Nuevo diseño de una rectena de alta eficiencia para transferencia inalámbrica de energía en aplicaciones 5G

Por qué importa obtener energía del aire

Cada año se conectan a Internet miles de millones de pequeños dispositivos —desde sensores ambientales hasta etiquetas inteligentes—. Alimentarlos con pilas desechables es caro, inconveniente y genera residuos. Este estudio explora otra vía: usar las propias señales 5G que ya llenan el aire para alimentar dispositivos de bajo consumo. Los autores diseñan y prueban un circuito compacto, llamado rectena, capaz de captar ondas 5G a 3,5 GHz y convertirlas en electricidad de corriente continua utilizable, con el objetivo de lograr una captura de energía práctica y de bajo coste para el Internet de las Cosas.

Convertir señales 5G en energía útil

El núcleo del trabajo es un sistema pequeño que combina una antena con un rectificador electrónico para convertir directamente las ondas de radio entrantes en tensión continua. La antena está ajustada a la banda de 3,5 GHz ampliamente empleada por redes 5G, mientras que el rectificador se basa en un diodo Schottky rápido, elegido por su capacidad de responder a señales de alta frecuencia con mínimas pérdidas energéticas. Los investigadores diseñaron conjuntamente estas dos partes en lugar de hacerlo por separado, prestando especial atención a cómo la antena entrega la potencia al diodo. Lograr este “apretón de manos” eléctrico es esencial: incluso una antena bien diseñada desperdiciará la mayor parte de la energía captada si está mal adaptada al rectificador.

Conformar una antena diminuta para un mundo ruidoso

Diseñar una antena para captación de energía no es lo mismo que hacerlo para enlaces de datos de alta velocidad. Aquí la prioridad es una respuesta estable alrededor de la frecuencia objetivo, tamaño reducido y buen comportamiento cuando se conecta a un circuito rectificador no lineal. Partiendo de un parche rectangular simple en una placa de circuito estándar y económica (FR‑4), el equipo fue modificando progresivamente la forma. Añadieron una ranura central para desplazar la frecuencia de funcionamiento hacia 3,5 GHz y luego colocaron una región metálica con forma de diamante sobre el parche original, conectada mediante líneas curvas que suavizan el flujo de corriente. Ranuras adicionales practicadas en este diamante permitieron ajustar con precisión la longitud eléctrica de la antena y suprimir resonancias no deseadas. Las medidas en un prototipo fabricado confirmaron que el diseño final se mantiene bien ajustado en un ancho de banda del 11 por ciento alrededor de 3,5 GHz y radiación en patrones adecuados para entornos móviles 5G.

Afinando el convertidor de potencia

En la parte del circuito, los autores primero estimaron cómo se comporta el diodo Schottky a 3,5 GHz y luego refinaron los detalles mediante simulaciones avanzadas que tienen en cuenta su comportamiento no lineal. Añadieron una red de adaptación —esencialmente un conjunto de trazos metálicos cuidadosamente dimensionados— para cancelar la parte reactiva del diodo y que la antena “vea” casi una carga de 50 ohmios en la frecuencia de operación. Un filtro pasa‑bajo bloquea después los componentes de alta frecuencia sobrantes mientras deja pasar la potencia continua captada hacia una carga de salida. Los experimentos mostraron que, en la frecuencia objetivo, la potencia entrante se entrega con gran eficiencia al rectificador, con reflexiones reducidas a niveles prácticamente despreciables, un requisito clave para extraer la máxima electricidad de señales ambientales débiles.

Encontrar el punto óptimo para dispositivos reales

Puesto que la rectena debe, en última instancia, alimentar electrónica real, el equipo estudió cómo la carga en la salida afecta al rendimiento. Variaron una resistencia simple entre 3 y 9 kΩ, un rango típico de circuitos IoT de ultra‑bajo consumo, y midieron tanto la tensión como la eficiencia de conversión en un amplio espectro de potencias de entrada. Un valor de 5 kΩ surgió como el mejor compromiso, ofreciendo la mayor eficiencia global cuando la potencia entrante supera niveles muy débiles (alrededor de −15 dBm). En estas condiciones, el prototipo entregó hasta 0,91 V con 0 dBm de entrada en las mediciones —menos que las simulaciones idealizadas pero siguiendo la misma tendencia general. La diferencia restante se explica por imperfecciones inevitables del mundo real, como pérdidas en la placa, tolerancias de soldadura y el comportamiento detallado del encapsulado del diodo.

Qué significa esto para los gadgets del futuro

El trabajo demuestra que una rectena simple y de bajo coste, construida sobre material de circuito estándar, puede aprovechar de forma fiable las señales 5G a 3,5 GHz y convertirlas en potencia continua útil para electrónica diminuta. Aunque la eficiencia aún cae en niveles de señal extremadamente bajos, el diseño ofrece un equilibrio entre rendimiento, tamaño y capacidad de fabricación, y funciona bajo condiciones que recuerdan redes 5G realistas en lugar de entornos de laboratorio ideales. Para los usuarios cotidianos, esto apunta a un futuro en el que muchos objetos conectados pequeños podrían recargarse discretamente con la infraestructura inalámbrica existente, reduciendo cambios de batería y ayudando a que grandes redes de sensores funcionen de forma más sostenible.

Cita: hamadi, H.B., Ghnimi, S., Karoui, M.S. et al. New design of a high-efficiency rectenna for wireless power transfer in 5G applications. Sci Rep 16, 12573 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43603-8

Palabras clave: transferencia inalámbrica de energía, captación de energía 5G, rectena, Internet de las Cosas, conversión RF a CC