Wireless Power for IoT

Abstract

This doctoral thesis by compendium of publications addresses several fields of study around the main topic of wireless transference of energy for the Internet of Things devices, in particular, for nodes which are part of a wireless sensor network, and spotlighting the special case of radio frequency energy harvesting (RFEH), i. e., with no dedicated energy source. During the doctoral period, and likewise condensed in the present document, we studied the current electromagnetic spectrum, we developed a tri-band antenna tailored to RFEH use-cases, we analyzed the state-of-the-art circuits and components for the autonomous rectification of high frequency low voltage signals, with the purpose of its energy extraction. We developed innovative circuits for the efficient power management previous to a dc/dc converter, that achieved a substantial improvement beyond the state-of-the-art. We studied the commercial dc/dc converters under ultra-low power conditions and novel components and methods for energy storage. We developed a novel wireless communication protocol intended for embedded and energy harvesting systems, that achieved up to 2 decades of lower power consumption than Bluetooth low energy, among other features. We examined applicationrelated new components and materials with exceptional characteristics, such as, exibility and lower power consumption and cost-effectiveness. And we investigated on new hardware and software concepts for increasing the security of the nodes, without increasing their power demands. The success of the results was reected in the published articles further on appended, which were accepted in journals of high academic impact within the first quartile in their classification and conferences of international relevance.

La presente tesis doctoral por compendio de publicaciones trata diversos campos de estudio alrededor del tema principal de transferencia de energía de forma inalámbrica para el Internet de las cosas, en particular, para nodos formando una red de sensores inalámbrica, y poniendo el foco sobre el caso especial de recolección de energía de ondas de radio frecuencia (RERF), es decir, sin una fuente dedicada de emisi on. Durante el período doctoral, y de la misma forma condensado a lo largo de esta tesis, se estudió el actual espectro electromagnético, se desarrolló una antena tri-banda personalizada a casos de uso de RERF, se analizaron circuitos y componentes del estado del arte para la rectificación autónoma de señales de alta frecuencia y bajo voltaje, con el objetivo de la extracción de su energía. Se desarrollaron circuitos innovadores para la gestión energética eficiente en la etapa previa a la conversión dc/dc, que lograron una mejora substancial al estado del arte. Se estudiaron los conversores dc/dc del mercado bajo condiciones de ultra baja potencia, además de componentes y métodos novedosos para el almacenamiento de energía. Se desarrolló un novedoso protocolo de comunicación inalámbrico para sistemas empotrados y con recolección de energía, que consiguió hasta 2 déecadas de menor consumo de potencia que Bluetooth low energy, entre otras características. Se evaluaron nuevos componentes y materiales con propiedades excepcionales para la etapa de aplicación, como exibilidad y más bajo coste y consumo. Y se investigó en nuevos conceptos hardware y software para aumentar la seguridad de los nodos, sin aumentar sus demandas de energía. El éxito de los resultados se reflejó en los artículos publicados, adjuntos más adelante, aceptados en revistas de alto impacto científico y con rango del primer cuartal, así como en conferencias de relevancia internacional.