Los investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) han presentado un relé 5G de alimentación inalámbrica que podría acelerar el desarrollo de fábricas inteligentes. Al adoptar una frecuencia operativa más baja para la transferencia de energía inalámbrica, el diseño de relé propuesto resuelve muchas de las limitaciones actuales, incluido el alcance y la eficiencia. A su vez, esto permite una disposición más versátil y generalizada de sensores y transceptores en entornos industriales.
Una de las características de la era de la información es la transformación de las industrias hacia un mayor flujo de información. Esto se puede ver fácilmente en fábricas y almacenes de alta tecnología, donde se instalan sensores y transceptores inalámbricos en robots, maquinaria de producción y vehículos automáticos. En muchos casos, las redes 5G se utilizan para orquestar operaciones y comunicaciones entre estos dispositivos.
Para evitar depender de fuentes de energía cableadas, los sensores y transceptores se pueden alimentar de forma remota mediante transferencia de energía inalámbrica (WPT). Sin embargo, un problema de los diseños TIP convencionales es que funcionan a 24 GHz. A frecuencias tan altas, los haces de transmisión deben ser extremadamente estrechos para evitar pérdidas de energía.
Además, la energía sólo puede transmitirse si existe una línea de visión clara entre el sistema TIP y el dispositivo objetivo. Dado que los repetidores 5G se utilizan a menudo para ampliar el alcance de las estaciones base 5G, la TIP debe llegar aún más lejos, lo que supone otro desafío para los sistemas de 24 GHz.
Funcionamiento de dispositivos de forma simultánea
Para abordar las limitaciones de la WPT, los investigadores de Tokyo Tech desarrollaron un novedoso relé 5G que puede alimentarse de forma inalámbrica a una frecuencia más baja de 5,7 GHz. Al utilizar 5,7 GHz como frecuencia WPT, se obtiene una cobertura más amplia que los sistemas WPT convencionales de 24 GHz, permitiendo que una gama mayor de dispositivos funcione simultáneamente.
Una innovación clave en este diseño es el uso de la señal de transferencia de energía inalámbrica de 5,7 GHz, como medio para generar energía CC mediante un rectificador y como oscilador para los circuitos de mezcla y desmezcla. Al amplificar la señal de entrada después de la conversión a una frecuencia más baja mediante mezcla, este circuito logra una mayor eficiencia y ganancia.
El relé alimentado de forma inalámbrica propuesto está destinado a actuar como receptor y transmisor intermediario de señales 5G, que pueden originarse desde una estación base 5G o dispositivos inalámbricos. La innovación clave de este sistema es el uso de un mezclador de tipo rectificador, que realiza una mezcla subarmónica de cuarto orden y al mismo tiempo genera energía CC.
En particular, el mezclador utiliza la señal WPT de 5,7 GHz recibida como señal local. Con esta señal local, junto con circuitos multiplicadores, desfasadores y un combinador de potencia, el mezclador convierte una señal recibida de 28 GHz en una señal de 5,2 GHz. Posteriormente, esta señal de 5,2 GHz se amplifica internamente a 28 GHz mediante el proceso inverso y se retransmite a su destino previsto.
Control de los amplificadores internos
Para controlar estos amplificadores internos, el sistema propuesto primero rectifica la señal WPT de 5,7 GHz para producir energía CC, que es administrada por una unidad de administración de energía dedicada. Finalmente, este diseño de circuito permite seleccionar el tamaño del transistor, el voltaje de polarización, la adaptación, la frecuencia de corte del filtro y la carga para maximizar la eficiencia de conversión y la ganancia de conversión simultáneamente.
A través de varios experimentos, el equipo de investigación mostró las capacidades de su relé que ocupa sólo un chip de 1,5 mm por 0,77 mm, e integra la tecnología CMOS estándar. Asimismo, un solo chip puede generar una alta potencia de 6,45 mW con una potencia de entrada de 10,7 dBm. En particular, se podrían combinar varios chips para lograr una mayor potencia de salida.
Por su parte, el prototipo del transceptor de relé propuesto se fabricó con chips Si CMOS de 65 nm y una placa de antena de matriz en fase de parche 4×2.