La Sección 2 proporciona material de referencia y una descripción general
de las técnicas de alimentación en redes submarinas. En la Sección 3 se
presenta la arquitectura del sistema propuesta y su principio de
funcionamiento. En la Sección 4 describimos los principios físicos
subyacentes de la atenuación de ondas y campos en los casos de ondas
electromagnéticas (EM), inducción magnética (IM) y ultrasonido (US) en
agua dulce y de mar. En la Sección 5 describimos el diseño y las métricas
de evaluación de nuestro sistema TIP habilitado con capacidades de
comunicación ultrasónica. El prototipo del sistema y los resultados
experimentales se ilustran en la Sección 6 y la Sección 7, respectivamente, Conclusiones en la seccion 8
Aportes
Presenta el diseño del primer nodo sensor submarino sin batería que puede recargarse de forma inalámbrica mediante ondas ultrasónicas desde distancias más largas que las permitidas por las tecnologías actuales.
Arquitectura de una plataforma equipada con conectividad ultrasónica para
IoUT que se puede cargar de forma remota mediante ondas acústicas,
eliminando la necesidad de baterías de gran tamaño
un sistema que utiliza un solo transductor tanto para carga como para
comunicación
Materiales utilizados
Una placa Teensy
Un MOSFET/ADC
Radio definido por software USRP N210, equipado con placas hijas LFTX y LFRX
Módem submarino definido por software Amplificador de alta potencia LZY-22+
Transductor Airmar P58
Diodos BAT54
Teoría
El uso de supercondensadores, que sustituyen a las baterías tradicionales o recargables, hace que el sistema sea más ligero, más fácil y más rápido de recargar o celdas
secundarias.
Los materiales piezoeléctricos se utilizan para extraer energía de
fuentes de energía cinética.
Fig. 2. Esquematización de las técnicas de alimentación bajo el agua. [1]
TABLA 1 Comparación entre técnicas TIP bajo el agua.
Alternativas energeticas:os nanogeneradores triboeléctricos (TENG), Las pilas de combustible microbianas (MFC), Las turbinas y los rotores
Los acopladores electromagnéticos
análisis cuantitativo de las pérdidas de transmisión para diferentes tipos de ondas .
Modelos de propagación EM en agua
Modelo 1:Propagación EM en agua dulce
Modelo 2: Propagación EM en agua de mar
Modelos de inducción magnética de campo cercano en agua.
Sistema basado en inducción magnética (IM)
Topología
El sistema incluye un nodo SEANet, que sirve como plataforma de detección y comunicación submarina, una unidad de gestión de energía para recibir, convertir y almacenar la energía y una unidad de potencia para alimentar los componentes de la plataforma. El componente central de la unidad de comunicación es una placa Teensy que es un sistema de desarrollo de microcontroladores que recibe y procesa los datos de un sensor. Tambien genera señales de datos basado en el esquema de comunicación de multiplexación por división de frecuencia ortogonal con relleno cero (ZP-OFDM)
Fig. 3. Diagrama de bloques de la plataforma IoT recargable por ultrasonidos. [1]
Inicialmente, el buffer de energía se agota total o parcialmente agotado. un cargador remoto debe enviar energía al sistema a través de ondas ultrasónicas para que el nodo pueda ser recargado.
La segunda fase a energía se utiliza para alimenta el nodo SEANet para detección y transmisión de datos
Unidad de Comunicación SEANet
Un filtro de paso alto (HPF) conecta el Teensy con un mezclador y elimina el desplazamiento de CC de las formas de onda.
un rectificador de onda completa de
diodo tradicional conectado al transductor a través de una red de adaptación.
combinación entre el transductor y el rectificador.
El rectificador extrae un voltaje constante que se utiliza para recargar el almacenamiento de energía, que necesita una señal de CC para recargarse
. El sistema comprende dos interruptores basados en MOSFET/ADC que conectan el transductor a la unidad de gestión de energía y permiten alimentar la unidad de comunicación de datos y activar la transmisión una vez que se ha almacenado suficiente energía.
utiliza un banco de supercondensadores que se conectan en paralelo durante la fase de carga y en una configuración diferente durante la fase de alimentación para que el voltaje a través de la configuración de capacitor equivalente cumple con los requisitos de potencia de carga.
Fig. 10. Ilustración esquemática del banco de pruebas utilizado para demostrar la TIP ultrasónica en agua y la alimentación del nodo SEANet G1. [1]
La plataforma IoUT incluye una unidad de gestión de energía, una unidad de alimentación y un nodo sensor submarino SEANet G1 basado en el modelo arquitectónico La estación de carga que transmite energía al nodo sumergido está compuesta por tres elementos principales: un minicircuito software universal basado en periféricos de radio (USRP), módem submarino definido por software Amplificador de alta potencia LZY-22+ y transductor Airmar P58
o GNU Radio para generar muestras de banda base.
El nodo IoUT sumergido incorpora una red coincidente basada en un circuito de elementos concentrados pasivos para limitar la fuga de señal y los reflejos entre el modo.
cargamos un conjunto de supercondensadores y registramos el tiempo para cargar el almacenamiento con diferentes cantidades de potencia transmitida.
Parámetros
Energía del sistema se puede restaurar con aproximadamente 1 W de potencia a una distancia de 1 m en menos de 5 minutos.
TABLA 2 Principales símbolos y constantes.
El esquema ZP-OFDM ocupa un ancho de banda de 11,025 kHz a una
frecuencia central de 22,050 kHz
la placa requiere una tensión de 12 V y 140 mA de corriente, 1,68 W consumiendo 2,02 J de energía
l Teensy se alimenta con 5 V.
El mezclador necesita dos “rieles de alimentación” (±12 V)
El amplificador de potencia sólo puede funcionar con 12 V positivos.
El sistema SEANet necesita 25 mF para encenderse y detectar y transmitir un paquete de datos.
En la configuración de fase de carga sigue siendo 5,5 V.
cuando la potencia de entrada es de 1,28 W, se obtiene cuando el voltaje USRP se establece en 1,5 V pico a pico que
luego se amplifica hasta 96 V pico. -al pico.
en un rango de 1 m .
La eficiencia de transferencia de energía (PTE) del enlace de 1 m
PTE varía entre el 10 % y el 4 % para niveles de potencia de transmisión inferiores a 0,1 W
alrededor del 4% para niveles de potencia de transmisión superiores a 0,1 W.
con al menos 30 mW de potencia eléctrica CA, el rectificador diseñado puede funcionar con una eficiencia superior al 50%
Técnicas mencionadas
Propagación electromagnética (EM) en la región del campo cercano: acoplamiento magnético y inductivo
ZP-OFDM tiene ocho símbolos que transportan 6144 bits de datos)
Aplicaciones mencionadas
Aplicaciones militares, comerciales y científicas,
incluida (i) vigilancia táctica/costera; (ii) sistemas de control y seguimiento
de la industria del petróleo y el gas; (iii) monitoreo del cambio climático,
control y seguimiento de la contaminación; y (iv) explotación comercial del
medio acuático
Alimentación de dispositivos electrónicos en aguas profundass .
Objetos submarinos (por ejemplo, nodos de redes de
sensores inalámbricos submarinos (UWSN) y vehículos submarinos
autónomos (AUV)) vehículos operados remotamente (ROV) o vehículos submarinos no
tripulados (UUV)
Bibliografía
R. Guida, E. Demirors, N. Dave, and
T. Melodia, “Underwater Ultrasonic Wireless Power Transfer: A Battery-Less
Platform for the Internet of Underwater Things,” IEEE Trans Mob Comput,
vol. 21, no. 5, pp. 1861–1873, May 2022, doi: 10.1109/TMC.2020.3029679.
El resto de este documento está organizado de la siguiente manera. La Sección II analiza el diagrama funcional del sistema propuesto, los resultados analíticos y de simulación, y el modelado del método de elementos finitos. En la Sección III, se presenta el análisis experimental de la energía, la transferencia de datos utilizando enfoques CC, RCC y RCCI, y la transmisión de datos a través de IoT al servidor en la nube. La sección IV proporciona la conclusión.
Aportes
Invesgitcacion de capacitancia de placa intermedia adicional entre el transmisor (Tx) y el
receptor (Rx)
El método de acoplamiento capacitivo resonante (RCC), Se Aclara el campo
eléctrico creado entre las placas es fuerte bajo la resonancia, lo que
aumenta la PTE del sistema.
pruebas con la capacitancia de placa intermedia
(RCCI) para mejorar aún más la PTE.
determinacion de la distribución del campo eléctrico, la variación de temperatura y el
SAR del tejido de la cabeza.
Investigaciones en diferentes distancias de acoplamiento entre las placas.
(ASK) a una
velocidad de 50 kb/s para sistemas CC, RCC y RCCI.
el sistema propuesto se integra con las tecnologías emergentes de Internet de las cosas (IoT).
. El PTE aumenta a medida que aumenta el condensador de acoplamiento equivalente; sin embargo, en la práctica en tiempo real, el valor máximo del condensador de acoplamiento será inferior a 0,3 p
RCCI muestra una tasa de absorción ligeramente
alta en comparación con el CC y el RCC debido a la alta tasa de
transferencia de campo eléctrico
Materiales utilizados
amplificador de potencia de clase E
el circuito resonante
proporciona una compensación LC .
banco virtual de National Instruments (NI-8014)
Las placas están recubiertas con gel de silicona MED-2000 con un espesor de 1 mm para biocompatibilidad y un recubrimiento de parileno C de 2 μm para una superficie uniforme.
las medidas de salida se toman utilizando DSO de dos canales
Keysight.
transistor (BC547)
ESP-12E Development KG164
Retrazo de envio de datos un retraso de 20 a 25 ms
Teoría
Mension de transferencia de potencia ultrasónica, el método termoiónico, el acoplamiento
resonante inductivo (IRC) y el acoplamiento capacitivo.
Capacitancia equivalente
Topología
Fig. 1. Diagrama de bloques funcional del sistema RCC con transferencia de datos
La unidad contsta capacitancia del
receptor, un circuito resonante, un rectificador de clase E, una batería, un sensor
de presión y una unidad de modulación
La unidad del lado del receptor de
datos está conectada con las placas Tx, que consta de un filtro de paso
bajo, un amplificador operacional y una unidad de demodulación. Los
datos recibidos se transmitirán a la nube a través de IoT para comprobar
frecuentemente el estado del paciente y del sensor.
estándares IEEE.
Fig. 17. Configuración de medición del sistema CC con tejido de cerdo. [1]
El circuito de transferencia de datos de enlace ascendente requiere un circuito simple con bajo consumo de energía utilizando un transistor (BC547) para las operaciones de “ON” y “OFF” del interruptor en función de los datos del mensaje.
En el lado receptor, la unidad de demodulación consta de un detector de envolvente que crea una envolvente para la señal modulada obtenida de las placas capacitivas, y el comparador OP-AMP (IC741) convierte la envolvente en señal de datos comparándola con la señal de referencia
Fig. 19. Circuito de transferencia de datos de enlace ascendente y configuración experimental [1]
Durante la medición de la transferencia de datos, la fuente de entrada al amplificador de potencia de clase E se apaga y el voltaje de salida se mide en las placas Tx
el sistema propuesto es más adecuado para interconectar el módulo IoT fuera del tejido y transferir los datos recibidos desde las placas capacitivas a un servidor en la nube ThingSpeak..
Parámetros
Caso 1 (Sistema CC)
ambas placas a distancia de 25 mm del Tx y RX 0.9V
20 mm, los voltajes de salida aumentan a 1,1 V
PTE de
24,2% para CC
5 V
Caso 2 (Sistema RCC):
PTE de 34,14% para RCC
1,54 V
a 1,79 V
A 17 mm, la potencia Rx consta del componente de frecuencia operativa f0 (6,78 MHz) y el componente de baja frecuencia fl (6,56 MHz), y a 14 mm, los componentes inferiores de frecuencia dividida ( fl) se reducen ligeramente a 6,48 MHz
3) Caso 3 (Sistema RCCI):
25mm 1.81 V
20 mm 2,1 V
PTE de 42,21% para RCCi
frecuencia de
resonancia diseñada de 6,78 MHz con una tasa de transferencia de potencia
máxima.
de dos pares de capacitancia separados por
una distancia de 15 a 30 mm .
la frecuencia del voltaje recibido se divide en 6,59 y 6,78 MHz a una distancia de 17 mm y 6,29 y 6,78 MHz a una distancia de 14 mm
Con CC Para la capacitancia equivalente
óptima de 0,3 pF a 6,78 MHz, el PTE máximo obtenido es 24,2%
Con e RCC La
eficiencia máxima para el valor del capacitor de acoplamiento de
0.3 pF es 34.14%
8. La eficiencia máxima para el valor del capacitor de
acoplamiento de 0,3 pF es 42,21.
El voltaje máximo de la fuente se establece en 5 V
resistencia de
carga de 50 ohmios
Aplicaciones mencionadas
sensores neuronales implantables, a implantes cerebrales
marcapasos, bombas cardíacas, robots de cápsulas y sensores cerebrales
carga de vehículos, eléctricos y la detección de fallas en líneas de transmisión
implantes profundos como el sensor de presión intracraneal (PIC) y los implantes cerebrales distribuidos
IOT
Bibliografía
R. Narayanamoorthi,
“Modeling of Capacitive Resonant Wireless Power and Data Transfer to Deep
Biomedical Implants,” IEEE Trans Compon Packaging Manuf Technol, vol. 9,
no. 7, pp. 1253–1263, Jul. 2019, doi: 10.1109/TCPMT.2019.2922046.
Segun la investigacion de [1] la tecnología SWPDT se
puede clasificar a grandes rasgos en dos tipos. El primer tipo utiliza dos pares de acoplamientos [2]–[7] que pueden ser coaxiales o no coaxiales.
Si los dos pares de acoplamiento son coaxiales, la interferencia entre la potencia y la transferencia de datos es significativa.
Si los dos pares de acoplamiento no son coaxiales, el sistema SWPDT ocupa un espacio mayor y entonces no es adecuado para aplicaciones donde el secundario gira con respecto al primario. No se usa ampliamente
El segundo tipo de sistema SWPDT emplea sólo un par de acoplamientos. Según el soporte de datos, se puede clasificar en dos subtipos. El primer subtipo utiliza el soporte de energía como soporte de datos o SWPDT de modulación directa (DM-SWPDT) , mientras que el segundo subtipo introduce soportes de datos dedicados o SWPDT de inyección de señal (SI-SWPDT), respectivamente.
Bibliografia
[1] Y. Yao et al., “Analysis and Design of a Simultaneous Wireless Power and Data Transfer System Featuring High Data Rate and Signal-to-Noise Ratio,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 11, pp. 10761–10771, Nov. 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.3031518..
[2]U. K. Madawala, J. Stichbury and S. Walker, "Contactless power transfer with two-way communication," 2004 30th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2004), Busan, South Korea, 2004, pp. 3071-3075.
[3] G. Wang, P. Wang, Y. Tang and W. Liu, "Analysis of Dual Band Power and Data Telemetry for Biomedical Implants," in IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 6, no. 3, pp. 208-215, June 2012.
[4] A. D. Rush and P. R. Troyk, "A Power and Data Link for a Wireless-Implanted Neural Recording System," in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 59, no. 11, pp. 3255-3262, Nov. 2012.
[5] T. Dräger, I. Mayordomo and J. Schuster, "Multi-band simultaneous
inductive wireless power and data transmission," IEEE SENSORS 2014
Proceedings, Valencia, 2014, pp. 1515-1518.
[6] C. H. Kao, Y. P. Lin and K. T. Tang, "Wireless data and power transmission circuits in biomedical implantable applications," International Symposium on Bioelectronics and Bioinformations 2011, Suzhou, 2011, pp. 9-12.
[7] X. Li, J. Hu, Y. Li, H. Wang, M. Liu and P. Deng, "A Decoupled Power and Data-Parallel Transmission Method With Four-Quadrant Misalignment Tolerance for Wireless Power Transfer Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 12, pp. 11531-11535, Dec. 2019.
La transferencia
inalámbrica de datos es necesaria en algunos sistemas TIP para facilitar la
supervisión del estado, el intercambio de instrucciones y el control en bucle cerrado
la tasa de error de bits (BER) aumenta cuando aumenta la potencia
transferida
Clasificacion de la SWPDT
Pros y Contras de los metodos de modulacion digital
Resumen del sistema propuesto
Informe de las señales enviadas y recibidas
Aportes
sistema de transferencia inalámbrica
simultánea de energía y datos (SWPDT) basado en una topología de
compensación LCC de doble cara y manipulación por desplazamiento de
frecuencia.
Esquema SI-SWPDT que utiliza topología de compensación DS-LCC, modulación y demodulación FSK, acoplamiento inductivo y circuito de demodulación de datos diferencia
método simplificado para analizar la transferencia de energía, la transferencia de datos y la interferencia entre ellas.
Modelos equivalentes simplificados del sistema SI-SWPDT propuesto.
Se logran simultáneamente una transferencia de energía inalámbrica de alta potencia y alta eficiencia y una transferencia de datos inalámbrica robusta y de alta velocidad
n. En primer lugar, este artículo propone un nuevo esquema SI-SWPDT
que utiliza topología de compensación DS-LCC, modulación y demodulación FSK,
acoplamiento inductivo y circuito de demodulación de datos diferencial. FSK se
introduce en los sistemas SI-SWPDT para mejorar el rendimiento antiruido de la
transferencia de datos. En segundo lugar, se construyen los modelos equivalentes
simplificados del sistema SI-SWPDT propuesto, en base a los cuales se
Materiales utilizados
el prototipo contiene 10 módulos.
fuente de alimentación de CC Chroma 62150H-600 para energizar el
circuito de alimentación
Fuente de alimentación
de CC RIGOL DP832 para alimentar el circuito de datos
osciloscopio Tektronix DPO4104B
Teoría
Clasificación de la tecnología SWPDT, (DM-SWPDT) y SI-SWPDT.
Cuanto mayor es la Ganancia de transferencia de datos , más fácil es la demodulación y menor es la B
Topología
topología de
compensación LCC
Fig. 1. Diagramas de circuito del sistema SWPDT propuesto. (a) Transferencia de energía e inyección y extracción de datos. (b) Modulación de datos. (c) Demodulación de datos. [1]
topología de compensación simétrica SS.
inductor-condensador-inductor de doble cara (DS-LCL y DS-LCC)
el circuito de demodulación de datos, con un filtro de paso alto inductor comdensador (LC-HPF)
El circuito superior emplea un filtro de paso alto derivado de m (M-HPF), mientras que el circuito inferior utiliza un filtro de paso alto derivado de m
amplificador (Amp), el detector de envolvente (ED) y el filtro de paso bajo de
resistencia-condensador (RC-LPF),
la transferencia
de energía y la transferencia de datos comparten el acoplador magnético.
Su transferencia de datos asifgna el mismo tiempo a los bits cero y uno
Estructura
el prototipo contiene 10 módulos. Se utiliza
una fuente de alimentación de CC Chroma 62150H-600 para energizar el
circuito de alimentación
se emplea una fuente de alimentación
de CC RIGOL DP832 para alimentar el circuito de datos.
Se incluye un
osciloscopio Tektronix DPO4104B en la configuración de prueba para capturar
formas de onda de voltaje y corrient
Parámetros
e utiliza
una red de compensación inductor-condensador-condensador (DS-LCC) de doble
cara, modulación y demodulación FSK y acoplamiento inductivo. Tanto la potencia
transferida como la velocidad de datos son altas en el sistema propuesto. La
interferencia entre la transferencia de energía y la transferencia de datos se reduce
significativamente mediante el uso de compensación DS-LCC y la optimización del
circuito de transferencia de datos. FSK se emplea para mejorar el rendimiento de la
transferencia de datos en condiciones desalineadas. Los datos se transfirieron
correctamente a una velocidad de 150 kbps en el experimento a pesar de que el
coeficiente de acoplamiento disminuyó en un 95,3%
relación señal/ruido de 47 dB en el peor
de los casos
La eficiencia de transferencia de energía PTE es del 90,5%
velocidad de datos es de 150 kbps.
Potencia de entrada 320,6
Potencia de salida 290,1 W
Los espacios de aire entre las bobinas Tx y Rx aumentan a 97 mm y 267 m
La transmisión de 28 bits del primario
al secundario requiere 186,7 μs. La velocidad de datos del sistema
propuesto es de 150 kbps. El retardo de tiempo del sistema propuesto es
de sólo 5,2 μs y el tiempo de duración de cada bit de Udd (Tdd) es casi
igual al de Uod (Tod). La diferencia normalizada entre Tdd y To es 9%
Aplicaciones mencionadas
Bibliografía
Y. Yao et al.,
“Analysis and Design of a Simultaneous Wireless Power and Data Transfer System
Featuring High Data Rate and Signal-to-Noise Ratio,” IEEE Transactions on
Industrial Electronics, vol. 68, no. 11, pp. 10761–10771, Nov. 2021, doi:
10.1109/TIE.2020.3031518..
Presenta Un circuito de adaptación de resonancia dual para WPT por resonancia magnética transmite datos simultáneamente en un solo receptor. Trabaja en dos frecuencias, 1,7 MHz y 6,87 MHz, alimentando un LED de 2 W mientras transmite datos PRBS de 100 kbps, sus distancias optimas son 1.1 cm y 2.8 cm respectivamente.
Usos
la carga de dispositivos
biomédicos de implantes y de Internet de las cosas aplicaciones biomédicas, la función de
comunicación también ayuda a recopilar señales biológicas y
controlar los dispositivos de implante.
Razon
Un problema crítico en el
diseño de tales sistemas es suprimir la interferencia entre datos
y energía sin aumentar significativamente la complejidad del diseño.
Aportes
Circuito de adaptación de resonancia dual para sistemas de transferencia de energía inalámbrica por resonancia magnética
Proporciona bandas separadas para diferentes usuarios, suprimiendo la diafonía entre canales
El circuito permite transmisión de energía de doble banda (DBPT) y
transmisión simultánea de energía y datos (SPDT).
Materiales utilizados
Teoría
Para DBTP, las portadoras de energía se combinan con un combinador de energía y se transmiten a dos lados Rx diferentes, donde las portadoras de energía se convierten aún más en voltaje de CC y se suministran a las cargas. Para SPDT, los portadores de energía y datos se transmiten a un único Rx, que procesa el portador de energía y demodula la señal de datos por separado
Topologia
Fig. 1. Diseño de circuito coincidente propuesto. (a) y (b) muestre el diagrama de circuito y el escenario de aplicación para DBPT. (c) Y (d) muestre el diagrama de circuito y el escenario de aplicación para SPDT. [1]
Fig. 2. Arquitecturas de sistema propuestas para (a) DBPT y (b) SPDT
Al establecer las frecuencias de la portadora de energía y portador de datos a fL y fH respectivamente, la potencia y los datos se pueden transmitir y recibir simultáneamente en un solo Rx
Configuración experimental del sistema DBPT
Parametros
La banda fL está configurada en 1,7 MHz con una distancia de transmisión óptima de 1,1 cm y la banda fH está configurada en 6,87 MHz con una distancia óptima de 2,8 cm.
En cada frecuencia de resonancia, el voltaje de interferencia recibido de la otra banda es menor que 1/5 del voltaje de la propia banda.
se utiliza para alimentar un LED de 2 W mientras se transmiten datos de secuencia binaria pseudoaleatoria (PRBS) de 100 kbps a través de la banda de 6,87 Banda de MHz
.
la potencia se transmite a través de la banda de 1,7 MHz a una distancia de 1,1 cm y se utiliza para alimentar un LED de 2 W mientras se transmiten datos de secuencia binaria pseudoaleatoria (PRBS) de 100 kbps a través de la banda de 6,87 Banda de MHz y se muestra en un osciloscopio después de la demodulación utilizando un filtro pasivo de múltiples etapas
Aplicaciones mencionadas
la carga de dispositivos
biomédicos de implantes y de Internet de las cosas
aplicaciones biomédicas, recopilar señales biológicas y
controlar los dispositivos de implante
Bibliografia
L. Wang, C. Tjoe, B. Xu, and P. Yue,
“A dual-resonance matching circuit for magnetic resonance wireless power
transfer systems,” 2019 IEEE 8th Global Conference on Consumer Electronics,
GCCE 2019, pp. 94–95, 2019, doi: 10.1109/GCCE46687.2019.9015211.
El sistema WPT descrito utiliza un haz de microondas de 2,45 GHz y 1,0 kW de potencia. Incluye un magnetrón de alta potencia, sintonizador de tres estubs, atenuador variable, acoplador direccional, divisor de potencia y antena parabólica de 36,5 dBi de 3 metros de diámetro y 20 kg solo para la transmisión , para la transmision. en recepcion contador de potencia, una antena de recepción, un filtro de coincidencia de impedancia, un rectificador, y la carga. Se transmitió 2,3 kW y se recibió 1,02 kW a 50 m, con una eficiencia del 44,3\%.
usos
Esta topología de transmisión de potencia inalámbrica mediante microondas es la más adecuada para trabajar con aplicaciones de alta potencia, como vehículos aéreos no tripulados (UAV) y drones, debido a su capacidad para transmitir varios kW de potencia a largas distancias con alta eficiencia.
Las antenas en el sistema receptor están conectadas en serie para incrementar el voltaje de salida y en paralelo para aumentar la corriente de salida. Además, se diseña una superficie selectiva de frecuencia (FSS) de bucle cuadrado para mejorar la eficiencia de conversión y reducir las ondas armónicas de orden superior. Sin embargo, el uso de una antena parabólica de 3 metros de diámetro y 20 kg solo para la transmisión puede resultar en un método demasiado grande y costoso para ciertas implementaciones.
En conclusión, esta tecnología ofrece una solución robusta y eficiente para la transmisión de alta potencia mediante microondas, aunque los desafíos de tamaño y costo deben ser considerados según la aplicación específica.d
Aportes
La antena SP Yagi tiene una mejor eficiencia de conversion cerca del angulo incidente de 90 grados.
Diseña una superficie selectiva de frecuencia de bucle cuadrado,
Materiales utilizados
Sistema Tx:
magnetron de alta potencia 2.4 GHz
Antena parabolica de 36.5 dBi de ganancia
Rectenas de parche polarizado
Sistema Rx de dos conjuntos de rectenas de 36x40 y 36x16
Guias de onda rectangulares
diodo Schottky de polarizacion cero HSMS 2850
PCB FR4 de 1.6 mm de espesor
Para medir el comportamiento de transmisión, se utiliza un analizador de red vectorial de 2 puertos.
Teoría
Ventajas en distancia a la transferencia de energía inalámbrica por acoplamiento magnético y
transferencia de energía inalámbrica capacitiva.
Topologia
se requiere un magnetrón junto con su fuente de alimentación para el control, un sintonizador de tres estubs para la coincidencia de impedancias, un atenuador variable para controlar la salida máxima, un acoplador direccional para medir la potencia de salida, un divisor de potencia para la polarización dual y una antena parabólica de transmisión de 36.5 dBi de ganancia.
En el sistema de recepción (RX), se requiere un contador de potencia, una antena de recepción, un filtro de coincidencia de impedancia, un rectificador, una carga visible y un voltímetro. La antena SP Yagi muestra una mejor eficiencia de conversión RF-DC cerca del ángulo incidente de 90 grados, mientras que las antenas dual-polarizadas ofrecen un rendimiento superior en una gama más amplia de ángulos de incidencia.
En TX, El magnetron y su fuente de alimentacion para control, sintronziador, atenuador, acoplador, medidro de potencia, divisor de poder, antena de transmision,
En RX requiere contador de potencia, antena de recepcion, Impedancia coincidente y filtro, rectificador , carga visible y voltimetro.
Fig. 1 Configuración de un sistema de transmisión de energía inalámbrica de alta potencia.
Fig. 2 Fotografías del sistema transmisor de alta potencia. Sistema Tx (superior), guía de ondas de alimentación de polarización dual y magnetrón.
La rectena se compne de anterna de parche polarizada dual, dipolo cruzado polarizado dual y antena Yagi
Matrix de rectena , consta de una antena de parche cuadrada polarizada 4x4
4 rectenas estan conectadas en serie para mejorar el voltaje de salida. 4 juegos d rectenas verticuales conectadas en paralelo para sumar corriente
Fig. 6. Fotografías de un conjunto de recenas de parche cuadrado polarizado dual 4x4
Parametros
1 KW de potencia.
2.45 GHz de haz de microondas
divisor de potencia
potencia de transmisión de Transmisión 2.3 kW
potencia de transmisión de Recepción 1.02kW
eficiencia 44.3%
Antenas de 3 metros de diametro y 20 kg, Ganancia de antena 36.5 dBi, VSWR de 1.5:1 , 3.2 grados de ancho de haz de potencia media, eficiencia de 98%
Fuente RF de 5 W para antena dipolo DP y SP yagi
antena de bocina de 10 dBi
distancia entre antenas 1 m
potencia de recepcion de 8 dBm
distancia de 50 m
eficiencia total calculada 47.3%
eficiencia de conversion de fuente 84.3% , eficiencia de antena TX 98% , Perdida de ruta 77.4% , eficiencia de conversion RF-CC 74%
Aplicaciones mencionadas
Vehiculos aereos no tripulados
Drones
Bibliografia
Y. Park and D. Youii, “KW-class
wireless power transmission based on microwave beam,” in 2020 IEEE Wireless
Power Transfer Conference, WPTC 2020, Institute of Electrical and
Electronics Engineers Inc., Nov. 2020, pp. 5–8. doi:
10.1109/WPTC48563.2020.9295626.
La WPT por RF consultado se compone de un modulador IQ AD8345, convertidor digital a analógico AD5384, diodos Schottky SMS7630-079LF, inversores CMOS SN74AUP1G14, modulador de retrodispersión transistor T1, ATF54143 y transistor T2 FDN337N. Esta topología de transmisión adaptativa es la más adecuada para trabajar con redes de sensores inalámbricos debido a su capacidad para ajustar dinámicamente el patrón de radiación y enfocar la energía en los nodos deseados
Se presenta un sistema WPT integrable en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSN). Con un arreglo de antenas dirige el haz de energia a los receptores, donde se ajusta dinamicamente el patron de radiacion con modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) ynversores CMOS SN74AUP1G14. Para la informacion recibe un código CDMA modulado por OOK de 15 bits, escaneando las potencias de cada nodo y adaptando la potencia. Sus 16 canales activos alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4 diseñada en 5,8 GHz, logrando una eficiencia del 90\% y una transferencia de datos de 19,2 kb/s
primero, el transmisor dirige un haz de energía mediante un arreglo de antenas, luego, los nodos receptores capturan la energía y envían una señal de retrodispersión que ajusta dinámicamente el patrón de radiación del transmisor. El modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) son fundamentales para rectificar la energía y modular las señales, lo que permite una transmisión eficiente y adaptativa.
En el trabajo, los inversores SN74AUP1G14 se utilizan para procesar y acondicionar señales dentro de los nodos receptores. Su función principal es actuar como buffers o inversores de señal que aseguran la correcta polarización y modulación de las señales antes de que estas sean enviadas al modulador de retrodispersión. Además, al ser inversores con gatillo de Schmitt (Schmitt Trigger), ayudan a limpiar señales de entrada ruidosas o inestables, proporcionando una salida estable y con bordes definidos, lo que es crucial para la modulación y el procesamiento adecuado de las señales de comunicación entre los nodos y el transmisor.
En resumen, el SN74AUP1G14 contribuye a estabilizar y procesar las señales RF rectificadas, asegurando que los nodos puedan comunicarse de manera eficiente y sin errores con el transmisor mediante el modulador de retrodispersión.
En cuanto a los parámetros logrados, destaca la eficiencia energética ajustable, el control preciso del haz de energía, y la capacidad de mantener nodos activos sin necesidad de baterías. El diseño debe tener en cuenta aspectos como la distancia de transmisión, la orientación de antenas y los patrones de interferencia. La metodología usada incluye experimentos de laboratorio para probar la activación de nodos a diferentes distancias y el ajuste dinámico de potencia basado en la retrodispersión.
Los resultados demostraron que el sistema podía mantener los nodos activos con una eficiencia energética notable, reduciendo la potencia de transmisión cuando el nodo acumulaba suficiente energía. Se destacan conceptos teóricos como modulación de retrodispersión, rectificación de RF, y beamforming adaptativo. Las aplicaciones mencionadas para WPT incluyen redes de sensores pasivos, IoT, y sistemas de monitoreo remoto en entornos industriales o agrícolas.
El prototipo propuesto en el artículo titulado "A Selective, Tracking, and Power Adaptive Far-Field Wireless Power Transfer System" introduce varias características innovadoras que lo distinguen de otros sistemas de Transferencia de Energía Inalámbrica (WPT) por RF revisados. Aquí están los aspectos clave que hacen que este sistema sea superior:
Transmisión Selectiva y Adaptativa en Potencia:
El sistema incluye un transmisor con arreglo de antenas en fase que puede cambiar adaptativamente su estado encendiendo o apagando conjuntos de elementos de antena, según la intensidad de la señal recibida (RSS) de los nodos receptores. Esta característica permite optimizar el consumo de energía utilizando solo la cantidad necesaria para mantener la comunicación y la transferencia de energía, haciéndolo más eficiente en comparación con los sistemas que usan un nivel de potencia constante.
Mecanismo de Seguimiento:
El transmisor utiliza una señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores para ajustar dinámicamente su patrón de radiación y enfocar la energía precisamente donde se necesita. Este mecanismo de seguimiento mejora la eficiencia y efectividad de la transferencia de energía al garantizar que la potencia transmitida se dirija hacia el nodo objetivo.
Nodos Receptores de Baja Complejidad y Sin Baterías:
Los nodos receptores están diseñados para ser simples y sin baterías, utilizando una pequeña porción de energía RF rectificada para generar una frecuencia de modulación dependiente de la RSS. Esta frecuencia impulsa un modulador de retrodispersión, lo que ayuda a mantener la comunicación con el transmisor. La baja complejidad y la ausencia de baterías reducen el mantenimiento y mejoran la longevidad del sistema.
Mecanismo Único de Despertar:
El sistema emplea una señal de energía inalámbrica única para activar o despertar los nodos. Este enfoque elimina la necesidad de esquemas de modulación complejos y reduce las posibilidades de colisiones durante las llamadas de activación, aumentando así la eficiencia y fiabilidad general de la red. Este método contrasta con otros sistemas que pueden utilizar técnicas de activación más complejas y que consumen más energía.
Integración con Redes de Sensores Inalámbricos Pasivos (PWSNs):
El prototipo está diseñado específicamente para integrarse con PWSNs, que se espera jueguen un papel crucial en el Internet de las Cosas (IoT). La combinación de transmisión selectiva, control adaptativo de la potencia y seguimiento efectivo lo hace particularmente adecuado para dichas redes, donde los dispositivos a menudo se despliegan en grandes cantidades y la eficiencia energética es primordial.
Validación Experimental:
El artículo reporta experimentos de laboratorio exitosos que demuestran la efectividad del sistema propuesto a 5.8 GHz para WPT y a 3.6 GHz para la señal piloto. Estos experimentos validan la capacidad del sistema para crear enlaces WPT de campo lejano eficientes con una simplicidad razonable, mostrando su aplicabilidad práctica y robustez en escenarios del mundo real.
En resumen, los avances clave del sistema propuesto sobre los sistemas de WPT existentes son su control adaptativo de la potencia, mecanismo de seguimiento eficiente, diseño simple y sin baterías del receptor, enfoque único de señal de activación y su idoneidad para la integración en PWSNs. Estas características contribuyen colectivamente a una mayor eficiencia energética, fiabilidad y practicidad en diversas aplicaciones.
.
Este es un sistema en el cual se usan metadsuperficies de 16x16, 4x4 para recibir señales de Rf, tienen distintos mezcladores, al recibir la señal, los nodos varian los canales hasta llegar al mas eficiente. Utiliza distintos micropresadores para las operaciones, tambien envian datos.en distintas frecuencia a la energia
No mensiona el metodo de modulacion.
Objetivo : alimentar un actuador simple sin
capacidades de procesamiento de RF
Propone un sistema de transferencia de energía
inalámbrica de campo lejano (WPT) selectivo, de seguimiento y adaptable a la
potencia que puede integrarse en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSN).
Este documento se divide de la siguiente manera.
La Sección II está dedicada a proporcionar una visión general del sistema propuesto, explicando sus principales conceptos y cómo debería funcionar.
La sección III está dedicada a describir una matriz en fase electrónica activa orientable: se discutirán los estados de transmisión y la arquitectura de formación de haces.
En la Sección IV, se presentan los nodos PWSN y su funcionamiento se describe y caracteriza mediante una configuración de medición con conector.
En la Sección V, se informan los resultados de experimentos inalámbricos de laboratorio.
La Sección VI está dedicada a la discusión de las ventajas/ desventajas y posibles mejoras para partes específicas del sistema, así como a comparaciones con otros trabajos relacionados.
Finalmente, en la Sección VII se sacará la conclusión.
Aportes
Mejora el trabajos de “Enabling a constant
and efficient flow of wireless energy for IoT sensors,” , mejoro el dispositivo de “A low complexity
and accurate battery-less trackable device”,"Enabling a constant
and efficient flow of wireless energy for IoT sensors"
Propone un sistema de transferencia de energía
inalámbrica de campo lejano (WPT) selectivo, de seguimiento y adaptable a la
potencia que puede integrarse en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSN).
Desarrolló una matriz en fase
orientable activa y electrónica, que utiliza un oscilador local (LO) de dos tonos
para seleccionar, rastrear y alimentar de forma inalámbrica nodos de la red
de sensores inalámbricos pasivos (PWSN) ubicados dentro de un área
determinada.
Se elimina la sobrecarga que presentan los protocolos tradicionales Al utilizar una señal de alimentación inalámbrica única como condición de activación, el transmisor puede activar
un solo nodo, incluso si hay varios nodos dentro del ancho del haz del
transmisor.
el circuito de activación está formado por un filtro de paso de banda selectivo sintonizado para f , un circuito convertidor de f a CC y un transistor que debe activarse para cerrar la ruta de CC para el módulo de retrodispersión y la carga.
En su aplicacion La frecuencia de modulación ya no estaba presente a 2 y 3,6 m, lo que
indica que la potencia transmitida debería aumentarse para mantener el
nodo despierto a esas distancias.
Tan pronto
como la energía recolectada por el nodo fue suficiente para activarlo, la
señal piloto fue retrodispersada y monitoreada. Con la señal de potencia
inalámbrica respectiva, se realizó una exploración para cada nodo.
Después de la detección, el transmisor apunta secuencialmente la radiación a cada nodo y el estado disminuye (o se mantiene) para mantener el nodo despierto con la mínima potencia transmitida
Fig. 17. Patrones de radiación utilizados por el transmisor para activar secuencialmente
los nodos y mantenerlos despiertos con la mínima potencia requerida. [1]
Materiales utilizados
Se emplea un modulador IQ (AD8345) to para brindar la capacidad de establecer cualquier cambio de fase y/o amplitud arbitra en cada elemento.
Para establecer la fase y amplitud apropiadas para los 16 elementos, se seleccionó un convertidor digital a analógico (DAC) denso (AD5384). 40 canales y 14 bits de bajo consumo que se puede configurar con cualquier microcontrolador de uso general
diodos Schottky SMS7630-079LF
un oscilador en anillo ompuesto por tres inversores CMOS (SN74AUP1G14)
el
modulador de retrodispersión (transistor T 1, ATF54143).
transistor T2 (FDN337N)
inductores variables (CoilCraft M100)
Teoría
Concepto de Los nodos receptores
Definición de WPT, redes de sensores inalámbricos (WSN) y su uso en el IoT
Técnicas de seguimiento
Según la teoría del conjunto de antenas
Las señales multitono son adecuadas para aumentar la eficiencia de conversión de RF a CC.
Funcionamiento
está compuesto por varios módulos y componentes, cada uno con una función específica que contribuye al rendimiento general del sistema. A continuación, se describen los componentes principales y sus funciones:
Componentes del Prototipo
Transmisor con Arreglo de Antenas en Fase:
Función: Este componente es responsable de generar y dirigir la energía RF hacia los nodos receptores. Utiliza un arreglo de antenas que puede cambiar su configuración (encendiendo o apagando elementos de la antena) basado en la intensidad de la señal recibida (RSS) de los nodos receptores.
Nombre del Módulo: No se especifica un nombre específico para el arreglo de antenas en el artículo, pero es un elemento crucial del sistema.
Mecanismo de Seguimiento Dinámico:
Función: El transmisor ajusta dinámicamente su patrón de radiación utilizando la señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores. Este ajuste garantiza que la energía se enfoque precisamente en la ubicación del nodo receptor, mejorando así la eficiencia de la transferencia de energía.
Nombre del Módulo: Este mecanismo es parte del sistema de control del arreglo de antenas, aunque no se da un nombre específico en el artículo.
Nodos Receptores Simples y Sin Baterías:
Función: Estos nodos capturan la energía RF transmitida y la rectifican para generar una señal RSS-dependiente que modula una frecuencia. Esta frecuencia se utiliza para la comunicación de retorno al transmisor, lo que ayuda a mantener la transferencia de energía y la comunicación.
Nombre del Módulo: Los nodos receptores no tienen un nombre específico mencionado en el artículo, pero su diseño es fundamental para el funcionamiento eficiente del sistema.
Modulador de Retrodispersión:
Función: Este modulador es accionado por la señal RSS-dependiente generada por los nodos receptores. Permite que el nodo receptor envíe una señal de retorno al transmisor sin necesidad de una fuente de energía activa, utilizando solo la energía capturada.
Nombre del Módulo: Aunque se describe su función, no se proporciona un nombre específico para el modulador de retrodispersión en el artículo.
Mecanismo de Despertar con Señal de Energía Inalámbrica:
Función: El sistema utiliza una señal de energía inalámbrica única para activar o "despertar" los nodos receptores. Este mecanismo simplifica el proceso de activación y reduce el consumo de energía, ya que elimina la necesidad de complejos esquemas de modulación para la activación.
Nombre del Módulo: Este mecanismo se describe en términos de su funcionalidad, pero no se asigna un nombre específico en el artículo.
Resumen de las Funciones
Transmisión Adaptativa: El transmisor ajusta dinámicamente su potencia y dirección de transmisión en función de la RSS de los nodos receptores.
Seguimiento Preciso: El uso de una señal piloto retrodispersada permite que el transmisor siga y enfoque la energía hacia los nodos receptores.
Receptores Simples: Los nodos receptores sin baterías utilizan energía rectificada para comunicarse con el transmisor, reduciendo la complejidad y el mantenimiento.
Despertar Eficiente: Un mecanismo único de señal de energía inalámbrica activa los nodos receptores de manera eficiente y confiable.
En conjunto, estos componentes y módulos trabajan armoniosamente para crear un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano que es más eficiente, adaptable y adecuado para aplicaciones en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSNs) y el Internet de las Cosas (IoT).
Componentes del Prototipo y Sus Funciones
Transmisor con Arreglo de Antenas en Fase:
Función: Generar y dirigir la energía RF hacia los nodos receptores.
Componentes Clave:
Modulador IQ (AD8345): Utilizado para modular la señal de RF en fase y en cuadratura, mejorando la precisión y control de la transmisión.
Convertidor Digital a Analógico (DAC) denso (AD5384): Convierte señales digitales en señales analógicas para el control preciso de las fases en el arreglo de antenas.
Nodos Receptores Simples y Sin Baterías:
Función: Capturar la energía RF y generar una señal RSS-dependiente para la comunicación de retorno.
Componentes Clave:
Diodos Schottky (SMS7630-079LF): Utilizados para la rectificación de la señal RF, convirtiendo la energía RF en energía DC.
Inversores CMOS (SN74AUP1G14): Utilizados para procesar y acondicionar las señales dentro de los nodos receptores.
Modulador de Retrodispersión:
Función: Permitir que el nodo receptor envíe una señal de retorno al transmisor sin una fuente de energía activa.
Componentes Clave:
Transistor T1 (ATF54143): Utilizado como modulador de retrodispersión, permitiendo la comunicación de vuelta al transmisor utilizando la energía capturada.
Transistor T2 (FDN337N): Apoya el proceso de modulación y el acondicionamiento de la señal.
Mecanismo de Despertar con Señal de Energía Inalámbrica:
Función: Activar o "despertar" los nodos receptores utilizando una señal de energía inalámbrica única.
Componentes Clave: Aunque no se menciona específicamente en el resumen, este mecanismo puede utilizar los componentes del receptor y modulador para recibir y procesar la señal de activación.
Resumen de las Funciones
Transmisión Adaptativa: Utilizando el modulador IQ (AD8345) y el DAC (AD5384), el transmisor puede ajustar dinámicamente su potencia y dirección de transmisión en función de la RSS de los nodos receptores.
Seguimiento Preciso: La señal piloto retrodispersada permite que el transmisor siga y enfoque la energía hacia los nodos receptores.
Receptores Simples: Los nodos receptores, equipados con diodos Schottky (SMS7630-079LF) y transistores (T1, ATF54143 y T2, FDN337N), utilizan energía rectificada para comunicarse con el transmisor.
Despertar Eficiente: El mecanismo de señal de energía inalámbrica activa los nodos receptores de manera eficiente y confiable, utilizando la infraestructura de los componentes descritos.
Estos componentes y módulos, con sus nombres y funciones específicos, trabajan juntos para crear un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano que es más eficiente, adaptable y adecuado para aplicaciones en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSNs) y el Internet de las Cosas (IoT).
Topologia
La estructura del sistema generalmente incluye un transmisor de energía adaptativo, nodos receptores pasivos, y mecanismos de control dinámico de la potencia.
Para detectar y alimentar de forma inalámbrica varios nodos pasivos, con capacidades de comunicación de retro dispersión y mecanismos de activación , se selecciona como transmisor de potencia inalámbrico un conjunto en fase activo y orientable electrónicamente que funciona a 5,8 GHz, así como un módulo de comunicación de retrodispersión que funciona a 3,6 GHz.
El sistema propuesto opera en base a una señal piloto que controla el patrón de radiación del transmisor. Sin embargo, en esos trabajos la señal piloto es generada y transmitida por el receptor, lo que implica que el dispositivo receptor debe estar equipado con algún tipo de fuente de energía. Además, el transmisor debe comparar la fase de la señal piloto recibida con una referencia de fase interna para configurar correctamente su haz principal. Aquí, la señal piloto es generada por el transmisor y retrodispersada por el dispositivo receptor, lo que permite admitir nodos totalmente pasivos.
el transmisor se opera en estados, donde cada estado transmite una cantidad específica de potencia al encender un cierto número de elementos de antena adyacentes, el transmisor monitorea continuamente la potencia recibida del nodo a través de la señal piloto retrodispersada.
Los nodos son dispositivos sin batería que convierten la energía de RF recolectada en energía CC utilizable, que se utiliza para encender un LED rojo. Estos nodos se activan a partir de la potencia que se transmite y se comunican a través de la señal piloto mediante modulación de retrodispersión. el transmisor debe saber continuamente cuánta energía recolecta el nodo para seleccionar correctamente el estado y la dirección del haz
Fig. 2. Diagrama de bloques del transmisor que incluye el módulo transceptor de retrodispersión
El transmisor/lector de
energía inalámbrico comienza eligiendo el nodo del que desea recuperar
información configurando la señal de energía inalámbrica respectiva. Luego, se
realiza una exploración a máxima potencia mientras también se irradia la señal
piloto. La señal piloto retrodispersada se controla en todas las direcciones del
haz. Si el objetivo deseado está presente, activará inmediatamente su
modulador de retrodispersión e informará al transmisor sobre cuánta potencia
se recibe desde esa dirección específica. Después de todo el escaneo, se
conoce la dirección de la potencia máxima recibida y el transmisor puede
adaptar la potencia transmitida (estado) para mantener el nodo despierto con
una potencia mínima transmitida/consumida.
Este transmisor consta de 16 canales activos que alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4 diseñada para funcionar a 5,8 GHz. Se seleccionó una distribución espacial uniforme entre elementos de 0,58λ0 (λ0 es la longitud de onda en el espacio libre) para permitir dirigir el haz sin lóbulos de rejilla significativos
Fig. 3. Representación de la antena patch microstrip de potencia inalámbrica plana 4 × 4 con sus estados
reconfigurables y las antenas transmisoras/receptoras de señal piloto
Fig. 7. Esquema del nodo donde se resaltan un convertidor de RF a CC, un módulo de
retrodispersión, un circuito de activación y una carga
[1]
En este trabajo opera con tres estados. El estado 1
consta de una fila central, el estado 2 de las dos filas centrales y el estado 3
está formado por todos los elementos.
Al utilizar un enlace separado para la señal piloto, el nodo podrá recibir
continuamente la energía que se le transmite, al mismo tiempo que podrá
dispersar la señal piloto de regreso al transmisor con información útil, a 3,6 GHz
Convertidor de RF a CC y carga
El circuito empleado es una bomba de carga Dickson convencional de tres
etapas construida con diodos Schottky SMS7630-079LF y optimizada para
operar a 5,8 GHz. La entrada se adapta a la antena a través de un único trozo
abierto, mientras que un cuarto de longitud de onda
Módulo de retrodispersión
El módulo de retro dispersión es el componente que permite al nodo reenviar
la señal piloto al transmisor con información útil modulada en frecuencia, la cual
está relacionada con la potencia de entrada de RF instantánea. Usa un oscilador en anillo compuesto por tres inversores CMOS (SN74AUP1G14) opera como un oscilador controlado por voltaje (VCO) en la región subumbral, y se muestra que su frecuencia de oscilación ( fm) depende de la frecuencia del nodo. potencia de entrada de RF instantánea
Si el
espaciado de tonos de la señal de potencia inalámbrica transmitida es igual
al receptor f , el convertidor de RF a CC generará un componente en f y luego
lo rectificará f a CC para activar el transistor T2
Se diseñaron y construyeron tres nodos similares con diferentes filtros de
paso de banda Butterworth de tercer orden prediseñados.
El nodo 1 se activa
mediante una señal de dos tonos con una separación de 597 kHz, el nodo 2
con 1,29 MHz y el nodo 3 con 1,88 MHz
Parámetros
En este experimento, el PCE máximo cayó al 41,6% y se desplazó ligeramente
para una mayor potencia de entrada de RF. Al agregar también el circuito de
activación, el PCE máximo disminuyó a 38,1% debido a la potencia disipada
en el transistor T2.
Transmisor de 16 canales activos que alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4
5,8 GHz para la WPT y a 3,6 GHz para la señal piloto
a distribución espacial uniforme entre elementos de 0,58λ0 (λ0
es la longitud de onda en el espacio libre)
el ancho del haz es aproximadamente el mismo en el plano de dirección e igual a 23,5°
se seleccionó como nuevo LO una señal de dos tonos (5,1 y 5,102 GHz), Señal IF 0.7 GHz,
La ganancia PIRE incremental entre estados consecutivos es de 6 dB, lo que corresponde a 3 dB de la potencia adicional alimentada a la antena y también a 3 dB de la potencia adicional alimentada a la antena.
el nodo se enciende aproximadamente a −3 dBm de potencia de
En la primer prueba, entrada de RF promedio y el PCE máximo alcanzado es del 46,2 % a 3 dBm.
el PCE máximo cayó al 41,6% y se desplazó ligeramente
para una mayor potencia de entrada de RF. Al agregar también el circuito de
activación, el PCE máximo disminuyó a 38,1% debido a la potencia disipada
en el transistor T2
La frecuencia de modulación ya no estaba presente a 2 y 3,6 m
Funcionamiento
primero, el transmisor dirige un haz de energía mediante un arreglo de antenas, luego, los nodos receptores capturan la energía y envían una señal de retrodispersión que ajusta dinámicamente el patrón de radiación del transmisor. El modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) son fundamentales para rectificar la energía y modular las señales, lo que permite una transmisión eficiente y adaptativa.
Aplicaciones mencionadas
redes de sensores inalámbricos
Internet de las cosas
La WPT con RF es compatible con las redes de sensores y con IoT. La propuesta emplea un modulador IQ (AD8345) y un convertidor digital a analógico (DAC) denso (AD5384), junto con diodos Schottky (SMS7630-079LF), inversores CMOS (SN74AUP1G14), el modulador de retrodispersión (transistor T1, ATF54143) y el transistor T2 (FDN337N). Esta topología de transmisión adaptativa es la más adecuada para trabajar con redes de sensores inalámbricos debido a su capacidad para ajustar dinámicamente el patrón de radiación y enfocar la energía en los nodos deseados.
Para la elección del tipo de batería a utilizar se pueden considerar los siguientes parámetros:
Eficiencia energética: La capacidad del sistema para optimizar el uso de energía.
Durabilidad: La vida útil de las baterías en función de los ciclos de carga y descarga.
Capacidad: La cantidad de energía que puede almacenar la batería.
Entre las ventajas con las que cuentan los nodos receptores, destaca su diseño sin baterías. Estos nodos utilizan una porción de energía RF para generar una frecuencia de modulación que impulsa un modulador de retrodispersión, permitiendo la comunicación con el transmisor. El transmisor, a su vez, utiliza una señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores para ajustar dinámicamente su patrón de radiación, enfocar la energía en los nodos necesarios y así mantenerlos activos.
Al variar la distancia entre el transmisor y los nodos receptores, se requiere ajustar la potencia de transmisión para asegurar la activación y operación continua de los nodos. Cuando los nodos recolectan suficiente energía, se activan y envían una señal retrodispersada al transmisor. Esta señal es monitoreada, y en función de la cantidad de energía necesaria para mantener el nodo activo, la potencia de transmisión se ajusta para disminuir o mantenerse.
Esta topología no solo mejora la eficiencia energética del sistema, sino que también prolonga la vida útil de los nodos receptores y reduce la necesidad de mantenimiento frecuente, haciendo que sea una solución viable y efectiva para aplicaciones en IoT y redes de sensores.
Bibliografia
D. Belo, D. C.
Ribeiro, P. Pinho, and N. B. Carvalho, “A Selective, Tracking, and Power
Adaptive Far-Field Wireless Power Transfer System,” IEEE Trans Microw Theory
Tech, vol. 67, no. 9, pp. 3856–3866, Sep. 2019, doi:
10.1109/TMTT.2019.2913653.
Fig. 2. Esquematización de las técnicas de alimentación bajo el agua. [1]
TABLA 1 Comparación entre técnicas TIP bajo el agua. 
Fig. 3. Diagrama de bloques de la plataforma IoT recargable por ultrasonidos. [1]
Fig. 10. Ilustración esquemática del banco de pruebas utilizado para demostrar la TIP ultrasónica en agua y la alimentación del nodo SEANet G1. [1]La plataforma IoUT incluye una unidad de gestión de energía, una unidad de alimentación y un nodo sensor submarino SEANet G1 basado en el modelo arquitectónico
TABLA 2 Principales símbolos y constantes.
