mW )   f o r   M a x i m u m   E f f i c i e n c y   M a x i m u m   M e a s u r e d   E f f i c i e n c y   ( %)   [ 8 ]   0 . 9 - 1 . 9   3 . 1 6   2 3 . 5   [ 9 ]   2 . 4   2 . 5   2 4 . 6   T h i s p a p e r   2 . 4 5   20   3 7 . 6       6.   CO NCLU SI O N   T h h ar m o n ics  h ar v ester   R ec t en n at  2 . 4 5   GHz   w it h   th p r o p o s ed   p o w er   m a n a g e m e n ci r cu itr y   i s   d esig n ed ,   f ab r icate d   an d   e x p er im e n tal l y   te s ted   f o r   en er g y   s to r ag ap p licatio n .   Du a l   in p u t   b u c k   b o o s t   to p o lo g y   is   u s ed   an d   in ter f a cin g   s w itc h es  o p er ates  in   co m p le m e n tar y   p u ls ed   m o d to   r ea lize  r esp ec tiv e   m atc h in g   lo ad   r esis ta n ce s .   A n   o p en   lo o p   s i m p le  co n tr o m an a g e m e n i s   u s ed   f o r   th e   t w o   r ec ti f ier   s o u r ce s   s h ar i n g   lo ad ,   f u n d a m en tal  r e ctif ier   f ee d in g     p o w er   i n   DC f o r   ( 1 - k ) T L   a n d   h ar m o n i h ar v e s ter   r ec ti f ier   f ee d in g     p o w er   i n   D C   f o r   k T LF .   T h p ar am e ter s   t 1 ,   T HF ,   T LF ,   k ,   L 2   a n d   C 1   h a s   b ee n   c h o s en   to   m a x i m ize   ef f icien c y   a n d   ac h iev m atc h in g   lo ad   r esis ta n ce .   Har m o n ic  h ar v ester   R ec te n n ex p e r i m en tal  r esu l ts   ar p r esen ted   f o r   m u lt ip le  in p u p o w er   lev el s .   T h p r o p o s ed   t ec h n iq u p r o v id es  s i m p le   s o lu tio n   f o r   lo w   p o w er   en er g y   h ar v esti n g   w it h   m a x i m al  p o w er   tr an s f er .       ACK NO WL E D G E M E NT S   W w o u ld   lik to   th a n k   all  co n ce r n ed   w it h   th I n d ia n   I n s t it u te  o f   T ec h n o lo g y   B HU  f o r   th eir   all - o u t   ef f o r t to   s u p p o r t u s   f o r   co m p le tin g   th i s   r esear ch .       RE F E R E NC E S   [1 ]   [1 ]   P .   Nin tan a v o n g sa ,   U.  M u n c u k ,   D.  R.   L e w i s,  a n d   K.  R.   Ch o w d h u ry ,   De sig n   Op ti m iza ti o n   a n d   I m p le m e n tatio n   f o RF   En e rg y   H a rv e stin g   Circu it s,”   IEE J .   Eme rg .   S e l.   T o p .   Circ u it s S y st. ,   v o l.   2 ,   n o .   1 ,   p p .   2 4 3 3 ,   M a r.   2 0 1 2 .   [2 ]   [2 ]   V .   M a rian ,   B .   A ll a rd ,   C.   V o ll a ir e ,   a n d   J.   V e rd ier,  S trate g y   f o m icro w a v e   e n e rg y   h a rv e stin g   f ro m   a m b ien f ield   o a   f e e d in g   so u rc e ,   IEE T ra n s.  P o we r E lec tro n . ,   v o l.   2 7 ,   n o .   1 1 ,   p p .   4 4 8 1 4 4 9 1 ,   N o v .   2 0 1 2 .   [3 ]   [3 ]   O.  Niz h n ik ,   GL OB AL   HI G H - P OW ER  REC T ENN A   S I T S EL ECT ION ,   En e rg y   Res .   J o u rn a ,   v o l.   3 ,   n o .   1 ,   p p .   1 2 1 9 ,   2 0 1 2 .   [4 ]   [4 ]   D.  Ku m a a n d   K.  Ch a u d h a ry ,   H ig h - e ff icie n c y   re c ten n a   d e sig n   f o sa telli te  so lar  p o w e sta ti o n ,   in   2 0 1 6   IEE E   Utta Pra d e sh   S e c ti o n   I n ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   E lec trica l,   Co mp u ter   a n d   El e c t ro n ics   E n g i n e e rin g   ( UPCON) 2 0 1 6 ,   p p .   5 4 6 5 5 0 .   [5 ]   [5 ]   G .   K.  Ottm a n ,   H.  .   Ho f fm a n ,   a n d   G .   A .   L e si e u tre,  Op ti m ize d   P i e z o e lec tri c   En e rg y   Ha rv e stin g   Circu it   Us in g   S tep -   d o w n   Co n v e rter  in   Disc o n t in o u Co n d u c ti o n   M o d e ,   IEE T ra n s.   Po we El e c tro n . ,   v o l.   1 7 ,   n o .   5 ,   p p .   6 9 6 7 0 3 ,   2 0 0 2 .   [6 ]   [6 ]   M .   A .   A b d o u rra z i q   a n d   M .   M a a ro u f i,   Ex p e rim e n tal  V e rif ica ti o n   o f   th e   M a i n   M P P T   T e c h n iq u e f o P h o t o v o lt a ic S y ste m ,   In t.   J .   Po w e r E lec tro n .   Dr ive   S y st. ,   v o l.   8 ,   n o .   1 ,   p p .   3 8 4 3 9 1 ,   2 0 1 7 .   [7 ]   [7 ]   R.   A li k ,   A .   Ju so h ,   a n d   T .   S u ti k n o ,   A   S tu d y   o f   S h a d in g   Eff e c o n   P h o t o v o lt a ic  M o d u les   w it h   P ro p o se d   P   &   Ch e c k in g   A l g o rit h m ,   In t.   J .   P o w e r E lec tro n .   Dr ive   S y st. ,   v o l.   7 ,   n o .   1 ,   p p .   2 9 4 0 ,   2 0 1 7 .   [8 ]   [8 ]   H.  Ja b b a r,   S .   M e m b e r,   Y.  S .   S .   M e m b e r,   a n d   T .   T .   Je o n g ,   RF   En e rg y   Ha rv e stin g   S y ste m   a n d   Circu it s   f o Ch a rg in g   o f   M o b il e   De v ice s,”   IEE T ra n s.  Co n su m.   El e c tro n . ,   v o l .   5 6 ,   n o .   1 ,   p p .   2 4 7 2 5 3 ,   2 0 1 0 .   [9 ]   [9 ]   T .   P a in g ,   J .   S h in ,   R.   Zan e ,   a n d   Z.   P o p o v ic,  Re sisto e m u latio n   a p p ro a c h   t o   l o w - p o w e RF   e n e rg y   h a rv e stin g ,   IEE T ra n s.  P o we r E lec tro n . ,   v o l .   2 3 ,   n o .   3 ,   p p .   1 4 9 4 1 5 0 1 ,   2 0 0 8 .   [1 0 ]   E.   L e f e u v r e ,   D.  A u d ig ier,  C.   Ric h a rd ,   a n d   D.  G u y o m a r,   Bu c k - b o o st  c o n v e rter  f o se n so rles p o w e o p ti m iza ti o n   o f   p iez o e lec tri c   e n e rg y   h a rv e ste r,   IEE T ra n s.  P o we r E lec tro n . ,   v o l.   2 2 ,   n o .   5 ,   p p .   2 0 1 8 2 0 2 5 ,   2 0 0 7 .   [1 1 ]   A .   Ka s y a p   e a l. ,   En e rg y   re c la m a ti o n   f ro m   a   v ib ra ti n g   p iez o c e ra m ic  c o m p o site  b e a m ,   in   Pro c .   9 th   In t.   Co n g r.   S o u n d   Vi b r.  ( ICS V9 ) ,   2 0 0 2 .   [1 2 ]   Z.   L iu ,   Z.   Zh o n g ,   a n d   Y.  X.  Gu o ,   In term o d u lati o n   h a rv e stin g   re c ti f i e d e sig n   f o h ig h   e f f i c ie n c y   m u lt i - sin e   w irele ss   p o w e tran s f e r,   IEE M T T - S   I n t.   M icr o w.   S y mp .   Dig . ,   v o l .   2 0 1 6 A u g u s,  n o .   c ,   p p .   4 6 ,   2 0 1 6 .   [1 3 ]   S .   L a d a n ,   S .   M e m b e r,   a n d   K.  Wu ,   No n li n e a M o d e li n g   a n d   Ha r m o n ic  Re c y c li n g   o f   M il li m e ter - W a v e   Re c ti f ier   Circu it ,   IEE E   T ra n s.  M icr o w.   T h e o ry   T e c h . ,   v o l.   6 3 ,   n o .   3 ,   p p .   1 8 ,   2 0 1 5 .   [1 4 ]   B.   G .   D o b b a n d   P .   L .   Ch a p m a n ,   A   m u lt ip le - in p u t   DC - DC  c o n v e rter  to p o lo g y ,   IEE Po we El e c tro n .   L e tt . ,   v o l .   9 9 ,   n o .   1 ,   p p .   8 6 2 8 6 8 ,   2 0 0 3 .                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2088 - 8 694       Hig h   E fficien cy   Ha r mo n ic  Ha r ve s ter R ec ten n a   fo r   E n erg S to r a g A p p lica tio n   ( Dee p a K u ma r )   259   B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS        M r.   De e p a k   Ku m a is   w o rk in g   a s   a   P h . D.  re se a rc h   sc h o lar  in   De p a rt m e n o El e c tri c a l   En g in e e rin g ,   In d ian   I n stit u te  o f   Tec h n o l o g y   B HU ,   V a ra n a si  2 2 1 0 0 5 ,   In d ia.  He   h o ld t h e   d e g re e   o f   B. T e c h   in   El e c tri c a En g in e e rin g   a n d   M . T e c h   in   P o w e El e c tr o n ics   f ro m   In d ian   In stit u te  o f   T e c h n o lo g y   BHU ,   V a ra n a si.  T h e   f ield o f   h is  re se a rc h   in tere sts   a re   p o w e e lec tro n ics ,   p o w e s y ste m ,   m icro w a v e   p o w e tran s f e r,   re n e w a b le en e rg y .               Dr.  Ka lp a n a   C h a u d h a ry   is  w o rk in g   a A ss o c iate   P ro f e ss o in   De p a rtm e n o f   El e c tri c a l   En g in e e rin g ,   In d ian   I n stit u te  o f   Tec h n o l o g y   B HU ,   V a ra n a si  2 2 1 0 0 5 ,   In d ia.  S h e   h o ld t h e   d e g re e   o f   BE  in   El e c tri c a En g in e e rin g   f ro m   M a d h a v   In stit u te  o f   T e c h n o lo g y   a n d   S c ien c e ,   Gw a li o r,   a n d   M . T e c h   &   P h in   P o w e El e c tr o n ics ,   El e c tri c a M a c h in e a n d   Driv e f ro m   In d ian   In stit u te  o f   T e c h n o lo g y ,   De lh i.   T h e   f ield o f   h e re se a rc h   in tere sts  a re   p o w e e lec tro n ics ,   e lec tri c a m a c h in e s   a n d   d r iv e s,  m icro w a v e   p o w e tran sf e r,   re n e w a b le en e rg y .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.