Non-linear model of a rectifier for radio-frequency power harvesting

Resumen

El trabajo se centra en la eficiencia de la transferencia inalámbrica de energía orientada a aplicaciones de larga distancia, basándose en el uso de ondas de radiofrecuencia. Para el desarrollo de este trabajo se ha estudiado, sintetizado e implementado un modelo no lineal de un rectificador, con el objetivo de estudiar los parámetros que hacen que este dispositivo sea más o menos preciso en eficiencia durante la etapa de conversión RF-DC. Primeramente se ha simplificado matemáticamente el modelo no lineal obteniendo una matriz de parámetros desconocidos. Tras ello, la implementación del modelo se llevó a cabo en Matlab aplicando dicho modelo a dos recolectores de energía que cuentan con un rectificador como elemento principal y cuyas curvas de eficiencia son dadas por el fabricante, para ello se ha usado el método del ajuste por mínimos cuadrados. Los recolectores recogen la energía de radiofrecuencia sobrante en el espacio libre, de otros radiotransmisores, para que así el rectificador la convierta en corriente continua. En cuanto al elemento rectificador, se ha usado un rectificador formado por diodos Schottky debido a su baja caída de voltaje, rápida velocidad de conmutación para rectificación de señales de alta frecuencia. y por tanto una reducida pérdida de potencia. El modelo propuesto en este proyecto aporta unos parámetros que hacen que la eficiencia de conversión del dispositivo rectificador sea más o menos precisa en función de la frecuencia y voltaje de salida de los recolectores, así como del número de parámetros usados. Los resultados de la implementación del modelo se comparan gráficamente con los obtenidos a partir de los datos proporcionados por el fabricante para así determinar como de ajustado es este para cada combinación de características y por tanto evaluar bajo que circunstancias el modelo actúa más precisamente. Abstract: Wireless power transfer is nowadays gaining popularity in the cutting edge power transmission technologies, since it provides many benefits such as sealing the devices, the highly expandable power ranges, the product life, or no needing of batteries. These benefits make life of the customers easier. Although there are already some devices for wireless power transmission, the majority of them are aimed at short ranges, using techniques mainly based on the usage of any sort of coupling. Thus, at the present is increasing the needing of reaching longer ranges, and for such purpose there is a "new" technique that consists of collecting the remaining energy coming from the different transmitters. The way of achieving the ranges mentioned above, is by using system based on the usage of microwaves or radio-frequency waves, which pass through a rectifier that converts them into direct current. Nonetheless, the problem is the efficiency obtained at the output of the system when using such type of waves. In this thesis is studied a non-linear modelling for testing the actual efficiency accuracy by comparing the efficiency of the model and the efficiency of an existing powerharvester, provided by a manufacturer. Thereby, it is obtained a number of parameters, related to the rectifier that makes the model to be more or less accurate. The testing is accomplished by a implementation in matlab of the non-linear model, till getting an optimal number of parameters. Although such number is figured out, the results show that for different variations in the powerharvester, the model also changes, but slightly, proving that the model remains very precise even with variations. As for the rest of the results obtained by the simulator, when it comes to a greater number of parameters, the model varies rapidly and abruptly, while with fewer parameters the model varies more slowly. It concludes that the greater the number of parameters, the less accurate the model is.