Design of a Pattern Reconfigurable Massive MIMO Antenna for 5G Technology

Design of a Pattern Reconfigurable Massive MIMO Antenna for 5G Technology. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Thesis_Final_Version_1.pdf
Restricted to Repository staff only until 25 December 2020.

Download (11MB)

Arabic Abstract

كميات معدلات البيانات في زيادة حادة مع مرور الوقت. وعدد الأجهزة المتصلة بالشبكة يزداد أيضا زيادة حادة مع مرور الوقت. ستتمكن شبكات الجيل الخامس, التي تستخدم التقنيات المتقدمة مثل استخدام أنظمة MIMO الضخمة, ومع استخدام المعايير اللاسلكية المتقدمة, من خدمة هذا العدد الهائل من معدلات البيانات والأجهزة المتصلة بالشبكة. و بالتالي, تعد المساهمات في تقنية الجيل الخامس مهمة جدا لشبكات الاتصال المستقبلية. لذلك, تم اقتراح نظام MIMO ضخم مع أنمطة إشعاعات مختلفة عند 3.6 جيجا هيرتز ومع أداء محسن مقارنة بتصميمات MIMO سابقة, تم تقديمه وعرضه في هذه الأطروحة. إن العنصر الفردي في هذا النظام MIMO الضخم هو عبارة عن هوائي مكون من فتحات تم حذفها من أساس الهوائي المصنوع من النحاس, وهذا الهوائي له ثمانية أنماط إشعاعية تتجه إلى اتجاهات مختلفة عند التردد 3.6 جيجا هيرتز. هذا الهوائي تم تصميمه مع حجم صغير وارتفاع منخفض. بالإضافة إلى ذلك, وفي اتجاه دعم تقنية الجيل الخامس, تم اقتراح وتقديم هوائي جديد بحجم مناسب مع القدرة على إعادة تشكيل الأنماط الإشعاعية وقد صمم ليعمل في تطبيقات إنترنت الأشياء. حجم هذا الهوائي هو مثل حجم بطاقة الائتمان بحيث يكون مناسبا لاستخدامه في بعض التطبيقات التي يحتاج فيها عامل في مصنع مثلا أن يضع هذا الحساس في جيب القميص. التردد لهذا الهوائي هو 868 ميجا هيرتز مع ثلالة أنماط إشعاعية مختلة ومع عرض نطاق ترددي متداخل لهذه الأنماط الثلاثة قدره 10 ميجا هيرتز, وهذا كافي لتطبيقات إنترنت الأشياء. التشابه بين الأنماط الإشعاعية هو أقل بكثير من 0.5. يتكون الهوائي من فتحتين تم قطعها من أساس الهوائي النحاسي ومن هوائي أحادي القطب. وقد استنتجنا أن إشعاعات الفتحات هي أقل تأثرا بقرب اليد وبالغلاف البلاستيكي حول الهوائي إذا ما قورنت بالهوائي أحادي القطب. بالإضافة إلى ذلك, تم اقتراح وتقديم هوائي جديد بحجم صغير ومظهر منخفض وهو يحتوي على 4 فتحات مقطوعة من أساس الهوائي النحاسي. هذا الهوائي قادر على إشعاع 8 أنماط مختلفة عند التردد 2.3 جيجا هيرتز و 8 أنماط مختلفة عند التردد 3.7 جيجا هيرتز. يمكن استخدام هذا الهوائي لمعرفة أماكن تواجد النفط في مناطق واسعة. وأخيرا, تم اقتراح هوائي جديد ومناسب الحجم يحتوي على أربع فتحات في الأساس النحاسي ويمكن استخدامه في تطبيقات الدرونز المستقبلية. هذا الهوائي قادر على إشعاع 4 أنماط مختلفة عند التردد 3.7 جيجا هيرتز و 4 أنماط مختلفة عند التردد 5.2 جيجا هيرتز. تدعم جميع الهوائيات التي صممت وعرضت في هذه الأطروحة نطاقات وتطبيقات الجيل الخامس المستقبلية, ويتم التحكم بها جميعا كهربائيا. كما أن المادة البلاستيكية المستخدمة في جميع الهوائيات المصصمة في هذه الأطروحة هي مادة بلاستيكية لها سعر منخفض لتخفيض تكلفة تصنيع هذه الهوائيات.

English Abstract

The amounts of data rates is increasing sharply with time. In addition, the number of connected devices to the network is increasing sharply with time. 5G networks with the use of advanced technologies such as the use of massive MIMO systems, and with the use of developed wireless standards will be able to serve this huge number of data rates and connected devices to the network. Hence, contributions to 5G technology is very important for the future communication networks. Therefore, one pattern reconfigurable 4Χ4 massive MIMO slot-based antenna at 3.6 GHz with a size of 21 Χ 21 Χ 2 cm^3 and with an enhanced performance compared to previous mMIMO designs was proposed and presented in the work of this thesis. The used single element in the mMIMO is a compact and low-profile pattern reconfigurable slot-based antenna with 8 different directional patterns at 3.6 GHz. In addition, and in the direction of supporting 5G technology, a new compact and low-profile pattern reconfigurable antenna for IoT applications was proposed and presented. The size of this antenna is like the size of a credit card, such that it is suitable to be used for some specific applications where it is required to put the antenna in the pocket of a worker in a factory for example. The resonant frequency of the antenna is 868 MHz with three different patterns and with an overlapped bandwidth of 10 MHz; which is enough for IoT applications. The ECC between the three patterns are well below 0.5. The antenna is composed of two slots and one monopole, and it was concluded that the slot radiating elements are less sensitive to hand and plastic casing effects compared to monopole radiating elements. In addition, one compact and low-profile pattern reconfigurable slot-based antenna with 8 different patterns at 2.3 GHz, and 8 different patterns at 3.7 GHz was proposed and presented. This antenna can be used to localize the locations of oil wells in a large area. Finally, a new, compact and low-profile pattern reconfigurable slot-based antenna was proposed for future drones. The antenna has 4 different patterns at 3.7 GHz and 4 different patterns at 5.2 GHz. All the antennas designed in this work supports future 5G technology bands and applications, and all of them are controlled electrically. The used substrate for all antennas is FR-4 substrate.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Electrical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor: Zerguine, Azzedine
Committee Members: Zidouri, Abdelmalek and Sheikh, Sharif and Hussain, Rifaqat
Depositing User: SAEED HAIDHAH (g200927890)
Date Deposited: 30 Dec 2019 15:47
Last Modified: 30 Dec 2019 15:47
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141376