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A V-Band High Gain Antenna System Integrated with a Six-Port Receiver for Backhaul Applications.

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Erfani, Elham (2018). A V-Band High Gain Antenna System Integrated with a Six-Port Receiver for Backhaul Applications. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 164 p.

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Résumé

La prolifération récente des services de données et la demande exponentiellement croissante pour le transfert de données mobiles ont conduit à l’émergence de la 5th génération (5G) de réseaux cellulaires, destinée à traiter la multitude de problèmes liés au débit et de données élevées et à sa capacité. Grâce au grand nombre de fréquences inutilisées disponibles dans le spectre de fréquences d’ondes millimétriques (mm-wave), cette bande a été considérée comme un candidat prometteur pour les futures communications mobiles 5G. Cependant, la propagation radio à ces fréquences fait l’objet de pertes élevées, dues à l’absorption atmosphérique, à la pluie et au feuillage. Par conséquent, pour compenser la perte de propagation et le blocage de la liaison, l’utilisation d’une antenne hautement directionnelle à large bande, à faisceau balayé, s’avère nécessaire. Dans cette thèse, on présente un nouveau récepteur frontal à ondes millimétriques, composé d’un système d’antennes à gain élevé, intégrant un récepteur six-port bon marché, pour les réseaux d’amenée en ondes millimétriques. Comme principale contribution de ce travail, on fait un examen minutieux de l’application des matériaux artificiels émergents dans la conception d’un nouveau système d’antennes dénommées antennes à réseau d’émission (TA) ou à lentille planaire (PDL), afin de focaliser de manière efficace les signaux RF reçus/émis dans la/les direction(s) désirée(s); on propose une structure appropriée pour les applications en ondes millimétriques et on fait une étude analytique et expérimentale sur les performances de l’antenne. Dans cette perspective, tout d’abord, on étudie et on développe une antenne TA basée sur des métamatériaux à un indice de réfraction à gradient (GRIN), afin d’analyser sa faisabilité pour les applications en ondes millimétriques, avec les moyens de fabrication disponibles. On conclut que, en raison des exigences liées aux tolérances de fabrication, pour la construction d’une antenne TA, on devrait alternativement utiliser des matériaux de surface sélective en fréquence (FSS). Pour répondre aux exigences de l’antenne TA, on a conçu une cellule unitaire FSS insensible à la polarisation qui assure une réponse en phase de transmission linéaire, ayant une plage de variation de 270 ° et une perte d’insertion inférieure à -3 dB, sur une bande de fréquence désirée de 58 GHz à 64 dB. En outre, pour activer l’antenne TA proposée, on présente un nouveau module de réseaux d’antennes planaires « patch » 2×4 avec de connexions à ouverture couplée intercalées avec une structure à surface souple. La structure à surface souple est utilisée pour améliorer les performances du réseau en termes d’efficacité (gain), de largeur de bande et du niveau des lobes latéraux. Cette lentille discrète montre un gain maximal de 30.92 dB avec une efficacité d’ouverture de 38.4. Comme convertisseur abaisseur de fréquence direct, l’on a conçu un circuit six-port composé de quelques éléments passifs et l’on en a fait une caractérisation complète, afin d’obtenir des ports d’entrée/de sortie adaptés, une isolation inférieure à -20 dB, et une bonne réponse en amplitude de transmission et en phase, sur toute la largeur de bande désirée. En outre, afin de récupérer les données de bande de base, on propose un détecteur de puissance équilibré, ayant une grande largeur de bande, de plus de 10 GHz. Par l’utilisation de la technologie d’interconnexion avec câblage filaire (bonding wire), l’antenne fabriquée avec la technologie PCB est intégrée à l’amplificateur à faible bruit (LNA) et au récepteur à six-ports développé avec la technologie MHMIC. L’architecture du récepteur frontal intégré est testée pour différents types de constellations et de distances entre le récepteur et l’émetteur. Les résultats obtenus ont montré qu’on peut considérer la configuration proposée comme une solution innovatrice pour les communications sans fil par ondes millimétriques.

Abstract

Recently, the data service proliferation and explosively increased needs on mobile data traffic have emerged the 5th generation (5G) of cellular networks that are expected to address the plethora of high data rate and capacity. Because of the abundant amount of unused frequencies available in millimeter-wave (mm-wave) frequency regime, this band has been considered as a prominent candidate for future 5G mobile communication. However, radio propagation at these frequencies suffer from high losses due to atmospheric absorption, rain, and foliage. Therefore, the use of a wideband high directive antenna with beam scanning is necessary to overcome the propagation loss and link blockage. In this thesis, a new millimeter wave (mm-wave) front-end receiver composed of a high gain antenna system integrated with a low-cost six-port receiver is demonstrated for mm-wave backhaul networks. As the main contribution of this work, the application of emerging artificial materials in designing a new antenna system, so-called transmit-array (TA) or planar discrete lens (PDL)antennas to effectively focus the received/transmit RF-signals in the desired direction(s) is thoroughly investigated, the appropriate structure for mm-wave applications is proposed, and the antenna performances are analytically and experimentally studied. In this perspective, a TA based on gradient-refractive-index metamaterials (GRIN) is firstly studied and developed to investigate their feasibility for mm-wave applications based on the available fabrication facilities. It is concluded that because of fabrication tolerance requirements, frequency selective surface (FSS) materials should alternatively be used to construct a TA. To meet the requirements of the TA antenna, a polarization-insensitive FSS unit-cell offering a linear transmission phase response with a variation range of 270 ° and insertion loss less than -3 dB over a desired bandwidth of 58-64 GHz is designed. Furthermore, to excite the proposed TA, a new planar array module composed of 2×4 aperturecoupled- patches interleaved with a soft-surface structure is presented. Soft-surface structure is used to improve the array performances in terms of efficiency (gain), bandwidth, and side-lobe level. This discrete lens shows a peak gain of 30.92 dB with 38.4 aperture efficiency. As a direct down-convertor, a six-port circuit composed of some passive elements is designed and fully characterized to obtain matched input/output ports, isolation less than -20 dB, and a good transmission amplitude and phase responses over the desired bandwidth. In addition, to recover the baseband data, a balanced power detector with a reflection coefficient bandwidth of more than 10 GHz is proposed. By applying the bonding wire interconnection technology, the antenna fabricated with PCB technology is integrated with LNA and six-port receiver built in MHMIC technology. The integrated front-end receiver architecture is tested for different types of constellation and various distances between receiver and transmitter. Achieved results demonstrated that the proposed configuration can be considered as an innovative solution for long-distance millimeter-waves wireless communications.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tatu, Serioja Ovidiu
Mots-clés libres: Télécommunications
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 09 avr. 2019 21:13
Dernière modification: 10 avr. 2019 12:56
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/8020

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