Revision: Compact Near Field Wireless Energy Transfer

Se propone un sistema WPDT de doble banda que opera a 433 MHz y 900 MHz, utilizando DGS circulares y material dieléctrico Rogers RO4003. A una distancia de 15 mm entre transmisor y receptor, logra eficiencias de 40,9\% y 49,2\% a 440 MHz y 918 MHz, respectivamente 

• Estructura del sistema: Los sistemas WPT cuentan con circuitos resonantes con acoplamiento inductivo o capacitivo para una transferencia de energía eficiente. Estos sistemas suelen utilizar espirales impresas con condensadores montados en la superficie para la miniaturización y estructuras de terreno abierto (DGS) para resonadores de bajo perfil [1].

• Fases de operación: el sistema funciona mediante circuitos resonantes que concentran la energía en rangos de frecuencia específicos para mejorar la eficiencia de transferencia de energía (eWPT). Esto implica diseñar dispositivos resonantes con respuestas de banda de paso planas y optimizar el sistema para distancias específicas entre los resonadores del transmisor (TX) y del receptor (RX) [2] [3].

• Hardware clave: Entre los componentes de hardware más destacados se incluyen los resonadores con estructuras de suelo defectuosas (DGS), que garantizan su compacidad, eficiencia y un alto factor de calidad (Q). El uso de condensadores comerciales y la alineación precisa entre los resonadores TX y RX son cruciales para un rendimiento óptimo del sistema [4] [1].

• Parámetros logrados: los sistemas WPT tienen como objetivo optimizar parámetros como la inductancia mutua (M), el factor k, el FoM (cifra de mérito) y la eficiencia (eWPT) en frecuencias específicas (433 MHz, 900 MHz). Parámetros como la desviación de frecuencia y la adaptación de impedancias son fundamentales para el rendimiento del sistema [5] [4] [3].

• Información de diseño relevante: Entre las consideraciones de diseño se incluyen la selección de materiales dieléctricos, la optimización de los formatos DGS y la realización de simulaciones electromagnéticas para ajustar con precisión las dimensiones del resonador y los valores de capacitancia. La metodología de diseño del sistema incluye análisis electromagnéticos iterativos, simulaciones de circuitos y optimizaciones de los parámetros S para lograr un diseño eficiente del sistema WPT [2] [6].

• Metodología: La metodología consiste en extraer valores de inductancia mutua mediante el análisis electromagnético, optimizar las estructuras de los resonadores DGS y simular circuitos equivalentes para analizar el rendimiento del sistema. Se realizan estudios paramétricos para ajustar las dimensiones y los valores de capacitancia del DGS hasta lograr los resultados deseados [5] [2] [6].

• Resultados: el sistema WPT de doble banda diseñado muestra valores de FoM altos a frecuencias específicas, a pesar de la degradación debida a la desalineación. El sistema logra un eWPT eficiente a distancias optimizadas, lo que demuestra los avances en el diseño de resonadores compactos para sistemas NF-WPT

La transferencia inalámbrica de energía (WPT)

LAs baterias

La mayoria de trabajos WPT se basan mayoritariamente en acoplamiento magnético y las aplicaciones de esta técnica incluyen etiquetas RFID, cargadores de dispositivos electrónicos portátiles y dispositivos médicos implantados (IMD)

 Los sistemas inalámbricos de transferencia de energía de campo cercano han llamado la atención por sus potenciales aplicaciones, como dispositivos médicos implantados, identificación por radiofrecuencia y dispositivos electrónicos portátiles en general. 

Se propone un modelo compacto para sistemas NF-WPT de corto alcance que funcionan en bandas de frecuencia ISM, empleando el concepto de resonadores de apertura del plano de tierra o estructuras de tierra defectuosas (DGS). 

Esta técnica permite la miniaturización del resonador

 El modelo propuesto en este trabajo apunta a posibles aplicaciones que requieran transferencia simultánea de energía y datos

 utiliza DGS circular superpuesto para reducir el tamaño del dispositivo resonador y obtener altos valores de Figura de Mérito (FoM)  

El sistema de doble banda fue optimizado para que a una distancia de 15 mm presentara valores altos de FoM. Si bien los ηW PT medidos han sufrido degradación por desalineamiento, el valor de FoM en la frecuencia de 440,188 MHz puede considerarse compatible con los valores obtenidos en obras que implementan sistemas en frecuencias similares. 

Además, el uso de condensadores comerciales provocó una desviación de frecuencia de 6,92 MHz, lo que provocó que el sistema diseñado funcionara fuera del rango ISM de 433 MHz. Sin embargo, en la frecuencia de 918,75 MHz, incluso con degradación, el valor de FoM se mantuvo alto en comparación con trabajos similares que operan en el mismo rango de frecuencia.  []

usos

arga de vehículos eléctricos [4]. En aplicaciones IMD

Diseño

El modelo propuesto fue diseñado mediante análisis electromagnético y construido utilizando material dieléctrico Rogers RO4003. 

Parametros

Los resonadores DGS de doble banda diseñados tienen un área total de 11,7 × 10,2 mm2 y cuando se colocan a una distancia de 15 mm entre el transmisor y el receptor, han medido valores de FoM de 0,71 y 1,07 a 440 MHz y 918 MHz, respectivamente

bandas de frecuencia ISM , . Este modelo opera en banda dual en bandas de frecuencia de 433 MHz y 900 MHz 

. Los resultados se compararon con trabajos relacionados encontrados en la literatura, e indican un ηW PT de 40,9% y 49,2%.

, el resonador de doble banda diseñado y construido presenta unas dimensiones totales de 11,7 × 10,2 mm2. 

Bibliografia

[1] F. Ferreira, M. Feldman, G. Bulla, V. Brusamarello, and I. Muller, “Compact Near Field Wireless Energy Transfer Systems Using Defected Ground Structures,” IEEE Journal of Microwaves, vol. 3, no. 3, pp. 951–961, Jul. 2023, doi: 10.1109/JMW.2023.3257122.