Metamaterial Inspired Antenna Miniaturization for MIMO System Applications. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (PhD Dissertation) Dissertation_g201004780.pdf - Submitted Version Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

لقد تبنّت معايير تقنية الجيل الرابع للاتصالات (4G) الأنظمة ذات المداخل والمخارج المتعددة (MIMO) لتوفير معدّل نقل بيانات عالي السرعة. إن الهوائي يكوّن جزء مهم وحسّاس من هذه الأنظمة لكي تعمل بنجاح وفاعلية. بالإضافة إلى حاجة هذه الأنظمة إلى عزل عالي الكفاءة بين العناصر المكوّنة للهوائي لكي تمنع التداخل بينهم. يجب على هذه الهوائيّات أن لا تحتل حيزاً كبيراً وأن تؤدي غرضها بأقل كلفة ممكنة ويجب عليها أيضاً أن يتناسب تصميمها وحجمها لوضعها داخل الأجهزة اللاسلكية. هذه المعطيات تجعل من تصميم الهوائيّات للأنظمة ذات المداخل والمخارج المتعددة أمراً صعباً، حيث يُعتبر الهوائي من أكبر الأجزاء في أجهزة الاتصالات. إن الحجم الإعتيادي للهوائي يكون نصف الطول الموجي المطابق للتردد الذي يعمل عليه النظام، وتصغير حجم الهوائي إلى أقل من هذا الحد سوف يؤثّر سلباُ وبشكل كبير على خصائصه وعمله. إن محاولة وضع عدّة عناصر للهوائي في أنظمة المداخل والمخارج المتعددة في مساحة صغيرة هو عمل صعب جداً، وهذا الوضع ساعد على تطوير تقميات تصغير الهوائيّات من دون التأثير على خصائصها. هذه التقنيات سوف تصغّر من حجم الهوائيات إلى أقصى حدٍّ ممكن مع إبقاء جودة عمل الهوائي ضمن الحد المقبول. في هذا العمل، تم تصميم هوائيّات لأنظمة المداخل والمخارج المتعددة للعمل على عدّة مقاييس وترددات بين 700 ميقاهرتز إلى 6 قيقاهرتز. جميع الهوائيّات تم تصميمها على سطح مستوٍ ولا تحتل حيزاً كبيراً وذات كفاءة مقبولة. وتم استخدام الهوائيّات ذات القطع السطحية المعدّلة (MPAs) كعناصر لهوائي النظام. وأيضاً تم وضع طريقة مستوحاة من المواد الخارقة (MTM) تستخدم مرنان مصنوع من قطه حلقية مكمّلة (CSRR) لتصغير الهوائيّات. تم في البداية دراسة واستكشاف الطريقة ثم تطبيقها على الهوائيّات. تم تصغير الهوائي بنجاح بنسبة 80% للعمل على التردد 700 ميقاهرتز وبنسبة 65% على التردد 5 قيقاهرتز. تم في هذا البحث استخدام الهوائيّات المصغّرة لصنع هوائي ذو عنصريين لأنظمة المداخل والمخارج المتعددة (MIMO) للعمل على النطاق المنخفض لتقنية ال(LTE)، وتم استخدامهم أيضاً لصنع هوائي ذو 4 عناصر لأنظمة (MIMO) للعمل على نطاق (ISM) وأيضاً لصنع هوائي ذو 8 عناصر لأنظمة ال(MIMO) للعمل على نطاق الشبكة اللاسلكية (WiFi). جميع التصاميم ذات أحجام صغيرة ويمكن استخدامها في الأجهزة الذكية صغيرة الحجم. وتم في هذا البحث أيضاً استخدام طريقة أخرى مستوحاة أيضاً من المواد الخارقة (MTM) لزيادة العزل بين عناصر الهوائيّات. الطريقة سهلة التطبيق وتوفّر عزل بمقدار 5 ديسيبل بين العناصر المكوّنة للهوائي.

English Abstract

Fourth generation (4G) wireless communication standards have adopted multiple- input-multiple-output (MIMO) systems to cater for high data rate requirements. For a successful implementation of these standards, the antenna of MIMO systems is an important design consideration. The MIMO systems require that their antenna with multiple elements should have high port isolation and low correlation between it elements. The wireless devices, where these systems are implemented require that their antenna must be low-profile and fit within the enclosing of the device. Together, these restrictions make the design of antennas for the MIMO systems a challenging task. Antenna is still one of the largest parts of any communication device. A standard antenna dimension correspond to half-wavelength of its operating frequency. Decreasing the size of antenna beyond this limit severely degrades its radiation characteristics. For MIMO systems, accommodating multiple antenna elements in a limited space is therefore a serious issue which require that the novel antenna miniaturization techniques be developed. These techniques should try to reach the best possible practical limit of small antennas while maintaining reasonable radiation characteristics. In this work, antennas for MIMO systems are designed for various standards between 0.7 GHz to 6 GHz. All the designed antennas are planar, low-profile and uses modified microstrip patch antennas (MPAs) as the elements. A metamaterial (MTM) inspired technique is proposed which uses the complementary split-ring resonator (CSRR) for MPA miniaturization. We first thoroughly investigate the miniaturization technique and then develop design procedures based on it. An 80% miniaturization in the patch area is achieved using the proposed method in the 700 MHz band and 65% miniaturization is achieved in the 5GHz band. The miniaturized MPA thus developed are used to design 2-element MIMO antenna systems in the lower LTE band, 4-element MIMO antenna systems in the ISM band and 8-element MIMO antenna systems in the WiFi band. All the designs are highly compact and conform to the dimensions of a standard wireless device. An MTM-inspired isolation enhancement technique is also used with the proposed antennas. The technique is simple to implement and give a minimum increase of 5 dB in the isolation between antenna elements.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Sharawi, Mohammad S.
Committee Members:	Al-Sunaidi, Mohammed Abdulaziz and Iqbal, Sheikh Sharif and Muqaibel, Ali and Mittra, Raj
Depositing User:	KHAN MUHAM UMAR (g201004780)
Date Deposited:	15 Feb 2015 04:49
Last Modified:	01 Nov 2019 15:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139445