Sistemas compactos de transferência de energia sem fio em campo próximo usando estruturas com abertura no plano de terra

Abstract

Sistemas de transferência de energia sem fio em campo próximo (NF-WPT, NearField Wireless Power Transfer) tem atraído atenção por suas potenciais aplicações, tais como, dispositivos médicos implantados (IMDs), identificação por rádio frequência (RFID, Radio Frequency Identification) e dispositivos eletrônicos portáteis em geral. Nesse contexto, são propostos modelos compactos para sistemas NF-WPT de curto alcance operando em faixas de frequências ISM empregando o conceito de ressonadores de abertura no plano de terra (DGS, Defected Ground Structure). Essa técnica permite a miniaturiza- ção do ressonador, o que leva ao desenvolvimento de sistemas compactos de NF-WPT. O primeiro modelo proposto neste trabalho, visa possíveis aplicações que requerem transferência de energia e dados simultaneamente. Esse modelo opera em banda dupla nas faixas de frequências de 433 MHz e 900 MHz e faz o uso de DGS circulares sobrepostas a fim de compactar o dispositivo ressonador e obter altos valores de figura de mérito (FoM) comumente empregadas na área de pesquisa. Dessa forma, busca-se contribuir para o avanço do estado da arte dos sistemas WPT baseados em DGS de banda dupla. O segundo modelo proposto visa manter o conceito de compactação dos ressonadores mesmo em faixas de frequências mais baixas. São apresentados o desenvolvimento, construção e medição dos sistemas de WPT usando dispositivos ressonantes baseados em DGS projetados para as faixas de frequências ISM de 6,78 MHz, 27,12 MHz e 40,68 MHz. Ambos os modelos propostos são projetados utilizando o software de análise eletromagnética (EM) Ansys Electronics e são construídos utilizando o material dielétrico Rogers RO4003. Os ressonadores DGS de banda dupla projetados possuem uma área total de 11,7 x 10,2 mm2 e ao serem posicionados a uma distância de 15 mm entre transmissor e receptor apresentam valores de FoM medidas de 0,71 e 1,07 em 440 MHz e 918 MHz, respectivamente. Dois sistemas de banda única foram projetados usando o mesmo dispositivo DGS com dimensões de 13 x 14 mm2 e apresentaram FoM medidas de 0,65 e 0,75, a uma distância de 20 mm, respectivamente, para as frequências de 27,25 MHz e 40,25 MHz. Já o sistema projetado na faixa de frequência de 6,78 MHz, apresentou uma FoM de 0,48 a uma distância de 35 mm usando dispositivos com dimensões de 32 x 35,5 mm2. Os resultados são comparados com trabalhos relacionados encontrados na literatura.

Near-field wireless power transfer systems (NF-WPT) have been attracting attention for their potential applications such as implantable medical devices (IMDs), radio frequency identification (RFID) and portable electronic devices. In this context, compact models are proposed for NF-WPT systems in industrial, scientific and medical (ISM) bands employing the concept of defected ground structure (DGS) resonators. This technique allows the miniaturization of the resonator, which leads to the development of compact NF-WPT systems. The first model that is proposed in this work aims at possible applications that require energy and data transfer simultaneously. It operates in dual band in the frequency bands of 433 MHz and 900 MHz and uses circulars superimposed DGS in order to compact the resonator device and obtain high values of figure of merit (FoM), commonly employed in the search area. In this way, the aim is to contribute to the advancement of the state of the art of WPT systems based on dual-band DGS. The second model proposed aims to maintain the concept of resonator compaction even in lower frequency bands. Three projects are presented in detail from the design to the construction and measurement of WPT systems using resonant devices based on DGS designed in the frequency bands of 6.78 MHz, 27.12 MHz and 40.68 MHz. Both models for proposed NF-WPT systems are designed using the Ansys Electronics electromagnetic analysis software and are built using Rogers RO4003 dielectric material. Dual-band DGS resonators have a total area of 11.7 x 10.2 mm2 and an optimal WPT distance of 15 mm between transmitter and receiver. At this distance, the FoMs are measured and presented 0.71 and 1.07 at 440 MHz and 918 MHz, respectively. Two single-band systems are designed using the same DGS device with dimensions of 13 x 14 mm2 and presented FoM measures of 0.65 and 0.75, at a distance of 20 mm, respectively, for the frequencies of 27.25 MHz and 40.25 MHz. The system, designed in the frequency range of 6.78 MHz, presented a FoM of 0.48 at an optimized 35 mm WPT distance using devices with dimensions of 32 x 35.5 mm2. The results are discussed and compared with related works found in the literature.