Программно-конфигурируемое устройство и переключаемая поляризационно-разнесенная антенная система для повышения эффективности сбора энергии Wi-Fi в устройствах интернета вещей

Abstract

Стремительное распространение устройств интернета вещей сталкивается с фундаментальным ограничением, связанным с энергопитанием распределенных сенсорных узлов. Предшествующие исследования показали, что использование стандартного Wi-Fi трафика для сбора энергии ограничено низкой скважностью сигнала, обусловленной протоколами случайного доступа к среде. Настоящая работа предлагает двухкомпонентное решение данной проблемы. Во-первых, разработан специализированный программно-конфигурируемый передатчик энергии на базе микроконтроллера ESP32-S3, генерирующий непрерывный оптимизированный сигнал в ISM-диапазоне 2,4 ГГц. Во-вторых, предложена конструкция многоканальной ректенны с перестраиваемой диаграммой направленности на основе RF-переключателя ADG902 и двух патч-антенн с ортогональной поляризацией. Экспериментально подтверждено, что применение разработанного устройства позволяет сократить время заряда накопительного конденсатора емкостью 1000 мкФ до порогового напряжения 3,0 В на расстоянии 5 метров в 4,2 раза по сравнению со стандартной точкой доступа. Интеллектуальная антенная система обеспечивает снижение глубины замираний на 62% и увеличение стабильности выходного напряжения выпрямителя. Совместное применение предложенных решений позволило достичь устойчивой работы IoT-датчика на удалении 7 метров от источника питания без использования гальванических элементов.