5G beam steerable antenna arrays and SPDT based switching beamforming network integration for mobile stations
Mobil istasyonlar için 5G hüzme yönlendirilebilir anten dizilimleri ve SPDT tabanlı anahtarlamalı hüzme oluşturma ağ entegrasyonu
- Tez No: 785456
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM TEKİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 163
Özet
Bu tezde, 0.203 mm kalınlığında Rogers 4003C alttaşı üzerinde uygulanan ve 28 GHz 5G bandını hedefleyen birkaç özgün çift-polarize anten dizilim sistemi önerilmiş, tasarlanmış, optimize edilmiş, üretilmiş ve ölçülmüştür. Önerilen anten sistemleri, SPDT anahtarlarına ve aynı anten katmanına entegre edilmiş 3 dB/90◦ dördün bağlaştırıcılarına dayalı pasif hüzme oluşturma ağları kullanarak anten hüzmelerini farklı yönlere çevirebilir. Sunulan anten dizilim sistemleri, düşük maliyetli, düşük karmaşıklıklı ve kompakt boyutlu anten tasarımlarına ihtiyaç duyan 5G mobil cihazlar ve yüksek veri hızlı uygulamalar için iyi bir adaydır. İlk anten sistemi, ölçülen ortalama 8,9 dBi gerçekleşmiş kazanca, tüm hüzmeler için yaklaşık 10 dB yan kulak seviyesi (SLL) kazancına ve iki boyutlu (2D) uzayda ± 45◦ kapsama açısına sahip, 4 azimutal ϕ kesimi kapsayan 2D uzayda 10 anahtarlamalı hüzme üretebilen 4 bağlantı noktalı 2x2 seri-beslemeli çift-polarize anten dizilimidir. İkinci anten dizilim sistemi, SPDT anahtarları, bağlaştırıcıları ve bir Wilkinson güç bölücüsüne sahip bir hüzme oluşturma ağına dayalı olarak 8 anahtarlamalı hüzme üreten tek bağlantı noktalı 2x2 seri-beslemeli bir anten dizilimidir. Ardından, kayıpları telafi etmek için daha fazla yama elemanına sahip, L şeklinde 12 elemanlı çift-polarize seri-beslemeli bir anten dizilimi olan üçüncü bir anten dizilim sistemi önerilmiştir. Anten sistemi, 8 anahtarlamalı hüzme oluşturmak için SPDT anahtarlarına ve 3 dB/90◦ bağlayıcılara dayalı bir hüzme oluşturma ağı kullanır. Antenin ölçülen empedans bant genişliği, tüm bağlantı noktaları için 3 GHz'e (10,71% kesirli bant genişliği, 26,5 GHz'den 29,5 GHz'e) ulaşır. Antenin, 4◦ ila 24◦ arasında değişen mutlak yönlendirme açısı değeri ile 28 GHz'de ölçülen ortalama 6 dBi gerçekleşmiş kazancı vardır. Daha sonra 4x4 anten dizilim sistemi önerilmiş ve incelenmiştir. Anten, 2D uzayında 10 anahtarlamalı hüzme oluşturmak için iki 3 dB bağlaştırıcı ve iki T güç bölücüden oluşan basit bir ağ kullanır, ayrıca anten, aynı anten katmanına entegre anahtarlara sahip olmaya uygundur. Antenin ölçülen empedans bant genişliği, tüm bağlantı noktaları için 2,1 GHz'e (7,4% kesirli bant genişliği, 27,4 GHz'den 29,5 GHz'e) ulaşır. Antenin ölçülen ortalama gerçekleşmiş kazancı 12,8 dBi'dir. Ayrıca, antenin çapraz olmayan ϕ kesimlerinde minimum yarı güçlü hüzme genişliği 80◦ ve çapraz ϕ kesimlerinde minimum yarı güçlü hüzme genişliği 35◦ 'dir. Bu tezin son bölümünde ise SPDT RF-MEMS anahtarlarının 0,254 mm cam malzeme üzerine iki bağlaştırıcılı 2x2 seri-beslemeli çift-polarize anten dizilimi ile entegrasyonu hakkında kısa bir açıklama yapılmıştır. Anten sistemi, 2D uzayında 10 anahtarlamalı hüzme üretebilir. Önerilen anten dizisi sistemlerinin performans matrisleri ölçülmüş ve doğrulanmıştır. 4 azimutal ϕ kesimde hüzme değiştirme yeteneklerine ve pasif hüzme oluşturma ağlarına sahip çift-polarize anten dizilimlerine sahip olmaları, onları 5G mm-dalga mobil istasyonlar için iyi tasarım adayları yapar.
Özet (Çeviri)
In this dissertation, several novel dual-polarized antenna array systems implemented on a 0.203 mm thick Rogers 4003C substrate and targeting the 28 GHz 5G band are proposed, designed, optimized, fabricated, and measured. The proposed antenna systems can switch the antenna beams to different directions using passive beamforming networks based on SPDT switches and 3 dB/90◦ quadrature couplers integrated on the same antenna layer. The presented antenna array systems are a good candidate for 5G mobile devices and high data rates applications that need antenna designs with low cost, low complexity, and compact size. The first antenna system is a 4-port 2x2 series-fed dual-polarized antenna array capable of generating 10 switched beams in 2D space covering 4 azimuthal ϕ cuts with an average measured realized gain of 8.9 dBi, around 10 dB side lobe level (SLL) for all beams and ± 45◦ coverage angle in 2D space. The second antenna array system is a one-port 2x2 series-fed antenna array that generates 8 switched beams based on a beamforming network with SPDT switches, couplers, and a Wilkinson power divider. Then a third antenna array system with more patch elements to compensate for losses is proposed, which is an L-shaped 12-element dual-polarized series-fed antenna array. The antenna system uses a beamforming network based on SPDT switches and 3 dB/90◦ couplers to generate 8 switched beams. The measured impedance bandwidth of the antenna reaches 3 GHz (10.71% fractional bandwidth, from 26.5 GHz to 29.5 GHz) for all ports. The antenna has an average measured realized gain of 6 dBi at 28 GHz with an absolute steering angle value that varies from 4◦ to 24◦. After that, a 4x4 antenna array system is proposed and investigated. The antenna uses a simple network composed of two 3 dB couplers and two T-power dividers to generate 10 switched beams in 2D space, also the antenna is suitable to have switches integrated on the same antenna layer. The measured impedance bandwidth of the antenna reaches 2.1 GHz (7.4% fractional bandwidth, from 27.4 GHz to 29.5 GHz) for all ports. The antenna has an average measured realized gain of 12.8 dBi. Also, the antenna has a minimum half-power beam width of 80◦ in non-crossed ϕ cuts and a minimum half-power beam width of 35◦ in crossed ϕ cuts. In the last part of this dissertation, a brief explanation is given for the integration of SPDT RF-MEMS switches with a 2x2 series-fed dual-polarized antenna array with two couplers on 0.254 mm glass material. The antenna system can generate 10 switched beams in 2D space. The proposed antenna array systems' performance matrixes are measured and verified. Having dual-polarized antenna arrays with beam switching capabilities in 4 azimuthal ϕ cuts and passive beamforming networks makes them good design candidates for 5G mm-wave mobile station.
Benzer Tezler
- A novel beam steerable antenna array system for 5G mm-wave applications
5g milimetre dalga uygulamaları için özgün bir ışın huzmesi yönlendirilebilen anten dizin sistemi
AMIR MOHSEN AHMADI NAJAFABADI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM TEKİN
- Secure and coordinated beamforming in 5G and beyond systems using deep neural networks
5G ve ötesi sistemlerde derin sinir ağları kullanarak güvenli ve koordineli hüzmeleme
UTKU ÖZMAT
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET AKİF YAZICI
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH DEMİRKOL
- Kablosuz 5G ötesi ağlarda görme destekli ışın izleme problemine yumuşak dikkat mekanizması kullanarak uzun kısa süreli bellek uygulanması
On the vision-beam aided tracking for wireless 5G-beyond networks using long short-term memory with soft attention mechanism
NASIR SINANI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERKAN YILMAZ
- 5G new radio millimeter-wave beam tracking using deep learning
Derin öğrenmeyi kullanarak 5G yeni radyo millimetre dalgalar ışın takibi
NAJIULLAH HAKIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN KAVAK
- Design, fabrication, and measurement of efficient beam-shaping reflectors for 5G mm-wave applications
5G mm-dalga uygulamaları için verimli hüzme şekillendirici yansıtıcların tasarımları, üretimleri ve ölçümleri
GÖKHAN ÇAĞLAYAN KARAOVA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR SALİH ERGÜL