Till innehåll på sidan
Till KTH:s startsida

Wirelessly Powered Communications: From Signal Optimization to Antenna Design

Tid: On 2022-06-15 kl 13.30

Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm

Videolänk: ink for online defense

Språk: Engelska

Ämnesområde: Elektro- och systemteknik

Respondent: Boules Atef Mouris , Teknisk informationsvetenskap

Opponent: Professor Aggelos Bletsas, Technical University of Crete

Handledare: Associate Professor Ragnar Thobaben, Teknisk informationsvetenskap

Exportera till kalender

QC 20220520

Abstract

Framtida sakernas internet, internet-of-things (IoT), och kommunikationssystembortom 5G är tänkta att erbjuda storskalig trådlös uppkoppling där olika komponenter av livet, samhället och industrin är sammankopplade på ett smart men ändå hållbart sätt. Behovet av kontinuerlig laddning och/eller utbyte av batterier är en flaskhals för hållbarheten i dessa system. I takt med att antalet batteridrivna trådlösa enheter växer är det förknippat med en ökning av både underhållskostnader och miljöpåverkan. Trådlös effekttöverföring är en lovande lösning för att möjliggöra självförsörjande drift och begränsa batterianvändningen i den enorma mängd enheter som framtidens trådlösa system kommer att ge upphov till.

Trådlös effekttöverföring samexisterar till sin natur med andra väletablerade kommunikationssystem. Vanligtvis sänds emellertid trådlösa effekttöverföringssignaler med en högre effektnivå än kommunikationssignaler för att övervinna utbredningsförlusterna och ge tillräcklig effekt till mottagaren. När man utformar ett trådlöst effektöverföringssystem är det därför viktigt att överväga och minimera dess inverkan på de samexisterande och samlokaliserade kommunikationssystemen. Dessutom, för att möjliggöra trådlöst drivna kommunikationsnoder, är det inte tillräckligt med effektiv trådlös effektöverföring, utan det är också viktigt att minimera nodens strömförbrukning och optimera dess energianvändning. Denna doktorsavhandling undersöker de ovan beskrivna frågeställningarnaur både teoretiska och implementeringsaspekter. Den är uppdelad i två delar; den första delen fokuserar på signal- och systemnivåoptimering med målet att uppnå trådlöst drivna sensornoder. Den andra delen handlar om att möjliggörasimultan trådlös kommunikation- och effektöverföring (SWIPT-simultaneous wirelessinformation and power transfer), genom att utforska nya konstruktioner avantenner och mikrovågskomponenter.

I den första delen av avhandlingen studerar vi först optimering av flertonssignaler för att maximera effektiviteten hos den trådlösa effektöverföringen. Vi diskuterar och överväger olika praktiska icke-linjära energiskördarmodeller i problemformuleringen. Med hänsyn till de samexisterande kommunikationslänkarna tillhandahåller vi de optimala vikterna för flertonssignalerna som maximerar effektiviteten hos den trådlösa effektöverföringen samtidigt som störningarna minimeras. De prestandavinster som erhålls med våra optimeringsmetoder framhävs genom jämförelser med andra lösningar i litteraturen. Dessutom presenterar vi en lågkomplexitetsalgoritm för att designa flertonssignalen som möjliggör en praktisk implementering. För det andra studerar vi användningen av analog gemensam källa-kanal-kodning (AJSCC-analog joint source-channel coding), i avkänningsscheman med låg effekt. Vi föreslår en ny dimensionsreducerande avbildning med låg komplexitet som kan användas för att komprimera ihop flera sensoravläsningar till en signal och därmed begränsa strömförbrukningen vid avkänningsnoden. Vi tillhandahåller en omfattande analys av distorsionsprestandan för vår föreslagna avbildning. Vi visar också att energischemaläggning kan användas för att förbättra distorsionsprestandan för kompressionen. Dessutom diskuterar vi den praktiska kretsimplementeringen av vår föreslagna avbildning och visar att den ger en mycket bra distorsionsprestanda jämfört med andra AJSCC-metoder trots att den har en mycket lägre kretsimplementeringskomplexitet. Resultaten av den första delen av avhandlingen är betydelsefulla inom ramen för effektiv och praktisk användning av trådlös effektöverföring för att aktivera en IoT-avkänningsnod med låg effekt.

Den andra delen av avhandlingen, motiverat av behovet av hög isolering mellan samlokaliserade SWIPT-antenner, presenterar först en design av SWIPT-antenner som använder differentiell överföring utöver en struktur för elektromagnetiskt bandgap (EBG) för att minimera ömsesidig koppling mellan antennerna avsedda för kraftöverföring och informationsutbyte. Sedan undersöks utnyttjandet av glidsymmetri vid design av EBG-strukturer och mikrovågsfilter. Vi visar att glidsymmetri kan öka den operativa bandbredden för svampformade EBG-strukturer utan några ytterligare tillverkningskostnader. En detaljerad ekvivalent kretsmodell härleds för att förklara denna bandbreddsökning. Helvågssimuleringar såväl som experimentella resultat presenteras för att verifiera fördelarna med de glidsymmetriska versionerna jämfört med konventionella strukturer utan glidsymmetri. Som ett alternativ till användningen av svampformad EBG genomförs också en detaljerad studie om tillämpningen av glidsymmetri på defekta markstrukturer (DMS). Vi visar att glidsymmetriska DMS:er kan ge en högre förkastningsnivå såväl som en högre förkastningsbandbredd jämfört med konventionella versioner utan symmetri. Förbättringen av förkastningsnivån och bandbredden för både DMS:er och svampformade EBG:er förklaras också vara användbar i förkastningsfilter baserade på gemensamma typvärden. Slutligen visar vi att helt plana EBG-strukturer kan använda glidsymmetri för storleksminskning och ge en ökad nivå av isolering mellan mikrostrippatchantenner. Resultaten i den andra delen av avhandlingen möjliggör en ny klass av hårdvarudesigner som är användbara för praktisk realisering av SWIPT-system.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-312464