Design of Massive MIMO Antenna System for 5G Base Stations

Design of Massive MIMO Antenna System for 5G Base Stations. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.


Download (29MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذا العمل، قمنا بتوفير حل مبتكر لأنظمة هوائيات أبراج الاتصالات المستقبلية. أنظمة هوائيات أبراج الاتصالات المستقبلية سيكون لديها قدرات قوية مثل تزويد إشعاعات متعددة متزامنة لعدد كبير من المستخدمين لتحسين جودة الاتصال وزيادة إنتاجية البيانات. مفهوم نظام متعدد-المدخلات-متعدد-المخرجات كبير (mMIMO) سيتم تحقيقه. التصميم المعروض هو الأول الذي يزود نطاقين من التشغيل؛ نطاق منافذ متعددة تعمل لوحدها ونطاق تحديد اتجاه الإشعاع لأنظمة أبراج هوائيات الجيل الخامس 5G. تم عرض نظام هوائيات mMIMO بـ72 منفذ مع قابلية توجيه الإشعاع لأبراج اتصالات 5G. كل جانب من نظام هوائيات ثلاثي الشكل يحتوي ثلاث طبقات مع حجم 44.4×29.6×0.1524 سنتيميتر مكعب، ويحتوي على 24 منفذ. كل منفذ (مصفوفة جزئية) يحتوي 2×2 هوائي patch على الطبقة العلوية، خطوط التغذية مع phases تم حسابها مسبقاً على الطبقة السفلية وطبقة الأرضي في المنتصف. تردد التشغيل هو نطاق 3.6 جيجاهيرتز المحتمل للـ5G. كل مصفوفة جزئية (منفذ واحد) تم تغذيته بطريقة لإمالة اتجاه الإشعاع بالنسبة للمنافذ الأخرى تحقيق قنوات غير مترابطة. تم تصنيع وقياس التصميم للتحقق من أدائه. أقل عرض للنطاق تم قياسه هو 100 ميجاهيرتز. مقدار الكسب ل منفذ واحد يصل إلى 9.4 dBi. مقدار مربع معامل الترابط لا يتجاوز 0.12. المصفوفة المصممة تعمل على نظامين؛ نظام MIMO كبير و mMIMO موجهة الإشعاع. نظام حلول حسابي لتوجيه الإشعاع لكل جهة بـ24 منفذ لعدة اتجاهات بالفضاء تم اشتقاقها وتطبيقها. 12 إشعاع تم الحصول عليها مع تغطية بارتفاع 30 درجة. الكسب الكلي للمصفوفة تهبط من 18.9 dBi بالاتجاه العمودي إلى 11.93 dBi باتجاه ارتفاع 30 درجة. الإشعاع الجانبي أيضاً انخفض من 11.2 dBi إلى 4.53 dBi. عرض الإشعاع بنصف القدرة (HPBW) تقريباً 9 درجات بالاتجاه العمودي، و20 درجة ارتفاعاً و26 درجة عرضاً باتجاه ارتفاع 30 درجة.

English Abstract

In this work, we provide a novel solution for future base station antenna systems. Future base station antenna systems will have powerful capabilities such as providing multiple simultaneous beams to large number of users to enhance the link quality and increase data throughput. The concept of massive multiple-input-multiple-output (mMIMO) weill be implemented. The presented design is the first to provide two modes of operation; namely multiple individual ports mode and beam switching mode for future 5G base station systems.\\ A 72 port mMIMO antenna system with switch beamsteering capability is presented for 5G base stations. Each side of the triangular antenna system consists of 3 layers with a total size of 44.4$\times$29.6$\times$0.1524 cm$^3$, and contains 24 ports. Each port (subarray) consists of 2$\times$2 patches on the top layer, feeding lines with pre-calculated phases on the bottom layer and the ground layer is the middle one. The operating frequency is the potential 5G 3.6 GHz band. Each subarray (one port) is fed in a way to tilt its beam direction with respect to others to achieve uncorrelated channels. The design is fabricated and measured to test its performance. The minimum measured bandwidth is 100 MHz. The gain of a single port equals to 9.4 dBi. The envelop correlation coefficient does not exceed 0.12.\\ The array operates in two modes; large MIMO and Beamsteered mMIMO. An algorithm to steer the beam of each 24-port side to different directions in space is derived and applied. 12 switched beams are obtained with elevation coverage up to 30 $^o$. The total gain of the array dropped from 18.9 dBi at broadside direction to 11.93 dBi at 30 $^o$ in elevation. The sidelobes also dropped from 11.2 dBi to 4.53 dBi. The half-power beamwidth (HPBW) is about $9\ ^o$ at broadside, and it is 20 $^o$ in elevation direction and 26 $^o$ for the azimuth one in the direction of 30 $^o$ beam.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Electrical
Department: College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor: Sharawi, Mohammad
Committee Members: Masoudi, Husain and Muqaibel, Ali
Depositing User: MONJED AL-TARIFI (g201409440)
Date Deposited: 19 Jul 2017 05:21
Last Modified: 31 Dec 2020 06:41