Revision: KW-class wireless power transmission based on microwave beam

 El sistema WPT descrito utiliza un haz de microondas de 2,45 GHz y 1,0 kW de potencia. Incluye un magnetrón de alta potencia, sintonizador de tres estubs, atenuador variable, acoplador direccional,  divisor de potencia y antena parabólica de 36,5 dBi de 3 metros de diámetro y 20 kg solo para la transmisión , para la transmision. en recepcion  contador de potencia, una antena de recepción, un filtro de coincidencia de impedancia, un rectificador, y la carga. Se transmitió 2,3 kW y se recibió 1,02 kW a 50 m, con una eficiencia del 44,3\%.

 usos

Esta topología de transmisión de potencia inalámbrica mediante microondas es la más adecuada para trabajar con aplicaciones de alta potencia, como vehículos aéreos no tripulados (UAV) y drones, debido a su capacidad para transmitir varios kW de potencia a largas distancias con alta eficiencia. 

Las antenas en el sistema receptor están conectadas en serie para incrementar el voltaje de salida y en paralelo para aumentar la corriente de salida. Además, se diseña una superficie selectiva de frecuencia (FSS) de bucle cuadrado para mejorar la eficiencia de conversión y reducir las ondas armónicas de orden superior. Sin embargo, el uso de una antena parabólica de 3 metros de diámetro y 20 kg solo para la transmisión puede resultar en un método demasiado grande y costoso para ciertas implementaciones.

En conclusión, esta tecnología ofrece una solución robusta y eficiente para la transmisión de alta potencia mediante microondas, aunque los desafíos de tamaño y costo deben ser considerados según la aplicación específica.d

Aportes 

 La antena SP Yagi tiene una mejor eficiencia de conversion cerca del angulo incidente de 90 grados.

Diseña una superficie selectiva de frecuencia de bucle cuadrado, 

Materiales utilizados 

 Sistema Tx:

magnetron de alta potencia 2.4 GHz

Antena parabolica de 36.5 dBi de ganancia

Rectenas de parche polarizado

Sistema Rx de dos conjuntos de rectenas de 36x40 y 36x16

Guias de onda rectangulares

diodo Schottky de polarizacion cero HSMS 2850

PCB FR4 de 1.6 mm de espesor

Para medir el comportamiento de transmisión, se utiliza un analizador de red vectorial de 2 puertos.

Teoría 

 Ventajas en distancia a la transferencia de energía inalámbrica por acoplamiento magnético y 

transferencia de energía inalámbrica capacitiva.

Topologia  

se requiere un magnetrón junto con su fuente de alimentación para el control, un sintonizador de tres estubs para la coincidencia de impedancias, un atenuador variable para controlar la salida máxima, un acoplador direccional para medir la potencia de salida, un divisor de potencia para la polarización dual y una antena parabólica de transmisión de 36.5 dBi de ganancia.

En el sistema de recepción (RX), se requiere un contador de potencia, una antena de recepción, un filtro de coincidencia de impedancia, un rectificador, una carga visible y un voltímetro. La antena SP Yagi muestra una mejor eficiencia de conversión RF-DC cerca del ángulo incidente de 90 grados, mientras que las antenas dual-polarizadas ofrecen un rendimiento superior en una gama más amplia de ángulos de incidencia.

En TX, El magnetron y su fuente de alimentacion para control, sintronziador, atenuador, acoplador, medidro de potencia, divisor de poder, antena de transmision, 

En RX requiere contador de potencia, antena de recepcion, Impedancia coincidente y filtro, rectificador , carga visible y voltimetro. 

Fig. 1 Configuración de un sistema de transmisión de energía inalámbrica de alta potencia.

Fig. 2 Fotografías del sistema transmisor de alta potencia. Sistema Tx (superior), guía de ondas de alimentación de polarización dual y magnetrón.

 La rectena se compne de anterna de parche polarizada dual, dipolo cruzado polarizado dual y antena Yagi

Matrix de rectena , consta de una antena de parche cuadrada polarizada 4x4 

4 rectenas estan conectadas en serie para mejorar el voltaje de salida.  4 juegos d rectenas verticuales conectadas en paralelo para sumar corriente

Fig. 6. Fotografías de un conjunto de recenas de parche cuadrado polarizado dual 4x4

Parametros 

1 KW de potencia.

2.45 GHz de haz de microondas

divisor de potencia

potencia de transmisión de Transmisión 2.3 kW

potencia de transmisión de Recepción 1.02kW

eficiencia 44.3%

Antenas de 3 metros de diametro y 20 kg, Ganancia de antena 36.5 dBi, VSWR de 1.5:1 , 3.2 grados de ancho de haz de potencia media, eficiencia de 98% 

Fuente RF de 5 W para antena dipolo DP y SP yagi

antena de bocina de 10 dBi

distancia entre antenas 1 m

potencia de recepcion de 8 dBm

distancia de 50 m

eficiencia total calculada 47.3% 

eficiencia de conversion de fuente 84.3% , eficiencia de antena TX 98% , Perdida de ruta 77.4% , eficiencia de conversion RF-CC 74% 

Aplicaciones mencionadas 

 Vehiculos aereos no tripulados

Drones

 Bibliografia 

Y. Park and D. Youii, “KW-class wireless power transmission based on microwave beam,” in 2020 IEEE Wireless Power Transfer Conference, WPTC 2020, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., Nov. 2020, pp. 5–8. doi: 10.1109/WPTC48563.2020.9295626.

Revision A Selective, Tracking, and Power Adaptive Far-Field Wireless Power Transfer System

La WPT por RF consultado se compone de un modulador IQ AD8345, convertidor digital a analógico AD5384, diodos Schottky SMS7630-079LF, inversores CMOS SN74AUP1G14, modulador de retrodispersión transistor T1, ATF54143 y transistor T2 FDN337N. Esta topología de transmisión adaptativa es la más adecuada para trabajar con redes de sensores inalámbricos debido a su capacidad para ajustar dinámicamente el patrón de radiación y enfocar la energía en los nodos deseados 

Se presenta un sistema WPT integrable en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSN).  Con un arreglo de antenas dirige el haz de energia a los receptores, donde se ajusta dinamicamente el patron de radiacion con modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) ynversores CMOS SN74AUP1G14. Para la informacion recibe un código CDMA modulado por OOK de 15 bits, escaneando las potencias de cada nodo y adaptando la potencia. Sus 16 canales activos alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4 diseñada en 5,8 GHz, logrando una eficiencia del 90\% y una transferencia de datos de 19,2 kb/s 

primero, el transmisor dirige un haz de energía mediante un arreglo de antenas, luego, los nodos receptores capturan la energía y envían una señal de retrodispersión que ajusta dinámicamente el patrón de radiación del transmisor. El modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) son fundamentales para rectificar la energía y modular las señales, lo que permite una transmisión eficiente y adaptativa.

En el trabajo, los inversores SN74AUP1G14 se utilizan para procesar y acondicionar señales dentro de los nodos receptores. Su función principal es actuar como buffers o inversores de señal que aseguran la correcta polarización y modulación de las señales antes de que estas sean enviadas al modulador de retrodispersión. Además, al ser inversores con gatillo de Schmitt (Schmitt Trigger), ayudan a limpiar señales de entrada ruidosas o inestables, proporcionando una salida estable y con bordes definidos, lo que es crucial para la modulación y el procesamiento adecuado de las señales de comunicación entre los nodos y el transmisor.

En resumen, el SN74AUP1G14 contribuye a estabilizar y procesar las señales RF rectificadas, asegurando que los nodos puedan comunicarse de manera eficiente y sin errores con el transmisor mediante el modulador de retrodispersión.

En cuanto a los parámetros logrados, destaca la eficiencia energética ajustable, el control preciso del haz de energía, y la capacidad de mantener nodos activos sin necesidad de baterías. El diseño debe tener en cuenta aspectos como la distancia de transmisión, la orientación de antenas y los patrones de interferencia. La metodología usada incluye experimentos de laboratorio para probar la activación de nodos a diferentes distancias y el ajuste dinámico de potencia basado en la retrodispersión.

Los resultados demostraron que el sistema podía mantener los nodos activos con una eficiencia energética notable, reduciendo la potencia de transmisión cuando el nodo acumulaba suficiente energía. Se destacan conceptos teóricos como modulación de retrodispersión, rectificación de RF, y beamforming adaptativo. Las aplicaciones mencionadas para WPT incluyen redes de sensores pasivos, IoT, y sistemas de monitoreo remoto en entornos industriales o agrícolas.

El prototipo propuesto en el artículo titulado "A Selective, Tracking, and Power Adaptive Far-Field Wireless Power Transfer System" introduce varias características innovadoras que lo distinguen de otros sistemas de Transferencia de Energía Inalámbrica (WPT) por RF revisados. Aquí están los aspectos clave que hacen que este sistema sea superior:

1. Transmisión Selectiva y Adaptativa en Potencia:

   • El sistema incluye un transmisor con arreglo de antenas en fase que puede cambiar adaptativamente su estado encendiendo o apagando conjuntos de elementos de antena, según la intensidad de la señal recibida (RSS) de los nodos receptores. Esta característica permite optimizar el consumo de energía utilizando solo la cantidad necesaria para mantener la comunicación y la transferencia de energía, haciéndolo más eficiente en comparación con los sistemas que usan un nivel de potencia constante​.

2. Mecanismo de Seguimiento:

   • El transmisor utiliza una señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores para ajustar dinámicamente su patrón de radiación y enfocar la energía precisamente donde se necesita. Este mecanismo de seguimiento mejora la eficiencia y efectividad de la transferencia de energía al garantizar que la potencia transmitida se dirija hacia el nodo objetivo​.

3. Nodos Receptores de Baja Complejidad y Sin Baterías:

   • Los nodos receptores están diseñados para ser simples y sin baterías, utilizando una pequeña porción de energía RF rectificada para generar una frecuencia de modulación dependiente de la RSS. Esta frecuencia impulsa un modulador de retrodispersión, lo que ayuda a mantener la comunicación con el transmisor. La baja complejidad y la ausencia de baterías reducen el mantenimiento y mejoran la longevidad del sistema​.

4. Mecanismo Único de Despertar:

   • El sistema emplea una señal de energía inalámbrica única para activar o despertar los nodos. Este enfoque elimina la necesidad de esquemas de modulación complejos y reduce las posibilidades de colisiones durante las llamadas de activación, aumentando así la eficiencia y fiabilidad general de la red. Este método contrasta con otros sistemas que pueden utilizar técnicas de activación más complejas y que consumen más energía​.

5. Integración con Redes de Sensores Inalámbricos Pasivos (PWSNs):

   • El prototipo está diseñado específicamente para integrarse con PWSNs, que se espera jueguen un papel crucial en el Internet de las Cosas (IoT). La combinación de transmisión selectiva, control adaptativo de la potencia y seguimiento efectivo lo hace particularmente adecuado para dichas redes, donde los dispositivos a menudo se despliegan en grandes cantidades y la eficiencia energética es primordial​.

6. Validación Experimental:

   • El artículo reporta experimentos de laboratorio exitosos que demuestran la efectividad del sistema propuesto a 5.8 GHz para WPT y a 3.6 GHz para la señal piloto. Estos experimentos validan la capacidad del sistema para crear enlaces WPT de campo lejano eficientes con una simplicidad razonable, mostrando su aplicabilidad práctica y robustez en escenarios del mundo real​.

En resumen, los avances clave del sistema propuesto sobre los sistemas de WPT existentes son su control adaptativo de la potencia, mecanismo de seguimiento eficiente, diseño simple y sin baterías del receptor, enfoque único de señal de activación y su idoneidad para la integración en PWSNs. Estas características contribuyen colectivamente a una mayor eficiencia energética, fiabilidad y practicidad en diversas aplicaciones.

.

Este es un sistema en el cual se usan  metadsuperficies de 16x16, 4x4 para recibir señales de Rf, tienen distintos mezcladores, al recibir la señal, los nodos varian los canales hasta llegar al mas eficiente. Utiliza distintos micropresadores para las operaciones, tambien envian datos.en distintas frecuencia a la energia

No mensiona el metodo de modulacion. 

Objetivo : alimentar un actuador simple sin capacidades de procesamiento de RF

Propone un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano (WPT) selectivo, de seguimiento y adaptable a la potencia que puede integrarse en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSN).

Este documento se divide de la siguiente manera. 

La Sección II está dedicada a proporcionar una visión general del sistema propuesto, explicando sus principales conceptos y cómo debería funcionar. 

La sección III está dedicada a describir una matriz en fase electrónica activa orientable: se discutirán los estados de transmisión y la arquitectura de formación de haces. 

En la Sección IV, se presentan los nodos PWSN y su funcionamiento se describe y caracteriza mediante una configuración de medición con conector. 

En la Sección V, se informan los resultados de experimentos inalámbricos de laboratorio.

 La Sección VI está dedicada a la discusión de las ventajas/ desventajas y posibles mejoras para partes específicas del sistema, así como a comparaciones con otros trabajos relacionados. 

Finalmente, en la Sección VII se sacará la conclusión.

Aportes 

Mejora el trabajos de “Enabling a constant and efficient flow of wireless energy for IoT sensors,” , mejoro el dispositivo de “A low complexity and accurate battery-less trackable device”,"Enabling a constant and efficient flow of wireless energy for IoT sensors"

Propone un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano (WPT) selectivo, de seguimiento y adaptable a la potencia que puede integrarse en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSN). 

Desarrolló una matriz en fase orientable activa y electrónica, que utiliza un oscilador local (LO) de dos tonos para seleccionar, rastrear y alimentar de forma inalámbrica nodos de la red de sensores inalámbricos pasivos (PWSN) ubicados dentro de un área determinada. 

Se elimina la sobrecarga que presentan los protocolos tradicionales  Al utilizar una señal de alimentación inalámbrica única como condición de activación,  el transmisor puede activar un solo nodo, incluso si hay varios nodos dentro del ancho del haz del transmisor.

el circuito de activación está formado por un filtro de paso de banda selectivo sintonizado para f , un circuito convertidor de f a CC y un transistor que debe activarse para cerrar la ruta de CC para el módulo de retrodispersión y la carga.

En su aplicacion La frecuencia de modulación ya no estaba presente a 2 y 3,6 m, lo que indica que la potencia transmitida debería aumentarse para mantener el nodo despierto a esas distancias.

Tan pronto como la energía recolectada por el nodo fue suficiente para activarlo, la señal piloto fue retrodispersada y monitoreada. Con la señal de potencia inalámbrica respectiva, se realizó una exploración para cada nodo.

Después de la detección, el transmisor apunta secuencialmente la radiación a cada nodo y el estado disminuye (o se mantiene) para mantener el nodo despierto con la mínima potencia transmitida

Fig. 17. Patrones de radiación utilizados por el transmisor para activar secuencialmente los nodos y mantenerlos despiertos con la mínima potencia requerida. [1]

Materiales utilizados 

Se emplea un modulador IQ (AD8345) to para brindar la capacidad de establecer cualquier cambio de fase y/o amplitud arbitra en cada elemento.

Para establecer la fase y amplitud apropiadas para los 16 elementos, se seleccionó un convertidor digital a analógico (DAC) denso (AD5384). 40 canales y 14 bits de bajo consumo que se puede configurar con cualquier microcontrolador de uso general

diodos Schottky SMS7630-079LF

un oscilador en anillo ompuesto por tres inversores CMOS (SN74AUP1G14)

el modulador de retrodispersión (transistor T 1, ATF54143).

transistor T2 (FDN337N)

 inductores variables (CoilCraft M100)

Teoría 

Concepto de Los nodos receptores

Definición de WPT, redes de sensores inalámbricos (WSN) y su uso en el IoT

Técnicas de seguimiento

Según la teoría del conjunto de antenas 

Las señales multitono son adecuadas para aumentar la eficiencia de conversión de RF a CC. 

Funcionamiento

está compuesto por varios módulos y componentes, cada uno con una función específica que contribuye al rendimiento general del sistema. A continuación, se describen los componentes principales y sus funciones:

Componentes del Prototipo

1. Transmisor con Arreglo de Antenas en Fase:

   • Función: Este componente es responsable de generar y dirigir la energía RF hacia los nodos receptores. Utiliza un arreglo de antenas que puede cambiar su configuración (encendiendo o apagando elementos de la antena) basado en la intensidad de la señal recibida (RSS) de los nodos receptores.
   • Nombre del Módulo: No se especifica un nombre específico para el arreglo de antenas en el artículo, pero es un elemento crucial del sistema.

2. Mecanismo de Seguimiento Dinámico:

   • Función: El transmisor ajusta dinámicamente su patrón de radiación utilizando la señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores. Este ajuste garantiza que la energía se enfoque precisamente en la ubicación del nodo receptor, mejorando así la eficiencia de la transferencia de energía.
   • Nombre del Módulo: Este mecanismo es parte del sistema de control del arreglo de antenas, aunque no se da un nombre específico en el artículo.

3. Nodos Receptores Simples y Sin Baterías:

   • Función: Estos nodos capturan la energía RF transmitida y la rectifican para generar una señal RSS-dependiente que modula una frecuencia. Esta frecuencia se utiliza para la comunicación de retorno al transmisor, lo que ayuda a mantener la transferencia de energía y la comunicación.
   • Nombre del Módulo: Los nodos receptores no tienen un nombre específico mencionado en el artículo, pero su diseño es fundamental para el funcionamiento eficiente del sistema.

4. Modulador de Retrodispersión:

   • Función: Este modulador es accionado por la señal RSS-dependiente generada por los nodos receptores. Permite que el nodo receptor envíe una señal de retorno al transmisor sin necesidad de una fuente de energía activa, utilizando solo la energía capturada.
   • Nombre del Módulo: Aunque se describe su función, no se proporciona un nombre específico para el modulador de retrodispersión en el artículo.

5. Mecanismo de Despertar con Señal de Energía Inalámbrica:

   • Función: El sistema utiliza una señal de energía inalámbrica única para activar o "despertar" los nodos receptores. Este mecanismo simplifica el proceso de activación y reduce el consumo de energía, ya que elimina la necesidad de complejos esquemas de modulación para la activación.
   • Nombre del Módulo: Este mecanismo se describe en términos de su funcionalidad, pero no se asigna un nombre específico en el artículo.

Resumen de las Funciones

• Transmisión Adaptativa: El transmisor ajusta dinámicamente su potencia y dirección de transmisión en función de la RSS de los nodos receptores.
• Seguimiento Preciso: El uso de una señal piloto retrodispersada permite que el transmisor siga y enfoque la energía hacia los nodos receptores.
• Receptores Simples: Los nodos receptores sin baterías utilizan energía rectificada para comunicarse con el transmisor, reduciendo la complejidad y el mantenimiento.
• Despertar Eficiente: Un mecanismo único de señal de energía inalámbrica activa los nodos receptores de manera eficiente y confiable.

En conjunto, estos componentes y módulos trabajan armoniosamente para crear un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano que es más eficiente, adaptable y adecuado para aplicaciones en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSNs) y el Internet de las Cosas (IoT).

Componentes del Prototipo y Sus Funciones

1. Transmisor con Arreglo de Antenas en Fase:

   • Función: Generar y dirigir la energía RF hacia los nodos receptores.
   • Componentes Clave:
     • Modulador IQ (AD8345): Utilizado para modular la señal de RF en fase y en cuadratura, mejorando la precisión y control de la transmisión.
     • Convertidor Digital a Analógico (DAC) denso (AD5384): Convierte señales digitales en señales analógicas para el control preciso de las fases en el arreglo de antenas.

2. Nodos Receptores Simples y Sin Baterías:

   • Función: Capturar la energía RF y generar una señal RSS-dependiente para la comunicación de retorno.
   • Componentes Clave:
     • Diodos Schottky (SMS7630-079LF): Utilizados para la rectificación de la señal RF, convirtiendo la energía RF en energía DC.
     • Inversores CMOS (SN74AUP1G14): Utilizados para procesar y acondicionar las señales dentro de los nodos receptores.

3. Modulador de Retrodispersión:

   • Función: Permitir que el nodo receptor envíe una señal de retorno al transmisor sin una fuente de energía activa.
   • Componentes Clave:
     • Transistor T1 (ATF54143): Utilizado como modulador de retrodispersión, permitiendo la comunicación de vuelta al transmisor utilizando la energía capturada.
     • Transistor T2 (FDN337N): Apoya el proceso de modulación y el acondicionamiento de la señal.

4. Mecanismo de Despertar con Señal de Energía Inalámbrica:

   • Función: Activar o "despertar" los nodos receptores utilizando una señal de energía inalámbrica única.
   • Componentes Clave: Aunque no se menciona específicamente en el resumen, este mecanismo puede utilizar los componentes del receptor y modulador para recibir y procesar la señal de activación.

Resumen de las Funciones

• Transmisión Adaptativa: Utilizando el modulador IQ (AD8345) y el DAC (AD5384), el transmisor puede ajustar dinámicamente su potencia y dirección de transmisión en función de la RSS de los nodos receptores.
• Seguimiento Preciso: La señal piloto retrodispersada permite que el transmisor siga y enfoque la energía hacia los nodos receptores.
• Receptores Simples: Los nodos receptores, equipados con diodos Schottky (SMS7630-079LF) y transistores (T1, ATF54143 y T2, FDN337N), utilizan energía rectificada para comunicarse con el transmisor.
• Despertar Eficiente: El mecanismo de señal de energía inalámbrica activa los nodos receptores de manera eficiente y confiable, utilizando la infraestructura de los componentes descritos.

Estos componentes y módulos, con sus nombres y funciones específicos, trabajan juntos para crear un sistema de transferencia de energía inalámbrica de campo lejano que es más eficiente, adaptable y adecuado para aplicaciones en redes de sensores inalámbricos pasivos (PWSNs) y el Internet de las Cosas (IoT).

Topologia  

  La estructura del sistema generalmente incluye un transmisor de energía adaptativo, nodos receptores pasivos, y mecanismos de control dinámico de la potencia.

Para detectar y alimentar de forma inalámbrica varios nodos pasivos, con capacidades de comunicación de retro dispersión y mecanismos de activación , se selecciona como transmisor de potencia inalámbrico un conjunto en fase activo y orientable electrónicamente que funciona a 5,8 GHz, así como un módulo de comunicación de retrodispersión que funciona a 3,6 GHz.

El sistema propuesto opera en base a una señal piloto que controla el patrón de radiación del transmisor. Sin embargo, en esos trabajos la señal piloto es generada y transmitida por el receptor, lo que implica que el dispositivo receptor debe estar equipado con algún tipo de fuente de energía. Además, el transmisor debe comparar la fase de la señal piloto recibida con una referencia de fase interna para configurar correctamente su haz principal. Aquí, la señal piloto es generada por el transmisor y retrodispersada por el dispositivo receptor, lo que permite admitir nodos totalmente pasivos.

 el transmisor se opera en estados, donde cada estado transmite una cantidad específica de potencia al encender un cierto número de elementos de antena adyacentes, el transmisor monitorea continuamente la potencia recibida del nodo a través de la señal piloto retrodispersada.

Los nodos son dispositivos sin batería que convierten la energía de RF recolectada en energía CC utilizable, que se utiliza para encender un LED rojo.  Estos nodos se activan a partir de la potencia que se transmite y se comunican a través de la señal piloto mediante modulación de retrodispersión.  el transmisor debe saber continuamente cuánta energía recolecta el nodo para seleccionar correctamente el estado y la dirección del haz

Fig. 2. Diagrama de bloques del transmisor que incluye el módulo transceptor de retrodispersión

El transmisor/lector de energía inalámbrico comienza eligiendo el nodo del que desea recuperar información configurando la señal de energía inalámbrica respectiva. Luego, se realiza una exploración a máxima potencia mientras también se irradia la señal piloto. La señal piloto retrodispersada se controla en todas las direcciones del haz. Si el objetivo deseado está presente, activará inmediatamente su modulador de retrodispersión e informará al transmisor sobre cuánta potencia se recibe desde esa dirección específica. Después de todo el escaneo, se conoce la dirección de la potencia máxima recibida y el transmisor puede adaptar la potencia transmitida (estado) para mantener el nodo despierto con una potencia mínima transmitida/consumida. 

Este transmisor consta de 16 canales activos que alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4 diseñada para funcionar a 5,8 GHz. Se seleccionó una distribución espacial uniforme entre elementos de 0,58λ0 (λ0 es la longitud de onda en el espacio libre) para permitir dirigir el haz sin lóbulos de rejilla significativos

Fig. 3. Representación de la antena patch microstrip de potencia inalámbrica plana 4 × 4 con sus estados reconfigurables y las antenas transmisoras/receptoras de señal piloto

Fig. 7. Esquema del nodo donde se resaltan un convertidor de RF a CC, un módulo de retrodispersión, un circuito de activación y una carga

 [1]

En este trabajo opera con tres estados. El estado 1 consta de una fila central, el estado 2 de las dos filas centrales y el estado 3 está formado por todos los elementos.

 

Al utilizar un enlace separado para la señal piloto, el nodo podrá recibir continuamente la energía que se le transmite, al mismo tiempo que podrá dispersar la señal piloto de regreso al transmisor con información útil, a 3,6 GHz

Convertidor de RF a CC y carga

El circuito empleado es una bomba de carga Dickson convencional de tres etapas construida con diodos Schottky SMS7630-079LF y optimizada para operar a 5,8 GHz. La entrada se adapta a la antena a través de un único trozo abierto, mientras que un cuarto de longitud de onda

Módulo de retrodispersión 

El módulo de retro dispersión es el componente que permite al nodo reenviar la señal piloto al transmisor con información útil modulada en frecuencia, la cual está relacionada con la potencia de entrada de RF instantánea. Usa un oscilador en anillo compuesto por tres inversores CMOS (SN74AUP1G14) opera como un oscilador controlado por voltaje (VCO) en la región subumbral, y se muestra que su frecuencia de oscilación ( fm) depende de la frecuencia del nodo. potencia de entrada de RF instantánea

Si el espaciado de tonos de la señal de potencia inalámbrica transmitida es igual al receptor f , el convertidor de RF a CC generará un componente en f y luego lo rectificará f a CC para activar el transistor T2

Se diseñaron y construyeron tres nodos similares con diferentes filtros de paso de banda Butterworth de tercer orden prediseñados.

El nodo 1 se activa mediante una señal de dos tonos con una separación de 597 kHz, el nodo 2 con 1,29 MHz y el nodo 3 con 1,88 MHz

Parámetros 

En este experimento, el PCE máximo cayó al 41,6% y se desplazó ligeramente para una mayor potencia de entrada de RF. Al agregar también el circuito de activación, el PCE máximo disminuyó a 38,1% debido a la potencia disipada en el transistor T2. 

Transmisor de 16 canales activos que alimentan una antena de parche microcinta plana de 4 × 4

5,8 GHz para la WPT y a 3,6 GHz para la señal piloto

a distribución espacial uniforme entre elementos de 0,58λ0  (λ0 es la longitud de onda en el espacio libre)

el ancho del haz es aproximadamente el mismo en el plano de dirección e igual a 23,5°

 se seleccionó como nuevo LO una señal de dos tonos (5,1 y 5,102 GHz), Señal IF 0.7 GHz,

 La ganancia PIRE incremental entre estados consecutivos es de 6 dB, lo que corresponde a 3 dB de la potencia adicional alimentada a la antena y también a 3 dB de la potencia adicional alimentada a la antena. 

 el nodo se enciende aproximadamente a −3 dBm de potencia de

En la primer prueba, entrada de RF promedio y el PCE máximo alcanzado es del 46,2 % a 3 dBm.

el PCE máximo cayó al 41,6% y se desplazó ligeramente para una mayor potencia de entrada de RF. Al agregar también el circuito de activación, el PCE máximo disminuyó a 38,1% debido a la potencia disipada en el transistor T2

La frecuencia de modulación ya no estaba presente a 2 y 3,6 m

Funcionamiento

primero, el transmisor dirige un haz de energía mediante un arreglo de antenas, luego, los nodos receptores capturan la energía y envían una señal de retrodispersión que ajusta dinámicamente el patrón de radiación del transmisor. El modulador IQ (AD8345), el DAC (AD5384) y los diodos Schottky (SMS7630-079LF) son fundamentales para rectificar la energía y modular las señales, lo que permite una transmisión eficiente y adaptativa.

Aplicaciones mencionadas 

 redes de sensores inalámbricos

Internet de las cosas

La WPT con RF es compatible con las redes de sensores y con IoT. La propuesta emplea un modulador IQ (AD8345) y un convertidor digital a analógico (DAC) denso (AD5384), junto con diodos Schottky (SMS7630-079LF), inversores CMOS (SN74AUP1G14), el modulador de retrodispersión (transistor T1, ATF54143) y el transistor T2 (FDN337N). Esta topología de transmisión adaptativa es la más adecuada para trabajar con redes de sensores inalámbricos debido a su capacidad para ajustar dinámicamente el patrón de radiación y enfocar la energía en los nodos deseados.

Para la elección del tipo de batería a utilizar se pueden considerar los siguientes parámetros:

• Eficiencia energética: La capacidad del sistema para optimizar el uso de energía.
• Durabilidad: La vida útil de las baterías en función de los ciclos de carga y descarga.
• Capacidad: La cantidad de energía que puede almacenar la batería.

Entre las ventajas con las que cuentan los nodos receptores, destaca su diseño sin baterías. Estos nodos utilizan una porción de energía RF para generar una frecuencia de modulación que impulsa un modulador de retrodispersión, permitiendo la comunicación con el transmisor. El transmisor, a su vez, utiliza una señal piloto retrodispersada desde los nodos receptores para ajustar dinámicamente su patrón de radiación, enfocar la energía en los nodos necesarios y así mantenerlos activos.

Al variar la distancia entre el transmisor y los nodos receptores, se requiere ajustar la potencia de transmisión para asegurar la activación y operación continua de los nodos. Cuando los nodos recolectan suficiente energía, se activan y envían una señal retrodispersada al transmisor. Esta señal es monitoreada, y en función de la cantidad de energía necesaria para mantener el nodo activo, la potencia de transmisión se ajusta para disminuir o mantenerse.

Esta topología no solo mejora la eficiencia energética del sistema, sino que también prolonga la vida útil de los nodos receptores y reduce la necesidad de mantenimiento frecuente, haciendo que sea una solución viable y efectiva para aplicaciones en IoT y redes de sensores.

Bibliografia

D. Belo, D. C. Ribeiro, P. Pinho, and N. B. Carvalho, “A Selective, Tracking, and Power Adaptive Far-Field Wireless Power Transfer System,” IEEE Trans Microw Theory Tech, vol. 67, no. 9, pp. 3856–3866, Sep. 2019, doi: 10.1109/TMTT.2019.2913653.

Revision: Power control method for improving efficiency of laser-based wireless power transmission system

Este sistema LWPT LD, celda fotovoltaica, matriz fotovoltaica , fuente de alimentación laser, convertidor de energía fotovoltaica, un regulador de corriente y un convertidor elevador. Trabaja con longitud de onda de 808 nm, su salida es menor a 1 W, eficiencia máxima de 9.55%. un método de control de potencia de circuito cerrado, el cual control dual los ciclos de trabajo del diodo laser, con su algoritmo, ajusta dinámicamente la potencia y eficiencia operando el pulso de los ciclos de trabajo. Para el DSP emplea el TMS320F28335, y para la comunicación inalámbrica con el módulo nRF2401.

  load power (Pld): 1 W

Charging power (pbat): >1 W

Distance (L): 5 m

eficiencia máxima del 9.55%

Materiales utilizados

utilizan Célula fotovoltaica de GaAs  convencionales, con esperanza que utilizan celdas más eficientes aumente su eficiencia. 

Se implementó la estrategia de control propuesta  en DSP (TMS320F28335)

la comunicación entre el El transmisor y el receptor se realizaron mediante una comunicación inalámbrica módulo (nRF2401)

analizado utilizando un osciloscopio (tipo: LeCory HDO 4096)

Teoría

Conceptos de WPT

Estructura

Diodo Láser (LD): Utilizado para generar un haz de luz monocromático que se dirige hacia un receptor fotovoltaico (PV) remoto.

Receptor Fotovoltaico (PV): Convierte la luz recibida de vuelta en electricidad para alimentar una carga o cargar una batería.

Regulador de Corriente de Modo Conmutado: Compuesto por un convertidor buck y un convertidor bidireccional buck/boost. Estos componentes se utilizan para regular la corriente de entrada del LD y para manejar las variaciones de potencia en el sistema​.

Convertidor Boost: Utilizado como convertidor de potencia para el PV, asegurando que haya suficiente electricidad para proporcionar potencia a la carga.

Capacitor de Almacenamiento: El diseño incluye un capacitor de almacenamiento que garantiza un voltaje adecuado para el convertidor bidireccional, lo que mejora la estabilidad y eficiencia del suministro de energía al LD​

Mitigación del Rizado de Voltaje: El diseño considera el efecto del rizado de voltaje en el capacitor de enlace DC (Cin) causado por la operación pulsada del láser. Se propone un tamaño óptimo para Cin, equilibrando la eficiencia del sistema, el tamaño y el costo del capacitor​

el sistema emplea un control DSP utilizando el TMS320F28335, que proporciona un control preciso y eficiente del ciclo de trabajo y la gestión energética. 

La comunicación inalámbrica se realiza a través de módulos nRF2401, garantizando una transmisión de datos robusta y eficiente.

Funcionamiento

El transmisor convierte la energía de una fuente primaria (como un generador o una red) en un haz de luz monocromático a través de un diodo láser (LD). Luego, este rayo láser se dirige a través de un director de haz a un receptor fotovoltaico (PV) remoto mediante un método de seguimiento visual o GPS. Parte del rayo láser dirigido al receptor se refleja de regreso al transmisor mediante un retrorreflector, que se coloca en el centro del conjunto fotovoltaico.  la desviación del receptor respecto de la dirección del transmisor se refleja como retroalimentación para mover el eje del haz en la dirección correcta. 

En el receptor, las células fotovoltaicas especializadas igualan la longitud de onda del láser y la intensidad del haz para convertir la luz nuevamente en electricidad para alimentar una carga o cargar una batería. 

Cuando se aumenta la potencia de salida fotovoltaica, se debe aumentar el ciclo de trabajo D para que se pueda minimizar la reducción en la potencia de salida fotovoltaica causada por la ondulación del voltaje fotovoltaico y, por lo tanto, el sistema pueda alcanzar la máxima eficiencia. para condiciones de alta potencia de salida fotovoltaica, a medida que el ciclo de trabajo de la corriente de entrada LD D disminuye y la eficiencia tambien. 

Fig. 2 Eficiencia ideal de un sistema HILPB. [1]

Fig. 20 Diagrama de flujo del algoritmo de búsqueda de ciclo de trabajo óptimo propuesto. [1]

El algoritmo se puede mejorar aún más reduciendo el intervalo de tiempo entre dos perturbaciones adyacentes.

El algoritmo propuesto para encontrar el ciclo de trabajo óptimo del láser (LD) se basa en dos modos principales: Modo 1 y Modo 2.

Modo 1: Búsqueda Inicial

1. Perturbación y Observación: Este modo utiliza el concepto de perturbación y observación. En cada paso, se disminuye el ciclo de trabajo $D$ mientras se incrementa la amplitud máxima de la corriente de entrada del LD $i_{ref}(n)$ para asegurar una potencia de salida constante del PV.
2. Almacenamiento de Parámetros: Durante este proceso, se almacenan el ciclo de trabajo correspondiente $D(n)$, la amplitud máxima de la corriente de entrada $i_{ref}(n)$, la eficiencia del sistema $\eta_{sys}(n)$, la potencia de carga de la batería $p_{bat}(n)$ y el rizo de voltaje de salida del PV $\Delta v_{r\_limt}$.
3. Parada de Búsqueda: El proceso de disminución del ciclo de trabajo continúa hasta que no sea posible un incremento adicional en la eficiencia del sistema debido al efecto del rizo de voltaje, alcanzando un punto de máxima eficiencia local. Si $D$ disminuye hasta su valor mínimo $D_{min}$, el proceso de búsqueda se detiene.

Modo 2: Optimización de la Eficiencia

1. Continua Reducción del Ciclo de Trabajo: Después de alcanzar el punto de máxima eficiencia local en el Modo 1, el ciclo de trabajo $D$ continúa disminuyendo mientras la potencia óptica se perturba correspondientemente para mejorar aún más la eficiencia del sistema.
2. Comparación y Actualización de Parámetros: Se calcula la nueva eficiencia del sistema $\eta_{sys}(n+1)$ y la disminución de la potencia de carga de la batería $\Delta p_{bat}(n+1)$. Estos valores se comparan con la eficiencia del sistema almacenada $\eta_{max}$ y un coeficiente límite $a$, que equilibra la eficiencia del sistema y la potencia de carga. Si $\eta_{sys}(n+1)$ es mayor que $\eta_{max}$ y $\Delta p_{bat}(n+1)$ es menor que $a$, se actualizan los valores óptimos almacenados.
3. Continuación del Proceso: El proceso continúa en el Modo 2 hasta que $D(n) < D_{min}$.

El método de control de potencia propuesto tiene como objetivo optimizar la eficiencia del sistema de transferencia de potencia inalámbrica por láser (LWPT). La lógica del método se basa en las siguientes observaciones y principios:

1. Efecto del Rizo de Voltaje del PV: La eficiencia del sistema varía con el ciclo de trabajo del LD debido al rizo de voltaje en la salida del PV. A bajas potencias de salida del PV, el rizo es pequeño y la eficiencia del sistema aumenta al disminuir el ciclo de trabajo. A altas potencias de salida, el rizo aumenta con la disminución del ciclo de trabajo, lo que puede reducir la eficiencia del sistema.
2. Compensación entre Eficiencia y Potencia de Carga: Hay una compensación entre la eficiencia del sistema y la potencia de carga de la batería. A medida que se optimiza la eficiencia del sistema, la potencia de carga puede disminuir. Esto requiere encontrar un equilibrio adecuado para maximizar la eficiencia sin sacrificar significativamente la potencia de carga.
3. Algoritmo de Búsqueda Óptima: El algoritmo busca continuamente el ciclo de trabajo óptimo que maximiza la eficiencia del sistema considerando las condiciones de carga y las características del rizo de voltaje del PV.

Topologia

LD con 1.6V alternos de entrada y 60 amperios

diodo láser de 50 W acoplado a fibra con una longitud de onda de 808 nm y un array de PV GaAs 6×6

celda fotovoltaica, matriz fotovoltaica, fuente de alimentación laser y convertidor de energía fotovoltaica, un regulador de corriente y un convertidor elevador. Trabaja con longitud de onda de 808 nm, su salida es de 50 vatios, logrando una eficiencia de 50%. Para el DSP emplea el TMS320F28335, y para la comunicación inalámbrica con el módulo nRF2401.

Fig. 13 Sistema LWPT con el circuito de control propuesto. [1]

Conjunto LD y PV, el regulador de corriente de modo de conmutación diseñado en trabajo previo  y un convertidor elevador se emplean como fuente de alimentación láser y convertidor PV.

El regulador de corriente de modo de conmutación se compone de un convertidor reductor y un convertidor bidireccional reductor/elevado.

El convertidor bidireccional reductor/elevador se emplea como unidad de almacenamiento para proporcionar el componente de CA del iLD al LD cuando el regulador está funcionando en modo de pulso. 

Un controlador dual de circuito cerrado para el sistema LWPT. Emplea un circuito de energía externo para garantizar que el valor promedio de la potencia de salida fotovoltaica ppv_avg sea igual a la potencia demandada pdem. Emplea un bucle de corriente interno. El algoritmo de búsqueda perturba el ciclo de trabajo de la corriente de referencia iLD_ref hasta que el sistema opera en el punto de máxima eficiencia, también ajusta en consecuencia la amplitud máxima de iLD_ref para que el valor promedio de iLD_ref pueda ser igual a iLD_ref.

El capacitor Cin debe ser mayor que 10 mF, Si el voltaje de salida es pequeño (~5 V), se utilizan varios condensadores de tantalio de 330 µF/6,3 V.

Un LD de 808 nm acoplado por fibra de 50 W y un conjunto fotovoltaico de GaAs de 6 × 6

Fig. 21 Prototipo de sistema LWPT de laboratorio [1]

Parámetros

Del sistema

LD

LD input voltage (VLD_in): ∼1.6 V

Maximum input current (ILD): 60 A

Wavelength (λ): 808 nm

Maximum output optical power (Po_max): 50 W

Maximum efficiency (ηLD): 50%

Minimum duty cycle of input current (D): 0.45

Pulse frequency (fs): 100 Hz

PV cell 

voltage at MPP (Vmpp): 0.8667 V

Current at MPP (Impp): 0.2663 A

Maximum efficiency (ηpv): 35%

Size: 2 × 2 cm

PV array 

output power: 0–5 W

Voltage at MPP: 5–6 V

Laser power supply 

input voltage: 12 V

Output current: 0–30 A

PV power converter

 output power: 0–5 W

Input capacitor (Cin): 10 mF

System

 load power (Pld): 1 W

Charging power (pbat): >1 W

Distance (L): 5 m

El sistema experimental alcanzó una eficiencia máxima del 9.55% se obtiene cuando la potencia de salida fotovoltaica se reduce de 4 a 3,76 W. Aunque la mejora de la eficiencia del sistema es solo del 0,1 % cuando el algoritmo de búsqueda

Tabla 1 Especificaciones del sistema [1]

Se espera cubrir mayor cantidad de metros diseñando cuidadosamente el director del haz. Además, para prevenir que la transferencia de energía al conjunto fotovoltaico se reduzca significativamente

Aplicaciones mensionada

Satelites, Vehículos aéreos no tripulados (UAV), robots móviles, teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles eléctrico

Aportes 

El articulo propone un método de control de potencia de circuito cerrado para sistemas LWPT para explorar las mejores condiciones de rendimiento para dichos sistemas en constaste al circuito abierto comúnmente usado para la WPT por Laser.  

El metodo optimiza la eficiencia de un sistema LWPT al controlar el ciclo de trabajo de la corriente de entrada del diodo láser (LD). 

Propone un controlador dual de circuito cerrado,  Esta optimización se logra mediante un algoritmo de búsqueda del ciclo de trabajo óptimo, ajusta dinámicamente la potencia transmitida en función de las condiciones de carga y la eficiencia del sistema

Se puede ver que operar el sistema en modo de pulso con un ciclo de trabajo pequeño D da como resultado un mejor rendimiento. Se llega a la conclusión de que reducir el ciclo de trabajo del láser de pulso es útil para mejorar la eficiencia del sistema y es adecuado para diferentes condiciones de frecuencia de pulso

 Bibliografia

W. Zhou and K. Jin, “Power control method for improving efficiency of laser-based wireless power transmission system,” IET Power Electronics, vol. 13, no. 10, pp. 2096–2105, Aug. 2020, doi: 10.1049/iet-pel.2019.1372.