ESTG - Mestrado em Engenharia Eletrotécnica - Telecomunicações
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Browsing ESTG - Mestrado em Engenharia Eletrotécnica - Telecomunicações by advisor "Caldeirinha, Rafael Ferreira da Silva"
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- ELECTROMAGNETIC LOG SHIELD FOR ROADS IDE APPLICATIONPublication . Tribovane, Bruno Alves; Caldeirinha, Rafael Ferreira da SilvaIn this dissertation, a highly sustainable barrier made of circular section timber of low industrial processing, is presented. This wooden structure allows the control of electromagnetic (EM) spectrum by fine-tuning the barrier’s intrinsic parameters to shape shielding effectiveness (SE) in order to improve either EM shielding or transparency. An algorithm is developed in MATLAB to design and generate the desired structural geometry within a simulation environment (CST MW), with the implementation of surface roughness and bending on the trunks. Simulations are performed at the frequency range of 0.3 to 10 GHz with the parametrisations such as the spacing between centre of poles, radius and moisture content (MC). The proposed real scale barrier prototype is assembled in the anechoic chamber and measurements are then performed at different transmitter (TX) and receiver (RX) antenna angles with both vertical and horizontal polarisation to better understand this structure’s impact on radio propagation. From this work, it was demonstrated that the wooden barrier’s simulation and measurement results present a good agreement and how the shielding efficiency can be tailored by optimising the radius and spacing at frequencies of commercial interest.
- ELECTRONICAL LY RECONFIGURABLE FS S - INSPIRED TRANSMITARRAY FOR TWO DIMENS IONAL BEAMSTEERING FOR 5G ANDRADAR APPL ICATIONS AT 2 8 GHZPublication . Vala, Mário António Patrício Carreira; Caldeirinha, Rafael Ferreira da Silva; Reis, João Ricardo VitorinoIn this dissertation, the author’s work on a 28 GHz transmitarray capable of antenna beamsteering for various wireless applications, is presented. Such device allows for the adjustment of the radiation pattern of an antenna by changing its main lobe direction, without the need of any mechanical means. A unit-cell based on a square-slot Frequency Selective Surface (FSS) is designed, simulated and optimised through several full-wave simulations, using an electromagnetic solver (CST MWS). Subsequently, the unit-cell was extended to a 10x10 array configuration in order to enable Two-dimensional (2D) beamsteering. This work yielded the fabrication of a prototype composed of four passive transmitarray lens, which were experimentally tested and characterised. Finally, a novel unit-cell based on a double square-slot intended aiming at active beamsteering was also studied and optimised in simulation environment. From this work, it was demonstrated that transmitarray can be seen as feasible alternative to many traditional beamsteering techniques, such as phased antenna arrays, while reducing the RF burden of the overall system using only a single radiation source. This fact, allied with it’s ease of integration, reduced cost and low-profile characteristics make transmitarrays a desirable solution for 5G and RADAR applications, among others.
- FERRAMENTA DE SIMULAÇÃO DO DESEMPENHO ELECTROMAGNÉTICO DE EDIFÍCIOS USANDO BIMPublication . Louro, João Santos; Caldeirinha, Rafael Ferreira da Silva; Rodrigues, Hugo Filipe Pinheiro; Fernandes, Telmo Rui Carvalhinho CunhaEsta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta que permite a simulação de cobertura rádio nos mais diferenciados cenários, nomeadamente, perante barreiras eletromagnéticas genéricas, interior de edifícios e áreas adjacentes. A ferramenta desenvolvida, permite importar informação presente em qualquer modelo do tipo Building Information Modelling (BIM) para o ambiente de simulação elaborado em MatLab. Esta importação utiliza a biblioteca IfcOpenShell através da linguagem Python como ferramenta de conversão de informação BIM para ficheiros CSV. Cada elemento construtivo presente nos modelos BIM é simulado através do módulo de simulação de propagação em elementos multicamada, o que permite fazer uma grande aproximação ao comportamento real de elementos que apresentem este tipo de configuração. O algoritmo traçado de raios que permite a simulação de cobertura em 3D, tem como base o método das imagens para o cálculo de trajetórias. Este permite a simulação da componente direta e de reflexões de primeira, segunda e terceira ordens. De forma a validar a ferramenta de simulação foram efetuadas medições de cobertura rádio em dois cenários distintos. O cenário A é composto por duas paredes exteriores e uma laje (chão) e o cenário B é composto por uma caixa quadrangular de madeira em toda a sua constituição. A gama de frequências utilizada nesta medições está compreendida entre 680 MHz e 6 GHz, representando assim medições de banda larga. A frequência utilizada na simulação é a frequência do meio da banda, sendo o valor 3.34 GHz.
- Planeamento de redes móveis de banda larga – Caso de estudo do Campus 2 do IPLeiriaPublication . Justino, Amílcar da Silva; Caldeirinha, Rafael Ferreira da Silva; Fernandes, Telmo Rui Carvalhinho CunhaA utilização de redes sem fios tem crescido de uma forma vertiginosa, com um aumento constante de dispositivos móveis, de aplicações e de serviços. Para acompanhar este aumento de necessidades, surgem tecnologias, que visam acompanhar a exigência nos mais diversos segmentos, incluindo áreas escolares. Numa implementação de uma determinada tecnologia, ou numa melhoria de uma estrutura de rede sem fios existente, o processo de planeamento não deve ser evitado, sendo fundamental para obter uma infraestrutura com resultados satisfatórios, quer seja em termos de cobertura, de capacidade ou de custos. Para tal, é necessário o envolvimento de um ambiente virtual de simulação, isto é, a elaboração de um cenário gráfico editado que sirva como base de dados representativa e sobre as quais as simulações de propagação e de rede vão incidir. Nesta dissertação foi criada uma plataforma genérica, i.e. uma base de dados, que simula de uma forma detalhada um Campus de ensino superior. Esta plataforma genérica poderá ser utilizada para facilitar futuros planeamentos de estruturas de rede sem fios que tenham que ser implementadas nesta área escolar. Não menos importante, a plataforma criada será fundamental para o ensino das Telecomunicações na Escola Superior de Tecnologia e Gestão (ESTG) do Instituto Politécnico de Leiria, permitindo a realização de projetos de planeamento e otimização de redes sem fios, atuais e futuras, em cenários interiores e/ou exteriores, num contexto realista e com detalhe ao nível das janelas e escadas interiores, e que permitirá a aferição prática in situ. Neste sentido, foi efetuada uma “auditoria” ao planeamento da rede Wi-Fi da ESTG, atualmente em serviço, com verificação in situ, através de medições de nível de potência recebido em localizações aleatoriamente definidas, com o objetivo de identificar eventuais problemas de cobertura rádio e/ou desempenho da rede, para a utilização de equipamentos móveis.
- PROJETO DE BARREIRAS ELETROMAGNÉTICAS UTILIZANDO MADEIRAPublication . Conniott, Wilson João Anaia; Caldeirinha, Rafael Ferreira da SilvaEsta dissertação foi pensada e executada tendo como base os problemas de exposição à radiação com que todos nos deparamos nos dias de hoje. Devido ao crescente número de dispositivos móveis em todo o mundo, o ser humano está cada vez mais sujeito a esta exposição de ondas eletromagnéticas. Como tal, o trabalho desenvolvido prende-se com uma solução para este problema em novos tipo de construção à base de madeira, para desta forma se conseguir reduzir o impacto das interferências de ondas rádio nessas mesmas construções. Várias técnicas de blindagem eletromagnética foram testadas no decorrer do trabalho, desde a carbonização da própria madeira até à incorporação de outros recursos que se conseguem obter naturalmente através do mesmo, como por exemplo, pó de carvão obtido através da queima de resíduos de madeira. Este pó pode ser posteriormente aplicado sobre painéis Cross Laminated Timber (CLT) ou qualquer outro tipo de material. Durante a execução do trabalho, os testes foram muito rigorosos e distintos para cada uma das técnicas de blindagem, desde carbonização à adição de materiais com propriedades condutoras na finalização dos paíneis, de forma a não só calcular a atenuação em termos electromagnéticos, mas também de assegurar a integridade mecânica dos materiais, viso que serão usados como materiais de construção de edifícios. Esta dissertação apresenta então os resultados da investigação sobre a eficácia da blindagem eletromagnética em construções de madeira, feitas principalmente em madeira lamelada-colada (CLT), para algumas técnicas naturais, como a adição de diferentes materiais carbonizados (ou não). As medições foram feitas numa câmara anecóica, projetada em 3 GHz, para diferentes tamanhos de amostra. O resultado deste trabalho pretende contribuir para a economia circular, sendo fornecido um fator de blindagem adicional na ordem dos 12 dB, aumentando assim a aposta neste tipo de material e, como consequência, reduzir a pegada de carbono em, países desenvolvidos.
- Radiopropagação em Vegetação na Presença de Cortinas de FogoPublication . Lourenço, Alexandre José Paulo; Caldeirinha, Rafael Ferreira da Silva; Fernandes, Telmo Rui Carvalhinho Cunha; Leonor, Nuno Ricardo CordeiroEste estudo centra-se na problemática que afeta as comunicações dos sistemas de emergência rádio quando o fogo está presente. Tem como principais objetivos analisar os efeitos dinâmicos na propagação de ondas de rádio na presença de cortinas de fogo e determinar quais os fatores de propagação que afetam as comunicações quando estamos perante um cenário de incêndio. Pretende-se também aplicar um modelo numérico que caracterize a propagação na presença de plasma formado por incêndios e validar o modelo através de simulações usando o software Fire Dynamics Simulator (FDS). O FDS foi usado para conceber e simular diferentes cenários, variando os parâmetros que caracterizam a vegetação, designadamente, a composição química da espécie, o calor de combustão e a sua densidade. Parâmetros como a temperatura, densidades de gases, vapor de água e do combustível são posteriormente utilizados como entrada no modelo numérico de forma a calcular a densidade de eletrões e a frequência de colisão. Para o cálculo da densidade de eletrões foi necessário definir a percentagem dos materiais alcalinos (potássio, cálcio e magnésio) que depende da espécie de vegetação. Através dos valores da temperatura obtidos, da densidade de eletrões e da frequência de colisão, calcula-se a atenuação e o desvio de fase. Os resultados mostram que a atenuação tem uma forte dependência com a densidade de eletrões, sendo esta influenciada pelo aumento da temperatura e pela presença de elementos alcalinos na vegetação. Observa-se que o aumento da temperatura e a consequente diminuição da frequência de colisão leva a um aumento do desvio de fase. Utilizando-se um modelo de um incêndio a uma pequena escala, verificou-se que para uma temperatura de 1322 K, foi atingida uma atenuação de 4.93 dB/m. A atenuação total ao longo do percurso pode atingir os 14 dB.
- Simulation framework for multigigabit applications at 60 GHzPublication . Pires, Pedro Alexandre Seabra; Caldeirinha, Rafael Ferreira da Silva; Gomes, Rodolfo VitorinoThis dissertation describes the implementation of a OFDM-based simulation framework for multigigabit applications at 60 GHz band over indoor multipath fading channels. The main goal of the framework is to provide a modular simulation tool designed for high data rate application in order to be easily adapted to a speci c standard or technology, such as 5G. The performance of OFDM using mmWave signals is severely a ected by non-linearities of the RF front-ends. This work analyses the impact of RF impairments in an OFDM system over multipath fading channels at 60 GHz using the proposed simulation framework. The impact of those impairments is evaluated through the metrics of BER, CFR, operation range and PSNR for residential and kiosk scenarios, suggested by the standard for LOS and NLOS. The presented framework allows the employment of 16 QAM or 64 QAM modulation scheme, and the length of the cyclic pre x extension is also con gurable. In order to simulate a realistic multipath fading channel, the proposed framework allows the insertion of a channel impulse response de ned by the user. The channel estimation can be performed either using pilot subcarriers or Golay sequence as channel estimation sequences. Independently of the channel estimation technique selected, frequency domain equalization is available through ZF approach or MMSE. The simulation framework also allows channel coding techniques in order to provide a more robustness transmission and to improve the link budget.
- SMALL ANTENNAS FOR 5G AND IOTPublication . Oliveira, Tiago Emanuel da Silva; Caldeirinha, Rafael Ferreira da Silva; Reis, João Ricardo VitorinoIn this dissertation, the author’s work on small form factor antennas for 5th Generation of mobile network (5G), Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Network (WSN), is presented. After a dedicated literature review on the topic, several antennas were designed and further optimised utilising a full-wave electromagnetic solver (Computer Simulation Technology (CST)-Microwave Studio (MWS)). Three of the developed antenna designs were prototyped, tested and characterised in laboratory environment and, finally applied to a real-world scenario of a wireless sensor network. In a first iteration, a high-gain wideband parasitic microstrip antenna, for 5G and IoT applications at 26 GHz, is presented. An antenna, composed of miniaturised parasitic patches, has been studied and optimised to operate at 26 GHz, aiming at the 5G New Radio (NR) Frequency Range 2 (FR2) band n258. The proposed antenna uses eight microstrip patches as parasitic elements, in a squared layout, surrounding a central probe-fed patch. The patches operating as parasitic elements are coupled by the magnetic and electric field created by the central active patch. Subsequently, the development of directional antennas, for WSN Base Station (BS), is performed. In particular, two antenna designs have need studied: a microstrip Quasi-Yagi antenna followed by a enhanced lunar waning crescent Quasi-Yagi antenna. The latter, considered as a novel antenna design, follows the planar Quasi- Yagi concept and employs a microstrip dipole as the driven element and, waning crescent shaped reflector and directors, to manipulate the shape of the radiation pattern. The antenna is designed and optimised to operate in the 2.4 GHz ISM band, attending the ease of integration in a multi-sector BS antenna configuration. A small differential slotted microstrip patch antenna to be implemented in a sensor node operating at 2.4 GHz, is also proposed. This particular antenna design takes advantage of slotted resonant elements to reduce its overall size. In particular, specific project requirements, such as: resonating frequency, gain, Half-Power Beam-Width (HPBW) are taken into consideration when dimensioning the antenna. Further studies on the impact of vegetation and fire on the antenna performance are carried out. The simulations were performed using CST-MWS mimicking several application scenarios: involved by soil, vegetation and fire, approximating the model to a real case scenario of a wildfire. Finally, the implementation of a WSN based on WiFi protocol and using LoPy4 transceivers, is proposed. The WSN is composed of a multi-sector base station and several sensor nodes used for environmental monitoring. The antenna previously developed have been used in the BS and sensor nodes implementation. The implementation and performance assessment of such network in real scenarios is presented, and metrics such as area coverage and max range are determined in the field.
- SWEPT-TIME DELAY CROS S -CORRELATION RADAR AT 2 4 / 2 8 GHZPublication . Sardo, André Ferreira; Caldeirinha, Rafael Ferreira da SilvaRadar applications can be found today in many sectors of the industry and the number of implemented systems will keep increasing over time. Detecting and measuring the distance of an object with more accuracy and reliability becomes a complex task as possible interference sources are increasingly being deployed. Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) radars, simple and commonly used in the automotive industry, for example, suffer significantly from neighbouring FMCW radars, as they can corrupt each other’s results and produce false positives or limit their ability to detect weaker reflections. This project aims at the improvement of an existing radio channel sounder, as well as transitioning the system into a radar topology for target identification. The modular radar architecture allows the integration of different Radio Frequency (RF) stages present in the research group. The radar implements the Swept-Time Delay Cross-Correlation (STDCC) technique of Pseudo-Noise (PN) sequences, where amplitude and Doppler information can be extracted from multipath components, characterising the radio channel obstacles. The radar parameters can be easily adjusted on-the-fly to the environment being measured. A new RF front-end was developed at 28 GHz using X-MWblocks from X-Microwave, a modular designing and prototyping system for RF products. The baseband sequence generation has been implemented into an all-digital Field-Programmable Gate Array (FPGA) based system and tested in a controlled environment against a Commercial off-the-shelf (COTS) FMCW radar.