Revision: Wireless power transfer system for battery-less sensor nodes

 presenta el diseño y la implementación de un sistema inalámbrico de transferencia de energía e información totalmente integrado, que opera a 24 GHz y permite nodos de sensores sin batería

 MPT: Requiere un generador de microondas y una rectena para la recepción [1] 

Usos mensionados

aplicaciones emergentes en diferentes dominios, como la robótica de infraestructura, los dispositivos de Internet de las cosas (IoT), y redes de sensores , vehículos aéreos no tripulados (UAV), robots de inspección de tuberías de infraestructura y pequeños nodos de sensores sin batería 

Teoria

Frecuencias altas, menor tamaño de antena, Seguridad

24 Ghz para que no interfiera , 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

Parámetros

 opera a 24 GHz 

modulación de retrodispersión a 868 MHz. para comunicar datos de forma inalámbrica,

 Los circuitos rectificadores tienen una eficiencia medida de hasta el 35 %, , un 10% mayor a trabajos pasados

 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. 

. 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

del PTX de 20 dBm y el GRX de 13,8 dBi, la ganancia de la antena de bocina (GTX ) es de 17,1 dBi según su hoja de datos

Para el rectificador independiente, se observó un voltaje CC de salida máximo de 2,5 V con una eficiencia de conversión RF-DC del 35 % con una resistencia de carga de 200 y una potencia de entrada de 16 dBm a 24 GHz, lo que supone una mejora significativa con respecto a la última tecnología. La matriz MPA 4×4 tuvo una ganancia medida de 13,8 dBi y una buena pérdida de retorno en la frecuencia de interés.

las eficiencias de rectificación máximas obtenidas experimentalmente, 35% a 18 dBm de potencia de entrada para  rectificador en derivación, y 30% a 16 dBm de potencia de entrada para versión con doble voltaje,

La velocidad de datos alcanzada con esta configuración fue de 2400 bps

Materiales usados

 Los circuitos rectificadores utilizan diodos Schottky disponibles comercialmente para convertir la potencia de RF a CC

Super Capacitores

eysight N5247A PNA-X con calibración de carga corta

generador de señales Keysight E8267D configurado a 24 GHz

El módulo bladeRF se utiliza para generar una señal de onda continua (CW) a 868 MHz, con una potencia de salida de 14 dBm, 

n conectores Southwest Microwave de precisión de 2,4 mm

módulo de administración de energía (Texas Instruments BQ25570)

capacitor de 4,7 mF para almacenar la energía CC

 un módulo de radio definida por software (SDR) Nuand BladeRF

, la modulación de retrodispersión es impulsada por los paquetes de datos de carga útil generados por una unidad de microcontrolador (MCU) de potencia ultrabaja, como Texas Instruments MSP430 o un ST Microelectronics ARM M0+

Estructura 

El sistema consta de una fuente de alimentación de RF, un conjunto de antenas receptoras, un rectificador y un nodo sensor sin batería que se comunica mediante modulación de retrodispersión a 868 MHz.

Se diseñó un arreglo de antenas de parche microstrip (MPA) de 4×4, para recibir la potencia de RF y transferirla al circuito rectificador  

 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

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.

Circuitos rectificadores fabricados a) duplicador de voltaje, b) derivación.

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

(i) el rectificador propuesto en configuración en derivación con un conjunto de antenas de parche de microcinta planas de 4 × 4, como se ilustra en la Fig. 13; 

(ii) módulo de administración de energía (Texas Instruments BQ25570), que utiliza un capacitor de 4,7 mF para almacenar la energía CC;

 (iii) un nodo sensor que utiliza un microcontrolador de baja potencia para implementar comunicación de retrodispersión a 868 MHz; y 

(iv) un módulo de radio definida por software (SDR) Nuand BladeRF que actúa como receptor de los datos del nodo sensor.

Muestra de rectina fabricada

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

Funcionamiento

  utilizar un elemento de almacenamiento de energía físicamente pequeño, por ejemplo, un supercondensador, que se puede cargar mediante transferencia de energía inalámbrica a

El sensor sin batería transmitió datos a una estación base realizada como un flujo de radio GNU que se ejecuta en un módulo de radio definido por software bladeRF. para permitir el funcionamiento y la comunicación inalámbrica a una distancia de 0,15 metros.

modulación por desplazamiento de amplitud (ASK), con el 0 binario asociado con una reflexión alta y el 1 binario con una reflexión baja

Ojo

Ver regulaciones del pais

Bibliografia

[1] B. T. Malik, V. Doychinov, A. M. Hayajneh, S. A. R. Zaidi, I. D. Robertson, and N. Somjit, “Wireless power transfer system for battery-less sensor nodes,” IEEE Access, vol. 8, pp. 95878–95887, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2995783.