RF energy harvesting in S band in wireless communication systems
Kablosuz haberleşme sistemlerinde S bandında RF enerji hasatlama
- Tez No: 656239
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Bilişim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgi ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Günümüzde enerji geri dönüşümü tüm dünyada çok önemli bir konu haline gelmiştir. Kablosuz iletişimin hızla gelişimiyle beraber, çok sayıda kablosuz sistem elektromanyetik enerjiyi havaya yaymaktadır, ancak bu ortamda yayılan elektromanyetik enerjinin çoğu boşa gitmektedir. Böylece, boşa giden çevre elektromanyetik enerjisinin nasıl toplanacağı ve geri dönüştürülebileceği de giderek artan bir ilgi konusu haline gelmiştir. Son birkaç on yılda, kablosuz güç aktarımı (WPT), bu sorunu çözmek için kullanılan teknolojilerden biri olarak ilgi çekici bir konu haline gelmiştir. Bir pili değiştirmenin veya kablolu güç sağlamanın maliyetli, uygunsuz veya imkansız olduğu koşullarda çalışan birçok elektronik cihaz veya sensör mevcuttur. Sonuç olarak, bu cihazlar için kablosuz güç sağlayıcısına olan talep artmıştır. Boşa harcanan enerjiyi havada toplamak için rectenna kullanmanın en az iki avantajı vardır. Bu avantajlardan birincisi, pillerin aksine rectenna ömrü neredeyse sınırsızdır ve değiştirilmesi gerekmez. İkinci avantajı ise, pillerin aksine, çevreyi kirletecek atık oluşturmadığı için çevre dostu bir sistemdir. Bu nedenle RF kablosuz güç sağlayıcıları, bakım gerektirmeyen operasyonlar için potansiyel bir alternatif sunar. Kablosuz güç iletim sisteminin en önemli ve temel gereksinimlerinden biri, elektrik gücünün verimli aktarılmasıdır. Sistemin temel bileşeni, bir doğrultucu birimine bağlı bir antenden oluşur. Bir anten ve doğrultucu kombinasyonuna genellikle rectenna denir ve elektromanyetik enerjiyi (AC) doğru akım (DC) enerjisine dönüştürebilir. Kablosuz güç iletim çalışma prensibi temel olarak alıcı ve verici olmak üzere iki yapı üzerine kuruludur. Verici kısım, RF osilatörü, RF kuvvetlendirici ve anten bileşenlerinden meydana gelmektedir. Verici tarafından oldukça fazla seviyede elektromanyetik enerji havaya yayılmaktadır. Böylece uzak mesafelere enerji iletimi yapılabilme imkanı sağlanır. Diğer kısmı oluşturan alıcı olarak ise anten kullanılır. Kablosuz güç iletiminde alıcı tarafındaki antenler yüksek RF güç toplamak amacıyla dizi veya kaskad olmak üzere farklı yöntemlerde birbirlerine bağlanırlar. RF enerji hasatlamada alıcı için üretilen enerji tek bir kaynaktan elde edilmemektedir. Bu elde edilen RF enerjisinin önemli bir kısmını kablosuz modemlerin ve baz istasyonlarının çevreye yaymış oldukları sinyaller oluşturmaktadır. Bu sebepten dolayı RF enerji hasatlamada kullanılan rectennalar düşük güç uygulamalarında çalışmaktadır. Bunula birlikte rectennaların çıkışında elde edilen DC gerilim seviyesi de düşük değerde olmasından dolayı sistemin verimi az olacaktır. Sistemin optimum verim sağlayabilmesi için rectenna sistemini oluşturan temel parçalar olan anten ve doğrultucu devrenin doğru bir şekilde uyumlaştırılmasına ve uygun doğrultucu diyotun kullanılmasına ihtiyaç vardır. Hasatlama yapılacak olan ortamdaki mevcut elektromanyetik enerjinin ölçülmesi, kullanılacak antenin belirlenmesi ve tasarım aşaması, filtre devresinin tasarımı, doğrultucu devre için diyot seçimi rectenna tasarım sürecinde birbirini takip eden aşamalardır. RF enerji hasatlama sisteminde kullanılacak olan parçaları kompakt bir duruma getirmek için tasarım aşamasında metodolojinin doğru bir şekilde uygulanması şarttır. Bu tez, radyo frekansı (RF) kablosuz enerji toplama uygulamaları için kompakt rectennaların analizi, tasarımı ve simülasyonu üzerine yoğunlaşmıştır. Buna göre, bu tezin ana hedefleri, geniş bant anten performansının araştırılması, RF kablosuz enerji hasadı için yeni geniş bantlı rectenna tasarlanması ve düşük giriş gücü yoğunluğu için geniş bantlı rectenna dönüşüm verimliliğinin arttırılmasıdır. Bu tezin diğer bir amacı, RF enerjisini düşük güçte yüksek verimlilikle hasat edecek bir rektenna için uygun bir tasarım metodolojisi sunmaktır. Rektennalar, RF enerjisini DC'ye dönüştüren devrelerdir. Rectenna temel olarak anten ve doğrultucu devresinden oluşur. Rektennalar RF enerji toplama ve kablosuz güç iletiminde kullanılır. Tez kapsamında, üçüncü bölümde, simülasyon ortamında RF enerji hasatlama uygulamaları için anten tasarımları önerilmiş ve incelenmiştir. Hfss simülasyon ortamında önerilen antenlerin sonuçları, RF enerji hasat sistemi için bir dizi oluşturmak için iyi bir alternatif tasarım olan tek yönlü radyasyon deseni ile S bandından (2.4 GHz) X bandı arası (10 GHz) bant genişliğini kapsayabileceğini doğrulamıştır. Üçüncü bölümün devamında, kademeli ara bağlantı ile, anten elemanı iki elemanlı anten dizisi olarak elde edildi. Literatür araştırmasına göre, anten dizisini bağlamak için seri bağlantı, paralel bağlantı ve kaskad bağlantı gibi üç mevcut yöntem belirlenmiştir. Bu yöntemlerden en yüksek DC çıkış gerilimi, kademeli bağlantı yöntemi sayesinde rectenna sisteminde elde edilebilir. Daha fazla güç ve direktif özellikleri elde etmek için, dairesel dipol anten, iki elemanın kademeli olarak birbirine bağlanmasıyla bir rektenna dizisi haline gelecek şekilde geliştirildi. Bölüm 3'ün üçüncü bölümünde, geniş bantlı çapraz dipol anten RF hasatlama uygulamaları için tasarlanmıştır. Geniş bantlı çapraz dipol anten, Arlon Cu217 substratı kullanılarak çift taraflı olarak tasarlanmıştır. Ayrıca, FR4 substratı üzerinde tek yönlü dairesel polarize yapıya sahip iki kollu bir spiral anten araştırılmış, tasarlanmış ve simüle edilmiştir. Kompakt bir rectenna tasarımındaki ana problemlerden biri anten ve doğrultucu frekansına bağımlı empedanstır. Anten empedansı, maksimum güç aktarımı için doğrultucu devresinin çalışma frekanslarındaki giriş empedansıyla tam olarak eşleşmelidir. Rectennanın AC'den DC'ye dönüştürülmesinde yüksek verimlilik sağlamak için, Butterworth alçak geçiren filtresi doğrultucu devresinden önce ve sonra anten ve doğrultucu ile eşleşecek şekilde tasarlanmıştır. Bölüm 4'te önerilen alçak geçiren filtre devresi, çalışma frekansı aralığını kapsayan ve antene geri dönen ve güç tüketen yüksek dereceli harmonikleri önleyen bir tasarıma sahiptir. Bölüm 4'ün ikinci bölümünde, DC çıkış voltajını yükseltmek ve dönüşüm verimliliğini arttırmak için bir gerilim katlama doğrultucu devresi tasarlanmıştır. Önerilen voltaj çiftleme doğrultucu devresinin çıkış dalga formunun 0.6 V'luk bir ofseti vardır ve sinüs dalga formuna yüksek dereceli harmonikler neden olmaktadır.
Özet (Çeviri)
With the widespread use of wireless communication technology, more and more wireless communication systems are radiating RF energy to the air and the ambient. Much of the electromagnetic energy radiated into the environment disappears before it reaches its targets. The RF Harvesting technology has developed to obtain DC output power by recycling the electromagnetic signal radiated by wireless communication systems. In order for the system to provide optimum efficiency, the antenna and rectifier component, which is the basic complementary part of the rectenna system, need to be properly matched and the appropriate rectifier diode used. The measurement of RF energy in the ambient, the design of antennas, selection of diodes, the design of filters are challenging steps to be taken when designing the RF energy harvester rectenna. Integrating the design into the system by matching more than one piece is a difficult part of the RF energy harvesting process. For this reason, a suitable methodology should be applied in rectenna designs. In this thesis, rectenna design has been carried out gradually by dividing it into small work pieces. From this point of view, the study is becoming a system design rather than a circuit design. This thesis focuses on the investigation, think up and simulation of one piece rectenna for electromagnetic signal collection implementations. Accordingly, the principal goals of this study is to investigate broadband antenna performance, to design new broadband rectenna for radio frequency harvesting. The other main goal is to provide high transformation efficiency at the low signal input powers of the broadband rectenna. Within the scope of the thesis, in the third chapter, antenna designs for RF energy harvesting implementations are proposed then examined in simulation environment. The results of the proposed antennas in the HFSS simulation environment have confirmed that they can cover the bandwidth from“S Band (2.4 GHz) to X Band (10 GHz)”together the unidirectional radiation patterns, which can be a suitable alternative design to create a series for RF energy harvester system. In the continuation of the third section, with the gradual interconnection, the antenna element was constructed as two-element antenna arrays. According to the literature search, three available methods are determined, such as serial connection, parallel connection and cascade connection, to connect the antenna array. From these methods, the highest DC output voltage can be obtained in the rectenna system thanks to the cascade connection method. For this reason, we preferred the cascade connection method to connect antenna array. To achieve over increased power and directive properties, the“circular dipole antenna”is develop to get a rectenna array by cascade interconnect two components. In the third part of section three, the“cross dipole antenna”is designed for RF harvesting implementations. The broadband cross dipole antenna is designed as a double-sided built on the Arlon Cu217 substrate. In addition, a two-arm spiral antenna with unidirectional circular polarized structure on flame retardant-4 (FR-4) substrate is examined, designed then simulated. One of the main problems in the design of a compact rectenna is antenna and rectifier frequency dependent impedance. The antenna impedance must matching exactly the terminal impedance on the rectifying component's operating frequency for maximum power transfer. In order to ensure high efficiency in the conversion of the rectenna from AC to DC, a“low pass filter”has usually designed to matching the antenna and rectifying component before and next the rectification circuit. In chapter 4, the proposed low-pass filter has designed that covers the operating frequency range and prevents high-order harmonics that return to the antenna and consume power. In the second part of chapter 4, to raise the DC value with increase the transformation efficiency, a voltage doubler rectifier model is designed. It has been analyzed that the DC value of the recommended voltage doubling rectifying model has approximately 0.6 V offset, that the sinusoidal waveform has formed as a result of higher order harmonics of the sinusoidal waveform.
Benzer Tezler
- Otomatik yineleme istemeli işbirlikli iletimde enerji hasatlama
Energy harvesting in arq-based cooperative communication
EMİRHAN ÖZGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Tam-çift yönlü bilişsel röle ağları için enerji hasatlamalı yeni bir spektrum paylaşım protokolü
An energy-harvesting spectrum sharing protocol for cognitive full-duplex relaying networks
HÜSEYİN ONUR BAKTIROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Microstrip antenna design and fabrication for self power modern wireless system
Kendi için mikro şerit anten tasarımı ve üretimi güç modern kablosuz sistem
HAYDER HASSAN MOHAMMED AL KHAYLANI
Doktora
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ABDULLAHI ABDU IBRAHIM
- RF enerji hasatlayıcı Rectenna tasarımı
RF energy harvesting Rectenna design
HÜSEYİN NURİ GÜLMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KARTAL
- New combined non-orthogonal multiple access techniques for wireless networks
Telsiz iletişim ağları için yeni birleşik dik olmayan çoklu erişim teknikleri
SEDA ÜSTÜNBAŞ GAVAS
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ