Reduciendo el desenfoque de haz en antenas de onda de fuga escaneadas usando cavidades SIW acopladas

[ESP] El diseño sistemático de antenas de onda de fuga (LWA) planas, directivas, de banda ancha usando cavidades acopladas mediante guías de onda integradas en substrato (SIW) se reporta en este trabajo. El método de diseño está basado en teoría de filtros. Un ancho de banda de escaneo a 3dB de 1.5GHz con 10dBi de directividad a la frecuencia central de 15GHz (10% de ancho de banda fraccional) es conseguido para un ángulo de escaneo de 30º en elevación. Esto es mucho mayor que el 1.7% de ancho de banda fraccional normal en el mismo tipo de antenas con una sola cavidad SIW. [ENG] The systematic design of broadband, directive, scanned planar leaky-wave antennas using coupled-cavity substrate integrated waveguide technology is reported in this work. The design methodology is based on the optimization of the corresponding transverse resonance phase equation, so that a constant scanning angle condition is satisfied for a wide frequency band. A 3dB scanned pattern bandwidth of 1.5GHz with 10dBi directivity at a central frequency of 15GHz (10% fractional bandwidth), is reported for 30º elevation scanning angle. This is a much higher bandwidth than conventional 1.7% bandwidth associated to the same type of antenna with a single SIW cavity.Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial (ETSII), Escuela Técnica Superior de Arquitectura y Edificación (ETSAE), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos y de Ingeniería de Minas (ETSICCPIM), Facultad de Ciencias de la Empresa (FCCE), Parque Tecnológico de Fuente Álamo (PTFA), Vicerrectorado de Estudiantes y Extensión de la UPCT, Vicerrectorado de Investigación e Innovación de la UPCT, y Vicerrectorado de Internacionalización y Cooperación al Desarrollo de la UPCT

Diseño y aplicaciones de sistemas de antenas inteligentes para redes inalámbricas en el contexto de la internet de las cosas

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Las antenas de onda de fuga (LWA) consisten en una estructura de guía de onda que permite la fuga de parte de la potencia a lo largo de la estructura. Por esta razón, la radiación de la antena se produce por la fuga de energía. Para producir una radiación coherente, es necesario controlar esta tasa de radiación a lo largo de la estructura radiante. Así, ajustando con precisión la tasa de radiación, se controla la forma del diagrama de radiación. Las LWAs han sido ampliamente estudiadas por la comunidad científica debido a sus ventajas, tales como, red de alimentación simple, alta directividad y escaneo en frecuencia pasivo. Sin embargo, presentan ciertas desventajas entre las cuales, la más importante a destacar es el efecto de beam-squinting. Éste se produce por la propiedad dispersiva inherente a este tipo de antenas. Además, presentan dificultades a la hora de generar radiación coherente en las direcciones broadside y endfire, aumentando la complejidad del diseńo para la radiación en dichas direcciones. Las LWA han sido relativamente poco utilizadas en aplicaciones prácticas hasta la fecha, a pesar de sus ventajas. Las pocas aplicaciones en las que se han utilizado son los radares de onda continua modulada en frecuencia y los sistemas de enfoque controlado en frecuencia de campo cercano. Esta tesis propone el uso de las LWAs en aplicaciones prácticas aprovechando las ventajas mencionadas anteriormente y teniendo en cuenta los inconvenientes de este tipo de antenas para que su uso no sea limitado. Recientemente, las LWAs han sido propuestas para aplicaciones de localización de bajo coste, ya que permiten el diseńo de estructuras planas con haces directivos. Además, debido al aumento exponencial del uso de la tecnología, es necesario encontrar nuevas tecnologías para una transmisión de datos mayor, más rápida y más eficiente, manteniendo bajos costes de fabricación. Por lo tanto las LWAs pueden ser una solución crucial al mezclar bajos costes de fabricación, alta integrabilidad en diferentes sistemas debido a su tecnología impresa planar y alta directividad al mismo tiempo que se aprovecha su característica dispersiva que proporciona un escaneo pasivo en frecuencia. En este contexto, la principal aportación de esta Tesis consiste en el estudio, análisis, diseńo e integración de LWAs en aplicaciones reales y prácticas. Esta Tesis presenta las siguientes tres contribuciones principales, definidas en los tres bloques principales de este documento: • Estudio y análisis de LWAs para su uso en sistemas de estimación de dirección de llegada basados en técnicas de amplitud de monopulso. Comparar las características y prestaciones de las LWAs junto con las antenas comerciales más utilizadas. Para ello, diseńar y fabricar las HWM-LWAs con el fin de comparar sus prestaciones con las antenas de panel adquiridas comercialmente. Dado que cada aplicación requiere el diseńo de una HWM-LWA nueva y diferente, estudiar y proponer una técnica eficiente de análisis y diseńo de antenas para obtener fácilmente diagramas de radiación monopulso escaneados en frecuencia. • Una vez analizado que las HWM-LWA son una solución factible para su uso en aplicaciones reales de localización debido a sus diversas ventajas. Integrar las HWM-LWAs diseńadas en sistemas digitales para estimación del ángulo de llegada en interiores. Por lo tanto, diseńar, desarrollar, configurar e integrar las LWAs en diferentes sistemas basados en las bandas de frecuencia Wi-Fi ISM de 2,4 GHz y 5 GHz. Finalmente, comparar los resultados de estimación obtenidos con otras soluciones propuestas para corroborar que los LWAs pueden ser utilizados en aplicaciones reales. • Asimismo, debido a su bajo coste de fabricación y a su principal propiedad de escaneo en frecuencia. Ampliar el uso de las LWAs para la localización angular en redes de sensores inalámbricas (WSN) utilizando la banda de frecuencias UHF de 900 MHz. Utilizando así etiquetas RFID pasivas. También estudiar su aplicabilidad en WSNs utilizando etiquetas LoRa activas. Este documento se presenta como una Tesis por compendio, por lo que se presentarán y explicarán brevemente los 4 artículos de revistas que se han publicado durante el programa de doctorado. Además, también se presentarán algunos artículos de conferencias y otros trabajos en revisión para exponer algunas de las investigaciones que no han sido publicadas en revistas hasta la fecha de depósito de tesis. El documento está organizado como se indica a continuación: En la Introducción, se presenta una contextualización del estado del arte y una explicación rigurosa sobre las LWAs y las aplicaciones anteriormente mencionadas. Las dos partes siguientes se vi dedican a presentar y explicar brevemente los trabajos publicados que contribuyen a esta Tesis. En la parte II, se presentan los cuatro artículos que conforman el compendio. Esto es, el análisis de las LWAs para la estimación de la dirección del ángulo de llegada y la integración de las LWAs en sistemas de localización digital usando el protocolo Wi-Fi en el Capítulo 1, la banda de frecuencias ISM UHF 900 MHz se utiliza junto con los HWM-LWAs en el Capítulo 2, luego se implementa en un sistema en tiempo real para la estimación de la dirección de llegada de múltiples tags pasivos en el Capítulo 3 y la integración de LoRa en el Capítulo 4. Finalmente, en la Parte III, se discuten las conclusiones generales y las futuras líneas de investigación. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Leaky-Wave Antennas (LWA) consist on a waveguide structure which allows the leakage of part of the power along the structure. For this reason, the radiation of the antenna is produced by the leakage of power. In order to produce coherent radiation, it is necessary to control this leakage rate along the radiating structure. Thus, precisely adjusting the leakage rate, the shape of the radiation pattern is controlled. LWAs have been widely studied by the scientific community due to their advantages, such as, simple feeding network, high directivity and passive frequency-scanning performance. However, they present certain disadvantages among which, the most important to highlight is the beam-squinting effect. TThis is due to the inherent dispersion property of this type of antenna. In addition, LWAs present difficulties when generating coherent radiation in broadside and endfire directions, increasing the complexity of the design for radiation in these directions. LWAs have been relatively unused in practical applications to date, despite of their benefits. The few applications in which they have been used are frequency modulated continuous wave radars and near-field frequency controlled focusing systems.This thesis proposes the use of LWAs in practical applications by exploiting the advantages mentioned above while taking into account the drawbacks of this type of antennas so that their use is not limited. Recently, LWAs have been proposed for low-cost localization applications, as they allow the design of planar structures with directive beams. In addition, due to the exponential increase in the use of technology, it is necessary to find new technologies for higher, faster and more efficient data transmission while maintaining low manufacturing costs. Therefore, LWAs can be a crucial solution mixing low manufacturing costs, high integrability in different systems due to their planar printed technology and high directivity while taking advantage of their dispersive characteristic that provides passive frequency scanning. In this context, the main contribution of this Thesis consist of the study, analysis, design and integration of LWAs in real and practical applications. This Thesis presents the following three main contributions, defined in the three main blocks of this document: • Study and analysis of LWAs for its use in direction of arrival estimation systems based on monopulse amplitude techniques. Compare the characteristics and performance of LWAs along with widely used commercial antennas. For this purpose, design and manufacture the HWM-LWAs in order to compare their performance with commercially acquired panel antennas. Since each application requires the design of a new and different HWM-LWA, a main objective of this block is to study and propose an efficient antenna analysis and design technique to facilitate obtaining frequency-scanned monopulse patterns. • Once analyzed that LWAs are a feasible solution for its use in real localization applications due to their several advantages, integrate the designed half-width microstrip (HWM-LWAs) in digital indoor angle-of-arrival estimation systems. Therefore, design, develop, configure and integrate LWAs in different systems based on the Wi-Fi ISM 2.4 GHz and 5 GHz frequency bands. Finally, compare the obtained estimation results with other proposed solutions to corroborate that LWAs can be used in real applications. • Extending the use of antennas for angular localization in sensor networks using the 900 MHz UHF frequency band: the main properties of low manufacturing cost and passive frequency beam scanning can be used in other applications. Thus, the localization estimation of passive RFID tags is studied, as well as their application in Wireless Sensor Networks (WSNs) using active tags with LORA technology. This document is presented as a Thesis by compilation, so the 4 journal articles that have been published during the Ph.D program will be presented and briefly explained. Besides, some conference articles and other work under review will be also presented to expose some of the research that has not been published in journals. The document is organized as outlined hereafter: In Part I, a state-of-the-art contextualization, a rigorous explanation about LWAs and the previous applications mentioned above is presented. The next two parts are dedicated to present and briefly explain the published works included in this Thesis and their main contributions. In Part II the explanation of the four papers which compose the compendium are presented. This is, LWAs analysis for direction of arrival estimation and the integration of LWAs in digital Wi-Fi localization systems in chapter 1, the UHF 900 MHz ISM frequency band is used in conjunction with HWM-LWAs in chapter 2, then, it is implemented in a real time system for direction of arrival estimation of multi RFID tags in chapter 3 and LoRa integration in chapter 4. Finally, in Part III, the overall conclusions and the future research lines are discussed.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos. Article 1.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. A. Lopez-Pastor, J. C. Sanchez-Aarnoutse and J. L. Gomez-Tornero, Wi-Fi Direction Finding with Frequency-Scanned Antenna and Channel Hopping Scheme IEEE sensors Journal, , vol. 22, no. 6, pp. 5210-5222, 2022. DOI: 10.1109/JSEN.2021.3122232. Article 2.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Frequency-Scanned Monopulse Antenna for RSSI-based Direction Finding of UHF RFID tags IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,, vol. 21, no. 1, pp. 158-162, 2022. DOI: 10.1109/LAWP.2021.3122232. Article 3.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. Garcia-Fernandez, M. Campo-Valera, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Direction Finding of RFID tags in UHF Band Using a Passive Beam-Scanning Leaky-Wave Antenna IEEE Journal of Radio Frequency Identi cation, doi: 10.1109/JRFID.2021.3122233. Article 4.-: J. L. Gomez-Tornero, A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia and D. Cañete-Rebenaque, ARIEL: Passive Beam-Scanning Antenna TeRminal for Iridiscent and E cient LEO Satellite Connectivity in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, doi: 10.1109/LAWP.2022.3193040.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicacione

Programming of a Zigbee MiMo coordinator to be used with a leaky-wave antenna for Smart Wireless Sensor Networks

Las redes WSN, basadas en el protocolo IEEE 802.15.4 [1] e implementadas con el estándar Zigbee [2], se usan para conectar dispositivos de bajo consumo y con una baja tasa de transmisión de datos, pudiendo cubrir áreas de corto alcance (del orden de los 100 metros como mucho) [3]. Bajo el concepto de smart WSN se engloban aquellas mejoras en las redes de sensores que permiten aumentar la eficiencia de estas, de suma importancia a la hora de reducir el consumo de baterías por parte de los sensores [4], [5]. En la mejora de la eficiencia general de una WSN intervienen muchos factores, como por ejemplo comunicaciones más eficientes con menores interferencias y mejor calidad de señal, el aumento de la cobertura radioeléctrica, la localización automática de los dispositivos desplegados en una WSN, la seguridad o la carga inalámbrica, entre otros. En cualquier caso, el uso de antenas inteligentes (bien conectadas solamente en el coordinador o también en todos los sensores) es una de las tecnologías facilitadoras para mejorar el enlace radioeléctrico y concebir redes de sensores más eficientes, siendo muchas las propuestas realizadas en este sentido en los últimos diez años [6]- [11]. Todos los diseños de antenas inteligentes para WSN se basan en el uso de antenas directivas o sectoriales reconfigurables mediante el uso de electrónica de tipo switched beam [7], [12]-[16]. Estos mecanismos aumentan el coste y el consumo de energía de los circuitos, así como el procesado de señal para adaptar la antena a las necesidades de la red de forma dinámica, lo cual es muy negativo en el contexto de redes de sensores eficientes energéticamente y despliegue barato. En este trabajo fin de estudio se estudiará una nueva topología para desarrollar un coordinador Zigbee con capacidad de beaming o enfoque adaptativo. Esto proporciona una elevada sencillez, tanto por el tipo de antena empleado como por el procesado de señal necesario para reconfigurar el haz. El enfoque 11 adaptativo se basa en el uso de antenas de onda de fuga (LWA) y esquemas de salto en frecuencia. Las LWA son muy sencillas estructuralmente y permiten generar un haz directivo que se puede escanear en una dirección simplemente variando la frecuencia de la señal de microondas [17]. Al igual que el prisma de Newton es capaz de desviar cada longitud de onda en una dirección distinta en el espacio, las LWA son estructuras radiantes pasivas que presentan esta interesante propiedad de enfocar la energía electromagnética hacia diferentes direcciones según la frecuencia de la señal. Si bien las LWA se han usado convencionalmente para aplicaciones RADAR [18]-[20], más recientemente se han propuesto en el contexto de antenas multihaz para aplicaciones de 5G en bandas milimétricas [21]-[26], así como para comunicaciones IoT ("Internet of Things") . El grupo de investigación GEAT de la UPCT junto con el que he desarrollado este TFG, ha propuesto el uso de LWAs para estimación del ángulo de llegada en sistemas radioeléctricos ("radio direction finding") [27]-[31]. Además, ha propuesto el uso de antenas de panel en configuración monopulso para localización en redes WLAN de tipo Wi-Fi [32]-[35]. De la misma forma, ha aplicado diseños de antenas LWA para localización en dichas redes Wi-Fi [36],[37] y redes WPAN de tipo Bluetooth [38]-[42], en la banda ISM de 2.4GHz. Más recientemente se ha propuesto también el uso de LWA para redes de sensores pasivos de tipo RFID en la banda ISM de 900 MHz [43],[44]. En cuanto a redes de sensores activos (WSN) de tipo Zigbee en la banda de 2.4GHz como las tratadas en este TFG, se hizo un primer intento de uso de las LWA para Transferencia Inalámbrica de Potencia (WPT, Wireless Power Transfer) en [45]-[47]. En cualquier caso, como se ha comentado anteriormente, el uso de LWA para localización de sensores y dispositivos móviles en redes inalámbricas IoT, se basa en el uso de esquemas de salto en frecuencia entre los canales disponibles en cada tipo de red inalámbrica. Las LWAs proporcionan inherentemente la generación de haces directivos escaneados, cuya dirección de apuntamiento varía al cambiar la frecuencia de la señal de radio. Esta 12 propiedad se llama "frequency-beam scanning", o escaneo del haz por variación de la frecuencia. Así, este TFE demostrará la aplicabilidad de una LWA, que ha sido sintonizada para enfocar y dispersar los 16 canales de Zigbee de 2,4 GHz en diferentes direcciones , para desarrollar un smart Zigbee coordinator que mejore la calidad de las conexiones usando técnicas de salto en canal (channel hopping) entre los 16 canales disponibles [48] y un esquema de diversidad espacial MiMo con dos puertos. Si bien el channel hopping en Zigbee está inicialmente concebido para aumentar la robustez frente a interferencias [49]-[53], al igual que la diversidad espacial [54]-[56], en este proyecto se explorará por primera vez la diversidad espacio-frecuencial de las LWA en el contexto de una Smart WSN. Para ello, el coordinador debe implementar tecnología MiMo y poder realizar saltos en frecuencia, para controlar la frecuencia del canal en dos puertos distintos de conexión a antena. Los experimentos se realizarán en un entorno controlado (cámara anecoica).Escuela Técnica Superior de Ingeniería de TelecomunicaciónUniversidad Politécnica de Cartagen