Multi-frequency microwave energy harvesting receivers: theory and applications
- Autores: Ana López Yela
- Directores de la Tesis: Daniel Segovia Vargas (dir. tes.), Zoya Popovic (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Martín Pascual (presid.), Simon Jacques Hemour (secret.), Nuno Borges Carvalho (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
Las emisiones a lo largo de todo el espectro electromagnético no solo se pueden utilizar para las comunicaciones, sino que también pueden emplearse para la alimentación de dispositivos electrónicos. Este recurso se ha hecho cada vez más abundante en los últimos años gracias a los recientes despliegues en telefonía móvil de 4G y 5G y a la popularización de las redes inalámbricas de banda ancha (WiFi), sin olvidar las comunicaciones de difusión ya existentes como la radio o televisión. El elemento clave para poder aprovechar estas emisiones es la denominada rectena, que es una antena con un elemento rectificador integrado (en este caso un diodo). El objetivo de esta tesis es proponer nuevos diseños de rectenas/rectificadores que permitan reducir o eliminar el uso de baterías en los millones de dispositivos y redes de sensores de bajo consumo, al mejorarse su funcionamiento.
Este proceso podría llevarse a cabo con paneles fotovoltaicos o sistemas piezoeléctricos, pero éstos requieren de la presencia continua de la fuente que los origina (vibraciones, horas de sol). Sin embargo, la energía electromagnética producida por las estaciones base, de telefonía o televisión, está presente bajo su zona de cobertura las 24 horas del día, lo cual incluye zonas de difícil acceso en las que es complicado el recambio o mantenimiento de las baterías. Cabe destacar que estas emisiones tienen como principal limitación unos bajos niveles de densidad de potencia, obteniéndose valores de eficiencia de conversión RF-DC muy bajos. Esto conlleva que los valores de corriente DC para alimentar al sensor sean muy pequeños, del orden de nA o µA y, por tanto, deban emplearse técnicas para la mejora del rendimiento.
Esta tesis propone una alternativa para mejorar la eficiencia de conversión, basada en la probada mejora de eficiencia cuando se trabaja con señales con un “Peak to Average Power Ratio” (PAPR) grande, es decir, señales con un valor de pico de potencia superior al valor medio. Esto se da en escenarios multitonales como es el caso del espectro electromagnético, presentando una gran cantidad de servicios a lo largo de la frecuencia. De manera general, y aunque cada servicio presenta diferentes modulaciones, el tratamiento puede hacerse como si fuera una señal multitonal. Esta mejora no ha sido abordada teóricamente de manera precisa en trabajos previos, por lo que en esta tesis se desarrollan unos modelos matemáticos que predicen la componente DC de la corriente del diodo cuando se excita con múltiples tonos. Los resultados obtenidos han sido validados en el laboratorio, demostrándose la mejora en la eficiencia de conversión y el buen comportamiento predictivo del modelo teórico. De esta forma, se pueden agilizar los cálculos cuando no se tiene un software de simulación disponible, o cuando éste arroja problemas de convergencia debido al alto número de armónicos empleado.
Esta tesis consta de seis capítulos y un apéndice, organizados de la siguiente manera: en el primer capítulo se expone una breve introducción sobre la evolución del concepto de la transferencia inalámbrica de potencia. Con la teoría desarrollada por Maxwell y los experimentos de Hertz con ondas electromagnéticas, Tesla fue capaz de realizar el primer experimento de transferencia de potencia para abastecer el alumbrado de un evento en 1890. Poco tiempo después, en 1898, fue capaz de demostrar cómo las ondas electromagnéticas son capaces de transportar energía e información por el aire, al controlar de manera remota un pequeño barquito, en una exhibición que tuvo lugar en el Madison Square Garden. No fue hasta tiempo después, en 1964, que William C. Brown utilizó ondas electromagnéticas y una rectena para alimentar y hacer funcionar un helicóptero a 2.45GHz. El mecanismo de transferencia inalámbrica de potencia comprende seis alternativas, aunque tres de ellas (por acoplo inductivo, capacitivo y por acoplo resonante en campo cercano) pueden ser unificadas en la misma categoría, debido a la similitud del principio de funcionamiento: i) mediante el campo cercano reactivo, empleando bobinas y/o condensadores; ii) usando ondas en una cavidad resonante blindada “overmoded” en campo cercano; iii) aprovechando la emisión en campo lejano de un haz directivo y, iv) recolectando la energía electromagnética ambiental, también conocida como “energy harvesting”. Todas estas alternativas son explicadas en el primer capítulo, haciendo especial énfasis en la última, pues se trata del tema central de la tesis. Además, se analiza el estado del arte, incluyendo los diferentes valores de eficiencia de conversión y características (potencia, bandas de trabajo) de cada referencia.
En el segundo capítulo se explora el comportamiento del diodo desde el punto de vista matemático. Se trata de la parte fundamental de un rectificador, el cual conforma un receptor de potencia inalámbrico. El diodo opera en su región no lineal en el entorno bajo estudio, ya que trabaja con densidades de potencia pequeñas. Este hecho produce un incremento de eficiencia cuando se usan señales con gran PAPR, respecto a un tono con la misma potencia media. Esto se debe a la presencia de picos de señal que permiten superar el umbral de funcionamiento del diodo de manera más eficiente. Hasta la fecha, ningún modelo teórico ha predicho con precisión este hecho, probado empíricamente en otros trabajos. En algunos estudios se trató de modelar el comportamiento no lineal del diodo ante señales multitonales, pero un parámetro esencial del diodo fue omitido por simplicidad, la resistencia serie. De esta forma fue posible obtener una aproximación matemática mediante una serie de Taylor de la corriente en el diodo, representada por la ecuación de Shockley. Sin más que tomar el término DC (primer término de la serie de Fourier), se pudo obtener la contribución DC con orden N, pero con poca precisión. Este parámetro, tal y como se explica en la tesis, es de especial relevancia puesto que afecta al diodo desde que está operativo, tanto en la región no lineal como en la lineal. Los dos modelos desarrollados en este capítulo tratan de aproximarse al máximo al funcionamiento real de un diodo, incluyendo todos los parámetros que afectan a la ecuación de Shockley. La presencia de la resistencia serie hace más complejo el trabajo, puesto que ya no es posible realizar de manera directa una serie de Taylor de la corriente del diodo en función de la tensión. De las dos aproximaciones mostradas, una es muy precisa para pequeños valores de tensión, como los presentes en entornos con muy bajas densidades de potencia, mientras que la otra modela tanto valores bajos como altos de tensión. En el primer caso, se emplea la función Omega Wright para definir la corriente del diodo en función de la tensión de excitación (multitono), dado que de manera directa es imposible ya que la corriente aparece a ambos lados de la ecuación de Shockley. Así, realizando una serie de transformaciones a la función Omega Wright es posible realizar la serie de Taylor a la corriente, al ser definidas sus derivadas, obteniéndose una buena convergencia punto a punto. Sin embargo, esta convergencia está limitada en un rango cercano al punto donde se ha realizado la serie de Taylor, en este caso 0, al considerarse que no hay otra alimentación previa (“unbiased”). Para el segundo modelo, válido tanto con tensiones bajas como altas, se emplean los polinomios de Legendre, que dada su propiedad de ortogonalidad permiten obtener una buena aproximación ajustando los pesos para cada orden de polinomio, generando una expansión polinomial hasta un cierto orden. En este caso la convergencia es menor, pero permite definir la región donde funciona el modelo con una buena aproximación, permitiendo así trabajar tanto con valores pequeños como grandes de tensión. Ambos modelos son novedosos para la aproximación del comportamiento no lineal de cualquier diodo, proporcionando errores de convergencia inferiores al 6%. Dichos modelos han sido comparados con simulaciones en NI/AWR empleando el “Harmonic Balance Simulator”, para múltiples tonos de entrada, variando la amplitud y frecuencia de estos.
En el capítulo 3 se procede a comparar y validar el modelo teórico desarrollado mediante polinomios de Legendre (permite trabajar en un rango mayor de tensiones de entrada), con simulaciones no lineales de balance armónico, pero en este caso de un diodo realista. En el capítulo anterior se verificó el buen comportamiento del modelo, pero en este caso se quiere comparar específicamente el comportamiento de un diodo en particular (el diodo SMS 7630). Para comenzar, es necesario revisar sus parámetros Spice, además de contar con un desarrollo circuital del encapsulado, partiendo de un esquema de parásitos existente. Una vez obtenido el esquema completo, se procede a analizar la respuesta en simulación según la influencia de cada parámetro. Este proceso conlleva la realización de varias iteraciones, hasta conseguir ajustar el modelo Spice y de parásitos, obteniendo similitud entre las simulaciones y medidas, tanto de los parámetros S en gran señal (LS11) como en la eficiencia de conversión RF-DC. Esta comparación se lleva a cabo sobre tres rectificadores, funcionando a distintas frecuencias y potencias, pero dentro de la banda de trabajo de 0.9 a 3.5 GHz desde -25 a -10 dBm. Esto se debe al comportamiento no lineal de rectificador (lleva un diodo integrado), que es variable tanto en frecuencia como en potencia. En este capítulo se muestran dos modelados circuitales completos (Spice más parásitos del encapsulado) para el diodo bajo estudio, uno intermedio donde tanto la magnitud del coeficiente de reflexión como la eficiencia están bien caracterizados, pero no así la fase, y un segundo modelo definitivo, donde se incluye una corrección de fase (y una pequeña modificación de los parámetros) para conseguir un circuito adecuado, que ejemplifica el comportamiento del diodo SMS7630 en el rango frecuencial deseado, aunque a altas potencias, a partir de -10 dBm, comienza a degradarse. Una vez validado el esquema de simulación del diodo, es necesario analizar el comportamiento del rectificador completo ante diferentes señales multitono. Para ello se emplea un banco de medidas especial, que solventa las limitaciones del equipamiento de laboratorio, ya que estas medidas requieren de una fuente multitono, la cual no estaba disponible en el laboratorio. Por este motivo, se incluye un circuito combinador Wilkinson de banda ancha 4 a 1, para sumar hasta cuatro tonos en el puerto de salida, que se conecta a su vez a un acoplador de 20dB y al rectificador, para poder cuantificar la potencia RF de entrada a éste. De esta forma se puede medir la eficiencia de conversión en el laboratorio cuando se usan varios tonos. En este caso se muestran medidas con hasta cuatro tonos independientes, con diferentes amplitudes y frecuencias relativas. Los resultados concluyen que la mejora en eficiencia al usar señales con alta PAPR es patente, pero en el codo de la curva del diodo, es decir, en su región no lineal donde la señal de entrada es muy pequeña. Según aumenta la amplitud, esta mejora se pierde, ya que el diodo empieza a operar en una región lineal. Esto implica que la mejora en eficiencia existe, pero también es relativa a la amplitud y frecuencia de los tonos de entrada.
Una vez estudiado el rectificador, el capítulo 4 de la tesis aborda el diseño de la antena. Para ello, se analizan los diferentes criterios de diseño que deben emplearse cuando se trabaja con una transmisión de potencia inalámbrica directiva o no directiva, como es el caso bajo estudio, así como las técnicas de integración entre rectificador y antena. Previo al diseño, es recomendable realizar medidas espectrales. En este caso, se muestran medidas en distintas ubicaciones del campus de la universidad, hechas durante varios días en el rango de 0.5 a 5GHz, donde se tomaron muestras cada 30 segundos durante espacios de 3 horas. De esta forma el espectro está caracterizado, pudiendo observarse los valores promedio de la densidad de potencia disponible, para conocer de antemano el entorno de trabajo. En aquel momento 5G no había sido desplegado, por lo que su contribución no aparece reflejada en las mediciones de espectro. Aun así, se incluye un análisis con las bandas más significativas tanto en polarización vertical como horizontal. Una vez analizado el entorno, es posible diseñar la rectena. En este caso, se explica el diseño de una antena bow-tie antipodal, adecuada para la aplicación bajo estudio. Esta topología proporciona un ancho de banda adecuado (de 0.5 a 4 GHz), un diagrama omnidireccional y tiene un coste reducido. En este capítulo se realiza la integración entre antena y rectificador cuando ambos circuitos están diseñados a 50 Ω (en el capítulo 5 se analiza el otro tipo de integración explicada, source-pull). Por último, se compara el funcionamiento de la rectena completa, tanto en cámara anecoica como en espacio libre (aprovechándose la energía desperdiciada por las estaciones base de telefonía y radiodifusión). Los resultados demuestran que es posible recolectar y rectificar la energía ambiental, obteniéndose aproximadamente -40dBm con un solo elemento. El uso de más elementos, como se muestra en el siguiente capítulo, permite aumentar la cantidad energía recolectada y, por tanto, incrementar la corriente DC rectificada para alimentar dispositivos de manera autónoma.
En el capítulo 5 se presenta una posible aplicación al integrarse una rectena impresa en una camiseta para alimentar sensores biológicos o “wearable”. Se trata de un diseño de banda ancha que opera en el rango de 2 a 5 GHz, que permite recolectar suficiente energía para alimentar sensores de bajo consumo. De nuevo una antena bow-tie es elegida como topología de trabajo, dada su facilidad de escalado, así como su integración con el diodo. En este caso se aplica la técnica de integración source-pull para evitar poner redes de adaptación entre etapas. De esta forma, se puede ver en qué región de la carta de Smith debe operar la antena, de manera previa a la fabricación mediante simulaciones, para maximizar la potencia DC rectificada. Tras esto, el diseño se adapta para obtener ese comportamiento, creando un tablero de ajedrez de 9x9 elementos, donde los diodos están ubicados sobre el eje horizontal, en el punto de alimentación de cada antena. Para testear el modelo, se realizan medidas variando la densidad de potencia entre 4 y 130 µW/cm2, sobre dos tamaños de array, 4x4 y el completo de 9x9. Al tratarse de un diseño “wearable”, se analiza la aplicación tanto en un maniquí, como en un cuerpo humano, comprobando el comportamiento de la antena impresa sobre distintas composiciones corporales (personas con diferente tejido adiposo o con diferente musculatura). En este caso, el diseño con 16 elementos proporciona mejores resultados que el de 81, debido a la resistividad de la tinta conductora, lo cual reduce la eficiencia en arrays de rectenas grandes. Dada la arquitectura de la antena, es posible rectificar energía en ambas polarizaciones, debido al diagrama de la radiación contrapolar, aunque de manera menor en el caso vertical. Las medidas presentan una eficiencia del 62%, a 2.2GHz y 72 µW/cm2 para el caso horizontal y un 16% a 2.9GHz y 86 µW/cm2 en el caso vertical.
Finalmente, el capítulo 6 recopila las conclusiones del trabajo que se muestra en esta tesis e ideas para trabajos futuros. Se proponen desde enfoques para reducir más el error en la aproximación del comportamiento no lineal del diodo en el capítulo 2, a posibles mejoras en la antena impresa del capítulo 5, incluyendo la doble polarización lineal alineando diodos sobre el eje vertical y analizando la mejora en eficiencia del diseño bajo un ambiente multitonal, como es la energía electromagnética ambiental.
