Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1383
Main Title: Towards Conformal Antennas for miniaturized Autarchic Distributed Sytems
Translated Title: Ein Beitrag zu Konformen Antennen für Autarke Verteilte Mikrosysteme
Author(s): Angwafo, Nchewah
Advisor(s): Mönich, Gerhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: DIE TENDENZ ZUR MINIATURISIERUNG wirft die Frage danach auf, welche Antenne(n) für energetisch Autarke VerteilteMikrosysteme (AVM) kleinen Volumens angemessen ist/sind. Solche Mikrosysteme wer­den für den Einsatz in Sensornetzwerken z.B. in der Logistik, Raumüber­wachung und Inventarisierung usw. angestrebt. Ein komplettes Mikrosys­tem samt Energieversorgung soll gemäß der AVM­Vision in einem Wür­fel dessen Volumen 1 cm3 nicht überschreitet untergebracht werden. Die Raumknappheit bedeutet aber auch ein knappes Energiebudget. Die Klein­heit der AVM-­Module und ihr anvisierter engmaschiger Einsatz machen weder das Auswechseln noch Wiederauaden der Batterien durchführbar. Somit ist Energiesparen hinsichtlich einer brauchbaren Lebenszeit als Quint­essenz des Systemkonzepts unerläßlich. Neben einem Energie­effizienten RF-­Frontend-­Entwurf empfiehlt sich für relativ lange Zeiträume, in denen keine Übertragungsoperationen anfallen, ein Versetzen des Mikrosystems in einen Schlummerzustand verschwindenden Energieverbrauchs. Bei Kommunikation in wachem Zustand ist gerichtete Strahlung anstre­benswert. Dies ist sowohl der Energieeffienz als auch der Interferenzmini­mierung dienlich. Darüber hinaus kann bei gerichteter Strahlung von einer erhöhten Übertragungssicherheit ausgegangen werden, da das Signal nicht in unerwünschte Richtungen gesendet wird. Da Richtwirkung direkt pro­portional zur elektrischen Größe der Antennen ist, scheint es zunächst ange­bracht, höhere Frequenzen zu verwenden. Auf Grund der damit verbun­denen höheren Freiraumdämpfung muss ein Kompromiß zwischen Reich­weite und Gewinn getroffen werden. Diese Arbeit bietet in Gestalt von Schlitzanordnungen und Patches An­tennenstrukturen, welche bei den vorgegebenen Abmessungen eine hinrei­chende Strahlungsbündelung dahingehend erzielen, dass sowohl im Sende­ als auch im Empfangsfall ein adäquates SNR zur Überbrückung der Funk­strecke vorliegt. Da es sich um eine dynamische Netzwerk-­Topologie han­delt, wird dahingehend bewertet, ob die Strahlungsbündelung der Antennen abhängig von der momentanen räumlichen Orientierung der kommunizie­renden Module einstellbar ist. Die begrenzte Möglichkeiten zur Ausrichtung des Hauptstrahls jedoch, welche von der Einschränkung der erlaubten An­tennenabmessungen herrühren, führen zu dem Kompromiß einer weniger ausgeprägten Strahlungsbündelung, die aber die Abdeckung eines größeren Raumwinkels ermöglicht. Dies gestattet ein hohes Maß an Funktions­ sicherheit, da kommunizierende AVM-­Module nicht stets fest aufeinander ausgerichtet sind. Kapitel 1 setzt ein mit einigen Meilensteinen der elektromagnetischen Feldtheorie mit dem Schwerpunkt auf Entstehung und Entwicklung der drahtlosen Kommunikation und endet mit einer Schilderung des AVM­-Szenarios. Kapitel 2 beschäftigt sich mit der Diskretisierung und Implemen­ tierung derMaxwellschen Gleichungen, einer sich lohnenden Vorleistung in Anbetracht der ernormen Fortschritte, die die Rechentechnik zu verzeichnen hat. In Kapitel 3 werden in Frage kommende Strukturen als Kandidaten betrach­tet. Dann werden diese auf ihre Eignung bezüglich Wirkungsgrad, Vor­ Rück-­Verhältnis, Polarisationseigenschaften, Oberächenkonformität und Herstellungsaufwand für das AVM untersucht. Als ein vielversprechender Kandidat erweist sich die Mikrostrip-­Antenne. Sie wird in Kapitel 4 the­oretisch behandelt. Es erfolgt eine Untersuchung der Auswirkungen von Geometrie-­ und Materialparametern auf die Strahlungseigenschaften. Auf die Empfindlichkeit der Strahlungscharakteristik in den Hauptebenen be­züglich der Speisestelle und der Größe des strahlenden Patchs wird in Kapitel 5 eingegangen. Dies eröffnet die Möglichkeit zu Antennenoptimierungen. Das Miniaturisierungsziel des AVM­Projekts verfolgend, wird in Kapitel 6, basierend auf der Miniloop-­Antenne die Theorie und Funktionsweise einer neuen elektrisch kleinen Antenne vorgestellt. Die gute Übereinstimmung zwischen analytischem Modell, Simulationsmodell und Messungen belegt die Funktionstüchtigkeit dieser Antenne, welche sowohl für Kommunika­ tion als auch Wake-­Up Verwendung finden kann.
The drive towards miniaturization raises the question as to which antenna(s) is/are suitable for self-sufficient distributed microelectromechanical systems having an extremely small volume. Such microsystems are envisioned for sensor networks, e.g., logistics, surveillance etc. A microsystem together with its built-in energy in keeping with the AVM vision must fit in a cube the volume of which does not exceed 1 cm³. Space being at a premium translates to limited energy capacity. The smallness of the AVM-modules and their envisioned dense deployment render replacement or replenishment of batteries an impractical and expensive proposition. For a reasonable lifetime energy economy is quintessential to system design. Besides a low-power RF-Frontend design, it is judicious for relatively long periods of inactivity to switch the Microsystems into a state of dormancy characterised zero energy consumption. For regular communication directed radiation is desirable. This aids energy economy as well as minimizes interference with co-located systems. Additionally, directional radiation confers a higher degree of security, because the signal is not sent in undesired directions. Directivity being directly proportional to the electrical size of the antenna, it seems imminently appropriate to use high frequencies. In view of the higher free space losses attendant to high frequencies, a trade-off must be made between range and gain. This work presents solutions in the shape of various slot structures and patch antennas which yield adequate directivity for the given dimensions from the point of view that for transmission as well as reception, a sufficient SNR is generated. Dealing with a dynamic network-topology, it becomes invaluably attractive to adjust the direction of radiation as a function of the instantaneous spatial orientation of communicating modules. The restricted possibilities for the adjustment of the main beam, which are due to constraints on antenna dimensions impose a trade-off for moderate gain which nevertheless permits the coverage of a larger area. Larger beamwidths confer a high degree of reliability, because AVM-modules are not guaranteed to be always coincident. Chapter 1 opens with a look at some landmarks of the history and development electromagnetic field theory focusing on wireless communications and ends with a portrayal of the AVM-scenario. Chapter 2 deals with the diskretisation and implementation of Maxwell’s equations, a worthwhile endeavour considering the enormous progress observed in computing. In chapter 3 candidate structures are considered for their suitability with regard to efficiency, front-to-back ratio, polarisation, surface conformity and ease of production. The microstrip antenna stands out as a promising candidate. The subject of chapter 4 is its underlying theory. There ensues an investigation of the dependence of key radiation properties on geometrical and material parameters. Chapter 5 treats the sensitivity of the radiation diagram in the main planes as a function of feed position and size of the radiating element. This opens the possibility for antenna optimisation. Pursuant of the miniaturization goal as enshrined in AVM vision, the theory and operation principle of a new electrically small antenna based on the miniloop is presented in chapter 6. The very good agreement between analytic model, simulation model and measurements underscores the capacity of this versatile antenna which may be used for communication as well as for wake-up.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13183
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1680
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1383
Exam Date: 2-Jun-2006
Issue Date: 23-Jun-2006
Date Available: 23-Jun-2006
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Autarke Verteilte Mikrosysteme
Elektrisch kleine Antennen
Konforme Antennen
Microstrip Miniloop Antenna
Minaturen
Autarchic Distributed Systems
Conformal antennas
Electrically small antennas
Microstrip-Miniloop Antenna
Miniatures
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