Κεραίες και ολοκληρωμένα συστήματα συλλογής μικροκυματικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από το περιβάλλον

Abstract

This PhD thesis aimed to study the design of antenna systems in order to be used for ambient RF energy harvesting. Given the frequency bands where propagation of microwave signals takes place through different kind of sources (cellular telecommunication systems, TV, radio, WiFi etc.), the aim was each antenna to have the capability of operating at these bands (EGSM, GSM, UMTS, LTE). At the same time, due to the “Internet of Things” (IoT), the utilization of the harvested ambient RF energy mainly concerns the wireless sensors and their need for autonomous operation and power supply. So, it was initially requested that the antennas designed having not only multifrequency and/or broadband operation but also high gain and efficiency, and be capable of collecting signals from the biggest part possible of the environmental area. On the same time, a small size was also requested. Due to the fact that typical antenna design methods are often considered as inadequate, this research focused on a special kind of artificial materials known as metamaterials. These materials can help at wave propagation while on same time presenting negative relative dielectric constant and negative relative magnetic permeability simultaneously. This is why they are characterized as DNG (Double Negative). It has been shown that the usage of this hybrid form of dielectric substrates enhances significantly the operation of microwave signals, increasing the amount of ambient power that is collected. The first part of this research concerned the study and synthesis of a DNG structure, in order to confirm its properties. Afterwards, this structure was used at its first variant but also at different variants, as a substrate for different antenna cases. The cases that were examined were linear bipolar antennas integrated into such a structure, and spiral and circular antennas printed on the surface of this hybrid structure. Each time, the results that were obtained compared both the cases of having used the DNG substrate and not. By this comparison, the enhanced performance when we use this DNG substrate was demonstrated. A complete ambient RF energy harvesting system consists of an antenna, a rectifying circuit and a storage unit. The collected power gets converted to DC power and then is stored until it needs to be used. At this PhD thesis, except from antennas with DNG dielectric substrate, printed antennas on a conventional dielectric substrate with a modified bowtie shape and specially shaped ground level were designed and examined. These antennas were connected via adaptation networks to their rectifiers and results were obtained for different angles of arrival of the incident waves. The values of voltage measured through simulations at the open inputs of the circuits confirmed the satisfactory operation of the proposed antenna systems. Finally, a triple – band inverted – F antenna was studied. For its geometric parameters, a metaheuristic algorithm was used in order to choose the best combination of having the smallest possible size of antenna and high gain values at all of the three frequency bands for which the antenna was designed.

Η παρούσα διατριβή είχε ως στόχο τη σχεδίαση κεραιοσυστημάτων και ολοκληρωμένων “rectennas”, με σκοπό τη χρήση τους για συγκομιδή RF ενέργειας από το περιβάλλον. Δεδομένων των συχνοτικών περιοχών στις οποίες υπάρχει διάδοση μικροκυματικών σημάτων στο περιβάλλον από ανάλογες πηγές (κυψελωτά συστήματα τηλεπικοινωνιών, τηλεόραση, ραδιόφωνο, WiFi κλπ), επιδίωξη ήταν η λειτουργία της κάθε κεραίας να αφορά αυτές τις ζώνες (EGSM, GSM, UMTS, LTE). Παράλληλα, εφόσον η αξιοποίηση της συλλεγόμενης περιβαλλοντικής RF ενέργειας αφορά κυρίως τους ασύρματους αισθητήρες και τις ανάγκες αυτονομίας στην τροφοδοσία τους στα πλαίσια του «Ίντερνετ των πραγμάτων» (Internet of Things – IoT), ήταν κατ' αρχήν ζητούμενο, οι σχεδιαζόμενες κεραίες, εκτός της ευρυζωνικής ή/και πολυσυσχνοτικής λειτουργίας, να έχουν υψηλή απολαβή και απόδοση, πιθανόν επίσης να είναι ικανές να συλλέγουν σήμα προερχόμενο από το μεγαλύτερο μέρος του περιβάλλοντα χώρου, αλλά να έχουν ταυτόχρονα και μικρό μέγεθος. Καθώς οι συμβατικές μέθοδοι σχεδίασης κεραίας συχνά κρίνονται ανεπαρκείς, όταν υπάρχουν προδιαγραφές που δύσκολα επιτυγχάνονται ταυτόχρονα, στην έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, μελετήθηκε σε βάθος η περίπτωση μιας κατηγορίας τεχνητών υλικών, γνωστών ως μεταϋλικά τα οποία από την αρχή κρίθηκε ότι θα μπορούσαν να ενισχύσουν τους δείκτες λειτουργίας των κεραιών. Τα υλικά αυτά λειτουργούν ως μέσα διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων παρουσιάζοντας ταυτόχρονα αρνητική διηλεκτρική σταθερά και αρνητική σχετική μαγνητική διαπερατότητα, γι’ αυτό και χαρακτηρίζονται ως DNG (Double Negative). Η χρήση αυτών των υβριδικής μορφής διηλεκτρικών υποστρωμάτων, αποδείχθηκε ότι ενισχύει σημαντικά τη λειτουργία των μικροκυματικών σημάτων, αυξάνοντας τα ποσά συλλεγόμενης ισχύος. Ένα τμήμα της διατριβής αφορούσε μεμονωμένα τη μελέτη και σύνθεση μιας DNG δομής, ώστε να επιβεβαιωθεί ο τρόπος λειτουργίας της, και στη συνέχεια η δομή αυτή χρησιμοποιήθηκε αυτούσια αλλά και σε ειδικής διαμόρφωση παραλλαγή, ως υπόστρωμα για διαφορετικούς τύπους κεραιών. Εξετάστηκε η περίπτωση γραμμικών διπολικών κεραιών ενσωματωμένων μέσα σε μία τέτοια δομή, αλλά και κάποιες περιπτώσεις επίπεδων κεραιών σπειροειδούς και κυκλικής διαμόρφωσης, τυπωμένων πάνω στην επιφάνεια μιας τέτοιας δομής. Σε κάθε περίπτωση, λαμβάνονταν για σύγκριση, αποτελέσματα με χρήση DNG υποστρώματος αλλά και χωρίς αυτό, ώστε να αποδειχθεί η ενισχυμένη απόδοση λειτουργίας που προκύπτει λόγω της χρήσης του. Προκειμένου να υπάρξει ένα ολοκληρωμένο σύστημα συλλογής και αποθήκευσης περιβαλλοντικής RF ενέργειας, γνωστό ως σύστημα rectenna, οι κεραίες συνδέθηκαν με δικτύωμα προσαρμογής και ανορθωτή τάσης, ώστε η συλλεγόμενη τάση να ανορθωθεί και να μετατραπεί σε DC τάση, και να αποθηκευτεί για μελλοντική χρήση. Στα πλαίσια της διατριβής, πέραν των κεραιών με DNG διηλεκτρικό υπόστρωμα σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν κεραίες επίπεδες, τυπωμένες σε συμβατικό διηλεκτρικό υπόστρωμα, με σχήμα τροποποιημένου bowtie και ειδικά διαμορφωμένο επίπεδο γείωσης. Οι κεραίες συνδέθηκαν μέσω δικτυωμάτων προσαρμογής με τους ανορθωτές τους και ελήφθησαν αποτελέσματα για διάφορες γωνίες άφιξης των προσπιπτόντων κυμάτων. Οι τιμές τάσης που μετρήθηκαν στις εισόδους των κυκλωμάτων μέσω προσομοιώσεων επιβεβαίωσαν ικανοποιητική λειτουργία των προτεινόμενων δομών κεραιών. Τέλος, πραγματοποιήθηκε σύνθεση και μελέτη τρι – συχνοτικής τυπωμένης κεραίας ανεστραμμένου F, σε συμβατικό διηλεκτρικό υπόστρωμα. Ο προσδιορισμός των γεωμετρικών παραμέτρων της κεραίας έγινε με χρήση μεταευρυστικού αλγορίθμου ώστε να γίνει η βέλτιστη επιλογή που θα συνδυάζει το μικρότερο δυνατό μέγεθος της κεραίας με ικανοποιητική λειτουργία και υψηλές τιμές κέρδους και στις τρεις συχνοτικές περιοχές για τις οποίες σχεδιάστηκε.