Interferometric technique for measuring terahertz antenna phase patterns

A quasi-optical interferometric technique capable of measuring antenna phase patterns without the need for a heterodyne receiver is presented. It is particularly suited to the characterization of terahertz antennas feeding power detectors or mixers employing quasi-optical local oscillator injection. Examples of recorded antenna phase patterns at frequencies of 1.4 and 2.5 THz using homodyne detectors are presented. To our knowledge, these are the highest frequency antenna phase patterns ever recovered. Knowledge of both the amplitude and phase patterns in the far field enable a Gauss-Hermite or Gauss-Laguerre beam-mode analysis to be carried out for the antenna, of importance in performance optimization calculations, such as antenna gain and beam efficiency parameters at the design and prototype stage of antenna development. A full description of the beam would also be required if the antenna is to be used to feed a quasi-optical system in the near-field to far-field transition region. This situation could often arise when the device is fitted directly at the back of telescopes in flying observatories. A further benefit of the proposed technique is simplicity for characterizing systems in situ, an advantage of considerable importance as in many situations, the components may not be removable for further characterization once assembled. The proposed methodology is generic and should be useful across the wider sensing community, e.g., in single detector acoustic imaging or in adaptive imaging array applications. Furthermore, it is applicable across other frequencies of the EM spectrum, provided adequate spatial and temporal phase stability of the source can be maintained throughout the measurement process. Phase information retrieval is also of importance to emergent research areas, such as band-gap structure characterization, meta-materials research, electromagnetic cloaking, slow light, super-lens design as well as near-field and virtual imaging applications.

Comparing detection and location performance of perpendicular and parallel broadside GPR antenna orientations

GPR (Ground Penetrating Radar) results are shown for perpendicular broadside and parallel broadside antenna orientations. Performance in detection and localization of concrete tubes and steel tanks is compared as a function of acquisition configuration. The comparison is done using 100 MHz and 200 MHz center frequency antennas. All tubes and tanks are buried at the geophysical test site of IAG/USP in Sao Paulo city, Brazil. The results show that the long steel pipe with a 38-mm diameter was well detected with the perpendicular broadside configuration. The concrete tubes were better detected with the parallel broadside configuration, clearly showing hyperbolic diffraction events from all targets up to 2-m depth. Steel tanks were detected with the two configurations. However, the parallel broadside configuration was generated to a much lesser extent an apparent hyperbolic reflection corresponding to constructive interference of diffraction hyperbolas of adjacent targets placed at the same depth. Vertical concrete tubes and steel tanks were better contained with parallel broadside antennas, where the apexes of the diffraction hyperbolas better corresponded to the horizontal location of the buried target disposition. The two configurations provide details about buried targets emphasizing how GPR multi-component configurations have the potential to improve the subsurface image quality as well as to discriminate different buried targets. It is judged that they hold some applicability in geotechnical and geoscientific studies. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Parametric study of retangular patch antenna using denim textile material

—This paper presents a textile patch antenna designed for WBAN applications at 2.45 GHz ISM band. The antenna uses denim as substrate and conductive fabric for the ground plane and radiator layers. The main purpose of this paper is to analyze the influence of typical deviation of denim properties and patch radiator dimensions on the performance of the antenna. The parameters considered in the analysis are the relative permittivity and thickness of denim and the width and length of the rectangular patch radiator. The dependence of the central operation frequency of the antenna on those parameters was studied using the antenna reflection coefficient obtained from EM simulations. Rules of thumb for one-shot design were derived and applied to design a rectangular patch antenna. An antenna prototype was fabricated and measured, demonstrating a 10 dB impedance band of 4.8 % centered at 2.45 GHz, in good agreement with simulated results

A complete CMOS UWB timed-array transmitter with a 3D Vivaldi antenna array for electronic high-resolution beam spatial scanning

We present a new Ultra Wide Band (UWB) Timed- Array Transmitter System with Beamforming capability for high-resolution remote acquisition of vital signals. The system consists of four identical channels, where each is formed of a serial topology with three modules: programmable delay circuit (PDC or τ), a novel UWB 5th Gaussian Derivative order pulse generator circuit (PG), and a planar Vivaldi antenna. The circuit was designed using 0.18μm CMOS standard process and the planar antenna array was designed with filmconductor on Rogers RO3206 substrate. Spice simulations results showed the pulse generation with 104 mVpp amplitude and 500 ps width. The power consumption is 543 μW, and energy consumption 0.27 pJ per pulse using a 2V power supply at a pulse repetition rate (PRR) of 100 MHz. Electromagnetic simulations results, using CST Microwave (MW) Studio 2011, showed the main lobe radiation with a gain maximum of 13.2 dB, 35.5º x 36.7º angular width, and a beam steering between 17º and -11º for azimuthal (θ) angles and 17º and -18º for elevation (φ) angles at the center frequency of 6 GHz

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.

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.

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.