تصميم نظام هوائي مقوم مدمج واسع النطاق لتطبيق حصاد الطاقة المتجددة

الباحث

احمد عماد عمران

المشرف

علي جبار سالم - طه احمد عليوي

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم الهندسة الكهربائية / هندسة الالكترونيك والاتصالات

الشهادة

دكتوراه

السنة

2023

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Rectenna;Ultra-wideband;Energy harvesting;Printed antenna

يعد الحصول على الكهرباء Gast كبيرًا لمعظم الناس في العراق ، لا سيما في ضوء الأهمية المتزايدة للتكنولوجيا. من أجل معالجة هذه المشكلة ، تهدف وزارة الكهرباء إلى توفير الكهرباء في جميع أنحاء البلاد بحلول عام 2028. ولتحقيق هذا الهدف يجب استكشاف مصددر الطاقة البديلة مثل مصادر الطاقة المتجددة. تعد الطاقة الشمسية خيارًا واعدًا Gooey اقتصاديًا يمكنه تلبية الاحتياجات المختلفة. في هذه الرسالة ، ينصب التركيز على اقتراح منهجية تصميم للنطاق العريض ومتعدد الموجات والنطاق الفردي الذي يمكنه دمج الألواح الشمسية الكهروضوئية لمواجهة التحديات الملحة لحصاد الطاقة المتجددة وتلبية متطلبات تشغيل إنترنت الأشياء (ToT) في النطاق الفرعي 6 جيجاهرتز. منهجية التصميم المستخدمة في هذه الرسالة هي نهج إجرائي خطوة بخطوة حيث تعتمد كل خطوة لاحقة على الخطوة السابقة. تم اقتراح ثلاثة تصميمات بناءً على هذه المنهجية تشمل أجهزة قياس عريضة النطاق ومتعددة النطاقات ونطاق واحد ¢ كل منها يتكون من هوائي مدمج مع مقوم له مقاومة مطابقة مماثلة للآخرين. باستخدام هذه المنهجية ، من الممكن التحكم في كل نطاق طنين بشكل مستقل ، مما يسمح بمزيد من المرونة في التصميم. يشمل تصميم Rectenna متعدد النطاقات على تكوين أحادي العنصر وعنصر صفيف يغطي ترددات 1.2 و 2.1 و 3.3 و 8 و 54.3 5.7 جيجاهرتز. تتكون مصفوفة الهوائي من أربعة عناصر وأربعة ألواح شمسية مضبوطة في تكوين ثماني الأضلاع ، محسّنة لتغطية اتجاه معين بعرض شعاع ثلاثي الأبعاد يبلغ 90 درجة ، مما يوفر تغطية كاملة بدون دوائر إضافية. تم تصميم المقوم باستخدام ثلاثة ثنائيات شوتكي وكفاءة مُقاسة تبلغ 65/ عند 15 ديسيبل مللي واط ¢ مما ينتج aga للتيار المستمر يبلغ 3.0 فولت وقوى تيار مستمر تبلغ W159 و 22 W للصفيف والقوة المفردة ، على التوالي. يوفر تكامل ريجينا مع الألواح الشمسية المختلفة كفاءة إجمالية تبلغ حوالي 89 1 مع خرج طاقة تيار مستمر يبلغ 75 ميجاوات ، مما ينتج عنه حصاد هجين-'111 شمسي. يعتمد تصميم المستقيم العريض النطاق على رقعة دائرة تقليدية مع مكثفين بين رقمي على الجانب الأمامي وجانب خلفي به مستوى أرضي جزئي مشقوق مع FSS عائم. تم تصميم المقوم باستخدام اثنين من ثنائيات Schottky ، مدمجين مع الهوائي ، ويحصد الترددات 1.8 و 4.3-3.06 و 5.85 جيجاهرتز ، مما يوفر خرج طاقة تيار مستمر Aly 15 ميغاواط بكفاءة إجمالية تبلغ 58/. يعتمد تصميم المستقيم أحادي النطاق الثالث على هوائيين مشفرين VLE باستخدام خوارزمية جينية ، حيث يحتوي كل هوائي على ثلاث طبقات معدنية مصنعة على طبقتين من العوازل الكهربائية مع فجوة هوائية و 4 براغي فاصلة تعمل عند 2.4 و 8 جيجاهرتز. تم تصميم مقوم النطاق المزدوج باستخدام ثنائيات Schottky ويحصد طاقة التيار المستمر بمعدل 8.5 UW و W4 عند 2.4 و 5.8 جيجاهرتز ء على التوالي. تم تصنيع تصميمات ريتينا المقترحة وقياسها والتحقق من صحتها باستخدام جهازي تحليل متجه للشبكة ، مع نتائج المحاكاة والقياس التي تظهر تواففًا جيدًا. أظهرت الريكتينا ، المدمجة مع مختلف الألواح الشمسية الصغيرة التجارية ، أداءً جيدًا ونسب تكامل كبيرة ، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات منخفضة الطاقة التي تعمل ضمن نطاق 6 جيجاهرتز الفرعي مع تحجيم مناسب وضبط طفيف. وأخيراً ، تستنتج الرسالة التصميم والتحليل لثلاثة أنواع من الريكتينات لتطبيقات الطاقة المنخفضة. يتم مناقشة عملية تصميم المعدل ، مع التركيز على أهمية البدء بالهياكل ذات الترددات المنخفضة واستخدام المساحة بكفاءة. وتبين أن الريكتينات المصممة بشكل مشترك مع سلوك اهتزازي متنوع وألواح شمسية مناسبة فعالة لتطبيقات الطاقة المنخفضة. وبالمقارنة ، يعد التصميم الأول هو الأكثر كفاءة ، مع كفاءة عامة تبلغ حوالي 7/89 عند الاندماج مع ألواح شمسية مختلفة. ومع ذلك ، فهو أيضًا التصميم الأكثر تعقيدًا وتكلفة. التصميم الثاني أقل كفاءة ولكنه AS) بساطة وأقل تكلفة. أما التصميم الثالث فيعد Vlad وفعالّا من حيث التكلفة ، ولكن قد يتطلب المزيد من التحسين لتحسين أدائه عند مستويات طاقة أعلى.

Access to electricity is a major challenge for most people in Iraq, particularly in light of the growing importance of technology. To address this issue, the Ministry of Electricity aims to provide electricity throughout the country by 2028. To achieve this goal, alternative energy sources such as renewables need to be explored. Solar energy is a promising and economically viable option that can meet various needs. In this dissertation, the focus is on proposing a design methodology for broadband, multi-band, and single-band rectennas that can integrate photovoltaic solar panels to address the pressing challenges of renewable energy harvesting and meet the requirements of powering up Internet of Things (IoT) nodes in the sub-6 GHz range. The design methodology used in this dissertation is a step-by-step procedural approach where each subsequent step depends on the previous one. Three designs are proposed based on this methodology: broadband, multi-band, and single-band rectennas, each including an antenna integrated with a rectifier that has an impedance matching similar to the others. With this methodology, it is possible to control each resonant band independently, allowing more design flexibility. The multi-band rectenna design comprises a single-element and array-element configuration covering frequencies of 1.2, 2.1, 3.3, 3.8, 4.3, and 5.7 GHz. The antenna array is composed of four elements and four solar panels set in an octagonal configuration, optimized to cover a specific direction with a 3dB beam-width of 90 degrees, providing full coverage without additional circuitry. The rectifier is designed using three Schottky diodes and has a measured efficiency of 65% at 15 dBm, producing a DC voltage of 3.0 V and DC powers of 159 μW and 22 μW for the array and single rectenna, respectively. The integration of the rectenna with various solar panels provides an overall efficiency of about 89% with a DC power output of 75 mW, creating a Hybrid RF-Solar Harvester. The broadband rectenna design is based on a traditional circle patch with two inter-digital capacitors on the front side and a backside that has a slotted partial ground plane with a floating FSS. The rectifier is designed using two Schottky diodes, integrated with the antenna, and harvests the frequencies 1.8, 3.06-4.3, and 5.85 GHz, providing a DC power output of 15 μW with an overall efficiency of 58%. The third single-band rectenna design is based on two antennas that are binary- coded using a Genetic algorithm, with each antenna having three metallic layers fabricated on two layers of dielectrics with an air gap and 4 spacer screws operating at 2.4 and 5.8 GHz. The dual-band rectifier is designed using two Schottky diodes and harvests DC power at a rate of 8.5 μW and 4 μW at 2.4 and 5.8 GHz, respectively. Finally the dissertation conclude the design and analysis of three rectennas for low-power applications. The rectifier design process is discussed, emphasizing the importance of starting with low-frequency structures and making efficient use of space. Co-designed rectennas with diverse resonant behaviors and suitable solar panels are found to be effective for low-power applications. In comparison, the first design is the most efficient, with an overall efficiency of about 89% when integrated with various solar panels. However, it is also the most complex and costly design. The second design is less efficient but simpler and less costly. The third design is also efficient and cost- effective, but may require more optimization to improve its performance at higher power levels.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب