domingo, 20 de abril de 2025

Revision: Designing RF-Powered Battery-Less Electronic Shelf Labels With COTS Components

sábado, 19 de abril de 2025

Design of Compact Dual-Band RF Rectifiers for Wireless Power Transfer and Energy Harvesting

proponemos una red compacta de adaptación de impedancia de doble banda (DBIMN), que consta de una red de tipo T de una sola etapa con solo tres segmentos de línea de transmisión.

En general, existen cuatro topologías básicas: rectificador monoserie

, rectificador monoshun

duplicador de tensión

rectificador puente

la frecuencia de operación, los rectificadores se pueden clasificar en tres categorías: monobanda

multibanda

y banda ancha

Generalmente, el rectificador monobanda es conductor para lograr una alta PCE, pero la cantidad de potencia de salida de CC recolectada es limitada. Rectificador de banda ancha.

metodologia

s. Tras determinar RL y Pin , se obtiene ZL (en f1 y f2) mediante una simulación de balance armónico (HB)

Según la aplicación, determine las dos frecuencias operativas deseadas (f1 y f2) y elija los diodos Schottky apropiados.

Realice la simulación de fuente-extracción para determinar la carga óptima (RL), la potencia de entrada (Pin), los valores de Cin y Cout.

Realice la simulación de equilibrio armónico (HB) en ADS para determinar la impedancia de carga (ZL) de la red de adaptación en f1 y f2

Diseñe la red de adaptación de doble banda propuesta a partir d

Se seleccionó el diodo Schottky Avago HSMS 2862 como dispositivo rectificador por su excelente rendimiento en escenarios de alta potencia de entrada

Ajuste los parámetros para obtener un rendimiento óptimo.

El segundo rectificador está diseñado para una aplicación RF-EH. En este diseño, seleccionamos el diodo Schottky SMS7630 debido a su bajo requisito de voltaje de polarización para una señal de entrada débil

Revision: Design of a 900 MHz Dual-Mode SWIPT for Low-Power IoT Devices

En SWIPT, la potencia de RF recibida se utiliza con un doble propósito: EH e ID

Parámetro	Descripción
Funcionamiento	El sistema SWIPT cambia entre los modos activo y de cosecha de energía dependiendo de la cantidad de energía RF disponible y la energía requerida para el dispositivo.
Estructura	El sistema incluye un convertidor RF-DC, detectores de amplitud gruesa y fina, modulación de fase, y un módulo de modulación de retrodispersión.
Respaldo energético	El sistema depende de un supercondensador que se carga con energía RF. Utiliza un convertidor RF-DC para alimentar el dispositivo en el modo activo y para cosechar energía cuando el supercondensador se descarga.
Antena para Tx y RX (Tipo)	No se especifica un tipo exacto de antena, pero se emplea para recibir señales RF y transmitir información.
Frecuencia	900 MHz, con detalles específicos sobre la modulación y la detección de fase en señales BPSK y ASK.
Aplicación	El sistema SWIPT es utilizado para la transmisión y recepción de señales de comunicación en dispositivos que cosechan energía de la RF ambiental.
Eficiencia de Conversión DC-RF / RF-DC	Se reporta una eficiencia de conversión de hasta un 69% para señales de un solo tono a 15 dBm de potencia de entrada. Para señales multitonales, la eficiencia varía dependiendo de la cantidad de tonos.
Eficiencia Recolección de Energía	La eficiencia de cosecha de energía varía según el nivel de potencia RF disponible y el número de tonos utilizados, con la eficiencia alcanzando hasta el 12.8% para 16 tonos a −10 dBm.
Otros Parámetros	El sistema incluye componentes como un convertidor RF-DC, un modulador de retrodispersión de bajo consumo (260 nW), y un sistema de amplificación de señal variable (VGA2).
Software usado	LabVIEW para la codificación de la señal ADC de 2 bits y para realizar la operación lógica de los comparadores.
Almacenamiento de Energía	Se utiliza un supercondensador para almacenar energía recolectada de las señales RF.
Distancia	No se especifica explícitamente una distancia, pero la eficiencia de cosecha de energía depende de la potencia de la señal RF disponible.
Estrategia	Se emplea un sistema de detección y modulación con retrodispersión para reducir el consumo de energía, utilizando un convertidor RF-DC y amplificadores de señal variables.
Aporte	Este trabajo presenta un sistema SWIPT de vanguardia con implementación de hardware y pruebas experimentales, superando investigaciones teóricas previas.
Trabajos Futuros	Se mencionan investigaciones futuras para mejorar la eficiencia en la recolección de energía y en la implementación de la tecnología en diversas aplicaciones.
Comparaciones	Se comparan las eficiencias de conversión y cosecha de energía entre señales monofrecuencia y multitonales, con resultados experimentales en diferentes niveles de potencia de entrada.
Teorías explicadas	Se explica la modulación de fase y la modulación de retrodispersión como técnicas eficientes para la transmisión de información en un entorno de energía limitada.

El recolector de energía de RF se implementa en la placa tipo RF35 utilizando dispositivos comerciales

n la salida. Se deben utilizar transistores o diodos de conmutación rápida para la señal de entrada de 900 MHz. La salida del convertidor RF-CC se alimenta a un convertidor reductor-elevador y un amplificador de ganancia variable (VGA1). Para eliminar la variación de tensión, se utilizó un convertidor reductor-elevador para obtener una tensión de salida constante. Cuando la tensión de entrada disminuye debido a la debilidad de las señales de RF, se realiza la operación de refuerzo del convertidor reductor-elevador para mantener el nivel de tensión de salida y

Parámetros

Valor

Tecnología

Nivel de PCB

Alimentación (V)

3.3/5

Máxima eficiencia EH (%)

69 para una carga de 300 Ω

Banda de frecuencia (MHz)

900 (/5.2 GHz usando recantena

Sensibilidad (dBm)

-7 dBm

Modulación del receptor

ASK/BPSK/PAPR

Velocidad de datos (Mbps)

1/2.5/4

Compatibilidad con PAPR

Sí

Implementación

PCB

Compatibilidad con SWIPT

Sí

Relación de división de potencia Modulación del transmisor

Retrodispersión de 0.44

Revision: Transferencia de energía inalámbrica a través de acoplamiento mutuo usando antenas monopolo

a. La energía no radiativa o (TIP)

imentar el creciente número de dispositivos inalámbricos ha despertado el interés

para mejorar la potencia de transmisión a mayor distancia, se experimenta con dos arreglos de antenas de matriz acopladas a un rectificador con un diodo HSMS-8101

TRabajos previos de Antenas con microcinta

investiga el efecto de las antenas de microcinta para WPT a una frecuencia de operación de 900 MHz. Se proponen dos antenas monopolo con ranura tipo mancuerna

Acoplamiento mutuo Es definido como la iteración electromagnética entre el sistema de elementos de una matriz donde autoinductancia del transmisor y autoinductancia del receptor

La eficiencia de transferencia de potencia (PTE) está relacionada con los parámetros S de dispersión. La eficiencia de PTE es representado por el S21, debido a que, el sistema WPT contiene una red de dos puertos. Esta red se representa como la entrada que es alimentada en la fuente mientras que la otra es la salida que alimenta la carga

El modelado y análisis del sistema WPT se llevó a cabo utilizando el software de simulación CST Microwave Studio

Las antenas planas monopolo de placa metálica tienen la característica de tener un ancho de banda de impedancia muy amplio

ara lograr un ancho de banda de impedancia muy amplio, el monopolo generalmente se diseña para tener un ancho de banda grande, que generalmente es mayor qu

GNU Radio software y USRP 2901 , a simulación presento como resultado frecuencias de operación

en 920, 1430 y 2968 MHz. El rectificador se compone de una red de

adaptación de impedancia utilizando una línea de transmisión en forma

de T, diodo Schotkky HSMS-286C el

cual es adecuado para aplicaciones de baja potencia con un umbral de

ruptura entre 0.15 V y 3.8V

a tarjeta USRP-290 para generar una señal de 900 MHz hacia la antena Tx con una potencia máxima permitida por la USRP de 20 dBm = 0.1 W

s cia entre las antenas es de 50 mm se observa que en la distancia simulada efectivamente se realiza el acoplamiento inductivo con 24.9 mV de energía reciclada

Revision: A High Conversion Gain Envelope Detector with Wide Input Range for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer System

. Para implementar la recolección de energía de RF y la recepción inalámbrica de datos en nodos de sensores inalámbricos, una solución consiste en utilizar dos enlaces en diferentes bandas de frecuencia para recolectar energía de RF y transferir datos inalámbricos por separado. Generalmente, la señal de energía de RF es mucho más intensa que la señal de datos de RF. Estas dos bandas de frecuencia deben estar suficientemente separadas para proteger la señal de datos de RF de interferencias

to. La señal de RF recibida se utiliza tanto para la recolección de energía como para la transferencia de datos. La modulación de amplitud (AM) es la preferida en estas aplicaciones debido a su menor consumo de energía y la menor complejidad del circuito de demodulación

Diodo Schottky LSM115J

Tipo de EH (Energy Harvesting):
Se trata de un sistema de recolección de energía RF (radiofrecuencia) basado en un rectificador de onda portadora y un conversor DC-DC con seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT).

Funcionamiento:
El sistema utiliza un detector de envolvente compuesto por un par diferencial PMOS y un transistor NMOS como fuente de corriente, junto con un amplificador de error para regular la tensión de sesgo. La señal de salida se amplifica y se usa para alimentar el sistema.

Estructura:
El detector de envolvente incluye transistores PMOS y NMOS, un amplificador de error, y un circuito de retroalimentación para ajustar el voltaje de sesgo. La estructura de RF incluye un rectificador y un conversor DC-DC para mejorar la eficiencia de la conversión.

Frecuencia:
El sistema está diseñado para operar en la banda de 915 MHz de frecuencia de portadora con modulación AM de 2 Mbps y un índice de modulación de 0.05.

Eficiencia de Conversión DC-RF / RF-DC:
La eficiencia de conversión de energía RF a DC (PCE) alcanzó hasta un 55.2% en la mejor condición, con un rango de entrada de potencia desde −17.5 dBm a −2.5 dBm.

Eficiencia Recolección de Energía:
Se obtuvo una eficiencia de conversión de energía RF a DC máxima de 55.2% cuando la potencia de entrada era de −12.5 dBm y la resistencia de carga era de 150 KΩ.

Software usado:
Las simulaciones y cálculos fueron realizados con herramientas de simulación como Spectre, empleando el proceso estándar de CMOS de 0.18 µm.

Almacenamiento de Energía:
El sistema no requiere batería, ya que utiliza un rectificador y un conversor DC-DC con seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para almacenar la energía y alimentar el detector de envolvente.

Estrategia para la EH:
La estrategia utilizada incluye la implementación de un conversor DC-DC trabajando en modo de conducción discontinua (DCM) junto con un seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para optimizar la recolección de energía con variaciones de la potencia de entrada.

Aporte que menciona:
El sistema propuesto de recolección de energía RF sin batería y el detector de envolvente logran un rango de entrada de 0.25–1 V y una ganancia de conversión de 20.37 dB mediante la técnica de sesgo adaptativo, lo que mejora respecto a trabajos anteriores. Además, elimina la necesidad de batería, lo que lo convierte en una buena opción para aplicaciones SWIPT en redes de sensores inalámbricos (WSN).

Revision: Wireless power transfer: Applications, challenges, barriers, and the role of AI in achieving sustainable development goals - A bibliometric analysis

Transferencia de energía inalámbrica (WPT): Tecnología emergente que permite la transmisión de energía sin cables, utilizando diversas técnicas como la inductiva, resonante, basada en RF y microondas. Estas tecnologías presentan ventajas significativas, como la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles y la mejora de la sostenibilidad energética.

Recolección de energía (EH): Proceso de capturar energía ambiental (como la solar, térmica o de RF) y convertirla en energía utilizable. EH se considera una técnica complementaria en el contexto de WPT para lograr sistemas energéticamente autónomos.

Objetivos de Desarrollo Sostenible (SDGs): La WPT se vincula con varios SDGs, como el SDG 2 (Hambre Cero), SDG 7 (Energía Asequible y No Contaminante), SDG 13 (Acción por el Clima), SDG 6 (Agua Limpia y Saneamiento), y otros. Estas aplicaciones muestran cómo WPT puede contribuir a la mejora de sectores clave, como la agricultura, el transporte limpio, la energía renovable y el acceso a servicios básicos.

Sostenibilidad social, económica y ambiental: La WPT se presenta como una solución multidimensional para promover el desarrollo sostenible. Alinea la tecnología con los aspectos sociales (acceso equitativo a la energía), económicos (crecimiento económico inclusivo) y ambientales (reducción de la huella de carbono).

Innovación tecnológica en WPT: La incorporación de inteligencia artificial (IA) en los sistemas de WPT optimiza la eficiencia en la transmisión de energía, controla el consumo energético y adapta dinámicamente las demandas de carga, lo que abre nuevas oportunidades en aplicaciones como la carga inalámbrica de vehículos eléctricos (EVs) y dispositivos de uso médico.

Desafíos tecnológicos y regulatorios: A pesar de sus ventajas, la implementación de WPT enfrenta barreras tecnológicas, como la pérdida de eficiencia con la distancia, interferencias electromagnéticas y la falta de estándares regulatorios internacionales para garantizar la seguridad y eficiencia de los sistemas.

Adaptación de WPT a la infraestructura existente: La integración de WPT con infraestructuras urbanas inteligentes (smart cities) y sistemas de transporte público para reducir la dependencia de redes eléctricas tradicionales y fomentar la movilidad sostenible.

Economía circular y reducción de residuos: WPT contribuye a la optimización del uso de recursos y la reducción de residuos al disminuir la necesidad de cables y baterías tradicionales, promoviendo así prácticas de consumo responsable y producción sostenible.

Desarrollo de infraestructuras resilientes: El uso de WPT en áreas de difícil acceso, como zonas rurales o regiones desatendidas, facilita el acceso a energía sin la necesidad de costosas infraestructuras físicas, mejorando la calidad de vida y contribuyendo al crecimiento económico inclusivo.

viernes, 18 de abril de 2025

An Energy-Autonomous SWIPT RFID Tag for Communication in the 2.4 GHz ISM Band

rectificador de onda completa (voltaje-doblador) que convierte la señal UHF de 915 MHz recolectada por una antena rectificadora (rectenna) en energía utilizable para alimentar un sistema autónomo de identificación por radiofrecuencia (RFID). El diseño del rectificador utiliza componentes como diodos Schottky, capacitores RF y un resistor que actúa como carga. Los resultados obtenidos muestran que el rectificador funciona bien con señales de entrada de baja potencia, alcanzando una eficiencia de conversión de potencia RF a DC (PCE) adecuada para los niveles de energía que se esperan del sistema.

Los parámetros clave del rectificador incluyen:

Reflexión (S11): Se muestra que el coeficiente de reflexión del rectificador es inferior al umbral de -10 dB, lo que indica una buena adaptación de impedancia del circuito no lineal del rectificador.
Eficiencia de conversión RF a DC (PCE): La eficiencia alcanza un rendimiento significativo en un rango de potencia de entrada entre -25 dBm y 0 dBm, lo que es típico para las señales recolectadas por la antena UHF.
Optimización de componentes: Los componentes fueron seleccionados y optimizados usando simuladores de circuitos (Keysight ADS) para maximizar la eficiencia y ampliar el ancho de banda del rectificador para cubrir el rango de frecuencias de la banda UHF de EE. UU. (902 a 928 MHz).

En resumen, el diseño del rectificador permite un arranque en frío con una potencia de entrada tan baja como -20 dBm y puede seguir funcionando a partir de -32 dBm después de haber alcanzado ese arranque. Además, el sistema puede alimentar un transceptor con bajo consumo energético, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de localización en interiores y otras comunicaciones sin necesidad de baterías.

Revision: Conformal Hybrid Solar and Electromagnetic (EM) Energy Harvesting Rectenna

Ganancia de la antena: Se menciona que se ha medido la ganancia de la antena en diferentes frecuencias, como 1.85 GHz y 2.45 GHz.
Frecuencias de operación:
- 1.85 GHz
- 2.45 GHz
- 800 MHz a 2.5 GHz (banda ancha)
- GSM-850 y GSM-1900
- ISM 2.45 GHz
Celdas solares:
- Tipo de integración de la celda solar: una celda solar se coloca sobre la estructura radiadora de la antena.
- Se menciona la opción de cubrir toda el área de la antena con celdas solares conectadas en serie o paralelo.
- El uso de diodos para evitar corrientes inversas.
Rectificador de potencia:
- Diode: Skyworks SMS7630 Schottky de bajo umbral (135 mV).
- Se utilizó un detectador de envolvente con un diodo en serie y un condensador en derivación.
Red de adaptación: Red de impedancia de dos secciones (stepped impedance) para la rectificación de banda ancha.
Cargas: La carga óptima para maximizar la eficiencia de conversión RF-DC se determina en función de la frecuencia y el nivel de potencia.
Corrientes y tensiones:
- La tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito de la celda solar fueron medidas bajo diferentes condiciones de irradiancia solar.
- La potencia disponible a la entrada de la rectena también se ajustó para optimizar el rendimiento.

Materiales utilizados:

Celda solar:
- Celdas solares flexibles de película delgada.
- Modelo de la capa de la celda solar: representado en una estructura en capas.
- Ansys HFSS: Para la simulación del diseño de la celda solar.
Antena:
- Antena monopolo de banda ancha: Usada en la prueba con y sin la integración de la celda solar.
Rectificador:
- Diode Schottky SMS7630: Utilizado en el rectificador de potencia.
Material de la estructura de la antena: Se menciona que la antena está diseñada para adaptarse a estructuras curvas, lo que sugiere que está hecha de materiales flexibles.
Componentes de la red de adaptación:
- Líneas de transmisión de impedancia escalonada.
- Patas cortocircuitadas en paralelo (para diseños de rectificadores de banda dual).
Circuito optimizado de rectificador: La optimización del diseño del rectificador se hizo con Agilent ADS utilizando un bloque de parámetros S y simulaciones de Ansys HFSS.

Otros materiales y componentes mencionados:

Análisis en cámara anecoica para evaluar el rendimiento de la rectena solar/EM híbrida.
Generador de señales RF y dipolo de banda ultra ancha para las pruebas.
Medidor de radiación solar para medir la irradiancia durante las pruebas de la celda solar.

Revision: Experimental Study of Concurrent Data and Wireless Energy Transfer for Sensor Networks

emplo, la potencia de salida de los dispositivos 802.15.4, que normalmente es tan baja como 0 dBm) y las ondas de energía de alta potencia (posiblemente superiores a 30 dBm), que causan interferencias y una pérdida significativa de paquetes

Chipcon CC1000 operan a 915 MHz para los nodos sensores, con una potencia de transmisión de datos de RF predeterminada de 0 dBm sensibilidad del receptor es de -98 dBm. Los motes utilizan una velocidad de datos de 38,4 Kbps con codificación Manch-ester y un esquema de modulación FSK no coherente.

Para el ET sintonizable por frecuencia de RF, utilizamos un generador de señales de RF Agilent N5181 MXG conectado a un amplificador con una antena omnidireccional de 50 Ω en la banda de 902–928 MHz. Nuestra configuración también implementa recolectores de energía de RF P2110 disponibles comercialmente de Powercast Co conectados a las motas. El analizador vectorial de redes Agilent E5061B se utiliza para medir la intensidad de las señales de interferencia causadas por los ET. Las motas y los ET se colocan en una mesa plana, a 0,5 m del suelo. Los nodos emisor y receptor se colocan a un metro entre sí y son equidistantes del ET.

Utilizamos un total de 360 épocas de transmisión de paquetes para estimar la tasa de recepción de paquetes (PRR) con una precisión del 1,2 % para cada combinación particular de frecuencia de transmisión de energía y distancia entre el ET y las motas.

La longitud de onda promedio de las señales de energía transmitidas a fc = 915 MHz es de 0,328 m, y el transmisor de energía y el circuito de captación de energía de RF tienen ganancias de antena de 1 dBi y 6,1 dBi, respectivamente. La energía captada se almacena en un condensador con una capacidad nominal de C = 100.

Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. limita la potencia de salida de las radios que utilizan bandas de frecuencia sin licencia a 4 vatios de potencia isótropa radiada efectiva (EIRP) y, en consecuencia, los ET suelen enviar potencia a un nivel máximo de 3 vatios. Variamos la distancia entre las antenas del recolector y la del ET de 0,5 a 7 m, en incrementos de 0,5 m. En cada ubicación, medimos la duración de la carga inalámbrica ∆T, comenzando desde un voltaje inicial V1 = 1,8 V

, el recolector de energía P2110 supera a la placa de recolección P1110 en largas distancias de carga, mientras que la placa de recolección P1110 ofrece un mejor rendimiento en distancias de carga cortas.

La distancia entre el punto receptor y el ET se estableció en 5 m, el valor del alcance máximo de carga. Los paquetes se transmiten consecutivamente del emisor al punto receptor. El ET transfiere potencia a 915 MHz, con una potencia de salida de 3 vatios. El ET se enciende a los 30 s del inicio del experimento, se apaga a los 50 s, se vuelve a encender a los 100 s y finalmente se apaga a los 140 s. El experimento finalizó a los 180 s. El nivel de interferencia en un canal se determina midiendo los valores de intensidad de la señal recibida (RSS) en el receptor, con una desviación estándar del ruido ambiental medido inferior a 1 dBm

RANGOS PARA WSNS Y ETS COEXISTENTES

Modelo de Espacio Libre de Friis: Utilizado para calcular la cantidad de potencia RF recibida por el circuito de cosecha de energía. La potencia y la tasa de carga disminuyen a medida que aumenta la distancia entre el transmisor de energía (ET) y el nodo sensor.
Interferencia de RF: Se discute cómo la transferencia de energía RF de alta potencia introduce interferencia adicional en la comunicación de datos de los sensores debido a la alta potencia de las ondas de energía (superior a 30 dBm) frente a la baja potencia de transmisión de los nodos sensores (0 dBm).
Interferencia Constructiva y Destructiva: La interferencia constructiva ocurre cuando las ondas de energía se combinan de manera que aumentan la potencia recibida, mientras que la interferencia destructiva ocurre cuando las ondas se cancelan parcialmente o completamente.
Cosecha de Energía Multibanda: La eficiencia de cosecha de energía RF se mejora utilizando varias bandas de frecuencia para la recolección de energía, lo que puede optimizar la eficiencia de los circuitos de cosecha de energía RF.

Aportes del paper:

El artículo es pionero en estudiar la coexistencia de transmisores de energía RF (ETs) y redes de sensores inalámbricos (WSNs), enfocándose en los efectos de la interferencia causada por la transmisión simultánea de datos y energía en la misma banda de frecuencia.
Se identifican los rangos de separación que permiten una coexistencia efectiva entre la transmisión de datos y energía, analizando cómo las transmisiones de energía a larga distancia afectan la comunicación de datos en la misma frecuencia.
El estudio mide la potencia de señal recibida, la tasa de recepción de paquetes (PRR), y la cantidad de energía cosechada bajo diferentes configuraciones experimentales.
Se propone un rango de separación de frecuencias seguro para la transmisión simultánea de energía y datos, y se cuantifica el impacto de la interferencia destructiva en la cantidad de energía cosechada.

Líneas de investigación futuras mencionadas:

Diseño de protocolos de comunicación para redes de sensores inalámbricos alimentadas por energía RF, considerando la interferencia de energía y la transmisión de datos simultánea en diferentes frecuencias.
Optimización de la separación de frecuencias para minimizar la interferencia y mejorar la eficiencia de la transmisión de datos sin sacrificar la cosecha de energía.
Investigación de transmisores de energía múltiple que operen en diferentes frecuencias y cómo sus efectos de interferencia constructiva y destructiva pueden ser gestionados para optimizar la cosecha de energía y la transmisión de datos.

Revision: Wireless power transfer and energy harvesting in distributed sensor networks: Survey, opportunities, and challenges

Teorías y conceptos relacionados con la WPT y la EH:

Mecanismos de captación de energía (EH): Incluye fuentes ambientales (solar, eólica, RF, térmica) y fuentes externas como la energía mecánica o generada por el ser humano.

Transferencia de energía inalámbrica (WPT): La WPT implica la transferencia inalámbrica de energía eléctrica desde un transmisor a un receptor mediante técnicas como la basada en RF, el acoplamiento inductivo y el acoplamiento resonante.

EH para redes de sensores distribuidos (DSN): El estudio explora diferentes fuentes de EH (solar, eólica, RF, entre otras) que pueden proporcionar energía a los nodos de sensores, mejorando así su vida útil.

WPT radiativo vs. no radiativo: La WPT radiativo utiliza ondas electromagnéticas (EM), mientras que los métodos no radiativos, como el acoplamiento inductivo y resonante, son más adecuados para aplicaciones de corto alcance.

Líneas de investigación:

Seguridad y protección: Abordar las vulnerabilidades en redes WPT basadas en RF, incluyendo posibles ataques maliciosos y mala gestión de la energía, y desarrollar marcos de seguridad.

Retos de la captación de energía: Superar las limitaciones de la captación de energía solar y eólica en términos de accesibilidad, condiciones climáticas y almacenamiento de energía.

Optimización de WPT y EH para aplicaciones del IoT: Mejorar la eficiencia de los sistemas WPT y EH para soportar IoT y redes de redes de área local (WSN) en implementaciones a gran escala.

Desarrollo de sistemas EH eficientes: Crear sistemas que puedan operar en diversas condiciones ambientales, con especial atención a soluciones de almacenamiento de energía como supercondensadores o baterías.

Contribuciones del artículo:

Proporciona una revisión exhaustiva del estado actual de las tecnologías WPT y EH, analizando sus aplicaciones, limitaciones y potencial futuro.

Clasifica las tecnologías WPT en métodos radiativos y no radiativos, con comparaciones basadas en su eficiencia, seguridad y aplicabilidad a diferentes escenarios.

Presenta una implementación práctica de EH-WPT basado en RF utilizando recolectores de energía Powercast, analizando su desempeño e idoneidad para aplicaciones en tiempo real en DSN.

jueves, 17 de abril de 2025

Low-Power Far-Field Wireless Powering for Wireless Sensors

Comparación entre patrones de radiación de antenas y patrones de salida de rectenas: Se compara la eficiencia de la rectena con la eficiencia del patrón de radiación de la antena. Se muestra cómo la eficiencia de la rectena disminuye a medida que la potencia incidente disminuye, con un patrón de rectena que es aproximadamente 3 dB por debajo del patrón de la antena, con una eficiencia máxima medida de 54% en el plano de orientación del haz a una densidad de potencia de 200 W/cm² .

Comparación de la eficiencia en diferentes configuraciones de polarización: Se presenta una comparación entre una rectena de polarización lineal simple y una rectena de polarización dual. Se demuestra que la rectena de polarización dual, que rectifica independientemente la energía de ondas polarizadas ortogonalmente, tiene una eficiencia superior y menos variación en el tiempo, comparado con una rectena de polarización lineal .

Comparación de impedancias y rendimiento de los rectificadores: Se comparan las impedancias de los rectificadores en diferentes frecuencias y se analiza cómo el diseño de la circuitería afecta la eficiencia. Se menciona que la optimización de la impedancia a través de un diseño adecuado puede mejorar significativamente el rendimiento de la rectena .

Patrón de eficiencia de la rectena (rectenna efficiency pattern): Se menciona cómo la eficiencia de la rectena disminuye a medida que disminuye la potencia de entrada. Este patrón se puede predecir usando la no linealidad del proceso de rectificación.

Polarización dual en el diseño de rectenas: Este es un concepto importante que trata sobre la recepción de ondas polarizadas de manera lineal y cómo el uso de una rectena de polarización dual puede mejorar la eficiencia en la recolección de energía RF. Al utilizar dos polarizaciones ortogonales, la rectena puede capturar más energía y minimizar la variación con el tiempo en comparación con una rectena de polarización lineal.

Impedancia óptima y emparejamiento de impedancia: La eficiencia de la rectena depende de cómo se hace coincidir la impedancia de la rectena con la impedancia de la fuente de energía. Se menciona la necesidad de un emparejamiento adecuado entre la rectena y los circuitos de conversión de energía, de modo que se maximice la eficiencia.

Análisis en el dominio del tiempo y armónicos: Se habla sobre cómo los rectificadores deben manejar las ondas de RF, tomando en cuenta las formas de onda de voltaje y corriente en el diodo, especialmente a frecuencias armónicas superiores. La técnica de "matching multiharmónico" busca reducir la disipación al minimizar la superposición de las ondas de voltaje y corriente.

Modelo equivalente de Thevenin: Se utiliza el concepto de modelo de Thevenin para representar la rectena como una fuente de energía de corriente continua (DC) con una resistencia equivalente, lo que facilita el análisis y la optimización de la conversión de energía.

Control de máxima potencia (MPPT): Se menciona el uso de algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) en los circuitos de conversión de energía para optimizar la eficiencia, especialmente cuando las condiciones de la fuente de energía son cambiantes (por ejemplo, en la recolección de energía de torres de base de estaciones celulares).

Diseño de convertidores de potencia ultrabaja: Se presentan diseños de circuitos integrados (IC) de baja potencia que permiten convertir la energía RF en energía útil incluso a niveles de potencia muy bajos, con un enfoque en la eficiencia y la reducción de pérdidas de corriente de reposo.

Modos de operación de convertidores (DCM y CRM): Se explican los modos de conducción discontinuos (DCM) y críticos (CRM) en los convertidores de potencia, y cómo estos afectan la eficiencia del sistema. En el modo DCM, el convertidor emula una resistencia que puede ser controlada ajustando ciertos parámetros de tiempo.

Tecnologías de diseño en subumbral: Para lograr eficiencia a niveles de potencia muy bajos, se mencionan técnicas de diseño en subumbral para los circuitos de control, que permiten que el consumo de corriente de reposo sea extremadamente bajo.

Wireless Power Transfer for Bluetooth Low Energy Based IoT Device an Empirical Study of Energy Performance

Teoría (Conceptos relacionados y complementarios a WPT y EH que se mencionan):

Transferencia de Energía Inalámbrica por Radiofrecuencia (RF-WPT): La tecnología WPT por RF se presenta como una tecnología prometedora para permitir la operación continua y sin mantenimiento de dispositivos IoT. WPT permite transferir energía de una fuente a un objetivo a través del aire, en distancias de hasta unos pocos metros, eliminando la necesidad de cables o baterías tradicionales. Esta técnica presenta un desafío importante: las grandes pérdidas de energía en los canales inalámbricos.
Recogida de Energía (EH): La recolección de energía se refiere al proceso de capturar señales electromagnéticas de fuentes cercanas (como señales de TV o móviles) mediante antenas rectificadoras y convertirlas en energía utilizable en forma de voltaje de corriente continua (DC). Este concepto es complementario a WPT, ya que ambas tecnologías buscan suplir la necesidad de energía en dispositivos IoT sin depender de fuentes convencionales de energía.
Bluetooth Low Energy (BLE): Esta tecnología es relevante para IoT, ya que proporciona conectividad inalámbrica de bajo consumo, ideal para dispositivos que operan con energía recolectada mediante WPT. La combinación de WPT y BLE puede reducir el consumo de energía de los dispositivos IoT y permitir su funcionamiento a largo plazo sin necesidad de reemplazar baterías.
Eficiencia de Transferencia de Energía: En los sistemas WPT, la eficiencia de conversión de energía (RF a DC) y la eficiencia de recolección de energía son fundamentales. La eficiencia disminuye conforme aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor de energía. Los estudios revelan que a distancias mayores de 30 cm, la recolección de energía disminuye considerablemente.
Desafíos de Diseño en WPT para IoT: Uno de los principales desafíos es optimizar el consumo de energía, especialmente en la comunicación inalámbrica, que suele consumir una parte significativa de la energía de los dispositivos IoT. Además, la selección adecuada de la tecnología de acceso radioeléctrico es crucial para minimizar el consumo energético.
Desempeño Experimental de WPT y BLE: Los estudios experimentales muestran que es factible utilizar WPT para alimentar dispositivos IoT basados en BLE, pero existen limitaciones como la pérdida de eficiencia a medida que aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor de energía.
Combinación de WPT y BLE: Se ha integrado el sistema WPT con dispositivos IoT que utilizan BLE para transmitir datos. Este sistema ha mostrado ser capaz de funcionar de manera continua con energía transferida inalámbricamente, aunque su desempeño varía en función de la configuración de parámetros como el intervalo de publicidad, el número de canales y la potencia de transmisión.

Tipo de WPT/EH:

WPT basado en RF: La tecnología de transferencia de energía inalámbrica por RF se utiliza para alimentar dispositivos IoT sin necesidad de baterías.
EH basado en RF: Implica la recolección de energía de señales electromagnéticas (como señales de radiofrecuencia) para alimentar dispositivos.

Problema que plantea:

Desafíos de Energía en IoT: El principal problema es el suministro constante de energía para dispositivos IoT sin depender de baterías tradicionales, lo que puede hacer más difícil la operación continua y libre de mantenimiento de estos dispositivos.

Aplicaciones:

IoT y Dispositivos BLE: La combinación de WPT y BLE se utiliza para dispositivos IoT como sensores y etiquetas sin batería para seguimiento de activos, aplicaciones en ambientes interiores y exteriores, y sensores en aeronaves.

Dificultades/Limitaciones:

Pérdidas de Energía: La eficiencia de la transferencia de energía disminuye significativamente a medida que aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor.
Dependencia de las Condiciones Ambientales: La eficiencia de recolección de energía depende de las condiciones del entorno, como las superficies reflectantes o la interferencia.

Estructura del sistema:

Sistema WPT-BLE: El sistema integrado consiste en un transmisor WPT Powercast, un receptor WPT Powercast P21XXCSR-EVB, y un dispositivo IoT habilitado con BLE. La energía recolectada por el receptor WPT se utiliza para alimentar el dispositivo IoT, que se comunica mediante BLE.

Funcionamiento del sistema:

Transferencia de Energía: El transmisor WPT envía señales de radiofrecuencia al receptor WPT, que las convierte en energía útil. Esta energía se almacena en capacitores y se usa para alimentar el dispositivo IoT en funcionamiento.

Parámetros obtenidos:

Consumo de Energía: Se miden los perfiles de consumo de energía durante la operación del dispositivo IoT BLE, analizando el consumo en las fases de inactividad (sleep/idle) y en la fase de transmisión de paquetes (advertising).

Software que usa:

Software de Análisis: Herramientas como Wireshark se utilizan para capturar y analizar los paquetes BLE, mientras que MATLAB se utiliza para el análisis de los datos de consumo de energía.

Resultados:

Viabilidad de WPT para IoT: Los resultados experimentales muestran que es posible utilizar WPT para alimentar dispositivos IoT, pero existen limitaciones relacionadas con la eficiencia a larga distancia y la capacidad de los capacitores para mantener la energía suficiente para la operación continua.

Aporte:

Nuevas Perspectivas en el Diseño de IoT: Los resultados de este estudio proporcionan información valiosa sobre la eficiencia energética de los sistemas WPT-BLE, lo que puede influir en el diseño de nuevos productos IoT con alimentación inalámbrica.

Investigaciones futuras:

Optimización de la Transferencia de Energía: Se sugiere investigar nuevas técnicas para mejorar la eficiencia de WPT, así como la integración de diferentes fuentes de energía para hacer los dispositivos IoT más autónomos y sostenibles.

miércoles, 16 de abril de 2025

Revoision: Prototype Implementation of Ambient RF Energy Harvesting Wireless Sensor Networks

🔹 Teoría (Conceptos relacionados y complementarios a WPT y EH)

WPT (Wireless Power Transfer): Transferencia inalámbrica de energía mediante campos electromagnéticos.
EH (Energy Harvesting): Captura de energía del ambiente, como solar, vibraciones o señales RF.
Rectenna: Antena rectificadora que convierte señales RF en energía eléctrica.
Operación energética neutra: El nodo adapta su consumo al perfil de energía disponible, usando gestión eficiente del ciclo de trabajo (duty cycle).
Multipath y atenuación: Las señales RF se ven afectadas por la reflexión, interferencia y obstáculos.
Capacitores frente a baterías: Menor coste y tamaño, pero mayor pérdida energética (fugas) y menor capacidad de almacenamiento.

🔹 Tipo de WPT / EH

Tipo: Energy Harvesting por señales de radiofrecuencia (RF) provenientes de emisoras de televisión (TV broadcasting).
No inductivo ni resonante, sino por captación directa de ondas electromagnéticas ambientales.

🔹 Problema que plantea

Limitaciones en el uso extendido de WSNs debido a:
- Reemplazo frecuente de baterías.
- Dependencia de la energía solar, que es intermitente (clima, noche).
- Alto coste de baterías recargables.
- Inestabilidad y baja densidad energética de fuentes RF.

🔹 Aplicaciones

Monitoreo ambiental y de hábitat.
Sistemas de salud (e-salud).
Supervisión de procesos industriales.
WSNs con alta densidad de nodos distribuidos.

🔹 Dificultades / Limitaciones

Energía RF 100 veces más débil que la solar.
Pérdidas por fugas en capacitores.
Alta dependencia de la distancia a la torre emisora.
Variabilidad en la señal por mantenimiento nocturno.
Baja eficiencia de rectificación a bajos niveles de potencia.
No se puede mantener una operación continua sin optimización del duty cycle.

🔹 Estructura del sistema

Nodo sensor prototipo compuesto por:
- Rectenna (antena + circuito rectificador de onda).
- Capacitor electrolítico de aluminio (100 µF) para almacenar energía.
- MCU (MSP430F2274).
- Transceptor RF (CC2500, 2.4 GHz).
- Protocolo de red: SimpliciTI (TI).

🔹 Funcionamiento del sistema

La rectenna capta señales TV (UHF/VHF) y las convierte en voltaje DC.
La energía se almacena en un capacitor.
El nodo espera hasta alcanzar el voltaje mínimo necesario (≥2.9 V) para transmitir.
Se calcula el duty cycle adaptativo según el voltaje disponible.
El nodo transmite datos de temperatura y voltaje cada 5 s (modo RF); el nodo con batería cada 1 s.

🔹 Parámetros obtenidos

Potencia de entrada evaluada entre –9 dBm a 9 dBm.
Frecuencia de entrada: 15 MHz – 800 MHz.
Eficiencia de rectificación >50% en ese rango.
Corriente promedio transmisión: 13.14 mA por 3.4 ms.
Voltaje operativo MCU: 2.4 V – 2.9 V.
Duty cycle estimado: 1:1500.

🔹 Software que usa

SimpliciTI: Protocolo de red propietario de Texas Instruments, bajo consumo, ideal para redes pequeñas (<256 nodos).
Pseudoalgoritmo para cálculo adaptativo del ciclo de trabajo.

🔹 Resultados

La energía RF captada es estable en el tiempo comparado con energía solar.
Se demostró viabilidad de operación de nodos WSN autónomos cercanos a torres de transmisión.
El sistema logró transmitir datos de sensores cada 5 segundos usando solo energía captada de TV.
Adaptación del duty cycle permitió mantener operación energética neutra.

🔹 Aporte

Prototipo funcional de nodo WSN autónomo usando solo energía de señales de TV.
Validación de uso de capacitores en vez de baterías.
Desarrollo de un método adaptativo de gestión energética con bajo costo de implementación.
Prueba de campo real a 500 m de una torre de TV.

🔹 Investigaciones futuras

Mejora en eficiencia de circuitos rectificadores a bajos niveles de potencia.
Explorar otras fuentes de RF (Wi-Fi, celulares) para cosecha de energía.
Desarrollo de nodos con múltiples canales de recolección energética.
Integración con redes LPWAN (LoRa, Sigfox) para extender cobertura.
Automatización avanzada del ciclo de trabajo con inteligencia artificial o predicción energética.

Review: Radio-Frequency Based Energy Charging- An Experimental Study

Teoría (Conceptos relacionados y complementarios a la WPT y EH mencionados)

Wireless Power Transfer (WPT)
- Definición: La transferencia inalámbrica de energía (WPT) permite transmitir energía a un dispositivo sin necesidad de cables, utilizando campos electromagnéticos para transferir energía desde un transmisor hasta un receptor (por ejemplo, antenas o rectificadores).
- Tipos de WPT:
  - Inducción magnética: Usada en aplicaciones de corto alcance, como la carga inalámbrica de dispositivos móviles.
  - Resonancia magnética: Permite la transferencia de energía a mayores distancias mediante resonancia entre las bobinas.
  - RF (Radiofrecuencia): Utiliza ondas de radio para la transmisión de energía, como se describe en el texto.
Energy Harvesting (EH)
- Definición: La cosecha de energía (EH) es el proceso de capturar pequeñas cantidades de energía del entorno para alimentar dispositivos de bajo consumo energético, como los sensores en las redes de sensores inalámbricos (WSNs).
- Técnicas de EH:
  - Energía solar: Cosecha energía de la luz solar mediante paneles solares.
  - Energía térmica: Utiliza gradientes de temperatura para generar energía.
  - Energía cinética: Captura energía de los movimientos o vibraciones.
  - Energía de radiofrecuencia (RF): Extrae energía de las señales de radiofrecuencia presentes en el ambiente.
Problema que plantea:
- Desafíos de las redes de sensores inalámbricos (WSNs): Estas redes enfrentan un problema importante de consumo energético. Los nodos de sensores, que operan con baterías, pueden agotarse rápidamente. Esto hace necesario el uso de técnicas de EH y WPT para mantener la funcionalidad de la red sin intervención humana frecuente para recargar baterías.
Aplicaciones:
- Monitoreo remoto: WSNs son cruciales para el monitoreo de áreas de difícil acceso (por ejemplo, en zonas de desastres o ambientes remotos).
- Internet de las Cosas (IoT): WPT y EH permiten que los dispositivos IoT operen sin necesidad de baterías, haciendo posible su implementación en diversas áreas como ciudades inteligentes, automóviles autónomos, y monitoreo de salud.
Dificultades/Limitaciones:
- Eficiencia de la transferencia de energía: La eficiencia de WPT disminuye a medida que aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor.
- Costos de implementación: La construcción de sistemas de WPT y EH eficientes puede ser costosa, especialmente cuando se requieren soluciones de gran escala.
- Dependencia de condiciones ambientales: Técnicas como la cosecha de energía solar o térmica dependen de factores ambientales que no siempre son previsibles o controlables.
Estructura del sistema:
- Transmisor: Genera señales de RF (frecuencia de 915 MHz en el experimento).
- Antena transmisora: Transmite la energía en forma de ondas electromagnéticas.
- Rectenna: Es la combinación de una antena y un rectificador que convierte las ondas de RF en energía eléctrica de corriente continua.
- Cargador y almacenamiento: El sistema de rectificación se conecta a un supercondensador o batería para almacenar la energía.
Funcionamiento del sistema:
- El sistema comienza con la conversión de la corriente continua (DC) de la fuente de alimentación a corriente alterna (AC) mediante un oscilador. La señal se amplifica y se transmite a través de una antena. En el receptor, la señal se convierte nuevamente en corriente continua mediante un rectificador, que carga una batería o supercondensador.
Parámetros obtenidos:
- Potencia recibida: Medida a través de la ecuación de Friis para determinar la potencia que se recibe a una distancia específica.
- Tiempo de carga: Se mide el tiempo necesario para cargar el supercondensador o la batería, el cual depende de la distancia entre el transmisor y el receptor.
Software que usa:
- Osciloscopio de software (Waveform Software): Utilizado para visualizar las señales de voltaje y medir los parámetros de energía como la potencia y el tiempo de carga.
- Analizador de frecuencia (MS2720T): Para medir las frecuencias de radio y analizar la transmisión de RF.
Resultados:
- Se observa que la eficiencia de la transferencia de energía mejora cuando el transmisor y receptor están alineados en una línea de visión directa.
- A medida que aumenta la distancia entre los dispositivos, el tiempo de carga aumenta y la eficiencia de transferencia disminuye.
- Los resultados experimentales muestran una relación lineal entre la distancia y el tiempo de carga, pero a distancias mayores, la carga de dispositivos de alta capacidad (como un supercondensador de 1F) se vuelve poco práctica.
Aporte:
- La investigación proporciona una evaluación experimental del WPT mediante RF, comparando los resultados experimentales con los teóricos. Este estudio puede ayudar a la comunidad investigadora a estimar la viabilidad de la tecnología en aplicaciones de bajo consumo energético, como WSNs y dispositivos IoT, y guiar el desarrollo de futuras soluciones de carga inalámbrica eficientes.