Antenna Diversity for Electrically Small Transmitter Modules — A Real-Time Location System Perspective
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Microwave Engineering
Mcode
ELEC3051
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
92
Series
Abstract
Accurate and real-time location information is becoming increasingly important in many applications, such as improving process efficiencies and equipment utilization. However, the difficult indoor radio environments and the uncertain orientations of the target objects challenge the reliability of the positional data acquired from real-time location systems. Utilizing radiation pattern diversity in the small transmitters attached to the tracked object is a promising solution for improving system robustness as pattern diversity alleviates both of the aforementioned issues. In this thesis a systematic workflow for designing two-antenna pattern diversity systems was devised and tested for electrically small transmitters intended for a Bluetooth-based real-time location system. Additionally, key design choices were evaluated to provide guidelines for utilizing the formulated workflow. To begin, the necessary theoretical background for understanding the problems related to positioning accuracy and designing antenna diversity systems in an electrically small scale was explored. Afterwards, the design workflow and testing plan alongside with basic assumptions and evaluation criteria were defined. Finally, the design process was tested with four different ground planes and two different antenna designs according to the testing plan. All combinations were studied utilizing electromagnetic simulations and additionally a subset of the combinations was manufactured and measured. The simulation results show that the extremely diverse patterns could be achieved for all antenna and ground plane combinations and that the diverse patterns result in the predicted even average radiation pattern. These findings were validated by the measurements, although the radiation pattern results were affected by the measurement cables. These results show that the formulated design workflow can be used to synthesize radiation pattern diversity for electrically small transmitter systems with symmetric ground planes, however future work is required for precise analysis of the radiation, estimation of the effect on the location performance, and evaluation of the generality of the design method.Tarkan ja reaaliaikaisen paikkainformaation hyödyntäminen prosessien tehokkuuksien, laitteistoiden käyttöasteiden, ja turvallisuuden parantamiseen on lisääntymässä monissa käyttökohteissa. Sisätilojen haasteelliset radioympäristöt ja epävarmuus paikannettavien kohteiden asennosta kuitenkin aiheuttavat epäluotettavuutta reaaliaikaisissa paikannusjärjestelmissä. Kuviodiversiteetin hyödyntäminen paikannettavaan kohteeseen kiinnitettävään pieneen lähettimeen on houkutteleva ratkaisu paikannusjärjestelmien luotettavuuden parantamiseen, sillä se tarjoaa ratkaisun kumpaankin yllä mainittuun ongelmaan. Tässä työssä esitellään ja testataan systemaattinen suunnitteluprosessi kahden antennin kuviodiversiteetin toteuttamisille Bluetooth-pohjaiseen reaaliaikaiseen paikannusjärjestelmään tarkoitettuihin sähköisesti pieniin lähettimiin. Lisäksi työssä tarkastellaan tärkeimpien suunnitteluvalintojen vaikutusta ja esitetään löytöjen perusteella suosituksia esitetyn suunnitteluprosessin tehokkaaseen hyödyntämiseen. Ensimmäisenä tarkastellaan tarvittavaa teoreettista taustaa paikannustarkkuuteen liittyviin ongelmiin ja antennidiversiteettijärjestelmien toteuttamiseen sähköisesti pienessä mittakaavassa. Tämän jälkeen työssä määritellään ehdotettu suunnitteluprosessi, sen testaussuunnitelma, sekä arviointikriteerit ja olettamukset. Lopulta esitellään suunnitteluprosessin testaus suunnitelman mukaan neljällä maatasogeometrialla ja kahdella eri antennityypillä. Sähkömagneettisten simulaatioiden tulokset osoittavat säteilykuvioiden korrelaation olevan erittäin pieni kaikille yhdistelmille ja kuviodiversiteetin johtavan tasaisesti jakautuvaan keskimääräiseen säteilykuvioon. Valmistettujen prototyyppien mittaustulokset vahvistavat simulaatiotulokset, vaikkakin mittauskaapeleiden vaikutuksesta säteilykuviot eivät täysin vastaa simuloituja. Tämän työn tulokset todistavat ehdotetun suunnitteluprosessin olevan käyttökelpoinen kuviodiversiteetin suoraviivaiseen toteuttamiseen symmetrisillä maatasoilla varustettuihin sähköisesti pieniin lähettimiin, mutta jatkotutkimukset ovat tarpeellisia tarkan säteilysuorituskyvyn, systeemitason vaikutuksien, ja suunnitteluprosessin yleismaailmallisuuden arvioimiseksi.Description
Supervisor
Wallén, HenrikThesis advisor
Kainulainen, AnttiKeywords
antenna diversity, pattern diversity, electrically small antennas, real-time location systems, indoor positioning