Operation of a direct-mode bioorganic fuel cell under the influence of an electromagnetic field

Tässä diplomityössä tutkitaan aikaharmonisen sähkömagneettisen kentän vaikutusta suoramoodisen biopolttokennoakun toimintaan. Myös koaksiaalista taperointia tutkitaan ja taperoitu sovitusosa valmistetaan. Tarkasteltava taajuusalue ulottui 50 MHz:stä 5 GHz:iin. Tällä hetkellä polttokennot ovat muiden vaihtoehtoisten energialähteiden joukossa hyvin kiinnostavia päästöjen puhtaudesta johtuen. Erityisesti suoramoodiset biopolttokennot, joissa biopolttoaine ja elektrolyytti sekoitetaan keskenään, tarjoavat helppokäyttöisen energialähteen harvaan asutuille seuduille. Polttoaineena voidaan käyttää esimerkiksi glukoosia tai muita sokereita. Polttokennojen suurimmat ongelmat ovat korkea hinta sekä perinteisten polttoaineiden ongelmallinen varastointi ja tehoton valmistus. Biopolttoaineiden säilytys ei toisaalta vaadi erityistoimenpiteitä, mutta polttoaineet eivät vielä pysty tuottamaan riittävän korkeita tehotiheyksiä. Radiosignaalien tehostavaa vaikutusta polttokennon toimintaan on aikaisemmin tutkittu lupaavin tuloksin. Tässä työssä yritetään selvittää, onko sähkömagneettisella kentällä vaikutusta sähköisesti koaksiaalikaapelin tavoin käyttäytyvän polttokennon ulostulotehoon. Työn alussa esitetään polttokennon alkeet, koaksiaalikaapelin teoria sekä tutkittavana kohteena olevan polttokennon tärkeimmät ominaisuudet. Laajakaistainen taperoitu sovitusosa suunnitellaan ja valmistetaan jotta polttokennoon voidaan syöttää sähkömagneettinen kenttä. Sähkömagneettista kenttäsimulaattoria hyödynnetään taperoinnin optimoimiseksi ja polttokennon sisäisen sähkömagneettisen kentän käyttäytymisen selvittämiseksi. Päätavoitteena on syöttää korkeataajuinen teho polttokennoon hallituissa olosuhteissa, jolloin analyysi voidaan tehdä perusteellisesti. Ulostulotehomittausten avulla on tarkoitus löytää tietty taajuus tai kynnystaajuus, jolla sähkömagneettisen kentän vaikutus polttokennon toimintaan on mahdollisimman hyvä. Polttokennon toimintaa tarkastellaan sekä ilman sähkömagneettisen kentän vaikutusta että radiotehon ollessa kytkettynä polttokennoon. Mittaustulokset eivät anna mitään viitteitä polttokennon toimintaa tehostavasta vaikutuksesta. On kuitenkin huomattava, että ulostulotehomittausten aikana polttokenno ei toiminut toivotulla tavalla eikä mittausten luotettavuudesta näin ollen oltu täysin varmoja. Toimintahäiriö johtui viallisesta anodikatalyytista. Mittauksia suoritetaan tulevaisuudessa lisää täydellisesti toimivan polttokennon kanssa.In this Master's thesis the influence of a time-harmonic electromagnetic field on the operation of a direct-mode bioorganic fuel cell is investigated. Also coaxial tapering is studied and a tapered matching part is manufactured. The frequency under focus ranged from 50 MHz to 5 GHz. Today, fuel cells are found very attractive among alternative energy sources due to their clean emissions. Especially bioorganic direct-mode fuel cells, in which the bioorganic fuel and the electrolyte are mixed together, offer an easy-to-use energy source for remote districts. Glucose, for instance, or other sugars could be used as fuel. The main problems related to fuel cells constitute their high cost and the problematic storage and inefficient production of the conventional fuels. Biofuels, on the other hand, are easily stored but yet unable to achieve sufficient power densities. Enhancement of fuel cell efficiency by means of RF energy has been researched earlier with promising results. This work examines the effect of an electromagnetic field on the output power of a fuel cell, which can be treated electrically as a coaxial cable. The basics of fuel cells, coaxial cable theory and the main characteristics of the fuel cell under study are presented in the first chapters of the thesis. A broadband tapered matching part is designed and constructed in order to enable the feeding of an electromagnetic field inside the fuel cell. Electromagnetic field simulations are exploited in order to optimize the tapering and to gain knowledge of the electromagnetic behavior inside the fuel cell. The main goal is to feed the high-frequency power into the fuel cell under controlled circumstances, since only then can the analysis can be made thoroughly. The output power measurements of the fuel cell are conducted in order to find a specific or threshold frequency for the EM field, under the influence of which the operation of the fuel cell is enhanced the most. The operation of the fuel cell is measured both with and without coupling an EM signal into the fuel cell and the results are compared. The measurement results obtained so far do not show any indication that the fuel cell operation is enhanced by the RF energy. It is, however, noted that the fuel cell was not operating correctly during the output power measurements, and thus the accuracy of the measurements was decreased. The malfunction was a consequence of a faulty anode catalyst. Hence, further measurements are to be performed in the future with a fully functional fuel cell

Propagation Path Loss Models for 5G Urban Micro- and Macro-Cellular Scenarios

This paper presents and compares two candidate large-scale propagation path loss models, the alpha-beta-gamma (ABG) model and the close-in (CI) free space reference distance model, for the design of fifth generation (5G) wireless communication systems in urban micro- and macro-cellular scenarios. Comparisons are made using the data obtained from 20 propagation measurement campaigns or ray-tracing studies from 2 GHz to 73.5 GHz over distances ranging from 5 m to 1429 m. The results show that the one-parameter CI model has a very similar goodness of fit (i.e., the shadow fading standard deviation) in both line-of-sight and non-line-of-sight environments, while offering substantial simplicity and more stable behavior across frequencies and distances, as compared to the three-parameter ABG model. Additionally, the CI model needs only one very subtle and simple modification to the existing 3GPP floating-intercept path loss model (replacing a constant with a close-in free space reference value) in order to provide greater simulation accuracy, more simplicity, better repeatability across experiments, and higher stability across a vast range of frequencies.Comment: in 2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference (VTC2016-Spring), May 2016, Nanjing, Chin

The impact of 3D printing process parameters on the dielectric properties of high permittivity composites

Fused filament fabrication (FFF) is a well-known and greatly accessible additive manufacturing technology, that has found great use in the prototyping and manufacture of radiofrequency componentry, by using a range of composite thermoplastic materials that possess superior properties, when compared to standard materials for 3D printing. However, due to their nature and synthesis, they are often a great challenge to print successfully which in turn affects their microwave properties. Hence, determining the optimum printing strategy and settings is important to advance this area. The manufacturing study presented in this paper shows the impact of the main process parameters: printing speed, hatch spacing, layer height and material infill, during 3D printing on the relative permittivity (εr), and loss tangent (tanδ) of the resultant additively manufactured test samples. A combination of process parameters arising from this study, allowed successful 3D printing of test samples, that marked a relative permittivity of 9.06 ± 0.09 and dielectric loss of 0.032 ± 0.003

Mittauksiin perustuva millimetriaaltoalueen radiokanavasimulointi ja -mallinnus

The spectrum shortage at microwaves has necessitated the use of millimeter-wave (mm-wave) frequencies in future fifth generation (5G) wireless communication systems. In order to evaluate the performance of 5G networks at mm-waves, propagation channels in various scenarios must be properly characterized and modeled. This thesis aims at providing important insights, methods and tools for mm-wave channel modeling. Deterministic field prediction tools, previously used mainly for coverage analysis, are increasingly used also for stochastic channel model parametrization or for evaluating system performance. The prediction accuracy of such tools, e.g., ray tracing, may be compromised due to missing details in the environment databases. In this work, a novel field prediction tool relying on accurate environmental information in the form of point clouds is developed. The prediction method parameters are tuned by measurements, and the performance is validated in several indoor environments by comparing predicted and measured channels in terms of power, delay and angular metrics. The results demonstrate excellent prediction accuracy in both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight links. As the upcoming 5G mm-wave deployment will be made in new scenarios, channel sounding is essential to acquire knowledge about the propagation characteristics and the applicability of existing channel model frameworks. This work presents insights obtained from channel sounding results conducted in environments such as offices and a shopping mall in the 60- and 70-GHz bands. Unlike existing channel models, clustering was not found apparent in the large indoor environments, allowing a simpler spatio-temporal channel model structure to be developed. A parametrization of the WINNER II model at 60 GHz and a study on the depolarization at mm-waves is also presented. The results show that polarization is better preserved at mm-waves than at lower frequencies. Moreover, a novel method to evaluate LOS probability based on point clouds is demonstrated. The last part of the thesis deals with the use of stochastic and site-specific channel models in evaluating the performance of mm-wave wireless systems. The point cloud-based simulation tool is used to study the mutual orthogonality of mm-wave links equipped with large antenna arrays. The result shows that compared to microwave frequencies, the number of active users should be smaller at mm-waves to guarantee efficient spatial multiplexing.Mikroaaltotaajuuksien tiheä käyttö tietoliikenteessä on johtanut radiospektrin puutteeseen, jonka seurauksena tulevassa viidennen sukupolven (5G) langattomissa järjestelmissä myös millimetriaaltoaluetta on hyödynnettävä. Jotta 5G-verkkojen suorituskykyä olisi mahdollista arvioida millimetriaalloilla, etenemiskanavaa on mallinnettava eri ympäristöissä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tarjota tärkeitä havaintoja, menetelmiä ja työkaluja millimetriaaltoalueen radiokanavamallinnusta varten. Deterministiset radioaaltojen etenemisen ennustusmenetelmät, joita aikaisemmin on käytetty verkkojen kuuluvuuden tutkimiseen, ovat yhä enemmän varteenotettavia työkaluja myös stokastisten kanavamallien parametrisoinnissa ja radiojärjestelmien suorituskykyarvioinnissa. Ennustusmenetelmien, kuten säteenseurannan, ennustustarkkuus saattaa kärsiä ympäristön tietokantojen huonosta tarkkuudesta johtuen. Tässä työssä on kehitetty uusi ennustusmenetelmä, jossa käytetään erittäin tarkkoja pistepilviä kuvaamaan ympäristöä. Menetelmän parametrit kalibroidaan mittausten avulla ja toimintakykyä arvioidaan useissa sisätilaympäristöissä vertaamalla simuloituja ja mitattuja kanavia eri tehon, viiveen ja kulma-alueen mittareilla. Tulokset osoittavat ennustustarkkuuden erinomaiseksi sekä näköyhteyden ollessa vapaa että sen puuttuessa. Koska millimetriaaltoalueen 5G-verkkoja sijoitetaan uusiin ympäristöihin, kanavamittaukset ovat oleellisia radiokanavien ominaisuuksien ja olemassa olevien kanavamallien käyttökelpoisuuden tutkimiseksi. Tässä työssä esitetään havaintoja kanavamittauksista, joita on suoritettu esim. toimistotiloissa ja kauppakeskuksessa 60 ja 70 GHz:n taajuusalueilla. Vastoin yleisiä kanavamallinnusperiaatteita, mittaukset osoittavat että monitiekomponenttien ryhmittyminen ei ole voimakasta tutkituissa ympäristöissä, mikä sallii yksinkertaisemman rakenteen tilassa ja ajassa määritellylle kanavamallille. Lisäksi WINNER II-mallille lasketaan parametrit 60 GHz:llä ja polarisaation kääntymistä tutkitaan sisätilaympäristöissä. Tulokset osoittavat polarisaation säilyvän paremmin millimetriaalloilla alempiin taajuuksiin verrattuna. Työssä esitetään myös uusi menetelmä näköyhteysreitin todennäköisyyden laskemiseksi pistepilviä hyödyntäen. Työn viimeinen osio käsittelee determinististen ja stokastisten kanavamallien sovelluskohteita langattomien järjestelmien suorituskykyarvioinnissa. Pistepilveen pohjautuvaa ennustusmenetelmää käytetään tutkimaan isoilla antenniryhmillä varustettujen millimetriaaltolinkkien keskinäiskorrelaatiota. Tuloksissa todetaan, että aktiivisten käyttäjien määrän on oltava millimetriaaltotaajuuksilla pienempi mikroaaltotaajuuksiin verrattuna, jotta tilallista limitystä (eng. spatial multiplexing) voidaan hyödyntää mahdollisimmanDen begränsade tillgängligheten av radiospektrum på mikrovågsområdet har lett till att framtida femte generationens (5G) nätverk också måste använda sig av millimetervågsområdet (mm-vågsområdet). För att utvärdera prestationsförmågan av nätverk på mm-vågsområdet måste utbredningskanalen karakteriseras och modelleras i olika omgivningar. Denna doktorsavhandling strävar efter att erbjuda viktiga iakttagelser, metoder och redskap för kanalmodellering på mm-vågsområdet. Traditionellt har redskap för att förutspå utbredningskanaler använts främst för att analysera hörbarheten i mobilnätverk, men nuförtiden behövs dessa redskap också för att parametrisera stokastiska kanalmodeller samt för att utvärdera prestandan i trådlösa system. Estimeringsprecisionen för dylika redskap, som tex. strålföljning (eng. ray tracing), kan försämras av att omgivningsmodellen inte är tillräcklig detaljerad. I detta arbete presenteras en ny metod för att förutspå utbredningskanaler som baserar sig på noggranna omgivningsmodeller i form av punktmoln. Modellparametrarna kalibreras med hjälp av radiokanalmätningar och funktionaliteten bekräftas i flera interiörer genom att jämföra simulerade och mätta radiokanaler beträffande effekt, fördröjning och vinklar. Resultaten tyder på en hög estimeringsprecision både med fri siktlinje samt med siktlinjen blockerad. Eftersom 5G-nätverk på mm-vågsområdet kommer att placeras i flera nya omgivningar är det nödvändigt att utföra radiokanalmätningar för att skaffa sig information om utbredningskanalens egenskaper och användbarheten av existerande kanalmodeller. I detta arbete presenteras insikter som erhållits via radiokanalmätningar i tex. kontorsutrymmen och ett köpcentrum i frekvensbanden kring 60 och 70 GHz. I motsats till populära kanalmodeller som grupperar radiovågskomponenter i kluster, påvisar mätningarna ingen klustring vilket möjliggör en enklare kanalmodell i rum och tid. Mätningarna används också till att parametrisera WINNER II kanalmodellen vid 60 GHz samt till att studera hur polariseringen förändras under utbredningen. Resultaten visar att polariseringen bevaras bättre på mm-vågsområdet jämfört med lägre frekvenser. Vidare presenteras en ny metod för att utvärdera sannolikheten för fri siktlinje med hjälp av punktmoln. Avhandlingen sista del ger en översikt av olika användningsändamål för både deterministiska och stokastiska kanalmodeller. Estimeringsmetoden som baserar sig på punkmoln används för att studera korrelationen mellan användare på mm-vågsområdet som är utrustade med massiva gruppantenner. Resultaten tyder på att antalet aktiva användare bör vara lägre än på mikrovågsområdet för att garantera effektiv rumsmultiplexering

Total array gains of millimeter-wave antennas on a mobile phone under practical conditions

This paper studies a gain of an antenna array implemented on a mobile device operating at a millimeter-wave (mm-wave) radio frequency. Assuming that mobile phones at mm-wave range operate with a single baseband unit and analog beamforming like phased arrays, its total array gain comes from signal precoding or combining in excess to the omni-directional pathloss. The total array gain circumvents the ambiguity of conventional array gain which cannot be uniquely defined as there are multiple choices of a reference single-element antenna in an array. Two types of 8-element patch antenna arrays implemented on a mobile phone chassis, i.e., uniform linear array (ULA) and distributed array (DA) both operating at 60GHz, are studied. The gain is evaluated in a small-cell scenario in an airport shows that the DA achieves higher median gain by up to 8dB than the ULA when different orientations of the mobile phone are considered along with a body torso and a finger of a person operating the phone. There are always postures of the mobile phone where the ULA cannot see the line-of-sight due to directionality of the patch antenna on the mobile phone chassis and of body and finger shadowing, leading to outage array gain of -15dB. The DA has much smaller variation of the gain across different orientations of the phone, even when the human torso shadowing and user's finger effects are considered.Peer reviewe

Self-Interference Channel Measurements for In-Band Full-Duplex Street-Level Backhaul Relays at 70 GHz

This paper reports measurements of self-interference (SI) channels in an in-band full-duplex (IBFD) relay scenario for millimeter-wave street-level backhauling. The street-level backhauling suffers from clutters surrounding the relay devices and hence SI originating from the environment may be dominant. An ultrawideband channel sounder operating at 70 GHz carrier frequency is used to measure the SI channels in a chamber, indoor window-side, indoor and outdoor corner scenarios. The transmit and receive antennas are waveguide-fed lens antennas. The measurements showed that cross-polarized feeding of waveguides to the lenses provided higher isolation than co-polarized feeding. In the corner scenario, observed minimum isolation level is 85 dB in the frequency domain, and 100 dB in the delay domain. The results confirmed that isolation is not limited by the direct coupling because of the high directivity of the lens antenna, but by the environmental coupling. Further link budget analysis for outdoor-to-indoor backhauling showed that the IBFD relay with practical transmit power is capable of enhancing the signal-to-noise ratio and hence extending the coverage, as SI at the relay receiver can be almost the same level as thermal noise.Peer reviewe