Diseño de sistemas inalámbricos basados en técnicas avanzadas de posicionamientoaplicaciones rfid y caracterización electromagnética con sistemas portátiles manejados manualmente./ design of wireless systems exploting advanced positioning techniques: rfid applications and freehand electromagnetic characterization

Resumen

Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de sistemas de seguimiento y posicionamiento avanzados basados en el uso de señales electromagnéticas emitidas por sensores o dispositivos de propósito general, así como en el desarrollo de aplicaciones electromagnéticas avanzadas apoyadas en dichos sistemas de posicionamiento. En concreto, en la primera parte de esta Tesis se explota la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID) para el desarrollo de sistemas que permiten estimar la posición y orientación de objetos equipados con etiquetas RFID, así como de realizar su seguimiento. Por otro lado, en la segunda parte de la Tesis se emplean sistemas de posicionamiento externo como base para el desarrollo de sistemas versátiles para aplicaciones de inspección no destructiva y caracterización de antenas. En consecuencia, la Tesis Doctoral se ha estructurado en tres capítulos principales, además de un primer capítulo en el que se revisa el estado del arte y de un capítulo final que recoge las conclusiones y las líneas futuras de trabajo. De este modo, el segundo de los capítulos está dedicado al desarrollo de dos sistemas que hacen uso de la tecnología RFID para la automatización de procesos logísticos. El primero de dichos sistemas permite la estimación de la orientación de mercancías empleando una agrupación de etiquetas RFID pasivas. El segundo de los sistemas proporciona una solución económica, cuyo despliegue es rápido y sencillo, para monitorizar el tránsito de mercancías en puntos de control. En concreto, este sistema utiliza un conjunto de etiquetas RFID pasivas, dispuestas en forma de rejilla sobre el suelo del punto de control a monitorizar, y una única antena conectada a un lector RFID. El siguiente capítulo recoge el desarrollo de un sistema manual para la generación de imagen electromagnética de interés en el ámbito de la inspección no destructiva y en aplicaciones de seguridad. Dicho sistema se basa en el uso de un módulo de radar integrado en un chip que se desplaza de forma manual describiendo una trayectoria arbitraria sobre la zona bajo investigación. Además, la posición y orientación del módulo radar es monitorizada a lo largo de su trayectoria de manera que las señales radar adquiridas son combinadas de forma coherente mediante técnicas de radar de apertura sintética (SAR), lo que permite generar imágenes de alta resolución en tiempo real. En concreto, el sistema propuesto fue validado en primer lugar usando una configuración quasi-monoestática y, posteriormente, su funcionamiento fue evaluado empleando una arquitectura Multiple-Input Multiple-Output (MIMO). Asimismo, se ha desarrollado de forma satisfactoria un método de calibración que permite reducir los errores de posicionamiento. Finalmente, el cuarto capítulo resume el desarrollo de un sistema manual para el diagnóstico y caracterización de antenas. El sistema se basa en la adquisición de medidas del campo radiado por la antena bajo medida (AUT) empleando una antena sonda que se desplaza de forma manual frente a la apertura de la misma. De forma análoga al sistema de generación de imagen electromagnética, se realiza un seguimiento de la posición y orientación de la antena sonda, de manera que es posible combinar las distintas medidas de campo radiado para calcular una distribución de corrientes equivalentes en la apertura de la antena bajo medida y, en última instancia, determinar su diagrama de radiación en campo lejano. En primer lugar, el sistema propuesto fue implementado considerando la adquisición tanto de la amplitud como de la fase del campo radiado por la AUT y, posteriormente, empleando únicamente información de amplitud. El sistema desarrollado es de gran interés en distintas aplicaciones como para la caracterización rápida de antenas en condiciones de laboratorio o para la medida de antenas ya desplegadas y en condiciones operativas o de antenas embarcadas. Asimismo, cabe destacar que el sistema propuesto se ha validado en un rango de frecuencias notablemente amplio, desde banda X hasta frecuencias submilimétricas, lo que le confiere una gran versatilidad y constituye una característica muy ventajosa del mismo, especialmente en el contexto actual, en el que se está desarrollando un gran número de aplicaciones que hacen uso de estas bandas de frecuencia (como por ejemplo para comunicaciones de alta capacidad). This dissertation focuses on the development of advanced positioning and tracking systems using electromagnetic signals emitted by sensors or general purpose devices, as well as on the design of systems for advanced electromagnetic applications built on positioning systems. In particular, under the common nexus of positioning techniques, the first part of this thesis leverages Radio Frequency IDentification (RFID) technology for the localization, attitude determination and tracking of tagged objects. On the other hand, the second part of this dissertation exploits state-of-the-art external positioning systems to develop flexible measurement systems for Non-Destructive Evaluation (NDE) and antenna characterization. In addition to the first chapter describing the state of the art and the last chapter, where the conclusions and the future lines of work are drawn, the dissertation is structured in three main chapters. Thus, the second chapter is devoted to the development of two advanced RFID systems aiming to optimize the automation of logistic processes. The first system was designed for the estimation of the attitude of tagged goods using an array of passive RFID tags. The second system provides a cost-effective and easy-to-deploy solution to monitor the transit of goods at checkpoints. In particular, this system employs a reference grid of RFID tags deployed on the floor of the checkpoint being controlled and a single antenna connected to a RFID reader. The next chapter is devoted to the development of a handheld imaging system, which can be of great interest for security and NDE applications. This system is based on freely moving a compact radar-on-chip module over the inspected area, while its position and attitude are being tracked. This allows to coherently combine the acquired measurements using Synthetic Aperture Radar (SAR) techniques, yielding real-time, high-resolution images. Specifically, the proposed system was first evaluated using a quasi-monostatic approach and, afterwards, its performance was assessed considering a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) configuration. In addition, a calibration method to reduce positioning errors has been successfully tested. Finally, the fourth chapter summarizes the design and development of a handheld antenna diagnosis and characterization system. It is based on acquiring samples of the field radiated by the Antenna Under Test (AUT) by moving a handheld probe antenna in front of its aperture. The position and attitude of the probe antenna is tracked so that the acquired field samples can be combined to compute an equivalent currents distribution on the AUT aperture and, ultimately, to retrieve its Far-Field (FF) radiation pattern. First, the proposed system was implemented considering both amplitude and phase measurements and, afterwards, employing amplitude-only acquisitions. The system is of great interest in different applications such as the quick performance evaluation of antennas in laboratory conditions, or the characterization of already deployed antennas and on-board antennas. In particular, the wide operational frequency range of the proposed system, validated from X band to sub-mmWave frequencies, is a significant advantage as there is a growing number of applications (for example for high-capacity communications) exploiting these bands.