Robust implantable antenna for in-body communications

A compact implantable printed meandered folded dipole antenna with a volume of 101.8 mm3 and robust performance is presented for operation in the 2.4 GHz medical ISM bands. The implant antenna is shown to maintain its return loss performance in the 2360???2400 MHz, 2400???2483.5 MHz and 2483.5???2500 MHz frequency bands, simulated in eleven different body tissue types with a broad range of electrical properties. Bandwidth and resonant frequency changes are reported for the same antenna implanted in high water content tissues such as muscle and skin as well as low water content tissues such as subcutaneous fat and bone. The antenna was also shown to maintain its return loss performance as it was moved towards a tissue boundary within a simulated phantom testbed.

Secure D2D Communication in Large-Scale Cognitive Cellular Networks: A Wireless Power Transfer Model

In this paper, we investigate secure device-to-device (D2D) communication in energy harvesting large-scale cognitive cellular networks. The energy constrained D2D transmitter harvests energy from multiantenna equipped power beacons (PBs), and communicates with the corresponding receiver using the spectrum of the primary base stations (BSs). We introduce a power transfer model and an information signal model to enable wireless energy harvesting and secure information transmission. In the power transfer model, three wireless power transfer (WPT) policies are proposed: 1) co-operative power beacons (CPB) power transfer, 2) best power beacon (BPB) power transfer, and 3) nearest power beacon (NPB) power transfer. To characterize the power transfer reliability of the proposed three policies, we derive new expressions for the exact power outage probability. Moreover, the analysis of the power outage probability is extended to the case when PBs are equipped with large antenna arrays. In the information signal model, we present a new comparative framework with two receiver selection schemes: 1) best receiver selection (BRS), where the receiver with the strongest channel is selected; and 2) nearest receiver selection (NRS), where the nearest receiver is selected. To assess the secrecy performance, we derive new analytical expressions for the secrecy outage probability and the secrecy throughput considering the two receiver selection schemes using the proposed WPT policies. We presented Monte carlo simulation results to corroborate our analysis and show: 1) secrecy performance improves with increasing densities of PBs and D2D receivers due to larger multiuser diversity gain; 2) CPB achieves better secrecy performance than BPB and NPB but consumes more power; and 3) BRS achieves better secrecy performance than NRS but demands more instantaneous feedback and overhead. A pivotal conclusion- is reached that with increasing number of antennas at PBs, NPB offers a comparable secrecy performance to that of BPB but with a lower complexity.

Passive Intermodulation in Distributed Circuits with Cascaded Discrete Nonlinearities

The principle aspects of passive intermodulation (PIM) characterisation in distributed printed circuits with cascaded lumped nonlinearities are presented. Mechanisms of PIM generations have been investigated experimentally and modelled using the formalism of X-parameters. The devised equivalent circuit models are applied to the analysis of microstrip lines with distributed and cascaded lumped sources of nonlinearity. The dynamic measurements have revealed that PIM generation rates in straight and meandered microstrip lines differ and significantly deviate from those expected for the respective discrete sources of nonlinearity. The obtained results indicate that multiple physical sources of nonlinearity contribute to PIM generation in printed circuits. Finally, it is demonstrated that the electrical discontinuities can have significant effect on the overall PIM response of the distributed passive circuits and cause PIM product leakage and parasitic coupling between isolated circuit elements.

On Passive Intermodulation Test of Analog and Digital Systems

This paper presents initial results of evaluating suitability of the conventional two-tone CW passive intermodulation (PIM) test for characterization of modulated signal distortion by passive nonlinearities in base station antennas and RF front-end. A comprehensive analysis of analog and digitally modulated waveforms in the transmission lines with weak distributed nonlinearity has been performed using the harmonic balance analysis and X-parameters in Advanced Design System (ADS) simulator. The nonlinear distortion metrics used in the conventional two-tone CW PIM test have been compared with the respective spectral metrics applied to the modulated waveforms, such as adjacent channel power ratio (ACPR) and error vector magnitude (EVM). It is shown that the results of two-tone CW PIM tests are consistent with the metrics used for assessment of signal integrity of both analog and digitally modulated waveforms.

229 GHz FSS for the MetOp Second Generation Microwave Sounder Instrument

This paper describes the design of a frequency selective surface (FSS) which provides transmission of 228 - 230 GHz radiation and rejection from 164 – 191.3 GHz with insertion losses under 0.25 dB for TE wave polarization at 45 incidence. This state-of-the art filter consists of two air spaced freestanding perforated screens, comprising unit cell elements of resonant slots folded for the purpose of miniaturisation to enhance angular stability. The reported geometry enhances the angular stability (45 ± 10) of the FSS beyond what is possible with canonical linear slots and satisfies the stringent electromagnetic performance requirements for signal demultiplexing in the quasi-optical feed train of the Microwave Sounder (MWS) instrument.

Switched Diversity Techniques for Indoor Off-body Communications Channels: An Experimental Analysis and Modeling

This paper investigates the potential improvement in signal reliability for indoor off-body communications channels operating at 5.8 GHz using switched diversity techniques. In particular we investigate the performance of switch-and-stay combining (SSC), switch-and-examine combining (SEC) and switch-and-examine combining with post-examining selection (SECps) schemes which utilize multiple spatially separated antennas at the base station. During the measurements a test subject, wearing an antenna on his chest, performed a number of walking movements towards and then away from a uniform linear array. It was found that all of the considered diversity schemes provided a worthwhile signal improvement. However, the performance of the diversity systems varied according to the switching threshold that was adopted. To model the fading envelope observed at the output of each of the combiners, we have applied diversity specific equations developed under the assumption of Nakagami-$m$ fading. As a measure of the goodness-of-fit, the Kullback-Leibler divergence between the empirical and theoretical probability density functions (PDFs) was calculated and found to be close to 0. To assist with the interpretation of the goodness-of-fit achieved in this study, the standard deviation, $\sigma$, of a zero-mean, $\sigma^2$ variance Gaussian PDF used to approximate a zero-mean, unit variance Gaussian PDF is also presented. These were generally quite close to 1 indicating that the theoretical models provided an adequate fit to the measured data.

Equivalent Circuit Model of Twisted Split Ring Frequency Selective Surfaces

This paper proposes a wideband equivalent circuit model for a twisted split ring frequency selective surface (FSS). Such surfaces can be used for modelling and design of polarisation sensitive surfaces such as circularly polarized selective surfaces as well as structures with asymmetric transmission. The proposed model is based extraction of equivalent circuit parameters from a single split ring (SRR) FSS and magnetic coupling from periodic eigenmode analysis of the coupled SRR. The resulting equivalent circuit model demonstrates excellent agreement with full-wave simulations.

Design Method for Circularly Polarized Frequency Selective Surfaces

This paper proposes a design method for the realisation of circularly polarised frequency selective surfaces (CP FSS). An equivalent circuit model for a capacitive asymmetric loop FSS is proposed. For this model a set of nonlinear design equation for CP operation is obtained. Based on space mapping of the model and full-wave simulation, a fast converging design method for CP FSS synthesis is demonstrated for the first time. 

A Fast Analysis Method for the Groove Gap Waveguide Using Transmission Line Theory

The Groove Gap Waveguide (GGW) shows a behavior similar to the classical rectangular waveguide (RWG), but it is formed by two pieces which do not require metal contact. This feature suggests the GGW as a suitable alternative to the RGW for mm-wave frequencies, where ensuring the proper metal contact according to the wavelength size results challenging. Nevertheless, there is a lack of effective analysis tools for the complex GGW topology, and assuming a direct equivalence between the RGW and the GGW is too rough, so that dilatory full-wave simulations are required. This work presents a fast analysis method based on transmission line theory, which establishes the proper correspondence between the GGW and the RWG. In addition, below cutoff behavior of the GGW is studied for the first time. Several numerical tests and two manufactured prototypes validate the proposed method, which seems very adequate to optimize future GGW structures.

IQ Imbalance in Multiuser Systems: Channel Estimation and Compensation

In this paper, we consider the uplink of a single-cell multi-user single-input multiple-output (MU-SIMO) system with in-phase and quadrature-phase imbalance (IQI). Particularly, we investigate the effect of receive (RX) IQI on the performance of MU-SIMO systems with large antenna arrays employing maximum-ratio combining (MRC) receivers. In order to study how IQI affects channel estimation, we derive a new channel estimator for the IQI-impaired model and show that the higher the value of signal-to-noise ratio (SNR) the higher the impact of IQI on the spectral efficiency (SE). Moreover, a novel pilot-based joint estimator of the augmented MIMO channel matrix and IQI coefficients is described and then, a low-complexity IQI compensation scheme is proposed which is based on the
IQI coefficients’ estimation and it is independent of the channel gain. The performance of the proposed compensation scheme is analytically evaluated by deriving a tractable approximation of the ergodic SE assuming transmission over Rayleigh fading channels with large-scale fading. Furthermore, we investigate how many MSs should be scheduled in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems with IQI and show that the highest SE loss occurs at the optimal operating point. Finally,
by deriving asymptotic power scaling laws, and proving that the SE loss due to IQI is asymptotically independent of the number of BS antennas, we show that massive MIMO is resilient to the effect of RX IQI.

A statistical framework for channel availability modelling in the polarisation domain

Cognitive radio has been proposed as a means of improving the spectrum utilisation and increasing spectrum efficiency of wireless systems. This can be achieved by allowing cognitive radio terminals to monitor their spectral environment and opportunistically access the unoccupied frequency channels. Due to the opportunistic nature of cognitive radio, the overall performance of such networks depends on the spectrum occupancy or availability patterns. Appropriate knowledge on channel availability can optimise the sensing performance in terms of spectrum and energy efficiency. This work proposes a statistical framework for the channel availability in the polarization domain. A Gaussian Normal approximation is used to model real-world occupancy data obtained through a measurement campaign in the cellular frequency bands within a realistic scenario.

Limited range coverage problems

Tal como o título indica, esta tese estuda problemas de cobertura com alcance limitado. Dado um conjunto de antenas (ou qualquer outro dispositivo sem fios capaz de receber ou transmitir sinais), o objectivo deste trabalho é calcular o alcance mínimo das antenas de modo a que estas cubram completamente um caminho entre dois pontos numa região. Um caminho que apresente estas características é um itinerário seguro. A definição de cobertura é variável e depende da aplicação a que se destina. No caso de situações críticas como o controlo de fogos ou cenários militares, a definição de cobertura recorre à utilização de mais do que uma antena para aumentar a eficácia deste tipo de vigilância. No entanto, o alcance das antenas deverá ser minimizado de modo a manter a vigilância activa o maior tempo possível. Consequentemente, esta tese está centrada na resolução deste problema de optimização e na obtenção de uma solução particular para cada caso. Embora este problema de optimização tenha sido investigado como um problema de cobertura, é possível estabelecer um paralelismo entre problemas de cobertura e problemas de iluminação e vigilância, que são habitualmente designados como problemas da Galeria de Arte. Para converter um problema de cobertura num de iluminação basta considerar um conjunto de luzes em vez de um conjunto de antenas e submetê-lo a restrições idênticas. O principal tema do conjunto de problemas da Galeria de Arte abordado nesta tese é a 1-boa iluminação. Diz-se que um objecto está 1-bem iluminado por um conjunto de luzes se o invólucro convexo destas contém o objecto, tornando assim este conceito num tipo de iluminação de qualidade. O objectivo desta parte do trabalho é então minimizar o alcance das luzes de modo a manter uma iluminação de qualidade. São também apresentadas duas variantes da 1-boa iluminação: a iluminação ortogonal e a boa !-iluminação. Esta última tem aplicações em problemas de profundidade e visualização de dados, temas que são frequentemente abordados em estatística. A resolução destes problemas usando o diagrama de Voronoi Envolvente (uma variante do diagrama de Voronoi adaptada a problemas de boa iluminação) é também proposta nesta tese.

Preparação e caracterização de materiais com constante dieléctrica colossal baseados em CCTO

A procura de materiais com elevada constante dieléctrica (E’) motivou nos últimos anos uma intensa pesquisa neste domínio. Entre as várias aplicações destes materiais destacam-se os dispositivos de memória baseados em componentes capacitivos, como as DRAM, em que o valor da constante dieléctrica estática (Es) determina o seu nível de miniaturização. Entre estes materiais, o CaCu3Ti4O12 (CCTO) tem sido apontado como sendo bastante interessante na perspectiva das aplicações tecnológicas e do ponto de vista científico. O CCTO tem a estrutura da perovsquite, apresentando valores elevados de E’ e uma grande estabilidade numa vasta gama de temperaturas (100 – 400 K) e frequências (100 Hz – 1 MHz). Contudo, as elevadas perdas dieléctricas (tan ) têm sido um entrave à sua aplicação tecnológica. Neste trabalho foram preparados materiais derivados do CCTO pelos métodos de reacção do estado sólido, sol-gel e fusão de zona com laser, com o principal objectivo de optimizar as amostras preparadas ao nível estrutural e morfológico, de modo a reduzir tan e aumentar a gama de frequências na qual se verifique E’colossal. Do ponto de vista da sua caracterização estrutural e morfológica usaram-se técnicas de difracção de raios X, microscopia electrónica de varrimento, espectroscopia de dispersão de raios X e espectroscopia de Raman. Para a caracterização eléctrica foram medidas a condutividade ac e dc, a impedância complexa e E’ em função da temperatura e frequência. As medidas dieléctricas mostraram a existência de mecanismos de relaxação, que foram ajustados usando o modelo de Cole-Cole. Discutiu-se a correlação entre os parâmetros de relaxação obtidos e os resultados estruturais das amostras. Atendendo a que o mecanismo de polarização que está na origem das propriedades incomuns do CCTO ainda permanece em discussão, foram produzidas amostras com uma grande diversidade morfológica, variando as condições de síntese. Foram ainda dopadas amostras de CCTO com os óxidos TeO2 e GeO2. Constatou-se que a resposta dieléctrica das amostras de CCTO policristalinas é muito dependente do tamanho de grão. Em regra, verificou-se o aumento de Es e a diminuição da resistência dos grãos e fronteiras de grão com o aumento do tamanho de grão.

Distributed coding for systems with cooperative diversity

O presente trabalho propõe-se a divulgar as mais significativas técnicas de esquemas cooperativos, de forma a ultrapassar alguns dos problemas dos sistemas móveis sem fios da próxima geração, estendendo a área de cobertura destes sistemas, assim como a sua capacidade e fiabilidade. O estudo de diversos esquemas cooperativos é efetuado em termos de capacidade e de taxa de erros, fazendo variar o número de relays e de antenas em cada elemento do sistema. Diversos algoritmos com aplicação em sistemas cooperativos são desenvolvidos e propostos ao longo desta tese, como códigos espaço-frequência aplicados de forma distribuída nos relays, para sistemas baseados na tecnologia OFDM e sob diversos cenários próximos da realidade. Os sistemas cooperativos são particularmente úteis em situações em que o caminho direto entre dois terminais não está acessível ou tem uma fraca qualidade de transmissão. Tendo este aspeto em consideração, e pretendendo ter a máxima eficiência espetral e máxima diversidade, um algoritmo com precodificação é também proposto para múltiplos relays, cada um equipado com uma ou duas antenas. A formulação matemática associada aos algoritmos propostos é apresentada, assim como a derivação da probabilidade de erro teórica. O desempenho dos sistemas assistidos por relays usando os algoritmos propostos é comparado em relação a outros esquemas cooperativos equivalentes e a esquemas não-cooperativos, considerando cenários com diferentes qualidades de canal, daí advindo importantes conclusões em relação a estes sistemas.

Interference cancellation for distributed wireless systems

O tema principal desta tese é o problema de cancelamento de interferência para sistemas multi-utilizador, com antenas distribuídas. Como tal, ao iniciar, uma visão geral das principais propriedades de um sistema de antenas distribuídas é apresentada. Esta descrição inclui o estudo analítico do impacto da ligação, dos utilizadores do sistema, a mais antenas distribuídas. Durante essa análise é demonstrado que a propriedade mais importante do sistema para obtenção do ganho máximo, através da ligação de mais antenas de transmissão, é a simetria espacial e que os utilizadores nas fronteiras das células são os mais bene ciados. Tais resultados são comprovados através de simulação. O problema de cancelamento de interferência multi-utilizador é considerado tanto para o caso unidimensional (i.e. sem codi cação) como para o multidimensional (i.e. com codi cação). Para o caso unidimensional um algoritmo de pré-codi cação não-linear é proposto e avaliado, tendo como objectivo a minimização da taxa de erro de bit. Tanto o caso de portadora única como o de multipla-portadora são abordados, bem como o cenário de antenas colocadas e distribuidas. É demonstrado que o esquema proposto pode ser visto como uma extensão do bem conhecido esquema de zeros forçados, cuja desempenho é provado ser um limite inferior para o esquema generalizado. O algoritmo é avaliado, para diferentes cenários, através de simulação, a qual indica desempenho perto do óptimo, com baixa complexidade. Para o caso multi-dimensional um esquema para efectuar "dirty paper coding" binário, tendo como base códigos de dupla camada é proposto. No desenvolvimento deste esquema, a compressão com perdas de informação, é considerada como um subproblema. Resultados de simulação indicam transmissão dedigna proxima do limite de Shannon.