Active Integrated MIMO Antenna Design. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Active Integrated MIMO Antenna Design) MS_Thesis_Sagar_Dhar_g20120700.pdf Download (18MB) | Preview

Arabic Abstract

تعتبر الهوائيات المطبوعة ذات المنافذ المتعددة (MIMO) من أنواع الهوائيات المهمة لخصائصها المتميزة، مثل معدلات نقل البيانات العالية، جودة الإرسال والتغطية الأشمل. إن المتابع لأنظمة الاتصالات الحديثة، يلاحظ أن هوائيات MIMO ليست فقط منتشرة في الجيل الحالي من أجهزة الاتصالات (الجيل الرابع 4G) بل ويتوقع أن تنتشر بصورة أكبر في الجيل القادم (الجيل الخامس 5G ) . إن تصميم هوائيات (MIMO) يحتاج إلى موازنة عدد من خواص الهوائي مثل: الحجم، الكسب، الكفاءة، عرض النطاق ومعامل ترابط أنماط البث لعناصر الهوائية. إن العوامل المذكورة آنفا ترتبط فيما بينها ارتباطا وثيقا، يتطلب من مصمم الهوائي المفاضلة فيما بينها، مما يعقد عملية التصميم. هذه الأطروحة تقدم هوائيا ذا نطاق عريض جدا (UWB) من نوع (MIMO). كما وتتضمن الأطروحة طريقة جديدة لعزل منافذ الهوائي بدمج المضخم (RF-Amplifier) والهوائي. باستخدام هذا الدمج نتحصل على خصائص أفضل للنظام مثل الموائمة (matching) و الكسب (gain) و الكفاءة (efficiency). أيضا نقدم دراسة لخصائص عملية الدمج من خلال نموذجين من هوائيات MIMO: هوائي patch وهوائي نصف دائري للنطاقات الضيقة والعريضة بالإضافة إلى النطاقات العريضة جدا. هذه الأطروحة تقدم أيضا دراسة لعملية تصغير الهوائيات (miniaturization) من خلال دمج تصميم المضخم والهوائية. يقلل هذا التصميم من دقة متطلبات الموائمة بين الهوائي والمضخم مما يسهل تصميم هوائيات أصغر. يتم تصميم الهوائيات والمضخمات بحيث يتم الحصول على أفضل كسب وكفاءة ومعامل ضجيج في نفس الوقت. حجم الهوائي المصمم هو 0.033 من الطول الموجي عند تردد 2.45 جيجا هرتز. تم تصغير الهوائي من تردده الأصلي عند 3.54 جيجا هرتز إلى 2.45 جيجا هرتز مما وفر تصغيرا بمقدار 51%. تقدم هذه الأطروحة أيضا دارسة لإمكانية تحسين عرض النطاق لهوائي MIMO ذا نطاق ضيق باستخدام طريقة (SRFT). وخلصت الدراسة إلى أن طريقة (SRFT) تصلح للهوائيات ذات النطاق العريض بينما لا يمكن بواسطتها تحسين النطاق لهوائيات ذات نطاق ضيق ابتداء. أخيرا تتطرق الاطروحة لدراسة تحسين عزل المنافذ لهوائيات MIMO من خلال دمجها مع المضخمات. لذلك تم عرض تصميم لهوائي مكون من عنصرين لهما نطاق عريض. يشغل كل عنصر حيزا مقداره 12×24 مم مربع على لوح دارة مساحته 90×50 مم مربع مما يجعله مناسبا للهواتف المحمولة الحديثة. تتم عملية تصميم هوائي MIMO بالترافق مع تصميم المضخم مما يؤدي إلى تحسن عزل المنافذ بمقدار 7dB. تم ملاحظة تحسن في المواءمة للهوائي وبالتالي في الأداء والكسب. تم عرض جميع النتائج والتي تظهر توافقا بين نتائج المحاكاة النموذجية ونتائج القياسات المعملية.

English Abstract

Printed multiple-input-multiple-output (MIMO) antennas are of significant interest and are highly demanded because of their exotic features like providing high data throughput, better transmission quality and increased coverage due to its spatial multiplexing gain, diversity gain and array gain. Following the recent trends of communication technology, it is obvious that MIMO antennas are not only predominant in today’s 4G radio systems, they are also going to be adopted in future 5G radio systems. However, designing printed MIMO antennas incorporates a lot of parameters like size, gain, efficiency, bandwidth, isolation, envelop correlation coefficient (ECC) and so on. These parameters are highly inter-related and fierce trade-offs exist among them which makes MIMO antenna design very challenging. In this work, an ultra-wideband (UWB) active integrated MIMO antenna is presented. A new approach of port isolation is introduced by the integration and co-design of the radio frequency (RF) amplifier with the passive antennas. Better antenna performance in terms of matching, gain and efficiency is achieved through such active integrated antenna (AIA) approach. The features of this AIA approach are investigated with a patch and a semi-ring MIMO antenna for narrowband, wideband and ultrawideband scenarios. Initially, the features of antena miniaturization are investigated with a patch antenna through co-design with RF amplifiers. This approach relaxes the standalone antenna matching requirement which is of interest in miniaturized antenna designs. The amplifiers and the antennas are co-designed so that optimum performance is achieved concurrently in terms of gain, noise figure and efficiency. The antenna has the size of 0.033λ02 at 2.45 GHz where λ02 is the free space wavelength at 2.45 GHz. It is miniaturized from its natural resonance frequency of 3.5 GHz to 2.45 GHz which provides 51% of size reduction. A feasibility study of bandwidth enhancement of a narrowband MIMO antenna using simplified real frequency technique (SRFT) is presented. It is observed that the SRFT (although can be used to design wideband matching network) cannot improve the bandwidth of a narrow band structure. Finally, improvement of port isolation of MIMO antennas through the integration of active devices (RF amplifier) is presented. Thus, a UWB two-element MIMO antenna geometry is presented. Each element of the MIMO antenna system has the size of 12×24 mm2 on a substrate of 90×50 mm2 which is suitable for standard mobile terminals. Then, the MIMO antenna is co-designed with an RF amplifier as a transmitting front-end which brings a port isolation improvement of 7 dB. Better antenna matching and consequently, improved efficiency and gain of the antenna are observed. Both simulation and measurement results are presented which are in well agreement.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Sharawi, Mohammad S.
Committee Members:	Iqbal, Sheikh Sharif and Hammi, Oualid
Depositing User:	SAGAR DHAR (g201206700)
Date Deposited:	21 Apr 2015 04:55
Last Modified:	01 Nov 2019 15:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139518