93738 - TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS OF WIRELESS POWER TRANSFER M

Conoscenze e abilità da conseguire

The course aim is to introduce the students to the analysis and design of entire systems able to provide EM energy wirelessly. Two different approaches will be studied: the first one is based on the reactive coupling between a transmitter and a receivers by means of inductive or capacitive mechanism; the second one is based on radiative wireless power transfer and consists of active antennas at the transmitter side and rectenna (rectifying antennas) at the receiver side. Different systems will be studied depending on the power level and on the operating frequency adopted for specific applications. Specific projects will include: 1) the design of a radiative WPT system, in the UHF band, for powering energy-autonomous low- power sensors, embedded in harsh environments such as an engine compartment of a vehicle or an industrial machine; 2) the design of a WPT system for “on-the-move” wireless powering of vehicles, adopting inductive/capacitive coupling in the LF band. By means of a top-down approach, the students will learn how to evaluate a realistic power budget and how to select the proper WPT system, based on the application scenarios, to ensure the maximum system efficiency. The design of the following circuits, composing a WPT system will be studied: DC to RF converter, power generators; Wireless links radiative and reactive; RF to DC converter, rectifiers After the first analytical approach, the students will exploit CAD tools based on equivalent circuit models and on full wave EM analysis, to provide the final WPT system design. The main non-linearities responsible for energy conversion, from RF to dc and vice versa, are studied and analysed by means of harmonic balancing techniques.

Contenuti

Blocchi funzionali dei sistemi wireless a radiofrequenza (RF) e le principali non-linearità che stanno alla base del loro funzionamento, e strumenti per poterli analizzare e progettare.

Metodi analitici per caratterizzare le principali non linearità in regime mono e multitonale: generazione di nuove frequenze, saturazione, conversione AM-PM, conversione di frequenza e distorsione non-lineare.

Modelli circuitali non-lineari dei dispositivi per la generazione di potenza (lato trasmettitore) e per la conversione RF-dc (lato ricevitore): MESFET e DIODI.

Metodo del bilanciamento armonico ed introduzione ai simulatori commerciali di circuiti non lineari a RF. Cenni sui simulatori elettromagnetici. Definizione delle principali funzioni di rete per la valutazione circuitale di un sistema a RF. In particolare viene considerata l’efficienza di un intero collegamento per Wireless Power Transfer (WPT) e vengono descritti dal punto di vista circuitale e sistemistico i diversi contributi. Analisi e progetto dei sottosistemi per WPT sia radiativi (far-field) che non (near-field).

Tecniche near-field

Accoppiamento induttivo e capacitivo: progetto del link wireless e definizione dell’efficienza.

Modelli elettromagnetici dei coil e analisi delle prestazioni

Schemi e progetti del trasmettitore e del ricevitore.

Tecniche far-field

Raccolta di energia dall’ambiente e trasmissione di potenza intenzionale

Principali caratteristiche delle antenne da utilizzare

Possibili schemi di sistemi per la ricezione della potenza. Diverse topologie di rectenna (antenna rettificatrice).

La parte finale del corso è dedicata allo studio di:

- alcune applicazioni di sistemi di trasmissione near-field per dispositivi indossabili o impiantabili

- Rectenne a larga banda per Energy Harvesting dall’ambiente (far-field).

Testi/Bibliografia

• D. Pozar, Microwave engineering, 4th Edition, Wiley

• Slide delle lezioni

• Articoli selezionati tratti dalla letteratura specializzata

•  "Wireless Power Transfer - Principles and Engineering Exploration", Ki Young Kim, InTech

Metodi didattici

- Lezioni frontali

- Sono previste anche:

i) alcune attività di verifica delle conoscenze intermedie, ma non soggette a valutazioni,

ii) alcune ore di laboratorio software in cui gli studenti faranno pratica con la simulazione elettromagnetica/circuitale e costruiranno semplici modelli per caratterizzare una rectenna

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Progetto di gruppo di un circuito per la trasmissione dell'energia

Esame orale sulla parte teorica e sulla parte pratica (laboratorio)

Strumenti a supporto della didattica

Nello studio della parte teorica, verrà fatto continuo riferimento e presentati "dal vivo" sottosistemi a RF sviluppati nella attività di ricerca del gruppo di appartenenza (con particolare riferimento a sistemi per energy harvesting e WPT)

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Alessandra Costanzo

Consulta il sito web di Mazen Al Shanawani