A new antenna design methodology based on performance analysis of MIMO and defining novel antenna parameters
MIMO performans analizine ve anten parametrelerini tanımlamaya dayalı yeni bir anten tasarım metodolojisi
- Tez No: 876326
- Danışmanlar: PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Kablosuz teknolojinin hızla gelişmesi, kablosuz cihazlar için Çoklu Giriş Çoklu Çıkış (MIMO) antenlerinin tasarımına yönelik önemli bir talep yarattı. MIMO antenler, aynı bant genişliği içinde birden fazla kanalı kullanarak kablosuz iletişim sistemlerinde veri hızlarını en üst düzeye çıkarabildikleri için mevcut ve gelecekteki kablosuz standartların gereksinimlerini karşılamada çok önemli bir rol oynarlar. Ancak, kompakt cihazlar için MIMO anten tasarımı önemli zorluklar sunmaktadır. Antenler arasındaki sınırlı alan, performansı olumsuz yönde etkileyebilecek artan eşleşmeye ve yüksek korelasyona yol açar. Bu zorlukları ele almak için bu tez, MIMO performans ölçütlerine ve anten parametrelerini tanımlamaya dayalı yeni bir anten tasarım metodolojisi önermektedir. Geleneksel anten sistemleri için mevcut ölçütler, MIMO anten performansını tam olarak değerlendirmek için yetersizdir. Bu metodoloji, anten yapılandırmalarını optimize etmek, karşılıklı eşleşmeyi azaltmak ve istenen performans özelliklerine ulaşmak için sistematik bir yaklaşım sunarak, gelişmiş sistem kapasitesine olanak tanır. Tez, önemli performans ölçütlerine ve tanımlanan parametrelere dayanan MIMO antenleri tasarlamak için yeni bir metodoloji sunmaktadır. Bu parametreler, LTE ve 6 GHz altındaki 5G bantları dahil olmak üzere modern kablosuz standartların gereksinimlerini karşılamak için önemli olan anten aralığı, yuva boyutları, şerit yerleşimi ve parazit eleman boyutları gibi faktörleri içerir. Araştırma, her biri belirli gereksinimler için optimize edilmiş ve simülasyonlar ve deneysel ölçümlerle doğrulanmış beş farklı MIMO anten tasarımı sunmaktadır. İlk olarak, çift bantlı Vivaldi şeklindeki MIMO anten, n78 ve n79 olmak üzere 5G NR bantlarını kapsar ve karşılıklı eşleşmeyi -30 dB'nin altında tutarken sırasıyla 7,63 dBi ve 8,5 dBi'den fazla kazanç sağlar. İkinci olarak, eş merkezli sekizgen şeklindeki MIMO anten, n38 bandında 5G UE uygulamaları için tasarlanmıştır ve -25 dB'nin altında karşılıklı eşleşme elde ederek 5 dBi'den fazla kazanç elde eder. Üçüncüsü, kompakt dört elemanlı MIMO anten, LTE/Wi-Fi uygulamaları için tasarlanmıştır ve 17 dB'yi aşan yüksek izolasyon ve 0,6 b/s/Hz'den düşük kanal kapasitesi kaybı sergiler. Dördüncüsü, geniş bantlı MIMO anten, 2,1/2,3/2,6 GHz ve 2,4 GHz bantlarında çalışan dört bağlantı noktalı tek elemanlı bir tasarımdır. 2-3,0 GHz çalışma bant genişliği, -10 dB'nin altında yansıma katsayıları, sentezlenmiş pi ağları TL tabanlı eşleşme ağı kullanarak -25 dB'nin altında izolasyon ve yaklaşık 10 dB'lik bir çeşitlilik kazancı sunar. Son olarak, 5G kablosuz iletişimi için tasarlanmış, modifiye edilmiş bir Apollony fraktalı kullanan dört elemanlı bir MIMO anten, empedans bant genişliği içinde -10 dB'nin altında veya ona eşit S11 elde eder ve -20 dB'nin altında düşük karşılıklı eşleşme sağlar. Tez, karşılıklı eşleşmeyi azaltmak ve anten performansını artırmak için çeşitli eşleşme stratejileri araştırmaktadır. Bu stratejiler, anten yerleşimi ve yönlendirme, parazit elemanlar, nötrleştirme ve sentezlenmiş Pi ağları TL tabanlı eşleşme ağı topolojisini içerir. Her tasarım, simülasyonlar ve deneysel ölçümlerle kapsamlı bir şekilde değerlendirilir ve S-parametreleri, zarf korelasyon katsayısı (ECC), kanal kapasitesi, toplam aktif yansıma katsayısı (TARC) ve çeşitlilik kazancı dahil olmak üzere performans ölçütleri kullanılır. Araştırma, gelişmiş performans ölçütleri sunan kompakt MIMO antenleri tasarlamak için önerilen metodolojinin uygulanabilirliğini ve etkinliğini göstererek, bunları 5G ve ötesindeki kablosuz iletişim sistemlerinde kullanım için uygun hale getirir.
Özet (Çeviri)
The rapid growth of wireless technology has created a significant demand for the design of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antennas for wireless devices. MIMO antennas play a crucial role in meeting the requirements of current and future wireless standards, as they can maximize data rates in wireless communication systems by utilizing multiple channels within the same bandwidth. However, designing MIMO antennas for compact devices presents considerable challenges. The limited space between antennas leads to increased coupling and high correlation, which can negatively impact their performance. To address these challenges, this thesis proposes a new antenna design methodology based on MIMO performance metrics and defining antenna parameters. Existing metrics for conventional antenna systems are insufficient for fully assessing MIMO antenna performance. This methodology provides a systematic approach to optimize antenna configurations, mitigate mutual coupling, and achieve desired performance characteristics, paving the way for enhanced system capacity. The thesis introduces a novel methodology for designing MIMO antennas that relies on crucial performance metrics and defining parameters. These parameters include factors such as antenna spacing, slot dimensions, strip placements, and parasitic element sizes, which are important for meeting the requirements of modern wireless standards within the LTE and sub-6 GHz 5G bands. The research presents five distinct MIMO antenna designs, each optimized for specific requirements and validated through simulations and experimental measurements. Firstly, the dual-band Vivaldi-shaped MIMO antenna covers the 5G NR bands n78 and n79, boasting gains of over 7.63 dBi and 8.5 dBi respectively, while maintaining mutual coupling below -30 dB. Secondly, the concentric octagonal-shaped MIMO antenna is designed for 5G UE applications in the n38 band, achieving a gain of over 5 dBi and mutual coupling below -25 dB. Thirdly, the compact quad-element MIMO antenna is designed for LTE/Wi-Fi applications, exhibiting high isolation exceeding 17 dB and a channel capacity loss lower than 0.6 b/s/Hz. Fourthly, the wideband MIMO antenna is a single-element design with quad-ports, operating in the 2.1/2.3/2.6 GHz and 2.4 GHz bands. It offers an operating bandwidth of 2-3.0 GHz, reflection coefficients below -10 dB, isolation under -25 dB using synthesized pi-networks TL-based decoupling network, and a diversity gain of approximately 10 dB. Finally, a quad-element MIMO antenna utilizing a modified Apollony fractal, designed for 5G wireless communications, achieves S11 below or equal to -10 dB within the impedance bandwidth, with low mutual coupling below -20 dB. The thesis explores various decoupling strategies to mitigate mutual coupling and enhance antenna performance. These strategies include antenna placement and orientation, parasitic elements, neutralization, and synthesized Pi-networks TL-based decoupling network topology. Each design is thoroughly evaluated through simulations and experimental measurements, with performance metrics including S-parameters, envelope correlation coefficient (ECC), channel capacity, total active reflection coefficient (TARC), and diversity gain. The research demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed methodology for designing compact MIMO antennas that offer improved performance metrics, making them well-suited for use in 5G and beyond wireless communication systems.
Benzer Tezler
- Boothroyd-Dewhurst yaklaşımı ile beyaz eşyalar için hata çözümleme cihazının montaja uygun tasarımı
Design for assembly implementation of error analysis device for white goods with Boothroyd-Dewhurst approach
MEHMET TAYLAN ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
- Metamalzeme tabanlı sensörler ve bu sensörlerin mikrodalga algılamada kullanılması
Metamaterial based sensors and the use of these sensors in microwave detection
GÜLİZ SİLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Gelecek nesil kablosuz haberleşme ağları için enerji hasatlama sistemleri
Energy harvesting systems for next generation wireless communication networks
DOĞAY ALTINEL
Doktora
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- The design and development of novel ultra-wide band (UWB) antenna and filter units for RF front-end applications
RF ön uç uygulamaları için özgün, çok geniş bandlı anten ve filtre tasarımı ve geliştirilmesi
MUSTAFA İLARSLAN
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HAMİD TORPİ
YRD. DOÇ. DR. SALİH DEMİREL
- Kablosuz algılayıcı ağlar için eşik tabanlı fırsatçı paket gönderim planı tasarımı
A threshold-based opportunistic packet transmission scheme design for wireless sensor networks
HAKKI SOY
Doktora
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. MEHMET BAYRAK
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR