Rf transparency control of building wall structures

Resumo

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 diseño 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 señales hacia una zona concreta de interés. Los desarrollos y despliegues de diseños 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 diseño 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.