Ανάπτυξη συστήματος σύνθετου διηλεκτρικού υλικού και συστοιχίας κεραιών για συλλογή ηλεκτρικής ενέργειας από RF ακτινοβολία του περιβάλλοντος
Creators: name: Αϊβαζόπουλος, Χρήστος Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Συλλογή Η/Μ ενέργειας περιβάλλοντος
Διπλά αρνητικό μέσο
Φασματοσκοπία εμπέδησης
Electromagnetic energy harvesting
DNG
Impedance analysis

description: Στη παρούσα εργασία μελετάται η κατασκευή σύνθετου μέσου σε συνδυασμό με συστοιχία απλών κεραιών – διπόλων, με σκοπό την συγκομιδή ηλεκτρικής ενέργειας από Η/Μ ακτινοβολία περιβάλλοντος. Το σύνθετο μέσο αποτελείται από πλέγμα δισκίων κεραμικού υλικού με πολύ υψηλή διηλεκτρική διαπερατότητα και χαμηλή μαγνητική επιδεκτικότητα περίπου ίση με την μαγνητική επιδεκτικότητα του κενού, τα οποία τοποθετούνται ενδόθετα σε πολυμερές υλικό χαμηλής διηλεκτρικής και μαγνητικής διαπερατότητας («ξενιστή», «host»). Η μελέτη βασίστηκε στη θεωρία των διπλά αρνητικών μέσων (αρνητική ηλεκτρική διαπερατότητα και μαγνητική επιδεκτικότητα) – DNG. Θεωρητικό μοντέλο σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε η συμπεριφορά του σε διερχόμενη Η/Μ ακτινοβολία υψηλών συχνοτήτων για την επιβεβαίωση της θεωρίας, ενώ έγινε και σύγκριση με προσομοιώσεις μοντέλων του κατασκευασμένου σύνθετου υλικού. Η γεωμετρία, οι διαστάσεις και οι ηλεκτρικές ιδιότητες προέκυψαν έπειτα από μαθηματική ανάλυση της συμπεριφοράς του υλικού ως σύνολο σε διερχόμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συγκεκριμένης συχνότητας. Αποδείχθηκε ότι το σύνθετο υλικό παρουσιάζει σημαντικά αυξημένη απορρόφηση ισχύος, σε σχέση με την τοποθέτηση της στοιχειοκεραίας στον ελεύθερο χώρο καθώς η επαγόμενη τάση στα στοιχεία της κεραίας μπορεί να αυξηθεί κατά ~20dB. Επιπλέον, οι διαστάσεις της σύνθετης κεραίας αποτελούμενης από το υβριδικό διηλεκτρικό και τη διπολική στοιχειοκεραία είναι σημαντικά μικρότερες σε σχέση με το μήκος κύματος και επίσης σημαντικά μικρότερες από εκείνες που θα έπρεπε να έχει η διπολική στοιχειοκεραία χωρίς το υβριδικό διηλεκτρικό ώστε να επιτυγχάνεται ίδια τιμής επαγόμενης τάση.
description: In this thesis, the construction of a composite medium in combination with an array of linear dipole antennas is synthesized, in order to harvest electric energy from E / M ambient radiation. The composite medium consists of ceramic tablets placed inside a polymeric material of low dielectric and magnetic permeability (termed as "host"), forming a lattice of tablets. The tablets’ material exhibits very high dielectric permeability and low magnetic susceptibility, approximately equal to the magnetic susceptibility of the vacuum. The synthesis was based on the theory of double negative media (negative electrical permeability and magnetic susceptibility) – DNG. A theoretical model was designed and simulated alone, and also combined with linear dipoles, in the high frequency RF domain to confirm the theory and acts as a baseline for subsequent models of the fabricated composite material. Geometry, dimensions and electrical properties emerged after mathematical analysis of the behavior of the material as a whole, when electromagnetic radiation propagates through it over a frequency range. The composite material, along with the dipole antenna array, show a significantly increased power absorption, compared to the antenna placed in free space, as ~ 20dB increase in the induced voltage was observed. Furthermore, the dimensions of the composite antenna consisting of the hybrid dielectric and bipolar element antenna are significantly smaller than the wavelength of the impinged E/M wave and also significantly smaller than the dimensions of a bipolar element antenna in free space, in order the same induced voltage value to be achieved.