Efficient wireless power transfer and radio frequency identification systems

Abstract

In the IoT context, where billions of connected objects are expected to be ubiquitously deployed worldwide, the frequent battery maintenance of ubiquitous wireless nodes is undesirable or even impossible. In these scenarios, passive-backscatter radios will certainly play a crucial role due to their low cost, low complexity and battery-free operation. However, as passive-backscatter devices are chiefly limited by the WPT link, its efficiency optimization has been a major research concern over the years, gaining even more emphasis in the IoT context. Wireless power transfer has traditionally been carried out using CW signals, and the efficiency improvement has commonly been achieved through circuit design optimization. This thesis explores a fundamentally different approach, in which the optimization is focused on the powering waveforms, rather than the circuits. It is demonstrated through theoretical analysis, simulations and measurements that, given their greater ability to overcome the built-in voltage of rectifying devices, high PAPR multi-sine (MS) signals are capable of more efficiently exciting energy harvesting circuits when compared to CWs. By using optimal MS signals to excite rectifying devices, remarkable RF-DC conversion efficiency gains of up to 15 dB with respect to CW signals were obtained. In order to show the effectiveness of this approach to improve the communication range of passive-backscatter systems, a MS front-end was integrated in a commercial RFID reader and a significant range extension of 25% was observed. Furthermore, a software-defined radio RFID reader, compliant with ISO18000-6C standard and with MS capability, was constructed from scratch. By interrogating passive RFID transponders with MS waveforms, a transponder sensitivity improvement higher than 3 dB was obtained for optimal MS signals. Since the amplification and transmission of high PAPR signals is critical, this work also proposes efficient MS transmitting architectures based on space power combining techniques. This thesis also addresses other not less important issues, namely self-jamming in passive RFID readers, which is the second limiting factor of passive-backscatter systems. A suitable self-jamming suppression scheme was first used for CW signals and then extended to MS signals, yielding a CW isolation up to 50 dB and a MS isolation up 60 dB. Finally, a battery-less remote control system was developed and integrated in a commercial TV device with the purpose of demonstrating a practical application of wireless power transfer and passive-backscatter concepts. This allowed battery-free control of four basic functionalities of the TV (CH+,CH-,VOL+,VOL-).

No contexto da internet das coisas (IoT), onde são esperados bilhões de objetos conectados espalhados pelo planeta de forma ubíqua, torna-se impraticável uma frequente manutenção e troca de baterias dos dispositivos sem fios ubíquos. Nestes cenários, os sistemas radio backscatter passivos terão um papel preponderante dado o seu baixo custo, baixa complexidade e não necessidade de baterias nos nós móveis. Uma vez que a transmissão de energia sem fios é o principal aspeto limitativo nestes sistemas, a sua otimização tem sido um tema central de investigação, ganhando ainda mais ênfase no contexto IoT. Tradicionalmente, a transferência de energia sem-fios é feita através de sinais CW e a maximização da eficiência é conseguida através da otimização dos circuitos recetores. Neste trabalho explora-se uma abordagem fundamentalmente diferente, em que a otimização foca-se nas formas de onda em vez dos circuitos. Demonstra-se, teoricamente e através de simulações e medidas que, devido à sua maior capacidade em superar a barreira de potencial intrínseca dos dispositivos retificadores, os sinais multi-seno (MS) de elevado PAPR são capazes de excitar os circuitos de colheita de energia de forma mais eficiente quando comparados com o sinal CW tradicional. Usando sinais MS ótimos em circuitos retificadores, foram verificadas experimentalmente melhorias de eficiência de conversão RF-DC notáveis de até 15 dB relativamente ao sinal CW. A fim de mostrar a eficácia desta abordagem na melhoria da distância de comunicação de sistemas backscatter passivos, integrou-se um front-end MS num leitor RFID comercial e observou-se um aumento significativo de 25% na distância de leitura. Além disso, desenvolveu-se de raiz um leitor RFID baseado em software rádio, compatível com o protocolo ISO18000-6C e capaz de gerar sinais MS, com os quais interrogou-se transponders passivos, obtendo-se ganhos de sensibilidade dos transponders maiores que 3 dB. Uma vez que a amplificação de sinais de elevado PAPR é uma operação crítica, propôs-se também novas arquiteturas eficientes de transmissão baseadas na combinação de sinais em espaço livre. Esta tese aborda também outros aspetos não menos importantes, como o self-jamming em leitores RFID passivos, tido como o segundo fator limitativo neste tipo de sistemas. Estudou-se técnicas de cancelamento de self-jamming CW e estendeu-se o conceito a sinais MS, tendo-se obtido isolamentos entre o transmissor e o recetor de até 50 dB no primeiro caso e de até 60 dB no segundo. Finalmente, com o objetivo de demonstrar uma aplicação prática dos conceitos de transmissão de energia sem fios e comunicação backscatter, desenvolveu-se um sistema de controlo remoto sem pilhas, cujo protótipo foi integrado num televisor comercial a fim de controlar quatro funcionalidades básicas (CH+,CH-,VOL+,VOL-).