Modeling of ultra wideband antennas for wireless indoor applications.

Modeling of ultra wideband antennas for wireless indoor applications.

Author

Teirab, Abbas Abdelrahman.

Publisher

Sultan Qaboos University

Gregorian

2012

Language

English

Subject

Broadband communication systems

Wireless communication systems

Ultra-wideband devices

Antennas (Electronics)

Radio wave propagation

English abstract

Since the approval of the Federal Communications Commission (FCC) for the use of the unlicensed Ultra Wideband (UWB) spectrum (3.1–10.6 GHz) in 2002, UWB wireless systems have achieved unprecedented high data rates surpassing those of legacy short range wireless systems such as Bluetooth and Wi-Fi. There are many challenges associated in UWB antenna design. Antennas targeted for UWB applications must provide satisfactory radiation properties over UWB spectrum and simultaneously achieve good time domain performance. UWB antennas are also required to be compact and easy to fabricate in order to be suitable for consumer products. In this thesis, several antennas were modeled and simulated to understand their suitability for UWB applications. Two state of the art simulation packages namely CST Microwave Studio based on Finite Difference Time Domain (FDTD) and HFSS based on Finite Element Method (FEM) were deployed to model various antennas. Extensive studies were carried out on a particular family of UWB antennas which is the family of Printed Planar Monopole Antennas from which two antennas were successfully modeled and analyzed. The first antenna is the Coplanar waveguide (CPW) Fed Disc Monopole antenna. The design of this antenna was based on tuning its physical parameters to optimize its performance. One prototype was fabricated and there were great agreements between simulated and measured results. The fabricated antenna is compact in size (47x47 mm) and implement on a relatively cheap FR4 substrate. The antenna achieved UWB impedance matching with satisfactory radiation properties and time domain performance. The second antenna was designed based on the Genetic Algorithm by means of MATLABTM and CST Microwave Studio. The designed antenna was miniaturized to (47x47 mm) and simulated on FR4 substrate. The simulated results reveal impedance matching across the whole UWB spectrum with acceptable time domain performance.

Description

Thesis

Member of

Theses and Dissertations

Resource URL

https://hdl.handle.net/20.500.12408/3907

Arabic abstract

منذ موافقة لجنة الاتصالات الاتحادية (FCC) للاستخدام الغير مرخص لنطاق الترددات الفائقة الارتفاع (UWB) في الحزمة (3.1-10.6)جيجاهرتز في عام 2002، حققت الأجهزة اللاسلكية التي تعمل بتقنية ال (UWB)معدلات غير مسبوقة في سرعات نقل البيانات تجاوزت تلك الموجودة في النظم القديمة مثل ال (Bluetooth) و ال ( Wi Fi ) هنالك العديد من التحديات المرتبطة بتصميم الهوائيات التي تعمل في نطاق الترددات فائقة الارتفاع (UWB). اولي هذه التحديات هي مقدرة الهوائي على اصدار خصائص اشعاعية مرضية في نطاق ال (UWB) و في نفس الوقت يجب أن تكون له القدرة على تحقيق اداء جيد في نطاق الزمن ومن المتطلبات الضرورية ايضا أن يكون الهوائي صغيرا في الحجم و سهل التصنيع من أجل ليكون مناسبا للدمج مع المنتجات التجارية
في هذه الأطروحة، تم تصميم و محاكاة العديد من الهوائيات لدراسة مدى امكانية استخدامها في تطبيقات نطاق الترددات الفائقة الارتفاع (UWB). لمحاكاة العديد من الهوائيات في هذه الأطروحة: تم استخدام برنامجين متطورين و هما (CST Microwave Studio) الذي يعتمد على تقنية الفرق المحدد في نطاق الزمن (FDTD) و برنامج (HFSS) الذي يعتمد على تقنية اسلوب العنصر (FEM). المحدد القيام بدراسات مكثفة على عائلة محددة من هوائيات نطاق الترددات فائقة الأرتفاع (UWB) وهي عائلة الهوائيات المسطحة والمطبوعة أحادية القطب والتي تم بنجاح تصميم و محاكاة هوائيين ينتميان لهذه العائلة.
الهوائي الأول هو القرص أحادي القطب المغذي بالنقل احادي المستوى (CPW) والذي اعتمد تصميمه على ضبط أبعاده المجسمية لتحسين أداءه. تم بنجاح تصنيع هذا الهوائي و تحققت المطابقة بين النتائج الناتجة من محاكاة الهوائي و نتائج القياسات المعملية. يعتبر الهوائي المصنع صغيرا في الحجم بقياس (47x47) میلیمتر و تم استخدام ركيزة من مادة الى (FR4) زهيدة الثمن في تصنيعه. حقق هذا الهوائي نتائج جيدة بالنسبة الى تطابق المقاومة مع نتائج مرضية بالنسبة الى الخصائص الأشعاعية و نطاق الزمن.
تم تصميم الهوائي الثاني باستخدام أسلوب الخوارزمية الوراثية وذلك باستخدام برنامجي ال (MATLAB) و (CST Microwave Studio). تم تصميم الهوائي ليكون صغيرا في الحجم بقياس (47x47) میلیمتر و تم استخدام ركيزة من مادة ال (FR4) في تصميمه. تشير نتائج المحاكاة الى تطابق المقاومة في نطاق الترددات فائقة الارتفاع (UWB) مع نتائج مرضية بالنسبة إلى نطاق الزمن.