Estudio y montaje de antenas y rectificadores para transferencia inalámbrica de energía

摘要

El presente trabajo se basa en el estudio de un sistema de transferencia inalámbrica de energía. Para llevarlo a cabo se realizará un estudio teórico de los componentes que forman un sistema básico y un análisis de cada uno ello, con el fin de encontrar la mejor solución posible a la hora de conseguir realizar la transferencia inalámbrica de energía.udPara este proyecto se realizará un sistema basado en antenas de lazo y circuito rectificadores en la banda ISM de 6.765 a 6.795 MHz. Las antenas empleadas serán antenas de lazo hechas con tubos de cobre, y se harán dos tamaños distintos. Estas antenas se harán con forma de octógono regular. En cuanto al circuito rectificador se implementarán dos topologías básicas: rectificador serie y multiplicador de tensión.udPara el diseño de las antenas se hará uso del software de simulación CST Studio. Mediante este programa se diseñarán dos antenas, una de 5 metros de diámetro y otra de 2. En primer lugar se hará una simulación sin condensador que permita la resonancia para conocer la parte real y la parte imaginaria de cada una de las antenas. Una vez hecha esta simulación se calculará el condensador que debe usarse para conseguir hacer resonar la antena en la banda de trabajo. Una vez hecho esto se hará una simulación del parámetro S11 para comprobar que se consigue la frecuencia de resonancia deseada. Este proceso se realizará para las dos antenas.udUna vez realizada la simulación de las antenas se procederá al montaje. Para ello se comprarán tuberías de cobre de 18mm y codos de 45 grados que permitan el montaje del octógono. La antena se alimentará mediante un transformador con núcleo de ferrita que permita la adaptación de impedancias de la parte real de la antena. Por otra parte, se abrirá uno de los lados del octógono donde se colocará un condensador fijo y uno variable, puestos en paralelo, que permita resonar la antena y sintonizar la frecuencia de resonancia.udTras el montaje de las tres antenas (dos grandes y una pequeña) se montará un primer sistema formado por las dos antenas de 5 metros. Se medirá el S21 para distintas posiciones de las antenas y a distintas distancias. Este proceso se repetirá para un sistema en el que la antena receptora sea la antena de 2 metros. Una vez hecho esto, se compararán los resultados de ambos sistemas.udPor otra parte, de forma paralela a las antenas, se realizará el diseño y montaje de los circuitos rectificadores. Para ello se hará uso del software de simulación AWR Microwave Office, mediante el cual se realizarán simulaciones SourcePull con distintos valores de impedancia de salida. Una vez encontrada la red de entrada óptima para los dos circuitos rectificadores se sintetizará esta red mediante bobinas y condensadores.udYa diseñado y simulado los dos circuitos, se montarán y se medirán la respuesta que presentan en función de la potencia de entrada a la frecuencia de trabajo, y la respuesta en frecuencia para la potencia en la cual se consiga la máxima eficiencia de conversión RF-DC. Posteriormente se realizará una comparativa entre las dos topologías y quedará descartada para las medidas finales aquella que consiga menor eficiencia de conversión.udTras el montaje y medida tanto de las antenas como de los rectificadores, se realizará una transferencia inalámbrica de energía real, haciendo uso del rectificador con mayor eficiencia y de los dos sistemas de antenas, primero el sistema formado por las dos antenas grandes y después el que utiliza la antena pequeña como receptora. Tras esto se medirá la eficiencia global del sistema y se sacarán conclusiones al respecto, proponiéndose distintas mejoras o ideas para realizar en trabajos posteriores. udABSTRACT.udThis work is about the study of a WPT (Wireless Power Transference) system. We will do a theoretical study about the components of a basic system of WPT. This study will serve to know most important features and find the best components for this system.udThis Project will be based on a system made with two loops antennas and a rectifier circuit operating in the 6.7 MHz ISM band. The antennas will be made with copper pipes and we will 3 antennas, one of them smaller than the other one. These antennas will be made like a regular octagon. At the same time, we will design two different rectifier circuit: a half-wave rectifier, with a series topology, and a full-wave rectifier, with a voltage multiplier topology.udTo design this loops antennas, we will use a simulation software named CST Studio. With that program we will design two antennas, one with 5 meters perimeter, and the other one with 2 meter perimeter. First of all I’ll do a simulation without a capacitor, to avoid any kind of resonance in the antenna. Doing this, I will see the real part and the imaginary part of the impedance of the antenna. With the imaginary part of the impedance, I will calculate the value of the capacitor I will need to connect to the antenna to have the resonant at the frequency I want. After that I will do a simulation of the S11 parameter to see the resonant at the work frequency.udNext, when I’ll finish the simulation, I will build the antennas. To do so, I will use cooper pipe of 18mm and plumber elbows 45 degrees. To feed the antenna I will use a ferrite core transformer which allows me to match impedances. Besides, I will cut one side of the octagon to put the capacitor there. I will connect to the antenna a normal capacitor with a trimmer to see the resonant frequency tune it.udAfter building the antennas, I will do a system with a big antenna as transmitter and a big antenna as receiver. I will measure the S21 parameter for different distances and different positions. This process will be repeat for a different system, which use the small loop antenna as a receiver. After measuring both systems, I will compare the result of them.udOn the other hand, I will design and build the rectifier circuit for the receiver antenna. To do so, I will use the software name AWR Microwave Office. For the design, first of all I will do some SourcePull changing the load, to find the best result of the efficient. Then I will optimize the input network to find optimum values for the best load. After that, this network will be implemented by using a coil and a capacitor and I will simulate how the circuit work for different input power and different frequencies. The design process will be the same for both rectifier.udWhen the design and simulation is over, it’s time to build both circuits and measure them. The measures I will do are the same that I simulate before, checking which the best input power is and how the circuit behavior for different frequencies is. I will compare the result of both topologies and I will discard the worst of the two.udWhen antennas and rectifiers will be finished and the measures will be good, I will do a real wireless power transfer. To do so I will use two different systems, the same as I used for measure S21 parameter of the antenna. I will connect the rectifier with the best efficient and I will check what is the real efficient of the whole system.