✅ Teoría (Conceptos relacionados y complementarios a la WPT y EH)
WPT (Wireless Power Transfer): Transferencia de energía usando ondas electromagnéticas, especialmente en la región de campo cercano radiativo.
EH (Energy Harvesting): Recolección de energía a partir de señales RF, convertidas en energía útil para alimentar dispositivos de sensores.
Gaussian Beam: Haz óptimo para la transferencia de energía, derivado de la ecuación de Helmholtz con aproximación paraxial.
La eficiencia del haz depende de la cantidad de potencia que la antena receptor. , la eficiencia del haz aumenta con el área de apertura de la antena receptora y disminuye con el tamaño del punto focal. La eficiencia del haz es igual a la integral de la potencia de recepción sobre la apertura circular de la antena receptora, dividida entre la potencia radiada
Beam Efficiency: Relación entre la potencia recibida y la potencia irradiada; dependiente del tamaño de las antenas y la longitud de onda.
Beam Focusing: Técnica para concentrar energía RF en un punto específico, especialmente en campo cercano.
Adaptive Beam Focusing: Seguimiento dinámico del receptor mediante algoritmos de estimación del canal.
Energy Neutral Operation: Equilibrio entre la energía recolectada y consumida.
Duty-Cycling: Control del consumo energético mediante alternancia entre modos activo y de suspensión.
Backscatter Communication: Comunicación pasiva basada en la reflexión de señales para ultra bajo consumo.
❗ Problema que plantea
La mayoría de investigaciones teóricas sobre WPT ignoran factores prácticos importantes debido a la falta de implementación física.
Limitada eficiencia del WPT a largas distancias (>10 m).
Alto costo de arrays digitales para beamforming.
Baja velocidad de los phase shifters en arrays analógicos impide aplicar algoritmos tradicionales.
Dificultad para estimar el canal con baja señal recibida a largas distancias.
Compromiso entre consumo energético y desempeño del sensor.
📱 Aplicaciones
Sensores autónomos alimentados remotamente en WPSN (Wireless-Powered Sensor Networks).
Sustitución de baterías o mantenimiento de sensores distribuidos en lugares remotos o inaccesibles.
Redes IoT energéticamente sostenibles para monitoreo ambiental, industrial, agrícola, etc.
⚠️ Dificultades / Limitaciones
Limitación en distancia efectiva de transferencia (≤50 metros).
Alta complejidad en la estimación del canal a larga distancia.
Inestabilidad y corto alcance del backscatter.
Requiere antenas transmisoras grandes para alta eficiencia.
Bajo rendimiento en zonas fuera del foco del haz.
Costos elevados para arrays digitales de gran tamaño.
🧩 Estructura del sistema
Power Beacon (Transmisor):
Oscilador → Divisor de potencia → Atenuador variable → Desfasador → Amplificador → Antena (64 elementos).
Sensor Device (Receptor):
Antena receptora → Rectificador → Almacenamiento de energía (supercapacitor) → Unidad de gestión de energía → MCU + transceptor RF + sensores.
⚙️ Funcionamiento del sistema
El Power Beacon emite un haz enfocado mediante un array de antenas hacia el sensor. antena transmisora puede enfocar un haz de una onda EM hacia la antena receptora, como una lente convexa enfoca la luz en un punto focal.
El sensor cosecha la energía RF y la almacena.
El sensor realiza mediciones y transmite datos de vuelta mediante transceptor RF.
Se usa un algoritmo de beam focusing adaptativo basado en estimación de canal por potencia recibida.
El sistema regula el ciclo activo del sensor según la energía almacenada (estrategia de retención energética).
📐 Parámetros obtenidos
Potencia recibida (mW)
Eficiencia de transferencia (%): Hasta 21.8% a 2 metros.
Distancia máxima efectiva: 50 metros con 0.72 mW recibidos.
Relación de frames activos: Hasta 0.1 para ahorro energético.
Número de elementos en array: Hasta 64 antenas.
Transmit Power (por antena): Hasta 148.5 mW (outdoor).
💻 Software que usa
FPGA y PC para control de array de fase.
Algoritmo de estimación de canal basado en potencia recibida (propuesto en [10]).
Lyapunov Optimization para control conjunto de energía y beam focusing.
Plataforma SDR USRP (solo en experimentos previos con menos antenas).
📊 Resultados
Se logra beam focusing efectivo tanto indoor como outdoor.
Potencia útil entregada hasta 50 m en exteriores.
El sensor mantuvo operación continua durante 20 minutos sin energía cableada.
La eficiencia mejora linealmente con el número de antenas activas.
El patrón de fase del haz emula el comportamiento de una lente convexa.
🌟 Aporte
Demostración experimental real de un WPSN funcional a 50 metros.
Propuesta y validación de un esquema de beam focusing adaptativo eficiente para arrays analógicos.
Diseño y evaluación de protocolos de operación energética neutra.
Contribución al diseño práctico de sistemas RF-WPT más allá de los modelos teóricos.
Presenta un enfoque escalable y de bajo costo para alimentar sensores en IoT sin mantenim
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