Wireless sensors embedded in high permittivity lossy media

Abstract

The design of wireless sensors for operation embedded in a medium with high losses creates a series of additional constraints that should be taken into consideration at design stage to enhance sensor performance. In such a medium, both the real and the imaginary part of the relative permittivity will have a high value. In this thesis, the effect of the imaginary part (which basically accounts for medium losses) on sensor performance and signal propagation will be analysed in detail. Although the attenuating effect the losses of this surrounding medium will have on a propagating microwave signal can be foreseen, there is still much to be learned with respect to how these dielectric properties impact the actual performance of the sensor, and how this effect may be prevented or mitigated at design stage. Furthermore, currently available set-ups to measure the performance of radiating devices have not been conceived to measure devices that do not operate in air. Bearing this in mind, this thesis intends to shed some light on the specific challenges encountered when designing devices for embedded operation in high permittivity lossy materials. This is done by means of two specific embedded application scenarios. In the first one a wireless RFID temperature sensor is placed inside a concrete structure to monitor the evolution of the setting process of concrete. Whereas in the second scenario a microwave bodyscope is used to monitor metallic implants inside the human body. Finally, in-field results are presented for both scenarios. High accuracy measurements of the evolution of concrete's relative permittivity over time and frequency are presented, which are then used as reference at sensor design stage. A specific analysis of the correlation between antenna performance and surrounding medium's dielectric properties is conducted and some preliminary design guidelines are provided. Furthermore, a novel miniaturized anechoic chamber for X-wave and embedded measurement is presented.

El diseño de sensores inalámbricos para operación dentro de medios con muchas pérdidas, genera una serie de limitaciones adicionales que han de ser tenidas en consideración durante la etapa de diseño para mejorar el rendimiento del sensor. En tal medio, tanto la parte real como la imaginaia de la permitividad relativa tendrán un valor elevado. En esta tesis, el efecto de la parte imaginaria (la cual está asociada a las pérdidas del medio) en el rendimiento del sensor y en la propagación de la señal serán analizados en detalle. Aunque el efecto atenuante que las pérdidas del medio tienen en una señal de microondas al propagarse a lo largo del mismo resulta previsible, hay aun mucho que aprender con respecto a cómo estas propiedades dieléctricas impactan en el rendimiento del sensor, y cómo este efecto puede ser evitado o mitigado durante la etapa de diseño. Adicionalmente, los sistemas de medida de dispositivos radiantes disponibles actualmente no han sido concebidos para llevar a cabo medidas de dispositivos que no operan en aire. Con esto en mente, esta tesis tiene la intención de arrojar algo de luz sobre los desafíos específicos asociados al diseño de dispositivos para operación embedida en medios con pérdidas. Para ello, serán utilizados dos escenarios de aplicación específicos. En el primero, un sensor RFID de temperatura es colocado dentro de una estructura de hormigón para monitorizar la evolución del proceso de fraguado del hormigón. Mientras que en el segundo caso un "bodyscope" de microondas es utilizado para monitorizar implantes metálicos dentro del cuerpo humano. Finalmente, resultados de medidas de campo son presentados para ambos escenarios. Medidas de alta precision de la evolución de la permitividad relativa del hormigón a lo largo del tiempo y en un cierto ancho de banda, son también presentadas. Estos valores son utilizados como referencia durante la etapa de diseño del sensor. Un análisis específico de la correlación entre el rendimiento de la antena y las propiedades dieléctricas del medio es llevado a cabo, y proveyendo algunas recomendaciones preliminares a tener en cuenta durante la etapa de diseño. Finalmente, se presenta un nuevo diseño de una cámara anecoica miniaturizada para medidas de sensores embebidos.