Abstract In this dissertation, the operation of planar impulse radio (IR) ultra wideband (UWB) antennas is examined for use in wireless body area networks (WBANs). The objective of the thesis is to consider electromagnetic phenomena due to coupling between an antenna and human body tissues and to analyse the challenges of wideband radiators. The aim is to understand the fundamental behaviour of an antenna in a WBAN, focusing on off-body and on-body communications. The thesis premises follow the international WBAN standard 802.15.6-2012 by the Institute of Electrical and Electronics Engineering (IEEE) and the Federal Communications Commission’s (FCC) UWB regulations (3.1–10.6 GHz). In the examinations, the frequency-dependent modelling of human tissues is considered. The impact of the variation of tissue layer thickness on the performance of an antenna is depicted. The demonstration of the impact of antenna input power is given in terms of generation of heat in tissues and specific absorption rate (SAR). In order to theoretically contemplate the effect of reflections due to tissues on antenna patterns, the opportunities to influence polarization with an artificially anisotropic substrate are derived. With the proposed method, not earlier proposed for WBAN antennas, the smooth patterns without pattern minima can be achieved over the FCC UWB bandwidth. In addition, a theoretical two-path model is applied to the estimation of the antenna pattern shape close to tissues. Various antenna parameters are explored as a function of the use distance to tissue surface to demonstrate the behaviour in the vicinity of a body. The size of the reactive near-field is an important factor for the evaluation of satisfactory on-body performance. The proportions of absorption, mismatch and body losses are analysed close to a body. The connection between the complex input impedance and the dimensions of planar antennas is analysed by using lumped-element equivalent circuits. The impact of the actual width and length of the radiator on the impedance behaviour is presented for the first time. In addition, impedance is analysed in terms of capacitance, inductance and resistance within the reactive near-field for the first time. In order to understand the impact of tissues close to the antenna, the parasitic components for the stages in equivalents are proposed. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tarkastellaan laajakaistaisten impulssiradioantennien (IR-UWB) toimintaa langattomissa kehoverkoissa (WBAN). Työn tavoitteena on tarkastella antennin ja ihmiskudoksen kytkeytymisestä johtuvia sähkömagneettisia ilmiöitä ja analysoida laajakaistaisen säteilijän haasteet. Päämääränä on ymmärtää antennin suorituskyky kontekstissa ja kohdeympäristöksi on fokusoitu toiminta kehon pinnalla (on-body) ja keholta poispäin seuraavaan liityntäpisteeseen (off-body). Tutkimustyö pohjautuu IEEE802.15.6-2012-standardiin sekä FCC:n UWB -säännöksiin. Väitöstyössä tarkastellaan taajuusriippuvan ihmiskudoksen mallintamista. Ihmiskudoskerrosten paksuuden vaikutusta antennin suorituskykyyn tutkitaan simuloimalla. Lisäksi tarkastellaan antennin syöttötehon vaikutusta kudoksen lämpiämisen ja tehon absorboitumisen näkökulmasta. Kehon aiheuttamien heijastusten vaikutusta säteilykuvioihin tarkastellaan teoreettisesti ja lisäksi esitetään menetelmä vaikuttaa antennin summapolarisaation kautta säteilykuvion muotoon keinotekoisella epäisotrooppisella substraatilla. Ehdotetulla menetelmällä, mitä ei ole aiemmin kirjallisuudessa esitetty kehoantenneille, voidaan minimoida nollakohtia ja saavuttaa tasainen säteilykuvio FCC UWB -taajuuskaistan yli. Kaksitie-mallia sovelletaan säteilykuvion muodon ennustamiseen kehon läheisyydessä. Useita antenniparametreja havainnollistetaan antennin käyttöetäisyyden funktiona ihmiskudoksesta. Antennin reaktiivisen lähikentän koko on tärkeä tekijä kehoantennille riittävän suorituskyvyn saavuttamiseksi. Absorptio-, epäsovitus- ja kehohäviöiden osuudet edelleen eritellään ja analysoidaan työssä. Työssä tutkitaan kompleksisen syöttöimpedanssin ja antennin fyysisten mittojen yhteyttä hyödyntämällä erilliskomponenteilla muodostettuja vastinpiirejä. Ensimmäistä kertaa antennin käytännön leveyden ja pituuden muutos esitetään suhteessa impedanssikäyttäytymiseen. Impedanssin muutos analysoidaan kapasitanssin, induktanssin ja resistanssin funktiona antennin reaktiivisen lähikentän alueella. Jotta kudoksen vaikutus antennin läheisyydessä voitaan ottaa suunnittelussa huomioon, työssä esitetään tarvittavat parasiittiset komponentit vastinkytkentöjen sarja- ja rinnanasteisiin.

Abstract The past two decades have witnessed an unprecedented proliferation of mobile devices equipped with extremely innovative wireless technologies. Short range networks, such as wireless personal area networks (WPANs), wireless sensor networks (WSNs) and wireless body area networks (WBANs) have been defined and researched to deliver high speed home connectivity, environment and health monitoring. This thesis tackles design, analysis and simulation of medium access control (MAC) protocols tailored for short range networks. These have in common the use of battery operated devices but also certain design challenges connected with MAC protocols are common upon selecting the physical layer technology. Ultra wideband (UWB) technology and 60 GHz technology (which is referred to also as millimeter wave communications) are two valid examples of the wireless revolution of the past decade. Several existing standards, such as IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 and its amendment IEEE 802.15.4a, are considered in this thesis for MAC analysis in conjunction with UWB technology. With regard to millimeter wave communications the characteristics of the IEEE 802.15.3c standard are taken into account. Apart for the IEEE 802.15.3c all the MAC protocols have been modeled in the network simulator Opnet. One contribution of this thesis is to produce an innovative and in-depth analysis of the management aspects (e.g. ECMA-368 distributed beaconing) stemming from the above mentioned standards by means of analytical and simulation models. This study approach allows selecting the MAC features suitable for the applications and the technologies of interest. The key performance metric used to analyze all the protocols is energy efficiency, but also throughput is investigated. Another contribution brought by this thesis consists in the innovative way of studying slotted-based MAC protocols as an integrated concept connected with the type of network, the type of application and the selected physical technologies. This thesis also shows MAC performance in conjunction with UWB when false alarm, miss-detection and receiver capture (capture is modeled by means of an existing interference model) are taken into consideration. Most of the unrealistic, though common, assumptions in MAC analysis are removed and the performance of selected medical applications is evaluated through Opnet simulations. The well known binary exponential backoff is analyzed with an innovative though simplified one-dimensional Markov chain approach in the context of directional MAC for 60 GHz communications. As shown in the remainder of this thesis, the simplification introduced does not hinder the accuracy of the results, but rather allows accounting even for a finite number of retransmissions with a simple chain extension. / Tiivistelmä Kahden viime vuosikymmenen aikana innovatiivisella langattomalla tekniikalla varustettujen viestintälaiteiden määrä on kasvanut räjähdysmäisesti. Lyhyen kantaman verkkoja kuten langattomia henkilökohtaisen alueen verkkoja (WPAN), langattomia anturiverkkoja (WSN) ja langattomia vartaloalueen verkkoja (WBAN) on määritelty ja tutkittu, jotta voitaisiin tuottaa korkeanopeuksisia kotiyhteyksiä sekä välineitä ympäristön ja terveydentilan seurantaan. Tämä väitöskirja käsittelee lyhyen kantaman viestintään suunniteltujen linkinohjauskerroksen MAC-protokollien suunnittelua, analysointia ja simulointia. Näissä kaikissa käytetään akkukäyttöisiä laitteita, mutta myös tietyt MAC-protokollien suunnittelun haasteet ovat tavallisia fyysisen kerroksen teknologiaa valittaessa. Ultra-laajakaistainen (UWB) teknologia ja 60 GHz teknologia (eli millimetriaallonpituusalueen tietoliikenne) ovat hyviä esimerkkejä kuluneen vuosikymmenen langattomasta vallankumouksesta. Tässä väitöskirjassa huomioidaan UWB teknologiaan liittyvää MAC-kerroksen analyysiä tehtäessä useat olemassa olevat standardit, kuten IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 ja sen lisäys IEEE 802.15.4a. Millimetriaallonpituusalueen tietoliikenteessä huomioidaan myös IEEE 802.15.3c standardin erityispiirteet. IEEE 802.15.3c:tä lukuun ottamatta kaikki MAC-protokollat on mallinnettu Opnet verkkosimulaattorilla. Tämä tutkimus tarjoaa innovatiivisen ja syväluotaavan tutkimuksen näiden standardien pohjalta ja analyyttisten ja simuloitujen mallien avulla kehitetyistä hallinnallisista lähestymistavoista (esim. ECMA-368 hajautettu majakkasignaali). Näiden avulla voidaan valita kohteena oleviin sovelluksiin ja teknologioihin parhaiten soveltuvia MAC-ominaisuuksia. Kaikkien protokollien analysointiin käytetty ensisijainen suorituskykymittari on energiatehokkuus, mutta myös datanopeuksia on tarkasteltu. Tässä tutkimuksessa esitellään myös innovatiivinen tapa tutkia MAC protokollia integroituina konsepteina suhteessa verkon ja sovellusten tyyppiin sekä fyysisen kerroksen teknologiaan. Lisäksi tämä väitöskirja esittelee MAC suorituskykyä UWB verkossa silloin, kun siinä otetaan huomioon väärät hälytykset, väärä havainnointi ja vastaanottimen signaalinkaappaus (vastaanoton mallintamiseksi käytetään olemassa olevaa interferenssimallia). MAC analyysistä poistetaan useimmat epärealistiset, vaikkakin tavalliset, olettamukset, ja verkkojen suorituskykyä tarkastellaan valittujen kriittisten parametrien monitoroinnissa Opnet-simulaatioiden avulla. Tunnettua binäärijakoinen eksponentiaalinen perääntyminen -algoritmia analysoidaan innovatiivisella, yksinkertaistetulla yksiulotteisella Markov-ketju -mallilla 60 GHz:n suunta-antenni MAC:n yhteydessä. Kuten tässä tutkimuksessa tullaan osoittamaan, esitelty yksinkertaistus ei rajoita tulosten tarkkuutta, vaan mukaan voidaan lukea jopa rajallinen määrä uudelleenlähetyksiä yksinkertaisen Markovin ketjun laajennuksen avulla.

Abstract This dissertation presents wideband and multi-element antennas for mobile applications. It is divided into the following main parts: modal theory, wideband antennas, multi-element antennas, and wideband multi-element antennas. The radiating fields are first studied in terms of spherical scalar and vector modes, and it is shown how these modes correlate with the characteristic current modes on a planar mobile ground plane. The theory part shows how it is possible to excite the same modes on a conventional sphere and a rectangular planar mobile ground plane. The theory refers to the novel wideband antenna structures presented in this dissertation, in terms of current and radiating modes. After studying the modes, the dissertation shows how to excite a radiating antenna mode within a wide frequency bandwidth. To gain this, two main approaches are taken. First, a quasi-complementary antenna (QCA) structure with an electric conductor and magnetic slot is presented, and its characteristics are studied. A QCA UWB antenna, and a QCA element excited with a monopole or a dipole, is presented. The QCA structure compensates for the imaginary part of the input impedance on wide frequency bandwidth, when, at the same time, the fundamental mode is excited to ensure good radiating properties. The second approach uses a symmetrical feeding with two antenna elements to gain a wide frequency bandwidth, the relative -6 dB impedance bandwidth between 37.5–80%. When a field is symmetrically coupled to the conducting ground plane, the excitation avoids the awakening of higher order modes which might disturb the performance of the antenna. It is also shown, by using multiple feeding elements, that the excitation of orthogonal higher order modes on a small radiating ground plane is possible. As the modes are orthogonal to each other, they present a very low correlation. By using this kind of approach, radiation pattern diversity can be obtained in mobile applications within a small volume. On the other hand, when combining two QCA elements to a one multi-element antenna structure, a wideband diversity antenna with an 87.5% relative -6 dB impedance bandwidth, and a wideband MIMO antenna with a 95.0% relative -6 dB impedance bandwidth, are presented with excellent radiation and correlation properties. Also mutual coupling is need to be counted when multi-element antennas are designed. When designing an efficient radiator, it is important to consider an antenna feeding in terms of wideband impedance matching and wideband baluns, not to spoil the antenna performance. The efficient antenna structures and feeding mechanisms are obtained by using commercial 3D electromagnetic simulators to find the desired wideband antenna characteristics. Prototype antennas are measured in most of the presented structures to show their functionality in real. In general, the dissertation presents wideband antenna structures with radiating antenna modes excited on a planar conducting ground plane. The idea is to find structures and feeding mechanisms to excite the fundamental mode, or a certain radiating antenna mode, at a wide frequency bandwidth, by avoiding the excitation of higher order modes which might disturb the antenna performance. It is also shown that, by using multiple feeding elements, it is possible to excite higher order modes on a small antenna. / Tiivistelmä Väitöskirjassa esitetään uusia laajakaistaisia ja monielementtiantenneja matkaviestimiin. Väitöskirja koostuu neljästä pääalueesta: pintavirtojen muototeoria, laajakaistaiset antennit, monielementtiantennit sekä laajakaistaiset monielementtiantennit. Teoriaosassa säteilykenttiä on aluksi tutkittu pallon pinnalla sekä skalaaripotentiaaleina että pintavirtavektoreina, jonka jälkeen niitä on verrattu mobiilin laitteen maatason ominaispintavirtojen synnyttämiin säteilykenttiin. Teoriaosassa osoitetaan, että pallon pinnalla sekä tasomaisella suorakaiteen muotoisella pinnalla on mahdollista herättää samat säteilykentät. Myöhemmin väitöskirjassa esitettävien uudenlaisten antennirakenteiden ominaisuuksia verrataan teoriaosassa esitettyihin pintavirtoihin ja säteilykenttiin. Teoriaosuuden jälkeen osoitetaan miten säteilevä sähkömagneettinen kenttä saadaan herätettyä laajalla taajuusalueella. Tähän on otettu kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä esitellään ja tutkitaan kvasikomplementaarista antennirakennetta (QCA). Kvasikomplementaarisessa antennirakenteessa sisääntuloimpedanssin imaginaariosa kompensoidaan yhdistämällä sähköinen johde ja magneettinen rako samaan antenniin. Samanaikaisesti perusmuoto herätetään laajalla taajuusalueella, jolla varmistetaan antennin hyvät säteilyominaisuudet koko toimintataajuusalueella. Toisessa lähestymistavassa käytetään kahta symmetrisesti asetettua antennielementtiä, joita syötetään symmetrisesti samalla amplitudilla ja vaiheella. Kun sähkömagneettinen kenttä herätetään symmetrisesti, korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen voidaan välttää laajalla taajuusalueella. Symmetrisesti syötetyillä antennirakenteilla saavutettu -6 dB suhteellinen impedanssikaistanleveys on 37.5–80 %. Useita syöttöelementtejä käytettäessä voidaan mobiilin laitteen maatasossa herättää yhdellä pistetaajuudella monta toisistaan riippumatonta säteilykenttää. Koska herätetyt kentät ovat toisistaan riippumattomia, on niiden välinen korrelaatio myös pieni. Kyseisellä rakenteella on mahdollista toteuttaa säteilykuviodiversiteetti erittäin pienessä tilassa, kuten matkapuhelimessa. Toisaalta, kun yhdistetään kaksi QCA-elementtiä yhdeksi monielementtiratkaisuksi, voidaan toteuttaa laajakaistainen diversiteettiantenni, jonka suhteellinen -6 dB impedanssikaistanleveys on 87.5 %. Vastaavasti kahdella laajakaistaisella QCA-elementillä toteutetulla MIMO-ratkaisulla päästään 95 % suhteelliseen -6 dB impedanssikaistanleveyteen. Molemmilla ratkaisuilla on erittäin hyvät säteilyominaisuudet sekä alhainen korrelaatio ja pieni keskinäiskytkentä antennielementtien välillä. Suunniteltaessa toimivaa laajakaistaista antennirakennetta, on tärkeää ottaa huomioon antennisyötön impedanssisovitus, jotta antennin suorituskyky ei heikkenisi. Lisäksi balansoidussa rakenteissa tulee olla laajakaistainen baluni, jolla vältetään säteilykuvion vääristyminen. Väitöskirjan syöttöratkaisuissa on käytetty kaupallisia sähkömagneettisia simulaattoreita, joilla antennirakenne voidaan mallintaa kolmiulotteisesti, ja joilla laajakaistainen syöttö saadaan optimoitua haluttuun antenniin. Suurin osa esitellyistä antennirakenteista on simulointien lisäksi myös mitattu, jolloin niiden toimivuus käytännössä pystytään todentamaan rakentamalla prototyyppiantenni. Yleisesti väitöskirjassa esitellään tasomaisia antenniratkaisuja johtavassa maatasossa, joissa säteilevät pintavirrat herätetään mahdollisimman laajalla taajuusalueella. Ideana on löytää laajakaistaisia antenni- ja syöttörakenteita, joilla saadaan herätettyä perusmuoto tai jokin muu haluttu muoto. Ajatuksena on välttää korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen, jotka voivat pilata antennin suorituskyvyn. Väitöskirjassa osoitetaan myös, että pienikokoisella antennilla on mahdollista herättää korkeamman kertaluvun muotoja pistetaajuudella käyttämällä useita heräte-elementtejä.