عنوان

ﺑﻬﺒﻮد ﻋﻤﻠﻜﺮد ﺳﻴﺴﺘﻢﻫﺎی اﻧﺘﻘﺎل ﺗﻮان بیﺳﻴﻢ و ﺑﺮداﺷﺖ اﻧﺮژی ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻓﺮاﺳﻄﺢﻫﺎ

پ۲۵۲۴۸

per

ﺑﻬﺒﻮد ﻋﻤﻠﻜﺮد ﺳﻴﺴﺘﻢﻫﺎی اﻧﺘﻘﺎل ﺗﻮان بیﺳﻴﻢ و ﺑﺮداﺷﺖ اﻧﺮژی ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻓﺮاﺳﻄﺢﻫﺎ

هیمن یونسی راد

مهندسی برق و کامپیوتر

۱۳۹۹

۸۳ص.

سی دی

دکتری

ﻣﻬﻨﺪسی ﺑﺮق، ﮔﺮاﻳﺶ ﻣﺨﺎﺑﺮات ﻣﻴﺪان و اﻣﻮاج

۱۳۹۹/۱۱/۲۵

با توجه به گسترش ادوات الکترونیکی در زندگی روزمره بشر برای کاربردهای مختلف، تامین انرژی یکی از چالش‌های مهم و اساسی است که مورد توجه محققان زیادی قرار گرفته است. اخیرا فن‌آوری انتقال توان بی‌سیم به عنوان یک راه حل جدید و کارآمد جهت شارژ باطری انواع ادوات الكترونیكی و سنسورها مورد توجه قرار گرفته است. فن آوری انتقال توان بی‌سیم که بر انتقال توان از طریق امواج الکترومغناطیسی استوار است، در حالت کلی به دو نوع انتقال توان بی‌سیم میدان نزدیک و میدان دور تقسیم بندی می‌شود. در این رساله به بررسی و مطالعه تاثير فراسطح‌ها بر روی عملکرد سیستم‌های انتقال توان بی‌سیم پرداخته می‌شود. کار پژوهشی حاضر در دو قسمت اصلی ارائه می‌گردد. در قسمت اول تاثير فراسطح بر روی عملکرد سیستم‌های انتقال توان بی‌سیم میدان نزدیک با استفاده از تقویت میدان‌های میرا مورد بررسی قرار می‌گیرد. از آنجا که انتقال توان بی‌سیم در این گونه سیستم‌ها بر تزويج میدان‌های مغناطیسی ناحیه نزدیک استوار است، لذا تقویت این میدان قطعا به افزایش بازده انتقال توان از سیم پیچ فرستنده به سیم پیچ گیرنده منجر خواهد شد. یکی از قابلیت‌های جذاب فراسطح‌ها دستکاری و کنترل امواج الکترومغناطیسی است که در این رساله به قابلیت فراسطح در تقویت میدان‌های الکترومغناطیسی ناحیه نزدیک پرداخته می‌شود. جهت بررسی امکان سنجی بهبود عملکرد سیستم‌های انتقال توان بی‌سیم با استفاده از فراسطح‌ها، از تئوری میدان‌های الکترومغناطیسی و روابط حاکم بر فراسطح استفاده شده که به روابط تحلیلی و فرم بسته بازده انتقال توان منجر خواهد شد. سپس با استفاده از تئوری ارائه شده یک آرایه دو بعدی مسطح از سلول‌های فراسطح هويگنسی پیشنهاد می‌گردد که می‌تواند با قرار گرفتن بین سیم پیچ‌های فرستنده و گیرنده بازده انتقال توان را افزایش دهد که نتایج شبیه سازی تمام موج آن نیز این مسئله را تایید می‌کند. در قسمت دوم به مطالعه و بررسی سیستم‌های انتقال توان بی‌سیم میدان دور که به نوعی به آنها برداشت انرژی محیطی هم گفته می‌شود، می‌پردازیم. در این نوع سیستم‌ها ادوات الکترونیکی از طریق وسیله‌ای به نام rectenna انرژی موردنیاز خود را از طریق توان امواج الكترومغناطیسی محیطی دریافت می‌کنند. در واقع rectenna توان امواج تابشی را به توان DC مورد نیاز تبدیل خواهد کرد. در این رساله به جای استفاده از آنتن به عنوان یکی از مولفه‌های مهم rectenna که وظیفه برداشت انرژی را دارد، از سلول‌های فراسطح استفاده می‌گردد که می‌تواند بازده برداشت انرژی را تا حد قابل قبولی افزایش دهد. در ادامه این بخش دو نوع برداشت کننده انرژی مبتنی بر فراسطح پیشنهاد می‌گردد که اولی یک برداشت کننده انرژی پهن‌باند مستقل از پلاریزاسیون موج تابشی با پهنای باند ٪ 18با بازده بالای ٪80 است. مزیت این برداشت کننده قابلیت دریافت توان از طیف‌های مختلف فرکانسی متناظر با پهنای باند کاری موجود در فضا و در نتیجه برداشت بیشتر انرژی است. برداشت کننده انرژی بعدی، یک برداشت کننده انرژی دو طرفه دوباندی است که توان را از هر دو طرف فضا در دو فرکانس مجزا دریافت می‌کند. مزیت اصلی این برداشت کننده پوشش فضای بیشتر برای برداشت انرژی بیشتر در دو فرکانس مجزا است. لازم به ذکر است که عملکرد هر دو برداشت کننده فراسطح پیشنهادی مستقل از زاویه جهت پلاریزاسیون (افقی و عمودی) موج تابشی است که یکی از مزیت‌های مهم این گونه سیستم‌ها به شمار می‌آید.

AbstractDue to the spread of electronic devices in human daily life for various applications, energy supply isone of the most important and fundamental challenges that has been considered by many researchers.Recently, wireless power transfer (WPT) technology has been considered a novel and efficient solutionfor charging batteries of various electronic devices and sensors. WPT technology, which is based onthe transmission of power through electromagnetic waves, is generally divided into two types of nearfield and far-field based WPT. In this dissertation, the effect of metasurface on the performance ofWPT systems is investigated. The present research work is presented in two main parts. In the firstpart, the effect of metasurface on the performance of near-field WPT is investigated using amplificationof evanescent fields. Since power transmission in such systems is based on the coupling of the nearmagnetic field, amplification of this field will definitely increase the efficiency of power transmissionfrom the transmitter coil to the receiver one. One of the attractive capabilities of the metasurfaceis the manipulation and control of electromagnetic waves. In order to investigate the feasibility ofimproving the performance of WPT systems using metasurface, the theory of electromagnetic fieldsand boundary conditions governing the metasurface have been used, which will lead to analytical andclosed-form expressions to calculate the WPT efficiency. Then, using the proposed theory, a planartwo-dimensional array of Huygens’ metasurface cells is proposed, which can increase the power transferefficiency by being located between the transmitter and receiver coils, which is confirmed by the resultsof its full-wave simulation. In the second part, we study the far-field WPT, which is also called ambientenergy harvesting. In this type of system, electronic devices receive their required energy throughthe power of ambient electromagnetic waves through a device called rectenna. In fact, the rectennawill convert the power of the radiation waves to the required DC power. In this dissertation, insteadof using the antenna as one of the important components of the rectenna, which is responsible forenergy harvesting, metasurface cells are used, which can increase the energy harvesting efficiency toan acceptable level. In the continuation of this section, two types of metasurface energy harvesters areproposed. The first one is a broadband polarization-independent metasurface electromagnetic energyharvester with a bandwidth of 18% with an efficiency of over 80%. The advantage of this harvester isthe ability to receive power from different frequency spectrums corresponding to its working bandwidthin space and thus more energy harvesting. The next energy harvester is a double-sided dual-bandenergy harvester that receives power from both sides of the space at two different frequencies. Themain advantage of this energy harvester is that it covers more space to capture more energy in twoseparate frequencies. It should be noted that the performance of both proposed metasurface energyharvesters is independent of the polarization angle of the incident wave, which is one of the importantadvantages of such systems

Improving the Performance of Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting Systems using Metasurfaces

‏یونسی راد،

‏هیمن

تهيه کننده

‏ﺑﻤﺎنی،

‏ﻣﺤﻤﺪ

استاد راهنما

‏ تبریز