Desarrollo y caracterización de arreglos de tres antenas para redes de sensores en la banda de 2.4 GHz

Las redes inalámbricas de sensores (WSN) debido a sus características de bajo costo y consumo de energía reducido, se han utilizado de manera frecuente para afrontar las deficiencias en la calidad de un enlace como resultado de la falta de visibilidad directa entre nodos, los efectos multitrayectori...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Mario Jaime Rosas Fregozo
Tipo de recurso: tesis de maestría
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2015
País:México
Institución:Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada
Repositorio:Repositorio Institucional CICESE
Idioma:español
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description Las redes inalámbricas de sensores (WSN) debido a sus características de bajo costo y consumo de energía reducido, se han utilizado de manera frecuente para afrontar las deficiencias en la calidad de un enlace como resultado de la falta de visibilidad directa entre nodos, los efectos multitrayectoria, las características de radiación y posición de la antena, entre otros. El empleo de antenas inteligentes ha probado solucionar de manera eficiente algunos de los problemas antes mencionados. Sin embargo no ha sido sino hasta años recientes, que se ha explorado su aplicación en las redes inalámbricas de sensores.  En este trabajo de tesis se presenta el diseño, construcción y caracterización de arreglos de tres antenas que operan en la banda ISM de 2.4 GHz. Se propone una metodología de diseño de arreglos de tres antenas orientadas con diferente polarización y conectadas a un micro-seleccionador, el cual permite elegir la mejor antena a utilizar en enlaces de redes de sensores. Antes de desarrollar los arreglos se diseñaron las antenas individuales empleando técnicas para reducir al mínimo el tamaño de estas antenas. Se utilizó la tecnología de guía de  onda coplanar con plano de tierra adicional y orificios metalizados, para diseñar la línea de alimentación de los arreglos y de las bases de las antenas individuales. Los arreglos de las antenas diseñadas se optimizan haciendo un análisis electromagnético de las estructuras y se construyen sobre substratos dieléctricos tipo FR-4 con 1.6 mm de espesor. Se obtienen resultados experimentales de la medición de los parámetros de las antenas en el laboratorio. Las antenas muestran un tamaño reducido y un buen comportamiento en términos de impedancia, patrón de radiación, ganancia y polarización en la banda de frecuencias ISM en 2.4 GHz. Se presentan resultados de  mediciones de campo, al acoplar los arreglos construidos con dispositivos de redes de sensores, teniendo como parámetro de medición el indicador de potencia de la señal recibida (RSSI). Las mediciones se realizan en distintos escenarios para evaluar el funcionamiento de los arreglos, al observar la variación del RSSI dependiendo del ángulo de orientación de una antena de referencia, además de observar los efectos en este parámetro al colocar obstáculos en el enlace de comunicación. En base en los resultados obtenidos en este trabajo y mediante un esquema de selección dinámica, es posible elegir la antena a utilizar para realizar el enlace en caso de que cambien adversamente las condiciones del canal.
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Sin embargo no ha sido sino hasta años recientes, que se ha explorado su aplicación en las redes inalámbricas de sensores.  En este trabajo de tesis se presenta el diseño, construcción y caracterización de arreglos de tres antenas que operan en la banda ISM de 2.4 GHz. Se propone una metodología de diseño de arreglos de tres antenas orientadas con diferente polarización y conectadas a un micro-seleccionador, el cual permite elegir la mejor antena a utilizar en enlaces de redes de sensores. Antes de desarrollar los arreglos se diseñaron las antenas individuales empleando técnicas para reducir al mínimo el tamaño de estas antenas. Se utilizó la tecnología de guía de  onda coplanar con plano de tierra adicional y orificios metalizados, para diseñar la línea de alimentación de los arreglos y de las bases de las antenas individuales. Los arreglos de las antenas diseñadas se optimizan haciendo un análisis electromagnético de las estructuras y se construyen sobre substratos dieléctricos tipo FR-4 con 1.6 mm de espesor. Se obtienen resultados experimentales de la medición de los parámetros de las antenas en el laboratorio. Las antenas muestran un tamaño reducido y un buen comportamiento en términos de impedancia, patrón de radiación, ganancia y polarización en la banda de frecuencias ISM en 2.4 GHz. Se presentan resultados de  mediciones de campo, al acoplar los arreglos construidos con dispositivos de redes de sensores, teniendo como parámetro de medición el indicador de potencia de la señal recibida (RSSI). Las mediciones se realizan en distintos escenarios para evaluar el funcionamiento de los arreglos, al observar la variación del RSSI dependiendo del ángulo de orientación de una antena de referencia, además de observar los efectos en este parámetro al colocar obstáculos en el enlace de comunicación. En base en los resultados obtenidos en este trabajo y mediante un esquema de selección dinámica, es posible elegir la antena a utilizar para realizar el enlace en caso de que cambien adversamente las condiciones del canal.Wireless sensor networks (WSN) due to its characteristics of low cost and low energy consumption have been used frequently to address deficiencies in the quality of a link as a result of the lack of direct visibility between nodes, the effects multipath, radiation characteristics and the position of the antenna, among others. The use of smart antennas has been tested efficiently to address some of these problems. However until recent years have been explored its application in wireless sensor networks.  In this thesis, the design, construction and characterization of arrays of three antennas operating in the 2.4 GHz ISM band is presented. A design methodology is proposed for arrays of three antennas with different polarization, connected using a micro-switch, which allows to choose the best antenna to be used in sensor network links. Before the development of antenna arrays, individual antennas were designed using techniques to minimize its size. Coplanar waveguide technology with additional ground plane and viaholes, was used to design the arrays feed line and bases of individual antennas. The designed antenna arrays were optimized using electromagnetic analysis and built on dielectric substrates type FR-4 with 1.6 mm thickness. Experimental results of the laboratory measurement of the antenna parameters are presented. The antennas show a reduced size and a good performance in terms of impedance, radiation pattern, gain and polarization in the frequency of 2.4 GHz ISM band. Results of measurements in field are presented, were antenna arrays built was coupled with sensor networks devices, and taking the received signal strength indicator (RSSI) as a measuring parameter. Measurements are performed in different scenarios to assess the functioning of the arrangements, and observing the RSSI variation, depending of the orientation angle of a reference antenna, as well as observing the effects on this parameter by placing obstacles in the communication link. Based on the results obtained in this work and by the use of a dynamic selection scheme, it can be possible to select the antenna to be used for the link if channel conditions adversely change.CICESEJosé Luis Medina MonroySALVADOR VILLARREAL REYES2015info:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/262reponame:Repositorio Institucional CICESEinstname:Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenadainstacron:CICESEspacitation:Rosas Fregozo, M. J.2015.Desarrollo y caracterización de arreglos de tres antenas para redes de sensores en la banda de 2.4 GHz. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 131 pp.info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0oai:cicese.repositorioinstitucional.mx:1007/2622024-08-28T03:49:40Z
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