UNIVERSITÄT DUISBURG-ESSEN FAKULTÄT FÜR INGENIEURWISSENSCHAFTEN ABTEILUNG ELETROTECHNIK UND INFORMATIONSTECHNIK LEHRSTUHL FÜR HOCHFREQUENZTECHNIK

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1 UNIVERSITÄT DUISBURG-ESSEN FAKULTÄT FÜR INGENIEURWISSENSCHAFTEN ABTEILUNG ELETROTECHNIK UND INFORMATIONSTECHNIK LEHRSTUHL FÜR HOCHFREQUENZTECHNIK Diplomarbeit Thema: DC Conversion Student: Minghui Wei Matr.Nr: Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik DII Referent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Solbach DC Conversion 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung 2. System-Struktur und Voltage-Multiplier-Gleichrichter 3. Test-Schaltung Simulation 4. Die hergestellte Leiterplatte 5. Der Test der gesamten Schaltung 6. Herstellung der parallelen Gleichrichterschaltung 7. Analyse der Schaltungen im Zeitbereich 8. Fehleranalyse DC Conversion 2

3 1. Aufgabenstellung Die drahtlose Leistungsübertragung mit Hilfe von Mikrowellen wird heutzutage verstärkt benutzt, wie z.b. im RFID (Radio Frequency Identification) System. Im Ultra-High Frequency (UHF) Bereich arbeitet der passive RFID-Tag im Frequenzbereich von 300MHz bis 3GHz. DC Conversion 3

4 Mikrowellen-Gleichrichter In der Microstripline-Struktur hat die Schottky-Dioden Gleichrichterschaltung folgende Vorteile: DC Conversion 4

5 DC Conversion 5

6 Ziele der Schaltung Hohe Konversionseffizienz / RF-to-DC Wirkungsgrad Geeignete Ausgangsspannung U out und geigneter Ausgangsstrom I out Niedrige Auswirkung auf höhere Harmonische Langfristiger Betrieb der Schaltung DC Conversion 6

7 2. System-Struktur und Voltage-Multiplier-Gleichrichter DC Conversion 7

8 Einweggleichrichter DC Conversion 8

9 Vollweggleichrichter Durch die Leitung entstehen zwei Spannungen u 2a und u 2b mit gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen. DC Conversion 9

10 Voltage-Multiplier Gleichrichter / Kaskadenschaltung 1-stufige Voltage-Multiplier / Villard-Schaltung DC Conversion 10

11 RF-to-DC Konversionseffizienz DC Conversion 11

12 3. Test-Schaltung Simulation DC Conversion 12

13 RT Duroid 5870 DC Conversion 13

14 Die Test-Schaltung mit eingesetzten Probe-Komponenten DC Conversion 14

15 Die an dem Dioden-Paar ermittelten Messwerte zur Bestimmung der geeigneten Diode DC Conversion 15

16 Die am Ein- und Ausgang der Schaltung ermittelten Messwerte DC Conversion 16

17 Tuning aller Bauteile, um die relevanten Bauteile zu ermitteln. DC Conversion 17

18 Optimierung durchführen und Einstellungen von R L und TL2 ermitteln, ohne Anpassungen. V out : 8.5V ~ 9V P out : 0,5W ~ 0,7W C3 : 100pF ~ 500pF TL2 : 0mm ~ 20mm Es gilt: R L : Ohm ~ 162 Ohm Die optimierten Werte: C3 = 250pF pF, R L = 160 Ohm, TL2 = 5mm (für HSMS2822) DC Conversion 18

19 Bestimmung der Eingangsimpedanz Z in und S11 mit den sog. Large Signal S-Parametern / LSSP DC Conversion 19

20 DC Conversion 20

21 Smart Komponente zur L-C Anpassung DC Conversion 21

22 Messwerte bei Anpassung für P in =30dBm DC Conversion 22

23 Messwerte bei der Anpassung DC Conversion 23

24 Bestimmung des Ausgangsfilters DC Conversion 24

25 Kapazitätsfilter DC Conversion 25

26 Harmonic Balance Simulation, Bestimmung der radialen Stubs Für Diode BAV99: Optimierter Stub1: L=14.4mm, B=4,677mm, Winkel=85 θ DC Conversion 26

27 Gleiche Daten des Stubs1 für die Diode HSMS-2812: Optimierung für HSMS-2812: L=10.8mm DC Conversion 27

28 DC Conversion 28

29 Schaltungslayout der Test-Schaltung DC Conversion 29

30 4. Die hergestellten Leiterplatten DC Conversion 30

31 5. Der Test der gesamten Schaltung DC Conversion 31

32 Simulationen und Messungen der Schaltung mit Anpassung Simuliertes E ff und U out in Abhängigkeit von R L mit festen C4, L2, TL2 und f Gemessenes E ff und U out in Abhängigkeit von R L mit festen C4, L2,TL2 und f DC Conversion 32

33 Simuliertes E ff und U out in Abhängigkeit von f mit festem C4,L2,TL2 und R L Gemessenes E ff und U out in Abhängigkeit von f mit festem C4,L2,TL2 und R L DC Conversion 33

34 Simuliertes E ff und U out in Abhängigkeit von f für die Diode BAV99 mit festem C4, L2, TL2 und R L (Deutliche Anpassungsauswirkung) DC Conversion 34

35 Simuliertes E ff und U out in Abhängigkeit von TL2 ohne Anpassung der Schaltung DC Conversion 35

36 Messschaltung zur Bestimmung des Reflektionsfaktors DC Conversion 36

37 DC Conversion 37

38 DC Conversion 38

39 Frequenzabhängiges S11 für die Schaltung mit Anpassung und mit festgestelltem Blech DC Conversion 39

40 6. Herstellung der parallelen Gleichrichterschaltung Parallele Gleichrichterschaltung mit Branch-Line Koppler DC Conversion 40

41 Schaltungslayout der parallelen Gleichrichterschaltung Parallele Gleichrichterschaltung DC Conversion 41

42 Simulationen und Messungen der parallelen Gleichrichterschaltung Simuliertes E ff, U out und I out in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R L Gemessenes E ff, U out und I out in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R L DC Conversion 42

43 DC Conversion 43

44 Test der Schaltung ohne Anpassungsbereich DC Conversion 44

45 Gemessenes E ff, U out und I out in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R L für die Schaltung ohne Anpassungsbereich DC Conversion 45

46 Test der Harmonischen 1. bis 4.Ordnung bei f =2.4GHz und P in =30dBm von parallelen Gleichrichtern Grundwelle: -3.33dBm Erste Harmonische: dBm Zweite Harmonische: dBm Dritte Harmonische: dBm DC Conversion 46

47 7. Analyse der Schaltungen im Zeitbereich Die Temperatur der Diode erhöht sich bis auf einen Wert, bei dem die Wärme aufgrund des Temperaturgefälles von der Sperrschicht über das Gehäuse an die Umgebung abgeführt werden kann. DC Conversion 47

48 Test der Schaltung ohne Anpassungsbereich bei f =2.4GHz und R L = 160Ohm Zeitabhängige Spannungsabfälle U ab : U ab (P in =20dBm)=0V, U ab (P in =25dBm)=0.63V U ab (P in =30dBm)=0.57V DC Conversion 48

49 Wir erhalten zwei Ergebnisse: 1) Je kleiner die Eingangsleistung P in ist, desto schneller wird E ff konstant. 2) Bei einer Eingangsleistung P in < 25dBm ist der zeitabhängige Spannungsabfall oder Effizienzabfall relativ kleiner. DC Conversion 49

50 Test der parallelen Gleichrichterschaltung bei f = 2.4GHz und R L = 160Ohm Zeitabhängige Spannungsabfälle U ab : U ab (P in =25dBm)=0.28V U ab (P in =30dBm)=0.60V DC Conversion 50

51 8. Fehleranalyse Spice-Modell der Diode Schwingneigung des Verstärkers U out sinkt nach Anschluss der Schaltung auf einen konstanten Wert. Raumtemperatur von 25 C Empfindlichkeit des Trimmwiderstandes R L DC Conversion 51

52 Vielen Dank! DC Conversion 52