Study and design of RF energy harvesting system

Abstract

This doctoral thesis presents a comprehensive study, design, and optimization of advanced RF energy harvesting systems, targeting the autonomous operation of low-power electronic devices and IoT nodes. The theoretical part provides an in depth analysis of autonomous energy systems, high-lighting the critical role of energy harvesting in reducing dependence on conventional batteries, especially for wireless sensors, portable devices, and medical implants. Various energy harvesting sources are reviewed—including solar, thermal, vibration, friction, and especially radio-frequency (RF) signals—emphasizing the unique advantages of RF energy as a ubiquitous and inexhaustible power source for smart environments and IoT applications. Building on this foundation, the research introduces novel single, dual, and quad-band rectifier circuits, optimized for efficient RF-to-DC conversion in key frequency bands (2.4, 3.5, 5, and 5.8 GHz), relevant to Wi-Fi and 5G. Innovative impedance matching networks and rectifier topologies are proposed, achieving power conversion efficiencies exceeding 81% in multi-band scenarios and outperforming comparable designs in the literature. The thesis also makes a significant contribution to the field of optimization by developing a new hybrid metaheuristic algorithm, the Grey Wolf Optimizer–Differential Evolution (GWO-DE). The GWO-DE algorithm, designed and implemented as part of this work, was rigorously evaluated on a wide set of benchmark functions and demonstrated superior performance com-pared to established algorithms. Its effectiveness in high-dimensional, multi-objective optimization problems highlights its potential for a broad range of engineering applications, including antenna design, impedance matching, and circuit optimization in RF energy harvesting systems. The integration of advanced circuit design with state-of-the-art optimization methodologies lays the foundation for scalable, cost-effective, and energy-efficient RF energy harvesting solutions, enabling the next generation of autonomous IoT devices for smart environments, healthcare, and beyond.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη, τη σχεδίαση και τη βελτιστοποίηση προηγμένων συστημάτων ασύρματης συγκομιδής ενέργειας από ραδιοσυχνότητες (RF Energy Harvesting), με στόχο την αυτόνομη λειτουργία συσκευών χαμηλής κατανάλωσης και κόμβων IoT. Στο θεωρητικό μέρος, αναλύονται διεξοδικά τα αυτόνομα ενεργειακά συστήματα και η σημασία της συγκομιδής ενέργειας για τη μείωση της εξάρτησης από συμβατικές μπαταρίες, ειδικά σε εφαρμογές όπως ασύρματοι αισθητήρες, φορητές συσκευές και ιατρικά εμφυτεύματα. Παρουσιάζεται ανασκόπηση των βασικών πηγών ενέργειας—ηλιακή, θερμική, μηχανική, τριβής και κυρίως ραδιοσυχνότητες—με έμφαση στα πλεονεκτήματα της RF ενέργειας ως ανεξάντλητης και πανταχού παρούσας πηγής για εφαρμογές ΙοΤ, έξυπνες πόλεις και κτίρια. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται καινοτόμα κυκλώματα ανορθωτών μονής, διπλής και τετραπλής ζώνης, βελτιστοποιημένα για αποδοτική μετατροπή RF σε DC στις κύριες ζώνες συχνοτήτων (2.4, 3.5, 5 και 5.8 GHz), που σχετίζονται με Wi-Fi και 5G. Προτείνονται νέες τοπολογίες ανορθωτών και δίκτυα προσαρμογής εμπέδησης, επιτυγχάνοντας αποδόσεις μετατροπής ισχύος άνω του 81% σε πολυζωνικά σενάρια και υπερέχοντας σε σχέση με αντίστοιχες λύσεις της βιβλιογραφίας. Επιπλέον, αναπτύσσεται και αξιολογείται ένας νέος υβριδικός αλγόριθμος μεταευρετικής βελτιστοποίησης, ο Grey Wolf Optimizer–Differential Evolution (GWO-DE), ο οποίος δοκιμάστηκε εκτενώς σε πληθώρα αριθμητικών benchmark functions και επέδειξε ανώτερη απόδοση έναντι γνωστών αλγορίθμων. Η αποτελεσματικότητά του σε προβλήματα υψηλής διάστασης και πολλαπλών στόχων αναδεικνύει τη δυναμική του για εφαρμογές όπως ο σχεδιασμός κεραιών, η βελτιστοποίηση δικτύων προσαρμογής και η παραμετροποίηση κυκλωμάτων RF energy harvesting. Η συνδυαστική προσέγγιση θεωρητικής ανάλυσης, καινοτόμου σχεδιασμού κυκλωμάτων και προηγμένων αλγορίθμων βελτιστοποίησης θέτει τις βάσεις για την ανάπτυξη επεκτάσιμων, οικονομικών και ενεργειακά αποδοτικών συστημάτων ασύρματης συγκομιδής ενέργειας, ενισχύοντας την αυτόνομη λειτουργία συ-σκευών ΙοΤ σε έξυπνα περιβάλλοντα, την υγεία και άλλες εφαρμογές.