Fast assessment of RF power absorption in indoor environments by room electromagnetics theory

A fast method to assess radiofrequency (RF) radiation absorption in humans present in realistic indoor environments is proposed. The only required inputs are the room characteristics and the weight and position of the human with respect to the electromagnetic source. The method is compared and validated with full finite-difference time-domain simulations. Various realistic scenarios are investigated, in which one to six human phantoms are present. Whole-body power absorption ranges from 23.5 to 85.9 mu W kg(-1) with a median deviation of similar to 3.1 dB (51 %). While this difference may appear large, it is outbalanced by a calculation time of less than a second for the proposed method compared with similar to 17.5 h for a single full-wave electromagnetic simulation

Emerging Swarm Intelligence Algorithms and Their Applications in Antenna Design: The GWO, WOA, and SSA Optimizers

Swarm Intelligence (SI) Algorithms imitate the collective behavior of various swarms or groups in nature. In this work, three representative examples of SI algorithms have been selected and thoroughly described, namely the Grey Wolf Optimizer (GWO), the Whale Optimization Algorithm (WOA), and the Salp Swarm Algorithm (SSA). Firstly, the selected SI algorithms are reviewed in the literature, specifically for optimization problems in antenna design. Secondly, a comparative study is performed against widely known test functions. Thirdly, such SI algorithms are applied to the synthesis of linear antenna arrays for optimizing the peak sidelobe level (pSLL). Numerical tests show that the WOA outperforms the GWO and the SSA algorithms, as well as the well-known Particle Swarm Optimizer (PSO), in terms of average ranking. Finally, the WOA is exploited for solving a more computational complex problem concerned with the synthesis of an dual-band aperture-coupled E-shaped antenna operating in the 5G frequency bands

Analysis, monitoring and optimization of broadband networks

The objective of the current thesis is the study, design, development, and validation of two different broadband systems. In the first system, which belongs to the wireless sensor networks family, the design and development of a broadband monitoring network (BMN), is performed. It monitors the electromagnetic radiation in the environment on a 24hour basis. In the second system, which refers to the metropolitan optical area networks, the study, design, and validation of such a network is carried out by the introduction of a new architecture model. Firstly, the structure and the fundamental characteristics of a broadband monitoring network (BMN) are described. The monitoring network consists of several wireless sensors (terminal nodes) and a central node, which collects and processes the measurement data. Additionally, a series of representative network examples that have been implemented during this thesis is given. In this work, the first broadband monitoring system that has been developed in Greece by Radiocommunications Lab (AUTh) and Telecommunications Lab (DUTh) is introduced. Based on laboratory tests, the technical specifications of the broadband monitoring system are derived, and the uncertainty assessment is performed. Afterward, the collected data from broadband monitoring networks are analyzed to show the differences in the electromagnetic environment due to location and time. BMNs are also used to indoor exposure assessment due to the operation of femtocell networks. In fact, the first experimental results of exposure assessment of femtocell networks are presented. The measurement quantities are the transmitted power (Tx) and the received signal code power (RSCP) by the mobile terminal equipment. Subsequently, a metropolitan optical area network in less developed regions is analyzed, and a three-level (central, distribution, access) architecture model is described. The specifications of the network model are given and interconnection ways between the elements of the network are examined. A new term in network architecture is introduced, named "fiberpath". This term describes the physical connection between the central node and the end user of the network. Moreover, a software tool for the analysis of broadband optical network is presented. It takes into account the passive infrastructure, the geospatial topology of the nodes and the geographic distances between the elements, to identify the primary and redundant fiberpath for each user of the network. Additionally, the passive infrastructure optimization of a broadband optical network is proposed, by taking into account the rights of way (RoW) calculation. A proposed hybrid model for objective costing of rights of way is described, and the contributing parameters to the RoW calculation are summarized. Numerical examples of the RoW calculations based on the proposed model are given, and a comparison with the current legislation is performed. Finally, on the conclusions, the necessity of broadband and outline the perspectives emerging with the development of next generation communication systems are commented.Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη, ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και ο έλεγχος δύο διαφορετικών συστημάτων που ενσωματώνουν την έννοια της ευρυζωνικότητας, ως βασικό χαρακτηριστικό τους. Στο πρώτο από τα δύο συστήματα, που ανήκει στην οικογένεια των ασύρματων δικτύων, πραγματοποιείται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός δικτύου για την ευρυζωνική καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο περιβάλλον. Στο δεύτερο, που ανήκει στην οικογένεια των ευρυζωνικών δικτύων οπτικών ινών, πραγματοποιείται η μελέτη, ο σχεδιασμός και ο έλεγχος υλοποίησης των δικτύων αυτών. Αρχικά, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αναλύεται η αρχιτεκτονική ενός ασύρματου δικτύου που στοχεύει στην ευρυζωνική μέτρηση και καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο περιβάλλον. Δίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά του, πραγματοποιείται ανάλυση των δομικών στοιχείων που το απαρτίζουν (κεντρικός σταθμός ελέγχου, τερματικός σταθμός) και παρατίθενται αντιπροσωπευτικά παραδείγματα δικτύων που έχουν υλοποιηθεί. Ακολουθεί η παρουσίαση του πρώτου Ελληνικού ευρυζωνικού συστήματος μέτρησης (τερματικός σταθμός) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τα Εργαστήρια Ραδιοεπικοινωνιών (ΑΠΘ) και Τηλεπικοινωνιών (ΔΠΘ). Μέσα από μια σειρά εργαστηριακών δοκιμών αναδεικνύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του, ενώ γίνεται εκτίμηση της αβεβαιότητας που εισάγει. Έπειτα, αναλύονται τα αποτελέσματα των ασύρματων δικτύων για την ευρυζωνική μέτρηση και καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για να εκτιμηθούν οι αλλαγές στο εξωτερικό (outdoor) ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον, λαμβάνοντας υπόψη τη θέση του κάθε αισθητήρα και το χρόνο της μέτρησης. Εκτός όμως από τις αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον, τα ασύρματα δίκτυα καταγραφής της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκαν και για την εκτίμηση της έκθεσης σε εσωτερικούς (indoor) χώρους από δίκτυα femto-κυψελών. Μάλιστα, παρουσιάζονται τα πρώτα πειραματικά αποτελέσματα που διενεργήθηκαν στην Ελλάδα σε δίκτυα femto-κυψελών, καταγράφοντας τη στάθμη ισχύος του εκπεμπόμενου (Tx) και λαμβανόμενου (RSCP) σήματος σε δύο διαφορετικά τυπικά περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου (εργασιακό, οικιακό). Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η ανάλυση ενός μητροπολιτικού δικτύου οπτικών ινών σε λιγότερο ανεπτυγμένες περιοχές, με την περιγραφή της αρχιτεκτονικής του προτεινόμενου μοντέλου τριών επίπεδων (κύριο, διανομής, πρόσβασης) ευρυζωνικού δικτύου. Δίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά του, ενώ εξετάζονται οι τρόποι διασύνδεσης μεταξύ των στοιχείων του. Εισάγεται ένας νέος όρος στην αρχιτεκτονική σχεδίαση του δικτύου. Αυτός είναι η "οπτική διαδρομή διασύνδεσης" (fiberpath), η οποία περιγράφει τη ζεύξη μεταξύ του κυρίου κόμβου και του τελικού χρήστη του δικτύου. Παρουσιάζεται η δομή ενός ολοκληρωμένου συστήματος ανάλυσης ευρυζωνικού δικτύου οπτικών ινών που υλοποιήθηκε και περιγράφονται τα υποσυστήματα από τα οποία απαρτίζεται. Στο σύστημα ανάλυσης λαμβάνεται υπόψη η παθητική υποδομή, η γεωγραφική τοπολογία των κόμβων και οι αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων του δικτύου για τον υπολογισμό της κύριας και δευτερεύουσας οπτικής διαδρομής διασύνδεσης (fiberpath) κάθε χρήστη του δικτύου. Εκτός των άλλων, προτείνεται η βελτιστοποίηση της παθητικής υποδομής του ευρυζωνικού δικτύου οπτικών ινών, μέσα από τον υπολογισμό των τελών πρόσβασης και της χρήσης των δικαιωμάτων διέλευσης. Πραγματοποιείται περιγραφή του προτεινόμενου μοντέλου κοστολόγησης των δικαιωμάτων διέλευσης (υβριδικό μοντέλο), ενώ αναλύονται όλες οι παράμετροι που συμβάλλουν στον υπολογισμό τους. Παρουσιάζονται μερικά αριθμητικά παραδείγματα υπολογισμού, ενώ συγκρίνεται το προτεινόμενο μοντέλο με το ισχύον νομικό πλαίσιο. Τέλος, στα συμπεράσματα σχολιάζεται η αναγκαιότητα της ευρυζωνικότητας και περιγράφονται οι προοπτικές που διαφαίνονται με την ανάπτυξη των επικοινωνιών νέα γενιάς

Phased Antenna Array Design using Shuffled Frog-Leaping Algorithm

International audienceIn this paper, we present a new meta-heuristic approach (memetic algorithm) to address multi-objective problems in planar phased arrays. Memetic algorithms are hybrid algorithms that combine the benefits of a global search evolutionary algorithm with a local search method. The Shuffled Frog-Leaping Algorithm (SFLA) consists of a virtual population of frogs partitioned into different memeplexes. It performs a memetic evolution within the memeplex (local search) and a shuffling mix process between memeplexes (global search) to deliver optimum solutions in optimization problems. Derived results show improved characteristics of the antenna array

Differential Evolution in Waveform Design for Wireless Power Transfer

The technique of transmitting multi-tone signals in a radiative Wireless Power Transfer (WPT) system can significantly increase its end-to-end power efficiency. The optimization problem in this system is to tune the transmission according to the receiver rectenna’s nonlinear behavior and the Channel State Information (CSI). This is a non-convex problem that has been previously addressed by Sequential Convex Programming (SCP) algorithms. Nonetheless, SCP algorithms do not always attain globally optimal solutions. To this end, in this paper, we evaluate a set of Evolutionary Algorithms (EAs) with several characteristics. The performance of the optimized multi-tone transmission signals in a WPT system is assessed by means of numerical simulations, utilizing a simplified Single Input Single Output (SISO) model. From the model evaluation, we can deduce that EAs can be successfully applied to the waveform design optimization problem. Moreover, from the presented results, we can derive that EAs can obtain the optimal solutions in the tested cases

Waveform Design for Optimal Wireless Power Transfer Using Evolutionary Algorithms

International audienc

State-of-the-Art Techniques in RF Energy Harvesting Circuits

The exigency for continuous use of electrical devices has created greater demands for electricity along with more efficient transmission techniques. Energy from natural resources can be solar, thermal, vibration, friction, or Radio Frequencies (RF) signals. This state-of-the-art work provides a summary of RF energy harvesting techniques and can be used as a guide for the manufacture of RF energy scavenging modules. The use of Radio Frequency (RF) Energy Harvesting (EH) technique contributes to the development of autonomous energy devices and sensors. A rectenna system includes three main units: the receiving antenna, the impedance matching network, and the rectifier. We thoroughly analyze how to design a rectenna system with special emphasis given on the design of the rectifier. At the same time many works of the last 10 years are presented. This review article categorizes the used topologies depending on the type of antennas, IMNs, and rectifiers and comparatively presents their advantages and disadvantages