Study, design, and implementation of electronic devices for measurements, interferences rejection, and efficient energy harvesting applications from electromagnetic fields

Μελέτη, σχεδίαση & υλοποίηση ηλεκτρονικών διατάξεων για εφαρμογές μετρήσεων, απόρριψης παρεμβολών και αποδοτικής συγκομιδής ενέργειας από ηλεκτρομαγνητικά πεδία

Study, design, and implementation of electronic devices for measurements, interferences rejection, and efficient energy harvesting applications from electromagnetic fields

Tampouratzis, Manolis

Ταμπουρατζής, Μανόλης

PhD Thesis

2023

Η έρευνα της παρούσας διδακτορικής διατριβής εντάσσεται στο ευρύτερο πεδίο των ηλεκτρομαγνητικών εφαρμογών και αποτελείται από τρία επιμέρους τμήματα, διακριτά μεταξύ τους. Στο πρώτο συγκαταλέγονται τα Κεφάλαια 1,2,3 και 4, όπου παρουσιάζουν τις ηλεκτρονικές διατάξεις που αναπτύχθηκαν για σκοπούς συγκομιδής ενέργειας από χαρακτηριστικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Σε αυτή την ενότητα, επιχειρήθηκε η προσπάθεια συγκομιδής ενέργειας: α) από εξαιρετικά χαμηλές συχνότητες (ELF) προερχόμενες από τη λειτουργία του δημόσιου δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (των 50Hz), β) από τη ραδιοφωνική ζώνη των μεσαίων κυμάτων (MW), καθώς και γ) από την περιοχή λειτουργίας των σύγχρονων ασύρματων συστημάτων κινητών επικοινωνιών (με έμφαση στα συστήματα DCS 1800, UMTS 2100 και LTE). Το ηλεκτρονικό σύστημα διαχείρισης ισχύος που αναπτύχθηκε εφαρμόζει ευέλικτες μεθόδους αποδοτικής αποθήκευσης και διαχείρισης ενέργειας προερχόμενη από τη συγκομιδή, για αξιοποίηση από συσκευές υπέρ-χαμηλής κατανάλωσης (ultra-low power), όπως ο κόμβος ενός ασύρματου αισθητήρα. Η προτεινόμενη διάταξη ενσωματώνει μια τεχνική βελτίωσης συγκομιδής ενέργειας ως απόρροια των εργαστηριακών δοκιμών στα πλαίσια της παρούσας έρευνας. Η μεγιστοποίηση συγκομιδής έγκειται στην εναλλαγή των στοιχείων αποθήκευσης (Tank Capacitors) του συστήματος, αξιοποιώντας με τον καλύτερο δυνατό τρόπο την αυξημένη απόδοση του στη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας (Transient State) σε αντίθεση με τον σχεδόν μηδενικό ρυθμό απορρόφησης ενέργειας στην κατάσταση πλήρους φόρτισης (Steady State). Ακολούθως, το δεύτερο τμήμα της διατριβής αποτελείται από το 5o Κεφάλαιο που είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη ευρυζωνικών (Broadband) επίπεδων κεραιών μικρών διαστάσεων με χαρακτηριστικά απόρριψης ζώνης συχνοτήτων με σκοπό την αποφυγή παρεμβολών από ασύρματα συστήματα στενής ζώνης (Narrowband). Οι προτεινόμενες κεραίες δύναται να απορρίπτουν σήματα προερχόμενα από ασύρματα δίκτυα Wi-Fi (2.4GHz), δίκτυα Wi-Max και συστήματα κινητών επικοινωνιών 5G New Radio n78 (3.5GHz) καθώς επίσης και από στρατιωτικές υπηρεσίες που λειτουργούν στη συχνότητα των 3GHz, με ταυτόχρονη διατήρηση των ευρυζωνικών τους χαρακτηριστικών και των πανκατευθυντικών διαγραμμάτων ακτινοβολίας τους στην ζώνη λειτουργείας 1.5 έως 4 GHz. Tέλος, το τελευταίο τμήμα αποτελεί το 6o Κεφάλαιο, όπου παρατίθεται η μεθοδολογία υλοποίησης ηλεκτρονικών διατάξεων για τη μέτρηση της έντασης μαγνητικού πεδίου με έμφαση την περιοχή των εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων (ELF). Τα προτεινόμενα ηλεκτρονικά συστήματα ενσωματώνουν νέες τεχνικές ασύρματης διασύνδεσης για την αποστολή μετρήσεων, αποτελώντας μια σύγχρονη ΙοΤ-EMF υλοποίηση, παρέχοντας στο χρήστη την εξ ‘αποστάσεως επιτήρηση των επιπέδων του εκάστοτε μετρούμενου μαγνητικού πεδίου.

The research of this doctoral thesis belongs to the field of electromagnetic applications and consists of three main separate distinct sections. The first one includes Chapters 1,2,3 and 4, where they present the electronic devices developed to harvest energy from characteristic regions of the electromagnetic spectrum. In this Section, an attempt was made for energy harvesting: a) from Extremely Low Frequencies (ELF) coming from the operation of the public electricity distribution network (of 50Hz), b) from the Medium Wave radio band (MW) as well as c) from the operating range of modern wireless mobile communication systems (with emphasis on DCS 1800, UMTS 2100 and LTE systems). The proposed Power Management System (PMM) developed applies flexible methods of efficient storage and management of energy derived from harvesting for use by ultra-low power devices, such as a wireless sensor network (WSN) node. The system incorporates a novel technique to improve energy harvesting as a result of the laboratory tests in the context of the present research. The energy harvesting maximization is due to the storage elements switching of the system (Tank Capacitors), making the most of its increased performance in the Transient State of operation in contrast to the almost zero energy absorption rate in the state of full charge (Steady State). Subsequently, the second part of the doctoral thesis consists of the 5th Chapter which is dedicated to the development of broadband planar antennas with small dimensions with frequency band rejection characteristics to avoid interference from narrowband wireless systems. The proposed antennas can reject signals coming from wireless networks (2.4 GHz), Wi-Max networks and 5G New Radio n78 (3.5 GHz) mobile communication systems, as well as from military services operating in 3 GHz frequency, while simultaneously maintaining their broadband characteristics and omnidirectional radiation patterns in the wide operating band of 1.5 to 4 GHz. Finally, the last Section is the 6th Chapter, which lists the methodology for the implementation of electronic devices for the measurement of the magnetic field intensity with emphasis on the Extremely Low Frequencies (ELF) band. The proposed electronic systems incorporate new wireless interfaces for measurement transmission, constituting a modern IoT-EMF implementation, providing the user with remote monitoring of the measured magnetic field levels.

Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία ➨ Επιστήμη Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, Ηλεκτρονικού Μηχανικού, Μηχανικού Η/Υ ➨ Ηλεκτρική και Ηλεκτρονική μηχανική

Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία ➨ Επιστήμη Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, Ηλεκτρονικού Μηχανικού, Μηχανικού Η/Υ ➨ Μηχανική και συστήματα επικοινωνιών, Τηλεπικοινωνίες

Μετρητές πυκνότητας μαγνητικής ροής για μετρήσεις πεδίων εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων

Επιστήμη Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, Ηλεκτρονικού Μηχανικού, Μηχανικού Η/Υ

Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Αποδοτική αποθήκευση ενέργειας για εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης

Εφαρμογές απόρριψης ζώνης συχνοτήτων

Τεχνολογίες διαδικτύου των πραγμάτων για εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας

Broadband antennas

Trapezoidal monopole antennas

Magnetic flux density meters for extreme low frequencies (ELF) field measurements

Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία

Συγκομιδή ενέργειας από ραδιοσυχνότητες

RF energy harvesting (RF-EH)

Communication engineering and systems, Telecommunications

Internet of things (IoT) technologies for low-power applications

Engineering and Technology

Electrical and Electronic Engineering

Κεραίες τραπεζοειδούς μονόπολου

Energy storage efficiency for low-power applications

Frequency band notched applications

Ευρυζωνικές κεραίες

Μηχανική και συστήματα επικοινωνιών, Τηλεπικοινωνίες

Ηλεκτρική και Ηλεκτρονική μηχανική

Greek

Πανεπιστήμιο Αιγαίου

University of the Aegean

Πανεπιστήμιο Αιγαίου. Σχολή Πολυτεχνική. Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων

National Documentation Centre (EKT)

National Archive of PhD Theses

Συλλογή ΕΑΔΔ