Reconfigurable MIMO antenna system with Direction finding Capability for Cognitive Radio Platforms. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Rifaqat_Ph_D_Thesis_g201004860.pdf - Accepted Version Download (41MB) | Preview

Arabic Abstract

إن ثورة تقنية الراديو المعرفي والذي يقوم فيه طرف الإرسال بالتحقق من الترددات التي يتم استخدامها والتي لايتم استخدامها ويقوم المرسل بتغيير تردد النظام إلى تردد متاح للاستخدام سيتم استخدامها في المستقبل القريب للاستفادة قدر الإمكان من النطاق الترددي المقدم من تقنيات 4G/5G. إن أول جزء من تقنية الراديو المعرفي يتكون من هوائي استشعار لفحص النطاقات الترددية وأنتنا أخرى قابلة للتشكل والتغير والتي ستقوم بعملية الاتصال بعد تهيئتها للعمل على نطاق معين. إن الهوائيات القابلة للتغير ذات المداخل والمخارج المتعددة سيتم استخدامها في أنظمة الراديو المعرفي للخروج بنظام ذو إمكانات عالية. هذا العمل موجه لتصميم هوائي قابل للتغير ذو مداخل ومخارج بطريقة جديدة وجعل النظام يتمتع بقدرة على تحديد مكان المرسل لأنظمة الراديو المعرفي. جميع عناصر الهوائي ومجسمات المايكروويف لإيجاد المرسل مصممة لأن تكون مسطحة وذلك يجعل من وضعها في الدوائر والأنظمة المعقدة أمرا سهلا آخذين بالاعتبار ضرورة الحصول على أصغر الأحجام وذلك لإضافتها للأجهزة اللاسلكية الصغيرة. إن التردد المستهدف هو نطاق الشبكة اللاسلكية من 700 ميجاهرتز إلى 3 جيجا هرتز. إن عملية تصميم هوائي الاستشعار عملا صعبا وتحديا كبيرا، خصوصا مع محدودية المساحة المتوفرة بالأجهزة اللاسلكية. زيادة على هذا التحدي، إن تصميم نظام مبني على شبكات الراديو لتحديد مصدر الإرسال ودمجه مع بيئة الراديو المعرفي تحدي آخر خصوصا أن هذا الدمج أصبح مطلبا للجيل الثاني من أنظمة الراديو المعرفي والذي لا يتوفر غالبا في الأنظمة القديمة. في هذا العمل، سيتم بحث عدة تصاميم ذات عنصرين أو أربعة عناصر للهوائيات القابلة للتغيير، وسيتم تقييم أدائهم أيضا. تم اقتراح هوائي استشعار ذو نطاق عريض للترددات بين 700 ميجا هرتز و3 جيجا هرتز وذات حجم صغير. تم دمج هوائيات ذات عنصرين وقابل لإعادة التشكل على نمط المداخل والمخارج المتعددة مع هوائي استشعار ذو نطاق عريض لتوفير حل متكامل لأنظمة الراديو المعرفي. تم تطوير نسختين من هذا النظام المتكامل على مادة ذات أبعاد 60×120 مم2. وتم أيضا تقديم دائرة كهربائية بتقنية المايكروويف لتحديد جهة الارسال مبنية على نظم المداخل الستة لتغطية الترددات من 1.68 – 2.25 جيجا هرتز. أكبر خطأ في تحديد زاوية المرسل كان بمقدار 16oدرجة. هذا العمل يقدم أول نظام متكامل باحتوائه على هوائي الاستشعار إضافة إلى الهوائيات القابلة للتغيير ذات المداخل والمخارج المتعددة مبنية على قطعة واحدة ذات حجم صغير وتغطي الترددات السابق ذكرها مع القدرة على تحديد اتجاه المرسل بموجات الراديو.

English Abstract

In the near future, the revolutionary technique of cognitive radio (CR) will be adapted for efficient spectrum utilization in 4G/5G wireless standards. The front end of a CR consist of a sensing antenna for spectrum scanning and a reconfigurable antenna for communication and band selection purposes. Multiple-input multiple-output (MIMO) recon_ reconfigurable antennas are used in CR platforms to enhance the throughput of such systems. This work is aimed to design a novel recon_ reconfigurable MIMO antenna system with direction finding capabilities for cognitive radio platforms. All antennas elements and the microwave structure for direction finding are intended to be planar in structure for easy integration with the IC's and other low profile components to be accommodated within wireless handheld devices. The frequency of interest is the wireless band covering 700 MHz and 3 GHz. The design of sensing and reconfigurable antenna systems to cover 0.7-3 GHz is a challenging job because of the limited size of wireless handheld devices. Moreover, the design of a compact radio frequency (RF) based direction finding (DF) system and its integration with CR platforms is another challenging task especially that it became a requirement in second generation cognitive radios and such integration is rare to find in literature. In this work, several 2-element and 4-element reconfigurable MIMO antenna de-signs have been investigated in details and their performance metrics are assessed. An ultra-wideband(UWB) sensing antenna is proposed for frequency bands between 0.7-3 GHz with compact size. A 2-element reconfigurable MIMO antenna system is integrated with an UWB sensing antenna to form a complete integrated solution for CR platforms. Two versions of the integrated designs are presented with a substrate size of 60_120 mm2. A microwave direction finding (DF) circuit based on the six-port passive system is presented in this work. Single and dual angle resolution compact six-port structures are designed to cover the wide frequency bands from 1.68-2.25 GHz to allow for direction finding capabilities both in 2D and 3D. The maximum error obtained was 16o. This work presents the first compact integrated reconfigurable MIMO antenna sys-tem along with an UWB sensing antenna on a single substrate with compact size covering the aforementioned frequency ranges along with direction finding capability. The antenna systems were tested for system level performance with six-port circuit for radio frequency direction finding.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Sharawi, Mohammad
Committee Members:	Mittra, Raj and Masoudi, Husain and Sheikh, Sharif and Muqaibel, Ali
Depositing User:	HUSSAIN RIFAQAT (g201004860)
Date Deposited:	06 May 2015 05:52
Last Modified:	01 Nov 2019 15:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139488