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1. INTRODUCCIÓN
Los dispositivos electrónicos autoalimentados han llamado la atención en los últimos años. Estos han sido estudiados en una amplia gama de aplicaciones entre los que se incluyen: redes de sensores inalámbricos, edificios inteligentes e Internet de las cosas (IoT) (Brown, 1996; Parthiban, 2020). Incluso, la industria automotriz la usa constantemente en la carga de vehículos eléctricos, también, es utilizada en electrodomésticos (Reyes-Vera et al., 2018) y en el campo biomédico.
La necesidad de implementar dispositivos de recolección de energía es cada vez mayor debido a los problemas que generan la carga, el reemplazo y el mantenimiento en sistemas convencionales que utilizan baterías como fuente de alimentación debido al desperdicio de energía que se genera en el proceso de conversión de carga de teléfonos móviles, tablets y otros componentes de detección y activación. Este problema puede ser resuelto mediante la recolección de energía electromagnética radiada existente en el ambiente (Miranda-Pantoja, 2002). En la Tabla 1, se presenta un resumen de fuentes alternativas de energía que podrían reemplazar las baterías convencionales.
Fuente: Tran et al. (2017)
La idea de la recolección de energía de RF se dio a conocer a principios de los 90, pero el concepto de convertir la energía de microondas en energía eléctrica fue iniciado por Nicola Tesla en 1901 (Brown, 1996). Debido a que la energía de RF junto a otras fuentes de energía alternativa depende del entorno, hacen que esta tecnología sea efectiva en aplicaciones críticas como monitoreo ambiental, atención médica, y defensa (Reyes-Vera et al., 2018).
Las antenas son elementos de vital importancia en los sistemas inalámbricos ya que determinan el rendimiento de dicho sistema. Existen varios tipos de antenas y su uso depende del rango de frecuencia de operación, tamaños, patrón de radiación, adaptabilidad a la aplicación, entre otros requerimientos (Choukiker et al., 2014; Miranda Pantoja, 2002). Para este caso, en el diseño de las antenas se emplean estructuras como antenas de microcinta o tipo parche, las cuales consisten en una tira metálica muy delgada colocada sobre un plano de tierra con un material dieléctrico en el medio. Estas antenas poseen un alto grado de adaptabilidad para operar en el rango de frecuencia de microondas (Mathur & Gupta, 2015).
Al utilizar estas técnicas de microcinta se obtienen antenas más compactas, de bajo costo, alto rendimiento y de fácil instalación, además por medio de fotograbado son integradas sin dificultad a placas de circuitos impresos (Printed Circuit Board, PCB) (García-Domínguez, 2010). Sin embargo, al construir antenas de microcinta pueden surgir algunos inconvenientes debido al comportamiento de sus componentes y al rango de frecuencia deseado. Dichos componentes deben modelarse como elementos distribuidos, no concentrados, debido a que su tamaño es proporcional a la longitud de onda de operación. También pueden presentarse fenómenos físicos como la resonancia y efectos de acoplamiento entre componentes que pueden perjudicar el objetivo del diseño (Islam et al., 2017).
Para solucionar este tipo de problemas se utilizan técnicas computacionales con el fin de resolver las ecuaciones de Maxwell (Balanis, 1992), que explican los fenómenos de la propagación en las antenas.
Entre los métodos computacionales usados para resolver estos sistemas se encuentran: el Método de Elementos Finitos (Finite Element Method, FEM) (Zeng & Liu, 2018), el Método de Momentos (Method of Moments, MoM) (Chen & Ney, 2007; Weigand et al., 2003), el Método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (Finite-Difference Time Domain method, FDTD (Navarro et al., 2003) y optimización por enjambre de partículas Particle Swarm Optimization (PSO) (Demircioglu et al., 2015), esta última permite mejorar el rendimiento del sistema. Debido a las respuestas obtenidas con los métodos computacionales se obtienen respuestas que permiten la optimización de las antenas y así mejorar y ajustar los parámetros del sistema deseado.
Por lo anterior, en este documento se realiza una revisión de las antenas de microcinta para sistemas de captación de energía RF, en función de sus parámetros estructurales, para identificar aspectos que generan las configuraciones realizadas en determinados diseños y así contribuir a investigaciones que desarrollan sistemas de recolección de energía electromagnética radiada por medio de antenas.
2. ANTENAS RECOLECTORAS DE ENERGÍA RF
Las antenas son diseñadas para resonar a determinadas frecuencias de operación, su clasificación es basaba en las características y aplicaciones del diseño. Las antenas de recolección de energía están en etapa de desarrollo y con el crecimiento de la tecnología hay una gran variedad de métodos de diseño y fabricación de antenas, para que sean compactas y eficientes. De acuerdo con lo señalado, son ideales para los teléfonos móviles, dispositivos portátiles e implantables, entre otros. Algunos de los métodos más comunes para la miniaturización de antenas de microcinta son:
Ranuras en el parche radiante (Awais et al., 2018).
Uso de metamateriales (Benayad & Tellache, 2020).
Uso de substratos de alta permitividad (Hidayah et al., 2019).
Uso de estructuras de tierra defectuosa (DGS) (Pandhare et al., 2016).
Modificar la longitud de onda de la antena mediante la optimización de la geometría (Rezagholi & Mohajeri, 2016).
Se ha demostrado que las antenas de banda estrecha (Choukiker et al., 2014), ofrecen alta eficiencia de conversión
de energía, pero solo pueden recuperar una cantidad limitada de esta debido al estrecho ancho de banda que poseen. Por otro lado, las antenas multibanda son muy útiles debido a que son resonantes en varias frecuencias (García-Domínguez, 2010; Mathur & Gupta, 2014; Reyes-Vera et al., 2018), así como las antenas de banda ancha (Balanis, 1992; Islam et al., 2016; Zeng & Liu, 2018) y de ultra-banda ancha (UWB) (Chen & Ney, 2007; Weigand et al., 2003) que pueden recuperar más energía de las ondas de radio que hay en el espacio, aunque, estas antenas son utilizadas en sistemas de imágenes, sistemas de comunicaciones y de radar. En la Tabla 2, se realiza una comparación de varios diseños de antenas de microcinta según su tamaño.
Las antenas UWB poseen cualidades especiales para sistemas de captación de energía electromagnética radiada, puesto que tienen rangos de frecuencias de operación que van desde los 3.1 a 10.6 GHZ con un ancho de banda mayor o igual a 500 MHz independiente de su frecuencia central (Ren et al., 2014; Mohamed et al., 2019). UWB es una banda de frecuencia sin licencia, según la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) (Aiello & Rogerson, 2003), proporciona altas velocidades de datos y baja densidad espectral de potencia, la restricción de baja potencia de -44,3 dBm atrae una amplia gama de aplicaciones en comunicaciones de corto alcance (Doddipalli & Kothari, 2019).
Este tipo de antenas opera en las bandas de Microondas desde la banda L hasta la banda K, abarcando servicios de comunicaciones como: CDMA, UMTS, PCS, GSM y LTE; redes inalámbricas como: WPAN, WBAN, WLAN y WIMAX, también en sistemas satelitales y aplicaciones militares. En la Figura 1, se presenta el comportamiento de UWB frente a otras tecnologías de banda estrecha convencionales como: GPS L1 y L2 para sistemas de navegación satelital. L1 funciona entre 1575 MHz con un ancho de banda de 18,03 MHz y L2 en 1227 MHz con un ancho de banda de 17,66 MHz. PCS (Servicio de Comunicación Personal), que son servicios de telefonía móvil que operan en las bandas de radio entre 1800 o 1900 MHz, con anchos de banda entre 10 y 20 MHz dependiendo del país. El sistema IEEE802.11b opera en la banda de 2,45 GHz con un ancho de banda de 25 MHz, seguido de WiMAX que trabaja en 3.1 GHz hasta 3,5 GHz con anchos de banda entre 1,25 MHz hasta 20 MHz, finalmente IEEE802.11a/g que opera en la banda ISM de 2,45 GHz a 5 GHz con un ancho de banda de 20 MHz.
3. METODOLOGÍA
Con el propósito de establecer un punto de referencia para la investigación sobre análisis de las antenas microcinta para cosecha de energía electromagnética radiada, se realizó una revisión exhaustiva de la literatura académica (Beltrán, 2019). Esta revisión tiene como objetivo principal examinar las perspectivas de varios autores que han abordado este tema, así como los métodos, herramientas y contextos empleados hasta ahora. Además, se busca identificar las variables asociadas al diseño de antenas microcinta para el almacenamiento de energía.
Para lograr esto, se lleva a cabo una revisión detallada que permita una comprensión clara de los conceptos, el estado actual de las investigaciones relacionadas y las contribuciones al conocimiento en este campo (Manterola et al., 2013). Diversas bases de datos bibliográficas se utilizan para recopilar información, y el software Excel se emplea para organizar y analizar los artículos encontrados.
Las revisiones sistemáticas representan una forma de investigación observacional y retrospectiva que sintetiza los resultados de múltiples estudios primarios. Su objetivo principal es resumir la información existente sobre un tema específico y determinar las variables clave y causales que influyen en la investigación (Cañas et al., 2023). Para llevar a cabo una revisión sistemática de la literatura, se proponen los siguientes cinco pasos:
Definir una pregunta de investigación clara que esté alineada con los objetivos e hipótesis de la investigación. En este caso, la pregunta sería: "¿Cuáles son los parámetros relacionados al diseño de antenas microcinta para el almacenamiento de energía?".
Establecer criterios de inclusión y exclusión para los estudios. Se considerarán únicamente los artículos que se centren específicamente en el diseño de antenas microcinta para el almacenamiento de energía.
Definir la estrategia de búsqueda. Se seleccionarán bases de datos que incluyan revistas de alto impacto a nivel internacional, que cubran todas las áreas del conocimiento.
Registrar los datos y evaluar los documentos seleccionados. Los artículos se seleccionarán de acuerdo con criterios como la calidad de la revista en la que se publicaron, su relación con la ingeniería de electrónica y telecomunicaciones, y la relevancia del contenido en relación con el almacenamiento de energía
Interpretar y presentar los resultados.
4. RESULTADOS
4.1. Configuración de antenas microcinta
En esta sección, se realiza la caracterización de antenas utilizadas en sistemas de transferencia y recolección de energía electromagnética radiada teniendo en cuenta su configuración básica como se muestra en la Figura 2. Estas antenas son construidas con la técnica de circuitos impresos debido a las ventajas ofrecidas como: bajo costo, alto rendimiento y miniaturización del diseño (Nawaz et al., 2013).
En la Figura 3, se presenta un diagrama de barras de acuerdo con la tendencia estimada sobre los diseños de antenas que son más utilizadas. Esta revisión se realiza en 40 artículos.
Según lo expuesto previamente, la configuración que es más utilizada en el diseño de antenas de microcinta es la PRMA (antena impresa rectangular monopolo), esto debido a que es fácil de diseñar y construir. El segundo caso más usado es la configuración de OTROS, donde se encuentran geometrías fractales y geometrías con muescas (huecos alargados), las cuales se realizan en el parche radiante y cumplen la función de filtros dependiendo del número de muescas realizadas en el parche radiante (Li et al., 2022). Es evidente que, existe un gran número de antenas utilizadas en la recolección de energía electromagnética radiada, lo que indica que hay un campo abierto para establecer criterios de selección. En este sentido, se debe evaluar aspectos como: la ganancia, la frecuencia de resonancia y el ancho de banda, ya que son parámetros que caracterizan el rendimiento de una antena como recolectora de energía (Miranda-Pantoja, 2002).
Por otra parte, también se utilizan combinaciones o arreglos de antenas conocidas como arreglo convencional de antenas de microcinta (CMAA), que constan de dos, cuatro o más parches de radiación idénticos, los cuales son agrupados y regularmente tienen forma rectangular (Awais et al., 2018; Demircioglu et al., 2015). Estos arreglos son utilizados para modificar el patrón de radiación y aumentar la ganancia, como en Demircioglu et al., (2015), que se realizó una red de antenas microcinta convencional resonando a 5,53 GHz y produce un ancho de banda y un acoplamiento mutuo igual a 2,35 % y -17,83 dB. El primer conjunto de antenas propuesto produce un ancho de banda y un acoplamiento mutuo igual a 66,60 % y -35,66 dB, mientras que el segundo conjunto de antenas propuesto produce un ancho de banda y un acoplamiento mutuo igual a 63,27 % y -32,81 dB respectivamente. En la Tabla 3, se presenta el rango de frecuencias y aplicaciones de las antenas microcinta.
Figura 2 Configuración de antenas microcinta. (a) Printed Rectangular Monopole Antenna (PRMA), (Zhang et al., 2010a), (b) Printed Square Monopole Antenna (PSMA) (Ojaroudi et al., 2009a), (c) Printed Circular Monopole Antenna (PCMA),(Mondal & Sarkar, 2012), (d) Printed Triangle Monopole Antenna (PTMA), (Lin et al., 2005).
4.2. Modificaciones en la estructura de las Antenas microcinta
Generalmente para la construcción de antenas tipo parche, se usa un material conductor como el cobre acompañado de un dieléctrico, donde puede variar la permitividad eléctrica dependiendo del material utilizado y esto permite una reducción en las dimensiones de los diseños y disminuye las pérdidas en el dieléctrico (Benayad & Tellache, 2020b; Mohd Yunus et al., 2019; Pandhare et al., 2016).
La estructura de las antenas se puede modificar desde el parche radiante hasta el plano de referencia, dependiendo de la aplicación, para esto existen técnicas como: las estructuras fractales que son compactas, multibanda o de banda ancha, que tienen aplicaciones útiles en comunicaciones para telefonía celular y microondas (Shrestha et al., 2014b; Sim et al., 2010b; Rezagholi & Mohajeri, 2016) y elementos parásitos utilizados para modificar el patrón de radiación de una antena (Lamsalli, et al., 2016).
También, se utilizan técnicas de ranura para disminuir la pérdida de potencia debido a la reducción del acoplamiento entre las antenas radiantes (Mohd Yunus et al., 2019), luego, están las combinaciones de antenas de ranura y resonadores que ofrecen un ancho de banda amplio además de otras ventajas como: alta ganancia, alta eficiencia de radiación, baja perdidas en los conductores y compatibilidad con diferentes mecanismos de alimentación (Aiello & Rogerson, 2003; Ren et al., 2014; Mohamed et al., 2019). Los arreglos de antenas están conformados por un conjunto de antenas iguales, que están alineadas de forma que se suman sus diagramas de radiación (Doddipalli & Kothari, 2019).
Las técnicas de modificación y adición de elementos parásitos de diferentes geometrías en los parches sirven para mejorar el acoplamiento de impedancia. También, eliminando material del parche radiante o del plano de referencia con formas de ranuras, y al aplicar estructuras fractales en el parche resonante se pueden mejorar los parámetros de la antena para conseguir una máxima transferencia de potencia y disminuir las pérdidas de retorno en la frecuencia de operación. En la Tabla 4, se resumen brevemente algunas técnicas y geometrías más utilizadas para modificar antenas de microcinta. En la Figura 4, se observan diferentes geometrías y arreglos de antenas microcinta.
Tabla 4 Técnicas y geometrías más utilizadas para modificar Antenas microcinta
Fuente: elaboración propia
4.3. Parámetros técnicos
Entre los parámetros técnicos de las antenas de microcinta, para que el parche radie, se debe excitar mediante dispositivos de alimentación como son: por la línea de transmisión, por proximidad, por ranura radiante y por cable coaxial (Weigand et al., 2003). Además de otros parámetros como:
4.3.1. Factor (Q) factor de calidad
En los circuitos eléctricos, el factor Q de un circuito sintonizado (incluyendo antenas) describe cuantas veces pasa la corriente a través del circuito, es decir cuánto aumenta el voltaje pico cuando el sistema resuena a una frecuencia resonante (Liu et al., 2020; Lopes et al., 2018). El factor Q es una medida de la eficiencia de radiación de la antena.
La ecuación del factor Q se puede expresar como:
Dónde f c = frecuencia central y Δf= f 2 -f 1 de la ecuación anterior se deduce que un factor Q alto viene con un ancho de banda resonante estrecho, pero se obtiene una ganancia de voltaje alta en la resonancia. Igualmente, también señala que el factor Q es inversamente proporcional a la energía disipada por ciclo.
4.3.2. Eficiencia de conversión
La eficiencia es la relación entre la potencia radiada por una antena y la potencia entregada a la misma (Bansal, 1983). La eficiencia de conversión de potencia es la relación entre la cantidad de energía aplicada y la carga recuperada por la antena. Sin considerar las perdidas en el espacio libre, esta se calcula así:
Dónde P load = energía entregada a la carga, P retrived =energía recuperada en la antena.
4.3.4. Sensibilidad
La sensibilidad es definida como la potencia mínima que se requiere para activar el funcionamiento del sistema (antena) (Miranda-Pantoja, 2002):
Dónde P= potencia mínima para activar un sistema.
Los anteriores parámetros son utilizados para realizar comparaciones. Aun así, existen compensaciones entre estos valores, algunos como la distancia de operación y la eficiencia general. Otro factor es el bajo costo en la fabricación de las antenas. De manera similar, la ganancia de una antena (en una dirección dada) es considerada como la relación entre el valor de la intensidad de la señal transmitida en la dirección más eficiente. Si se utiliza como referencia una antena isotrópica, este parámetro será medido en dBi, entonces la intensidad de radiación que se obtendría si la potencia aceptada por la antena se irradia isotrópicamente, la intensidad de radiación correspondiente es igual a la potencia aceptada (entrada) por la antena (Bansal, 1983).
Se debe tener en cuenta que las antenas no siempre transmiten energía de forma esférica (antena isotrópica), el radiador ideal no existe en la práctica, pero el concepto es de gran utilidad para analizar el comportamiento en antenas reales (Valenzuela Medina, 2005). Ya que, estas transmiten energía en algunas direcciones específicas de acuerdo con su diseño.
Así que, dependiendo de las aplicaciones se podría optar por usar antenas de alta ganancia para la transmisión de radiofrecuencias si se conociera la posición de la fuente emisora para ubicar las antenas receptoras. Sin embargo, si la posición de la fuente y la antena receptora son relativamente desconocidas, es preferible usar una antena de baja ganancia para recolectar señales simultáneamente desde varias direcciones.
5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Puesto que, las antenas son diseñadas para resonar a determinadas frecuencias de operación, su clasificación se basa en las características y aplicaciones del diseño. Las antenas de recolección de energía están en etapa de desarrollo, con el crecimiento de la tecnología hay una gran variedad de métodos de diseño y fabricación de antenas, para que sean compactas y eficientes. En cuanto al comportamiento de las ondas electromagnéticas y la relación que depende de la distancia entre la antena transmisora y la antena receptora, existen características que se clasifican en dos segmentos: campo lejano y campo cercano (Yaghjian, 1986).
El patrón de onda electromagnética en el campo lejano es relativamente uniforme, mientras que, en el campo cercano, es muy fuerte e independiente de los componentes eléctricos y magnéticos, de modo que un componente puede dominar al otro. En consecuencia, la región de campo cercano se considera como el espacio que se encuentra dentro de la distancia del Fraunhofer o como el comportamiento de propagación de las señales de Radio frecuencia, debido a que existe directa dependencia con las características del gradiente de la atmósfera del lugar donde se diseña un radio enlace de microondas, la región del campo lejano se encuentra fuera de la distancia del Fraunhofer (Selvan & Janaswamy, 2017; Parrent et al., 1964).
5.1 Comparación de resultados de diferentes diseños de antenas para captación de energía RF
La Tabla 5 muestra la comparación de resultados de varios diseños de antenas microcinta basados en potencia de entrada, potencia de salida, ganancia de antena y eficiencia de conversión total alcanzada en diferentes frecuencias de resonancia. También es importante conocer la energía que consumen algunos dispositivos o sensores de baja potencia como se indica en la Tabla 6.
6. CONCLUSIONES
Como las radiaciones de RF ambientales son débiles y abarcan un amplio espectro de frecuencias, las antenas con ancho de banda de gran impedancia, alta ganancia y eficiencia de radiación son las que predominan en la elección de los investigadores. Las características antes mencionadas se pueden lograr y mejorar aplicando técnicas de modificación, el uso de ranuras es una de las técnicas más relevante, ya que son utilizadas de alguna forma en los demás diseños.
En este documento, los autores no optaron por seleccionar ninguna de las opciones de diseño y técnicas ya que no se evaluaron los materiales utilizados en el diseño de antenas tipo parche, estos son fundamentales para evaluar el rendimiento de una antena recolectora de energía ya que sus propiedades físicas y químicas intervienen de forma directa en el comportamiento de la antena.
Finalmente, dependiendo del material utilizado y las variables previamente mencionadas, se pueden lograr diseños más compactos a frecuencias de resonancia más altas. Al realizar combinaciones de diferentes configuraciones las antenas pueden ser optimizadas para la recolección de energía electromagnética radiada. También, se puede afirmar que las antenas UWB pueden aplicarse para la recolección de energía RF, ya que poseen un amplio ancho de banda y representan buenas características de ajuste de impedancia.
7. RECOMENDACIONES
Para futuras investigaciones, se recomienda un análisis más profundo de las diferentes técnicas y diseños de antenas tipo parche, sin discriminar en aplicaciones para la recolección de energía. Adicionalmente, se podría realizar la simulación de la combinación de los diferentes tipos de diseños para diversas aplicaciones incluyendo la recolección de energía de tal manera que se tenga un horizonte más cercano de los resultados y así posterior aplicación en el ámbito de un laboratorio.
Se recomienda también, la revisión del problema de investigación utilizando la metodología de análisis bibliométrico, con el fin de determinar diferentes variables que señalen de forma más clara la tendencia de investigación en el tema estudiado. Se recomienda a los lectores para continuar fortaleciendo el conocimiento sobre diseño de antenas microcinta consultar los libros de DAVID M. POZAR.
