Antennes à formation de faisceaux en ondes millimétriques basées sur des métamatériaux pour les applications 5G.

Borhani Kakhki, Mehri (2020). Antennes à formation de faisceaux en ondes millimétriques basées sur des métamatériaux pour les applications 5G. Thèse. Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 125 p.

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Résumé

Le spectre de fréquences d’ondes millimétriques (30-300 GHz) est une technologie prometteuse pour les communications mobiles de la cinquième génération (5G), car il peut offrir des débits de transmission de l'ordre de plusieurs gigabits par seconde et prendre en charge un plus grand nombre d'utilisateurs, grâce à la grande largeur de bande. L'utilisation commerciale de la 5G arrive pour répondre aux demandes croissantes de faible latence, de grande capacité et d'accès mobile omniprésent, ce qui jouera un rôle clé dans la connexion et l'activation des services. Les systèmes sans fil fonctionnant dans des bandes de fréquences en ondes millimétriques souffrent de pertes considérables dues à l'absorption atmosphérique et à la pénétration par rapport aux fréquences plus basses avec des longueurs d'onde plus importantes. Cela peut dégrader considérablement la qualité de la liaison de communication. Bien que ce problème puisse être contourné en utilisant des antennes à gain élevé, la largeur de faisceau étroite d'une antenne à gain élevé peut causer des difficultés, particulièrement au niveau de l'alignement du faisceau, surtout lorsque le signal est bloqué par un obstacle entre l'émetteur et le récepteur. Pour résoudre ce problème, des antennes à commutation de faisceau en ondes millimétriques ont été proposées, dans lesquelles la puissance rayonnée est confinée dans des angles prédéterminés au lieu de transmettre le signal dans toutes les directions. Cependant, ces systèmes à commutation de faisceaux, essentiellement basés sur l’utilisation d’un réseau d'antennes à commande de phase, sont compliqués et entraînent des pertes importantes, ce qui rend leur application pratique coûteuse. Une alternative proposée dans cette thèse est de réaliser l'inclinaison du faisceau en utilisant des métamatériaux qui offrent plus de fonctionnalités d'antenne, moins de pertes, coût moindre, et à profil bas. Ainsi, la recherche dans ce domaine est en train de devenir l'un des domaines les plus populaires de nos jours. Cette thèse présente avant tout une nouvelle conception d'antenne à faisceau incliné avec amélioration du gain basée sur des surfaces sélectives en fréquence (FSS) multicouches pour les applications 5G. Dans cette conception, une antenne Vivaldi à large bande avec un rayonnement longitudinal est utilisée pour exciter les couches FSS. Les effets des différentes tailles, du nombre et de la rotation angulaire des couches FSS sont utilisés pour obtenir la meilleure performance de l’antenne en termes d'inclinaison du faisceau, de gain réalisé et de réduction du niveau des lobes latéraux (SLL). La conception proposée peut être utilisée pour les communications à courte portée et en intérieur pour la technologie de l'Internet des objets (IOT), et comme microcellule pour la prochaine génération d'antennes de station de base qui doivent être capables d'incliner la direction du faisceau principal sous l'horizon. Cela inclut en particulier les réseaux cellulaires sans fil 5G prévus pour fonctionner en avec des ondes millimétriques. L'intégration de deux couches FSS comme émetteur de taille inégale, qui ont tourné à 45° et se sont fixées sous le Vivaldi, a permis d'obtenir un angle d'inclinaison maximum du faisceau de 38°, un gain réalisé de 9 dBi, et un SLL de -8 dB à 28 GHz. Aux fréquences des ondes millimétriques, les lignes de transmission à microbandes et les guides d'ondes intégrés sur substrat (SIW) souffrent de pertes diélectriques et de rayonnement élevées. Les guides d'ondes rectangulaires sont difficiles à combiner avec les circuits intégrés en raison de leur conception non plane et nécessitent un processus d'assemblage précis pour assurer de bons contacts électriques lorsqu'ils sont fabriqués en différents blocs et ils ne peuvent pas être fabriqués avec des circuits imprimés (PCB). La nouvelle technologie des guides d'ondes à fente est un candidat prometteur pour relever les défis des systèmes de la prochaine génération. L'idée clé de cette structure est basée sur la possibilité de guider le champ électromagnétique dans les directions souhaitées dans l'espace entre les plaques métalliques et d'éviter toute propagation dans des directions non souhaitées. Elle permet donc d'obtenir une dispersion moindre par rapport à d'autres structures telles que le réseau d'alimentation SIW et la ligne Microstrip dans les bandes de fréquence des ondes millimétriques. De plus, il peut être réalisé par la technologie traditionnelle du PCB contrairement au guide d'onde rectangulaire. C'est pourquoi une nouvelle technique a été démontrée ici pour dévier le faisceau principal d'une antenne à double résonateur diélectrique (DRA) alimentée par un guide d'onde à fente de crête imprimée (PRGW) pour des applications de commutation de faisceau basées sur les FSS. Par conséquent, deux couches de cellules unitaires FSS imprimées 3×3 double face servant de réflecteur sont chargées au- dessus et au milieu des deux antennes PRGW-DRA. L'excitation de chaque port pendant que les autres ports sont chargés à 50- Ω a permis une commutation de faisceau de ±77º et une amélioration du gain de 3,16 dBi à 28 GHz. Pour améliorer ce concept, une antenne dipôle magnéto-électrique à double source complémentaire (DCS-ME) excitée par PRGW est conçue pour fonctionner dans la bande Ka qui présente un gain plus important et une bande passante d'impédance plus large que les ME-dipôles classiques. L'antenne proposée a une largeur de bande d'adaptation d'impédance avec |S11| < -10 dB de 24,5 à 40 GHz avec un gain stable de 10±1 dBi sur la bande 25-35 GHz. De plus, en intégrant horizontalement trois couches de cellules unitaires de résonateur à anneau fendu (SRR) 4×10 sur le dessus de l'antenne dipôle DCS-ME, le gain réalisé est augmenté jusqu'à 14,2 dBi avec une efficacité de rayonnement mesurée de 93% à 30 GHz. Par conséquent, pour proposer une structure de commutation passive du faisceau, les multiples couches de SRR ont été intégrées horizontalement dans l'antenne ME-dipôle proposée dans le plan E, formant ainsi une méta-lentille. La technique proposée est étendue à un prototype MIMO (multiple-input multiple-output) pour les applications de diversité d’espace. Ce prototype consiste en une antenne ME-dipôle à quatre ports, où chaque antenne dipôle est positionnée perpendiculairement aux autres et forme une polarisation orthogonale avec une isolation élevée entre les ports et intégrée avec trois couches de SRR 12×12 à double polarisation, décalées par rapport au centre de chaque antenne dans le plan E. L'excitation de chaque port en reliant les autres à 50 ohms, assure une déviation du faisceau de 40° dans chaque quadrant du plan d'élévation de l’antenne. Les résultats mesurés montrent une largeur de bande de 40% sur la gamme de fréquences de 24-36 GHz et une amélioration du gain allant jusqu'à 3 dB par rapport à l'antenne élémentaire. En outre, une efficacité de rayonnement mesurée supérieure à 85 % est obtenue sur la largeur de bande d'exploitation, grâce à l'utilisation de la technologie d'alimentation par guide d'ondes à faible perte à fente de crête pour les antennes.

Millimeter-wave (mm-wave) frequency spectrum (30-300 GHz) is a promising technology for emerging the fifth generation (5G) mobile communications, since it can offer transmission rates in the order of multi gigabits per second and support a greater number of users, due to the large bandwidth. The commercial use of 5G is approaching to support increasing demands for low latency, high capacity and ubiquitous mobile access, which will play a key role in connecting and enabling services. Wireless systems operating in mm wave frequency bands incur however a considerable loss due to the atmospheric absorption and penetration loss compared to lower-frequency signals with longer wavelengths. It can significantly degrade the quality of the communications link. Although this issue can be circumvented using high-gain antennas, the narrow beam-width of a high-gain antenna can cause particular difficulty in beam alignment, especially when the signal is blocked by an obstruction between the transmitter and receiver. To resolve this issue mm-wave beam-tilting and beam-switching antennas have been proposed whereby the radiated power is confined in predetermined angles instead of transmitting the signal in all directions. Existing beamforming systems based on phased antenna array are complicated and incur large loss which makes them expensive to be applied in practice. An alternate solution proposed in this thesis is to realize beam-tilting using metamaterials which offer more antenna functionality, less loss and cost issues as well as low-profile structure. Thus, research in this field is becoming one of the most popular fields nowadays. In this thesis, first and foremost, a new design of tilted-beam antenna with gain enhancement based on multi-layer frequency selective surfaces (FSSs) for 5G applications is presented. A wideband Vivaldi antenna with an end-fire radiation is used to excite the FSS layers. The effects of different sizes, number, and the angular rotation of the FSS layers are employed to achieve the best antenna performance in terms of beam-tilting, realized gain, and reducing the side lobe level (SLL). The proposed design can be used for short range and indoor communications for the Internet of Things (IOT) technology, and as a microcell for next generation of base-station antennas that need to be capable of tilting the direction of the main beam under the horizon. This particularly includes 5G wireless cellular networks envisaged to operate at millimeter-waves. Integrating two array of unequal-sized FSSs as transmitter which are rotated by 45° and fixed under the Vivaldi, resulted in a maximum beam tilt angle of 38°, realized gain of 9 dBi, and SLL of 8 dB at 28 GHz. At mm-wave frequencies, Microstrip transmission lines and Substrate Integrated Waveguides (SIWs) suffer from high dielectric and radiation loss and rectangular waveguides are difficult to combine with integrated circuits because of its non-planar design and need accurate assembly process to assure good electrical contacts when made in different blocks and it is not manufacturable with Printed Circuit Boards (PCBs). The new gap waveguide technology is a promising candidate to face the challenges of the next generation systems. The key idea behind this structure is based on the possibility to guide the electromagnetic field along desired directions in the gap between metal plates and to avoid any propagation along undesired directions. So, it grantees less dispersion compared to other structures such as SIW feeding network and the Microstrip line at mm-wave frequency bands. Moreover, it can be realized by traditional PCB technology unlike rectangular waveguide. Therefore, a new technique demonstrated here to deflect the main beam of a double dielectric resonator antenna (DRA) fed by printed ridge gap waveguide (PRGW) for beam-switching applications based on FSSs. Therefore, two layers of 3×3 dual-sided printed FSS unit cells as reflector are loaded over and in the middle of the two PRGW-DRA antennas. Exciting each port while the other port is terminated to 50-Ω resulted in ±77º beam-switching and a 3.16 dBi gain enhancement at 28 GHz. To improve the idea, a dual complementary source magneto-electric (DCS-ME) dipole antenna excited through PRGW is designed to operate in the Ka-band which exhibits more gain and a wider impedance bandwidth compared to conventional ME-dipoles. The proposed antenna has an impedance matching bandwidth with |S11| < −10 dB from 24.5 to 40 GHz with a stable gain of 10±1 dBi over the 25-35 GHz band. Moreover, by integrating horizontally three layers of 4×10 split-ring resonator (SRR) unit cells on top of the DCS-ME dipole antenna, the realized gain is increased up to 14.2 dBi with a measured radiation efficiency of 93% at 30 GHz. Therefore, to propose passive beam-switching structure, the multiple layer of SRRs were integrated horizontally in the off-axis of the proposed ME-dipole antenna in the E-plane, forming a meta-lens. The proposed technique is extended to a multiple-input multiple-output (MIMO) prototype for pattern diversity applications. This prototype consist of a four port ME-dipole antenna, where each dipole antenna is positioned perpendicular to each other and form an orthogonal polarization with high isolation between the ports and integrated with three layers of 12×12 dual-polarized SRRs, offset from the center of each antenna in the E-plane. Exciting each port while the others are terminated in 50 ohms, provides a beam deflection of 40° in each quadrant in the elevation plane with respect to the broadside direction. The measured results demonstrate a bandwidth of 40% over the frequency range of 24-36 GHz and up to 3 dB gain enhancement compare to the elementary antenna. Moreover, measured radiation efficiency in excess of 85% is obtained over the operating bandwidth, due to the use of the low-loss ridge-gap waveguide feeding technology for the antennas.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb A.
Mots-clés libres:	antenne à commutation de faisceau; antenne à basculement de faisceau; surface sélective en fréquence (FSS); 5G; antenne dipôle magnéto-électrique (ME); fréquences d'ondes millimétriques; antenne à entrées multiples et sorties multiples (MIMO); diversité de motifs; guide d'onde à fente de crête imprimée (PRGW); résonateur à anneau fendu (SRR); beam-switching antenna; beam-tilting antenna; frequency selective surface (FSS); 5G; magneto-electric (ME) dipole antenna; millimeter-wave frequencies; multiple-input multiple-output (MIMO) antenna; pattern diversity; printed ridge gap wave guide (PRGW); split ring resonator (SRR)
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	21 avr. 2021 14:51
Dernière modification:	29 sept. 2021 17:53
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/11502

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