Otimização de sistemas de transmissão de energia sem fios

Abstract

Na área de transmissão de energia sem fios por radiofrequência, grande esforço tem sido dedicado ao desenvolvimento e estudo de formas de onda apropriadas para aumento da eficiência de conversão de energia de radiofrequência em energia DC, usada para alimentar os nossos dispositivos eletrónicos. Tal aumento de eficiência é obtido usando formas de onda que possuem uma elevada relação entre a potência de pico e a sua média. Os recetores destes sistemas são normalmente circuitos detetores de pico pelo que sinais de natureza multi-portadora são frequentemente usados para obter elevado Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) permitindo ultrapassar a barreira de potencial dos díodos retificadores para potências inferiores, resultando num aumento de eficiência quando comparados com o cenário tradicional de uma única portadora. O aumento de eficiência de conversão traduz-se, por exemplo, num aumento da distância de comunicação de um sensor passivo. Com esta dissertação pretende-se efetuar um estudo ao nível de possíveis formas de onda a utilizar num transmissor de um sistema de transferência de energia sem fios por forma a aumentar a eficiência de conversão. Sinais inovadores como sendo multisenos harmonicamente espaçados e sinais de radar são pela primeira vez explorados nesta área e as suas vantagens/ desvantagens são reportadas. Verifica-se que aplicando a técnica de compressão de pulsos, tipicamente usada em sistemas de radares, a um sinal do tipo chirp resulta num sinal cujo PAPR pode ser controlado através de parâmetros inerentes ao sinal chirp utilizado e pode assumir um valor arbitrário. Por forma a testar sinais multiseno harmonicamente espaçados, o projeto de um conversor RF-DC de banda dupla é apresentado.

Recently, in wireless power transmission field, many efforts were made in order to study and develop new waveforms that can boost the efficiency conversion of radio frequency energie into DC energie, which can be used to power up our electronics without cables. This efficiency boost is typically achieved by using waveforms that assumes a high peak power when compared with its average. The receivers are usualy simple peak detectors and then, signals with multicarrier nature are widely used to achieve high Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) that enables us to activate a rectifying diode with less average power, when compared with the traditional single carrier case. This power conversion efficiency boost leads, for example, to an increase in the distance that a passive sensor can effectively communicate. This dissertation provides a study of several waveforms that can be used on a wireless power transmission system's transmitter that can actually further increase the power conversion efficiency of most RF to DC converters. Innovating signals such as harmonically spaced multisines and radar signals are exploited, for the first time, on wireless power transmission field and its advantages/disadvantages are reported. Moreover, if pulse compression technique is applied to a chirp signal, typically used on radar systems, we end up with a time domain waveform with a very high PAPR and it is possible to control its value adjusting some of the basic chirp signal parameters. In order to test harmonically spaced multisines, a dual band RF to DC converter is proposed and designed.