TRANSFERENCIA DE DATOS Y ENERGÍA INALÁMBRICA ACÚSTICA A TRAVÉS DE UNA PARED METÁLICA UTILIZANDO UN ENLACE COMÚN CON MODOS DE RESONANCIA MÁS ALTA

 Bibhu Kar1, Thomas Schaechtle2,3, Stefan J. Rupitsch2 y Ulrike Wallrabe1 1Laboratorio de Microactuadores, IMTEK

 - Departamento de Ingeniería de Microsistemas, Universidad de Friburgo, Alemania 2Laboratorio de Instrumentación Eléctrica y Sistemas Embebidos, IMTEK - Departamento de Ingeniería de Microsistemas, Universidad de Friburgo , Alemania 3Instituto Fraunhofer de Dinámica de Alta Velocidad, Instituto Ernst-Mach (EMI), Friburgo, Alemania 

RESUMEN 

Para un sistema inalámbrico de transmisión de datos y energía, cuando se utiliza un enlace compartido para ambos propósitos, la interferencia cruzada de armónicos más altos del La interfaz de transferencia de energía afecta la confiabilidad de la comunicación de datos bidireccional. 

En la literatura [1] y en la mayoría de las aplicaciones, la frecuencia portadora para la transferencia de datos se mantiene al menos un orden de magnitud mayor que la frecuencia de transferencia de potencia para que la diafonía se pueda minimizar, pero no erradicar por completo. Sin embargo, por el contrario, seleccionar una frecuencia operativa de transferencia de datos inferior a la de potencia permite extraer los datos con un simple filtro de paso bajo en lugar de filtros de paso de banda. Además, los armónicos de la interfaz de transferencia de energía no pueden caer en la banda de comunicación de datos. Para explotar esta posibilidad de un enlace ultrasónico compartido, presentamos una técnica novedosa para transferir energía y datos a través de una pared metálica de 20 mm de espesor, involucrando solo un par de transductores y manteniendo la frecuencia de transferencia de datos más baja que la frecuencia de transferencia de energía. 

PALABRAS CLAVE transferencia de energía ultrasónica, transferencia de datos ultrasónica, transferencia de datos y energía inalámbrica, manipulación por cambio de frecuencia INTRODUCCIÓN

 Los nodos sensores de baja potencia se están volviendo cada vez más críticos para la confiabilidad, el funcionamiento eficiente y rentable de las infraestructuras industriales, civiles y aeronáuticas modernas. En muchas de estas aplicaciones, los nodos sensores deben operar en ubicaciones de difícil acceso y pueden colocarse dentro de sobres metálicos herméticos. Además, a menudo deseamos que la vida útil operativa de dicho nodo sensor supere significativamente la vida útil de las tecnologías de baterías tradicionales. Una transferencia inalámbrica simultánea de energía y datos puede ayudar a cumplir estos requisitos. Actualmente, un gran número de tecnologías inalámbricas existentes utilizan ondas electromagnéticas para este fin. Sin embargo, la eficacia de las propiedades de propagación de las ondas electromagnéticas se ve comprometida a través de materiales conductores de electricidad gruesos debido al efecto de blindaje de Faraday. En la literatura, se han presentado varias soluciones alternativas para la transferencia inalámbrica de energía y datos que aprovechan las ondas acústicas utilizando transductores ultrasónicos [2]. La solución más común para establecer un enlace electroacústico inalámbrico es acoplar un par de transductores ultrasónicos piezoeléctricos directamente a lados opuestos de una pared metálica. Para la transferencia de energía en muchas aplicaciones, los transductores piezoeléctricos son ventajosos debido a su alta densidad de energía, lo que conduce a transductores de factor de forma pequeño con grandes capacidades de manejo de energía. Además, son muy eficaces en la conversión de energía electromecánica [3]. En el caso de la comunicación ultrasónica, la entrega de energía a través de paredes metálicas ha recibido amplia atención en los últimos años [4], [5]; sin embargo, sólo unos pocos grupos se centran en la comunicación de datos a través de metal con sensores cerrados en contenedores sellados [2], [6]. Algunos sistemas utilizan canales acústico-eléctricos separados para la transferencia de energía y datos con dos pares diferentes de transductores. Esta técnica fue utilizada por Lawry et al. [2], con una técnica de modulación de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) para lograr una alta velocidad de datos de 17,37 Mbps mientras se transmite simultáneamente hasta 50 W de potencia de CA a través de una pared de acero de 63,5 mm de espesor. Graham y cols. [7] lograron una alta velocidad de datos de 1 Mbps utilizando transductores acústicos electromagnéticos (EMAT) en lugar de transductores piezoeléctricos con modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK). En [6], Ashdown et al. Implementó con éxito una comunicación de datos y energía full-duplex con un solo par de transductores y logró una velocidad de datos de 35,2 kbps. Estos prometedores sistemas elegidos de forma ejemplar demostraron la viabilidad de dichos sistemas que utilizan ondas acústicas para la comunicación inalámbrica a través de medios conductores y al mismo tiempo logran una alta potencia y una alta velocidad de transmisión de datos. Sin embargo, la mayoría de estos sistemas requieren una electrónica activa altamente integrada tanto en el lado del transmisor como en el del receptor para la transferencia de potencia, modulación y demodulación de la información. Sin duda, la complejidad de la electrónica situada dentro de una envoltura metálica sellada es un desafío importante en la comunicación acústica, ya que el volumen dentro del contenedor puede ser pequeño y además el entorno puede ser hostil, como alta temperatura o alta presión. En particular, las altas temperaturas limitan los tipos de dispositivos electrónicos y la complejidad del procesamiento de datos que se pueden utilizar. Otro desafío en la comunicación acústica al compartirla para la transferencia de energía es que el mayor daño Los circuitos de transferencia de energía pueden caer en la banda de comunicación. En esta contribución, mostramos una novedosa prueba de concepto con el objetivo de reducir la complejidad y el tamaño de la electrónica tanto en el lado del receptor como en el del transmisor utilizando solo un par de transductores. Además, queremos erradicar cualquier interferencia entre la interfaz de transferencia de energía y la de transferencia de datos. El sistema descrito en esta contribución utiliza un canal acústico-eléctrico compartido formado mediante el uso de un par de 1 a 3 transductores compuestos piezoeléctricos acoplados coaxialmente al lado opuesto de un Pared metálica de aluminio. Estamos explotando la resonancia de espesor fundamental para la transferencia de datos y la resonancia de segundo espesor para la transferencia de energía. Al elegir una frecuencia central para la transferencia de datos inferior a la de la transferencia de potencia, se puede extraer la señal de datos con filtros de paso bajo simples en lugar de filtros de paso de banda. Además de reducir la complejidad de la electrónica, este enfoque evita la interferencia entre los armónicos más altos de la interfaz de transferencia de energía con la banda de comunicación.

Figura 1: Concepto de un sistema compartido simultáneo de transferencia de datos y potencia acústica.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA

 El sistema descrito en este documento utiliza canales acústico-eléctricos inalámbricos compartidos para la transmisión de energía y datos. Estos canales están formados por un par de transductores de disco piezoeléctricos alineados coaxialmente y acoplados acústicamente a lados opuestos de una barrera metálica de 20 mm de espesor, como se ilustra en la Figura 1. El rendimiento de dicho sistema de suministro de energía acústico-eléctrico a través de metal necesita optimización para Maximice la eficiencia de transferencia de energía y, además, logre una alta relación señal-ruido en la comunicación de datos bidireccional. Sin embargo, la ganancia de un canal acústico-eléctrico está fuertemente influenciada por las propiedades acústicas de los medios de transmisión y los transductores ultrasónicos piezoeléctricos. 

Necesitamos técnicas de combinación precisas, como capas de combinación acústica/mecánica [8] o técnicas de combinación eléctrica [9], para reducir la potencia reflejada en cada interfaz, tanto en dirección hacia adelante como hacia atrás. Aunque las técnicas de capas coincidentes acústicas/mecánicas se han estudiado ampliamente en la literatura, es difícil encontrar materiales de capas coincidentes con propiedades óptimas para diferentes medios. Además, el requisito de capas de adaptación ultrafinas a altas frecuencias para el método de adaptación de un cuarto de onda aumenta considerablemente la dificultad y el coste de fabricación. Por otra parte, la adaptación eléctrica aumentará la complejidad de la electrónica, que aumenta rápidamente al aumentar el ancho de banda del canal, haciendo que estas técnicas sean poco prácticas para sistemas de banda muy ancha. Un método alternativo para resolver estos problemas de adaptación es utilizar transductores piezoeléctricos compuestos en lugar de transductores piezoeléctricos convencionales basados en materiales piezocerámicos. Los transductores piezoeléctricos compuestos han ganado popularidad debido a que tienen propiedades electromecánicas mejoradas en comparación con las cerámicas piezoeléctricas puras [3]. Además, no requieren necesariamente una técnica de coincidencia y suponen una menor dependencia de las propiedades de la capa de coincidencia. Los transductores compuestos tienen varios patrones de conectividad y el factor de llenado representa diferentes proporciones de material piezoeléctrico activo a materiales poliméricos pasivos. Utilizamos de 1 a 3 transductores compuestos con un factor de llenado del 60 % en nuestro trabajo para reducir el desajuste de impedancia acústica con el aluminio y reducir la potencia reflejada. En consecuencia, logramos un mayor ancho de banda operativo sin la necesidad de material de respaldo con pérdidas. La Figura 2 muestra la función de transferencia de emisión del transductor para diferentes tipos de material piezoeléctrico y su influencia en el ancho de banda.

Figura 2. Ancho de banda simulado de 3 dB de transmisor con varias impedancias acústicas para Aluminio. El compuesto piezoeléctrico con un relleno del 60 % proporciona el mayor ancho de banda

La Figura 3 muestra la impedancia y la fase medidas del transductor compuesto alrededor de las resonancias del modo de espesor primero y segundo. A diferencia de los transductores PZT puros, los transductores compuestos de 1 a 3 exhiben una resonancia aparente en el modo de espesor. Estamos utilizando un esquema de modulación de modulación por desplazamiento de frecuencia binaria (BFSK) alrededor de la resonancia en modo de espesor fundamental para la transmisión de datos y la resonancia en modo de segundo espesor para la transferencia de energía.

Figura 3. Impedancia y fase medidas de un transductor compuesto 1-3 con resonancias y antirresonancias de modo de 1.º y 2.º espesor

Las propiedades de transmisión eléctrica del enlace acústico-eléctrico se determinaron utilizando una medición de 2 puertos con el parámetro S21 (Figura 4). A partir de las mediciones de eficiencia de transmisión, queda claro que el sistema de comunicación exhibe dos regiones principales de resonancias. El primero ocurre entre el modo de espesor fundamental resonancia y antirresonancia; de manera similar, ocurre una segunda entre la segunda resonancia y la antirresonancia. Según las mediciones del S21, la frecuencia portadora se mantiene en 923 kHz y la banda de frecuencia oscila entre 920 kHz y 926 kHz. Dado que el enlace acústico-eléctrico muestra excelentes propiedades de transmisión alrededor de la resonancia fundamental, en principio, se puede implementar una comunicación basada en Multitone-FSK en un ancho de banda mucho más amplio para lograr una mayor velocidad de datos.

Figura 4. Mediciones de S21 en resonancias de modo de 1.º y 2.º espesor.

RESULTADOS EXPERIMENTALES 

En la Figura 5 se muestra el esquema de la configuración experimental para un sistema ultrasónico de transferencia simultánea de energía y datos a través de metal, mientras se comparte un enlace acústico-eléctrico que consta de un solo par de transductores como prueba de concepto. de dos transductores piezoeléctricos compuestos con un factor de llenado del 60% que están pegados coaxialmente a cada lado de una pared de aluminio de 20 mm de espesor.

 Para la transmisión de energía, utilizamos un generador de señal de onda continua y un amplificador de potencia, que acciona un disco piezoeléctrico (Tx) de transmisión a 2,71 MHz (alrededor del modo de resonancia del segundo espesor). El disco piezoeléctrico receptor (Rx) capta las ondas acústicas entrantes y proporciona energía a un registro de carga (RL). En aplicaciones de detección inalámbrica remota, esta energía se regularía y se utilizaría para alimentar todos los componentes electrónicos dentro de la barrera metálica. 

Figure 5: Experimental setup for a simultaneous acoustic power and data transfer using one pair of transducer

La Figura 6 muestra la cantidad de potencia medida disipada en las diferentes cargas resistivas en función de la frecuencia. Varios factores eléctricos y acústicos pueden afectar las pérdidas de transmisión de un enlace acústico bajo excitación continua, incluidos desajustes de impedancia acústica, divergencia del haz, pérdidas de material PZT y dispersión debido a los límites de grano en la barrera metálica. En [10], [11] se presentan discusiones sobre los diferentes mecanismos de pérdida y técnicas de optimización para maximizar la eficiencia de transferencia de potencia de los canales acústico-eléctricos. Vemos un nivel de potencia máximo de 118 mW medido en el transductor receptor alrededor del modo de resonancia del segundo espesor. En [10], realizamos un estudio sobre la eficiencia de transferencia de potencia alrededor de la resonancia de espesor fundamental en un sistema similar. Descubrimos que entre 1 y 3 compuestos funcionaron con mayor eficiencia que el transductor de disco PZT puro debido a su bajo coeficiente de reflexión con aluminio, a pesar de tener un material PZT menos activo. Sin embargo, tienen sus propios inconvenientes, con mayores pérdidas dieléctricas y bajos factores de calidad. Alrededor de la segunda resonancia de espesor, obtenemos un S21 bajo en comparación con el modo fundamental, lo que resulta en mayores pérdidas por la transferencia de potencia. El calor generado en los transductores también es un problema para la estabilidad a largo plazo; sin embargo, una potencia en el rango de varios mW es suficiente para operar un nodo sensor de baja potencia, lo que da como resultado pérdidas absolutas en el mismo orden de magnitud, que son aceptables.

Figura 6. Potencia medida con cargas óhmicas en el disco piezoeléctrico Rx alrededor del modo de resonancia de segundo espesor.

La región entre la resonancia de espesor fundamental y la antirresonancia muestra la ganancia máxima en la transmisión y se utiliza para la transferencia de datos. El diagrama de bloques para la transmisión de datos se ilustra en la Figura 5 en azul. Dado que BFSK se utiliza para la modulación de señales, asignamos las frecuencias f1 = 920 kHz y f2 = 926 kHz para representar 0 y 1 para el flujo de datos de entrada, respectivamente. Estas frecuencias se determinaron experimentalmente para maximizar la respuesta de frecuencia a través del canal acústico. Mantuvimos la frecuencia de muestreo tanto para el lado emisor como para el receptor en 10 MHz y la duración del bit baja en 13 μs para lograr una alta velocidad de datos y, al mismo tiempo, pudimos evitar la interferencia entre símbolos. Los datos binarios se modulan mediante una forma de onda sinusoidal BFSK aplicada al disco Rx.

 Mantuvimos la amplitud de la forma de onda sinusoidal BFSK a 2 V pico a pico y medimos la confiabilidad de la comunicación de datos en relación con la relación señal-ruido (SNR). Entonces, en el disco Tx, aplicamos la señal de potencia y variamos el voltaje pico a pico de 2 V a 12 V, mientras manteníamos la amplitud de la forma de onda sinusoidal BFSK constante en 2 V. Pudimos demodular los datos en el disco Tx. lado del disco correctamente. En trabajos futuros se realizará un análisis más detallado de la relación señal-ruido (SNR) y la tasa de error de bits (BER). 

La Figura 7 muestra el proceso detallado de demodulación y digitalización de los datos. Diseñamos la demodulación en un entorno Matlab. El gráfico superior muestra las trazas de alcance reales recibidas en el transductor Tx mientras se envía energía simultáneamente. Usando detección no coherente, pudimos separar las dos frecuencias diferentes y luego alimentarlas a un detector de envolvente, que genera dos salidas separadas según la señal obtenida de los filtros.Figura 7. Señales de arriba a abajo: señal de datos medida en el disco Rx mientras se transmite una señal de potencia de pico a pico de 12 V; frecuencia filtrada f1=926 kHz con detección de envolvente; frecuencia filtrada f2=920 kHz con detección de envolvente; sólo los dos sobres; datos digitalizados demodulados.

CONCLUSIONES

 En esta contribución, mostramos un método para la transferencia simultánea de energía y datos a través de una pared metálica utilizando solo un par de transductores compuestos piezoeléctricos. Hemos implementado un sistema de comunicación BFSK que emplea de 1 a 3 transductores compuestos a través de una pared metálica de aluminio de 20 mm de espesor. El sistema descrito permite el funcionamiento continuo de la electrónica interna, requiriendo un consumo de energía incluso superior a 100mW. Los datos del sensor se pueden transmitir a una velocidad superior a 74 kbps. Para la transmisión de datos, el máximo central ocurre a 0,923 MHz, cerca de la resonancia de espesor fundamental, y para la transmisión de potencia, el máximo principal ocurre a 2,71 MHz cerca de la resonancia del modo de segundo espesor. Demostramos que los transductores compuestos piezoeléctricos utilizados exhiben un comportamiento de banda ancha y son capaces de transmitir energía y recibir datos simultáneamente con una relación señal-ruido relativamente alta. REFERENCIAS

 [1] S. Stoecklin, E. Rosch, A. Yousaf, L. Reindl, "Very

High Bit Rate Near-Field Communication with LowInterference Coils and Digital Single-Bit Sampling

Transceivers for Biomedical Sensor Systems",

Sensors, Vol. 20, no. 21, p. 6025, 2020.

[2] T. J. Lawry, K. R. Wilt, J. D. Ashdown, H. A. Scarton,

G. J. Saulnier, "A high-performance ultrasonic system

for the simultaneous transmission of data and power

through solid metal barriers", IEEE Trans. Ultrason.

Ferroelectr. Freq. Control, Vol.60, no. 1, pp. 194-203,

2012.

[3] S. J. Rupitsch, Piezoelectric Sensors and Actuators -

Fundamentals and Applications, Springer: Berlin/

Heidelberg, Germany, 2019.

[4] X. Bao, W. Biederman, S. Sherrit, M. Badescu, Y.

Bar-Cohen, C. Jones, J. Aldrich, Z. Chang, “Highpower piezoelectric acoustic-electric power

feedthrough for metal walls,” in Proc. SPIE 2008,

6930, pp. 291-298.

[5] B. Kar and U. Wallrabe, “Performance Enhancement

of an Ultrasonic Power Transfer System Through a

Tightly Coupled Solid Media Using a KLM Model,”

Micromachines, Vol.11, no. 4, p. 355, 2020.

[6] J. D. Ashdown, K. R. Wilt, T. J. Lawry, G. J. Saulnier,

D. A. Shoudy, H. A. Scarton, A. J. Gavens, “A fullduplex ultrasonic through-wall communication and

power delivery system,” IEEE Trans. Ultrason.

Ferroelectr. Freq. Control, Vol. 60, no. 3, 2013.

[7] D. J. Graham, J. A. Neasham, B. S. Sharif, “High bit

rate communication through metallic structures using

electromagnetic acoustic transducers,” in Oceans

2009-Europe, pp. 1-6.

[8] M. Bakhtiari-Nejad, M. R. Hajj, S. Shahab,

“Dynamics of acoustic impedance matching layers in

contactless ultrasonic power transfer systems,” Smart

Mater. Struct., Vol. 29, no. 3, p. 035037, 2020.

[9] B. Kar, T. Schaechtle, S. J. Rupitsch, and U. Wallrabe,

“Passive ultrasonic temperature measurement through

a metal wall,” in Proceedings of IEEE Sensors, 2021,

pp. 1-4.

[10] B. Kar and U. Wallrabe, “Exploring the advantages of

acoustic power transfer using 1-3 composite

transducers,” in MikroSystemTechnik Kongress, VDE

2021, pp. 1-4.

 [11]O. Freychet, F. Frassati, S. Boisseau, N. Garraud, P.

Gasnier, G. Despesse, “Analytical optimization of

piezoelectric acoustic power transfer systems,” Eng.

Res. Express, Vol. 2, no. 4, p. 045022, 2020.

#CONTACT

*U. Wallrabe, tel: +49-761-203-7580

wallrabe@imtek.uni-freiburg.de