ELECTROMAGNETIC FIELDS AT DII

HOME
SEDE - CONTATTI
BIBLIOTECA
IEEE
Trasmissione wireless di potenza PDF Stampa E-mail

L'utilizzo dei campi elettromagnetici come fonte di energia elettrica risale alla fine dell'Ottocento, quando Nikola Tesla dimostrò per la prima volta la trasmissione di energia elettrica senza fili (Wireless Power Transmission - WPT). Di recente, grazie all'abbattimento dei costi di implementazione e allo sviluppo di architetture a basso consumo, la trasmissione di energia senza fili si è imposta come la tecnologia abilitante per lo sviluppo di sistemi energeticamente autonomi, ossia sistemi privi di batterie a bordo o, comunque, senza necessità di collegamento alla rete elettrica.
I vantaggi associati all’autonomia energetica di un generico dispositivo sono autoevidenti in tutte quelle applicazioni in cui il dispositivo in questione non è ‘facilmente accessibile’ per la sostituzione delle batterie o/e per la connessione dello stesso alla rete elettrica. Una categoria di dispositivi che bene evidenzia i vantaggi dell’utilizzo di una alimentazione wireless è sicuramente quella dei dispositivi impiantabili. Infatti, oggi l’alimentazione di tali dispositivi viene implementata: 1) per mezzo di batterie impiantate, 2) per mezzo di una connessione fisica ad una sorgente esterna. Nel primo caso, l’utilizzatore del dispositivo impiantato deve sottoporsi a periodici interventi chirurgici per la sostituzione delle batterie (ad esempio, nel caso del pacemaker, la periodicità di questi interventi è di circa 5 anni). Nel secondo caso, la situazione è anche più grave a causa della presenza di cavi passanti con possibili problemi di infezioni ed una enorme limitazione negli spostamenti.
Si comprende, dunque, l’importanza di concentrare gli sforzi della ricerca sulla possibilità di implementare una alimentazione di tipo wireless per questi dispositivi (e non solo), visti gli enormi vantaggi in termini di qualità della vita che l’adozione di una siffatta tecnologia comporterebbe.

Il trasferimento wireless di energia può essere realizzato mediante un collegamento in campo vicino o in campo lontano con la sorgente. Nel primo caso (near-field communications), il principio adottato è quello dell'accoppiamento mediante induzione magnetica tra due risonatori, mentre nel secondo (far-field communications) è sfruttata la propagazione delle onde elettromagnetiche mediante l'utilizzo di antenne. In entrambi i tipi di collegamento l'energia elettromagnetica raccolta, in un caso da un risonatore e nell'altro da un'antenna, viene convertita in corrente continua mediante un circuito di rettifica opportunamente disegnato. Per tale motivo, nel caso di collegamento in campo lontano, l'intero sistema prende il nome di rectenna (rectifying antenna), ossia antenna che rettifica (Fig. 1).

Presso il Laboratorio l'EML2, diretto dal Prof. Luciano Tarricone, è attiva una divisione, coordinata dall’Ing. Giuseppina Monti, che sviluppa sistemi per la trasmissione wireless di potenza sia in campo vicino sia in campo lontano. Particolare attenzione è dedicata all’indagine di strategie di design che sfruttino supporti non convenzionali (quali i tessuti), al progetto di dispositivi indossabili e di dispositivi per applicazioni di biotelemetria (alimentazione wireless di dispositivi medici impiantati). Altri ambiti applicativi di interesse sono la conversione di energia solare in corrente continua (nanorectenna) e l'alimentazione di sensori (ed in generale di dispositivi a basso consumo di potenza) per applicazioni domotiche (home automation, smart home).




Figura 1. Trasmissione wireless di potenza: a. collegamento in campo vicino; b. collegamento in campo lontano.

WPT: Near-field wireless link
Tra le linee di ricerca attive presso l’EML2 nell’ambito della trasmissione senza fili di energia, di particolare interesse è l’utilizzo di sistemi risonanti accoppiati magneticamente per collegamenti in campo vicino. In particolare, questo tipo di approccio è investigato per applicazioni in ambito biomedico per l'alimentazione wireless di dispositivi medici impiantabili. Infatti, una siffatta tecnologia consentirebbe di alimentare dispositivi impiantati, quali il pacemaker, senza la necessità di utilizzare batterie o cavi che colleghino il dispositivo a sorgenti esterne (con rischi di infezioni). La Fig. 2 mostra il circuito equivalente di un link induttivo; sia il risonatore primario, collegato alla sorgente, sia il risonatore secondario, connesso al dispositivo da alimentare, possono essere schematizzati come un circuito LC.




Figura 2. Circuito equivalente di un link induttivo.


In Fig. 3 è riportato un link induttivo a 500 MHz progettato e realizzato presso l'EML2. Nello specifico, il link è costituito da due risonatori planari realizzati su un supporto a basso costo (comuni basette per PCB): il primo è collegato alla sorgente di potenza e opera al di fuori del corpo umano, mentre il secondo è collocato all'interno del corpo ed è direttamente collegato al dispositivo (Fig. 3a, 3b).
In fase di caratterizzazione sperimentale, per valutare le prestazioni del link induttivo proposto in presenza di tessuto umano, il risonatore secondario è stato circondato da uno strato di carne di maiale tritata (Fig. 3c). Infatti, alle frequenze di interesse, il macinato di maiale esibisce le stesse caratteristiche elettriche della pelle e del muscolo umani.
In Fig. 3d è riportata la potenza ricevuta dal risonatore secondario con una potenza di trasmissione di 1 W al variare della distanza del risonatore primario dalla superficie della carne. I risultati sperimentali ottenuti dimostrano che le potenze massime ottenute a valle del risonatore secondario sono sufficienti ad alimentare un dispositivo biomedico con consumi dell'ordine delle decine dei mW, che rappresentano, ad esempio, i consumi tipici di un pacemaker.



Figura 3. Link induttivo proposto: a. prototipo risonatore primario, b. prototipo risonatore secondario, c. setup di misura con il risonatore secondario inserito nel macinato di carne e il primario all'esterno, d. grafico della potenza ricevuta in funzione della frequenza operativa del segnale sorgente.


WPT: Far-field wireless link
Rispetto ad un collegamento in campo vicino basato sull’utilizzo di sistemi risonanti accoppiati magneticamente (near-field link), la trasmissione wireless di potenza in campo lontano mediante rectenne garantisce distanze operative maggiori (anche di alcuni metri utilizzando delle frequenze dell’ordine delle centinaia di MHz). Inoltre, una rectenna può essere utilizzata anche per il riciclo delle radiazioni elettromagnetiche emesse da telefoni cellulari, trasmissioni radio e WiFi. In tal caso, parleremo di energy harvesting o scavenging.
La trasmissione wireless dell’energia o, più in generale, l’energy harvesting tramite rectenne, è una tecnologia a basso costo e impatto ecologico e ambientale nullo, con innumerevoli risvolti applicativi. Inoltre, di recente, in virtù dei notevoli progressi delle nanotecnologie, è stato riesaminato il concetto di antenna rettificante per un suo utilizzo nella conversione diretta di energia solare. Le rectenne solari si pongono ormai come valida alternativa ai sistemi fotovoltaici grazie ai bassi costi di produzione, alla semplicità di installazione e ai rendimenti teoricamente molto più elevati.



Alcuni dispositivi rectenna realizzati presso EML2




Figura 4. Prototipo di rectenna progettato e realizzato presso l'EML2: a. antenna; b. rettificatore; c. collegamento antenna-rettificatore mediante apposito connettore; d. prestazioni del prototipo in termini di efficienza di conversione

In Fig. 4 è mostrato un prototipo di rectenna progettato e realizzato presso l'EML2 per lo scavenging dell'energia elettromagnetica associata a sistemi di identificazione a radiofrequenza (RFID) in banda UHF (Ultra High Frequency). La rectenna è costituita da un'antenna planare progettata con una particolare geometria per garantirne una considerevole riduzione delle dimensioni, e da un semplice circuito di rettifica. Il sistema presenta un'efficienza superiore al 60% su un’ampia banda, come mostrato in Fig. 4d.
Altro range di frequenze d'interesse per la trasmissione wireless di potenza è rappresentato dalla banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) centrata a 2.45 GHz. In Fig. 5 è mostrato un altro prototipo progettato e realizzato presso l'EML2 operante proprio in questa banda. In questo caso l'antenna (un monopolo planare) e il rettificatore sono integrati sullo stesso substrato garantendo, in tal modo, un'ulteriore riduzione delle dimensioni. La massima efficienza di conversione RF-DC si ottiene in corrispondenza di 2.45 GHz ed è pari al 45% (vedere Fig. 3c).




Figura 5. Prototipo di rectenna progettato e realizzato presso l'EML2: a. rectenna; b. dettaglio rettificatore; c. prestazioni del prototipo in termini di efficienza di conversione.

Grazie allo sviluppo di architetture ultra low power, la tecnologia delle antenne rettificanti ben si sposa con le bassissime richieste energetiche dei sensori di una Wireless Body Area Network (WBAN), ossia di una rete di telecomunicazione “short range” formata da uno o più dispositivi senza fili, con consumi medi compresi tra 0.1 e 50 mW, posti all'interno o a contatto del corpo umano (parleremo, rispettivamente, di WBAN impiantabili o indossabili).  A tal proposito, l'EML2 si occupa della progettazione di rectenne tessili (Fig. 6), ossia rectenne realizzate su substrati non tradizionali (ad esempio, materiali indossabili e cartacei) allo scopo di realizzare indumenti intelligenti, ossia dotati di sensori che permettano, ad esempio, il monitoraggio a distanza delle condizioni fisiche di chi li indossa (telemedicina) o la segnalazione di eventuali pericoli nell’ambiente.

 Figura 6. Prototipo di rectenna indossabile progettato e realizzato presso l'EML2.

Esempi di Wireless Power Transmission

Wirelessly powered clock



Rectenna on Tissue: wirelessly powered LED light




Gruppo Campi Elettromagnetici su RAI 3

Il 12 Marzo 2012 Luciano Tarricone, Giuseppina Monti e Fabrizio Congedo sono stati ospiti a "Geo & Geo" (RAI 3) nell'ambito della rubrica "Geo Scienza" con una puntata dedicata alle rectenne e al loro utilizzo per il riciclaggio e la trasmissione a distanza dell'energia elettromagnetica.




Il 23 Aprile 2012 Luciano Tarricone, Giuseppina Monti e Fabrizio Congedo sono stati ospiti a "Geo & Geo" (RAI 3) nell'ambito della rubrica "Geo Scienza" con una puntata dedicata all'alimentazione senza fili di dispositivi medici impiantabili quali i pacemaker.
 




Bibliografia
1.  Giuseppina Monti, Luciano Tarricone, Marco Dionigi, Mauro Mongiardo “Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transmission: An Artificial Transmission Line Approach”, in proceeding of 42th European Microwave Conference (EuMC2012), Oct. 28th – Nov. 2nd 2012, Amsterdam, pp. 233-236.
2.   Fabrizio Congedo, Giuseppina Monti, Luciano Tarricone, Broadband Bowtie Antenna for RF Energy Scavenging Applications, 4rd European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 11-15 April 2011, Roma. 3.     F. Congedo, G. Monti, L. Tarricone, V. Bella, “A 2.45-GHz Vivaldi Rectenna for the Remote Activation of an End Device Radio Node,” accepted for publication in Trans. On Sensors Journal, may 2013.
4.     G. Monti, L. Corchia, L. Tarricone, “UHF Wearable Rectenna on Textile Materials,” accepted for publication in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 61 No. 07, 2013.
5.     Leonardo Sileo, Luigi Martiradonna, Paola Arcuti, Giuseppina Monti, Vittorianna Tasco, Marco Dal Maschio, Giacomo Pruzzo, Benedetto Bozzini, Luciano Tarricone, Massimo De Vittorio, “Wireless system for biological signal recording with Gallium Arsenide High Electron Mobility Transistors as sensing elements Microelectronic Engineering”, accepted for publication in Journal of Microelectronic Engineering, 2013.
6.  G. Monti, L. Tarricone, C. Trane, “Experimental Characterization of a 434 MHz Wireless Energy Link For medical Applications”, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 30, 53-64, may 2012.
7.     G. Monti, F. Congedo, D. De Donno, L. Tarricone, MONOPOLE-BASED RECTENNA FOR MICROWAVE ENERGY HARVESTING OF UHF RFID  YSTEMS, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 31, pp.: 109-121, 2012.
8.     Monti, G., Corchia, L., Tarricone, L., “ISM band rectenna using a ring loaded monopole,” Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 33, pp.:1-15, 2012.
9.  G. Monti, L. Tarricone, M. Spartano, “X-Band Planar rectenna”, Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume: 10, pp.: 1116-1119, ISSN: 1536-1225, 2011. 10. G. Monti, F. Congedo, “UHF Rectenna Using a Bowtie Antenna”, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 26, pp. 181-192, 2012.

 

 










Leggi tutto...