RF transparency control of building wall structures

Abstract

This Ph.D work was aimed at studying new propagation enhancement (and reduction) techniques using Frequency Selective Surfaces (FSS) for interference mitigation and Wireless security in indoor radio environments. The concept of controlling radio frequency transparency of building wall structures was analyzed, with a focus on Southern European architecture, and it was demonstrated that some building materials exhibit a significant impact on wireless propagation. The wireless transmission properties of hollow clay brick and concrete walls, traditionally employed in European residential constructions, were measured in an anechoic chamber. The studies performed to better understand the observed penetration losses associated with such clay bricks, culminated in the proposal of an alternative brick design, yielding reduced penetration losses compared to classical ones at several frequency bands, such as the commercial WiFi band. FSS are envisaged to be deployed to either selectively confine radio propagation in indoor areas, by artificially increasing the radio transmission loss naturally caused by building walls, or to guide radio signals into other areas of interest. The development and deployment of new FSS structures was addressed through theoretical investigations as well as experimental data gathering and model validation at various frequencies,from 400MHz up to 10GHz. FSS manufacturing materials and production methods were addressed, gathering some of the most relevant solutions published by the scientific community. Several FSS designs were modeled and validated inside an anechoic chamber,including the innovative 3D mechanically tunable FSS based on a 2D canonical design. A hybrid FSS and rectenna design was also investigated for wireless power harvesting of ambient RF energy. This work culminates with analysis of the different elements required to modify the EM transparency of building wall layers: i) different methods to control the frequency selectivity are identified with a focus on FSS; ii) some proposals on the integration of FSS on current and new building structures are provided; iii) measurement results are presented regarding the penetration losses of multi-layered wall samples; and iv) a multilayer EM simulation tool, developed in Matlab, is introduced and validated against measurement results, allowing the simulation and analysis of additional, user-defined,scenarios.

O presente traballo doutoral céntrase no estudo de novas técnicas para mellorar (ou atenuar) a propagación de ondas radioeléctricas usando superficies selectivas en frecuencia(FSS das súas siglas en inglés: Frequency Selective Surfaces). Concretamente, nas súas aplicacións para mitigar interferencias e para incrementar a seguridade en redes sen fíos en contornas interiores. Analízase o concepto de control da transparencia radioeléctrica en estrutura de edificios, con especial énfase nas arquitecturas do Sur de Europa, onde se demostra que algúns materiais de construción teñen un impacto significativo na propagación sen fíos.

Así, medíronse en cámara anecoica as propiedades de transmisión a través de paredes construídas con diferentes combinacións de ladrillo alveolar e cemento, usadas tradicionalmente en construcións residenciais europeas. Este estudo, realizado para obter un mellor coñecemento das perdas de penetración asociadas con estes ladrillos de barro, remata coa proposta de deseño alternativo de ladrillo alveolar de ocos horizontais, que proporciona unha importante redución de perdas de penetración, comparada coa correspondente aos ladrillos clásicos, en varias bandas de frecuencia, especialmente nas bandas comerciais dedicadas a sistemas WiFi.

As FSS teñen aplicacións nun futuro próximo tanto para confinar selectivamente ondas radioeléctricas en áreas pechadas, mediante o incremento artificial das perdas de transmisión radioeléctrica que inducen de forma natural os elementos estructurais dos edificios, como para canalizar sinais cara a unha zona concreta de interese. Os desenvolvementos e despregamentos de deseños novidosos de FSS propostos ao longo da tese doutoral apóianse en investigacións teóricas, así como en datos experimentais obtidos nun amplo rango de frecuencias, de 400 MHz a 10 GHz, cos que se validan os modelos propostos. Ao longo do traballo de investigación consideráronse tanto os diferentes materiais de elaboración como os métodos de produción de FSS, tendo en conta as solución máis relevantes publicadas pola comunidade científica. Entre os resultados presentados están varios deseños de FSS que foron modelados e validados comparando os resultados simulados cos proporcionados en cámara anecoica polos prototipos construídos, engadindo un innovador deseño tridimensional sintonizável mecanicamente baseado un deseño canónico bidimensional. Ademais, investigouse un deseño híbrido de FSS e rectena para recolección de enerxía ambiental en radiofrecuencia.

A tese remata cunha análise dos diferentes elementos necesarios para modificar a transparencia electromagnética dos diferentes estratos ou capas que constitúen as paredes: i) identifícanse diferentes métodos para controlar a selectividade en frecuencia. ii) proporciónanse algunhas propostas de integración de FSS en estructuras constructivas actuais e novas; iii) preséntanse os resultados das medidas de perdas de penetración en mostras multi-estrato de paredes; e iv) preséntase unha ferramenta de simulación electromagnética, realizadas en Matlab, validada fronte a resultados medidos, que permiten a simulación e a análise de escenarios adicionais definidos polo usuario.

El presente trabajo doctoral se centra en el estudio de nuevas técnicas para mejorar(o atenuar) la propagación de ondas radioeléctricas usando superficies selectivas en frecuencia (FSS de sus siglas en inglés: Frequency Selective Surfaces). Concretamente, en sus aplicaciones para mitigar interferencias y para incrementar la seguridad en redes inalámbricas en entornos interiores. Se analiza el concepto de control de la transparencia radioeléctrica en estructuras de edificios, con especial énfasis en las arquitecturas del Sur de Europa, donde se demuestra que algunos materiales de construcción tienen un impacto significativo en la propagación inalámbrica. Así,se midieron en cámara anecoica las propiedades de transmisión a través de paredes construidas con diferentes combinaciones de ladrillo alveolar y cemento, usadas tradicionalmente en construcciones residenciales europeas. Este estudio, realizado para obtener un mejor conocimiento de las pérdidas de penetración asociadas con estos ladrillos de arcilla, culmina con una propuesta de diseñœo alternativo de ladrillo alveolar de huecos horizontales, que proporciona una importante reducción de pérdidas de penetración, comparada con la correspondiente a los ladrillos clásicos, en varias bandas de frecuencia, especialmente en las bandas comerciales dedicadas a sistemas WiFi. Las FSS tienen aplicaciones en un futuro próximo tanto para confinar selectivamente ondas radioeléctricas en áreas cerradas, mediante el incremento artificial de las pérdidas de transmisión radioeléctrica que inducen de forma natural los elementos estructurales de los edificios, como para canalizar señœales hacia una zona concreta de interés. Los desarrollos y despliegues de diseñœos novedosos de FSS propuestos a lo largo de la tesis doctoral se apoyan en investigaciones teóricas, así como en datos experimentales obtenidos en un amplio rango de frecuencias, de 400 MHz a 10 GHz, con los que se validan los modelos propuestos. A lo largo del trabajo de investigación se consideraron tanto los diferentes materiales de elaboración como los métodos de producción de FSS, teniendo en cuenta las soluciones más relevantes publicadas por la comunidad científica. Entre los resultados presentados están varios diseños de FSS que han sido modelados y validados comparando los resultados simulados con los proporcionados en cámara anecoica por los prototipos construidos, incluyendo un innovador diseñœo tridimensional sintonizable mecánicamente basado un diseño canónico bidimensional. Además, se investigó un diseño híbrido de FSS y rectena para recolección de energía ambiental en radiofrecuencia. La tesis culmina con un análisis de los diferentes elementos necesarios para modificar la transparencia electromagnética de los diferentes estratos o capas que constituyen las paredes: i) se identifican diferentes métodos para controlar la selectividad en frecuencia; ii) se proporcionan algunas propuestas de integración de FSS en estructuras constructivas actuales y nuevas; iii) se presentan los resultados de las medidas de pérdidas de penetración en muestras multi-estrato de paredes; y iv) se presenta una herramienta de simulación electromagnética, realizada en Matlab, validada frente a resultados medidos, que permite la simulación y el análisis de escenarios adicionales definidos por el usuario.