نانو آنتن های نوری (یک راه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری ها)

پژوهشگر و نویسنده: افشین رشید

نکته :از آنجایی که استفاده از نانو آنتن های نوری برای جمع آوری انرژی خورشیدی ارائه دهنده یک راه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری های فتوولتاییک رایج مثل پنل های خورشیدی است، منجر به توسعه سریع درصنعت نانو و مواد نوری شده است.

هنگامی که موج الکترومغناطیسی خورشیدی به سطح نانو آنتن برخورد میکند یک جریان متغیر با زمان روی سطح نانوآنتن ایجاد شده و در نتیجه ولتاژی در محل شکاف تغذیه آن تولید می شود.آنتن وسیله ای است که میتواند موج الکترومغناطیسی موجود در فضا رادریافت کند .جهت ریافت موج الکترومغناطیسی خورشیدی توسط آنتن باید ابعاد آنتن در مرتبه ای از اندازه طول موج ورودی به سطح آن باشد، لذا جهت دریافت تابش های خورشیدی که طول موج های ناحیه فروسرخ،مرئی و فرابنفش را شامل میشوند به آنتنی با ابعاد نانومتر نیاز است .از آنجایی که استفاده از نانو آنتن های نوری برای جمع آوری انرژی خورشیدی ارائه دهنده یک راه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری های فتوولتاییک رایج مثل پنل های خورشیدی است، منجر به توسعه سریع درصنعت نانو و مواد نوری شده است.

یک نانو آنتن نوری با پالریزاسیون خطی و طول 2/λ که پهنای باند نسبی 11 %دارد، قادر به جمع آوری حدود pW 75.2 خواهد بود.برای همین مشخصات در صورت استفاده از آنتن با پالریزاسیون دوبل،توان pW 5.5 حاصل خواهد گردید. با توجه به پایین بودن توان دریافتی هر نانو آنتن مستقل،استفاده از آرایه های آنتی در این سلول مرسوم می باشد که قوانین و روشهای خاص خود را نیز دارد.آنتن وسیله ای است که میتواند موج الکترومغناطیسی موجود در فضا رادریافت کند .جهت دریافت موج الکترومغناطیسی خورشیدی توسط آنتن باید ابعاد آنتن در مرتبه ای از اندازه طول موج ورودی به سطح آن باشد، لذاجهت دریافت تابش های خورشیدی که طول موج های ناحیه فروسرخ،مرئی و فرابنفش را شامل میشوند به آنتنی با ابعاد نانومتر نیاز است .از آنجایی که استفاده از نانوآنتن های نوری برای جمع آوری انرژی خورشیدی ارائه دهنده یک را ه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری های فتوولتاییک رایج مثل پنل های خورشیدی است، منجر به توسعه سریع در صنعت نانو و مواد نوری شده است.

نتیجه گیری :

از آنجایی که استفاده از نانو آنتن های نوری برای جمع آوری انرژی خورشیدی ارائه دهنده یک راه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری های فتوولتاییک رایج مثل پنل های خورشیدی است، منجر به توسعه سریع درصنعت نانو و مواد نوری شده است.

نوشته شده توسط افشین رشید در سه شنبه چهاردهم آذر ۱۴۰۲

(نانو آنتن های الکتریکی _ مخابرات) آنتن های نانو اِستریپ (Nano Strip) و آنتن های میکرو اِستریپ (Microstrip Antenna)

پژوهشگر و نویسنده: افشین رشید

نکته: یکی از این حوزه ها و کارکرد های جدید فناوری نانو، نانو آنتن ها می باشند که در حوزه های مختلفی از جمله نانو سنسورها، نانو شبکه های ارتباطی، تولید انرژی الکتریکی و سایر موضوعات مشابه کاربرد داشته و به عنوان یکی از زمینه های روز توسعه فناوری نانو مطرح می باشند.

با توجه به توسعه تکنولوژی ساخت تجهیزات در ابعاد نانو، امکان ساخت نانو آنتن ها و استفاده از آنها در کاربردهای مختلف، فراهم گردیده است.ارتباط بین دستگاههای نانو یک چالش اساسی است که مربوط به توسعه نانو آنتن ها و گیرنده های الکترو مغناطیسی مربوطه است. کاهش اندازه آنتن سنتی به صد ها نانو متر منجر به فرکانس عملکرد های بسیار بالا میشود . در فرکانس های باند THz ، پهنای باند بسیار بزرگ موجود منجر به از بین رفتن مسیر بسیار بالاتر از باند های فرکانس پایین تر میشود.موضوع طراحی و ساخت آنتن هایی که بتوانند در نانو سیستم ها مورد استفاده قرار گرفته و حتی کارکردهای جدیدی را به دنیای صنعت معرفی نمایند بسیار مهم بوده و به موضوع تازه ای در صنعت برق و فناوری نانو تبدیل شده است.از آنجایی که نانو آنتن ها توانایی جذب زاویه ای وسیعی دارند، حتی در صورت تابش مایل خورشیدی به سطح صفحه خورشیدی میزان بازده آنها تاحد قابل توجهی حفظ می شود. این سیستم همچنین میتواند انرژیتابیده شده از طرف زمین یا همان تشعشعات زمینی که ناشی از تابشه ای روزانه خورشید به سطح زمین هستند و در طو ل مو جهای 10 میکرومتر،یعنی فرکانس های حدود 90 تراهرتز رخ می دهند را جذب کند.

آنتن میکرو اِستریپ (Microstrip Antenna) از یک نوار فلزی بسیار نازک تشکیل شده است که در یک صفحه زمین با یک ماده دی الکتریک در بین آن قرار می گیرد. المان تابشی و خطوط تغذیه با فرآیند عکسبرداری روی ماده دی الکتریک قرار می گیرند. معمولاً برای سهولت آنالیز و ساخت، وصله یا میکرو نوار به شکل مربع، دایره یا مستطیل انتخاب می شود. آنتن‌ های میکرو استریپ به طور فزاینده‌ ای مفید هستند زیرا می ‌توانند مستقیماً روی برد مدار چاپ شوند. آنتن میکرو اِستریپ قیمت پایینی دارند، مشخصات پایینی دارند و به راحتی ساخته می شوند.آنتن میکرو استریپ توسط یک خط انتقال میکرو استریپ تغذیه می شود. آنتن ، خط انتقال میکرو استریپ و صفحه زمین از فلز با رسانایی بالا (معمولا مس) ساخته شده اند. آنتن میکرو اِستریپ باید طولی برابر با نصف طول موج در محیط دی الکتریک (زیر لایه) داشته باشد.عرض آنتن میکرو اِستریپ امپدانس ورودی را کنترل می کند. پهنای بزرگتر نیز می تواند پهنای باند را افزایش دهد. برای یک آنتن وصله مربعی که به روش بالا تغذیه می شود، امپدانس ورودی حدود 300 اهم خواهد بود. با افزایش عرض می توان امپدانس را کاهش داد. با این حال، برای کاهش امپدانس ورودی به 50 اهم اغلب نیاز به یک آنتن میکرو اِستریپ بسیار گسترده است که فضای با ارزش زیادی را اشغال می کند. عرض بیشتر الگوی تابش را کنترل میکند.پهنای باند آنتن میکرو اِستریپ بسیار کوچک است. آنتن میکرو اِستریپ مستطیلی به ‌طور کلی باریک هستند. پهنای باند آنتن های میکرو اِستریپ مستطیلی معمولاً 3 درصد است. ثانیاً، آنتن میکرو اِستریپ برای کار در 100 مگاهرتز طراحی شده است، اما در حدود 96 مگاهرتز رزونانس دارد. این تغییر به دلیل فیلد های حاشیه ای در اطراف آنتن است که باعث می شود آنتن میکرو اِستریپ طولانی تر به نظر برسد.ارتباط بین دستگاههای نانو یک چالش اساسی است که مربوط به توسعه نانو آنتن ها و گیرنده های الکترو مغناطیسی مربوطه است. کاهش اندازه آنتن سنتی به صد ها نانو متر منجر به فرکانس عملکرد های بسیار بالا میشود . در فرکانس های باند THz ، پهنای باند بسیار بزرگ موجود منجر به از بین رفتن مسیر بسیار بالاتر از باند های فرکانس پایین تر میشود.آنتن ‌های میکرو اِستریپ آنتن‌ هایی با مشخصات پایین هستند. یک وصله فلزی که در سطح زمین با مواد دی الکتریک در بین آن نصب شده است، یک نوار میکرو یا آنتن پچ را تشکیل می دهد. در واقع آنتن هایی با اندازه بسیار کم هستند که تابش کمی دارند.آنتن های میکرو اِستریپ (Microstrip Antenna) برای برنامه های کاربردی با مشخصات کم در فرکانس های بالای 100 مگاهرتز محبوب هستند .

نتیجه گیری :

یکی از این حوزه ها و کارکرد های جدید فناوری نانو، نانو آنتن ها می باشند که در حوزه های مختلفی از جمله نانو سنسورها، نانو شبکه های ارتباطی، تولید انرژی الکتریکی و سایر موضوعات مشابه کاربرد داشته و به عنوان یکی از زمینه های روز توسعه فناوری نانو مطرح می باشند.

نوشته شده توسط افشین رشید در شنبه یازدهم آذر ۱۴۰۲

(نانو مخابرات) ترکیب نانو آنتن های نوری در کنار سیستم یکسوساز Rectenna

پژوهشگر و نویسنده: افشین رشید

نکته: ترکیب آنتن های نوری در کنار سیستم یِکسوساز مناسب که به اختصار Rectenna نامیده می شود. و از آن در نانو ارتباطات و انتقال توان در باند مایکروویو استفاده میگردد. و در تولید انرژی الکتریکی نانو نیز کاربرد دارد.

این ترکیب در جهت تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی الکتریکی معرفی شده و به سرعت در حال توسعه و تحقیق می باشد. در حالی که راندمان سلو لهای خورشیدی رایج در بازار در بهترین حالت حدود 30 درصد است، راندمان دو الی سه برابر این مقدار برای Recten ها قابل حصول می نماید. لازم به ذکر است رکتنا در سالهای اخیر خصوصا در موضوع انتقال توان در باند مایکروویو مورد استفاده قرار گرفته است. برای نمونه در حالت تئوری برای تک فرکانس 9.2 GHz ، بیش ار 10 درصد راندمان پیش بینی شده است. البته این در حالی است که راندمان عملی ساخت این ادواد ممکن است کمی متفاوت باشد و توان انتقال نانو فرکانس تراهرتز باید در عمل مشخص گردد.

یک آنتن دیپل با پالریزاسیون خطی و طول 2/λ که پهنای باند نسبی 11 %دارد، قادر به جمع آوری حدود pW 75.2 خواهد بود.برای همین مشخصات در صورت استفاده از آنتن با پالریزاسیون دوبل،توان pW 5.5 حاصل خواهد گردید. با توجه به پایین بودن توان دریافتی هر آنتن مستقل،استفاده از آرایه های آنتی در این سلول مرسوم می باشد که قوانین و روشهای خاص خود را نیز دارد.آنتن وسیله ای است که میتواند موج الکترومغناطیسی موجود در فضا رادریافت کند .جهت دریافت موج الکترومغناطیسی خورشیدی توسط آنتن باید ابعاد آنتن در مرتبه ای از اندازه طول موج ورودی به سطح آن باشد، لذاجهت دریافت تابش های خورشیدی که طول موج های ناحیه فروسرخ،مرئی و فرابنفش را شامل میشوند به آنتنی با ابعاد نانومتر نیاز است .از آنجایی که استفاده از نانوآنتن های نوری برای جمع آوری انرژی خورشیدی ارائه دهنده یک را ه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری های فتوولتاییک رایج مثل پنل های خورشیدی است، منجر به توسعه سریع در صنعت نانو و مواد نوری شده است.

جریان سازی به روش نانو Rectenna

هنگامی که موج الکترومغناطیسی خورشیدی به سطح نانوآنتن برخورد میکند یک جریان متغیر با زمان روی سطح نانوآنتن ایجاد شده و در نتیجه ولتاژی در محل شکاف تغذیه آن تولید می شود .از این رو با جایگذاری یکسوسازی یا Rectifying Antenna مناسب در محل شکاف تغذیه نانو آنتن، توان DC مطلوب تولید می گردد .در سیستم رکتنا خورشیدی میلیون ها عدد نانو آنتن به همراه یکسو ساز مناسب در کنار یکدیگر قرار میگیرند و هر یک به صورت جداگانه به تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید می پردازند.تبدیل انرژی نورانی خورشید که توسط آنتن جذب گردیده است، توسط یکسوساز مناسب صورت می گیرد. دیود های مناسب این رنج فرکانسی 12 MIM ها می باشند.

از آنجایی که نانو آنتن ها توانایی جذب زاویه ای وسیعی دارند، حتی در صورت تابش مایل خورشیدی به سطح صفحه خورشیدی میزان بازده آنها تاحد قابل توجهی حفظ می شود. این سیستم همچنین میتواند انرژیتابیده شده از طرف زمین یا همان تشعشعات زمینی که ناشی از تابشه ای روزانه خورشید به سطح زمین هستند و در طو ل مو جهای 10 میکرومتر،یعنی فرکانس های حدود 90 تراهرتز رخ می دهند را جذب کند، به همین دلیل نانوآنتن های سیستم رکتن خورشیدی با جمع آوری این تشعشعات درطی شب و یا در شرایط آب و هوایی بد نیز می توانند به تولید انرژی الکتریکی بپردازند.

نتیجه گیری :

ترکیب آنتن های نوری در کنار سیستم یِکسوساز مناسب که به اختصار Rectenna نامیده می شود. و از آن در نانو ارتباطات و انتقال توان در باند مایکروویو استفاده میگردد. و در تولید انرژی الکتریکی نانو نیز کاربرد دارد.

نوشته شده توسط افشین رشید در پنجشنبه نهم آذر ۱۴۰۲

(علوم مخابرات) بررسی آثار مخرب قدرت نفوذ امواج بر حسب کاربری فرکانس های رادیویی و امواج رادار

نویسنده : افشین رشید

نکته : فرستنده های مخابراتی، سیستم های رادار و فرستنده های رادیویی و تلویزیونی که با فرکانس بالا نوسان دارند، میدانهای الکترو مغناطیسی شدیدی تولید می کنند که در فاصله فرکانسهای ۱MHz تا ۱Ghz قرار دارند.

انرژی الکترو مغناطیسی توسط بدن جذب می شود و به انرژی حرارتی تبدیل می گردد که اگر میزان جذب انرژی از حدود 4وات بر متر مربع، بیشتر شود، دمای بدن را به اندازه 1 تا 2 درجه سانتی گراد افزایش می دهد. لذا از این امواج در فرکانسهای نزدیک به ۲۷MHz و MHz ۲۵۰ برای مقاصد درمانی استفاده می شود.

فرکانسهای Extra LowFrequency در حدود 50 تا 80 هرتز، خطرناک ترین فرکانس ها برای بدن می باشند. در این فرکانسها جریان بسیار کوچک باعث آثار بیولوژیک قابل توجهی می شوند. به عنوان مثال عبور جریان MA23 در فرکانس های حدود 50 تا 60 هرتز منجر به شوک دردناک و مشکلات شدید قلبی و تنفسی می شود؛ در حالی که اثری مشابه در فرکانس های Khz 100 با جریانی حدود MA 20 ایجاد میشود.

قدرت نفوذ امواج الکترومغناطیس در سلاح های نظامی وECM جنگ الکترونیک

در زمینه امواج الکترو مغناطیسی که به طور طبیعی در اطراف ما وجود دارد مانند امواج موبایل، رادار، مایکروویو، رادیو، تلویزیون و بررسی های انجام شده بر روی انسان هایی که در نزدیکی (منبع تولید امواج پر قدرت الکترو مغناطیس) زندگی می کنند، به بررسی آثار ناشی از این امواج می پردازیم. از طرف دیگر، سلاح های الکترو مغناطیس که توسط کشورهای پیشرفته جهت صدمه و آسیب رسانی به انسانها و مراکز الکتریکی و الکترونیکی از جمله ادوات ، ادارات و مراکز نظامی ساخته می شوند.

نکته : بطور کلی امواج فرکانس بالا (طول موج بالاتر ) بیشترین قدرت نفوذ را دارا میباشند و پر قدرت ترین و کاربردی ترین امواج مخابراتی _دیتا (امواج ماکروویو ) میباشد. که این امواج خود قابل تضعیف و تقویت میباشد.

اگر بافتهای حساسی مانند چشم یا تخمدانها در معرض تابش شدید الکترو مغناطیس قرار بگیرند، ممکن است ضایعات مشخصی در این بافت ها ایجاد شود. پرتوگیری مایکروویو با بازده زمانی حدود 2 تا 3 ساعت و با SAR حدود 100تا140 وات بر متر مربع باعث افزایش دمای لنزی حدود 43-41 درجه میشود.

اثرات زیان بار امواج الکترو مغناطیس شامل امواج رادار، مایکروویو و بر روی انسان:

بیشترین اثرات حیاتی امواج الکترو مغناطیسی ناشی از امواج مایکروویو، سیستم های راداری، امواج رادیویی و ، بر روی نظامیان و افرادی است که در نزدیکی این ایستگاه ها زندگی می کنند. حتی تلفن همراه که یکی از مهم ترین منابع میدانهای الکترو مغناطیس می باشد و فرکانسهای بالایی در حدود MHz900 تا بیش از Ghz1 را ارسال و دریافت می کند، باعث آثار زیانباری خواهد شد. تحقیقات انجام شده بر روی این امواج نشان داد که اثرات این امواج بر روی تولید مثل، منجر به مشکلات ژنتیکی بعد از زایمان و به خصوص سندرم داون می شود. در تحقیقی بر روی کارگران، جوابهای مثبت و منفی ناشی از تاثیر این امواج بر زاد و ولد مشاهده شد. باید توجه داشت که تعداد افراد مورد مطالعه بسیار کم است و همچنین شدت امواج را در این افراد، نمی توان به وضوح اندازه گیری کرد. ابتلاء به سرطان، افزایش خطر ابتلاء به لوسمی و لنفوم در بین نظامیانی که در معرض میدانهای الکترو‌مغناطیس قرار گرفته بودند، مشاهده گردید اما شدت میدان در این تحقیق به خوبی مشخص نشده است.

نکته: هر مقدار که قدرت امواج الکترومغناطیس بیشتر باشد .آسیب مخرب ناشی از آن نیز بیشتر است.

زمانی که فرکانس امواج از Khz100 به Mhz10 افزایش یابد؛ آثار ناشی از میدانهای قوی از تحریک عصبی عضلانی به سمت آثار گرمایی تغییر می‌کند. در فرکانس Khz100 تحریک اولیه به صورت تیک عصبی و در Mhz10 این اثر به صورت گرم شدن مغناطیسی بروز می کند. گرم شدن به میزان 1 تا 2 درجه سانتی گراد میتواند سلامتی فرد را به خطر بیندازد.

نوشته شده توسط افشین رشید در چهارشنبه یکم آذر ۱۴۰۲