Precise Near-Field Focusing exploiting Bessel Beam Launchers for Wireless Power Transfer at millimeter waves

Wireless Power Transfer has become a promising technology to overcome the limits of wired solutions. Within this framework, the objective of this thesis is to study a WPT link at millimeter waves involving a particular type of antenna working in the radiative near-field, known as Bessel Beam (BB) Launcher. This antenna has been chosen for its peculiarity of generating a Bessel Beam which is by nature non-diffractive, showing good focusing and self-healing capabilities. In particular, a Bull-Eye Leaky Wave Antenna is designed and analysed, fed by a loop antenna and resonating at approximately 30 GHz. The structure excites a Hybrid-TE mode showing zeroth-order Bessel function over the z-component of the magnetic field. The same antenna is designed with two different dimensions, showing good wireless power transport properties. The link budgets obtained for different configurations are reported. With the aim of exploiting BB Launchers in wearable applications, a further analysis on the receiving part is conducted. For WPT wearable or implantable devices a reduced dimension of the receiver system must be considered. Therefore, an electrically large loop antenna in planar technology is modified, inserting phase shifters in order to increase the intensity of the magnetic field in its interrogation zone. This is fundamental when a BB Launcher is involved as transmitter. The loop antenna, in reception, shows a further miniaturization level since it is built such that its interrogation zone corresponds to the main beam dimension of transmitting BB Launcher. The link budget is evaluated with the new receiver showing comparable results with respect to previous configurations, showing an efficient WPT link for near-field focusing. Finally, a matching network and a full-wave rectifying circuit are attached to two of the different receiving systems considered. Further analysis will be carried out about the robustness of the square loop over biological tissues.

Multi-mode communications in near field exploiting OAM properties

This dissertation analyzes the exploitation of the orbital angular momentum (OAM) of the electromagnetic waves with large intelligent surfaces in the near-field region and line-of-sight conditions, in light of the holographic MIMO communication concept. Firstly, a characterization of the OAM-based communication problem is presented, and the relationship between OAM-carrying waves and communication modes is discussed. Then, practicable strategies for OAM detection using large intelligent surfaces and optimization methods based on beam focusing are proposed. Numerical results characterize the effectiveness of OAM with respect to other strategies, also including the proposed detection and optimization methods. It is shown that OAM waves constitute a particular choice of communication modes, i.e., an alternative basis set, which is sub-optimum with respect to optimal basis functions that can be derived by solving eigenfunction problems. Moreover, even the joint utilization of OAM waves with focusing strategies led to the conclusion that no channel capacity achievements can be obtained with these transmission techniques.

Near field communication: Una tecnologia alla portata di tutti

Questa tesi ha lo scopo di analizzare e approfondire tutte le caratteristiche del nuovo standard delle comunicazioni a radiofrequenza: NFC. Per meglio comprendere l'argomento trattato ho suddiviso la tesi in 5 capitoli: Nel primo capitolo si effettuerà una panoramica sul mondo delle tecnologie a radiofrequenza: parleremo della tecnologia RFID, di come è nata e di come si è sviluppata dagli anni 60 ad oggi, di come veniva utilizzata un tempo e di come oggi viene usata. Ulteriore tecnologia a radiofrequenza presa in considerazione in questo capitolo è la tecnologia Bluetooth, di cui conosceremo le origini e l’evoluzione che ha subito nel corso degli anni. Nel secondo capitolo si affronterà l’argomento principale di questa tesi ossia la tecnologia NFC. Si analizzerà nel dettaglio, capiremo come è nata e come si è evoluta, vedremo come funziona nello specifico, che tipo di componenti usa e vedremo quali sono stati gli elementi cardine che hanno portato a questa rapida diffusione. Nel terzo capitolo si prenderà in esame un prototipo di applicazione per smartphone Android per meglio capire come effettivamente comunicano tra loro hardware e software. Il progetto prende il nome di WeMoNFC e permetterà di attivare e/o disattivare un particolare interruttore tramite l’accostamento di un tag NFC al telefono. Come richiama il nome, il progetto utilizzerà due componenti principali: il primo, ovviamente, è il modulo NFC inserito di fabbrica all’interno dello smartphone, il secondo invece è un dispositivo dell’azienda americana Belkin: il WeMo Switch. Nel quarto capitolo infine si trarranno le dovute conclusioni su questo argomento, si osserveranno i dati di mercato e si cercherà di ricavare una possibile ipotesi su come questa tecnologia davvero alla portata di tutti diverrà, più o meno, importante in un futuro prossimo.

Sistemi di comunicazione a corto raggio: analisi sperimentale con dispositivi NFC.

Una delle tecnologie radio che negli ultimi anni ha subito il maggior sviluppo è quella dell’identificazione a radio frequenza (Radio Frequency Identification), utilizzata in un gran numero di ambiti quali la logistica, il tracciamento, l’autenticazione e i pagamenti elettronici. Tra le tecnologie specifiche legate all’RFID si ritrova la Near Field Communication (NFC). Questa è una tecnologia di trasmissione dati a corto raggio che rappresenta un’evoluzione dell’RFID. Una delle caratteristiche dell’NFC è quella di instaurare una comunicazione tra due dispositivi in maniera semplice e intuitiva. L’oggetto che instaura la comunicazione è il Reader, nell’ambito RFID è un dispositivo altamente specializzato, poiché può lavorare a diverse frequenze operative. L’elemento innovativo che ha consentito il successo dell’NFC è il fatto che questa tecnologia possa integrare il Reader in uno strumento di comunicazione di largo uso, ovvero lo smartphone. Questo permette di inizializzare lo scambio dati, sia esso di lettura di un circuito integrato passivo o una trasmissione peer-to-peer, a seguito del naturale gesto di avvicinare lo smartphone. Analisti ed esperti del settore sono convinti del successo dell’NFC, nonostante siano state smentite le attese che vedevano l’NFC integrato in oltre la metà dei cellulari entro il 2010. Tra le molteplici applicazioni NFC in questo elaborato ci si soffermerà in particolare sul cosiddetto Smart Poster. Questo utilizzo può essere molto efficace avendo una gamma di impiego molto vasta. Per l’immagazzinamento dei dati nei Tag o nelle Smart Card si è utilizzato un protocollo d’incapsulamento dati chiamato NDEF (NFC Data Exchange Format) trattato nel capitolo 3 di questa trattazione. Nella seconda parte dell’elaborato si è realizzata una sperimentazione per misurare le distanze di funzionamento di cellulari e Reader per PC. In questo ambito si è realizzato quello che si è definito lo Smart Brick, cioè un mattone che comunica con dispositivi NFC grazie all’installazione di un Tag al suo interno. Si parlerà della realizzazione e degli strumenti software/hardware che hanno permesso di realizzare e programmare questo ”mattone elettronico”.

Applicazioni Android basate su tecnologia NFC: rassegna e sperimentazione in contesti di controllo degli accessi

Il documento illustra le funzionalita' della tecnologia NFC, descrive in maniera dettagliata le API pubblicate da Google per lavorare con NFC su Android, e mostra un caso di studio nel contesto di controllo degli accessi..

Progettazione e sviluppo di un sistema software di pagamenti basato su nfc - applicazione utente

L’obiettivo di questa tesi è quello di descrivere la progettazione e lo sviluppo di un’applicazione per la gestione di un sistema che permetta agli utenti di effettuare operazioni di pagamento, ricarica, check-in e altre funzionalità. Tutte queste operazioni saranno implementate tramite l’utilizzo della tecnologia NFC (Near Field Communication). Il sistema prevede un'applicazione "cassa" per le transazioni e un'applicazione "utente" per permettere al cliente di visualizzare i dati relativi al proprio conto. In questa tesi sarà analizzata l'applicazione "utente".

Progettazione e sviluppo di un sistema software di pagamenti basato su NFC - applicazione esercente

La tesi in questione ha l'obiettivo di descrivere la progettazione e lo sviluppo di un’applicazione per la gestione di un sistema che permetta agli utenti di effettuare vari tipi di operazioni, tra i quali pagamento, ricarica, check-in e altre funzionalità. Tutte queste operazioni saranno implementate tramite l’utilizzo della tecnologia NFC (Near Field Communication). Il sistema prevede un'applicazione "cassa" per gestire le varie transazioni e un'applicazione "utente" per permettere ai clienti di visualizzare i dati relativi al proprio conto. Dopo una breve introduzione nella quale verrà descritto il sistema nel suo complesso, la presente tesi si occuperà di analizzare nel dettaglio lo sviluppo dell'applicazione "cassa".

Innovative layout design and radiated harmonic analysis for advanced frequency-diverse array solutions

Wireless power transfer is becoming a crucial and demanding task in the IoT world. Despite the already known solutions exploiting a near-field powering approach, far-field WPT is definitely more challenging, and commercial applications are not available yet. This thesis proposes the recent frequency-diverse array technology as a potential candidate for realizing smart and reconfigurable far-field WPT solutions. In the first section of this work, an analysis on some FDA systems is performed, identifying the planar array with circular geometry as the most promising layout in terms of radiation properties. Then, a novel energy aware solution to handle the critical time variability of the FDA beam pattern is proposed. It consists on a time-control strategy through a triangular pulse, and it allows to achieve ad-hoc and real time WPT. Moreover, an essential frequency domain analysis of the radiating behaviour of a pulsed FDA system is presented. This study highlights the benefits of exploiting the intrinsic pulse harmonics for powering purposes, thus minimising the power loss. Later, the electromagnetic design of a radial FDA architecture is addressed. In this context, an exhaustive investigation on miniaturization techniques is carried out; the use of multiple shorting pins together with a meandered feeding network has been selected as a powerful solution to halve the original prototype dimension. Finally, accurate simulations of the designed radial FDA system are performed, and the obtained results are given.