Κεραίες και ολοκληρωμένα συστήματα συλλογής μικροκυματικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από το περιβάλλον
Authors: Καραμπατέα Αποστολία 
Published: April 2021

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.