RF
Los dos requisitos principales de un sistema de transferencia de energía
inalámbrico eficiente son una antena direccional de alta ganancia y un
circuito rectificador con alta eficiencia de conversión RF-DC [2]
Mediante algoritmos que potencialmente podrían aumentar la salida de transmisión en formas de onda y disminuir la pérdida de potencia durante las conversiones de radiofrecuencia a corriente directa en sistemas lejanos. [110] [111] [112]
de un UAV puede flotar y
tomar la decisión óptima para decidir si realizar una transferencia de energía
inalámbrica de RF (WET) para cargar el terminal terrestre correspondiente o
acceder al espectro primario. para transferencia inalámbrica de información (WIT)
para dar servicio a la terminal terre [15]
mediante el uso de un condensador de almacenamiento de 220 μF, se puede encender un diodo emisor de luz (LED) durante 60 ms con un consumo de energía de 9,45 mW y un voltaje de CC de 3 V [19]
Aunque las antenas no directivas pueden ser apropiadas para energizar sensores que transmiten datos en ciclos de trabajo muy bajos. las antenas transmisoras directivas de alta ganancia son obligatorias para sensores que exigen más energía y/o para aumentar las distancias máximas que pueden recibir alimentación remota Cuando se utilizan antenas directivas,
y dado que es posible que no se conozca la posición exacta de los sensores o que sea
necesario activar varios sensores, se están utilizando técnicas de formación de haz
adaptativo para enfocar la potencia radiada en la dirección deseada [21]
frecuencias
La WPT de mayor frecuencia es adecuada para aplicaciones en las que
existen limitaciones en el tamaño de las antenas [1]
mayor frecuencia también puede ser más segura en términos de exposición humana, la energía es absorbido principalmente por las capas superficiales de la piel mayor frecuencia también puede ser más segura en términos de exposición humana, la energía es absorbido principalmente por las capas superficiales de la piel
Las superiores a
6 GHz ofrecen varias ventajas:
la
reducción del espacio físico ocupado por las rectennas, manteniendo al
mismo tiempo la alta ganancia y el estrecho ancho de haz. [6]
24 GHz tiene la
principal ventaja de que no interferirá con otras bandas de frecuencias que se
utilizan ampliamente con fines de comunicación, como las frecuencias 5G
de ondas milimétricas. mayor propagación y pérdidas atmosféricas, así como componentes semiconductores menos eficientes, compensar por aumento proporcional en la directividad y la ganancia de las antena, huella de circuito reducida [1]
Se propone un método simple adaptativo de escaneo de frecuencia 1-D para sistemas de transferencia de energía inalámbrica radiativa (WPT) en redes de sensores inalámbricos (WSN) de baja potencia. [21]
utilizando una antena explorada en frecuencia, se puede alimentar un área más amplia que utilizando una antena directiva no explorada sin necesidad de equipos costosos adicionales. [21]
cualquier sensor en la WSN puede seleccionar el canal de transmisión óptimo en la banda de 2,4 GHz [21]
una antena de barrido de frecuencia de haz de abanico, junto con una técnica de salto de canal, se puede utilizar como un mecanismo simple para la transferencia de energía inalámbrica radiativa adaptativa en una WSN [21]
La eficiencia de transmisión se puede optimizar dinámicamente para cada posición de nodo, utilizando un protocolo simple en el que el coordinador WSN barre la frecuencia de una señal de monitoreo y los nodos seleccionan el canal con el nivel máximo de RSSI [21]
rectificadores y rectenas
La topología general de un rectificador consiste en una red de adaptación de impedancia de fuente para hacer coincidir la fuente de alimentación con la impedancia de entrada del circuito, un elemento no lineal que convierte la energía de RF en energía de CC, por ejemplo, un diodo Schottky y un filtro de paso bajo con una resistencia de carga, tienen una altura de barrera baja, exhibirán un comportamiento no lineal con una potencia de entrada más baja, a eficiencia de conversión RF-DC [1]
Los Diodos recomendados son Macom MA4E2054A y Skyworks SMS7621 por sus parámetros SPICE para las uniones de diodos intrínsecos y modelos de circuitos equivalentes para sus paquetes, y su disponibilidad en paquetes pequeños con parásitos reducidos [1]
Comparación de rendimiento de los rectificadores propuestos. [1]En la mayoría de los estudios publicados, las rectennas en realidad se
consideran dispositivos independientes. Sólo unos pocos artículos recientes
están dedicados a la caracterización completa de rectennas en escenarios
reales [19]
En la actualidad, la EH es un gran desafío y difícil de llevar a cabo debido a la baja cantidad disponible de densidad de potencia ambiental debido a las limitaciones/regulaciones de exposición. Por el contrario, la WPT permite enfocar la densidad de potencia de RF en la dirección de la rectenna y, en consecuencia, evita generar altos niveles de potencia de RF en grandes regiones. Con base en esta consideración, solo se ha considerado el escenario WPT en este documento. En estos dos escenarios, las rectenas generalmente se diseñan para recolectar la energía electromagnética disponible y suministrar energía al sensor inalámbrico. Está compuesta por dos dispositivos pasivos principales: la antena y el rectificador. La antena captura la energía electromagnética ambiental y la convierte en una señal de RF guiada. La eficiencia de radiación de la antena impulsa la eficiencia de RF a CC de la rectenna y, en consecuencia, debe maximizarse. Otra consideración importante es el tamaño de la antena, que debe ser lo más pequeño posible para poder integrarse en la mayoría de los sistemas modernos. Para un ancho de banda determinado, se debe encontrar el mejor equilibrio entre el tamaño y la eficiencia de radiación de la antena. El rectificador convierte la señal de RF guiada en energía de CC para activar un convertidor elevador de CC a CC y alimentar dispositivos electrónicos, como sensores. El componente clave es el dispositivo no lineal (por ejemplo, diodo Schottky o transistor) utilizado para convertir la señal de RF en un voltaje de CC. Este dispositivo se selecciona cuidadosamente en este artículo para rectificar señales de baja potencia. Además, el proceso de rectificación genera armónicos indeseables en los puertos de entrada y salida del dispositivo no lineal. En el puerto de entrada, el circuito de adaptación/filtro de paso de banda generalmente se coloca para evitar que la antena vuelva a irradiar estos armónicos y para maximizar la transferencia de energía. Además, [19]
el convertidor elevador se utilizó para alimentar redes de sensores de retrodispersión sin batería; el convertidor elevador tarda 530 s en cargar un condensador de 100 μF de 0 a 2,8 V para una densidad de potencia de 0,1103 μW/cm2 [19]
Diagrama de bloques de una recena estándar cargada por el convertidor elevador CC a CC y el sensor pasivo (sin batería) e inalámbrico. [19]e la recena suministra energía al convertidor elevador de CC a CC Bq25504 y enciende un diodo emisor de luz (LED) que emula el consumo de CC de un transmisor de potencia ultrabaja. como el módulo Bluetooth 5 de consumo ultrabajo QN908x [19]
Bito et al. [9] demostraron una rectina flexible de ondas
milimétricas impresa con chorro de tinta a 24 GHz para aplicaciones de IoT
portátiles. Informaron un voltaje de 2,5 V CC a una potencia de RF de entrada
de 18 dBm.
Daskalakis et al. [10] desarrollaron una rectina de 24 GHz sobre
sustrato de papel con una eficiencia de conversión del 32,5 % a una potencia
de entrada de 15 dBm para aplicaciones RFID
Shinohara y Hatano [11]
diseñaron un circuito rectificador con una eficiencia de conversión RF-DC del
47,9% con una potencia de entrada de 23 dBm
Laden et al. [12] presentaron
el diseño y la implementación de rectennas utilizando tecnología de guía de
ondas integrada en sustrato (SIW) a 24 GHz. Sus resultados mostraron que
la eficiencia de rectificación fue del 24% con una densidad de potencia de
entrada de 10 mW/cm2 .
Colado y Georgiadis [12] propusieron una rectina
basada en SIW a 24 GHz con una eficiencia de conversión RF-DC máxima
del 15 % a 8 dBm de potencia de entrada.
En [13] se propuso una rectina de
24 GHz para aplicaciones de acceso inalámbrico fijo con una eficiencia de
conversión RF-DC del 43,6% a una potencia de entrada de 27 dBm.
En otro
trabajo de investigación para una aplicación similar, se propuso un recolector
de energía en frecuencias de ondas milimétricas [16]. Mostró una eficiencia
de conversión RF-DC medida del 67 % y un voltaje máximo de 2,18 V a 35,7
GHz. [16]
potencia de entrada. En [25], se propone una nueva rectenna de seis
bandas con una antena dipolo cruzada plana en forma de pajarita para
recolectar energía de RF en niveles de potencia de entrada ambiental que
os [16]
cilan entre -30 dBm y -5 dBm. Se diseña una rectenna de doble banda
en [16] basada en un conjunto de antenas cuasi-Yagi de banda ancha 1
× 4 para recibir potencia de las bandas GSM-1800 y UMTS-2100 con una
potencia de entra
En este artículo, se propone una antena ranurada compacta y de
banda ancha para mejorar el rendimiento de la rectenna para la captación
de energía se propone una rectina de
banda ancha eficiente para la recolección de energía inalámbrica de 1,8
GHz a 2,5 GHz. Se desarrolla una novedosa antena dipolo cruzado de
doble polarización con ranuras en forma de flor para el rechazo de
armónicos. Se presenta una rectina multibanda ultraligera para las bandas
LTE de próxima generación y hay dos ranuras anulares, una anidada dentro
de la otra [16]
d en mm)
k
b
Fig. 1. Configuración de la antena de ranura anular propuesta.b) Lateral [16]
Antena con tres parches diferentes. (a) Parche con CG. (b) Parche con RS. (c)
Parche con AS [16]
La configuración del rectificador (a) la topología del diseño del rectificador y (b) el rectificador fabricado.[16]
empleando el concepto de resonadores de apertura del plano de tierra o estructuras de tierra defectuosas (DGS). permite la miniaturización del resonador, [20]
En este trabajo, se diseñó, simuló, construyó y se evaluaron los resultados una TIP-NF con DGS. Se presentó un sistema de doble banda que opera en bandas ISM, dirigido a aplicaciones que requieren transferencia de energía y datos simultáneamente. El DGS propuesto presenta una geometría de círculos superpuestos que apuntan a un dispositivo compacto, manteniendo al mismo tiempo el mismo nivel de ηW PT en ambas bandas de frecuencia. La degradación observada puede deberse a la baja precisión en la alineación entre los resonadores TX y RX causada por imprecisiones mecánicas en los aparatos de medición. [20]
CONFIGURACIÓN DEL DOBLADOR DE TENSIÓN
Circuito rectificador en configuración duplicadora de voltaje [1]
Se utilizan dos diodos para
aumentar el voltaje de salida y proporcionar rectificación de onda completa[1]
el duplicador de voltaje
proporciona una eficiencia de rectificación máxima del 36% o 22% con el diodo
MA4E2054A o SMS7621, respectivamente, para una resistencia de carga de 400
CC y una potencia de entrada de 12,5 dBm.
configuración de derivación
requiere muy pocos componentes [1]
contiene un bucle de CC cerrado natural
independiente de la fuente de alimentación de entrada, mientras que la
configuración en serie requiere elementos adicionales para lograrlo [1]
Localizacion y seguimiento
Al utilizar la señal de alimentación inalámbrica como señal de activación, se puede eliminar la sobrecarga y el nodo estará listo para transferir datos tan pronto como se encienda. [113]
[114] el microcontrolador del nodo para ejecutar la demodulación de la señal de activación y abordar [115] [116] radios despertadores de potencia ultrabaja que consumen poca energía en modo de suspensión pero aún requieren una batería para su funcionamiento
[117] sistema en chip (SoC) sin batería, que funciona a partir de energía recolectada por células solares interiores y/o generadores termoeléctricos (TEG) para sistemas biomédicos portátiles. utiliza un rectificador de RF de banda estrecha, pasivo y de alta sensibilidad para recibir un código CDMA modulado por OOK de 15 bits, que activará una operación específica en el SoC, el uso de señales moduladas como técnica de radio de activación requiere que el nodo pueda monitorear/decodificar esa señal.
otros requisitos de posprocesamiento, desperdiciando cantidades considerables de energía
radios despertadores de potencia ultrabaja que consumen poca energía en modo de suspensión pero aún requieren una batería para su funcionamiento [113]
En [113] se propone un sistema selectivo, de seguimiento y adaptable a la potencia que puede integrarse en redes de sensores inalámbricos pasivos, El sistema funciona basándose en una señal piloto retro dispersada generada y transmitida por el receptor, que se utiliza para controlar y enfocar la energía radiada.
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. A
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. El transmisor puede cambiar entre varios estados activando o desactivando conjuntos de elementos de antena, cada estado transmite o consume diferente cantidad de energia segun el nodo. el transmisor debe comparar la fase de la señal piloto recibida con una referencia de fase interna para configurar correctamente su haz principal, la señal piloto es generada por el transmisor y retrodispersada por el dispositivo receptor, lo que permite admitir nodos totalmente pasivos. [113]
Los nodos son dispositivos sin batería que convierten la energía de RF recolectada en energía CC utilizable, que se utiliza para encender un actuador, se activan a partir de la potencia que se transmite y se comunican a través de la señal piloto mediante modulación de retrodispersión [113]
Los nodos receptores sin bateria, con la energie crean una frecuencia de modulación dependiente de la intensidad de la señal recibida, ara controlar un modulador de retrodispersión, hardware adicional en los nodos para activarlos/ despertarlos a partir de señales de energía inalámbrica específicas, funciona a 5,8 GHz para la WPT y a 3,6 GHz para la señal piloto [113]
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.[113]
Representación de la antena patch microstrip de potencia inalámbrica plana 4 × 4 con sus estados reconfigurables y las antenas transmisoras/receptoras de señal piloto.[113]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 [118] LO es una señal fija de onda continua (CW) de 5,1 GHz .[113]
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. [113]
el número de elementos activos en el sistema propuesto se duplica con respecto al estado anterior, 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. aumento de ganancia de ante [113]
El método de calibración empleado se basa en técnicas de conmutación de fase multielemento y mediciones de patrones de radiación de campo lejano [119]
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[113]
Nodo receptor prototipo. Vista frontal que muestra las dos antenas y el LED (izquierda). Vista posterior donde se encuentran el convertidor de RF a CC, el circuito de activación y el módulo de retrodispersión (derecha) [113]
Los bloques principales de estos nodos son un circuito convertidor de RF a CC convencional, un módulo de retrodispersión, un circuito de activación y Una carga. [113]
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
Módulo de retrodispersión 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. 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. el oscilador en anillo comienza a producir una oscilación cuando el nodo se enciende y su valor aumenta con el aumento de la potencia de entrada de RF [113]
s. Esta frecuencia de modulación se utilizará para controlar el modulador de retrodispersión (transistor T 1, ATF54143). [113]
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 (FDN337N) [113]
tres nodos similares con diferentes filtros de paso de banda Butterworth de tercer orden prediseñados. [113]
Para compensar las tolerancias de los componentes, se utilizaron inductores variables (CoilCraft M100) para ajustar manualmente los filtros [113]
el nodo se enciende aproximadamente a −3 dBm de potencia de entrada de RF promedio y el PCE máximo alcanzado es del 46,2 % a 3 dBm. [113]
al agregar el módulo de retrodispersión, el PCE disminuyó debido a su consumo de energía [113]
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 [113]
La frecuencia de modulación ya no estaba presente a 2 y 3,6 m [113]
[113]Con la señal de potencia inalámbrica respectiva, se realizó una exploración para cada nodo y la frecuencia de modulación para cada exploración .. Se produce un máximo global, lo que significa que el nodo objetivo puede recolectar más energía de esa direcció
[120] propone un método de aprendizaje de canal que requiere solo un bit de retroalimentación del receptor al transmisor. Sin embargo, se necesitan varios intervalos de retroalimentación para una estimación correcta del canal
[121] proponen una estimación del canal basada en la potencia recibida midiendo la CC producida por el receptor con un medidor de potencia de CC, y su valor se devuelve al transmisor. Además de la energía necesaria para muestrear la salida de CC, el receptor también necesita codificar el valor y enviarlo al transmisor, que será vulnerable a errores de transmisión
[122] varios transmisores de energía inalámbricos se colocan estratégicamente para alimentar de forma inalámbrica una WSN, con un único lector para todos los nodos. En esa aplicación, el transmisor flexible propuesto permitiría ahorrar energía al comunicarse con nodos más cercanos a él. Además, dado que el lector puede estar ubicado más lejos que el transmisor de energía, el alcance máximo de comunicación ya no está limitado por la distancia a la que se puede alimentar un nodo de forma inalámbrica
[123] oscilador en anillo
materiales
Se emplea un modulador IQ (AD8345) to para brindar la capacidad de establecer cualquier cambio de fase y/o amplitud arbitra en cada elemento.
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 generaldiodos Schottky SMS7630-079LFCMOS (SN74AUP1G14)
Supercapacitor Para evitar baterias.
Se diseñó
un arreglo de antenas de parche microstrip (MPA) de 4×4, para recibir la potencia de RF
y transferirla al circuito rectificador [1]
Conjunto plano de MPA 4 × 4, a). Diseño de matriz con dimensiones L1=L4=3,5 mm, L2=L3=4 mm, d1=d2=6 mm, S1=13,4 mm, S2=7,5 mm, S3=2,7 mm, S4=8,55 mm, b). Matriz fabricada.Se diseñó una combinación de red de alimentación corporativa y en serie para conectar los parches. Se utilizó material de sustrato Rogers 3003 con un espesor de 0,51 mm, r = 3,0 y tangente de pérdida tan δ = 0,001 [1]
Utilizar un elemento de almacenamiento de energía físicamente pequeño, un supercondensador, que se puede cargar mediante transferencia de energía inalámbrica a 24 GHz. [1]
modulación de retrodispersión a 868 MHz. para comunicar datos de forma inalámbrica, [1]
Los circuitos rectificadores tienen una eficiencia medida de hasta el 35 %, , un 10% mayor a trabajos pasados [1]
Los datos se
tomaron en el rango de frecuencia de interés, es decir, 22 GHz - 26 GHz,
con 1001 puntos de frecuencia
Circuitos rectificadores fabricados a) duplicador de voltaje, b) derivación. [1]
. Se logró una potencia de salida de CC máxima
de 0,51 mW para una potencia de transmisión de RF de 20 dBm (100
mW) a la distancia especificada de 0,15 m [1]
Configuración de medición para TIP a un nodo sensor sin batería, que contiene todos los componentes del sistema. El nodo del sensor está delineado ya que la figura ha sido editada para que sea más compacta El módulo bladeRF se utiliza para generar una señal de onda continua
(CW) a 868 MHz, con una potencia de salida de 14 dBm,
que es modulada por el nodo sensor. [1]
Muestra de rectina fabricada. [1]
Consiste en una fuente de RF que transmite potencia al nodo a 24 GHz para proporcionar suficiente energía para que se active y tome una única medición. De esta manera, se puede eliminar la necesidad de baterías [1]
La energía recolectada por la reccena se utiliza luego
para alimentar la MCU del nodo sensor, que es responsable de modular los
868 MHz cambiando entre dos cargas de RF diferentes, cambiando así la
cantidad de energía de RF reflejada. [1]
modulación por desplazamiento de amplitud (ASK), con el 0 binario
asociado con una reflexión alta y el 1 binario con una reflexión baja, La velocidad de datos alcanzada con esta configuración fue de 2400 bps [1]
Aun por explorar
en un futuro sistema se podrían incorporar sensores,
conectándose con el MCU mediante interfaces como I2C o SPI [1]
un sensor de temperatura ampliamente utilizado, como Texas
Instruments TMP117, funciona a 3,3 V, requiere una corriente de suministro
de 135 µA y tarda 16 ms en completar una medición [18]
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