Revision: RF Wireless Power Transfer: A Study on the Power Transfer Efficiency of Different Waveforms and an Overview of the Standardization Efforts

 El número de dispositivos de comunicación inalámbrica aumenta

1) conectarse regularmente con un cable para recargarlos, 2) reemplazar sus baterías o 3) colocarse manualmente sobre una plataforma de carga magnética inalámbrica. 

demostramos experimentalmente el efecto de la forma de onda de la señal de transmisión en la cantidad de energía de CC captada por un receptor de captación de energía

un generador de señales de Rohde & Schwarz que transfiere señales de RF para alimentar un receptor sin batería de Powercast. 

demuestra que las señales de transmisión con una alta relación potencia pico-promedio, como una señal de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) 5G, pueden suministrar mayor potencia de CC al receptor que una señal sinusoidal de 

analizamos los esfuerzos de estandarización realizados por AirFuel Alliance 

descripción general de un estudio 3GPP sobre IoT ambiental como caso de uso para la tecnología de transferencia de energía inalámbrica de RF.

teoria

Una forma de alimentar dispositivos de forma inalámbrica es mediante inducción magnética. Sin embargo, esta tecnología solo funciona en un rango de mm a cm

Con señales de RF, los dispositivos IoT de bajo consumo pueden alimentarse tanto en uso como en movimiento, y lo más importante, sin necesidad de intervención manual

 La antena capta la señal de RF y el rectificador la convierte en una señal de corriente continua (CC). Esta energía de CC puede utilizarse para alimentar directamente el dispositivo o almacenarse en un elemento de almacenamiento, como una batería o un supercondensado

El rectificador generalmente contiene diodos seguidos de un filtro paso bajo (LPF) basado en condensadores, lo que lo convierte en un elemento de circuito no linea

Debido a la no linealidad del rectificador, su potencia de CC de salida depende no solo de la intensidad de la señal de RF de entrada, sino también de su forma de onda [1]–[4]  las señales con una alta relación de potencia pico a media (PAPR) producen una mayor potencia de CC recolectada para una potencia de RF incidente media dada, en comparación con las señales de envolvente constante 

 

 los picos de una señal PAPR alta pueden cargar el capacitor a un nivel de alto voltaje, y si el LPF de salida tiene una constante de tiempo grande, el capacitor puede mantener la carga.

 se utiliza la unidad de microcontrolador (MCU), Arduino Nano 33 IoT, como unidad de medición de potencia de CC. En particular, el MCU se conecta al receptor a su pin de salida de voltaje de CC. El voltaje de CC medido por el MCU se lee en un PC y se muestra en una curva de traza

o, Airfuel Alliance definió un estándar para la transferencia de energía inalámbrica por radiofrecuencia (RF). En particular, Airfuel Alliance es una coalición global de empresas que desarrolla estándares para tecnologías de alimentación inalámbrica de campo cercano (mediante resonancia magnética) y campo lejano (mediante señales de RF). El estándar Airfuel Resonant ya está adoptado por dispositivos comerciales.

Componentes Principales Utilizados en el Estudio:

1. Generador de señales:

   • R&S SMW200A

   • Función: Generar señales RF de diferentes formas de onda (sinusoidal, OFDM, etc.) para transferir energía.

2. Receptor sin batería:

   • Powercast P1110-EVB

   • Función: Evaluar el rendimiento de la conversión de RF a energía continua (DC). Este dispositivo captura la señal RF con una antena dipolo y la convierte en DC.

3. Antena:

   • Antena dipolo (DA-915-01)

   • Función: Capturar las señales RF para la conversión de energía.

4. Unidad de medición de energía DC:

   • Arduino Nano 33 IoT

   • Función: Medir la potencia DC generada en el receptor Powercast, y mostrar los resultados en una PC para su análisis.

Parámetros de la Experiencia:

1. Frecuencia de transmisión:

   • 915 MHz

   • Rango de frecuencia: En la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) que es común para aplicaciones de IoT.

2. Potencia promedio de transmisión:

   • 10 dBm

   • Tipo de señal transmitida: Se probaron señales sinusoidales (de envolvente constante) y señales OFDM (con alta relación de potencia pico-promedio, PAPR).

3. Distancia de transferencia de energía:

   • 30 cm

   • Esta distancia es la que se utilizó entre el generador de señales y el receptor.

4. Cálculo de potencia DC:

   • Fórmula: $P_{DC} = \frac{V_{DC}^2}{R}$, donde $V_{DC}$ es el voltaje de salida DC y $R = 775 \, \text{k}\Omega$ es la resistencia de salida del circuito de recolección de energía.

5. Tipos de señales utilizadas:

   • Señal sinusoidal (envolvente constante).

   • Señal OFDM de 5G (alta relación de potencia pico-promedio).

6. Ganancia de potencia observada:

   • Se observó una ganancia de 12 dB en la potencia DC cuando se usó una señal OFDM en comparación con una señal sinusoidal con la misma potencia promedio transmitida (10 dBm).

7. Resultado esperado:

   • Las señales con alta relación de potencia pico-promedio (PAPR) como la OFDM fueron más eficientes en transferir energía comparado con las señales de envolvente constante (sinusoidales).

Estándares y Esfuerzos de Normalización:

1. AirFuel Alliance:

   • Organización que trabaja en la normalización de tecnologías de transferencia de energía inalámbrica, incluyendo las basadas en RF.

   • Publicaron la especificación del sistema básico de RF en enero de 2023.

2. Estándar de interoperabilidad:

   • La certificación de dispositivos según el estándar RF de AirFuel asegura la interoperabilidad entre transmisores y receptores de diferentes fabricantes.

Caso de Uso de IoT en 3GPP:

1. Ambient IoT:

   • Propósito: Definir una categoría de dispositivos IoT con muy bajo consumo energético y sin necesidad de baterías, que dependen de fuentes de energía externas como las señales RF.

   • Dispositivos:

     • Dispositivo A: Sin almacenamiento de energía, solo transmisión por retrodispersión.

     • Dispositivo B: Con almacenamiento de energía, retrodispersión activa.

     • Dispositivo C: Con almacenamiento de energía y generación independiente de señales RF.