3D antenna arrays design for WPT systems

Abstract

The emerging concept of the Internet of Things (IoT) networks and smart cities, together with the constant innovation of wireless communications systems, presents a fundamental requirement, which is the capability of tracking, establish and maintain radio links with several targets, which can or can not be in motion. These demands results in the need to develop antennas capable of robust tracking and realize a full azimuth coverage. This dissertation focuses on the development and behavior characterization of different Three-Dimensional (3D) antenna arrays structures. The purpose of this alternative design comes from the advantages that it can bring in applications that would benefit from the possibility of having an antenna with considerable gain, capable of transmitting/receive signals or energy to/from all directions. However, the main goal of this dissertation consists on evaluating the viability of these antenna arrays implementation in Wireless Power Transmission (WPT) systems, with the primary goal of feed passive or low-power sensors, which can be scattered over a wide area. In order to obtain a functional system, the conceived 3D arrays will be fabricated and tested in phases. First, it will be necessary to design and test individually, the antennas that will constitute the array. Then, to study the overall array characteristics, simulations will be performed. Lastly, measurements will be performed in the prototyped 3D antenna arrays. A setup system that intends to simulate a Wireless Sensor Network (WSN) will be used. The developed antenna arrays have proven to be a reliable solution if implemented in these systems, since they are able to ensure a full azimuth coverage and so, feed passive or low-power sensors, regardless of their position over the 360 azimuth angles.

Os conceitos emergentes das redes da Internet das coisas e cidades inteligentes, juntamente com a constante inovação que se tem verificado nos sistemas de comunicação sem os, apresentam um requisito fundamental: a capacidade de detetar, estabelecer e manter ligações de r adio com vários utilizadores, que podem ou não encontrar-se em movimento. Projetar antenas dotadas de uma cobertura robusta torna-se pois, uma necessidade prioritária para otimizar a performance destes sistemas. Desta forma, o principal objetivo desta dissertação foca-se no desenvolvimento de diferentes agregados de antenas tridimensionais e posterior validação do seu funcionamento, quando implementados num cenário real. O propósito deste projeto alternativo provem da existência de diversas aplicações que iriam beneficiar da existência de uma antena com ganho considerável, capaz de transmitir/receber sinais ou energia de/para todas as direções. No entanto, o principal objetivo do presente trabalho, consiste em avaliar a viabilidade da implementação destes agregados em sistemas de transmissão de energia sem os, nomeadamente, verificar se podem ser utilizados para alimentar sensores passivos ou de baixa potência que se podem encontrar espalhados por uma vasta área. A fim de se obter um sistema funcional, os agregados projetados serão fabricados e testados por partes. Em primeiro lugar será necessário validar o funcionamento das antenas que irão constituir os agregados. Seguidamente, serão realizadas simulações que permitam estudar algumas características dos agregados desenvolvidos. Por último, medições vão ser efetuadas aos agregados fabricados. Um setup de medida irá ser usado com o objetivo de simular uma rede de sensores sem fios. Os agregados desenvolvidos provaram ser uma solução válida, caso sejam implementados neste tipo de sistemas, uma vez que, são capazes de assegurar uma cobertura robusta ao longo de todo o plano azimute, o que lhes permite alimentar sensores passivos ou de baixa potência, independentemente da sua posição ao longo dos 360 graus deste plano.