KFUPM ePrints

Current Engineering methods applied to the design of MIMO antenna systems

l Current Engineering methods applied to the design of MIMO antenna systems. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (PhD dissertation) - Submitted Version
Restricted to Abstract Only until 06 July 2019.

32Mb

Arabic Abstract

أجهزة الاتصالات اللاسلكية للجيل الرابع 4G والجيل الخامس 5G سوف يعتمد على تكنولوجيا متعدد-المدخلات-متعدد-المخرجات MIMO لتوفير سرعة نقل بيانات محسنة. تصميم الهوائيات لأنظمة MIMO مهمة صعبة في أي نظام اتصالات لأنها تعتمد على الخبرة السابقة وبالتالي تفتقر إلى التفسير الفيزيائي وخطوات التصميم المنظمة. بعض النظريات الحديثة مثل الاقتران الأخضر لتيار الهوائي ACGF، نظرية الأوضاع المميزة TCM، واقتران الأساسات المميزة CBF تم عرضها لتسليط بعض الضوء. هذا العمل يتركز على التقييم النقدي لجدوى جميع هذه الطرق لهندسة التيار من جهة تصميم الهوائيات العملي وتصميم هوائيات MIMO المطبوعة بالتحديد. ACGF، تعاني من معضلة أنها تعتمد على معادلة التيار التي يصعب استخراجها رياضياً من الهوائيات المطبوعة. TCM وCBF يمكن استخدامها لأي نوع هوائيات لأنها تعتمد على طريقة العزوم MoM. بمساعدة TCM، تبين أن ظهور فتحات دائري بهيكل معدني لا ينتج أي أوضاع جديدة. ظهور الفتحة يعدل أوضاع الهيكل. اعتماداً على حجم وشكل وموقع الفتحة، أوضاع مختلفة تتأثر في الهيكل. تأثير فتحات دائرية متعددة في الهيكل تم استكشافه لأول مرة. اعتماداً على تحليلنا، تم تصميم وتحليل نظام هوائيات MIMO مصغر مبني على فتحات حلقية تعمد على تحديد التردد بحجم أجهزة الهاتف. الهوائي يعرض تشغيل طيف واسع من الترددات المضبوطة من خلال تغطية العديد من معايير الاتصالات اللاسلكية المعروفة. باستخدام تحليل TCM، تم أيضاً استكشاف السلوك الفيزيائي خلف خاصية التحكم في التردد. تم تطوير طريقة منظمة بمساعدة TCM (هندسة التيار) لتوقع إذا ما كان يمكن تحسين العزل بين عناصر الهوائيات المتجاورة. تم أيضاً استكشاف سلوك تركيبات التأريض الشقي DGS عند إضافتها لتصميمات الهوائيات. DGS المصممة بعناية تنتج تيارات تعاكس اتجاه تيارات الأوضاع المميزة CM الأصلية مما يعني تقليل التأثير المتبادل. باستخدام المقاربة المقترحة، تم تحسين العزل بمعدل 11 dB لثلاثة أنواع من تصميمات الهوائيات. بمساعدة TCM، تم تبيان أن استخدام الهيكل المعدني للهاتف كعنصر إشعاع رئيسي للترددات الأكبر من 2 GHz ليس عملي ولا واقعي. لتلك الترددات، الهوائي هو مصدر الإشعاع الرئيسي. تم أيضاً استكشاف تأثير عناصر الهوائيات الحقيقية على أوضاع الهيكل المستطيل الشكل. لأول مرة، أثبتنا أن تواجد الهوائي ينتج وضع جديد تماماً للهوائي (مقارنة بمجرد التعديلات على أوضاع الهيكل كما في الأعمال السابقة). الوضع الجديد للهوائي يعتمد فقط على شكل الهوائي وهو لا يعتمد على موقع الهوائي على الهيكل (على خلاف الحال في أوضاع الهيكل). تم عرض تصميم هوائيين من نوع موجّه الموجة المضمن في المادة SIW بزاوية ميلان 10 و35 درجة (عن الاتجاه الأساسي) ومستوى إشعاع ثانوي (جانبي) SLL 7 dB على الأقل تعمل على نطاق ترددات واسع من 28.75 GHz لغاية 31.2 GHz وفق ضبط MIMO لأجهزة 5G اليدوية المستقبلية. تم تحسين الهوائي باستخدام خوارزمية الجينات GA التي تحدد موقع الفتحات اعتماداً على التحديد المسبق لكل من SLL وزاوية ميلان الإشعاع.

English Abstract

Fourth Generation (4G) and fifth Generation (5G) wireless communication devices will rely on multiple-input-multiple-output (MIMO) technology for providing enhanced data rates. Antenna design for MIMO systems is a challenging task in any communication system because it depends on past experience and thus lacks physical explanation and systematic design steps. Some recent theories like antenna current green function (ACGF), theory of characteristic modes (TCM) and characteristic basis function (CBF) were proposed to provide some insight. This work focuses on critically evaluating the feasibility of all these current engineering methods from a practical antenna design perspective and in particular in the context of printed MIMO antennas. ACGF, suffers from the issue that it relies on the current equation which is mathematically intractable for printed antennas. TCM and CBF can be used for any antenna type because they rely on the Method of Moments (MoM). With the help of TCM, it was found that the introduction of circular slots on a chassis does not generate any new modes. The presence of the slot modifies the chassis modes. Based on the size, shape and location of the slot different chassis modes are affected. The effect of multiple circular slots on the chassis modes was investigated for the first time. Based on our analysis, a miniaturized frequency agile annular slot-based MIMO antenna system was designed and analyzed for mobile sized phones. The antenna exhibits wide tuning range operation by covering several well known wireless standards. Using TCM analysis, the physical behavior behind frequency reconfigurability was also investigated. A systematic method was developed with the help of TCM (current engineering) to predict whether the isolation can be enhanced between adjacent antenna elements. The behavior of defected ground structures (DGS) when added to antenna designs was also investigated. A properly designed DGS introduces currents opposite in direction to the original characteristic modes (CM) currents thus reducing mutual coupling. Using the proposed approach, isolation was improved on an average by 11 dB for three different antenna design types. With the help of TCM, the use of the mobile chassis as the main radiating element for frequencies greater than 2 GHz is shown to be not practical nor realistic. For such frequencies, the antenna is the main radiating source. The effect of real antenna elements on rectangular chassis modes was also investigated. For the First time, we showed that the presence of the antenna generates a completely new antenna mode (compared to chassis mode modifications in other existing works). The new antenna mode only depends on the shape of the antenna and is independent of the location of the antenna on the chassis (unlike chassis modes). Two substrate integrated waveguide (SIW) antennas having a tilt of 100 and 350 (from broad side) with a side lobe level (SLL) of at least 7 dB operating over a wide frequency band from 28.75 GHz to 31.2 GHz are presented in a MIMO configuration for future 5G handheld terminals. The antennas were optimized using genetic algorithm (GA) that determines the location of the slots based on predefined SLL and beam tilt.



Item Type:Thesis (PhD)
Subjects:Electrical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor:Sharawi, Mohammad. S.
Committee Members:Iqbal Mitu Sheikh, Sharif and Karim Qureshi, Khurram and Mohammad Masoudi, Husain and Mohamed Ali Zerguine , Azzedine
ID Code:140768
Deposited By:ASIM GHALIB (g201405200)
Deposited On:08 Jul 2018 14:28
Last Modified:08 Jul 2018 14:28

Repository Staff Only: item control page