UNIVERSITÄT DUISBURG-ESSEN FAKULTÄT FÜR INGENIEURWISSENSCHAFTEN ABTEILUNG ELETROTECHNIK UND INFORMATIONSTECHNIK LEHRSTUHL FÜR HOCHFREQUENZTECHNIK Diplomarbeit Thema: DC Conversion Student: Minghui Wei Matr.Nr: 2221081 Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik DII Referent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Solbach DC Conversion 1
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
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
Mikrowellen-Gleichrichter In der Microstripline-Struktur hat die Schottky-Dioden Gleichrichterschaltung folgende Vorteile: DC Conversion 4
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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
2. System-Struktur und Voltage-Multiplier-Gleichrichter DC Conversion 7
Einweggleichrichter DC Conversion 8
Vollweggleichrichter Durch die Leitung entstehen zwei Spannungen u 2a und u 2b mit gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen. DC Conversion 9
Voltage-Multiplier Gleichrichter / Kaskadenschaltung 1-stufige Voltage-Multiplier / Villard-Schaltung DC Conversion 10
RF-to-DC Konversionseffizienz DC Conversion 11
3. Test-Schaltung Simulation DC Conversion 12
RT Duroid 5870 DC Conversion 13
Die Test-Schaltung mit eingesetzten Probe-Komponenten DC Conversion 14
Die an dem Dioden-Paar ermittelten Messwerte zur Bestimmung der geeigneten Diode DC Conversion 15
Die am Ein- und Ausgang der Schaltung ermittelten Messwerte DC Conversion 16
Tuning aller Bauteile, um die relevanten Bauteile zu ermitteln. DC Conversion 17
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 : 103.2 Ohm ~ 162 Ohm Die optimierten Werte: C3 = 250pF --- 220pF, R L = 160 Ohm, TL2 = 5mm (für HSMS2822) DC Conversion 18
Bestimmung der Eingangsimpedanz Z in und S11 mit den sog. Large Signal S-Parametern / LSSP DC Conversion 19
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Smart Komponente zur L-C Anpassung DC Conversion 21
Messwerte bei Anpassung für P in =30dBm DC Conversion 22
Messwerte bei der Anpassung DC Conversion 23
Bestimmung des Ausgangsfilters DC Conversion 24
Kapazitätsfilter DC Conversion 25
Harmonic Balance Simulation, Bestimmung der radialen Stubs Für Diode BAV99: Optimierter Stub1: L=14.4mm, B=4,677mm, Winkel=85 θ DC Conversion 26
Gleiche Daten des Stubs1 für die Diode HSMS-2812: Optimierung für HSMS-2812: L=10.8mm DC Conversion 27
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Schaltungslayout der Test-Schaltung DC Conversion 29
4. Die hergestellten Leiterplatten DC Conversion 30
5. Der Test der gesamten Schaltung DC Conversion 31
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
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
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
Simuliertes E ff und U out in Abhängigkeit von TL2 ohne Anpassung der Schaltung DC Conversion 35
Messschaltung zur Bestimmung des Reflektionsfaktors DC Conversion 36
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Frequenzabhängiges S11 für die Schaltung mit Anpassung und mit festgestelltem Blech DC Conversion 39
6. Herstellung der parallelen Gleichrichterschaltung Parallele Gleichrichterschaltung mit Branch-Line Koppler DC Conversion 40
Schaltungslayout der parallelen Gleichrichterschaltung Parallele Gleichrichterschaltung DC Conversion 41
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
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Test der Schaltung ohne Anpassungsbereich DC Conversion 44
Gemessenes E ff, U out und I out in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R L für die Schaltung ohne Anpassungsbereich DC Conversion 45
Test der Harmonischen 1. bis 4.Ordnung bei f =2.4GHz und P in =30dBm von parallelen Gleichrichtern Grundwelle: -3.33dBm Erste Harmonische: -27.83dBm Zweite Harmonische: -13.50dBm Dritte Harmonische: -18.67dBm DC Conversion 46
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
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
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
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
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
Vielen Dank! DC Conversion 52