Design of an electrically small dual-band antenna and PCB for a NB-IoT industrial sensor

Abstract

With the progressive evolution of society, the services provided to consumers and companies are increasingly innovative. These aim to provide a better quality of life, solving increasingly complex problems. Thus, there is a need to develop ”intelligent” devices made up of different sensors, capable of analyzing the environment and sending this information to the cloud. In that regard, they need a connectivity solution between them and the digital world. Standardized by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and introduced in Release 13, Narrowband-IoT (NB-IoT) present a suitable technology for Internet of Things (IoT) devices that have low power consumption, low data throughput, and long-range communication requirements. In order to respect these conditions, it becomes necessary to invest in the development of devices capable of working in remote locations and harsh circumstances. The project in which this dissertation fits also counts, as a requirement, with the limitation in the device’s dimensions. This limitation directly influences the design of the device and the antenna to be integrated into it. The NB-IoT uses the B20 and B3 as operating bands whose frequencies are considerably low, around 800 MHz and 1800 MHz, respectively. In that regard, miniaturization techniques in dual-band antennas had to be applied in order to design antennas with reduced dimensions. Initially, it started with the design of the printed circuit board (PCB) using only electronic components Commercial-Off-The-Shelf (COTS), including the antenna. In the next step, an analysis of the existing antenna models in the literature was carried out to find an antenna that could be adapted to the application’s requirements. One of these model was selected, analyzed and redesigned using the Ansys High-frequency Structure Simulator (HFSS) as a simulation tool to be integrated into the second and last device developed. The device and the corresponding antenna developed outperformed the results obtained by the first COTS device and, consequently, managed to satisfy the project’s requirements. In order to improve the obtained results, corrections to be carried out in a future version were proposed, as well as new antenna topologies to be investigated.

Com a progressiva evolução da sociedade, os serviços proporcionados aos consumidores e às empresas são cada vez mais inovadores. Estes visam proporcionar uma qualidade de vida melhor, solucionando problemas cada vez mais complexos. Assim, surge a necessidade de desenvolver dispositivos ”inteligentes” constituídos por diversos sensores, capazes de analisar o meio envolvente e enviar essa informação para a cloud. Para tal, necessitam de uma solução de conectividade entre estes e o mundo digital. Padronizado pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP) e introduzido no Release 13, o Narrowband- IoT (NB-IoT) apresenta-se como uma tecnologia adequada para dispositivos Internet of Things (IoT) que possuam requisitos de baixo consumo, tráfego de dados reduzido e comunicação a longas distâncias. De forma a respeitar estas condições, torna-se necessário investir no desenvolvimento de dispositivos capazes de funcionar em localizações remotas e circunstâncias adversas. O projeto no qual esta dissertação se enquadra conta ainda, como requisito, com a limitação nas dimensões do dispositivo. Esta limitação influencia diretamente o desenho do próprio dispositivo e da antena a integrar no mesmo. O NB-IoT utiliza as bandas de operação B20 e B3 cujas frequências são consideravelmente baixas, em torno de 800 MHz e 1800 MHz, respetivamente. Deste modo, técnicas de miniaturização em antenas de dupla bandas tiveram de ser aplicadas de forma a ser possível desenhar antenas de dimensões reduzidas. Inicialmente, procedeu-se ao desenho da placa de circuito impresso (PCB) recorrendo à utilização de componentes eletrônicos Commercial-Off-The-Shelf (COTS), incluindo a antena. Numa etapa seguinte, foi realizada uma análise dos modelos existentes de antenas na literatura, de modo a encontrar uma antena que fosse possível adaptar aos requisitos da aplicação. Um desses modelos foi selecionado, analisado e redesenhado utilizando o Ansys High-frequency Structure Simulator (HFSS) como ferramenta de simulação, para ser integrado no segundo dispositivo e último a ser desenvolvido. O dispositivo e a antena desenvolvidos superaram os resultados obtidos pelo primeiro dispositivo COTS e, consequentemente, conseguiram satisfazer os requisitos do projeto. De modo a melhorar os resultados obtidos, foram propostas correções a serem realizadas numa versão futura, assim como novas topologias de antenas a ser investigadas.