Design and applications of smart antenna systems for wireless networks in the context of the Internet of Things (IOT)

Resumen

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