El relé inalámbrico ayudará a llevar la tecnología 5G a las fábricas inteligentes.

Una de las características de la era de la información es el cambio de las industrias hacia mayores flujos 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 automatizados. En muchos casos, las redes 5G se utilizan para orquestar operaciones y comunicaciones entre estos dispositivos.

Para evitar depender de engorrosas fuentes de alimentación cableadas, los sensores y transceptores se pueden alimentar de forma remota mediante transferencia de energía inalámbrica (WPT). Sin embargo, un problema con los diseños TIP convencionales es que funcionan a 24 GHz. A frecuencias tan altas, los haces de transmisión deben ser extremadamente estrechos para evitar la pérdida de energía. Además, la energía sólo se puede transmitir si hay 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.

Para superar las limitaciones de la WPT, un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Tokio ha ideado una solución inteligente. En un estudio reciente, cuyos resultados se presentaron en el Simposio IEEE de 2024 sobre tecnología y circuitos VLSI, desarrollaron un nuevo relé 5G que puede funcionar de forma inalámbrica a una frecuencia más baja de 5,7 GHz. “Al utilizar 5,7 GHz como frecuencia WPT, podemos lograr una cobertura más amplia que los sistemas WPT convencionales de 24 GHz, permitiendo que una gama más amplia de dispositivos funcionen simultáneamente”, explica el autor principal y profesor asociado Atsushi Shirane.

El relé inalámbrico propuesto está destinado a actuar como receptor y transmisor intermedio de señales 5G, que pueden originarse en estaciones base o dispositivos inalámbricos 5G. La innovación clave de este sistema es el uso de un mezclador de tipo rectificador, que realiza 4.^Th-Ordene la mezcla de subarmónicos y al mismo tiempo genere energía de CC.

Específicamente, el mezclador utiliza la señal WPT de 5,7 GHz recibida como señal local. Con esta señal local multiplicando circuitos, desfasadores y combinadores de potencia, el mezclador “convierte” la señal recibida de 28 GHz a una señal de 5,2 GHz. Luego, esta señal de 5,2 GHz se amplifica internamente, se convierte a 28 GHz mediante un proceso de inversión y se retransmite a su destino previsto.

Para controlar estos amplificadores internos, el sistema propuesto primero rectifica la señal WPT de 5,7 GHz para generar energía CC, que es administrada por una unidad de administración de energía dedicada. Este ingenioso enfoque ofrece varias ventajas, como destaca Sheerane: “Dado que la señal WPT de 5,7 GHz tiene menos pérdidas de trayectoria que la señal de 24 GHz, se puede extraer más potencia de un solo rectificador de GHz y puede funcionar con una alta eficiencia de conversión de potencia”. Finalmente, este diseño de circuito propuesto permite la selección del tamaño del transistor, el voltaje de polarización, el desajuste, la frecuencia de corte del filtro y la carga para maximizar simultáneamente la eficiencia y la ganancia de conversión.

A través de varios experimentos, el equipo de investigación demostró las capacidades del relé propuesto. Ocupando sólo un chip de 1,5 mm x 0,77 mm que utiliza tecnología CMOS estándar, un solo chip puede generar una alta potencia de 6,45 mW con una potencia de entrada de 10,7 dBm. En particular, se pueden combinar varios chips para lograr una mayor potencia de salida. Teniendo en cuenta sus numerosas ventajas, el sistema TIP de 5,7 GHz propuesto puede contribuir en gran medida al desarrollo de fábricas inteligentes.