sábado, 5 de abril de 2025

Revision: Rectifiers’ Design and Optimization for a Dual-Channel RF Energy Harvester

 




✅ ¿Qué problema quiere resolver el artículo?

El trabajo busca diseñar e implementar rectificadores simples, eficientes y de bajo costo para sistemas de RF Energy Harvesting (recolección de energía de señales de radiofrecuencia), que superen en rendimiento a soluciones comerciales actuales como el P2110 de Powercast. El objetivo es que estos rectificadores puedan alimentar sensores autónomos de baja potencia, especialmente útiles en aplicaciones como sistemas IoT, donde el suministro continuo de energía es crítico.

📌 ¿En qué quiere aplicar los rectificadores diseñados?

Los rectificadores están pensados para ser utilizados como fuentes de alimentación para sensores autónomos de bajo consumo, en particular en el contexto del Internet de las Cosas (IoT), como por ejemplo:

  • Sistemas de monitoreo ambiental.

  • Redes de sensores remotos.

  • Dispositivos portátiles o de salud que requieren energía constante sin baterías tradicionales.

⚠️ ¿Qué dificultades tienen los diseños que hizo?

  1. Sensibilidad a la potencia baja: El diseño LPD (Low Power Device) tiene eficiencia limitada a potencias muy bajas (−10 dBm), siendo más vulnerable a efectos parásitos.

  2. Componentes no ideales: Hay diferencias entre los resultados simulados con componentes ideales y reales, lo que impacta especialmente en el diseño LPD.

  3. No linealidad de los diodos: Los diodos Schottky presentan impedancias variables según la potencia de entrada, dificultando el diseño de redes de adaptación eficientes.

  4. Limitaciones ambientales: En entornos urbanos, la potencia RF disponible es baja (≈−30 dBm), lo que requiere diseños muy optimizados.

  5. Ajuste de impedancia: Lograr una coincidencia precisa entre la impedancia del rectificador y la antena es un reto que se aborda mediante uso del diagrama de Smith y simulaciones.

⚙️ ¿Cómo funcionan los rectificadores diseñados?

Ambos diseños siguen la arquitectura clásica de un sistema de RF Energy Harvesting:

  • Antena capta señales RF.

  • Red de adaptación transfiere la energía al rectificador, minimizando pérdidas por reflexión.

  • Rectificador convierte RF en voltaje DC.

  • Condensador almacena la energía o filtra picos.

Diseños propuestos:

  • LPD: usa un solo diodo SMS7630 (Skyworks) con red de adaptación simple (3 elementos).

  • HPD: usa un multiplicador Dickson de 2 etapas con dos diodos HSMS-2852 (Avago) y una red de adaptación más compleja (5 elementos).

Ambos se montaron en sustrato TLX8 con líneas microstrip y se simularon usando software AWR.

📈 ¿Qué resultados obtuvo?

  • HPD alcanzó más del 70% de eficiencia a 915 MHz con entrada >5 dBm.

  • En comparación directa con el P2110, el HPD fue más eficiente y logró mayor distancia operativa:

    • P2110 deja de operar < −5 dBm, mientras que HPD aún funciona hasta 22 metros del transmisor.

  • LPD mostró baja eficiencia pero funcionalidad aceptable en frecuencias cercanas a 850 MHz.

  • Ambos diseños funcionaron sin necesidad de reguladores DC/DC, a diferencia del P2110.

🔬 ¿Qué investigaciones futuras menciona?

Aunque no propone explícitamente una sección de “trabajo futuro”, se puede inferir que:

  • Mejorar la eficiencia a potencias más bajas (especialmente en el diseño LPD) es un objetivo clave.

  • Diseñar para condiciones reales de entorno urbano con baja densidad de potencia.

  • Posible implementación en ambientes controlados como cámaras anecoicas para mediciones más precisas.

  • Escalado y adaptación de los diseños para otras bandas de frecuencia usadas en sistemas IoT.


Parámetros Técnicos y de Diseño Propuestos

🔧 Componentes Generales del Sistema EH

  1. Frecuencias comunes de operación: 400 MHz – 2.5 GHz

  2. Potencia de entrada útil esperada: −30 dBm a 30 dBm

  3. Eficiencia pico de conversión: Hasta el 80%

  4. Potencia disponible en entornos urbanos: Aproximadamente −30 dBm

  5. Bloques principales del sistema EH:

    • Antena

    • Red de adaptación (matching network)

    • Rectificador

    • Almacenamiento de energía (ej: capacitor en derivación)

🔩 Topologías y Dispositivos Usados

  1. Tipos de dispositivos diseñados:

    • LPD (Low Power Device): optimizado para −10 dBm

    • HPD (High Power Device): optimizado para 10 dBm

  2. Diodos rectificadores:

    • LPD: SMS7630 de Skyworks – Vf: 0.34 V

    • HPD: 2 etapas de multiplicador de voltaje con HSMS-2852 (Avago)

    • Preferencia por diodos Schottky: baja capacitancia de unión, rápida conmutación

  3. Substrato utilizado: TLX8 de Taconic

  4. Tipo de línea de transmisión: Microstrip

📏 Redes de Adaptación (Matching Network)

  1. LPD: 3 elementos lumped (inductor en derivación, inductor en serie, capacitor en derivación)

  2. HPD: 5 elementos lumped (inductor en serie + dos redes L tipo LC)

  3. Optimización con Smith Chart: Para adecuar la impedancia del rectificador a la antena según nivel de potencia de entrada

🔋 Elementos Lumped Utilizados

LPD:

  • L1: 47 nH (0805CS)

  • L2: 56 nH (LQW15AN56NJ00)

  • C1, C2: 0.3 pF (GJM1555C1HR30WB01)

  • Cout: 220 nF (GRM36Y5V224Z10)

HPD:

  • L3: 18 nH (LQW15AN18NH00)

  • L4: 4.7 nH (LQW15AN4N7C00)

  • C3: 1.3 pF (GJM1555C1H1R3WB01)

  • Cout: 220 nF (GRM36Y5V224Z10)

⚙️ Simulación y Medición

  1. Software de simulación: AWR Design Environment (Cadence)

  2. Modelado de diodos: Parámetros SPICE no lineales

  3. Impedancia de carga ideal: 5 kΩ (máxima eficiencia obtenida en pruebas)

  4. Evaluación con componentes comerciales: S-parameters de 2 puertos

  5. Reducción de efectos parásitos: eliminación de elementos para compensar microstrip inductivo


Optimizados para dos niveles de potencia de entrada diferentes (−10 dBm y 10 dBm)
La carga se ha fijado en 5 kΩ,
bomba de carga de Dickson de 2 etapas
Eficiencia de Conversion de potencia  70 % a 915 MHz
stancia máxima de operación de hasta 22 metros

 

Un sistema genérico de recolección de energía de RF (EH) se compone de 
la antena, que captura las ondas electromagnéticas y genera una señal eléctrica de RF; 
la red de adaptación, necesaria para transferir la máxima cantidad de potencia de entrada desde la antena al rectificador, evitando también la reflexión de energía; 
el rectificador, que convierte la señal de RF en un voltaje de CC en la carga;
 almacenamiento de energía, para almacenar la energía recolectada y filtrar los picos (esta puede consistir simplemente en un condensador en derivación) [17].

En este trabajo, el objetivo es proponer un método de diseño eficaz, optimizado y repetible, como resultado de trabajos realizados previamente [18-20], con el fin de mejorar el rendimiento de los sistemas RF EH con arquitectura estándar, como se muestra en la Figura 1. Para demostrar la validez de la técnica propuesta, se ha implementado una placa prototipo y se ha realizado y reportado una comparación de rendimiento con un recolector de energía RF comercial, el PB2110 de Powercast Co. [21].

Todos los recolectores usaron la misma antena, vendida con la placa de evaluación del Powercast P2110 [22]

 Las redes de adaptación se realizan mediante elementos agrupados y distribuidos mixtos, para tener más grados de libertad en su diseño. Dado que una buena red no tiene que ser disipativa, no se recomiendan los elementos resistivos para este tipo de sistema. Dado que la sección del rectificador necesita diodos con un bajo voltaje de unión y tiempos de conmutación rápidos, los diodos Schottky ,baja capacitancia de unión y su pequeña cantidad de potencia requerida, para minimizar las pérdidas y maximizar la potencia disponible [23-26]. 
 diodo SMS7630 de Skyworks Solution Inc tiene una tensión de unión de 0,34 V.

Dispositivos no lineales que funcionan como una impedancia variable que cambia con la propia potencia de entrada, lo que dificulta el diseño de una red de adaptación eficiente.


2. Método de diseño y optimización


 El HPD implementa un multiplicador de tensión de 2 etapas [29], utilizando dos HSMS-2852 de Avago Technologies [30], en un sustrato TLX8 de Taconic [31] con líneas de transmisión de microbanda Los elementos agrupados utilizados para las redes de adaptación provienen de los condensadores de la serie GJM1555 y los inductores LQW15AN de Murata (excepto el inductor shunt LPD, que es un 0805CS de Coilcraft). 

El diseño y las simulaciones se han llevado a cabo dentro del software AWR Environment Design de Cadence Design Systems, Inc. (San José, CA, EE. UU.). Los diodos se simularon utilizando sus parámetros de modelo SPICE no lineal. Como primer diseño, se utilizaron líneas ideales y elementos concentrados. 
La red de adaptación del HPD es una red de 5 elementos (inductor en serie y dos redes de tipo L de inductor-condensador). Dado que los diodos son dispositivos no lineales, la impedancia del rectificador se ve afectada por el nivel de potencia de entrada [32,33]; 
los rectificadores se han adaptado a la antena para los niveles de potencia de entrada seleccionados Pin (-10 dBm para el LPD y 10 dBm para el HPD). Luego, los valores de los elementos concentrados y las microbandas se han optimizado utilizando el diagrama de Smith, para diferentes valores de Pin; Para obtener una buena adaptación, la impedancia del circuito rectificador debe ser igual a la impedancia de la antena en la frecuencia de trabajo y el nivel de potencia considerado.

Impedancia de entrada del HPD (parte real e imaginaria) representada en una carta de Smith para niveles de potencia de entrada de −25 a +20 dBm en pasos de 1 dBm (las impedancias están normalizadas a 50 Ω, que es la misma que la antena de entrada) a una frecuencia de 915 MHz. Se ha ajustado para un nivel de potencia de entrada de 10 dBm para obtener la máxima eficiencia para ese valor.

 Se realizaron simulaciones utilizando los parámetros S de 2 puertos disponibles en componentes comerciales. L5 se utilizó para representar el efecto inductivo parásito de la microbanda del puerto de entrada. La sustitución de líneas ideales por microbandas introdujo un efecto inductivo que se compensó eliminando el elemento concentrado para mantener una buena adaptación de impedancia.

la carga de referencia de prueba se conectó antes del convertidor elevador CC/CC, en el pin VCAP
l pin DSET desconectado,
VCAP se conecta a DOUT


El circuito HPD alcanza su máxima eficiencia para una frecuencia de señal de entrada de 915 MHz, superando en un 70 % la potencia de entrada de 5 dBm,

 
  conectándoles una antena de parche Powercast y luego generando una señal de fuente electromagnética con el transmisor Powercast Powerspot, que irradia una potencia de RF de 3 W a 915 MHz

, 
El P2110 apenas funcionó a 20 m de la fuente, mientras que el HPD aún funcionó a 22 m.

 El voltaje y la corriente se midieron como antes, mientras que la potencia de entrada se estimó mediante la ecuación de transmisión de Friis. Por supuesto, se podría realizar un mejor análisis en una cámara anecoica, evitando las reflexiones de campo y las fuentes externas para tener una mayor precisión.

trabajos previos

Remote Sensor Networks with Efficient Energy Harvesting Architecture


El sistema gestiona una potencia de entrada que oscila típicamente entre -20 dBm y 20 dBm mediante la rectificación de las señales de entrada variables en una fuente de tensión continua.

si bien a menudo se requiere una batería para obtener más energía durante los periodos de uso, el recolector la recarga continuamente, convirtiendo el sistema en un dispositivo autónomo de larga duración.
o, la etapa de conversión de RF a CC se diseñó de forma independiente en los dos canales, obteniendo la máxima transferencia de potencia alcanzable en todo el ancho de banda.

El manejo de señales de baja potencia se logra mediante un diodo Schottky, caracterizado por un voltaje umbral muy bajo. El dispositivo seleccionado es el HSMS2850 de Avago Technologies: un detector de polarización cero, montado en serie, capaz de proporcionar una alta sensibilidad a la respuesta del circuito

eficiencia de conversión máxima de aproximadamente el 65% para una potencia de entrada de 15 dBm en el rango de "Potencia Media" y del 60% a 5 dBm en el rango de "Baja Potencia" .

Energy Harvester for Remote Sensors Systems
istema de captación de energía de alto rango dinámico y alta eficiencia. El circuito diseñado presenta una arquitectura de doble banda capaz de capturar la mayor cantidad de radiación electromagnética en entornos urbanos, sintonizado tanto en frecuencias GSM como Wi-Fi. 
na potencia de entrada que oscila típicamente entre -20 dBm y 20 dBm y la rectifica en una fuente de CC


 receptor de doble canal, sintonizado a 936 MHz y 2,4 GHz, para captar la mayor cantidad de radiación electromagnética del entorn

1. Está formado por dos canales de conversión de energía (denominados "Baja Potencia" y "Media Potencia"), cada uno diseñado para gestionar diferentes niveles de potencia en ambas frecuencias de referencia y recolectar la energía recuperada en una sección común de regulación y almacenamiento. El canal de "Baja Potencia" se configura como ruta predeterminada mediante el comparador de tensión que, mediante un control de retroalimentación, compara la tensión rectificada con una referencia intern
 

 el comparador de tensión de potencia ultrabaja selecciona el canal adecuado del receptor para gestionar adecuadamente la radiación electromagnética. El comparador se puede implementar fácilmente con un par de amplificadores operacionales para minimizar la potencia solicitada para activar el interruptor


convertidor elevador de voltaje ultrabaja, el LT3108, proporcionado por Linear Technology en este trabajo, que aumenta el voltaje de entrada a la sección de regulación y también desacopla el recolector de la sección de almacenamiento y carga.

software CAD comercial para lograr una alta eficiencia de conversión tanto a 936 MHz como a 2,4 GHz, y para diferentes potencias de entrada
 La impedancia de entrada de antena equivalente se fijó en 50 ohmios. 
 
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