Presenta un sistema MPT basado en un rectificador de clase F invertida (F−1 ). Su estructura usa un antena transmisora (Tx) de polarización circular izquierda (LHCP) basada en un divisor de rotación de fase secuencial (SPR) con una matriz de 2 × 2 con una ganancia máxima LHCP de 11,85 dBi a 5,8 GHz. El receptor está compuesto por una antena receptora LHCP (Rx) y un rectificador de microondas F-1 . Utiliza la red de procesamiento de armónicos de clase F-1 en la carga del rectificador, evitando usar filtro CC, logra una PTE máxima del 8,8% en la carga múltiple de dispositivos hasta 200 mm.
En este artículo se propone un sistema WPT de microondas eficiente para cargar múltiples dispositivos a largas distancias empleando una antena CP Tx compacta con alta directividad y un rectificador F−1 de alta eficiencia de conversión a 5,8 GHz. El análisis teórico muestra que el Tx propuesto puede lograr una alta concentración de energía hacia la antena Rx. Además, el rectificador está conectado detrás de la antena Rx de gran ancho de haz para lograr una rectenna simple y compacta para recolectar ondas EM y reducir las pérdidas por desalineación. El sistema general se verificó con distancias que variaban de 60 a 200 mm. La eficiencia PTE máxima alcanzable fue del 8,8% y la energía se recibió dentro de un área con un radio de 60 mm. En general, el sistema propuesto es adecuado para la alimentación simultánea de muchos dispositivos de baja potencia.
Para realizar la región de potencia radiada del Tx, se propone un Rx con un ancho de haz amplio para minimizar la pérdida de distancia, que tiene un ancho de haz de relación axial (AR) de 3 dB de 165,55 ◦ y 175,17 ◦ en los planos xz e yz , respectivamente. Además, para mejorar la eficiencia de conversión de RF a CC (η), se utiliza la red de procesamiento de armónicos de clase F-1 en la carga del rectificador que puede procesar las formas de onda de voltaje y corriente sin usar un filtro de paso de CC. El circuito rectificador F-1 propuesto ocupa un área compacta de 15,3 × 12,7 mm2 y exhibe un η promedio del 50% para el rango de potencia de entrada de 4 a 20 dBm con una eficiencia máxima del 77,9% a 18 dBm. En general, los resultados experimentales muestran que nuestro sistema propuesto logra una eficiencia de transmisión de energía (PTE) máxima del 8,8% para cargar de forma inalámbrica múltiples dispositivos de bajo consumo a una distancia de 60-200 mm
Aportes al Diseño de Sistemas WPT
El sistema WPT (Wireless Power Transmission) desarrollado en el artículo aporta un enfoque eficiente para la transmisión de energía a largas distancias utilizando un sistema de antenas con polarización circular y un rectificador de clase F invertida. Este diseño optimiza la eficiencia de conversión de RF a DC, crucial para aplicaciones de carga inalámbrica, minimizando las pérdidas por desalineación y maximizando la directividad de la antena.
Estructura del Sistema
El sistema se compone de un transmisor (Tx) que incorpora una antena de anillo de fase secuencial y un receptor (Rx) con una antena de polarización circular acoplada a un rectificador de clase F invertida. La antena Tx está diseñada para ser compacta y de alta ganancia, mientras que la Rx está optimizada para recibir señales con un amplio ancho de haz axial, mejorando la eficiencia de la transferencia de energía.
Funcionamiento del Sistema (Fases)
- Generación y Emisión de Señal: La antena Tx genera una señal de microondas que es emitida con alta directividad hacia la Rx.
- Recepción de la Señal: La antena Rx capta la señal y, mediante su diseño de amplio haz axial, minimiza la pérdida de energía.
- Conversión de Energía: El rectificador de clase F invertida convierte la señal de RF recibida en energía DC para cargar dispositivos.
Hardware Destacado
El hardware clave incluye la antena Tx de anillo de fase secuencial, que proporciona una alta directividad, y el rectificador de clase F invertida, que logra una alta eficiencia de conversión RF-DC. La antena Rx, diseñada para minimizar la desalineación, también es crítica para el rendimiento del sistema.
Parámetros Logrados
El sistema alcanza una eficiencia de transmisión de potencia máxima del 8.8% a una distancia de 200 mm y logra una eficiencia de conversión de RF a DC de hasta el 77.9%. Estas cifras son significativas para aplicaciones de carga inalámbrica a largas distancias.
Metodología
La metodología incluye el diseño y la simulación de las antenas y del rectificador, seguidos de pruebas experimentales para validar el rendimiento en condiciones reales, ajustando la configuración para maximizar la eficiencia del sistema.
Resultados Condensados
Los resultados muestran que el sistema puede transmitir energía eficientemente a una distancia de hasta 200 mm, con una máxima eficiencia de 8.8% y un voltaje de salida de 5.876 V. La antena Tx presenta un alto grado de directividad y la Rx una buena capacidad para captar señales sin perder energía debido a la desalineación.
Conceptos Teóricos Explicados
Entre los conceptos teóricos abordados en el artículo se incluyen: polarización circular, eficiencia de conversión RF-DC, redes de procesamiento armónico de clase F invertida, y diseño de antenas de alta directividad.
Aplicaciones de la WPT
El sistema WPT está destinado principalmente a aplicaciones de carga inalámbrica para dispositivos de baja potencia, como sensores IoT y dispositivos portátiles, permitiendo la carga simultánea de múltiples dispositivos dentro de una región específica de energía.
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