Non-linear modelling of microwave devices embedding nano-ferroelectric materials for real-time reconfigurable transmitarray

In this thesis work a nonlinear model for Interdigitated Capacitors (IDCs) based on ferroelectric materials, is proposed. Through the properties of materials such as Hafnium-Zirconium Oxide (HfZrO2), it is possible to realize tunable radiofrequency (RF) circuits. In particular, the model proposed in this thesis describes the use of an IDC, realized on a High-Resistivity silicon substrate, as a phase shifter for beam-steering applications. The model is obtained starting from already present experimental measurements, through which it is possible to identify a circuit model. The model is tested for both low power values and other power values using Harmonic Balance simulations, which show an excellent convergence of the model up to 40 dBm of input power. Furthermore, an array composed by two patches operating both at 2.55 GHz, which exploits the tunable properties of the HfZrO-based IDC is proposed. At 0dBm the model shows a 47° phase shift with polarization -1 V and 1 V which leads to a 11° steering of the main lobe of the array.

Graph-based User Scheduling for MIMO LEO-based Satellite Communication Systems

The study of the user scheduling problem in a Low Earth Orbit (LEO) Multi-User MIMO system is the objective of this thesis. With the application of cutting-edge digital beamforming algorithms, a LEO satellite with an antenna array and a large number of antenna elements can provide service to many user terminals (UTs) in full frequency reuse (FFR) schemes. Since the number of UTs on-ground are many more than the transmit antennas on the satellite, user scheduling is necessary. Scheduling can be accomplished by grouping users into different clusters: users within the same cluster are multiplexed and served together via Space Division Multiple Access (SDMA), i.e., digital beamforming or Multi-User MIMO techniques; the different clusters of users are then served on different time slots via Time Division Multiple Access (TDMA). The design of an optimal user grouping strategy is known to be an NP-complete problem which can be solved only through exhaustive search. In this thesis, we provide a graph-based user scheduling and feed space beamforming architecture for the downlink with the aim of reducing user inter-beam interference. The main idea is based on clustering users whose pairwise great-circle distance is as large as possible. First, we create a graph where the users represent the vertices, whereas an edge in the graph between 2 users exists if their great-circle distance is above a certain threshold. In the second step, we develop a low complex greedy user clustering technique and we iteratively search for the maximum clique in the graph, i.e., the largest fully connected subgraph in the graph. Finally, by using the 3 aforementioned power normalization techniques, a Minimum Mean Square Error (MMSE) beamforming matrix is deployed on a cluster basis. The suggested scheduling system is compared with a position-based scheduler, which generates a beam lattice on the ground and randomly selects one user per beam to form a cluster.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

Caratterizzazione della superficie di array di nanofili di silicio

Nel primo capitolo viene introdotto lo studio eff�ettuato e descritto un metodo di misure successivo alla caratterizzazione della super�ficie. Nel secondo capitolo vengono descritti i campioni analizzati e, nello speci�fico, la crescita attraverso MaCE dei nanofi�li di silicio. Nel terzo capitolo viene descritto lo strumento AFM utilizzato e la teoria della caratterizzazione alla base dello studio condotto. Nella quarta sezione vengono descritti i risultati ottenuti mentre nelle conclusioni viene tratto il risultato dei valori ottenuti di RMS roughness e roughness exponent.

Sea level measurement using single GNSS antenna SNR signals

This thesis presents a possible method to calculate sea level variation using geodetic-quality Global Navigate Satellite System (GNSS) receivers. Three antennas are used: two small antennas and a choke ring one, analyzing only Global Positioning System signals. The main goal of the thesis is to test a modified configuration for antenna set up. In particular, measurements obtained tilting one antenna to face the horizon are compared to measurements obtained from antennas looking upward. The location of the experiment is a coastal environment nearby the Onsala Space Observatory in Sweden. Sea level variations are obtained using periodogram analysis of the SNR signal and compared to synthetic gauge generated from two independent tide gauges. The choke ring antenna provides poor result, with an RMS around 6 cm and a correlation coefficients of 0.89. The smaller antennas provide correlation coefficients around 0.93. The antenna pointing upward present an RMS of 4.3 cm and the one pointing the horizon an RMS of 6.7 cm. Notable variation in the statistical parameters is found when modifying the length of the interval analyzed. In particular, doubts are risen on the reliability of certain scattered data. No relation is found between the accuracy of the method and weather conditions. Possible methods to enhance the available data are investigated, and correlation coefficient above 0.97 can be obtained with small antennas when sacrificing data points. Hence, the results provide evidence of the suitability of SNR signal analysis for sea level variation in coastal environment even in the case of adverse weather conditions. In particular, tilted configurations provides comparable result with upward looking geodetic antennas. A SNR signal simulator is also tested to investigate its performance and usability. Various configuration are analyzed in combination with the periodogram procedure used to calculate the height of reflectors. Consistency between the data calculated and those received is found, and the overall accuracy of the height calculation program is found to be around 5 mm for input height below 5 m. The procedure is thus found to be suitable to analyze the data provided by the GNSS antennas at Onsala.

Observability of high density tracing molecular lines in lensed galaxies with the Atacama large millimeter array

Lo scopo di questo lavoro di tesi è indagare le capacità di ALMA di osservare il continuo e le righe molecolari di emissione di HCN, HCO+ e HNC, in galassie lensate ad alto z, nelle prime fasi della loro formazione. Per farlo vengono utilizzate osservazioni ALMA di righe di emissione molecolare, relative a dati pubblici di Ciclo 0. Queste osservazioni vengono utilizzate per simulare in modo realistico l’emissione da parte di galassie ad alto z e la risposta osservativa del telescopio, assumendo diverse possibili geometrie di lensing. Inoltre le recenti osservazioni ALMA sono state utilizzate per aggiornare le relazioni già esistenti tra la luminosità FIR e la luminosità delle righe molecolari. Queste recenti osservazioni con maggiore sensibilità e risoluzione angolare, sembrano essere in buon accordo con le precedenti osservazioni. Per realizzare questo progetto di tesi, sono stati scaricati dall’archivio ALMA i dati non calibrati relativi a due sorgenti ben studiate: NGC1614, rappresentativa delle galassie di tipo starburst ed IRAS 20551-4250, un AGN oscurato. Il processo di calibrazione è stato ripetuto per esaminare le proprietà dei cubi di dati utilizzando il pacchetto Common Astronomy Software Applications (CASA). Le righe spettrali osservate e l’emissione del continuo sono state successivamente estrapolate ad alto z riscalando adeguatamente le distanze, le dimensioni delle sorgenti e le frequenze di emissione. In seguito è stato applicato un modello di lensing gravitazionale basato su quello di Lapi et al. (2012). Sono state considerate diverse configurazioni tra lente e sorgente per ottenere diverse geometrie delle immagini e diversi fattori di amplificazione. Infine stato utilizzato il software CASA per simulare le osservazioni ALMA in modo da verificare le capacità osservative del telescopio al variare della geometria del sistema. Per ogni riga molecolare e per l’emissione del continuo sono state determinate la sensibilit e la risoluzione che possono essere raggiunte con le osservazioni ALMA e sono state analizzate alcune strategie osservative per effettuare survey di righe spettrali in oggetti lensati. Inoltre stata analizzata la possibilit di caratterizzare oggetti starburst ed AGN dai rapporti tra le righe di emissione delle molecole traccianti di alta densit. Le prestazioni di ALMA consentiranno di distinguere e stimare i contributi relativi di SB ed AGN in galassie lensate a z > 2.5, quindi vicine alla loro presunta epoca di formazione (Lapi et al. 2010), in meno di 5 minuti di osservazione per qualsiasi fattore di magnificazione. Nel presente lavoro sono state inoltre discusse alcune strategie osservative per condurre survey o followup per osservare le righe di HCN(4-3), HCO+(4-3) e HNC(4-3) in galassie lensate a redshift 2.5 < z < 3, dimostrando che sono possibili per campioni statisticamente significativi in tempi relativamente brevi.

Approccio teorico e numerico per la selezione di topologie d'antenna miniaturizzate su substrati magneto-dielettrici

Lo sviluppo di soluzioni sempre più pervasive, nell’ambito delle telecomunicazioni, ha determinato una necessità crescente di avere sistemi wireless con dimensioni estremamente ridotte. Tale obiettivo deve essere raggiunto evitando di incorrere nelle problematiche in termini di prestazioni di radiazione che si presentano utilizzando antenne dalle dimensioni molto ridotte rispetto la lunghezza d'onda. Tali inefficienze finiscono poi per ripercuotersi sulle funzionalità, ma sopratutto sul consumo energetico e quindi sulla sua autonomia. Nell’ambito di questa tesi, ci si è focalizzati sui materiali e in particolare su come possono essere selezionati in base alle caratteristiche delle varie topologie di antenne, con lo scopo di massimizzare le caratteristiche prestazionali dell'elemento radiante. Sarà inoltre presentata una definizione innovativa e dedicata ai materiali magneto-dielettrici del volume di campo vicino. Si concluderà infine che, nel caso di antenne rappresentate da sorgenti equivalenti magnetiche è conveniente usare materiali magnetici, mentre con sorgenti equivalenti elettriche il solo dielettrico risulta più indicato.

RFID tag localization with virtual multi-antenna systems

In questa tesi si sono valutate le prestazioni di un sistema di localizzazione multi-antenna di tag radio frequency identification (RFID) passivi in ambiente indoor. Il sistema, composto da un reader in movimento che percorre una traiettoria nota, ha come obiettivo localizzare il tag attraverso misure di fase; più precisamente la differenza di fase tra il segnale di interrogazione, emesso dal reader, e il segnale ricevuto riflesso dal tag che è correlato alla distanza tra di essi. Dopo avere eseguito una ricerca sullo stato dell’arte di queste tecniche e aver derivato il criterio maximum likelihood (ML) del sistema si è proceduto a valutarne le prestazioni e come eventuali fattori agissero sul risultato di localizzazione attraverso simulazioni Matlab. Come ultimo passo si è proceduto a effettuare una campagna di misure, testando il sistema in un ambiente reale. Si sono confrontati i risultati di localizzazione di tutti gli algoritmi proposti quando il reader si muove su una traiettoria rettilinea e su una traiettoria angolare, cercando di capire come migliorare i risultati.

Innovative layout design and radiated harmonic analysis for advanced frequency-diverse array solutions

Wireless power transfer is becoming a crucial and demanding task in the IoT world. Despite the already known solutions exploiting a near-field powering approach, far-field WPT is definitely more challenging, and commercial applications are not available yet. This thesis proposes the recent frequency-diverse array technology as a potential candidate for realizing smart and reconfigurable far-field WPT solutions. In the first section of this work, an analysis on some FDA systems is performed, identifying the planar array with circular geometry as the most promising layout in terms of radiation properties. Then, a novel energy aware solution to handle the critical time variability of the FDA beam pattern is proposed. It consists on a time-control strategy through a triangular pulse, and it allows to achieve ad-hoc and real time WPT. Moreover, an essential frequency domain analysis of the radiating behaviour of a pulsed FDA system is presented. This study highlights the benefits of exploiting the intrinsic pulse harmonics for powering purposes, thus minimising the power loss. Later, the electromagnetic design of a radial FDA architecture is addressed. In this context, an exhaustive investigation on miniaturization techniques is carried out; the use of multiple shorting pins together with a meandered feeding network has been selected as a powerful solution to halve the original prototype dimension. Finally, accurate simulations of the designed radial FDA system are performed, and the obtained results are given.