Una revisión de metasuperficies para la transmisión y recolección de energía por microondas en redes inalámbricas

AKAA AGBAEZE ETENG1, (Miembro, IEEE), HUI HWANG GOH 2, (Miembro principal, IEEE), SHARUL KAMAL ABDUL RAHIM 3, (Miembro principal, IEEE) Y AKRAM ALOMAAINY 4, (Miembro principal, IEEE) 

1Departamento de Electricidad/ Ingeniería Electrónica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Port Harcourt, Choba 500102, Nigeria 

2Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Guangxi, Nanning 530004, China 

3Centro de Comunicaciones Inalámbricas, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universiti Teknologi Malaysia, Johor Bahru 81310, Malasia 

4Investigación de Antenas y Electromagnéticos Grupo, Escuela de Ingeniería Electrónica y Ciencias de la Computación, Universidad Queen Mary de Londres, Londres E1 4NS, Reino Unido. Autor para correspondencia: Hui Hwang Goh (hhgoh@gxu.edu.cn) Este trabajo fue financiado en parte por la Escuela de Ingeniería Eléctrica, Guangxi Universidad con la subvención A3020051008, y en parte por Kementerian Pengajian Tinggi (KPT) y Universiti Teknologi Malaysia con la subvención 

5F237 y la subvención 3F508.

RESUMEN Las técnicas inalámbricas de transmisión y recolección de energía han surgido recientemente como soluciones atractivas para realizar redes inalámbricas. Al eliminar las limitaciones fundamentales de energía que surgen del uso de fuentes de baterías convencionales, los modos inalámbricos de transmisión de energía proporcionan medios viables para alimentar dispositivos de redes inalámbricas fuera de la red. Las metasuperficies se han convertido en facilitadores clave para el uso de la energía de microondas como fuente de energía. Sus capacidades únicas para adaptar ondas electromagnéticas han motivado un importante interés en la investigación sobre su uso en sistemas de microondas centrados en la energía. Este artículo proporciona una descripción general del progreso en el desarrollo de implementaciones de metasuperficies para transmisores y recolectores de energía de microondas. En primer lugar, el artículo proporciona una introducción básica a las metasuperficies, después de lo cual revisa el progreso de la investigación en metasuperficies para la transmisión y recolección de energía de microondas. También se destacan los parámetros clave por los que se caracteriza el rendimiento de dichos diseños de metasuperficies. Además, se presenta una descripción general de los estudios sobre metasuperficies como superficies inteligentes reconfigurables en redes inalámbricas que soportan la transmisión simultánea de información y energía. Finalmente, el documento destaca los desafíos existentes y explora direcciones futuras, incluidas oportunidades para controlar entornos de radio a través de superficies inteligentes reconfigurables energizadas ambientalmente en redes inalámbricas de próxima generación. 

ÍNDICE  TÉRMINOS Recolección de energía, metasuperficie, transferencia de energía de microondas, recena, redes inalámbricas. 

I. INTRODUCCIÓN 

Las redes inalámbricas de próxima generación se conciben como una convergencia de comunicación, detección ambiental y computación distribuida [1], con la capacidad de soportar una amplia gama de aplicaciones novedosas [2], [3]. Como era de esperar, estas redes futuras se caracterizarán por una considerable heterogeneidad de nodos participantes [4], [5], cada uno con requisitos de energía variados. Durante más de medio siglo, las baterías han sido el medio de facto mediante el cual se energizaban dispositivos independientes sin estar conectados a la red. Sin embargo, el editor asociado que coordinó la revisión de este manuscrito y aprobó su publicación fue Marco Martalo. En la última década han surgido nuevas aplicaciones de redes inalámbricas que requieren la colocación de diversos dispositivos en entornos físicamente inaccesibles. Estos escenarios a menudo niegan la posibilidad de intervención humana para facilitar el reemplazo de baterías de vida limitada [6], [7]. Algunas otras aplicaciones tienen restricciones estrictas [8], para las cuales no es práctico cargar baterías adicionales. Por lo tanto, se ha hecho necesario investigar alternativas inalámbricas y sin batería para energizar dispositivos independientes [9]. Existen numerosas fuentes de energía disponibles en el medio ambiente. La irradiación solar, el viento y los maremotos son algunos ejemplos bien conocidos, y se dispone de tecnologías maduras para aprovecharlos a gran escala. Sin embargo, la casi generalizada La disponibilidad de tecnologías de comunicación inalámbrica a nivel mundial ha proporcionado un recurso energético en gran medida sin explotar para el medio ambiente: las ondas electromagnéticas (EM) generadas artificialmente [10]. La energía EM que surge de las tecnologías de comunicación inalámbrica está disponible en un amplio espectro, que va desde ondas de radio en el régimen de kHz hasta longitudes de onda ópticas en frecuencias de THz. La ventana espectral de microondas, en particular, alberga un número significativo de servicios inalámbricos. Aunque los niveles de energía ambiental de las radiaciones en este régimen generalmente se mantienen bajos mediante regulación, los dispositivos conectados en red de baja potencia pueden beneficiarse del aprovechamiento de las ondas EM ambientales y la transmisión EM intencional como fuente de energía inalámbrica [11]-[14]. Obtener energía eléctrica a partir de transmisiones electromagnéticas es una idea que a menudo se remonta al trabajo pionero de Tesla en los albores del siglo XX [15]. Aunque obstaculizados por la tecnología disponible en la época [16], estos primeros intentos proporcionaron el impulso para futuros intentos de actualizar la idea. Aunque los esfuerzos iniciales se dirigieron a desarrollar tecnologías para la transferencia inalámbrica de energía (WPT) a través de la transmisión intencional de energía EM, desde entonces la investigación se ha ampliado para incluir la recolección de energía EM ambiental disponible mediante una gran cantidad de tecnologías de comunicación inalámbrica, también conocida como recolección de energía EM. La transferencia de energía por microondas (MPT) se considera tradicionalmente como un subconjunto de tecnologías TIP, centrándose en diseños de transmisores y receptores para la transferencia de energía en frecuencias de microondas a distancias relativamente considerables. Las realizaciones prácticas de MPT, iniciadas por W. C. Brown, se orientaron inicialmente hacia aplicaciones de alta potencia, incluida la alimentación remota de vehículos aéreos no tripulados (UAV) y diversas aplicaciones de energía solar espacial (SSP) [15], [17]-[19]. . Sin embargo, el concepto básico se ha ampliado en la actualidad para incluir aplicaciones de potencia media y baja, especialmente en el contexto de redes de comunicaciones inalámbricas [20]-[24]. Los haces de energía altamente enfocados procedentes de aperturas EM especialmente sintetizadas podrían permitir la activación de dispositivos previstos colocados en las inmediaciones de estas fuentes. Sin embargo, los enlaces dedicados de transmisión de energía de microondas a larga distancia enfrentan el desafío de una alta pérdida de propagación. Esto se debe a que, en el campo lejano, la potencia transmitida decae con el cuadrado de la distancia. Mitigar este desafío mediante la transmisión de haces direccionales de alta potencia en entornos terrestres y residenciales plantea preocupaciones de seguridad obvias. Alternativamente, se pueden aprovechar las fuentes de microondas existentes dentro de la red inalámbrica para energizar los dispositivos conectados. Sin embargo, dado que estas tecnologías están necesariamente sujetas a límites de exposición por regulación, el potencial para una transmisión confiable de energía de microondas de punto a multipunto palidece cuanto más lejos están los dispositivos previstos de estas fuentes. Farfield MPT en redes inalámbricas debe abordar satisfactoriamente las altas pérdidas de propagación y las consideraciones de seguridad para poder implementarse como soluciones viables [20]. En consecuencia, en escenarios de campo lejano, es más práctico que los dispositivos previstos recopilen la energía de microondas ambiental disponible a través de múltiples fuentes, en lugar de depender de una transmisión de suministro de energía dedicada. La recolección de energía de microondas se preocupa por recolectar emisiones ambientales de baja potencia, con una implementación centrada en el desarrollo de receptores de energía apropiados. Convencionalmente, los colectores de energía EM son antenas. Normalmente se incluye un rectificador en la estructura de la antena, lo que produce una reccena cuya salida es un voltaje de CC.

 Las estructuras de antena diseñadas para la transmisión de energía de microondas se caracterizan generalmente por diversas complejidades de implementación. Como recolectores de energía, suele ocurrir que las antenas se utilicen en conjuntos para aumentar la cantidad de energía recolectada. Tales implementaciones de conjuntos a menudo requieren un espacio significativo entre elementos de antena adyacentes para evitar el impacto debilitante del acoplamiento mutuo.

 Esto impone restricciones al número de elementos de antena que se utilizarán dentro de una huella finita o, alternativamente, a la huella mínima ocupada por una matriz de un número específico de elementos. Además, las implementaciones de antenas de matriz generalmente requieren circuitos de adaptación adicionales y redes de combinación de energía, lo que genera diseños complicados, mayores pérdidas de energía y costos más elevados. 

En consecuencia, la necesidad de transmitir y recuperar energía de microondas de manera más eficiente, dado el ecosistema inalámbrico regulado, ha llevado a investigaciones sobre el uso de estructuras basadas en metamateriales para complementar la funcionalidad de la antena o como reemplazos directos de la antena. Una de las características atractivas de los metamateriales planos es su capacidad para realizar el procesamiento espacial de haces de energía sin la necesidad de amplificadores o desfasadores activos [25], lo que permite una transferencia de energía eficiente a costos mínimos. Además, estas estructuras se pueden sintetizar con requisitos de espaciado menos estrictos para la constituelementos diferentes que los conjuntos de antenas, lo que genera configuraciones más densas y espacios generales más pequeños. Además, presentan una mayor flexibilidad estructural, que puede aprovecharse para igualar impedancias sin utilizar circuitos adicionales. Como su nombre lo indica, los metamateriales son estructuras tridimensionales con propiedades EM diseñadas artificialmente que no se encuentran en la naturaleza [26]. Sus numerosas aplicaciones en los dominios óptico y de microondas están bien documentadas [27]-[29]. Las metasuperficies son los equivalentes 2D de los metamateriales y, a menudo, han servido como reemplazos estructuralmente más compactos. Algunos ejemplos de aplicaciones de metasuperficies incluyen la realización de superficies de adaptación de impedancia, absorbentes electromagnéticos, guías de ondas, lentes, materiales de ocultación, antenas, moduladores y superficies inteligentes reconfigurables, como se resume en [30]-[32]. Las aplicaciones de captación de energía WPT y EM de metasuperficies y metamateriales han atraído numerosas contribuciones, como se describe en estudios recientes [33]-[35]. Li y col. [33] revisa el progreso de la investigación en el uso de metasuperficies para la recolección de energía electromagnética ambiental y TIP, con énfasis en las aplicaciones de recolección de energía. La simplicidad estructural y el excelente rendimiento se consideran algunas de las razones del creciente interés en la aplicación de metasuperficies para la recolección de energía EM. De manera similar, Amer et al. [34], proporciona un resumen de los diseños de recolección de energía de radiofrecuencia basados en metasuperficies, que está precedido por un esquema de las deficiencias de las rectennas convencionales de captación de energía. Por el contrario, los autores en [35] revisan los fundamentos, el progreso y las direcciones futuras en la recolección de energía asistida por metamateriales. Se analizan implementaciones de recolección de energía de amplio alcance, como esquemas de recolección de energía vibroacústica, EM y térmica. En contraste con los estudios relacionados de recolección de energía de metasuperficies [33], [34], este trabajo incluye una discusión de los diseños de metasuperficies para transmitir energía de microondas. Además, proporciona un tratamiento actualizado de la captación de energía de microondas mediante metasuperficies. La atención se centra en propuestas con un potencial específico para su implementación en redes inalámbricas. Además, se destacan los estudios teóricos sobre mejoras a nivel de sistema derivadas de la implementación de entornos de radio inteligentes basados en metasuperficies en redes inalámbricas. Además, el trabajo destaca los problemas abiertos actuales en el despliegue práctico de metasuperficies en aplicaciones de transmisión y recolección de energía, y sugiere posibles direcciones de investigación futuras. Para ello, el resto del trabajo se organiza de la siguiente manera. La Sección II presenta brevemente las características de las metasuperficies, mientras que en las Secciones III y IV se presentan estudios sobre el progreso reciente en la transmisión de energía de microondas y las implementaciones de recolección de energía en las metasuperficies, respectivamente. Los parámetros por los cuales se caracteriza el desempeño de las estructuras de metasuperficie están implícitos en la discusión presentada. La Sección V revisa los estudios sobre la aplicación de metasuperficies como habilitadores de entornos de radio inteligentes en redes de próxima generación que apoyan la transferencia de información y energía. Los problemas abiertos en las implementaciones de metasuperficie discutidas se exploran en la Sección VI, con una sugerencia de una perspectiva en el contexto de las redes inalámbricas. La sección VII concluye el artículo. 

II. CONCEPTOS BÁSICOS DE METASURFACE 

Los metamateriales son estructuras 3D con propiedades electromagnéticas atípicas, como índices de refracción cercanos a cero, permeabilidades efectivas negativas y permitividades, que ocurren en bandas de frecuencia específicas. Estas propiedades permiten que los metamateriales proporcionen funcionalidades inusuales cuando interactúan con ondas EM. El comportamiento efectivo a macroescala de un metamaterial se logra colocando dispersores electromagnéticos por debajo de la longitud de onda en matrices regulares a lo largo de un volumen de espacio determinado. 

El trabajo teórico de Vesalago [36] y las demostraciones prácticas de Pendry [37] impulsaron el amplio interés en las aplicaciones de metamateriales en los dominios óptico y de microondas. Recientemente, ha habido un aumento en el interés por las implementaciones de metamateriales 2D, conocidas como metasuperficies. Una razón para esta atención se relaciona con el hecho de que las metasuperficies pueden diseñarse para ofrecer las funcionalidades sintéticas requeridas utilizando únicamente implementaciones orientadas a superficies.

 Además, las metasuperficies se implementan utilizando técnicas de fabricación planas, que, en general, son menos complicadas que los procesos de fabricación volumétricos utilizados para los metamateriales [38]. Una metasuperficie es un material compuesto delgado, que consta de un sustrato dieléctrico sobre el cual se imprime un patrón repetitivo de sublongitud de onda de un dispersor electromagnético resonante, conocido como celda unitaria o metaátomo. Aunque los patrones de metaátomos son a menudo periódicos, también han surgido metasuperficies aperiódicas para varias aplicaciones [39]-[42]. La realización más común de metasuperficies consiste en patrones metálicos superpuestos sobre un sustrato dieléctrico. Aunque a menudo se emplean metaceldas metálicas de una sola capa, se ha demostrado que las implementaciones de múltiples capas aumentan los grados de libertad en la manipulación de ondas EM incidentes, lo que lleva a características mejoradas [43]-[45]. También se han informado implementaciones de metasuperficies totalmente dieléctricas [46]-[49], posibles gracias al hecho de que los resonadores dieléctricos exhiben resonancias eléctricas y magnéticas geométricamente sintonizables [43]. Las metasuperficies también se pueden implementar con o sin un plano de tierra debajo del sustrato dieléctrico. Cuando hay presente un plano de tierra, la metasuperficie también se conoce en la literatura como superficie de impedancia tensorial [50], [51]. Las metasuperficies son capaces de realizar diversas manipulaciones de ondas EM, como control de campo no recíproco, refracción generalizada y transformación de polarización [43]. La distribución y geometría de los metaátomos constituyentes es fundamental para la respuesta general de una metasuperficie. Generalmente, el espesor de una metasuperficie y las dimensiones del metaátomo son pequeños en comparación con la longitud de onda en el medio circundante [31]. Estas dimensiones por debajo de la longitud de onda permiten el tratamiento de metasuperficies como estructuras planas homogéneas. En consecuencia, el comportamiento de dispersión de una metasuperficie se puede caracterizar utilizando condiciones de transición de lámina generalizadas (GSTC) [31], [52], [53]. Aunque el diseño de metasuperficies se ha basado convencionalmente en enfoques de optimización intensiva, recientemente han surgido técnicas de síntesis que han llevado a metodologías más deterministas [43], [5Para respaldar una cobertura total con una interferencia mínima a las tecnologías inalámbricas existentes, sería necesario contar con implementaciones densas de dichas balizas de potencia que funcionen a niveles de baja potencia en el medio ambiente. Tal densificación significaría que los dispositivos están siempre a sólo unos metros de una fuente de energía de microondas, probablemente dentro de su campo cercano radiante. Desde la perspectiva de la baliza de baja potencia, tener los dispositivos receptores previstos dentro de este rango es ventajoso, ya que permite transmitir energía enfocada con baja atenuación en escenarios de entrega de energía punto a punto y punto a multipunto [61].

FIGURA 1. Red híbrida superpuesta a una red celular con balizas de energía implementadas aleatoriamente para MPT [21].

Para respaldar una cobertura total con una interferencia mínima a las tecnologías inalámbricas existentes, sería necesario contar con implementaciones densas de dichas balizas de potencia que funcionen a niveles de baja potencia en el medio ambiente. Tal densificación significaría que los dispositivos están siempre a sólo unos metros de una fuente de energía de microondas, probablemente dentro de su campo cercano radiante. Desde la perspectiva de la baliza de baja potencia, tener los dispositivos receptores previstos dentro de este rango es ventajoso, ya que permite transmitir energía enfocada con baja atenuación en escenarios de entrega de energía punto a punto y punto a multipunto [61]. Se han estudiado e implementado aplicaciones MPT enfocadas en campo cercano utilizando antenas [62]–[65]. Sin embargo, dada la capacidad única de las metasuperficies para adaptar frentes de onda, es lógico que también se hayan estudiado como un medio para realizar enfoques de campo cercano en dominios ópticos y de radiofrecuencia [66]-[69]. La introducción de metasuperficies en los sistemas de transmisión de energía de microondas proporciona potencialmente una mayor flexibilidad de diseño y una mejora del rendimiento del enfoque de campo cercano, en comparación con cuando las antenas se utilizan solas. En consecuencia, las siguientes subsecciones se centran en los avances recientes en la investigación de metasuperficies para facilitar la transmisión de energía de microondas de haz enfocado dentro del campo cercano radiante. A. METASSuperficies de haz estático Las metasuperficies de haz estático están diseñadas para enfocar la energía EM en coordenadas espaciales específicas dentro del campo cercano radiante de una antena transmisora asociada. Como ejemplo, en [70] se presentan diseños de metasuperficies reflectantes de campo cercano de foco simple y doble para la transmisión de energía de microondas a 5,8 GHz. Estas estructuras están diseñadas para enfocar la potencia de microondas reflejada desde una sola antena en coordenadas espaciales específicas dentro del campo cercano radiativo de la antena. Mientras que el diseño de enfoque único apunta a aplicaciones MPT punto a punto, el diseño de enfoque doble apunta a casos de uso de punto a multipunto. Para garantizar buenas características reflectantes, los metaátomos constituyentes se sintetizaron como tridipolos, como se muestra en la Fig. 2. Los cambios de fase introducidos por cada elemento tridipolo en la onda incidente de la antena alimentadora constituyen colectivamente el parámetro por el cual varios Se logran posiciones de enfoque. Dado que el cambio de fase de cada tridipolo está relacionado 

FIGURA 2. Metasuperficie reflectante de enfoque único de campo cercano (a) Modelo de simulación de metaátomo tridipolo, (b) metasuperficie de enfoque único y antena de alimentación, (c) metasuperficie y antena de doble enfoque. (d) Curvas de eficiencia de transferencia simuladas que muestran la eficiencia de transferencia de alimentación a metasuperficie (η1); eficiencia de transferencia de alimentación a foco único (η1−1); eficiencia de transferencia de alimentación a enfoque con PEC reemplazando la metasuperficie (ηPEC); y eficiencia de transferencia de alimentación a doble foco (η1−2) [70].2/Practicas/Papers/A_Review_of_Metasurfaces_for_Microwave_Energy_Transmission_and_Harvesting_in_Wireless_Powered_Networks.pdf

En cuanto a su longitud, las distribuciones de fase requeridas para las metasuperficies se realizaron utilizando las distribuciones correspondientes de las dimensiones de los elementos tripolares. Ambas metasuperficies tenían dimensiones de 500 mm × 500 mm y estaban compuestas por 20 × 20 elementos. El rendimiento de la metasuperficie se caracteriza en términos de eficiencia de transferencia, que en este caso es la relación porcentual entre la potencia enfocada en la dirección deseada en el plano de referencia y la potencia radiada por la antena alimentadora. A partir de los resultados mostrados en la Fig. 2, se puede ver que a 5,8 GHz el diseño de metasuperficie de enfoque único permite la transferencia de energía desde la antena de alimentación a un punto focal deseado con una eficiencia de transferencia un poco superior al 60%. De manera similar, el diseño de doble enfoque logra un nivel de eficiencia ligeramente inferior, de casi el 60 % con la misma frecuencia de interés. Para ambos diseños de metasuperficie, el ancho de banda con una eficiencia del 50 % es aproximadamente del 16 %.

En una extensión de la metodología introducida en [70], en [71] se introdujeron metasuperficies de enfoque de campo cercano de enfoque único con doble polarización y enfoque dual. Para lograr un control independiente de las polarizaciones lineales ortogonales incidentes, el metaátomo elemental en ambos diseños se sintetizó como una estructura de dipolo cruzado, como se muestra en la Fig. 3. De manera similar a [70], la distribución de los cambios de fase requirió para lograr la posición de enfoque se realizó mediante una distribución correspondiente de variación en los tamaños de los elementos dipolo cruzados a través de las metasuperficies de 390 mm × 390 mm, 26 × 26 elementos. Sintetizada para funcionar a 10 GHz, la metasuperficie reflectante de enfoque único logró una eficiencia de transferencia de energía inalámbrica del 71,6% con excitación de polarización única. Sin embargo, con la excitación de ambas polarizaciones, la eficiencia de transferencia de la metasuperficie de foco único cayó al 65,9% en la frecuencia de interés. Por otro lado, el diseño de doble enfoque logró una eficiencia de transferencia del 68,3% a 10 GHz. Los anchos de banda relativos con una eficiencia de transferencia del 50% para los diseños de metasuperficie fueron aproximadamente del 12%, independientemente de la excitación de polarización. Las mediciones también revelaron que la inclusión de la metasuperficie de foco único en el sistema de transmisión de energía condujo a un aumento de 15 dB en la potencia inalámbrica captada por una antena receptora prevista. Aunque convencionalmente se crean prototipos de metasuperficies utilizando tecnología de placa de circuito impreso (PCB), Yurduseven et al. [72] presentan una antena de metasuperficie de polímero fabricada con tecnología de impresión 3D. Con el objetivo de lograr prototipos rápidos y de bajo costo, la estructura de la metasuperficie impresa en 3D se imprimió en un procedimiento de un solo paso utilizando ácido poliláctico y material polimérico biodegradable Electrifi, para el sustrato dieléctrico y las partes conductoras, respectivamente. Los prototipos de la antena de metasuperficie, que se muestran en la Fig. 4, se diseñaron utilizando una técnica de enfoque de haz holográfico, lo que conduce a diferentes dimensiones y patrones de iris de metacélula para escenarios de enfoque de haz dentro y fuera del eje. Como se ilustra en la Fig. 4, el método funciona estableciendo primero una fuente puntual virtual r' en la posición del foco de haz deseado, que luego se propaga hacia atrás a la apertura de la metasuperficie para proporcionar una distribución de campo de apertura deseada P. La metasuperficie r es luego diseñado con el objetivo de producir una distribución de apertura P cuando es excitada por el campo magnético H de la onda lanzada por la alimentación coaxial. En este caso particular, las metacélulas en forma de ranura están dispuestas de manera que su respuesta a la onda de referencia esté polarizada linealmente a lo largo del eje vertical. 

B. METASUPERFICIES RECONFIGURABLES

 A diferencia de técnicas anteriores en las que el enfoque estático del haz se realiza utilizando metasuperficies "cableadas", la reconfigurabilidad permite el enfoque dinámico del haz en escenarios donde los terminales son móviles. Smith y cols. [25] presentan un análisis de compensación del enfoque dinámico del haz utilizando una apertura de metasuperficie conceptual en un escenario de enfoque único. La distribución de fase de campo requerida sobre la metasuperficie se determina holográficamente, haciendo que una fuente puntual supuesta en la ubicación del receptor de energía interfiera con una onda plana ubicada en el

FIGURA 3. Metasuperficie reflectante de doble enfoque de campo cercano (a) Modelo de simulación de metaátomo de dipolo cruzado, (b) metasuperficie con antena de alimentación, (c) Curvas de eficiencia de transferencia de energía inalámbrica simuladas que muestran la eficiencia de transferencia de alimentación a metasuperficie ( MTS); eficiencia de transferencia de alimentación a foco único con excitación de polarización única (1TR1P); eficiencia de transferencia de alimentación a doble foco con excitación de polarización única (1T2R1P); y eficiencia de transferencia de alimentación a foco único con excitación de polarización dual (1T1R2P) [71].

apertura de la metasuperficie. En este escenario donde la metasuperficie sirve como el propio radiador de microondas, la eficiencia de transferencia se caracteriza como la relación entre el tamaño de la apertura del receptor y el tamaño de la cintura del haz en el foco. Como continuación de este estudio inicial, en [73], [74] se presenta el diseño numérico de una apertura de metasuperficie holográfica reconfigurable para aplicaciones dinámicas de enfoque de haz a 20 GHz. La apertura reconfigurable de 150 mm×150 mm está estructurada como una placa paralela

FIGURA 4. Metasuperficie de polímero de bajo costo (a) modelo de metasuperficie, (b) ilustración de la técnica de formación de haces holográfica, (c) metasuperficies impresas en 3D [72]

guía de ondas, que consta de un sustrato dieléctrico intercalado entre un plano de tierra y una placa superior conductora estampada, como se muestra en la Fig. 5. Los metaátomos de la placa superior son iris en forma de ranura cargados con diodos PIN. Esto les permite cambiar entre estados radiantes (ON) y no radiantes (OFF), dependiendo de la polarización aplicada a los diodos. Mediante esta disposición, se puede reconfigurar la distribución de fases de los campos radiados, permitiendo así enfocar el haz en cualquier punto del campo cercano radiativo. Cabe destacar que la apertura de la metasuperficie en este caso sirve directamente como fuente del haz, con la excitación para el modo guiado lanzada a través de una alimentación coaxial ubicada en el centro. FIGURA 5. Estructura de una apertura de metasuperficie reconfigurable con alimentación coaxial colocada centralmente [73]. Se han propuesto otros diseños numéricos de aperturas de metasuperficies reconfigurables de enfoque múltiple, que aprovechan la técnica de diseño holográfico [75], [76]. Sin embargo, en lugar de asumir una fuente puntual hipotética como una única fuente de interferencia estacionaria, se supone que los interferenciadores son múltiples receptores de energía móviles, que primero se localizan utilizando un proceso de baliza [75] o una técnica de localización visual binocular [76]. Las aberturas de la metasuperficie están alimentadas coaxialmente por el centro, con los metaátomos modelados como elementos de línea de meandro, cada uno cargado con tres diodos PIN para reconfigurabilidad de fase. La idea de realizar una distribución de fase de enfoque del haz requerida cambiando los estados eléctricos de metaátomos geométricamente idénticos se amplía aún más en Tran et al. [77]. Aquí, se propone una metasuperficie de codificación, donde se realizan dinámicamente diferentes distribuciones de fase para manipular la posición focal de un haz incidente en respuesta al movimiento de un receptor previsto. Una vez más, los diodos PIN se utilizan para controlar los estados eléctricos de metaátomos individuales. En el diseño, cada metaátomo de codificación de 1 bit es capaz de operar en cualquiera de dos estados, con los códigos "1" y "0" asignados a cambios de fase de 0◦ o 180◦, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 6, el patrón de metaátomo es una estructura fractal, grabada sobre un sustrato dieléctrico, con un diodo PIN que conecta el patrón conductor al plano de tierra a través de una vía. Una línea polarizada conecta el metaátomo a un tablero de control, que proporciona la señalización del código requerido. El tablero de control implementa un esquema de control de fase óptimo adaptativo para localizar la posición del receptor de energía móvil previsto, que forma la base de las señales de control para manipular las posiciones focales de la metasuperficie de codificación. La metasuperficie de 176 mm × 176 mm y 16 × 16 elementos fue capaz de enfocar dinámicamente el haz de una antena de alimentación en un rango de -60 ◦ a 60 ◦ en el plano de elevación, a 5,8 GHz. El resultado que se muestra en la Fig. 6 revela que el esquema de control de fase óptimo adaptativo propuesto permite que la metasuperficie alcance una eficiencia de transferencia del 4% en un ángulo de dirección de 30◦, cuando se mide en un rango de 50 cm. Cabe señalar que, a diferencia de [25], la eficiencia de transferencia se caracteriza aquí de manera similar a [78], [79] como la relación entre la potencia de entrada de la antena de alimentación y la potencia recibida medida en la salida de la antena receptora. En la Tabla 1 se proporciona un resumen de la investigación revisada sobre el uso de metasuperficies para la transmisión de energía de microondas enfocada en campo cercano.

IV. METAS

Superficies para recolectores de energía de microondas El objetivo principal de un recolector de energía de microondas es recolectar al máximo la energía de microondas, que se rectifica para proporcionar una fuente de CC estable. Como se ilustra en la Fig. 7, un recolector de energía de microondas básico requiere un recolector de ondas EM, típicamente una antena, para interceptar la radiación de microondas ambiental. La salida de CA de la antena se rectifica para proporcionar un voltaje de CC que, después del filtrado, se puede utilizar para impulsar una carga conectada. La investigación sobre la aplicación de elementos metamateriales en la recolección de energía de microondas generalmente se ha desarrollado en dos direcciones: como mejoras estructurales de las antenas o como reemplazos directos de las antenas [33]. Motivados por este último enfoque, las siguientes subsecciones analizan los sustitutos de antenas de metasuperficie propuestos en los esquemas de recolección de energía de microondas. 

A. COSECHADORES DE ENERGÍA DE MICROONDAS DE META-CÉLULAS

 Ramahi et al., en 2012, demostraron por primera vez los potenciales de recolección de energía EM ambiental de las estructuras de matriz de meta-células [80]. El trabajo reveló que las metacélulas resonantes individuales actúan como recolectores de energía cuando se asocian con cargas resistivas y pueden facilitar colectivamente la recolección de energía en masa cuando se usan en forma de matriz. El concepto se demostró colocando una única celda de resonador de anillo dividido (SRR) cargada resistivamente en el camino directo de una antena de transmisión que opera a 5,8 GHz. Esto llevó a que se observara un voltaje en los terminales de la resistencia. Una observación similar de la recolección de energía a partir de metacélulas SRR individuales se reafirmó en [81] y se detectó para una estructura de metacélula en forma de S [82] y un resonador de anillo dividido complementario respaldado por tierra (G-CSRR). [83]. Sin embargo, [80] continúa con un análisis numérico de una matriz plana de SRR de 9 × 9, destacando así el potencial para la aplicación de matrices de metaceldas 2D como reemplazo de antenas en recolectores de energía de microondas. Esto se ve reforzado aún más por el hecho de que el ancho de banda obtenido supera los valores normalmente asociados con conjuntos de antenas de dimensiones similares. De hecho, se ha demostrado que los conjuntos SRR 2D apilados verticalmente proporcionan niveles de rendimiento de recolección aún mayores [84]. Es igualmente importante señalar que [80] propone una definición para la eficiencia del recolector de energía, es decir, la relación entre la potencia recibida por el recolector y la potencia total incidente en el área física del recolector. Esta es la eficiencia de conversión en el sentido de que la energía de microondas que incide en el recolector físico se convierte en energía de CA observada en el puerto de salida de la antena. Esta eficiencia depende tanto de la frecuencia como de los ángulos de incidencia del campo de microondas incidente.

FIGURA 6. Metasuperficie de codificación (a) Estructura de metaátomo fractal (b) Metasuperficie de 16 × 16 con tablero de control iluminado por una antena de alimentación, (c) eficiencia de transferencia utilizando control de fase óptimo adaptativo (óptimo) en comparación con una técnica de síntesis de haz ( BS) [77].

B. DE ABSORBEDORES DE ENERGÍA DE MICROONDAS A COSECHADORES

 La absorción de energía electromagnética es una de las características exóticas que se pueden realizar utilizando estructuras metamateriales. Esto es posible adaptando la respuesta EM del material de modo que la potencia incidente no se refleje ni se transmita [85], [86]. Por lo general, esto requiere que la impedancia de la estructura metamaterial coincida con la impedancia del espacio libre. Para estructuras planas, un sustrato dieléctrico con pérdidas y un relativamente

FIGURA 7. Ilustración de la recolección de energía de microondas.

 Un plano de tierra grueso es esencial para garantizar que la energía interceptada se disipe dentro de la estructura, creando así un absorbente. En [87], los autores aprovechan este principio para diseñar una losa de recolección de energía que funcione a 3 GHz. El diseño se basa en una matriz de metaceldas de resonador eléctrico-inductivo-capacitivo (ELC) 2D, de 13 × 13 elementos, cada una conectada a través de una vía a una resistencia de 82 montada en el plano de tierra. Las resistencias se utilizaron para imitar la resistencia de entrada de un circuito rectificador que podría conectarse al puerto de cada metacelda para extraer energía. En lugar de disipar la potencia absorbida en el sustrato dieléctrico con pérdidas, el diseño aseguró que la mayor parte de la potencia absorbida por cada metacelda se desviara a su carga resistiva asociada en la frecuencia de resonancia. A la frecuencia operativa, las eficiencias de conversión simuladas y medidas son del 97% y el 93%, respectivamente, obtenidas para las metaceldas. Este nivel de eficiencia se mejora aún más en [88], donde los resonadores ELC entregan la energía recibida a una única carga compartida. La metasuperficie diseñada de 8 × 8 elementos (60 mm × 60 mm) logró una eficiencia de conversión simulada del 99,4% en su frecuencia de resonancia de 2,72 GHz. Los potenciales de recolección de energía de las metacélulas G-CSRR individuales, informados anteriormente en [83], se han aprovechado aún más usándolos en matrices para realizar metasuperficies de recolección de energía [89]. Los resultados de la simulación mostraron que una metasuperficie G-CSRR conceptualizada como una matriz infinita proporcionó una eficiencia de conversión del 92 % y un ancho de banda de media potencia (HPBW) del 10 % a una frecuencia de resonancia de 5,55 GHz, que superan con creces el rendimiento de una metasuperficie G-CSRR conceptualizada como una matriz infinita. conjunto de antenas de parche con la misma huella. El rendimiento superior de la metasuperficie se puede atribuir a la mayor densidad de elementos constituyentes que se pueden lograr sin los efectos adversos del acoplamiento mutuo. Para la metasuperficie G-CSRR de 11 × 11 elementos fabricada, se midió una eficiencia de conversión máxima del 83% en la metacelda central. También se demostró que el G-CSRR es capaz de operar en modo de transmisión, logrando una eficiencia de radiación calculada del 93%, que en este caso es la relación entre la potencia radiada y la potencia disponible en el terminal de entrada [89]. Si bien es típico que los recolectores de metasuperficies consistan en sustratos dieléctricos intercalados entre dos conductores

FIGURA 8. Metasuperficie de doble capa con espacio de aire (a) metacelda ELC, (b) metasuperficie de 8 × 8 elementos, (c) resultados de absorción y eficiencia [91].

superficies, [90], [91] realizan la cosechadora como una estructura de doble capa de superficies delgadas de baja pérdida separadas por un espacio de aire, como se ilustra en la Fig. 8a. El espacio de aire proporciona un grado de libertad adicional para optimizar el rendimiento, de modo que en [91] se obtiene una eficiencia de absorción de 2,2 GHz del 84,4%, con costos de material potencialmente más bajos. La metasuperficie de recolección se basa en una matriz de 8 × 8 elementos de resonadores ELC en una lámina delgada F4B, acoplados individualmente a través de vías a una red de combinación cargada en la superficie conductora de un plano de tierra, con ambas láminas separadas por un espacio de aire, como se ve. en la Fig. 8. 

C. OBJETIVOS DE RENDIMIENTO MÚLTIPLES

 Las eficiencias de conversión de energía obtenidas en [80], [82]–[84], [87]–[91] establecieron la viabilidad de matrices 2D de metacélulas de recolección de energía de microondas. Estas implementaciones pueden servir como colectores de energía en receptores para enlaces de transmisión de energía de microondas atendidos por una fuente inalámbrica dedicada, especialmente dentro del campo cercano radiativo. Sin embargo, para la recolección práctica de energía de campo lejano, es importante que la energía se recopile en un rango de frecuencias, para permitir la recolección de energía de múltiples fuentes. Anchos de banda más amplios corresponden aproximadamente a una mayor libertad para recolectar energía de microondas de múltiples fuentes, lo que hace que el ancho de banda de recolección de energía sea una consideración práctica importante. En consecuencia, [92] introduce una mejora del ancho de banda a la estructura de metacélulas G-CSRR discutida anteriormente [89], para realizar una metasuperficie basada en una matriz de metacélulas G-CSRR (WG-CSRR) de banda ancha. La modificación propuesta está inspirada en las caóticas cavidades de las pajaritas. Teniendo en cuenta que las estructuras de pajarita proporcionan reactancia variable, habilitar el mecanismo de resonancia de un G-CSRR en un patrón inspirado en pajarita proporcionó una metacelda con resonancia en una amplia gama de frecuencias. 

Los resultados de la simulación revelan que el WG-CSRR proporciona niveles similares de eficiencia de conversión a la metasuperficie G-CSRR [89], pero con un ancho de banda de media potencia (HPBW) mucho mayor. En comparación con el 10% de HPBW realizado en [89], el WG-CSRR logró un 44% de HPBW en su frecuencia de resonancia de 5,6 GHz. Además, este rendimiento de HPBW logrado es 3 veces mayor que el proporcionado por la metasuperficie de matriz ELC informada en [87]. Además, de manera similar a [89], la estructura se puede emplear en modo de transmisión, con una eficiencia de radiación del 95%. Como complemento al enfoque de banda ancha, también se han aplicado varios esquemas multibanda para permitir la recolección de energía de microondas en varias frecuencias. En [93], se diseñó una metasuperficie de cuatro bandas basada en SRR para recolectar energía de microondas en las bandas GSM de 0,9 GHz, 1,8 GHz y 2,6 GHz, además de la banda Wi-Fi de 5,8 GHz. El análisis numérico del diseño reveló una eficiencia de conversión promedio del 79,5% en las cuatro bandas. También se ha logrado una característica cuatribanda similar utilizando una estructura de metaceldas de doble capa [94]. Corroborando la observación en [80], el análisis de la estructura de cuatro bandas en [93] reveló una correlación significativa entre el ángulo de incidencia de los campos incidentes y la eficiencia de conversión de la metasuperficie. Esto es importante porque se requiere un recolector de energía práctico para recolectar simultáneamente energía de microondas de múltiples fuentes cuyas ubicaciones espaciales se desconocen a priori. Además, un práctico recolector de energía de microondas interactúa con ondas incidentes de polarizaciones desconocidas. Es necesario que los recolectores de energía de la metasuperficie no discriminen hacia las diversas polarizaciones de las microondas ambientales. De hecho, los niveles de rendimiento de la metasuperficie informados en [80], [83], [87], [89] dependen de la polarización, lo que impulsó la propuesta de una metasuperficie con eficiencia de conversión de casi unidad independiente de la polarización a 2,45 GHz [95]. En consecuencia, los diseños recientes de metasuperficies de recolección de energía tienen como objetivo satisfacer múltiples objetivos de rendimiento, como características de multipolarización, gran angular y multifrecuencia. La insensibilidad a la polarización, junto con características de triple banda y gran angular, se han logrado utilizando una matriz de metacélulas de anillo cerrado (BCR) tipo mariposa [96]. La metasuperficie de 7 × 7 elementos consiste en un patrón de matriz sobre un sustrato dieléctrico de bajas pérdidas, con respaldo de tierra. El análisis de la metasuperficie reveló que la estructura mantuvo una alta eficiencia para la incidencia oblicua tanto eléctrica transversal (TE) como magnética transversal (TM) en las bandas de frecuencia resonante requeridas. Se obtuvieron eficiencias máximas del 90%, 83% y 81% en las frecuencias de resonancia de 0,9 GHz, 2,7 GHz y 5,7 GHz, correspondientes a las bandas GSM, LTE y WiFi. En [97] se presenta una metasuperficie similar de banda ancha, insensible a la polarización y de triple banda, que está dirigida a las bandas GSM 1800, WiMax y WiFi. Se obtienen eficiencias de recolección del 30%, 90% y 74% a 1,75 GHz, 3,8 GHz y 5,4 GHz. Cada celda de la matriz de 7 × 7 elementos está compuesta por cuatro SRR idénticos dispuestos en simetría rotacional. Dirigido a las bandas GSM 900, DCS 1800 y WiFi, [98] introduce un Cosechadora tribanda de gran angular basada en una serie de resonadores ELC de tipo cuadrado. Además, una banda dual insensible a la polarización

FIGURA 9. Metasuperficie pixelada (a) metacelda pixelada con patrón diseñado utilizando un algoritmo de optimización binaria (vista frontal y posterior), (b) metasuperficie fabricada (vista frontal y posterior), (c) eficiencia de conversión con diferentes polarizaciones [99] .

La implementación a 2,45 GHz y 6 GHz se ha realizado utilizando una matriz de metaceldas pixeladas de 9 × 9 elementos, como se muestra en la Fig. 9 [99]. Alternativamente, se puede lograr una respuesta multifrecuencia a través de estructuras de banda ancha. Un ejemplo es la metasuperficie de banda ancha de 5 × 5 elementos que utiliza metaceldas, cada una de las cuales consta de un anillo cuadrado y cuatro barras de metal [100]. Para una onda polarizada aleatoriamente con incidencia perpendicular, la estructura proporcionó un nivel de HPBW del 110% y una eficiencia del 96%. Con un aumento del ángulo de incidencia a 45◦, la metasuperficie aún proporcionaba niveles de eficiencia superiores al 88% y HPBW superiores al 83%. Algunos diseños han puesto más énfasis en la insensibilidad a la polarización y la incidencia de gran angular. Un ejemplo de ello es una metasuperficie de 5 × 5 elementos que funciona a 5,8 GHz [101]. De manera similar, se ha logrado una alta eficiencia de recolección de energía, incidencia de gran angular e insensibilidad a la polarización utilizando una metasuperficie de elemento resonador de anillo cuadrado de 9 × 9 a 2,5 GHz [102], como se muestra en la Fig. 10. Además, mientras que la energía independiente de la polarización de gran ángulo La recolección a 2,45 GHz se ha estudiado utilizando una metacélula fractal [103], y se ha investigado una nueva metacélula ELC [104] para la recolección de energía independiente de la polarización en la misma frecuencia. Un estudio diferente proporciona una metasuperficie de gran angular independiente de la polarización de doble banda,

FIGURA 10. Metasuperficie de gran angular e insensible a la polarización (a) metacelda resonadora de anillo cuadrado, (b) metasuperficie fabricada, (c) eficiencias de conversión con polarización TE, (d) eficiencias de conversión con polarización TM [102]

simulated as an infinite array of closed ring resonators [105]. High efficiencies are maintained with oblique incident angles at either TE or TM polarization, with maximum efficiencies of 91% and 84% realized at 2.7 GHz and 5 GHz, respectively. Similarly, the design reported in [106] achieves polarizationinsensitivity and stable frequency response over a wide range of incidence angles. The structure, shown in Fig. 11, achieves a 91% conversion efficiency at 5.8 GHz for both TE and TM polarizations with normal incidence. Also a 0.19% shift in resonance frequency is observed when the incidence angle is increased to 75◦ . In contrast, however, [107] is silent on the polarization independence of the proposed structure, preferring rather to optimize wideband and wide incident angle characteristics of the metasurface. The proposed 10 × 10 element structure, shown in Fig. 12, yields a 16% relative

FIGURA 11. Metasuperficie de gran angular insensible a la polarización (a) modelo de metacelda rodeada por un patrón cuadrado de vías (en rojo), (b) metasuperficie fabricada de 5 × 5 elementos, (c) eficiencias de conversión con polarización TE (d) conversión eficiencias con polarización TM [106].

FIGURA 12. Metasuperficie de banda ancha y gran angular (a) modelos de metacelda y metasuperficie, (b) metasuperficie fabricada, (c) ángulos incidentes en el plano E, (d) ángulos incidentes en el plano H [107].

ancho de banda, con 92◦

y 44◦

rangos de ángulo en E y

Planos H, respectivamente.

D. MATERIALES FLEXIBLES

Ha habido intentos de implementar la recolección de energía. metasuperficies que utilizan materiales flexibles, en lugar de estructuras mecánicamente rígidas convencionales. Una metasuperficie flexible,

FIGURA 13. Metasuperficie flexible (a) metasuperficie fabricada, (b) modelo de metacelda CQSRR, (c) eficiencia de conversión simulada con ángulos de incidencia en el plano H (d) eficiencia de conversión simulada con ángulos de incidencia en el plano E [108].

mostrado en la Fig. 13, se ha realizado utilizando un complemento

Patrón de metaceldas de resonador de anillo dividido cuádruple (CQSRR) impreso

sobre un sustrato Rogers 3010 con respaldo esmerilado, con un espesor

de 0,254 mm [108]. La delgadez del sustrato permite

una flexión de la metasuperficie del elemento 11 × 11 sobre un radio

de 48 mm, manteniendo al mismo tiempo altos niveles de eficiencia en

ángulos incidentes oblicuos. De manera similar, una metasuperficie de doble banda

La cosechadora, que se muestra en la Fig. 14, ha sido diseñada para funcionar

a 10,1 GHz y 42,86 GHz. La estructura proporciona más

Más del 70 % de eficiencia de conversión a más de 170 ◦

(es decir, 2 × 85◦

)

ángulo de incidencia de ondas polarizadas TM en la resonancia inferior

frecuencia de 10,1 GHz [109].

E. RECTIFICACIÓN DE METAS Superficies

Además de las metasuperficies que se utilizan como reemplazos de antenas

En recolectores de energía, también se han conceptualizado como

reemplazos absolutos para la etapa rectificadora de antena: la

rectenna, a menudo diseñada como una sola unidad [110], [111]. En consecuencia, con la idea de que, como unidades independientes, los voltajes de CC deben obtenerse directamente en los puertos de salida de la metasuperficie,

Algunas investigaciones se han centrado en implementar tanto microondas como

FIGURA 14. Prototipo de recolector de metasuperficies de doble banda, ultradelgado, flexible, de 3 × 7 elementos (a) ilustración de tamaño pequeño, (b) ilustración de la flexibilidad de la metasuperficie [109].

recolección y rectificación de energía en la propia estructura de la metasuperficie. Hawkes et al. [112] demostraron por primera vez experimentalmente el concepto de rectificación de metasuperficie, utilizando un circuito rectificador Greinacher dentro de un SRR que funciona a 900 MHz [112]. Investigaciones posteriores han buscado maximizar la eficiencia de EM-aDC para rectificar estructuras de metasuperficie. 

Uno de esos esfuerzos de diseño logró una eficiencia de EM a CC del 35,1 % [113]. En otro diseño, se obtuvo una eficiencia de EM a CC superior al 40% a 3 GHz utilizando una matriz 2D de 8 × 8 de resonadores cruzados, que está conectada a través de una red de alimentación corporativa a un circuito rectificador montado en tierra, como se muestra en la Fig. 15 [114]. El nivel de eficiencia obtenido de EM a CC se mejoró posteriormente a poco más del 55 % a 2,72 GHz, sustituyendo las metacélulas del resonador cruzado por elementos de resonador ELC [115]. En [116] se informa de una mejora adicional, donde se obtuvo una eficiencia máxima de EM a CC del 75% con un nivel de potencia incidente de 2,45 GHz de 0,4 dBm. Como se muestra en la Fig. 16, cada metacelda se realiza como una estructura ELC de capa superior acoplada a un rectificador duplicador de voltaje implementado en el plano de tierra. Una implementación alternativa de una metasuperficie rectificadora de 2,45 GHz es una estructura de 3 capas basada en una matriz de 6 × 6 elementos de anillos divididos reflejados, un plano de tierra y una capa que aloja rectificadores de diodos Schottky, lo que produce una eficiencia de conversión medida del 44,5% a una Densidad de potencia incidente de 5 mW/cm2 [117]. Un diseño optimizado de esta estructura, que se muestra en la Fig. 17, arrojó una eficiencia de recolección medida del 66,9 % con la misma densidad de potencia incidente [118]. En otro ejemplo, se ha presentado una metasuperficie rectificadora de gran angular con polarización dual basada en una matriz de supercélulas de 3 × 3, que se muestra en la Fig. 18, para la recolección de energía a 2,4 GHz [119]. Con una estructura capaz de proporcionar eficiencias de conversión y de CA a CC del 90 % y 80 %, respectivamente, se implican eficiencias de EM a CC de hasta el 72 %. Cada estructura de supercélula es una matriz de 4 × 4 de resonadores ELC encima de un sustrato dieléctrico, respaldado por un plano de tierra que alberga la red de alimentación y el circuito rectificador. Del mismo modo, se ha empleado una metasuperficie de 8 × 8 elementos, basada en células SRR divididas cara a cara, que se muestra en la Fig. 19, para proporcionar una eficiencia de EM a CC del 67 % [120]. En [121] se presenta una estructura de metasuperficie rectificadora puramente coplanar, que tiene requisitos de implementación menos complejos. La obra propone empotrar un empalme PN diodo directamente dentro de cada metacelda de alambre cortado.

FIGURA 15. Metasuperficie del elemento resonador cruzado de 8 × 8 elementos (a) Modelo de metasuperficie rectificadora que muestra diferentes capas y circuito rectificador en la capa inferior, (b) metasuperficie fabricada, vistas superior e inferior, (c) conversión medida y EM a Eficiencias de CC [114].

 La estructura resonante de metacélulas con un diodo integrado resuena aproximadamente a 6,75 GHz. Sin embargo, se ha demostrado que la eficiencia de recolección depende de la tecnología de diodos, con una eficiencia de conversión del 50 % obtenida utilizando diodos de germanio. Con una motivación similar para implementaciones planas, [122] presenta un análisis numérico de un recolector de metasuperficies polarizado dual, donde los diodos rectificadores se pueden colocar directamente en el punto de alimentación de las metacélulas constituyentes. El análisis examina el rendimiento de una metasuperficie de 8 × 8 elementos, donde cada bloque de elementos de 2 × 2 constituye una estructura de supercélula capaz de resonar con polarizaciones ortogonales a 2 GHz. Como se muestra en la Fig. 20, la estructura logra una eficiencia de conversión del 98 % y una eficiencia de EM a CC del 58 %. Más recientemente, se ha desarrollado una metasuperficie rectificadora de doble banda miniaturizada, con independencia de polarización e incidencia de gran ángulo [123]. La estructura compacta de una sola capa se logra mediante tecnología de montaje en superficie, con la eliminación de una red de adaptación de impedancia entre la metasuperficie y la etapa de rectificación. El diseño es capaz de capturar ondas de polarización arbitraria en un rango de ángulo de 60◦. Además, las mediciones realizadas a un nivel de potencia de entrada de 0 dB, con diferentes ángulos de incidencia y polarizaciones en un prototipo de elementos 4×4, proporcionan eficiencias máximas de EM a CC del 58% y 50%, a 2,4 GHz y 5,8 GHz. respectivamente. Fundamentalmente, también se muestra que el diseño

FIGURA 16. Metasuperficie rectificadora (a) modelo de metacelda ELC, (b) metasuperficie rectificadora fabricada de 1 × 5 elementos, vista superior, (c) metasuperficie rectificadora fabricada de 1 × 5 elementos, vista inferior, (d) EM a DC eficiencia frente a potencia de entrada a 2,45 GHz con 300 cargas [116].

tienen un requisito de potencia de entrada flexible, manteniendo altos niveles de eficiencia en un rango de potencia de entrada de −3 dBm a 10 dBm. La investigación revisada sobre las implementaciones en metasuperficies de recolectores de energía de microondas se resume en la Tabla 2. 

V. ALIMENTACIÓN DE ENTORNOS DE RADIO INTELIGENTES Y REDES INALÁMBRICAS DE PRÓXIMA GENERACIÓN 

Además de la promesa de mayores velocidades de datos, se prevé que las futuras redes inalámbricas 6G permitan una vida inteligente, mediante la provisión de capacidades generalizadas de procesamiento de información y conciencia del contexto, más allá de los límites de rendimiento actuales de las tecnologías inalámbricas [1]. Para superar las limitaciones inalámbricas fundamentales actuales, se están proponiendo entornos de radio inteligentes como características clave de las redes inalámbricas de próxima generación [1], [124]-[128]. Este es un concepto radicalmente diferente de la formulación convencional del canal de radio como una entidad incontrolable y adversaria. Más bien, mediante la introducción de objetos programables especialmente diseñados en el entorno entre transmisores y receptores, el canal de radio se transforma efectivamente en un espacio programable, que puede controlarse y optimizarse. El artículo fundamental de Renzo et al [124] proporciona una discusión en profundidad sobre las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) como facilitadores clave para la implementación de entornos de radio inteligentes en redes inalámbricas de próxima generación. El artículo señala que los RIS se pueden realizar integrando dispositivos de control activo, interfaces de comunicación y capacidades de detección en estructuras de metasuperficie. Estas implementaciones de RIS pueden

FIGURA 17. Metasuperficie rectificadora (a) modelo de metacelda SRR reflejada, (b) vista posterior de la metacelda que muestra un rectificador de diodo Schottky (c) metasuperficie rectificadora de 6 × 6 elementos, vista superior, (d) vista inferior de la metasuperficie fabricada metasuperficie [118].

considerarse casi pasivo, con un mínimo de potencia y procesamiento de señal requerido durante la fase de configuración. Esto abre oportunidades para una nueva clase de metasuperficies multifuncionales controladas por software, donde la recolección de energía es una funcionalidad previa para energizar la superficie inteligente para otras tareas de procesamiento de señales, detección y comunicación. Como se señala en [124], hay una serie de proyectos de colaboración en curso a este respecto [129], [130]. Hay una serie de investigaciones teóricas sobre las mejoras en el rendimiento del sistema que surgen del despliegue de RIS en varios escenarios de red que soportan la transferencia inalámbrica simultánea de información y energía (SWIPT) en una red inalámbrica. Los escenarios de enlace descendente multiusuario, entrada múltiple y salida única (MISO), por ejemplo, se han examinado en varios trabajos. Huang et al [131] proporcionan un modelo de consumo de energía para un sistema MISO de enlace descendente asistido por un RIS, que tiene en cuenta la disipación de energía del RIS en el presupuesto de energía general del enlace. Teniendo en cuenta que el reenvío de señales mediante un RIS se logra sin amplificadores, el análisis presentado revela el logro de eficiencias energéticas del sistema significativamente mayores en comparación con el uso de relés de amplificación y reenvío (AF) de múltiples antenas. De manera similar, en [132], el escenario es uno en el que un punto de acceso de múltiples antenas emplea formación de haces de transmisión para enviar señales de información y energía a un conjunto de receptores de recolección de información y energía. El trabajo maximiza la potencia mínima recibida por los receptores de energía optimizando conjuntamente la formación del haz de transmisión de información y energía, junto con la formación del haz reflectante en el RIS introducido. El análisis presentado revela que los esquemas SWIPT asistidos por RIS mejoran significativamente en comparación con otros sistemas de referencia sin implementaciones de RIS. En [133], los autores investigan un sistema en el que múltiples RIS ayudan en la transferencia de información y energía.

desde un punto de acceso de múltiples antenas hasta múltiples usuarios de una sola antena, con el objetivo de minimizar la potencia de transmisión del punto de acceso. Se ha demostrado que la optimización alterna convencional es ineficiente para abordar el problema no convexo resultante tal como se formula, y se ofrece como alternativa un algoritmo basado en penalizaciones. Además, un sistema WPT MISO donde el transmisor tiene un formador de haz analógico de envolvente constante se ha estudiado en [134]. Las mejoras de rendimiento derivadas del empleo de RIS se revelan cuando el formador de haz del transmisor y los cambios de fase del RIS se optimizan conjuntamente, sujeto a restricciones mínimas de potencia recibida por parte de los usuarios. La seguridad de la información y la transferencia de energía en enlaces habilitados por RIS también ha recibido atención de la investigación. 

En [135], la atención se centra en maximizar la energía recolectada en un sistema MISO bajo una tasa de secreto y RIS que reflejan restricciones de cambio de fase. Esto se logra optimizando conjuntamente la formación de haz de transmisión del punto de acceso seguro y los cambios de fase RIS a través de una técnica de aproximación convexa sucesiva propuesta. Los resultados numéricos obtenidos revelan una duplicación de la energía recolectada como consecuencia del RIS introducido. Por otro lado, los autores en [136] investigan un escenario en el que el receptor de energía en un sistema SWIPT es un posible espía. Utilizando un método de descenso de coordenadas de bloques inexactos (IBCD), la tasa de secreto se maximiza mediante un diseño conjunto de la matriz de precodificación, la covarianza de ruido artificial y la matriz de cambio de fase, sujeto a las restricciones de coeficientes de reflejo de la energía recolectada y del módulo unitario. 

Una cuestión importante en los sistemas SWIPT es el rendimiento del equilibrio entre velocidad y energía, que está influenciado por las diferencias en los niveles de potencia requeridos por los decodificadores de información y los receptores de energía. En [137], los autores consideran el caso de un RIS implementado para ayudar a un punto de acceso de múltiples antenas que sirve a múltiples decodificadores de información y receptores de energía. Al proponer algoritmos eficientes para obtener soluciones subóptimas para la optimización conjunta de la precodificación del punto de acceso y los cambios de fase RIS, el trabajo revela que las señales de información por sí solas son suficientes para servir a los receptores de información y energía con canales de usuario arbitrarios. Además, se ha demostrado que un RIS en una fuerte línea de visión con el punto de acceso mejora el rendimiento de recolección de energía de los receptores de energía. Por otro lado, Zhao et al [138] maximizan el equilibrio entre velocidad y energía en un sistema asistido por RIS, con un punto de acceso de múltiples antenas que transmite información y señales de energía a un solo usuario. Esto se logra mediante una optimización conjunta de la transmitir formas de onda y formación de haces en el punto de acceso; el coeficiente de reflexión en la RIS; y la relación de división de energía para la decodificación de información y la recolección de energía por parte del usuario

FIGURA 18. Metasuperficie de gran angular y doble polarización (a) Vistas superior e inferior de la metasuperficie rectificadora de supercélulas de 3 × 3, donde cada supercélula es una unidad de elementos de 4 × 4, lo que da lugar a un total de 144 metacélulas (b) Eficiencia de EM a CC a 2,4 GHz [119].

FIGURA 19. Metasuperficie rectificadora de elementos de 8 × 8 (a) patrón SRR en la capa superior, (b) red de alimentación en la capa inferior, (c) rectificador único unido a la estructura de la metasuperficie

. En este escenario, los autores afirman que las no linealidades del recolector de energía imponen el requisito de una forma de onda de energía dedicada para impulsar el equilibrio entre velocidad y rendimiento energético. Otras áreas que se han examinado incluyen la cooperación de los usuarios [139] y escenarios SWIPT de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) [140]. El escenario descrito en [139] involucra a dos usuarios que recolectan energía inalámbrica y transmiten información a un punto de acceso híbrido compartido. Aquí, los autores abordaron el problema de maximización del rendimiento combinado mediante una optimización conjunta de los cambios de fase RIS, el tiempo de transmisión y las asignaciones de energía. Los resultados obtenidos verificaron la eficacia de los RIS a la hora de mejorar el rendimiento de las transmisiones cooperativas en redes de comunicación inalámbricas. Por otro lado, Pan et al. [140] analizan un sistema SWIPT de transmisión MIMO, donde se utiliza un RIS para mejorar las capacidades de recolección de energía de la red. El escenario investigado consiste en una estación base de múltiples antenas que se comunica con varios receptores de múltiples antenas, con requisitos de recolección de energía garantizados. Mediante la aplicación del algoritmo de descenso de coordenadas en bloque (BCD), los resultados numéricos

FIGURA 20. Metasuperficie rectificadora plana de doble polarización (a) modelo de metasuperficie de 8 × 8 elementos, donde cada bloque de 2 × 2 elementos es una supercélula, (b) eficiencia de conversión con diferentes polarizaciones, (c) eficiencia de conversión con diferente incidencia ángulos, (d) eficiencia de EM a CC [122].

Confirmar que el rendimiento del sistema SWIPT mejora con la introducción de RIS. De manera similar, [141] examina un escenario en el que una estación base de múltiples antenas transfiere energía a múltiples usuarios en condiciones sin línea de visión, con la ayuda de múltiples RIS. El objetivo es maximizar la potencia mínima obtenida por todos los usuarios mediante la optimización del formador de haz de transmisión y los cambios de fase RIS. Considerando las complejidades del sistema, se propone un esquema subóptimo, que logra el 80% del rendimiento óptimo, con una sobrecarga de comunicación mínima. 

VI. PROBLEMAS ABIERTOS Y DIRECCIONES FUTURAS 

De la investigación actual elaborada en las secciones anteriores, es evidente que los transmisores y recolectores de energía de microondas de metasuperficie son una tecnología factible para habilitar dispositivos de red inalámbricos. A pesar de los importantes avances logrados hasta ahora, hay una serie de áreas que se beneficiarían de más investigaciones. Ha habido relativamente menos investigación en el desarrollo de metasuperficies transmisoras de energía de microondas, en comparación con recolectores de energía de microondas de metasuperficies. En consecuencia, si bien se han desarrollado pruebas de concepto, todavía es necesario abordar escenarios de uso prácticos. Por ejemplo, un escenario de uso práctico puede requerir que un transmisor de energía posea la capacidad de transferir energía a múltiples dispositivos, cada uno con diferentes requisitos de polarización. Sin embargo, una revisión del estado del arte revela que la mayor transferencia Las eficiencias se obtienen con metasuperficies de polarización simple en modo reflectante y haces estáticos. Es necesario tener metasuperficies reflectantes de multipolarización y enfoque múltiple con eficiencias de transferencia mejoradas. Además, aunque ha habido algunos avances con respecto al enfoque dinámico del haz [77], el seguimiento de baja potencia y la localización de los receptores previstos en tiempo real y con una sobrecarga mínima, sigue siendo un área de investigación abierta. Los avances recientes en reconfiguración y programación electromagnética serán de gran beneficio en esta área [142], [143]. Además, existe la necesidad de estandarizar las métricas mediante las cuales se caracteriza el rendimiento de las metasuperficies de transmisión de energía. Una de las principales promesas de los recolectores de metasuperficies es la capacidad de maximizar la energía de microondas recolectada en una huella determinada. Si bien se ha demostrado que las metasuperficies proporcionan mayores eficiencias de conversión de energía que los conjuntos de antenas de parche de huellas similares [89], las densidades de potencia reales en los elementos constituyentes individuales de las metaceldas son bajas porque son eléctricamente pequeños. En consecuencia, si bien la eficiencia de conversión de energía es una caracterización importante del rendimiento del recolector de metasuperficie, es igualmente fundamental optimizar la salida de voltaje de CA real disponible para la etapa de rectificación. Los diodos rectificadores suelen tener un umbral de encendido y es importante maximizar el voltaje disponible para ellos, lo que a su vez maximizaría la potencia de CC entregada a la carga asociada [144]. Aunque se han logrado eficiencias de conversión cercanas a la unidad con metasuperficies, las eficiencias de EM a DC de la rectificación de metasuperficies deben mejorarse aún más para superar los niveles obtenidos usando rectennas, donde se han reportado rendimientos superiores al 80% [145]-[148] . Los niveles de potencia ambiental típicos disponibles de las tecnologías inalámbricas están en el rango de −120 dBm a −50 dBm [20]. Estos niveles de potencia son significativamente más bajos que los niveles actualmente requeridos para obtener una conversión eficiente de EM a CC. Por lo tanto, es necesario lograr sensibilidades más bajas con los recolectores de metasuperficies, para facilitar la eliminación eficiente de las microondas ambientales. No obstante, los niveles de rendimiento actuales alcanzados sugieren que las implementaciones actuales se pueden utilizar cerca de fuentes de microondas existentes o balizas de energía dedicadas, donde las radiaciones difusas o de haz enfocado serían adecuadas. Permitir el suministro eficiente de energía en una variedad de niveles de potencia de entrada [123] es un paso importante hacia la realización de sistemas que puedan adaptarse a condiciones ambientales dinámicas. Los sensores inalámbricos suelen tener requisitos de consumo de energía mucho menores en comparación con otros dispositivos, que pueden satisfacerse con el estado actual de la técnica [13], [59]-[61], [121].

 Con este fin, la miniaturización de los recolectores de metasuperficies y su realización utilizando materiales flexibles alternativos, sin comprometer el rendimiento, sería de gran beneficio para la integración a nivel de dispositivo, incluidas nuevas disposiciones de integración [149]. Además, se pueden investigar diseños de adaptación de impedancia dinámica para soportar la máxima transferencia de potencia bajo diferentes condiciones de carga. El concepto de entornos de radio inteligentes en redes inalámbricas 6G ha dado lugar a una nueva clase de metasuperficies, que sirven como RIS. Aunque ha habido varias investigaciones teóricas que revelan las ganancias del sistema que surgen del uso de estas superficies inteligentes en redes para ayudar a la transferencia simultánea de información y energía, generalmente faltan simulaciones a nivel de sistema, que tengan en cuenta los mecanismos reales de propagación de EM. Existe una necesidad de modelos que conecten las manipulaciones de ondas EM logradas por estas superficies inteligentes con los objetivos generales del sistema [1]. Además, los esquemas eficientes de estimación de canales necesarios para permitir el control en tiempo real del entorno de radio requerirían implementaciones RIS activas [150], donde la energía necesaria se extrae de fuentes ambientales. Actualmente no se sabe bien cuántos gastos generales se requieren para una estimación óptima ni los requisitos de energía para su implementación. Además, se espera que las redes inalámbricas a gran escala asistidas por RIS requieran el despliegue de un número importante de RIS. El desarrollo de esquemas para coordinar eficientemente estas unidades para lograr objetivos a nivel de sistema sigue siendo un área de investigación abierta. 

VII. CONCLUSIÓN 

Este artículo ha examinado los avances recientes en el desarrollo de metasuperficies para la transmisión y recolección de energía de microondas.

 Se han empleado metasuperficies como reflectores para enfocar la energía de las antenas de microondas transmisoras en las coordenadas espaciales previstas. Además, se ha demostrado que son reemplazos viables para las antenas transmisoras de energía de microondas, donde se espera que mejoren la eficiencia con la que la energía se acopla al haz enfocado.

De manera similar, el potencial demostrado de recolección de energía de microondas de las estructuras de metacélulas individuales ha motivado su uso en matrices de recolección de energía 2D, lo que ha llevado a una evolución de recolectores de metasuperficie desde colectores de energía de frecuencia única hasta estructuras de banda ancha y multibanda, con independencia de polarización y características de captura de incidentes amplios. También se han realizado metasuperficies rectificadoras, a partir de las cuales se pueden obtener directamente tensiones continuas. Aunque las técnicas de fotolitografía y grabado se utilizan normalmente para realizar implementaciones de metasuperficies de placas de circuito impreso (PCB), se ha demostrado que la fabricación aditiva es prometedora para la creación rápida de prototipos de estructuras de metasuperficies complejas. También se ha intentado realizar prototipos con materiales flexibles que permitan la instalación de estas metasuperficies en diversos entornos. Las metasuperficies también se han promocionado como implementaciones viables de RIS en redes inalámbricas 6G, que se ha demostrado que mejoran el rendimiento de las redes inalámbricas cuando se implementan en entornos de radio. El estado del arte en este campo puede avanzar aún más con mayores avances en miniaturización, mayores eficiencias, umbrales de sensibilidad más bajos, implementaciones conformes, avances en simuladores de sistemas y algoritmos para el control de software de las estructuras. Las tendencias de investigación actuales sugieren un papel cada vez más importante de las metasuperficies en la actualización de la transmisión y recolección de energía de microondas en redes inalámbricas, lo que ampliaría el potencial funcionalidades proporcionadas por dichas redes.

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AKAA AGBAEZE ETENG (Member, IEEE)

received the B.Eng. degree in electrical/electronic

engineering from the Federal University of Technology Owerri, Nigeria, in 2002, the M.Eng.

degree in telecommunications and electronics

from the University of Port Harcourt, Nigeria, in 2008, and the Ph.D. degree in electrical

engineering from Universiti Teknologi Malaysia,

in 2016. He is currently a Lecturer with the Department of Electrical/Electronic Engineering, University of Port Harcourt. His research interests include wireless energy transfer,

radio frequency energy harvesting, and wireless powered communications.

HUI HWANG GOH (Senior Member, IEEE)

received the B.Eng. (Hons.) and M.Eng. degrees

in electrical engineering and the Ph.D. degree in

electrical engineering from Universiti Teknologi

Malaysia, Johor Bahru, Malaysia, in 1998, 2002,

and 2007, respectively. He is currently a Professor

of electrical engineering with the School of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning,

China. His research interests include embedded

power generation modeling and simulation, power

quality studies, wavelet analysis, multicriteria decision-making, renewable

energies, and dynamic equivalent. He is also a Fellow of the Institution of

Engineering and Technology (IET), U.K., the ASEAN Academy of Engineering and Technology (AAET), and The Institution of Engineers, Malaysia

(IEM), a Chartered Engineer under the Engineering Council United Kingdom (ECUK), and a Professional Engineer under the Board of Engineers,

Malaysia (BEM).

SHARUL KAMAL ABDUL RAHIM (Senior

Member, IEEE) received the degree in electrical

engineering from The University of Tennessee

Knoxville, USA, the M.Sc. degree in engineering (communication engineering) from Universiti Teknologi Malaysia (UTM), and the Ph.D.

degree in wireless communication system from the

University of Birmingham, U.K., in 2007. After

his graduation from The University of Tennessee

Knoxville, he spent three years in industry. After

graduating the M.Sc. degree, he joined UTM in 2001, where he is currently

a Professor with the Wireless Communication Center. He has published

over 200 learned articles, including the IEEE Antenna and Propagation Magazine, the IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNA AND PROPAGATION, IEEE ANTENNA

AND PROPAGATION LETTERS, and obtained various patents. His research interests

include antenna design, smart antenna systems, beamforming networks, and

microwave devices for fifth generation mobile communication. He is also

a Senior Member of IEEE Malaysia Section, a member of The Institute of

Engineers, Malaysia, a Professional Engineer with BEM, and a member of

the Eta Kappa Nu Chapter, The University of Tennessee Knoxville, and the

International Electrical Engineering Honor Society. He is also an Executive

Committee of the IEM Southern Branch.

AKRAM ALOMAINY (Senior Member, IEEE)

received the M.Eng. degree in communication

engineering and the Ph.D. degree in electrical

and electronic engineering (specialized in antennas and radio propagation) from the Queen Mary

University of London (QMUL), U.K., in July

2003 and July 2007, respectively. He joined the

School of Electronic Engineering and Computer

Science, QMUL, in 2007, where he is currently

a Reader of antennas & applied EM. His current

research interests include small and compact antennas for wireless body

area networks, radio propagation char acterization and modeling, antenna

interactions with the human body, computational electromagnetic, advanced

antenna enhancement techniques for mobile and personal wireless communications, nano-scale networks and communications, THz material characterization, and communication links and advanced algorithm for smart

and intelligent antenna and cognitive radio systems. He is also an Elected

Member of the U.K. International Union of Radio Science (URSI) panel to

represent the U.K. interests of URSI Commission B (1 September 2014–31

August 2020).