Design and characterization of cavity-backed asymmetric annular ring slot antenna and UWB cavity-backed two-arm modified compound power-Archimedean slot spiral antenna for body centric wireless communications applications

Abstract

In this thesis, two types of slot antennas are studied, designed and characterized for the purpose of achieving Ultra-wideband (UWB) capabilities when in close proximity to the human body. The antennas are first designed considering free space conditions and then studied with common human body models from the literature. First an asymmetric annular ring slot antenna fed with coplanar waveguide (CPW) and with a cylindrical cavity and bottom ground plane operating at 7 GHz is designed and characterized using Design of Experiments (DOE) techniques to study the influence of the antennas dimensions with respect to bandwidth, center frequency bandwidth, and broadside gain. The proposed characterization consists of full factorial design with six center points and 10 axial runs for estimating higher order coefficients performed using ANSYS HFSS. A total of three different DOE cases are done to obtained a detailed statistical characterization with linear regression models. Different approaches to increase bandwidth on the characterized antenna are done afterwards for reaching 50 ohms impedance match from 3.1-10.6 GHz while sacrificing broadside gain performance throughout the band. A detailed design analysis and simple characterization of a compound slot spiral antenna composed of an Archimedean or Logarithmic geometry at the center and a power spiral geometry tapered at the outside is performed as the second type of slot antenna and as the preferred choice for achieving wideband characteristics. The compound slot spiral antenna was design on a Rogers RT/Duroid 5880 substrate with dielectric constant and dielectric thickness of 2.2 and 0.79 mm respectively. The antenna contains a shallow cavity located at the slot side for retrieving unidirectional radiation pattern with the purpose of minimizing interactions between antenna and human body. Resistive terminations are inserted at the open end of each spiral arm for reduction of the dispersive characteristics presented in spirals antennas as well as improve axial ratio and reflection coefficient at low frequencies when a cavity is inserted. Three different types of balun feeds are discussed and analyzed ending with the choice of a coaxial bundle feed configuration and a broadband 180° hybrid coupler. This balun avoid the use of long vertical balun and allow for easier implementation of shallow cavity. Two possible ways of implementing this type of balun in the antenna are investigated. Results from simulation and measurements from a prototype show that the antenna behavior remains stable throughout the FCC UWB band (3.1-10.6 GHz) when in close proximity to the human body. Thus, this type of antenna is a viable candidate for body centric wireless communications.

En ésta tesis, dos tipos de antenas de ranura son estudiadas, diseñadas y caracterizadas con el próposito de lograr capacidades de bandas ultra anchas cuando se encuentran en proximidad del cuerpo humano. Las antenas son diseñadas primero considerando el caso del vacio o aire y luego estudiado con un modelo comun del cuerpo humano usado en literatura. Primero una antena de ranura anular asimétrica alimentada por una guia de onda acoplada, cubierta por una cavidad y con un plano de tierra en el fondo que opera a 7 GHz, es diseñada y caracterizada usando la técnica de diseño de experimentos (DOE) con el fin de estudiar la influencia que tienen las dimensiones de la antena con respecto a ancho de banda, frecuencia central del ancho de banda y ganancia en el costado. La caracterización propuesta se realiza usando el simulador de estructuras de alta frecuencia (HFSS) de ANSYS y consiste de un diseño factorial completo con seis puntos centrales y diez corridas axiales parala estimación de coeficientes de mayor orden. Un total de tres diferentes casos de DOE son hechos para obtener una caracterización estadística con modelos de regresion lineal. Diferentes enfoques para aumentar el ancho de banda en la antena caracterizada se realizan después con el fin de alcanzar un pareo de impedancia de 50 ohmios desde 3.1 GHz hasta 10.6 GHz mientras se sacrifica el rendimiento en ganancia en el costado a lo largo de la banda. Un análisis de diseño detallado y caracterización sencilla de una antenna de ranura espiral compuesta de una geometria Arquímedes o logarítmica en el centro y una geometria espiral de potencia cónico en el exterior se realiza como el segundo tipo de antena de ranura selecionada en la tesis y como la eleción preferida para alcanzar caracteristicas de banda ancha. La antena de ranura espiral compuesta es diseñada en un substrato Rogers RT/duroid 5880 con constante dielectrica y espesor de 2.2 y 0.79 mm respectivamente. La antena contiene una cavidad de pared poco profunda situada en el lado de la ranura para obtener un patron de radiación unidireccional con el propósito de minimizar las interaciones entre la antenna y cuerpo humano. Terminaciones resistivas son añadidas en el extremo abierto de cada brazo espiral para la reducción de la caracteristica dispersiva presentadas en antenas de espiral asi como tambien mejorar la relación axial y coeficiente de reflexión a bajas frecuencias cuando una cavidad es insertada. Tres diferentes tipos de alimentación de balun son discutidos y analizados terminando con la eleción de una alimentación haz coaxial y un hibrido de 180° acoplado de banda ancha. Éste balun evita el uso de balun verticalmente largos y permite facilitar la implementación de cavidades pocos profundas. Dos maneras de implementar éste tipo de balun en la antena son investigadas. Resultados de simulaciones y medidos de un prototipo demuestran que el comportamiento de la antenna se mantiene estable a lo largo de la banda ultra ancha (3.1-10.6 GHz) de la comision federal de comunicaciones (FCC) cuando se encuentra en proximidad del cuerpo humano. Por lo tanto, éste tipo de antenna es un candidato viable para comunicaciones inalámbricas centradas en el cuerpo.