Kablosuz güç iletiminde RF enerji hasadına yönelik anten tasarımı
Antenna design for RF energy harvesting in wireless power transmission
Yazar: JAVID MAYILOV
Danışman: PROF. DR. ÖMER FARUK KESER
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Yenilenebilir enerjiye olan talebe bağlı olarak bu alanda hayatımızı kolaylaştıran sistemlere olan ilgi de her geçen gün artmaktadır. Günümüzde tablet, telefon, sensör vb, bataryasız veya bataryalı düşük güç tüketen cihazlar her zaman enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Bu nedenle düşük güçlü enerjiye ihtiyaç duyan cihazlarda kullanılan pil ve bataryalardaki enerjinin sürdürülebilirliğini uzatma çalışmaları araştırmacıların temel ilgi alanını oluşturmaktadır. Mevcut ortamda farklı frekanslarda çok fazla elektromanyetik dalga bulunmaktadır. Bu dalgaların bir bölümü özellikle kullanılan teknolojiye bağlı olarak ihtiyaç olan enerjinin sağlanması amacıyla hasat edilebilir yapıdadır. Bu amaçla öncelikle ortamda olan bu dalgaların enerjisi bir devre tasarlayarak kullanılabilir hale getirilebilir. Önemli olan hasat edilecek bu enerjinin kullanılabilecek miktarda ve verimlilikte olmasıdır. Bu nedenle ortam enerji yoğunluğunun hasat edilecek frekans açısından belirlenmesi oldukça önemlidir. Bunun yanında ilgili literatürde belli bir düzeyin üzerindeki enerji yoğunluğunun insan sağlığını tehdit ettiği yönünde bilgiler ileri sürülmektedir. Aynı zamanda günümüz teknolojik gelişmelerine bağlı olarak Radyo Frekansı (RF) güç iletiminin ve hasat tekniklerinin gelecek nesil kablosuz ağların güçlendirilmesi için alternatif bir yöntem haline geldiği görülmektedir. Ortamda olan bu elektromanyetik dalgalardan enerji hasadında temel amaç, öncelikle RF dalga yayını yapan kaynaklardan gelen yüksek yoğunluklu ortam elektromanyetik dalgalarının toplanması ve daha sonra bu dalgalardaki enerjinin uygun antenler aracılığıyla ihtiyaç duyulan enerji formuna maliyetsiz olarak dönüştürülmesidir.
Bu çalışmada farklı seramik malzemeler üzerinde tasarlanan mikroşerit antenlerin anten performansları temel anten parametreleri bağlamında değerlendirilmektedir. Bu kapsamda RF enerji hasadında kullanılan antenler için yapılan çalışmalar genellikle dikdörtgen şekilli yama antenler üzerine odaklanmıştır. Bu çalışmalarda, tasarım denklemleri kullanılarak yama anten ve toprak boyutları yanında, besleme noktasının konumu hesaplanmış ve simüle edilmiştir. Çalışmada antenler FR4, Rogers3006 ve Rogers4003C olmak üzere üç farklı seramik malzemele üzerinde tasarlanmıştır. 2.4 GHz frekansta simülasyonları yapılarak tasarlanan antenlerin geri dönüş kaybı, duran dalga oranı, bant genişliği ve kazancı gibi elektriksel parametreleri ölçülerek ilgili değişkenler açısından karşılaştırılmıştır. Tasarlanan antenler laboratuvar şartlarında üretilmiş ve tasarım değerlerine uyumu açısından değerlendirilerek kritik edilmiştir.
Elde edilen sonuçlar, seramik malzemelerden Rogers4003C tabakalı diktörtgen mikroşerit anten tasarımının wi-fi, kablosuz telefonlar ve bebek telsizleri gibi kablosuz haberleşmede yoğun olarak kullanılan bantlar için enerji hasadı açısından uygun ve üretilebilir yapıda olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Depending on the demand for renewable energy, interest in systems that make our lives easier in this field is increasing day by day. Nowadays, low-power devices such as tablets, phones, sensors, etc., without or with batteries, always need energy. For this reason, studies on extending the sustainability of energy in cells and batteries used in devices that require low-power energy are the main area of interest for researchers. There are many electromagnetic waves of different frequencies in the current environment. Some of these waves can be harvested to provide the energy needed, especially depending on the technology used. For this purpose, the energy of these waves in the environment can be made usable by designing a circuit. The important thing is that the energy to be harvested is in the amount and efficiency that can be used. Therefore, it is very important to determine the ambient energy density in terms of the frequency to be harvested. In addition, there is information in the relevant literature that energy density above a certain level threatens human health. At the same time, depending on today's technological developments, it seems that Radio Frequency (RF) power transmission and harvesting techniques have become an alternative method for strengthening next generation wireless networks. The main purpose of energy harvesting from these electromagnetic waves in the environment is to first collect high-intensity ambient electromagnetic waves coming from sources emitting RF waves and then convert the energy in these waves into the required energy form cost-free through appropriate antennas.
In this study, the antenna performances of microstrip antennas designed on different ceramic materials are evaluated in the context of basic antenna parameters. In this context, studies on antennas used in RF energy harvesting have generally focused on rectangular-shaped patch antennas. In these studies, the location of the feed point as well as the patch antenna and ground dimensions were calculated and simulated using design equations. In the study, the antennas were designed with three different ceramic materials: FR4, Rogers3006 and Rogers4003C. Electrical parameters such as return loss, standing wave ratio, bandwidth and gain of the designed antennas, simulated at 2.4 GHz frequency, were measured and compared in terms of relevant variables. The designed antennas were produced under laboratory conditions and evaluated and criticized in terms of their compliance with the design values.
The results obtained showed that the rectangular microstrip antenna design with Rogers4003C layer made of ceramic materials is suitable and manufacturable in terms of energy harvesting for bands used extensively in wireless communication such as Wi-Fi, cordless phones and baby monitors.