Design and Fabrication of a MIMO Antenna System for 4G Wireless Handsets. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Mohammad_Azam_Jan_200601820.pdf Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

سوف يقوم الجيل الرابع من الاتصالات اللاسلكية والمسمى التطورطويل الأمد بتزويد المستخدم بمعدل ارسال واستقبال بيانات أعلى٬ فاعلية اكبرومعدل تباطىء اقل عن طريق استخدام التكنولوجياالجديدة والمتمثلة فى الاستخدام المتعدد للترددات المتعامدة والشفروالتحميل المتغيروثالثا عن طريق استخدام تكنولوجيا تعدد المدخلات والمخرجات . باقة ٧٠٠ ميغاهرتزسوف يتم استخدامها لأنظمة التطور طويل الأمد بالولايات المتحدة. هناك تحدى حقيقى فى تصميم عدة هوائيات فى أجهزة المحمول لهذه الباقة من الترددات نظرًا لطول موجتها. ان الحاجة لتصميم هوائيات جديدة لأنظمة تعدد المدخلات والمخرجات مع عزل كافى هوالذى سوف يعطى الجيل الرابع قدرته الحقيقية. في هذه الرسالة٬ نقدم هوائى مطبوع فريد من نوعة على شكل ٤ بالانجليزية و يغطى حزمتان من الترددات الراديوية. هذا الهوائى سوف يستخدم على شكل مصفوفة ٢×١ و ٢×٢ لأجهزة متعددة المدخلات والمخرجات. البرنامج المستخدم فى نمذجة هذا الهوائى هو HFSS وقد تم تصميم الهوائى وتعديله ومن ثم طباعته و فحصه فى المختبر المايكروويف فى قسم الهندسة الكهربائية فى الجامعة الملك فهد. برنامج آخر تم استخدامه MATLAB لتحليل النتائج ورسمها بيانيا. ان الهوائى المصمم المصفوفة ٢×١ يعمل بحزمة الترددات ٨١٥ ميغاهرتز و ٢٧٥٠ ميغاهرتز و بسعة dB 6- مقدار ٦٠ ميغاهرتز و ٢٠٠ ميغاهرتز على التوالي. العزل بين الهوائيين كان أكثر من dB6 و dB 11 للحزمتى التردد على التوالي. يجب الاخذ بعين الاعتبار ان المسافة مابين الهوائيين كانت اقل من ١٦⁄١ الطول الموجى. لقد تم تصنيع مصفوفة الهوائيات على لوح من ماركة FR-4 بحجم ١٫٥٦ × ٦٧ × ٥٠ ملم ٣. هذا الحجم أقل ب٣٥٪ من معظم الهوائيات الواردة فى الاعمال السابقة. أما المصفوفة ٢×٢ لنظام تعدد المدخلات والمخرجات والعاملة بحزمة ترددات ٧٠٠ ميغاهرتز فإنها الأول من نوعها فى الاعمال المنشورة عالميا. لقد تم تصنيعها على لوح من ماركة FR-4 بحجم ١٫٥٦ × ١١٠ × ٥٥ ملم ٣. تغطى هذه الهوائيات الترددات ٧٣٤ – ٧٩٠ ميغاهرتز و ٢٣٠٧ – ٢٤٧٥ ميغاهرتز. هذه الحزم هى معمول فيها فى الجيل الرابع للهواتف النقالة والانترنت المتحركة. لقد تم الحصول على عزل بمقدار dB7 لمعظم الهوائيات. عدة طرق لتحسين العزل تم دراستها و تطبيقها لتحسين أداء المصفوفة. لقد تم التوصل ان تحسين أداء العزل محدود لمصفوفة بهذه التقارب مابين عناصرها له حده لا يمكن تجاوزه بالطرق المعهودة. مع ذالك٬ فقد تم مقارنة أداء المصفوفة مع مثيلاتها ممن تم نشرها٬ والأداء فى حزمة التردد ٧٠٠ ميغاهرتز للمصفوفة المطروحة فى هذا العمل لا يوجد لها مقارن.

English Abstract

The 4th generation in the wireless evolution is called the Long Term Evolution (LTE) which will provide higher peak data rates, higher spectral efficiency and lower latency taking advantage of the latest enabling technologies such as Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), Adaptive modulation and coding (AMC) and Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technologies. The 700 MHz band will be primarily used for LTE systems in the USA. Due to the larger wavelength, the design of multiple antennas on small handsets is a real challenge. The need for novel small size MIMO antenna systems with high isolation is of great importance to bring 4G capabilities to reality. In this work we propose a novel 4-shaped dual band antenna geometry which is then used to design and implement 2x1 and 2x2 MIMO antenna systems. The commercial software High Frequency Structure Simulation (HFSS) was used to design, simulate and optimize the antenna models which were then fabricated through a PCB manufacturer. The available equipment and measurement setups in the Microwave Laboratory at KFUPM were used to test and characterize the fabricated antennas. MATLAB was extensively used to analyze and plot the measurement data files and compare simulation with measurement results. The fabricated 2x1 dual band MIMO antenna system operated at 815 MHz and 2.75 GHz providing -6dB bandwidth of 60 MHz and more than 200 MHz at the two bands, respectively. Isolation of more than 6 dB at the low band and 11 dB at the high band was achieved despite the limited spatial separation between the two antennas of only λ/16. The 2x1 dual band MIMO antenna was fabricated on an FR-4 substrate of size 50x67x1.56 mm3 which is at least 35% smaller than some models that appeared in literature. The fabricated 2x2 MIMO antenna system operating at the 700 MHz band was the first to appear in literature covering this low band and was fabricated on an FR-4 substrate of size 55x110x1.56 mm3. It covered the 734-790 MHz band and the 2307-2475 MHz band, enabling its use in MIMO systems for the LTE 700 MHz band and other wireless standards in the 2400 MHz band such as WLAN, WiMAX, as well as higher LTE frequency bands. Isolation of more than 7 dB was achieved for most of the antenna elements indicating acceptable MIMO performance. Several isolation enhancement techniques were implemented and evaluated. It was found that improving isolation between such closely spaced antenna elements presents a challenge and conventional techniques may not prove very useful. The performance of the designed antennas was compared against their counterparts that appeared in literature.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Sharawi, Mohammad S.
Committee Members:	Masoudi, Husain M. and Alsunaidi, Mohammad A.
Depositing User:	Mohammad Azam Jan (g200601820)
Date Deposited:	28 Jun 2011 08:24
Last Modified:	01 Nov 2019 15:29
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138477