Multiband and Silicon Integrated Antennas for Wireless Sensor Networks

Abstract

Les tecnologies sense fils han provocat una important revolució en el món de les xarxes i serveis de telecomunicació. Han apareguts nous sistemes com els telèfons mòbils d'última generació o les xarxes LAN sense fils que han estat acceptats amb entusiasme per la població. En particular, l'ús de xarxes de sensors (per controlar la temperatura, per a detectar places lliures d'aparcament, etc.) està creixent ràpidament . Aquesta tesi es centra en el disseny d'antenes per a xarxes de sensors distribuïts. En concret s'analitza un sistema on els sensors remots estan connectats a una unitat central utilitzant un radio enllaç operant en la banda ISM de 5,8 GHz, i la unitat central envia la informació recollida a Internet a través d'una connexió WLAN. A la unitat central es necessiten antenes multibanda per cobrir diverses bandes de freqüències amb un únic element radiant. En aquesta tesi es presenten dues solucions per obtenir aquest comportament multibanda: Monopols amb pla de massa fractal i monopols carregats amb ressonadors. S'han fabricat i mesurat diferents prototips que cobreixen les necessitats del sistema. Els sensors han de ser dispositius de reduïdes dimensions i baix cost. Una bona opció per aconseguir aquests requisits és l'ús d'antenes integrades en silici fabricades amb una tecnologia CMOS estàndard. En primer lloc s'analitzen els principals problemes de la integració de l'antena en silici, i a continuació es presenta una possible solució per millorar l'eficiència juntament amb un estudi de la degradació introduïda per altres components quan aquests es fabriquen en el mateix xip que l’antena. Les mesures dels prototips fabricats demostren que la integració de l'antena en la banda de 5,8 GHz és factible, obtenint un abast d'alguns metres. Cada vegada és una realitat més propera el fet de tenir sensors implantats en el cos. Per aquest motiu, l’última part d'aquesta tesi es dedica a estudiar els efectes del cos sobre antenes situades en el seu interior i avaluar les pèrdues de propagació addicionals introduïdes pels teixits humans.

Las tecnologías inalámbricas han provocado una importante revolución en el mundo de las redes y servicios de telecomunicación. Han aparecidos nuevos sistemas, como los teléfonos móviles de última generación o las redes LAN inalámbricas, que han sido aceptados con entusiasmo por la población. En particular, el uso de redes de sensores (para controlar la temperatura, para detectar plazas libres de aparcamiento, etc.) está creciendo rápidamente. Esta tesis se centra en el diseño de antenas para redes de sensores inalámbricos distribuidos. EN concreto se analiza un sistema donde los sensores están conectados a una unidad central utilizando un enlace inalámbrico en la banda ISM de 5.8 GHz, y la unidad central envía la información recogida a Internet a través de una conexión WLAN. En la unidad central se necesitan antenas multibanda para dar servicio a varias bandas de frecuencias con un único elemento radiante. En esta tesis se presentan dos soluciones para obtener este comportamiento multibanda: Monopolos con plano de masa fractal y monopolos cargados con resonadores. Se han fabricado y medido diferentes prototipos que cubren las necesidades del sistema. En los sensores se desean dispositivos de reducidas dimensiones y bajo coste. Una buena opción para lograr estos requisitos es el uso de antenas integradas en silicio fabricadas con una tecnología CMOS estándar. En primer lugar se analizan los principales problemas de la integración de la antena en silicio, y a continuación se presenta una posible solución para mejorar la eficiencia de radiación junto con un estudio de la degradación introducida por otros componentes cuando éstos se fabrican en el mismo chip que la antena. Las medidas de los prototipos fabricados demuestran que la integración de la antena en la banda de 5,8 GHz usando una tecnología CMOS es factible, obteniendo unos alcances de algunos metros incluso cuando la antena se fabrica junto con otros elementos integrados en el mismo chip. Cada vez es una realidad más cercana el hecho de poder tener sensores implantados en el cuerpo. Por este motivo, la última parte de esta tesis se dedica a estudiar los efectos del cuerpo sobre antenas situadas en su interior y evaluar las pérdidas de propagación adicionales introducida por los tejidos humanos.

Wireless technologies have triggered an important revolution in the world of telecommunication networks and services. New systems, such as the latest generation mobile phones or wireless LANs, have appeared being enthusiastically accepted by people. In particular, applications related to remote sensor networks are growing rapidly (for temperature monitoring, the detection of free parking spaces, etc.). This thesis is focused on antenna design for distributed wireless sensor networks. The remote sensors we are considering are connected to a central unit using a wireless link in the 5.8 GHz ISM band and the central unit transmits the collected information to the Internet via a WLAN connection. In the central unit multiband antennas are necessary to cover several frequency bands with a single radiating element. Two solutions to obtain this multiband performance are proposed: fractal-based ground planes and resonator loaded monopoles. Several novel antennas that easily meet the system requirements are manufactured and measured. For remote sensors small dimensions and low costs are desired. The use of silicon integrated antennas fabricated with standard CMOS technology is a good choice to achieve these requirements. First, the main problems of antenna integration are discussed and, then a possible solution to improve the antenna efficiency is presented together with a study of the effects of other elements integrated in the same chip with the antenna. The measurements of the manufactured prototypes demonstrate that antenna integration at 5.8 GHz is feasible, and that system ranges of some meters can be obtained even when the antenna is fabricated together with other elements integrated in the same chip. The possibility of having some of the sensors implanted inside the body will be a reality in the near future, for this reason the particular case of implanted antennas is also analyzed. The last part of this thesis is devoted to study the body effects on antenna performance and evaluate the additional propagation losses introduced by the body tissues.