I n t ern a t i o n a l  J o u rn a l  o f  E l ect ri ca l  a n d  C o m p u t er E n g i n eeri n g  ( I J E C E )   V o l.   11 ,  N o.   2 ,  Ap r i l   20 21 ,  pp .   115 8~ 11 65   I S S N :  2088 - 8708 ,  D O I :  10. 11 591/ i j ece . v1 1 i 2 . p p11 58 - 116 5          1158       Jou r n al  h om e p age :  h ttp : //ije c e . ia e s c o r e . c o m   Ult ra - w ide ba nd  energ y  ha rv es t ing  f o r ul t ra - lo w   po w er  elect ro nics  a pp lic a t io ns       N a s r  R a sh i d 1 ,  M o ha m e d S he ha t a 2   1 D ep ar t m en t  o f  E l ect r i cal  E n g i n eer i n g ,  C o l l eg e o f  E n g i n eer i n g ,  J o u f   U n i v er s i t y ,  S ak a k a,  S au d i  A r a b i a   1 D ep ar t m en t  o f  E l ect r i cal  E n g i n eer i n g ,  F acu l t y  o f  E n g i n eer i n g ,  A l - A z ha r  U ni v e r s i t y ,  C a i r o,  E gy pt     2 S O U R C E ,  D ep ar t m en t  o f  R es e ar ch  T r ai n i n g ,  G i za,  E g y p t       A rt i cl e I n f o     AB S T RAC T   A r tic le  h is to r y :   R ecei v ed   J ul   1 9 ,   2020   Re v i se d   S e p 9,  202 0   A ccep t ed   Oc t   1 , 2 0 20       I n t hi s  w or k ,  t he   f e a s i bi l i t y  of   e ne r gy  ha r v e s t i ng  i n t he   us e f ul  U W B     ba nd  ( i . e . ,  3. 1 - 1 0 .6   G H z )  is  a n a ly tic a ll y  in v e s tig a te d .  A  t y p i c a l U W B   c om m uni c a t i ons / E H  c ha i n i n t h i s  ba nd i s  m ode l e d a n d a na l y z e d,  c ons i de r i ng   t he  s pe c t r a l  c ons t r a i nt s  i m pos e d by  t he   f ed er al  co m m u n i cat i o n s  co m m i s s i o n  ( F C C )  t o U W B  s i g na l i ng .  B a s e d  on t he  de v e l ope d m ode l ,  a c c ur at e an al y t i cal   ex p r es s i o n s  ar e d er i v ed  f o r  t h e  av er a g e r ec ei v ed  p o w er s  o f  t w o  co m m o n   t y pe s  of  i m pul s e  r a di o U W B  ( I R - UW B )  si g n a l i n g  w a v e f o r m s.  Nu m e r i c a l   s i m ul a t i ons  on t he  s y s t e m - l ev el  s h o w  ex c el l en t  ag r ee m en t  w i t h  t h e o b t ai n e d   an al y t i c al  e x p r es s i o n s .  M o r eo v er ,  t h e D C  p o w er  l ev el s  e x p ect ed  f r o m   s p ect r al l y  co n s t r ai n ed  I R - U W B   w av e f o r m s  ar e  ex t r e m el y  l o w  ( l es s  t h an     0. 3  m i c r ow a t t )  a nd,  a c c or di ng l y ,  pr ov i de   us e f ul  g ui de l i ne s  f or  t he   de s i g n a nd   de v e l opm e nt  of  U L P  e l e c t r oni c s   a ppl i c a t i o ns  i n  t he  s ub - m i cr o w at t  r an g e.   Ke y wo rd s :   E ne r g y  ha r ve s t i n g    I m pu l s e  r a di o    L o w - p o w er  el ect r o n i c s   U ltr a w id e  b a n d   T hi s  i s   an  ope n ac c e s s  ar t i c l e  u nd e r  t he   CC B Y - SA   l i cen s e.     Co rre sp o n d i n g  Au t h o r :   N a sr  Ra s h i d   D ep ar t m en t  o f  E l ect r i cal  E n g i n eer i n g   C o l l e ge  o f  E n gi ne e r i n g,  J o uf   U ni ve r s i t y   S ak a k a,  S au d i   A r ab i a   E m a il:  na s r r a s hi d @ j u. e d u. s a       1.   I NT RO D UCT I O N     T h e i n t er es t s  i n  e n er g y   h ar v e s t i n g  ( E H )  t ec h n i q u e s   h av e  i n cr eas ed  t o  en ab l e  w i r el e s s l y  c h ar g eab l e   an d  s el f - p o w er ed  el ect r o n i c   d ev i ces   s u c h  a s  t h e  i nt e r ne t   o f  t hi n gs   (Io T ) m o d u l e s ,  ra d i o  f re q u e n c y  ( R F )  id e n ti f ic a tio n  ( R F I D )  ta g s  a n d   w ir e le s s  s e n s o r  n e t w o r k s   (W S N ) [1 ].  N u m e ro u s  e ff o rt s  h a v e  b e e n  re p o rt e d  t o   d em o n s t r at e t h e f eas i b i l i t y  o f  R F  en er g y  a s  a p r o m i s i n g  r es o u r ce f o r  E H  ap p l i cat i o n s ,  e i t h er  o n  t h e s y s t e m   l ev el  ( e. g . ,  [ 2 ] ) ,  t h e d ev i ce l ev el  ( e. g . ,  [ 3 ] ) ,  an d / o r  t h e m at er i al s  ( e. g . ,  [ 4 ] )  o f   w h i c h  t h e s e d ev i ce s  ar e  f ab r i cat ed .   M o s t  o f t e n ,  t h e  h ar v e s t ed  R F  e n er g y  i s  co l l ect ed  ei t h er  f r o m  s i n g l e t o n e [ 5 ]  o r  m u l t i - t o ne   co m m u n i cat i o n   s i g n a l s  [ 1 ] ,  l o cat ed  at  d i s cr et e p ar t s  o f  t h e  s p ect r u m .   S i n ce t h e e m i s s i o n  f r eq u e n ci es  o f  R F   w i r el e s s  co m m u n i cat i o n   s y s t e m s  ar e  di s t r i bu t e d ov e r  a  s uf f i c i e nt l y   w i de  s pe c t r um ,  t h e  c or r e s pon di n g  E H   s y s t e m s  ar e e x p ect ed  t o  co v er  h i g h  b an d w i d t h s  t o  co l l ect  t h e  m ax i m u m  p o s s i b l e  R F  e n e r g y  [ 6 ] .  M o r eo v er ,   t h e  f r eq u en c i es  o f   t h e  R F   s i g n al s  i n ci d e n t   t o  t h e   i n p u t   o f   an   en er g y   h ar v es t er  ar e  u s u a l l y   n o t p r e d ic ta b le .   M o t i v at ed  b y  t h e s e t ech n i cal  r eq u i r e m e n t s ,  t h er e h as  b een  i n cr eas i n g  i n t er e s t s  i n  t h e d es i g n  an d  d ev el o p m e n t   o f  u ltr a - w i d e b an d  ( U W B )  d ev i ces / s y s t e m s   f o r  E H .  I n  [ 6 ] ,  f o r  i n s t a n ce,  t w o  r ect i f i er  d es i g n s   h av e b ee n   r ep o r t ed  an d  f ab r i cat e d t o  op e r a t e  f r o m  0. 6 t o  3   G H z.  I n  [ 7 ] ,  t w o  r ect i f i er  d es i g n s   f o r  U W B  E H  h av e b een   p r es en t ed .     T h e   de s i gn e d  r e c t i f i e r s   f oc us   on   E H   i n   t h e   f r e qu e n c y   ba nds   f r o m   470  t o  860   M H z,   a n d   b et w ee n     250   M H z an d  3   G H z.  M o r e e x a m p l e s   f o r  t h e d es i g n  o f  U W B  en er g y   h ar v e s t er s  ar e r ep o r te d  in  [ 8 ,   9 ],  w h e re   p r in te d  U W B   m ic r o s tr ip  a n te n n a ,  b a s e d  o r g a n ic   s u b s tr a te s ,   f o r  R F  E H  a p p lic a tio n s   f r o m 2 . 4   GHz ,  u p  t o   m o r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       U ltr a - w i de  band e ne r gy   har v e s t i ng f or  ul t r a - lo w   p o w er  el ect r o n i cs   appl i c at i ons   ( Na sr R a s h i d )   1159   t ha n 1 0   G H z.  S u c h  d es i g n s  a r e v er y   f av o r ab l e f o r  E H  f r o m  d i f f er e n t  s i g n al s  o cc u p y i n g  d i f f er e n t   f r eq u en c y   ba n ds  of   th e  s p e c tr u m ,  in c l u d in g  U W B  s ig n a ls .  F r o m  th e  a f o r e - m e n tio n e d  o v e r v ie w ,  it is  c le a r  th a t,  th e   m a j or i t y  o f  t h e  s t u di e s  r e por t e d on  t h e  de s i gn  a n d de v e l opm e n t  of   w i de / n a r r o w  ba n d  e n e r gy   h a r v e s t i ng  r ect en n a s  h a v e  co m p et ed   t o   d em o n s t r at e  t h ei r   i n d i v i d u al   cap ab ilitie s   in   te r m s   o f   th e   R F - to - D C   c onv e r s i o n  ef f i ci en c y .  H o w ev er ,  acco r d i n g  t o  [ 1 0 ] ,  t h e R F - to - D C  co n v er s i o n  ef f i ci e n c y  o f  a r ect en n a i s ,  i n  g e n er al ,  n o t   o nl y a   f u nc t i o n o f  t he   r e c t e n na  d e s i g n,  b ut   a l s o  o f  i t s   i np ut   w a ve f o r m .  T he r e f o r e ,  i n a no t he r  c a t e go r y  o f  s t ud i e s  r e p o r t e d o n R F  E H ,  t he  s i gna l i n g  w a ve f o r m s  c a r r yi n g t hi s  R F  e ne r g y ha ve  b e e n c o ns i d e r e d .  F o r   d i f f er e n t  R F   w a v e f o r m s   h av i n g  t h e s a m e p o w er  l ev e l ,  t h e h ar v es t ed  D C  p o w er  l e v el s  ar e s t r o n g l y  d ep en d en t     o n t he  p a r t i c ul a r  R F  s i gna l i n g  w a ve f o r m  a nd  s o m e o f  i t s  t i m e d o m ai n  ch ar act er i s t i cs   s u c h  as  t h e h i g h l y   d es i r ab l e p eak - to - a ve r a ge - pow e r - ra t i o  (P A P R ) [1 1 ].   F o r t u n at e l y ,   t h e  i n t er es t s  i n  d e v el o p i n g  b r o ad  b an d  en er g y   h ar v es t er s  t o  co l l ect   R F  en er g y   f r o m   h i g h   P A P R  s i g n al s  p er f ec t l y   m a t c h es  t h e t e m p o r al  as   w el l  as   t h e s p ect r al  c h ar act er i s t i c s  of   i m pu l s e  r a di o - U WB  (IR - U W B )   w av e f o r m s .  D e s p i t e t h e s e v er e  s p ect r al  co n s t r ai n t s  i m p o s ed  b y   t h e  F ed er al  C o m m u n i cat i o n s   Co m m i s si o n  ( F C C)  t o   t h ei r  s p ect r a ( l es s  t h an   - 41. 3   d B m / MH z) ,  I R - U W B  s i g n al s  ar e a l l o w ed  t o  o ccu p y  a   ba n d w i dt h   as  l ar g e as   7 . 5   G H z  ( i .e ., 3 .1   GHz   -   10. 6   G H z )  [ 12] ,   c om m o n l y   c a l l e d t h e   u s e f ul  U W B   ba n d.   M o r eo v er ,  i n  I R - U W B  s i g na l i ng,  t he  e ne r gi e s  o f  I R - U W B  s ig n a ls  a r e  e m itte d  in  t h e  f o r m  o f  tr a n s ie n t b u r s ts   of  v e r y   s h or t  du r a t i o n  ( t y pi c a l l y ,  ns  or  ps )  a n d l ar g e v o l t a g e a m p l i t u d es  ( co m p ar ed  t o  t h e D C  l ev e l s  o f  I R - U W B  w a v e f o r m s ) .  Mean w h i l e,  d u e t o  t h e p o o r   r ad i at i o n  ef f i ci en c y  o f  U W B  an t e n n as  at   l o w  f r eq u en ci e s   ( be l ow   1   G H z) ,  t h e r ad i at ed   I R - U W B   s i g n a l s o f t e n  p o s se s s  D C - n u ll c o m p o n e n ts  [ 1 3 ] .   T h is  r e s u lt s   in  I R - U W B  s i g na l s   w i t h  hi g h P A P R  l e ve l s .  T o  t he  b e s t  o f   t he  a ut ho r s '  k no w l e d ge ,  no   s t ud y   h a s   y e t  b e e n  r e p o r t e d  t o  as s es s  t h e  m a x i m u m  D C  p o w er  l ev el s  t h at  can  b e ex t r a ct ed   f r o m  t h e s e  s i g n a l s.  I n  t h i s  p a p e r ,  a  sy st e m - l ev el   ab s t r act i o n  ap p r o ach  i s   ad o p t ed   t o   ev al u at e  t h e  m a x i m u m   D C  p o w er   l e v el s   e x p ect ed   f r o m   I R - U WB  s i g n al s  u n d er  t h e  F C C   s p ect r al   co n s t r ai n t s ,   r e g ar d l es s   o f   t h e s p eci f i c  r eal i zat i o n   o f   t h e  E H   ci r cu i t / s y s t e m .   U nd er  t h i s  as s u m p t i o n ,  t h e cal cu l at ed  D C  p o w er  l ev el s  ar e g u ar an t eed  t o  b e t h e m a x i m u m  ach i ev ab l e l ev el s ,   r eg ar d l es s  o f  t h e d et ai l ed  ar ch i t ect u r e o f  t h e E H  ci r cu i t  a n d / o r  i t s  R F - to - D C  co n v er s i o n  ef f i ci en c y .     T h e r es t  o f   t h i s  p ap er  i s  o r g an i zed  as   f o l l o w s .   A  U W B  co m m u n i cat i o n s / E H  c h ai n  i s  d es cr i b ed  an d  i s   m o d e le d  i n  S e c tio n  2 ,  c o n s id e r in g  t y p ic a l  IR - U W B  s i g na l i n g  w a ve f o r m s .  I n  s ect i o n  3 ,  an al y t i cal  e x p r es s i o n s   f o r   t h e  av er a g e  D C   p o w er s   h ar v es t ed   f r o m   t h e co n s i d er ed   w a v e f o r m   t y p es   ar e  d ev el o p ed .   T h e  d ev el o p ed   ex p r es s i o n s  ar e t h e n  n u m er i ca l l y   ev a l u at ed  a n d  ar e an al y ze d  i n   s ect i o n  4 .  B as ed  o n  t h e o b t ai n ed  r es u l t s ,  t h e   w hol e   w or k  pr ov i de d i n  t h i s   p ap er  i s  f i n al l y  co n c l u d ed  i n  s e c tio n  5 .       2.   U W B  S I G N A LL IN G / EN ER G Y  H A R V ES TIN G  M O D EL   F ig u r e  1  ill u s tr a te s   th e  b lo c k   d ia g r a m   o f  a  t y p i cal  I R - U W B  s i g na l i n g/ E H  c ha i n,  i ns p i r e d  f r o m   t he   m ode l s  pr ov i de d i n  [ 4] .  G e n e r a l l y ,  i t  c ons i s t s  o f  a n  I R - U W B  t r an s m i t t er  an d  a n  U W B  en er g y  h ar v es t er  a t  t h e  r ecei v er  s i d e,  each  eq u i p p ed  w i t h  a  b r o ad b an d  U W B  an t en n a.   A t  t h e t r a n s m i t t er  s i d e,  a n  i n f o r m at i o n  s o u r ce  e mi t s  a  s t r e a m o f   M − ar y  e n c o d ed  s y m b o l s .  M o r eo v er ,  i t  i s  as s u m ed  t h at ,  t h e i n f o r m at i o n  s o u r ce an d  i t s   as s o ci at ed  r es i s t an ce,  d en o t e d  b y   R s ,   m o d el  al l  s i g n a l  p r o ces s i n g   f u n ct i o n s  t h at  p r ece d e t h e T X  an t en n a.   F u r t h er m o r e,  t h e s o u r ce r es i s t an ce   R s   i s  as s u m ed  t o  b e  m at c h ed  t o  t h e i n p u t  i m p ed a n ce o f   t h e T X  an t en n a.             F i gu r e  1.  B l oc k  di a g r a m  of  a  t y pi c a l  I R - U W B  c om m uni c a t i o ns / e ne r g y ha r ve s t i n g c ha i n       E a c h  of  t h e  e m i t t e d  s y m bol s  i s  a s s um e d t o be   s i m ul t a n e ou s l y  e n c ode d by  t h e  p u l s e   a m pl i t u de   m o d u l at i o n   ( P A M)   an d  t h e  p u l s e  p o s i t i o n   m o d u l at i o n   ( P P M )  s ch e m es .  E ach   o f   t h e  P A M/ P P M m o d u l at ed   s ym b o l s   i s   f ur t he r  e nc o d e d  b y a n I R - U W B  s i gna l i n g  w a ve f o r m ,  d e no t e d  b y () t ,  a s s i gn e d t o  e a c h s ym bol .   T h e   w a v e f o r m   s tr e a m  a t P o in t  B  in  F ig u r e  1  i s  e x p r e ss e d  a s  f o l l o w s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   11 , N o .  2 ,  A pr i l  202 1  :   1 158   -   1165   1160   () ( ) j qq j js x t s t j T     (1 )     w h er e  j   is  th e   ti m e - d o m a i n  s ym b o l  i nd e x,   q j s   i s  t he   th q   a m pl i t u de  of  t h e   th j   P A M  e n c ode d s y m bol ,   0 , 1 ... 1 qM    is   th e   in d e x   o f   th e   s y m b o l  a lp h a b e t,   M is   th e   o r d e r   o f   th e   m o d u la tio n   s c h e m e ,   s T   is   th e   s ym b o l  d ur a t i o n a nd   q j   i s  th q   ti m e  s h if t o f  t h e   th j   P P M  m odu l a t e d s y m bol .  T h e     s i g n a c c oun t s  f or  t h e   t w o  p o s s ib ilitie s  o f  ti m e  d e l a y  o r  ti m e  a d v a n c e  i n  P P M .  I t s h o u ld  b e  h i g h li g h te d  t h a t,  a  p r o b a b ility  o f   o ccu r r en ce o f   q p   is  a s s ig n e d  to  t h e   th q   i nf or m a t i o n  s ym bol .  T h e   s pe c t r a l l y  s h a pe d  w a v e f or m  s t r e a m  i s   f e d t o  an  U W B  T x  an t e n n a  b ef o r e b ei n g  r ad i at ed  o v er  an   U W B  w i r el e s s  c h a n n el  t o  a  w i r el es s l y  l o cat ed  U W B  R x   an t en n a.  T h e i m p u l s e r es p o n s e o f  t h e U W B   c h a n n e l  i s  ba s e d on  t h e  I E E E   802 . 15. 3 s t a n da r d m ode l  a n d i s   e x pr e s s e d a s  f ol l o w s  [ 14] :     11 , , , () ( ) LK lk lk lk l lk ht t T       (2 )     w h er e    is  a  lo g - n o r m al  r an d o m   v ar i ab l e t h at   m o d el s  t h e l i n e - of - s i g ht  ( L o S )  p a t h l o s s  o f   t he  U W B  c ha nne l ,   L   i s  t h e  n u m b er  o f  o b s er v ed  cl u s t er s ,   K i s  t h e  n u m b er  o f  r a y s   r ecei v ed   w i t h i n  t h e   th l   c lu s te r ,   , lk   i s  t he   co ef f i ci e n t  o f  t h e  th k   m u ltip a t h  c o n tr ib u tio n  o f   th l   c lu s te r ,   l T   i s  t h e t i m e o f  ar r i v al  o f  t h e  th l cl u s t er ,  an d   , lk t he   d e l a y  o f   t he   th k   r a y   w i t hi n  t he   th l   cl u s t er ,   cal c u l at ed   w i t h   r es p ect  t o   l T .   T h e  p at h   l o s s   v ar i ab l e    i s  gi ve n b y  2 2 2 / 16 T R GG c D f  ,   w h er e  T G a nd   R G a r e  t he  ga i ns  o f  t he  T x   a nd  t he  R x  U W B  an t en n as ,   r es p ect i v el y ,  c=3 × 10 8   m/ s  i s   t h e s p eed  o f  l i g h t  i n  f r ee  s p ace,   D   is  th e  T x - R x a nt e nna   s e p a r a t i o n ( i n  m e t e r s ) ,   i s   t h e   pa t h  l os s  e x pon e n t ,  a nd  f is   th e   f r e q u e n c y  a t  w h ic h  t h e  p a th  lo s s  is  e v a l u a te d .   I t is  i m p o r ta n t to   hi g hl i g ht  t ha t   T G   a nd   R G   a c c o u n t f o r  th e  r a d ia tio n  e f f ic ie n c y ,  p o la r iz a tio n  a n d  th e  O h m ic  lo s s e s  e x h ib ite d   b y  t h e a n t e n n a  m at er i al s  at  t h e T x   a nd  t he  R x,  r e s p e c t i ve l y ( P o i nt  B  t o   P o i nt  C  o n F i g ur e  1 ) .   T he  c ha n ne l   c o e f f ic ie n t  ,   i s  a d i s cr et e r a n d o m  v ar i ab l e t h at  as s u m e s  v a l u es  o f   1   w it h  e q u a l p r o b a b ilitie s ,   w h e r e a s   , lk   is  a  R a y le ig h  d is tr ib u t e d  r a n d o m  v a r ia b le  th a t  m o d e ls  th e  f a d in g  c o n tr ib u tio n  o f  t h e   th k   r a y  i n t he   th l   c l us t e r .  T he  vo l t a ge   w a ve f o r m  a t  t he  i np ut  o f  t he  R x r e c t e n n a  i s  gi ve n b y:     1 () () * () () ( ) P q pj j p jp s r t x t h t n t w s t j T       (3 )     w h er e ( * )  i s  t h e  l i n e a r  c onv ol u t i on  ope r a t or ,   P KL ,  , , , , lk lk l lk pp wT     is  t h e  o v e r a ll r a y   d el ay  a n d   ( )   i s  a n a d d i t i ve   w h i t e  G a us s i a n  no i s e  ( A W G N )  p r o c e s s .  I n t he   f o l l o w i n g a na l ys i s ,  a  hi g h s i g na l - to - no i s e  r a tio  ( S N R )  a t th e  r e c e iv e r  f r o n t - e n d  is  a s s u m e d  s u c h  th a t t h e   A W G N  te r m  in  ( 3 )  is  n e g li g ib le .  T h is   as s u m p t i o n   i s   ap p l i cab l e  t o   c l o s e  p r o x i m i t y   U W B   s y s t e m s   w h er e  a  h i g h   S N R   i s   t y p i cal l y   o b s er v ed   at   t h e   i n p u t  o f  a n  U W B  r ecei v er .  M o r eo v er ,  a r es o l v ab l e s et  o f   m u l t i p at h  co m p o n e n t s  i s  as s u m ed .  T h i s  can  b e  ex p r es s ed   m at h e m at i cal l y  as   ma x sp T a nd   1 ; 1 , 2 ... . p p pP     T h e r ecei v ed   w a v ef o r m  i s  ap p l i ed  t o  t h e i n p u t  o f  a  m at c h i n g   n et w o r k  f o r   m ax i m u m  p o w er  t r a n s f er   f r o m  t he   R x a nt e nn a  out pu t  t o t h e  i n pu t  o f   a   h i gh  s pe e d f ul l - w a v e  r e c ti f ie r  ( F W R ) / v o lta g e   m u ltip lie r  ( V M ) .   T h e  o u tp u t o f  th e  F W R /V M  ( P o in t D  in  F i g u r e  1 )  i s  f o llo w e d  b y  a  lo w - p as s   f i l t er  ( L P F ) ,  s u c h  t h at  t h e d es i r ed   D C  p o w er  o f  t h e r ecei v ed  I R - U W B   w a v ef o r m  i s  ex t r act ed   a t th e  L P F  o u tp u t.  W it h o u t lo s s  o f   g e n e r a lit y ,  t h e   F W R / V M  ap p l i es  t h e ab s o l u t e v al u e o p er at o r   . to   ( ) ,   w h er e as  t h e  L P F  i s   m o d el ed  b y  a n  i d eal  t i m e - dom a i n  i n t e g r a t or .  T h e  D C  po w e r  obt a i n e d a t  t h e   L P F  ou t pu t  i s  de l i v e r e d t o a  l oa d  r es i s t an ce o f   ; th e   T he ve ni n e q ui va l e nt  o f   t he  p a s s i ve  c i r c ui t s  a nd  s ys t e m s   t ha t  f o l l o w  t he  L P F .  T he  l o a d  r e s i s t a nc e   i s  a s s u m e d   t o  b e  m at c h ed  t o  t h e o u t p u t  i m p ed an ce  o f  t h e r ect e n n a  co n f i g u r at i o n .   S i n ce a r es o l v ab l e s e t  o f  n o n - o v e r la p p in g  m u ltip a t h   co m p o n en t s  i s  as s u m ed ,  t h e e x t r act e d  D C  p o w er  o f  t h e r ecei v ed  I R - U WB  w a v e f o r m  i s   ex p r es s ed  as  f o l l o w s :     2 1 2 2 01 1 lim ( ) 2 M T L q T P q pj DC qp sL T pw s P r t dt E TR T R        (4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       U ltr a - w i de  band e ne r gy   har v e s t i ng f or  ul t r a - lo w   p o w er  el ect r o n i cs   appl i c at i ons   ( Na sr R a s h i d )   1161   w h er e  E i s d e f i n e d  a s  f o l l o w s :     2 2 ( ) () j sp E t jT dt t dt            is   t h e D C  en er g y  o f  a s i n g l e n o n - f a d e d  r e s o lv a b le   m u ltip a t h  c o m p o n e n t.  F r o m  ( 4 ) ,  it is  c le a r  th a t,  d u e  to  th e   u n c o n tr o lla b le  tr a n s m is s io n  lo s s ,  th e  h a r v e s te d  p o w e r   DC P   can  b e ev al u at ed  an d   m ax i m i zed   w i t h  r es p ect  t o   t he  I R - U WB w a v e f o r m   a n d  i t s  as s o ci at ed  p ar a m et er s  e m b e d d ed  i n   E .   I n t hi s   w o r k,  t he  I R - U W B  s i gna l i n g   w av ef o r m s ;   () t i s  a s s um e d t o be   a  t i m e  a n d/ or  a m pl i t u de  s c a l e d de r i v a t i v e s  of  a  ba s i s   f u n c t i on ,  de n ot e d b y   ( , ) t  w h er e  is  it s  te m p o r a l p u l s e  s h a p in g  f a c to r .  T h is  b a s is  f u n c ti o n  is  e it h e r  a  t y p ic a l a m p lit u d e - s cal ed   G a us s i a n p ul s e   w hi c h,  e xp r e s s e d  a s   2 2 ( , ) e x p ( / ) g tt    w h er e  g i s  t he  G a us s i a n p ul s e   w i d t h,  o r   a  t y p ic a l a m p lit u d e - s cal ed  h y p e r b o l i c s ecan t  ( s ec h )  p u l s e  w h i ch  i s  g i v e n  b y   ( , ) s e c h ( / ) s tt    w h er e  s   i s  t he  s e c h p ul s e   w i d t h.   T he   p ul s e  s ha p i n g  f a c t o r   o f   ( , ) t    i s   d e f i n e d   a s   its  f u l l w id th   a t h a l f  m a x i mu m  ( F W H M)  p u l s e  w i d t h  an d  i s  r el at ed  t o  t h e  G a u s s i an  an d  s ech  p u l s e  w i d t h s  as   / 2 l og( 2 ) g    a nd   1 / 2 s e c h ( 0 . 5 ) s    r es p ect i v el y .  A cco r d i n g l y ,   () t i s   gi ve n b y  () ( , ) ( , ) / ; m m mm m A t A d t dt t   R .  C o ns e q ue n t l y ,  t he   av er a g e D C  p o w er  o f  t h e r ecei v ed  I R - U W B   w a v e f o r m  i s e x p r e s se d  a s  f o l l o w s:     2 () 1 ( ,) L mm DC P A jd R       (5 )     w h er e  m A   i s  t he  a m p l i t ud e  o f  t he   un - m odu l a t e d  th m   o rd e r IR - U WB w a v e f o r m   1 1 2 2 01 L M P q L q pj qp s R TR p w s       is   t h e e f f ect i v e  l o ad  r es i s t a n ce,   () () ( ,) ( ,) mm jt     i s  t h e   F o u ri e r t ra n s f o r m  o f  () ( , ) m t  ,     i s  t he   a ng ul a r   f r e q ue nc y a nd   . d e n o te s  th e   F o u r ie r  tr a n s f o r m  o p e r a tio n .  F o r  s i m p lic it y ,   1 L R t o  e ns ur e  t he   g en er al i t y  o f  t h e co n d u ct ed  an al y s i s  an d  i t s  i n d ep en d e n ce o f   t h e p ar t i cu l ar  s y s t e m  d es i g n  s p eci f i cat i o n s .       3.   U WB - TO - DC E N E R G Y H A RVE S T I NG  U NDE R T H E  F CC S P E C T RA L  CO NS T RA I NT S   A n  I R - U W B  s i g n al  i s   s u b j ect  t o  p o w er   s p ect r al   de n s i t y  ( P S D )  c on s t r a i nt s ,  de n ot e d  b y () FC C S ,  i m p o s ed  b y  t h e F C C  o n  i t s  ef f ect i v e i s o t r o p i c r ad i at ed   p o w er  ( E I R P )  [ 1 2 ] .   T h er ef o r e,  t o  m a x i m i ze t h e D C   p o w er  ex t r act ed  f r o m  a n  I R - U W B  s ig n a l,  i s  to   m a x i m iz e  its   p e a k  P S D  b y  a d a p ti n g   m A   to   () FC C m a x S .  T he  F C C - c o m p lia n t F o u r ie r  tr a n s f o r m  o f  t h e   th m o r d er  G au s s i an - b as ed  d er i v at i v e i s  g i v e n  b y :     2 () , ( , ) ( ) e x p ( / 2) m mm n FC C g g g j A j     (6 )     w h er e  n   d en o t es  a n o r m al i zed   v er s i on  of   () ( ,) m j  ,  m g A   is  th e  n o r m a liz a t io n  c o n s ta n t o f  t h e   th m   o r d er   d e r iv a tiv e   o f  a   G a u s s ia n  b a s i s   f u n c tio n .   L ik e w is e ,   t h e   F C C - c o m p lia n t  F o u r ie r   tr a n s f o r m  o f   t h e   th m   or de r   s ech - b a s e d  d e r i va t i ve  i s   gi ve n  b y :     () , ( , ) ( ) 4 s e c h 2 m n FC C mm ss s j Aj     (7 )     w h er e  m s A   is  th e   n o r m a liz a t io n  c o n s ta n t o f  t h e   th m   o r d er  d e r i v at i v e o f  a  s ech - b as ed  I R - U WB w a v e f o r m .   T hr o ugho u t  t he  f o l l o w i n g a na l y s i s ,   () , ( ,) m n FC C j    i s  gi ve n b y  e i t he r  t he  d e f i ni t i o n s  i n ( 6 )  o r  ( 7 )  a s   r e q ui r e d .   I t  is  i m p o r ta n t to  h i g h li g h t  th a t,   th e   v a lu e s   o f   m g A   a nd   m s A   ar e d e f i n ed   i n   t er m s   o f   t h e g l o b al   m ax i m u m   an g u l ar  f r eq u en ci e s  of  ( 8)  a n d ( 9) ,   r e s pe c t i v e l y  ( de s i g n a t e d by   , pg   a nd   , ps   r es p ect i v el y ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   11 , N o .  2 ,  A pr i l  202 1  :   1 158   -   1165   1162   F i g u r es  2 ( a)  an d  ( b )   p l o t  t h e s i m u l at ed  R F  s p ect r a o f   G a u s s i an - b as ed  a n d   s ech - b as ed  I R - U WB  w a v e f or m s ,  r e s pe c t i v e l y ,  ba s e d on  ( 6)  a n d ( 7 )  a l o n g   w it h  th e  F C C  s p e c tr a l c o n s tr a in ts .   A  c lo s e r  lo o k  a t th is   f i g u r e r ev eal s  t h at ,  i t  i s  r eas o n ab l e t o  em p l o y  I R - U W B  s i gna l i n g  w a ve f o r m s   wh o ’ s   P S D s a r e  m o st l y   co n cen t r at ed  i n  t h e 3 . 1 - 10. 6   G H z b an d ,   w h er e  m o s t  o f  t h e E I R P  o f  a U W B  s i g n al  i s  p er m i t t ed .   C o ns e q ue nt l y,   t h e av er a g e r ecei v ed  p o w er  i n  ( 5 )  i s  ap p r o x i m at ed  as  f o l l o w s :     22 () () ,, ( ,) 2 ( ,) H L mm D C n FC C n FC C P jd jd       (8 )     w h er e  2 L L f  ,  2 HH f  ,   a nd   L f a nd   H f ar e  t h e  l o w er   a n d   t h e  u p p er   f r eq u e n ci e s   t h at   d et er m i n e   t h e  b an d w i d t h  o v er   w h i ch  t h e  m a x i m u m  F C C  P S D  i s  al l o w ed .   T h e D C  p o w er  e x t r act ed  f r o m  a G au s s i a n - b as ed   IR - U W B   w a v e f o r m  a t t h e   L P F  o u tp u t i s  a n a l y tic a l l y  o b ta in e d  b y  s u b s tit u ti n g  ( 6 )  in  ( 8 )  a s  f o llo w s :      , ( ) /2 /2 DC g g p H g L g PG     (9 )     w h er e  2 1 2 ( 2/ ) mm p gg g G A  a nd   u i s  gi ve n b y :     1 2 1 2 1 2 21 0 1 1 1 2 2 e x p 2 m m N mn n ms u s Qu u u n      ( 10)     wi t h   1 sm    m od  2,   /2 N ms  ,  z a nd   Qu ar e t h e co n v e n t i o n al   G a m m a f u n ct i o n   an d   t he  G a us s i a n  Q - f u n ct i o n ,  r e s p ect i v el y .  S i m i l ar l y ,  t h e a v er ag e  r ecei v ed  D C  p o w er  o f  a  s ech - b as ed  I R - UW B   w a v e f o r m  is  o b ta in e d  a n a l y tic a ll y  b y  s u b s ti tu t in g  ( 7 )  in  ( 8 )  a s  f o llo w s :     , () 2 2 DC g g p H s L s PS    ( 11)     w h er e  2 1 8 ! 4 (1 / 2 ) mm p ss s Sm A   ,  a nd   u   i s  gi ve n b y :     1 00 ( 1 ) ( 1 ) ( ) e x p ( 2 ( 1 ) ) ; 1 ( ) ! ( 2 ( 1 ) ) ai Im ma a ia i u u i uI ma i       ( 12)         ( a)     (b )     F i gu r e  2.   S p ect r a o f  ( a)  G au s s i an - ba s e d I R - U W B   w av e f o r m s  an d  ( b )  s ech - b as ed  I R - U WB  w av ef o r m s       4.   S I M U LA TIO N   R E S UL T S   AND ANA L YS I S   I n  t h i s  s e ct i o n ,  t h e a n al y t i cal  e x p r e s s i o n s   f o r  t h e a v er a g e r ec e i v ed  D C  p o w e r  p r ed i ct ed  b y  ( 9 )  an d   (1 1 )  ar e ev al u at ed .  F u r t h er m o r e,   t h e o b t ai n ed  r es u l t s  ar e co m p ar ed  t o  t h e r es u l t s  o b t ai n ed  b y  s y s t e m - l e ve l   n u m e r ic a l  s i m u la tio n s   u s i n g  M A T L A B .   F or   e a c h  ba s i s   f un c t i ons ,   t h e   F W H M   pul s e   w i dt h ,   ,   i s   c ha n ge d   f r o m  1 ps ,  u p t o 500 ps  f or  t h e  G a u s s i a n  ba s i s   f u n c t i on  pr of i l e ,  a n d u p t o 250 ps  f or  t h e  s e c h  ba s i s   f un c t i on .   A   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       U ltr a - w i de  band e ne r gy   har v e s t i ng f or  ul t r a - lo w   p o w er  el ect r o n i cs   appl i c at i ons   ( Na sr R a s h i d )   1163   ma x i mu m P S D  o f   () FC C m a x S = - 41. 3   d B m / MH z  i s  as s u m ed  o v er  a  h u g e b an d w i d t h   f r o m   L f = 3 .1   GHz   H f = 10. 6   G H z  [ 1 2] .  T hr o ugho ut   s i m ul a t i o ns ,   o n - o f f  ke yi n g ( O O K )   m o d ul a t i o n i s  c o ns i d e r e d .   T he  va l ue  o f   th e  r e la tiv e  ti m e  s h i f t    is  s e t to  z e r o .  A  p s e ud o - r an d o m  b i n ar y  s eq u en ce ( P R B S )  o f   2 3 1 − 1   b its  le n g t h  is   g en er at ed  i n  M A T L A B .  E ach  o f  t h e  g en er at ed  s y m b o l s  i s  en co d ed  b y  a n  I R - U W B   w a ve f o r m  u s i ng t he   va l ue s  o f  t he  a f o r e - m e nt i o ne d  p a r a m e t e r s .  F o r  e a c h p ul s e   w i d t h,  t he  d ur a t i o n o f  t he   w a ve f o r m  ( s y m b o l )   i s   de f i n e d ov e r  a  s ym bol  du r a t i o n  t h at  i n cl u d es ,  at  l eas t ,  9 0 %  of  t h e   w a v e f or m  e n e r gy .   A   n um be r  of  100   r eal i zat i o n s  o f   t h e   ch a n n el   i m p u l s e  r es p o n s e  i s   g e n er at ed .  F o r   each   r eal i zat i o n ,  t h e  p o w er   o f   t h e   r ecei v ed   s i g n al   i s  e v al u at ed .  T h e cal c u l at ed  D C  p o w er  l e v el s  ar e   av er ag ed  o v er  t h e  n u m b er  o f  r eal i zat i o n s  o f  t h e   ch an n el  i m p u l s e r es p o n s e.     F i g ur e   3 ( a)   s h o w s   t h e   v ar i a t i o n s   o f   t h e  a v er ag e   r ecei v ed   D C   p o w er s   o f   G a u s s i a n - ba s e d  I R - U WB  wa v e f o r m s  wi t h   fo r   = 1   to  7 .  C o n s id e r in g  a  p a r tic u la r   v a lu e   o f   ,  t h e a v er ag e r ecei v ed  D C  p o w er   i n cr eas es  m o n o t o n i cal l y  f r o m   0   µ W ,  u p t o a  g l oba l   m a x i m um   va l ue ,   w h i c h  i s  o b t a i ne d  a t  a n o p t i m u m  va l ue   .  F u r t h er  i n cr eas e o f   b ey o n d  t h i s  o p t i m u m  v a l u e r ed u ces  t h e av er ag e r ecei v ed  D C  p o w er  b el o w  t h i s   m ax i m u m   v al u e.  F o r  i n s t a n ce ,   m ax i m u m  D C  p o w er   of  0. 29   µ W  can  b e ex t r act ed  f r o m   an  F C C  co m p l i a n t   G au s s i a n   m o n o c y cl e  w a v e f o r m ,  d er i v ed  f r o m  a  G au s s i a n  b as i s   f u n ct i o n  t h at  h a v e a F W H M   pu l s e   w i dt h  of   50. 51   ps .  A l t h oug h   h i g h e r  or de r  de r i v a t i v e   w a v e f or m s ,   s u c h a s  dou bl e t s  a n d t r i pl e t s ,  s h o w  s i m i l a r  be h a vi or s ,   t h e   v a l u e  of  t h e  opt i m um  F W H M  pu l s e   w i dt h  a n d t h e  c or r e s pon di ng   m a xi m um  D C  po w e r  l e v e l  e x t r a c t a bl e   f r o m  eac h   w a v e f o r m  d ecr eas e s   w i t h   i n cr eas i n g  t h e d er i v at i v e o r d er .  I n cr eas i n g  t h e d er i v at i v e o r d er     l ead s   t o  i n cr eas i n g  t h e b an d p as s  c h ar act er i s t i cs  o f  t h e I R - U W B  s ig n a l th r o u g h  t h e  p a r tia l  m i g r a tio n  o f  it s  P S D  to   h i g h er   f r eq u e n ci es  o u t s i d e  t h i s  s p ect r al   w i n d o w .   A s  a  co n s eq u en ce,  l o w er   D C  p o w er   l ev el s  ar e o b s er v ed  a t   t h e  R x  ou t p u t  t h r ough  t hi s   w i ndo w .           ( a)     (b )     F i g u r e 3 .  T h e av er ag e r ecei v e d  D C  p o w er s  v er s u s  t h e F W H M  p u l s e  w i d t h  o f   ( a)  G au s s i an - b as ed  I R - U WB  w av ef o r m s  an d   ( b )  s ech - b as ed  I R - U WB w a v e f o r m s       O n t he  o t he r   ha nd ,  F i g ur e   3 (b ) p re s e n t s   t h e   v ar i at i o n  o f   t h e a v er ag e  D C  p o w er  v er s u s     f o r IR - U W B   w a v ef o r m s ,  d er i v ed  f r o m  a  s ec h  b as i s   f u n ct i o n .   L i k e w i s e,  t h e  s ech - b as ed   m o n o c y c l e p u l s e  ach i ev e s   a  m a xi m um   D C  po w e r  l e v e l  of  0. 3   µ W  a t a  F W H M  i np ut  p ul s e   w i d t h  of  12. 07   p s .  M o r eo v er ,  t h e F C C - co m p l i a n t   h i g h er  o r d er  d er i v at i v es  o f  a s ech  b as i s   f u n ct i o n   s h o w  s i m i l ar  b eh av i o u r s  t o  t h ei r  G au s s i an - b as ed   co u n t er p ar t s ,  i n  t er m s  o f  t h e  g l o b al   m a x i m u m   D C  p o w er  l ev el s  ac h i e v ed  at  o p t i m u m   F W H M  p u l s e  w i d t h s .   B o t h G a us s i a n a n d  s ech - ba s e d m on oc y c l e s   ou t pe r f or m   t h e i r  c or r e s pon di n g  hi gh e r  or de r  de r i v a t i v e s  i n  t e r m s   o f  t h e  m a x i m u m  e x t r act ab l e  D C  p o w er s .  T h es e o b s er v at i o n s  r eco m m e n d  I R - U W B  w a ve f or m s  f or   e n e r gy   h a r v e s tin g  a p p lic a tio n s  th a t  n e e d  s u b - µ W a tt p o w e r  le v e ls  [ 1 5 ] .       5.   P O TEN TIA L A P P L IC A TI O N  S C EN A R IO S   I t s h o u ld  b e  h ig h lite d  th a t,  t h e  p a r tic u la r  a p p lic a tio n  s c e n a r io  to  w h ic h  a n  E H  is  in te g r a b le  d e p e n d s   s t r o n g l y  o n  t h e p o w er  l ev e l s   ach i ev ab l e  f r o m  t h i s  E H .  T ab l e 1  [ 1 6 ]  t h e l i s t s  a n u m b er  o f  p o w er  r es o u r ces   f r o m ,  i n c l u di ng t he  U W B   s p e c t r u m .  O b vi o us l y,   t he  p o w e r  l e ve l  e xp e c t e d   f r o m  a n I R - U WB E H  i s   co m p ar ab l e t o  t h e r an g e e x p ect ed  f r o m  a n  R F   s i g n al  e m i t t ed  b y  a b u i l d i n g - t op ba s e s t a t i on  e m pl o y e d f or   m o b ile  s e r v ic e s .  T h is  c o m p e ti tiv e  p e r f o r m a n c e  is  a ttr ib u te d  to  th e  h u g e  b a n d w id t h  d ed i cat ed  t o  t h es e s i g n al s ,   w h ic h  c o m p e n s a te s  th e  e x tr e m e l y  lo w  P S D  li m its  i m p o s e d  to  U W B  s ig n a ls .  S u c h  k i n d  o f   μ - p o w er  co n v er t er s   i s  h i g h l y  r eco m m e n d ed  f o r   m i cr o el ect r o n i c  m ech a n i cal  s y s t e m s  ( M E MS )  r el y i n g  o n  t h e C M O S  t ech n o l o g y .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   11 , N o .  2 ,  A pr i l  202 1  :   1 158   -   1165   1164   T ab l e 1 .   C om pa r i s on  o f   t h e a v ai l ab l e en er g y  r es o u r ces  [ 1 6 ]   E n e r g y  S o u r c e   E m i t t ed  P o w er   H a r v es t ed   P o we r     A m bi e nt  L i g ht       I n d o o r     0 .1   m W / c m 2   1 0   μ W / c m 2   O u t d oo r   1 0 0   m W / c m 2   1 0   m W / c m 2   V ib r a t io n /M o t io n       H u m an   0 .5   m   @   1   Hz     H u m an     1   m/ s 2   @   5 0   k Hz   4   μ W / c m 2   I n d u s t r y   1   m @   5   Hz     I n d u s t r y   1 0  m / s 2   @   5   k Hz   1 0 0   μ W / c m 2   T h erm a l  E n er g y       H u m an   2 0   m W / c m 2   3 0   μ W / c m 2   I n d i s tr y   1 0 0   m W / c m 2   1 - 1 0   m W / c m 2   RF       G S M  B a s e s ta tio n   0 .3   μ W / c m 2   0 .1   μ W / c m 2   T h i s  wo r k       RF - I R - U W B   0 . 5 6   m W  ( 3 . 1 - 1 0 .6   GH z )   0 .3   μW       A s s u m i n g a  un i f o r m  p l a ne   w a ve f r o nt   i n ci d en t  t o  an  E H  an t en n a,  t h e s p at i al  p o w er  d en s i t y   at  t h e E H   s i de ,  de n ot e d b y   D ,  i s  gi ve n b y / DC EH P A D ,  w h er e  EH A i s  t h e e f f ect i v e r ad i at i o n  e x p o s u r e ar ea o f  t h e E H   an t en n a.   C o n s i d er i n g  a   t i m e  av er ag e U W B  s i g n al   p o w er   o f    = 0 . 3     as  i n   T ab l e  1  an d  an  ef f e ct i v e   an t en n a ar ea o f    = 1   2 ,  r e s u lts  in  a  th e o r e tic a ll y  e s ti m a te d  s p a tia l p o w e r  d e n s it y  o f   = 0 . 3   / 2 .  T h e h y p o t h es i zed  a n t e n n a  s i z e i s  co m p ar ab l e t o   m a n y  o f  t h e  s t at e - of - t he - a r t  a nt e nn a  de s i gn s  pu bl i s h e d   o n  U W B  e ne r g y   ha r ve s t i n g [ 1 7 - 2 5 ] .  M o r e o v er ,  i t  i s  cl ear  t h at  t h e t h eo r et i cal l y   ex p ect ed  v al u e o f     = 0 . 3   / 2   i s  co m p ar ab l e t o  t h e v al u es   l i s t ed  i n  T ab l e  1  f o r  R F  E H  t e ch n i q u es ,   w h i ch  ar e b as ed  o n   m uc h  na r r o w e r  f r e q ue nc y b a n d s  a nd   m uc h l a r ge r  a nt e nna  d i m e n s i o n s ,  a c c o r d i ngl y.       6.   CO NCL U S I O N   T hi s  p a p e r  i n ve s t i ga t e s  t he   f e a s i b i l i t y o f  e ne r g y  ha r ve s t i n g i n  t he  u s e f ul   ul t r a w i d e  b a nd   o f  t he   s p e c t r u m  ( i .e ., 3 .1 - 10. 6   G H z ) .  A n al y t i cal  e x p r es s i o n s  f o r  t h e  m a x i m u m  D C  p o w er  l ev el s  t h at  can  b e   ex t r act ed  f r o m  t h es e  w av e f o r m s  ar e d er i v ed .  S i m u l at i o n  r es u l t s  i n d i cat e t h at  en er g y   h ar v es t i n g  i n  t h i s  b an d   f i n d s  its  b e s t a p p lic a tio n s   w h er e t h er e i s  a n eed   fo r    −    p o w er  l ev el s .  T h es e ap p l i cat i o n s  i n cl u d e,   b u t a r e  n o t li m i te d  to ,   m i c r o - el ect r o - m ec h a n i cal   s y s t e m s  ( M E M S ) ,  es p eci al l y  r o b o t i c - b as ed  M E M S   de v e l ope d f or  i n - b o d y   m ed i ca l   m i s s i o n s ,   w h er e t h e acces s i b i l i t y  t o  t h e s e n o d es  i s  es s en t i al l y  i m p o s s ib le  a f te r   de pl oy m e n t .  T h e  r e por t e d a n a l y s i s  pr ov i de s  a  g ood s t a r t i ng   poi n t  f or  f u r t h e r  t h e or e t i c a l  a n d/ or  e x pe r i m e n t a l   i n v e s t i g at i o n s  t h at  co n s i d er  s p eci f i c r eal i zat i o n s  o f   u l t r a w i d e b an d  co m m u n i cat i o n / en er g y   h ar v es t i n g   s ys t e m s .  O n go i ng r e s e a r c h o n t he   r eal i zab i l i t y  o f  U W B  e n er g y  h ar v es t er s  i s  b ei n g  co n d u ct ed  i n  o r d r e t o   as s es s  t h e  f eas i b i l i t y  o f  t h e s e t ech n i q e s  f o r  t h e r eco m m e n d ed  p o t en t i al  ap p l i cat i o n s .       R EF ER EN C ES   [ 1]   M .  R .  V .  M og ha da m ,  Y .  Z e ng  a nd R .  Z ha ng ,  " W a ve f or m  opt i m i z a t i on f or  r a di o - fr eq u en cy   w i r el es s   p o w er  t r an s f er :   ( I nv i t e d pa pe r ) , "  i n  20 17 I E E E  18t h I n t e r nat i on al  W or k s ho p  on  Si g nal   P r oc e s s i ng A dv anc e s  i n W i r e l e s s   C om m uni c a t i o ns  ( SP A W C ) ,  S a ppo r o ,  20 17 ,  p p . 1 - 6.   [ 2]   M .  A l f aq a w i ,  M .  H .  H ab aeb i ,   M .  R .  I s l am  an d  M .  U .   S i d d i q i ,  " E n er g y  H ar v es t i n g  N et w or k  w ith   W i r el es s   D i s t r i but e d C om put i ng , "  i n  I E E E  Sy s t e m s   J our nal ,  v ol .  1 3,   no.  3,  p p.  2 60 5 - 261 6,  20 19 .   [ 3]   Y .  L u e t  a l . ,  " A   W i de  I nput  R a ng e  D ua l - P at h  C M O S  R ect i f i er   f o r   R F  E n er g y  H ar v es t i n g , "   i n I E E E  T r ans ac t i ons   o n   C i rc u i t s a n d   S y st e ms I I :  E x p re ss B ri e f s ,  vo l .  64 ,   n o.  2,  pp .   1 66 - 17 0,   2 01 7.   [ 4]   T .   A .  E l w i ,  Z .   A s a ad ,  A .  H as s ai n ,  an d  O .  A .  T a w f eeq ,  “H i l b er t   m et a m at er i al  p r i n t ed  an t en n a b as ed  o n  o r g an i c   s ubs t r a t e s  f or  e ne r gy  ha r v e s t i ng , ”   I E T  M i c r ow av e s ,  A nt e nn as  &  P r opa ga t i o n ,  vo l .  13 ,   n o.  12 ,   p p.  218 5 - 21 92 ,  20 19 .   [ 5]   F .  A l n e y ad i ,  M .  A l k aab i ,  S .  A l k et b i ,  S .  H aj r af  an d  R .  R am zan ,  " 2 . 4 G H z W L A N  R F  en er g y  h ar v e s t er  f o r  p as s i v e  i nd oor  s e ns or  n ode s , "   20 14 I E E E  I nt e r na t i o nal  C onf e r e nc e  o n  Se m i c ond uc t or  E l e c t r o ni c s  ( I C SE 20 14) ,  K u al a  L u m pur ,  20 14 ,  p p.   47 1 - 47 4.   [ 6]   S . Z h e n g , W . L i u   a nd  Y .   P a n,   " D e s i g n of  a n U l t r a - W i de ba n d H i g h -   E f f i ci en c y  R ect i f i er  f o r  W i r el es s  P o w er   T r a ns m i s s i on a nd H a r v e s t i ng  A ppl i c a t i ons , "  i n   I E E E  T r a ns ac t i ons  on  I nd us t r i al   I nf or m at i c s ,  v ol .   1 5,  no.   6 ,     pp.  33 34 - 3 34 2,  20 19 .   [ 7]   J .  K im io n is ,  A .  C o lla d o ,   M .  M .   T e n tz e r i s ,  an d  A .   G eo r g i ad i s ,  “O ct av e an d  D ecad e P r i n t ed  U W B   R ect i f i er s  B as ed   on N o nu ni f or m  T r a ns m i s s i on L i ne s  f or  E ne r gy  H a r v e s t i ng , ”   I E E E  T r a ns ac t i ons  o n M i c r ow a v e  T he or y  a n d   T ech n i q u es ,  vo l .   6 5,  no.   11 ,   p p.  4 326 - 43 34 ,  20 17 .   [ 8]   T .  A . E l w i , O .  A l m u k h t a r   T a w f e e q , Y .  A l na i e m y ,   H .  S .   A hm e d a nd N .  L a j os ,  " A  U W B  M onop ol e   A nt e nna  D e s i g n   ba s e d R F   E ne r g y  H a r v e s t i ng  T e c hnol og y , "   201 8  T hi r d  Sc i e nt i f i c  C on f e r e nc e  of   E l e c t r i c al  E ngi n e e r i ng ( SC E E ) ,  B ag h d ad ,  I r aq ,  20 18 ,  pp.   1 11 - 1 15.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       U ltr a - w i de  band e ne r gy   har v e s t i ng f or  ul t r a - lo w   p o w er  el ect r o n i cs   appl i c at i ons   ( Na sr R a s h i d )   1165   [ 9]   T .   A .  E l w i ,  “N o v el  U W B  p r i n t ed  m et a m at er i al   m i c r os t r i p a nt e nna  ba s e d or g a ni c  s ubs t r a t e s  f or  R F - en er g y   h ar v es t i n g  ap p l i cat i o n s , ”  AE U - I nt e r nat i on al  J o ur n al  o f  E l e c t r o ni c s  an d C om m u ni c at i o ns ,   v ol .  101 ,   p p.  44 - 5 3 ,  201 9.   [ 1 0]   Y .  Z e ng ,  B .  C l e r c kx  a nd R .  Z ha n g ,  " C o m m uni c a t i ons  a nd S i g na l s   D e s i g n  f or  W i r e l e s s  P o w e r  T r a ns m i s s i on, "   I E E E   T r ans ac t i ons  on   C om m u ni c at i o ns .,  v o l . 6 5 ,  n o . 5 , p p .  2 2 6 4 - 22 90 ,  20 1 7.   [ 1 1]   A .  C ol l a do a n d A .  G e or g i a di s ,  " O pt i m a l   w a v e f or m s   f or  e f f i c i e nt  w i r e l e s s  pow e r  t r a ns m i s s i on, "  i n  I E E E  M i c r o w a v e   and  W i r e l e s s  C om pone nt s  L e t t er s ,   v ol .  24,   n o.  5,  pp . 3 5 4 - 35 6,  20 14 .   [ 1 2]   U S .  F ed er al  C o m m u n i cat i o n s   C o m m i s s i on,  F i r s t  r e por t  a nd  or de r ,  “ R e v i s i on of  pa r t  15 of  t he  c om m i s s i on’ s  r ul e s   r e g a r d in g  u ltr a - w i de ba nd t r a ns m i s s i on s y s t e m s , ”   E DOC S ,   2 00 2.     [ 1 3]   S . T . A b r a h a ,   et  al . ,  " P er f o r m an ce E v al u at i o n   o f  I R - U W B  i n S hor t - Ra ng e  F i be r  C om m uni c a t i on U s i ng  L i ne a r   C om bi na t i on  of  M o noc y c l e s , "  i n  J our n al  o f  L i ght w av e  T e c hn ol o gy ,   v ol .  29,   n o.  8,  pp.   1 14 3 - 1 15 1,  20 11.   [ 1 4]   A .  M e hbod ni y a  a nd S .  A i s s a ,  " E f f e c t s  of  M B - O F D M  S y s t e m  I n t er f er en ce o n  t h e  P er f o r m an ce o f  D S - U W B , "  i n   I E E E  T r a n s a c t i o n s  on   V e hi c ul ar  T e c hnol ogy ,   v ol .  58,   n o.  8,  pp.   4 6 65 - 46 69,  20 09 .   [ 1 5]   J .  I an n acci ,  “M i cr o s y s t e m  b as ed   E n er g y  H ar v es t i n g  ( E H - M EM S ) : P o w e r in g  p e r v a s iv it y   o f  t he  I nt e r ne t  of  T hi ng s   (Io T ) - A  r e v i e w   w i t h  f oc us  on m e c ha ni c a l  v i br a t i ons ,”   J o ur na l  of  K i ng S au d  Un i v e rsi t y - S ci en ce ,   v ol .   31,  no.  1,     pp.  66 - 74 ,  20 19 .   [ 1 6]   R .  J .  M .   V ul l e r s ,  R .  v .  S c ha i j k ,  H .  J .   V i s s e r ,  J .   P e nde r s  a n d C .  V .  H o of ,  " E ne r gy  H a r v e s t i ng   f or  A ut on om ou s   W i r e l e ss S e n so r  Ne t w o r k s, "  i n   I E E E  S o l i d - St at e  C i r c ui t s  M a gaz i ne ,   v ol .  2,  no.   2,   p p.  29 - 38,  2 0 10 .   [ 1 7]   H .  L y u,  Z .  W a ng  a nd  A .  B a ba k ha ni ,  " A  U H F / U W B   H y br i d R F I D  T a g W i t h a  51 - m  E n er g y - H a r v e s tin g  S e n s itiv ity   f o r  R e m o te  V ita l - S i gn  M on i t o r i ng, "   i n   I E E E  T r ans ac t i o ns  o n M i c r ow av e  T he or y  an d T e c h ni q ue s ,  20 2 0.   [ 1 8]   T .  H a ap al a,   T .  R an t at ar o  an d  K .  A .  I .  H al o n en ,  " A  F u l l y  I n t eg r at ed  P r o g r am m ab l e 6 . 0 - 8 .5 G Hz  UW B  I R   T ra n s m i t t e r F ro n t - E n d f or  E ne r g y - H ar v es t i n g  D ev i c es , "  i n   I E E E   J our n al  o f  S ol i d - S t a te  C ir c u its ,  v ol .   5 5,  no.   7,     pp.  19 22 - 1 93 4,  20 20 .   [ 1 9]   A .  Q uddi ous ,  M .  A .  B .   A bba s i ,  M .  A .   A nt oni a de s ,   P .   V r y oni de s ,  V .  F us c o a nd S .  N i k o l ao u ,  " D y n a m i cal l y   R e c onf i g ur a bl e  U W B   A nt e nna   U s i ng  a n F E T  S w i t c h P ow e r e d by   W i r e l e s s  R F  H a r ve s t e d E ne r gy , "  i n  I E E E   T r ans ac t i ons   on  A n t e nn as  a nd  P r opa ga t i o n ,  vo l .  68 ,   n o.  8,  pp .   5 872 - 58 81 ,  202 0.   [ 2 0]   G .  S r i ni v a s u,  N .   A nv e s hk um a r  a nd V .  K .  S ha r m a ,   " A  C o m pa c t   O c t a g on S l ot t e d C i r c ul a r  U W B   A nt e nna  f or  R F   E n er g y  H ar v es t i n g , "   2020 I nt e r nat i on al  C o nf e r e nc e  on E m e r gi n g T r e nds  i n I nf or m at i on  T e c hnol ogy  a n d   E ngi ne e r i ng ( i c - E T I T E ) ,  V e llo r e ,  I n d ia ,  20 20 ,  p p . 1 - 5.   [ 2 1]   T .  G a y at r i ,   N .  A n v es h k u m ar   a nd V .  K .  S ha r m a ,  " A  C o m pa c t   P l a na r  U W B   A nt e nna   f or  S pe c t r um  S e ns i ng  i n  C o g n itiv e  R a d io , "   2 02 0 I nt e r n at i ona l  C o nf e r e nc e  on E m e r gi ng  T r e nds  i n I nf or m at i o n T e c h nol ogy   a nd E ngi ne e r i n g   (i c - E T I T E ) ,  V e l l or e ,  I ndi a ,  20 20 , p p . 1 - 5.   [ 2 2]   T .  G a y at r i ,   N .  A n v es h k u m ar  an d   V .  K .   S ha r m a ,  " A  H e x a g on S l ot t e d C i r c ul a r  M o no pol e  U W B  A nt e nna  f or   C og ni t i v e  R a di o A ppl i c a t i ons , "   2 020  I nt e r n at i on al  C o nf e r e nc e  on  E m e r gi ng  T r e nds  i n I nf or m at i on  T e c hnol ogy   a n d   E ngi ne e r i ng ( i c - E T I T E ) ,  V e llo r e ,  I n d ia ,  20 20 ,  p p . 1 - 5.   [ 2 3]   G .  S r i ni v a s u,  N .  A nv e s hk u m a r   a nd  V .  K .   S ha r m a ,  " A  C i r c ul a r  S l ot t e d  P l a na r  M on op ol e  U W B   A nt e nna  f or  R F   E ne r gy  H a r v e s t i ng  A ppl i c a t i ons , "   2020 I nt e r n at i on al  C onf e r e nc e  on E m e r gi n g T r e nds  i n I nf or m at i on T e c hn ol o g y   and  E n gi ne e r i ng ( i c - E T I T E ) ,  V el l o r e,  I n d i a ,  20 20 ,  p p .  1 - 5.   [ 2 4]   S .  S ch m i ck l , T . F a s e t h  a n d  H .  P r e t l , " A  1 .9 - µ W  7 - GH z  I R - U W B  T r a n s m itte r  w ith   R F - E n e r gy - H ar v es t er  i n  1 8 0 - n m  CM O S  f o r Ba t t e r y - L e ss B i o - S e n so r s, "   201 9 17 t h I E E E  I n t e r n at i o nal  N e w  C i r c ui t s  an d Sy s t e m s  C onf e r e nc e   ( NE W CA S ) ,  M uni c h,  G e r m a n y ,  2019 ,  p p . 1 - 4.   [ 2 5]   T .  A . E l w i , O .  A l m uk ht a r   T a w f e e q,  Y .  A l na i e m y ,   H .  S .   A hm e d a nd N .  L a j os ,  " A  U W B  M onop ol e   A nt e nna  D e s i g n   ba s e d R F   E ne r g y  H a r v e s t i ng  T e c hnol og y , "   201 8  T hi r d  Sc i e nt i f i c  C on f e r e nc e  of   E l e c t r i c al  E ngi n e e r i ng ( SC E E ) ,  B ag h d ad ,  I r aq ,  20 18 ,  pp.   1 11 - 1 15.       B I O G RAP H I ES   O F  AUT H O RS       N as r  R as h i d   w a s  bor n i n E g y pt ,  i n 1 97 3.  H e  r e c e i v e d t he  B . S c .   ( w i t h hi g he s t  ho nor s ) ,  M . S c . ,   a nd  P hD  i n E l e c t r oni c s  a nd C o m m uni c a t i on E ng i ne e r i ng  f r om   A l - A zh ar  U n i v er s i t y ,  C ai r o ,   E gy pt  i n 19 96 ,  20 04 ,  a nd  20 09  r e s pe c t i v e l y .  H e  i s  c ur r e nt l y  a n A s s i s t a nt  P r of e s s or  i n t he   D ep ar t m en t  o f  E l ect r i cal  E n g i n eer i n g ,  C o l l eg e o f  E n g i n eer i n g ,  J o u f  U n i v er s i t y ,  S a k ak a,   K i n g d o m  o f  S au d i  A r ab i a ( K S A ) .  H i s  cu r r en t  r es ear ch  i n t er es t s   ar e i n  co n t r o l  s y s t e m s ,  p o w er   el ect r o n i cs ,  w i r l es s  co m m u n at i o n s  an d  en er g y  h ar v e s t i n g .         M o h a m e d  She ha ta   r ecei v ed  t h e B . S c.  an d   M . S c.   d eg r ees  i n  E l ect r o n i cs  an d  C o m m u n i cat i o n s   E ng i ne e r i ng  f r o m   A l - A z ha r   U ni v e r s i t y ,  C a i r o,  E gy pt ,  i n 200 6 a nd  201 2,  r e s pe c t i v e l y .  C ur r e nt l y ,   h e i s   w o r k i n g   w i t h  t h e D ep ar t m e n t  o f  R es e ar ch   T r ai n i n g ,  S ci en t i f i c O u t co m es  o f  U n d er g r a d u at e  R es ear ch  S t u d en t s  ( S O U R C E ) ,  E g y p t .  H i s  cu r r en t  r es ear ch  i n t er es t s  i n cl u d e,  b u t  ar e n o t  l i m i t ed   t o;  w i r e l e s s  c o m m uni c a t i ons ,  a nt e nna  t he or y  a nd t e c hni q ue s ,  a nd  m i c r ow a v e  phot oni c s  w i t h a   pa r t i c ul a r  f oc us  r a di o ov e r  f i be r  e na bl i ng  t e c hnol og i e s  f or  5G  c om m uni c a t i ons .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.