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To increase capacity, lower latency, and boostdata rates, new higher gain antennas that can transmitmillimeter-waves are needed. Dielectric lens antennas arean attractive potential solution. The J1-project investigatedthe permittivity and losses of four 3D printing filamentsin four frequency bands, to better design a hyperboliclens antenna in the Ka-band with a WR-28 StandardGain Horn Antenna acting as a feed. To measure thedielectric filaments, the TRL calibration method wasevaluated in simulation and employed in measurementstogether with the NRW method for permittivity extraction.Shortcomings of these methods near resonant frequencieswere marginally analyzed in simulation, and the results ofthe processed measured permittivities were shown to havesignificant uncertainty in the loss tangent. Nevertheless thedatasheet specified<(r) =3 was shown to have meanrelative permittivity∗r= 3.53−0.13jin the Ka-band.Using the measurement data, a hyperbolic lens antennawas designed and optimized in simulation for the centerfrequency of the Ka-band at 33.25 GHz. The simulatedresults show an aperture efficiency of 36.2% and a gainof 30.4 dBi. / För att öka kapaciteten, sänka för- dröjningen samt höja datahastigheterna så behövs högre förstärkta antenner som kan transmittera millimetervågor. Här är dielektriska linsantenner en attraktiv, potentiell lösning. J1-projektet undersökte permittiviteten och förlusterna av fyra 3D-utskriftsfilament i fyra frekvensband, för att bättre designa en hyperbolisk linsantenn i Ka- bandet för en matande WR-28 “Standard Gain Horn Antenna”. För att kunna mäta de dielektriska filamenten så var TRL-kalibreringsmetoden utvärderad i simulering och nyttjad vid mätning tillsammans med NRW-metoden för att betsämma permittiviteten. Nackdelarna bakom dessa metoder nära resonanta frekvenser var marginellt analyserade i simulering och resultaten av de behandlade, mätta permittiviteterna visade sig ha märkbara osäker- heter i deras förlusttangens. Oavsett så blev medelvärdet på det uppmätta resultatet; av det databladsspecificerade materialet R (∈r) = 3; ∈*r = 3,53 -0,13j i Ka-bandet. Med hjälp av databladsspecifikationerna, så designades samt optimiserades en hyperbolisk linsantenn i simulering för Ka-bandets mittfrekvens på 33,25 GHz. De simulerade resultaten visar på en apertureffektivitet på 36,2% och en förstärkning på 30,4 dBi. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2020, KTH, Stockholm

[pt] Nos últimos anos, tem aumentado o interesse no uso da transmissão de energia sem fio por acoplamento indutivo em muitas aplicações. Uma das maiores limitações dessa tecnologia é a distância de operação reduzida. Alguns trabalhos recentes sugerem usar materiais artificiais conhecidos como metamateriais para aprimorar a eficiência da transferência de potência ao longo da distância. Devido às suas propriedades eletromagnéticas únicas, tais como permeabilidade magnética negativa, metamateriais podem ser usados para amplificar as ondas evanescentes do campo próximo. No presente trabalho, é estudado o uso de metamateriais eletromagnéticos para aumentar o acoplamento indutivo por meio da amplificação do campo próximo. São apresentados cálculos analíticos e simulações dos metamateriais propostos. O melhoramento da eficiência na transferência de potência é apoiado por evidências experimentais. / [en] Over recent years, the interest in using inductive wireless power transmission for many applications has grown. One of the major limitations of this technology is the reduced operating distance. Some recent works have suggested using artificial materials known as metamaterials to improve the power transfer efficiency over distance. Due to their unique electromagnetic properties, such as negative permeability, metamaterials can be used to enhance the evanescent waves of the near field. In the present work, the usage of an electromagnetic metamaterial to increase the inductive coupling by means of enhanced evanescent waves is studied. Analytical calculations and numerical simulations of the proposed metamaterial are presented. The improvement of the power transfer efficiency is supported by empirical evidences.

Die dielektrischen Eigenschaften, also die Interaktion mit elektrischen Feldern, sind ein wichtiger Qualitätsparameter der Matrix in Faserverbundmaterialien und allgemein in Harzen. Sie werden bisher mit Hilfe von kapazitiven Verfahren oder Hochfrequenzverfahren wie z. B. der Mikrowellentechnik gemessen. Allerdings können beide Verfahren nicht an elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden und auch bei der Anwendung der Methoden an Kunststoffen oder elektrisch isolierenden Faserverbundmaterialien gibt es Nachteile. So benötigt die kapazitive Messtechnik meist eine spezielle Probenpräparation für quantitative Messungen und erreicht eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung beim Permittivitätsmapping. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Untersuchung einer alternativen, in diesem Kontext neuen Methode zur Charakterisierung dielektrischer Eigenschaften: Die Hochfrequenzwirbelstrommesstechnik, welche bisher zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität genutzt wird, wird theoretisch und praktisch hinsichtlich ihres Anwendungspotentials zur Permittivitätsmessung an Epoxidharzen und Faserverbundwerkstoffen diskutiert. Dabei werden zuerst Grundlagen wie Anwendungsfelder für die Nutzung dielektrischer Eigenschaften von Harzen und Verbundwerkstoffen zur Qualitätssicherung bzw. gängige Messverfahren erläutert. Anschließend wird theoretisch gezeigt, warum dielektrische Eigenschaften auf das Hochfrequenzwirbelstrom (HFWS)-Signal wirken. Dabei werden sowohl die Maxwell-Gleichungen genutzt, als auch Finite Elemente (FE)-Simulationen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt dann auf der experimentellen Untersuchung der Permittivitätsmessung mittels HFWS. Es werden verschiedene Anwendungsfälle betrachtet: von zeitlich kontinuierlichen Permittitivitätsänderungen (am Beispiel der Aushärtung von Epoxidharzen), über lokale Permittivitätsabweichungen (in Folge von Defekten, Textureigenschaften oder thermischen Überlasten) bis hin zu quantitativen Permittivitätsmessungen (zur Materialcharakterisierung bzw. Alterungsuntersuchung). Dabei kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die Permittivität von Faserverbundwerkstoffen und Epoxidharzen mittels HFWS zu charakterisieren, selbst wenn das zu prüfende Material elektrisch nicht leitfähig ist.

<p>Коришћењем интердигиталног кондензатора и микроконтролера, систем за препознавање течности је имплементиран и испитан. Пермитивност течних узорака је коришћена као физичка особина на основу које се врши препознавање. Инвазивна и неинвазивна конфигурација сензора је израђена и испитана. Резултати указују на могућност развоја компактних, минијатурних уређаја за теренску употребу.</p> / <p>Korišćenjem interdigitalnog kondenzatora i mikrokontrolera, sistem za prepoznavanje tečnosti je implementiran i ispitan. Permitivnost tečnih uzoraka je korišćena kao fizička osobina na osnovu koje se vrši prepoznavanje. Invazivna i neinvazivna konfiguracija senzora je izrađena i ispitana. Rezultati ukazuju na mogućnost razvoja kompaktnih, minijaturnih uređaja za terensku upotrebu.</p> / <p>By using interdigital capacitor and a microcontroller, a system for liquid-type<br />recognition has been developed and examined. Permittivity of liquid samples<br />has been used as a physical property for recognition. Invasive and noninvasive<br />sensor configuration has been implemented and examined. Results<br />imply the possibility to develop compact, miniature, on-field devices.</p>

Die dielektrischen Eigenschaften, also die Interaktion mit elektrischen Feldern, sind ein wichtiger Qualitätsparameter der Matrix in Faserverbundmaterialien und allgemein in Harzen. Sie werden bisher mit Hilfe von kapazitiven Verfahren oder Hochfrequenzverfahren wie z. B. der Mikrowellentechnik gemessen. Allerdings können beide Verfahren nicht an elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden und auch bei der Anwendung der Methoden an Kunststoffen oder elektrisch isolierenden Faserverbundmaterialien gibt es Nachteile. So benötigt die kapazitive Messtechnik meist eine spezielle Probenpräparation für quantitative Messungen und erreicht eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung beim Permittivitätsmapping. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Untersuchung einer alternativen, in diesem Kontext neuen Methode zur Charakterisierung dielektrischer Eigenschaften: Die Hochfrequenzwirbelstrommesstechnik, welche bisher zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität genutzt wird, wird theoretisch und praktisch hinsichtlich ihres Anwendungspotentials zur Permittivitätsmessung an Epoxidharzen und Faserverbundwerkstoffen diskutiert. Dabei werden zuerst Grundlagen wie Anwendungsfelder für die Nutzung dielektrischer Eigenschaften von Harzen und Verbundwerkstoffen zur Qualitätssicherung bzw. gängige Messverfahren erläutert. Anschließend wird theoretisch gezeigt, warum dielektrische Eigenschaften auf das Hochfrequenzwirbelstrom (HFWS)-Signal wirken. Dabei werden sowohl die Maxwell-Gleichungen genutzt, als auch Finite Elemente (FE)-Simulationen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt dann auf der experimentellen Untersuchung der Permittivitätsmessung mittels HFWS. Es werden verschiedene Anwendungsfälle betrachtet: von zeitlich kontinuierlichen Permittitivitätsänderungen (am Beispiel der Aushärtung von Epoxidharzen), über lokale Permittivitätsabweichungen (in Folge von Defekten, Textureigenschaften oder thermischen Überlasten) bis hin zu quantitativen Permittivitätsmessungen (zur Materialcharakterisierung bzw. Alterungsuntersuchung). Dabei kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die Permittivität von Faserverbundwerkstoffen und Epoxidharzen mittels HFWS zu charakterisieren, selbst wenn das zu prüfende Material elektrisch nicht leitfähig ist.

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Heterogeneous mixtures have the potential to be used as synthetic substrates for antenna applications giving the antenna designer new degrees of freedom to control the permittivity and/or permeability in three dimensions such as by a smooth variation of the density of the inclusions, the height of the substrate and the manufacture the whole antenna system in one process. Electromagnetic, fabrication, environmental, time and cost advantages are potential especially when combined with nano-fabrication techniques. Readily available and cheap materials such as Polyethylene and Copper can be used in creating these heterogeneous materials. These advantages have been further explained in this thesis. In this thesis, the research presented is on canonical, numerical and measurement analysis on heterogeneous mixtures that can be used as substrates for microwave applications. It is hypothesised that heterogeneous mixtures can be used to design bespoke artificial dielectric substrates for say, patch antennas. The canonical equations from published literature describing the effective permittivity, ε_eff and effective permeability, μ_eff of heterogeneous mixtures have been extensively examined and compared with each other. Several simulations of homogenous and heterogeneous media have been carried out and an extraction/inversion algorithm applied to find their ε_eff and μ_eff. Parametric studies have been presented to show how the different variables of the equations and the simulations affect the accuracy of the results. The extracted results from the inversion process showed very good agreement with the known values of the homogenous media. Numerically and canonically computed values of ε_eff and μ_eff of various heterogeneous media were shown to have good agreement. The fabrication techniques used in creating the samples used in this research were examined, along with the different measurement methods used in characterising their electromagnetic properties via simulations and measurements. The challenges faced with these measurement methods were explained including the possible sources of error. Patch antennas were used to investigate how the performance of an antenna may be affected by heterogeneous media with metallic inclusions. The performance of the patch antenna was not inhibited by the presence of the metallic inclusions in close proximity. The patch measurement was also used as a measurement technique in determining the ε_eff of the samples.

La quantité et la distribution de l'eau interstitielle dans l'espace poral des milieux cimentaires sont des marqueurs fondamentaux de la durabilité des structures de Génie Civil en béton. La connaissance de ces grandeurs est également importante pour l'interprétation de certains essais non destructifs mis en œuvre pour évaluer les performances mécaniques des ouvrages ou détecter certains défauts. L'évaluation de la teneur en eau par méthode non-destructive requiert l'utilisation d'une grandeur intermédiaire telle que la permittivité diélectrique. La relation entre cette propriété électromagnétique et la teneur en eau dépend alors de la composition et donc de la formulation du béton. En électromagnétisme, les lois d'homogénéisation permettent de lier la permittivité effective d'un matériau hétérogène avec la permittivité intrinsèque et la fraction volumique de chaque hétérogénéité présente. Afin de pallier le temps important requis pour l'établissement d'une courbe de calibration expérimentale propre à chaque formulation, l'étude présentée propose la mise en place d'une démarche d'homogénéisation de la permittivité pour lier quantité d'eau présente dans un béton et permittivité macroscopique du matériau. Les travaux présentés rapportent la fabrication, la modélisation et l'utilisation de sondes coaxiales ouvertes pour la mesure de la permittivité complexe de matériaux solides et liquides. Le concept d'estimation de la teneur en eau par utilisation de lois d'homogénéisation est validé pour le cas d'un sable partiellement saturé en eau. Au vu des résultats prometteurs obtenus par modélisation analytique, des schémas d'homogénéisation sont combinés lors d'un processus de remontée d'échelle depuis celle des hydrates jusqu'à celle des granulats, en tenant compte de la morphologie de la microstructure. Les propriétés intrinsèques des principaux constituants d'un béton (granulats, hydrates, ciment anhydre) sont alors mesurées par sonde coaxiale et utilisées en données d'entrée du modèle construit. Une bonne cohérence est observée entre parties réelles de la permittivité simulées et mesurées, pour des échantillons de pâtes de ciment, mortiers et bétons. A la différence des lois expérimentales et empiriques, le modèle construit se caractérise par un temps de calcul quasi-instantané et peut être adapté d'une formulation de béton à une autre en fonction du type de ciment utilisé, de la nature et de la quantité de granulats ou encore de la porosité accessible à l'eau du matériau. / Prediction of delayed behavior in concrete can be significantly improved by monitoring the amount and spatial distribution of water within a concrete structure over time. Water content of cement-based materials can also be required to interpret non-destructive tests such as ultrasonic and radar measurements. Electromagnetic properties of heterogeneous and porous materials, such as dielectric permittivity, are closely related to water content. Measurement of these properties is thus a common non-destructive technique used to assess the moisture content, but a calibration curve is required to link the measured permittivity to the saturation degree. This curve can be determined experimentally, or from empirical models. However, the first approach is tedious and time consuming, while the second one is not adapted to concrete. Hence, this contribution proposes an alternative route, relying on electromagnetic homogenization schemes, to connect the macroscopic permittivity of cement-based materials with the water content of the structure. Therefore, different open-ended coaxial probes were designed, modelled and tested in order to perform complex permittivity measurements of both solids and liquids. The homogenization approach is first validated on unsaturated sand. Then, the permittivity of concrete components (aggregates, hydrates, interstitial liquid, anhydrous cement) was assessed by means of coaxial probe measurements. Finally, a specific combination of analytical homogenization laws taking into account the microstructure's morphology of the material is built. Results show that there is a good correlation between the model and measurements acquired on different cement pastes, mortars and concretes, at different saturation degrees. The model is characterized by a quasi-instantaneous calculation time and can be adapted to different concretes depending on cement type, nature and quantity aggregates or porosity.