Rectennas for Energy Harvesting from RF Communication Systems: A Review

Rectenas para el Cosechamiento de Energía de los Sistemas de Comunicaciones en RF: Una Revisión

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En las últimas décadas, se han desarrollado una serie de sistemas inalámbricos para el intercambio de información, monitoreo de fenómenos físicos, control de eventos, entre otros, con mayores tasas de transmisión y facilitando la interconexión de diversos dispositivos [1], [2]. Esto ha permitido que un mayor número de abonados o usuarios usen estos sistemas en su vida cotidiana, tanto en aplicaciones domésticas como comerciales [3, 4].

Este desarrollo ha conllevado a que el espectro de ondas electromagnéticas se ocupe cada vez más, y a la vez se emita energía electromagnética que no está siendo aprovechada en su totalidad. De esta manera, la energía radiada en un área pudiera no ser utilizada efectivamente y en este caso pudiera reciclarse y convertirse en energía eléctrica para diversas aplicaciones [5].

Existen varios métodos para cosechar energía inalámbrica que dependen principalmente de la distancia entre el transmisor y el receptor. Para distancias cortas, alrededor de los centímetros, destacan los métodos de acople inductivo y capacitivo que operan a frecuencias entre 10 kHz y varias decenas de MHz [6–10]. Para distancias mayores, se emplean rectenas, también denominadas antenas rectificadoras, que captan las ondas electromagnéticas para valores de frecuencia superiores a 850 MHz, rango en el que actualmente se siguen desarrollando servicios [5, 6, 11].

El empleo de estos dispositivos tiene como ventajas que su tiempo de vida es casi ilimitado ya que no es necesario su reemplazo, y que son sostenibles debido a que reciclan la energía electromagnética que está en el ambiente [5]. No obstante, en la implementación de las rectenas no existe un único modelo para una aplicación dada; se han propuesto distintas configuraciones de antenas y rectificadores para cosechar energía en un mismo sistema. Además, se han agregado elementos adicionales para mejorar su rendimiento [11].

El objetivo de este artículo es caracterizar el desempeño de las rectenas que cosechan energía de radiofrecuencia (RF) de los sistemas de comunicaciones basándose en la revisión de investigaciones previas, con el fin de identificar aspectos relevantes en las distintas etapas que conforman esta fuente de energía, tanto de las configuraciones de antenas y rectificadores empleados, como de los elementos que mejoran su rendimiento. Finalmente, se sugieren temas para investigaciones futuras que contribuyan con el desarrollo de esta área para mejorar la eficiencia de conversión y fortalecer este método de obtención de energía sostenible.

La revisión documental se basó en los artículos originales y de revisión, los trabajos presentados en conferencias y simposios, más relevantes de los últimos cinco años que están registrados en las bases de datos de Scopus, IEEE Xplore y SCImago. En dichos documentos, el evento de estudio fueron las rectenas para cosechar energía de sistemas de comunicaciones en RF, desde 900 MHz hasta 5,8 GHz, tales como los sistemas de telefonía móvil GSM (Global Systemfor Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile TelecommunicationSystem) y LTE (Long-TermEvolution); redes de área local inalámbrica (Wireless Local Area Networks, WLAN); y las bandas de ISM (Industrial, Scientific and Medical). Para el análisis de los resultados se emplearon gráficas circulares, de barras y de dispersión, lo cual permitió determinar los aspectos relevantes de los parámetros técnicos de las rectenas. Rectenas para Sistemas RF

La estructura básica de la rectena está constituida por dos etapas: la de recepción y la de conversión de energía, en las cuales se emplean antenas y rectificadores respectivamente. Entre estas etapas se puede colocar un acoplador de impedancia (Figura 1) para disminuir la pérdida de energía durante el proceso de conversión [12], que es originada por fenómenos físicos, tales como la resonancia espontánea y los efectos parásitos, causados por los tamaños de los elementos que son similares a la longitud de onda de operación [11,13, 14].

Figura 1
Estructura básica de las rectenas

Al caracterizar la eficiencia de conversión máxima de las rectenas se observaron valores diversos, como se muestra en la Figura 2. Para el sistema GSM/ISM en la banda de 900 MHz, la mejor eficiencia máxima fue 75% para un nivel de potencia de entrada de -1 dBm [15], lo cual fue un buen resultado ya que para valores debajo de -1 dBm se han obtenido valores inferiores al 41%. Para ello, los autores implementaron la técnica HRC (Hybrid Resistance Compression) en el circuito de rectificación. Para la banda de 1800 MHz de GSM, se obtuvo una eficiencia del 67,6% a 10 dBm [16] y el resto de rectenas diseñadas para cosechar energía en esta banda tuvieron una potencia de entrada inferior a -7 dBm con una eficiencia inferior al 33%.

En el sistema de comunicación UMTS se obtuvo un 45% de eficiencia de conversión para un nivel de potencia de entrada de -7 dBm [17]. Este valor de eficiencia máxima es superior al obtenido en GSM a 1800 MHz, si se les compara con el mismo nivel de potencia de entrada. Para el sistema LTE se obtuvo 70% a 5 dBm empleando un acoplador de impedancia doble que maximizó la energía

cosechada [18]. En WLAN/ISM a 2,45 GHz se obtuvo 87% a una potencia de 6,4 dBm mediante el uso de un rectificador de doble acceso [19]. Mientras que en WLAN/ ISM a 5 GHz, se obtuvo 64% a 4 dBm [20].

Figura 2
Eficiencia de conversión máxima en función de los sistemas RF

De esta manera, se aprecia que los mayores valores de eficiencia de conversión máxima se han obtenido en los dos sistemas de comunicaciones más estudiados en los últimos años, siendo el sistema WLAN/ ISM a 2,45 GHz el que presentó el mayor valor, seguido del GSM a 900 MHz. En este orden de ideas, existe un vacío en profundizar en el desarrollo de rectenas para mejorar la captación de energía de los sistemas UMTS, LTE y WLAN a 5 GHz, que tienen un crecimiento significativo en los últimos años [21].

En la Tabla 1 se registra el promedio (µ) y desviación estándar (σ) de la eficiencia de conversión máxima, en donde las rectenas diseñadas para el sistema GSM a 1,8 GHz presentaron el menor valor promedio y mayor desviación estándar, por lo cual futuras investigaciones pueden enfocarse en diseñar rectenas con un mejor rendimiento en dicha banda. Adicionalmente, se aprecia que las rectenas diseñadas para el sistema WLAN a 5,8 GHz tuvieron una eficiencia promedio alta y con poca desviación para niveles de potencia de entrada entre -3,0 y 6,5 dBm.

Cabe destacar que, aunque en algunas de las rectenas revisadas se han obtenido valores de eficiencia que pueden considerarse bajos, éstas han logrado cosechar energía inalámbrica para energizar dispositivos como relojes digitales [16, 22, 23], LEDs [24,25] y sensores [19, 26, 27], con consumos entre 15 µW y 40 mW. Estas rectenas fueron probadas en condiciones reales y de laboratorio.

Tabla 1
Eficiencia de conversión máxima de las rectenas

Por otro lado, la mayoría de las rectenas que se revisaron (73%) se diseñaron para cosechar la energía de un solo sistema. Sin embargo, otros investigadores realizaron rectenas para la captación de dos sistemas [22, 25, 27, 30, 34, 36–38, 55, 63–70], tres sistemas [15, 35, 71, 72] y cuatro sistemas [16, 29, 73–75], en un 18%, 4% y 5% respectivamente. Este tipo de rectenas busca agrupar en una sola rectena el cosechamiento de energía de varios sistemas de comunicaciones.

Características de las Antenas

En el diseño de las rectenas se han empleado comúnmente varios tipos de antenas, tales como las dipolos y monopolos [5]. Sin embargo, en los últimos años se han implementados otros tipos de antenas. En esta Sección, se analizan las tendencias en el uso de las antenas y en el patrón de radiación obtenido, así como sus valores de ganancia máxima.

Configuración de las Antenas

Las antenas utilizadas en las rectenas diseñadas que se revisaron en los últimos años se clasifican en ocho tipos: corbatín, dipolo, espiral, lazo, monopolo, ranura, vivaldi y yagi-uga (Figura 3). Todas las antenas diseñadas tuvieron una estructura planar o impresa. Cada tipo tiene distintas topologías y formas en el elemento resonante y el plano de referencia o tierra, las cuales son empleadas para adecuar algunos de los parámetros de la antena en función de los requerimientos de la rectena y del sistema.

En la Figura 4(a) se aprecia la cantidad de antenas diseñadas por cada tipo, se evidencia que la más usada es la antena monopolo, con un 66%, dado que presentaron una buena adaptabilidad a todos los sistemas de comunicaciones en RF seleccionados en esta revisión. Posteriormente, les siguen las tipos dipolo (12%) [15, 24, 31, 42, 47, 70, 72, 76–78], ranura (8%) [16, 41, 48, 66, 79, 80], espiral (6%) [52, 53, 69, 81, 82], lazo (4%) [23, 83], corbatín (2%) [35, 84], yagi-uda (1%) [36] y vivaldi (1%) [68]. Por su parte, los arreglos de antenas se han empleado en un 21% de las rectenas revisadas, ordenadas de manera estratégica para mejorar el rendimiento en la captación de las ondas e incrementar la ganancia en las bandas de interés.

Figura 3
Configuración básica de las antenas empleadas

a) corbatín, b) dipolo, c) espiral, d) lazo, e) monopolo, f) ranura, g) vivaldi y h) yagi-uga.

Figura 4
a) Antenas usadas en las rectenas y b) formas de parche de las antenas monopolares.

El tipo de antena de monopolo puede tener varias formas de parche resonante (Figura 4(b)), siendo las más utilizadas las antenas monopolo con forma rectangular (Printed Rectangular MonopoleAntenna, PRMA) [19, 20, 22, 26, 28, 34, 38–40, 43–45, 50, 51, 54, 55, 57, 59–64, 73, 75, 85–93], seguida de las cuadradas

(PrintedSquareMonopoleAntenna, PSMA) [18, 38, 67, 71, 94–101], circulares (Printed Circular MonopoleAntenna, PCMA) [17, 25, 29, 30, 58, 102, 103], pentagonales (Printed Pentagonal MonopoleAntenna, PPMA) [104] y triangulares (Printed Triangular MonopoleAntenna, PTMA) [56]. La estructura de la antena se puede modificar insertando ranuras o elementos parásitos para mejorar su rendimiento [105].

En otro orden de ideas, las antenas pueden tener un patrón de radiación omnidireccional o direccional, pero en algunos casos el patrón omnidireccional no es logrado en su totalidad y el resultado obtenido se le denomina cuasi-omnidireccional. En las antenas diseñadas se han obtenido un 27% omnidireccional, un 22% es cuasiomnidireccional y un 51% direccional. Las antenas del tipo corbatín y lazo presentaron patrones de radiación omnidireccional o cuasi-omnidireccional. En cambio, con el resto de los tipos de antenas se han obtenido comportamientos omnidireccionales y direccionales. Se destaca que la selección del patrón de radiación se realiza por criterio de los autores, que en su mayoría al seleccionar un patrón de radiación direccional buscan obtener un mayor valor de ganancia en la dirección del lóbulo principal, pero no así en el resto de las orientaciones.

Ganancia Máxima

En la Figura 5 se observa la ganancia máxima registrada en las investigaciones revisadas, y clasificada en los distintos tipos de antenas empleadas en las rectenas. Se destaca que para obtener una ganancia máxima superior a 9 dBi se han empleado antenas con patrón de radiación direccional y que estuvieron ordenadas en arreglos de PRMA con 4 elementos [20, 50, 51, 86] y en arreglos de PSMA con 9 elementos [100, 101], obteniendo mejores resultados los primeros. Adicionalmente, se aprecia que la antena espiral [52] presentó el mayor valor de ganancia máxima, igual a 8,89 dBi, entre las antenas sin arreglos, y que para las antenas vivaldi no se reportaron sus valores de ganancia.

Figura 5
Ganancia máxima de las antenas

El promedio y la desviación estándar de laganancia máxima de la antena receptora se registran en la Tabla 2. Las antenas corbatín, lazo y dipolo presentaron valores de ganancia máxima promedio similares e inferiores a los obtenidos con las antenas del tipo ranura, espiral, monopolo y yagi-uda, que prácticamente duplican dichos valores. Para la aplicación de las rectenas, es conveniente que la ganancia de las antenas sea alta para contribuir a una mayor captación de las ondas electromagnéticas. Una técnica relevante para mejorar la ganancia fue la incorporación de una superficie reflectora, denominada superficie selectiva de frecuencia (FrequencySelectiveSurface, FSS), en la estructura del plano de referencia de la antena. Esta incorporación fue realizada en antenas tipo PRMA, pero fue denominada como RGMS (ReflectionGroundMetasurfaceStructure) en [88] y como PBG (Photonic-Band-Gap) en [60], en las cuales se obtuvo una mejora aproximada de 0,5 dB con respecto a la antena con un plano de referencia sin la superficie indicada.

Tabla 2
Ganancia máxima de los tipos de antenas

Características de los Rectificadores

El rectificador es un elemento no lineal que sirve para realizar la conversión de energía, que introduce ciertas pérdidas. En este trabajo, se caracterizaron los rectificadores en función de su configuración circuital y la eficiencia conversión RF-DC máxima obtenida.

Configuración de los Rectificadores

Las configuraciones circuitales de los rectificadores se clasificaron en cuatro tipos: diodo en serie, diodo en paralelo, puente de diodos y doblador de voltaje. En la Figura 6, se aprecia la tendencia en la selección del rectificador para las rectenas diseñadas, en donde se evidencia el uso del doblador de voltaje (57,9%), seguido del diodo conectado en serie (26,2%), el diodo en paralelo (10,3%) y el puente de diodos (5,6%). El tipo de diodo utilizado fue el diodo Schottky para señales de RF de la familia de HSMS-28xy.

Figura 6
Tipos de rectificadores utilizados en las rectenas por sistema de comunicación

Es de notar el alto porcentaje en el uso del rectificador del tipo doblador de voltaje en las rectenas realizadas en los últimos años, el cual ha presentado un mejor desempeño que el rectificador con diodo en serie para niveles de potencia superior a 0 dBm [45, 106]. Los dobladores de voltaje se han usado principalmente con una configuración simple de una etapa, los cuales fueron empleados para rectificar una o más bandas. Adicionalmente, se han usado circuitos dobladores de voltaje de varias etapas o con modificaciones en su topología, de las cuales destacan las topologías de Greinacher y de bomba de carga.

Los dobladores de voltaje con topología Greinacher se emplearon para la captación de dos sistemas de comunicaciones en RF [22, 25, 27, 68] y en rectenas con rectificadores que tenían múltiples puertos de entrada [23, 31, 97, 99]. La bomba de carga emplea varias etapas de rectificadores para que los condensadores incrementen el voltaje de salida. Esta topología fue aplicada con dos [84], cuatro [47], cinco [107], seis [82] y siete [72] etapas, detectándose que a medida que aumenta el número de etapas aumenta el voltaje de salida del rectificador, pero a partir de cierta cantidad de etapas ese incremento resulta poco significativo, por lo cual se recomienda optimizar el número de etapas del rectificador, para así evitar la colocación de etapas innecesarias que conllevan a la utilización de más diodos.

En otro orden de ideas, en lo referente al uso de los tipos de rectificadores de acuerdo a los sistemas de comunicaciones en RF, se obtuvo que en el sistema UMTS se han utilizado el diodo en serie [17, 66, 67, 71] y el doblador de voltaje [16, 73]. Mientras que para el sistema LTE, se han empleado las configuraciones de diodo en paralelo [38] y de doblador de voltaje [15, 16, 18, 29]. Los cuatro tipos de configuraciones mencionados han sido usados en los sistemas ISM, GSM y WLAN, como se puede observar en la Figura 6.

Eficiencia de Conversión RF-DC Máxima

En la Figura 7 se visualiza la eficiencia de conversión RF-DC máxima lograda por los rectificadores. Para la configuración de diodo en paralelo se ha obtenido una eficiencia de conversión RF-DC mayor a 54% a partir de 0 dBm [62, 79, 95, 102, 108], mientras que para el puente de diodos se han obtenido valores superiores a 42% a partir de 5 dBm [63, 80, 109, 110], ambas configuraciones presentaron poca desviación estándar. Con respecto al rectificador de diodo en serie [30, 45, 51, 59, 61, 64, 66, 67, 70, 71, 77, 93, 100, 111] y doblador de voltaje [16, 22, 23, 25–28, 34, 39, 45, 57, 58, 68, 69, 73, 98, 101, 110, 112], presentaron una mayor dispersión en la eficiencia obtenida pero tuvieron los máximos valores de eficiencia de conversión RF-DC.

Figura 7
Eficiencia de conversión RFDC máxima por cada tipo de rectificador

Con la configuración de diodo en serie se ha obtenido una eficiencia de 42% a 3 dBm mediante la cosecha de GSM a 900 MHz y de UMTS a la vez, e implementando un acoplador de impedancia para cuatro bandas [30]. Además, se ha obtenido un valor máximo de 83,73% cuando la potencia de entrada al rectificador era de 5 dBm [64]. Con el doblador de voltaje se ha requerido menos nivel de potencia de entrada, por ejemplo para conseguir una eficiencia máxima del 47% se precisaron -10 dBm mediante la implementación de una topología de Greinacher [112]. Finalmente, la máxima eficiencia de conversión se obtuvo con un doblador de voltaje con cuatro etapas en paralelo, la cual fue igual a 93% a 10 dBm [16].

Elementos que Mejoran el Rendimiento de las Rectenas

La antena y el rectificador pueden estar interconectados mediante distintos elementos para mejorar el rendimiento del acople entre estas dos etapas. En la Figura 8 se observan las proporciones de los distintos elementos usados en está interconexión, en la cual solo el 15% de las rectenas diseñadas objeto de la revisión no utilizan ningún elemento interconector. Mientras un 85% emplea algún elemento que puede ser un acoplador de impedancia (60%), un filtro (18%) o ambos (7%).

Figura 8
Porcentaje de los elementos usados en la interconexión de las antenas rectificadoras

La mayoría de los acopladores usados fueron la sección L convencional con cabo en cortocircuito o en circuito abierto. Sin embargo, se han empleado otros acopladores como la sección de resonancia de Foster para mejorar el acoplamiento de multibandas [73], el plano de tierra en lazo (In-Loop Ground Plane, ILGP) para mejorar significativamente el acoplamiento sin incrementar el tamaño de la rectena [23], y las redes de compresión de resistencia (Resistance Compression Networks, RCN) [70] que mejoraron la eficiencia de conversión debido a que minimizan la variación de su resistencia mediante la formación de elementos reactivos.

Con respecto a los filtros, se han implementado para prevenir que las componentes armónicas, las cuales pueden generarse por los elementos no lineales del rectificador, sean re-radiadas a la antena y aumenten las perdidas por desacoplamiento. Se han usado sus cuatro tipos, es decir, el pasa bajo [26, 38, 45, 47, 51, 56, 64, 72, 85, 88], el pasa alto [17], el pasa banda [24] y el rechaza banda mediante una celda resonante microcinta compacta (Compact Microstrip Resonant Cell, CMRC) para suprimir una banda superior a la de diseño [48]. Cuando se han combinado ambos elementos, se emplea un filtro pasa bajo y un acoplador de impedancia [46, 104] o un filtro pasa banda y un acoplador de impedancia [15] para obtener la mejora que aporta cada elemento.

Adicionalmente, se ha conectado un elemento posterior al rectificador en un 16% de las rectenas, dicho elemento es un convertidor DC-DC [19, 24, 26, 32, 45, 47, 49, 50, 55, 61, 73, 79, 82, 91, 92, 108, 113]. Aunque la eficiencia total de la rectena se ve disminuida por las pérdidas que existen en dicho elemento, éste ayuda a mantener el nivel de tensión que se le aplica a la carga.

Se concluye que existe una variedad en los criterios de diseño de las rectenas para una aplicación dada y múltiples combinaciones de los tipos de elementos empleados en las etapas de la rectena. De esta manera, se sugiere establecer criterios para cada aplicación que permitan obtener el mejor rendimiento posible,optimizar las etapas de las rectenas para obtener una mayor eficiencia de conversión y cosechar más energía electromagnética mediante la recepción de varias bandas de manera simultánea.

En la revisión realizada se determinó que las rectenas se han diseñado principalmente para captar un solo sistema de comunicación en RF, donde se destacan los sistemas WLAN y GSM como los más usados. La antena que presentó una mejor adaptabilidad a todos los sistemas de comunicaciones en RF fue la configuración de monopolo con parche rectangular. La configuración del rectificador que ha tenido la mayor eficiencia de conversión RF-DC fue el doblador de voltaje, seguido del rectificador de diodo en serie. Adicionalmente, para mejorar el rendimiento del acople entre estas dos etapas se han empleado distintos elementos, destacando el uso del acoplador de impedancia de sección L convencional y los filtros.