Διερεύνηση εφαρμογής του γραφενίου ως παρασιτικό στοιχείο σε ορθογωνική κεραία τύπου patch.

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σαν αντικείμενο τη σχεδίαση, προσομοίωση, και βελτιστοποίηση κεραίας patch ορθογωνικής γεωμετρίας υπό την παρουσία ορθογωνικών παρασιτικών στοιχείων γραφενίου. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη αναφορά στον τρόπο λειτουργίας επίπεδης κεραίας από γραφένιο (στη συχνότητα μικροκυμάτων και terahertz) και των ιδιοτήτων της καθώς επίσης και στον τρόπο που επηρεάζεται η αγωγιμότητα της κεραίας συναρτήσει της συχνότητας. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται λόγος για μια πολλά υποσχόμενη τεχνική εκτύπωσης ηλεκτρονικών στοιχείων με τη χρήση φύλλων γραφενίου. Ειδικότερα γίνεται αναφορά σε μια τυπωμένη κεραία υψηλών επιδόσεων από γραφένιο στα 2,4 GHz. Το αγώγιμο μελάνι γραφενίου, το οποίο παρασκευάζεται με χρήση διαδικασίας αποφλοίωσης σε υγρή φάση, τυπώνεται επί ενός χαρτιού με ικανότητα water-transferable με χρήση τεχνικής εκτύπωσης blade printing, ενώ στη συνέχεια από εκείνο σχεδιάζεται μια διπολική κεραία και μεταφέρεται επί ενός υποστρώματος-στόχου. Η διπολική κεραία (43 × 3 mm) που κατασκευάστηκε, και η οποία επιδεικνύει τα τυπικά διαγράμματα ακτινοβολίας ιδανικής διπολικής κεραίας, επιτυγχάνει −10 dB εύρος ζώνης κατά 8,9% και μέγιστη απολαβή 0,7 dBi. Όπως θα δούμε οι τυπωμένες κεραίες γραφενίου ικανοποιούν τις απαιτήσεις των εφαρμογών για το διαδίκτυο των πραγμάτων (ΙοΤ) και δυνητικά θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τις συμβατικές μεταλλικές κεραίες σε αυτές τις εφαρμογές. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται μια μέθοδος διπλασιασμού του εύρους ζώνης για κεραίες με ορθογώνιο κάλυμμα μικροταινίας (microstrip patch) μέσω της τοποθέτησης χωρητικά διεγερμένων λm/4 παρασιτικών στοιχείων βραχυκυκλώματος στα ακτινοβολούντα άκρα των κεραιών. Τα χαρακτηριστικά της κεραίας επεξηγούνται ως προς ένα μοντέλο αντίθεσης φάσης ενός ζεύγους συζευγμένων συντονιστών και φαίνεται ότι η βελτίωση του εύρους ζώνης είναι ανεξάρτητη από τη χωρητικότητα σύζευξης. Τα αποτελέσματα τις προσομοίωσης παρουσιάζονται για τις κεραίες γραμμικής όσο και κυκλικής πόλωσης και επαληθεύουν τις θεωρητικές προβλέψεις. [1980, C. Wood]. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται περιγραφή της διάταξης γραφενίου και αναλύουμε την επίδραση των παρασιτικών στοιχείων γραφενίου και εξετάζουμε την επίδρασή τους στη διάταξη. Αρχικά σχεδιάσαμε την κεραία σαν να ήταν μια κοινή χάλκινη κεραία , όπου τόσο τα παρασιτικά όσο και το ενεργό στοιχείο ήταν χαλκός και μετά με τη βοήθεια των γενετικών αλγορίθμων βελτιστοποιήσαμε τις διαστάσεις έτσι ώστε τα χαρακτηριστικά της κεραίας μας, να ικανοποιήσουν κάποια standards όπως είναι η συχνότητα συντονισμού και η σύνθετη αντίσταση.

The object of this dissertation is the design, simulation, and optimization of an orthogonal geometry patch antenna in the presence of orthogonal parasitic graphene elements. Chapter 1 provides a brief overview of how a graphene flat antenna operates (at microwave and terahertz frequencies) and its properties, as well as how the antenna conductivity is affected as a function of frequency. Chapter 2 discusses a promising technique for printing electronic data using graphene sheets. In particular, reference is made to a high-performance printed graphene antenna at 2.4 GHz. The conductive graphene ink, which is prepared using a wet-phase peeling process, is printed on water-transferable paper using a blade printing technique, and then a bipolar antenna is drawn from it and transferred to a target substrate. The built-in bipolar antenna (43 × 3 mm), which displays the standard radiation diagrams of an ideal bipolar antenna, achieves −10 dB bandwidth by 8.9% and a maximum gain of 0.7 dBi. As we will see, printed graphene antennas meet the requirements of Internet of Things (IoT) applications and could potentially replace conventional metal antennas in these applications. Chapter 3 describes a method of doubling the bandwidth for antennas with a microstrip patch by placing capacitively excited λm / 4 parasitic short-circuit elements at the radiating ends of the antennas. The characteristics of the antenna are explained in terms of a phase contrast model of a pair of coupled tuners and it appears that the bandwidth improvement is independent of the coupling capacity. The experimental results are presented for both linear and circular polarization antennas and verify the theoretical predictions. [1980, C. Wood]. Chapter 4 describes the graphene device and analyzes the effect of parasitic elements on graphene and examines their effect on the device. We first designed the antenna as if it were a common copper antenna, where both the parasites and the active element were copper and then with the help of genetic algorithms we optimized the dimensions so that the characteristics of our antenna meet some standards such as frequency. coordination and impedance. Closing the chapter, the numerical results are presented, the different architectures are compared and the necessary conclusions are drawn.