Metodología para la mejora de la eficiencia en el diseño de rectennas textiles para aplicaciones de RF energy harvesting en la banda WiFi de 2,4 GHz

Zusammenfassung

La miniaturización de la electrónica, así como el desarrollo de la Internet de las cosas o Internet of Things (IoT) está potenciando la aparición de nuevos dispositivos que se integran en nuestro día a día, no solo en los objetos que nos rodean en el hogar, en el lugar de trabajo o en el mobiliario urbano, sino también en los accesorios que portamos con nosotros mismos. En este contexto surgen los electronic textiles o e-textiles, que tienen en su misión incorporar nuevas funcionalidades de interacción con el entorno a los tejidos convencionales en todos sus niveles: fibras, hilos, telas y prendas. Esta incorporación de más capacidades e inteligencia a los objetos textiles persigue además disponer de dispositivos más cómodos, usables y, cómo no, estéticamente agradables. Sin embargo, el despegue definitivo de los e-textiles requiere una gestión eficiente de la energía que requieren para funcionar, con el objetivo de aumentar su autonomía y reducir la necesidad de sustituir los elementos de almacenamiento -pilas o baterías-. Esta problemática se aborda principalmente desde dos ángulos: por un lado, la reducción del consumo de sus componentes electrónicos y, por el otro, la mejora de la eficiencia de las distintas tecnologías capaces de recuperar energía del entorno que les rodea, en forma de luz, calor, vibraciones, deformaciones... Es en este último ámbito donde se enmarca la presente tesis doctoral, pues persigue alimentar estos dispositivos mediante rectennas textiles que proporcionen potencia DC a partir de la energía de RF recuperada del ambiente o RF energy harvesting. Si bien existen algunos trabajos que presentan distintas implementaciones de rectennas textiles, no hay una metodología sistemática y escalable para el diseño de rectennas eficientes. Así, la presente tesis doctoral propone un método que contempla de forma sistemática todas las fases del diseño e implementación de las mismas: selección de la topología de las antenas, de la topología de la etapa de rectificación, de los materiales empleados y de la metodología de construcción. Para la optimización de la adaptación de impedancias entre antena y rectificador se ha desarrollado un método de caracterización de la implementación textil de la etapa de rectificación que proporciona un modelo con una gran concordancia entre los valores medidos y los simulados, aspecto clave para conseguir altas eficiencias de conversión de potencia. Tras una extensa experimentación se ha demostrado que la metodología y modelo propuestos mejoran la eficiencia de las rectennas textiles. Además, se ha evaluado su escalabilidad mediante su configuración en array, concluyendo de este modo que la RF energy harvesting puede ser una forma viable de alimentar de forma desatendida dispositivos electrónicos de bajo consumo integrados en los e-textiles.