Advanced component and antenna designs for wireless communication systems.

Mousavirazi, Zahra (2024). Advanced component and antenna designs for wireless communication systems. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 159 p.

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Résumé

Les communications sans fil, essentielles à notre société numérique, évoluent sans cesse, avec des améliorations significatives en termes de vitesse et de capacité. L'avènement des technologies révolutionnaires 5G et 6G redéfinit la connectivité, offrant des communications rapides et fiables avec des délais minimes, tout en prenant en charge la transmission de données à haut débit pour diverses applications telles que la télémédecine, les véhicules autonomes, les maisons intelligentes et le divertissement immersif. Ces technologies établissent une nouvelle norme en matière de connectivité, caractérisée par une vitesse, une efficacité et une fiabilité exceptionnelles, grâce à une faible latence, une capacité élevée et des services multimédias avancés.
Au coeur de cette évolution se trouvent des conceptions d'antennes innovantes et des allocations de fréquences optimisées, essentielles pour développer des systèmes flexibles et rentables capables de répondre aux demandes croissantes des communications sans fil modernes, y compris l'Internet des objets (IoT). Cela souligne la nécessité d'antennes compactes, efficaces et économiques pour les réseaux de nouvelle génération. Les technologies 5G et 6G exploitent les bandes de fréquences inférieures à 6 GHz et les ondes millimétriques pour répondre aux exigences de capacité élevée et de faible latence des futurs systèmes sans fil. La bande inférieure à 6 GHz offre une couverture fiable pour la 5G, tandis que les fréquences millimétriques, comme 28 GHz, sont cruciales pour atteindre des débits de données plus élevés. Des recherches approfondies ont souligné l'importance des bandes de fréquences inférieures à 6 GHz, notamment les bandes n41, n78 et n79, dans le développement de la communication sans fil 5G. La bande n78 (3,4-3,6 GHz) est particulièrement cruciale pour le déploiement de la 5G en raison de sa combinaison optimale de débits de données élevés, de couverture étendue et d'optimisation de la capacité. Cette bande est essentielle pour les télécommunications modernes, car elle permet un débit de données élevé et une couverture robuste.
La technologie des ondes millimétriques, opérant entre 30 et 300 GHz, constitue une autre avancée majeure pour les communications sans fil de nouvelle génération. Elle offre des bandes passantes étendues et des débits de données ultra-rapides, en complément des bandes inférieures à 6 GHz. Le passage aux fréquences millimétriques, motivé par la nécessité d'obtenir des débits de données plus élevés et une latence plus faible, introduit cependant des défis de conception et des défis technologiques considérables.
Il est crucial de résoudre les problèmes de pertes de transmission accrues typiques de ces fréquences, en particulier pour les antennes à ondes millimétriques qui nécessitent des lignes de transmission efficaces et à faibles pertes. Les lignes de transmission planaires traditionnelles, telles que les microstrips et les strip-lines, souffrent souvent de rayonnement parasite, de fuites et de pertes ohmiques et diélectriques importantes, ce qui réduit la puissance du signal et l'efficacité du rayonnement. Au cours de la dernière décennie, des efforts importants ont été consacrés à l'étude de la technologie des guides d'ondes à fente en crête (RGW), qui vise à réaliser des lignes de transmission à haut rendement et à faibles pertes avec une complexité minimale en éliminant les connexions métalliques, en particulier aux hautes fréquences. Introduite en 2009 en tant que nouvelle structure de guidage TEM à faibles pertes et développée en version imprimée (PRGW) en 2011, la technologie PRGW offre une solution économique pour la gamme de fréquences millimétriques. Elle offre de faibles pertes et une dispersion minimale par rapport aux structures traditionnelles basées sur des circuits imprimés (PCB), ce qui la rend adaptée aux applications à haute fréquence.
Un défi majeur dans la conception de structures PRGW réside dans le processus de simulation et d'optimisation, qui est long et consommateur de ressources, généralement réalisé à l'aide de logiciels de simulation électromagnétique tels que CST Microwave Studio et HFSS (High-Frequency Simulation Software). Cette thèse introduit une nouvelle méthode qui simplifie considérablement le processus de conception, en réduisant le temps de simulation et en facilitant l'optimisation. Grâce à cette technique, un coupleur hybride double boîte 3 dB PRGW à large bande, un crossover planaire 0 dB et un nouveau circuit à six ports ont été conçus pour un déploiement aux fréquences des ondes millimétriques, pouvant potentiellement servir la prochaine génération de systèmes de communication mobile. Cette méthode, présentée pour la première fois dans la littérature, montre que tous les composants ainsi conçus affichent des performances supérieures à celles de composants similaires existants. Les composants conçus présentent d'excellentes caractéristiques telles qu'un profil bas, de faibles pertes et une intégration transparente avec les circuits et systèmes micro-ondes, ce qui les rend appropriés pour la conception de sous-systèmes de réseaux en ondes millimétriques.
De plus, cette thèse présente une antenne dipôle magnéto-électrique (ME) à polarisation circulaire (CP) haute performance, spécialement conçue pour les applications large bande en ondes millimétriques dans les réseaux 5G. Fonctionnant dans la bande Ka, l'antenne présente d'excellentes performances en termes de polarisation circulaire. En outre, un nouveau réseau d'antennes multi-couches à double polarisation circulaire (CP) et à commutation de faisceau est proposé. Opérant dans la bande de fréquences Sub-6 GHz à 3,6 GHz, il est conçu pour les applications de communication sans fil de nouvelle génération, intégrant des éléments doubles CP pour atteindre la diversité de polarisation et la commutation de diagramme, améliorées par des utilisations innovantes de la matrice de Butler. Une analyse comparative avec des travaux similaires récents met en évidence la large bande passante de l'antenne, la double fonctionnalité CP et la haute efficacité de rayonnement.

Wireless communication is vital to our digital society and continually evolves with substantial speed and capacity improvements. The advent of transformative 5G and 6G technologies is reshaping connectivity, offering rapid, reliable communication with minimal delays and supporting high-speed data transmission for diverse applications such as telemedicine, autonomous vehicles, smart homes, and immersive entertainment. These technologies establish a new standard for connectivity characterized by exceptional speed, efficiency, and reliability, driven by low latency, high capacity, and advanced multimedia services.
At the heart of this evolution are innovative antenna designs and optimized frequency allocations, crucial for developing flexible, cost-effective systems to meet the burgeoning demands of modern wireless communications, including the Internet of Things (IoT). This underscores the need for compact, efficient, and economical antennas for next-generation networks. 5G and 6G technologies leverage sub-6 GHz and mm-wave frequency bands to meet future wireless systems' high capacity and low latency requirements. The sub-6 GHz band provides reliable coverage for 5G, while mm-wave frequencies, such as 28 GHz, are critical for achieving higher data rates.
Significant research has highlighted the importance of Sub-6 GHz frequency bands, particularly n41, n78, and n79, in advancing 5G wireless communication. The n78 band (3.4-3.6 GHz) is crucial for 5G deployment due to its optimal blend of high data rates, broad coverage, and capacity optimization. This band is pivotal for modern telecommunications, supporting high data throughput and robust coverage.
Millimeter-wave technology, operating between 30 and 300 GHz, represents another significant advancement for next-generation wireless communications, offering expanded bandwidths and ultra-fast data rates alongside Sub-6 GHz bands. The shift toward millimeter-wave frequencies, motivated by the need for higher data rates and lower latency, introduces significant design and technological challenges.
Addressing the increased pass losses typical at these frequencies is crucial, particularly for mm-wave antennas that require efficient, low-loss transmission lines. Traditional planar transmission lines, such as microstrip and strip-lines, often suffer from spurious radiation, leakage, and substantial ohmic and dielectric losses, reducing signal strength and efficiency. Over the past decade, significant efforts have been dedicated to studying Ridge Gap Waveguide (RGW) technology, which aims to achieve high-efficiency, low-loss transmission lines with minimal complexity by eliminating metal connections, especially at high frequencies. Introduced in 2009 as a novel low-loss TEM guiding structure and further developed into the printed version (PRGW) in 2011, PRGW technology offers an economical solution for the millimeter frequency range. It provides low loss and minimal dispersion compared to traditional printed circuit board (PCB)-based structures, making it suitable for high-frequency applications.
One primary challenge in designing PRGW structures is the time-consuming simulation and optimization process, typically conducted using full-wave software like CST Microwave Studio and High-Frequency Simulation Software (HFSS). This thesis introduces a novel method that significantly streamlines the design process, reducing simulation time and simplifying design optimization. Utilizing this technique, a wideband PRGW 3dB hybrid double-box coupler, a planar 0-dB crossover, and a novel six-port are designed for deployment in mm-wave frequencies, potentially serving the next generation of mobile communication systems. This method, introduced in the literature, shows that all components designed exhibit superior performance compared to similar components. The designed components feature excellent characteristics such as low profile, low loss, and seamless integration with microwave circuits and systems, making them suitable for designing mm-wave network subsystems.
Additionally, this thesis presents a high-performance CP ME dipole antenna tailored for wideband mm-wave applications in 5G networks, operating at the Ka-band with outstanding CP performance. Moreover, a novel multi-layered, dual circularly polarized (CP) beam-switching antenna array is proposed. Operating in the Sub-6 GHz frequency band at 3.6 GHz, it is tailored for next-generation wireless communication applications, integrating dual CP elements to achieve polarization diversity and pattern switching, enhanced by innovative uses of the Butler matrix. A comparative analysis with recent similar works highlights the broadband bandwidth of the antenna, dual CP feature, and high radiation efficiency.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb
Mots-clés libres:	S.O.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	29 nov. 2024 01:50
Dernière modification:	29 nov. 2024 01:50
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16213

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