Gaussian Beam Microwave Antennas in Quasi-Optical Systems for Wireless Power Transfer

Abstract

Através de ferramentas quasi-óticas, a análise de um sistema composto por dois refletores parabólicos foi feita com o objetivo de transferir energia sem fios, usando micro-ondas (freq = 5.8 GHz). Primeiramente desenvolveram-se scripts com duas principais finalidades: Visualizar a frente de onda dos feixes gaussianos para diferentes modos de propagação, tanto em coordenadas retangulares como em cilíndricas e a propagação de feixe gaussiano através de um sistema (cujos componentes podem ser refletores ou lentes). Este último é representado por valores de raio do feixe gaussiano em função da posição no sistema.Depois de se efetuar este estudo, recorreu-se a uma análise teórica com o intuito de permitir a construção preliminar do sistema em função de poucos parâmetros. Foi possível simplificar a análise através da utilização do princípio da reciprocidade ao igualar os dois espelhos e as antenas (emissora e recetora). Conseguiu-se chegar a um conjunto de equações que cumprem o objetivo. Esta análise foi reunida num artigo que foi submetido numa revista científica.De seguida concretizou-se o sistema com base nos resultados anteriores por forma a efetuar experiências laboratoriais, com vista na validação da teoria. A antena escolhida para emissor e recetor de radiação foram as do tipo corneta circular de superfície plana pela maior aproximação da sua radiação a um feixe gaussiano, juntamente com uma facilidade de construção. Após o desenho e simulação da antena, juntamente com o guia de ondas e o conetor VNA que a alimenta, utilizando um software CAD, CST Studio Suite, prosseguiu-se à sua construção. Tal foi feito numa impressão 3D, em 4 partes (devido ao tamanho da impressora impossibilitar a impressão em duas peças), seguido da colagem de fita de cobre como material condutor. Foi necessário encomendar conetores VNA específicos para este tipo de antenas. Após a sua chegada mediu-se os parâmetros principais da antena, concluindo-se que os resultados foram positivos. Assim sendo, construiu-se e mediu-se da mesma forma a segunda antena.Neste ponto faltavam apenas os refletores parabólicos. Foi possível obter dois espelhos, juntamente com os suportes necessários pela empresa Famaval, em troca de estudo.Finalmente, utilizando um gerador de sinal e um analisador de espetro efetuou-se a experiência. Por enquanto não foi possível obter resultados positivos. Tal poderá dever-se a vários fatores, pelo que os resultados teóricos obtidos poderão não ser descartáveis. A dificuldade de alinhamento dos diferentes componentes do sistema é apontado como o principal fator pela inesperada perda de eficiência.

Using the quasi-optical formalism a double parabolic reflector system was analysed in order to achieve Wireless Power Transfer, using Microwaves (freq = 5.8 GHz).Firstly, scripts were developed with two main goals: The visualization of the gaussian beam wave fronts for different modes of propagation, in both rectangular and cylindrical coordinates, and the propagation of gaussian beams throughout a system (composed of either mirrors or lenses). The latter is represented by values of gaussian beam radius as a function of the position along the system.Following this study, a theoretical analysis was developed to enable a preliminary system study as a function of few parameters. The use of the reciprocity principle to simplify this analysis can be done by simply making both reflectors and antennas (emitting and receiving) equal. A set of equations were derived, which serve this purpose. This analysis was put into an article which was submitted to a science journal.A system concretization based on the results obtained was made with the objective of setting up a laboratorial experiment, so as to validate the theory. The chosen antenna for the emitter and receiver was a smooth surface conical antenna for having the radiation pattern best approximated to that of a gaussian beam with a relative ease of construction. After designing and simulating the antenna, as well as the waveguide and the VNA connector which feed it, in a CAD software, CST Studio Suite, the antenna was built. It was done on a 3D printer, in 4 parts (due to the size of the printer not allowing the printing in just two pieces), followed by the gluing of copper tape as the conducting material. It was necessary to order the specific VNA connectors for this antenna. After their arrival, the main parameters of the antenna were measured with positive results. Because of it, the second antenna was built and measured in the same way.At this point only the parabolic reflectors were missing. It was possible to obtained them with the supports and all, thanks to the company Famaval, in exchange for a study.Finally, using a signal generator and a spectrum analyser the experiment was done. For now it was not possible to obtain positive results, which may be due to several factors. That is the reason why the theoretical results obtained initially may not be wrong. The difficulty in aligning the different system’s components is pointed as the main factor for the unexpected efficiency loss.