Σχεδίαση εκτυπωμένων κεραιών ΜΙΜΟ κατάλληλων για ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς

Σουρίλας, Γεώργιος

Printed MIMO antennas design for the next-generation wireless networks

Διπλωματική εργασία

Author

Σουρίλας, Γεώργιος

Date

2021-07-09

Advisor

Voudouris, Konstantinos

Διπλωματική εργασία (7.182Mb)

Keywords

5G ; MIMO ; Διαμόρφωση λοβού ακτινοβολίας ; CST ; ADS ; Κεραίες μικροταινίας ; Ασύρματα δίκτυα ; Στοιχειοκεραίες

Abstract

Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η μελέτη σχεδίασης εκτυπωμένων κεραιών ΜΙΜΟ κατάλληλων για προηγμένα ασύρματα δίκτυα. Η μελέτη περιλαμβάνει την ανάλυση του απαραίτητου θεωρητικού υπόβαθρου και στη συνέχεια με την χρήση λογισμικών κατασκευάζεται μια διάταξη που μπορεί να λειτουργήσει αποτελεσματικά στο φάσμα των συχνοτήτων του 5G. Το πρώτο κεφάλαιο της εργασίας αφιερώνεται στην ανάλυση των βασικών παραμέτρων που διαθέτει οποιαδήποτε κεραία με κύριο σκοπό να αποσαφηνιστούν οι έννοιες χαρακτηριστικών όπως το διάγραμμα ακτινοβολίας, η ισχύς, η κατευθυντικότητα και η απόδοση μιας κεραίας. Οι παραπάνω έννοιες του κεφαλαίου αλλά και όσων ακολουθούν περιγράφονται με μαθηματικούς τύπους και σχετικές εικόνες. Εν συνεχεία, στο δεύτερο κεφάλαιο εξετάζονται τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας μιας κεραίας που παύει να είναι μεμονωμένο στοιχείο αλλά αποτελείται από ένα πλήθος στοιχείων. Είναι φανερό πως το κεφάλαιο αναφέρεται στις στοιχειοκεραίες όπου η χρήση τους αποτελεί μονόδρομο για τη δημιουργία ασύρματων δικτύων νέας γενιάς καθώς κύρια απαίτηση είναι η διαμόρφωση του λοβού ακτινοβολίας της κεραίας. Αμέσως μετά, το τρίτο κεφάλαιο αποτελεί εκτενή ανάλυση των κεραιών μικροταινίας με ιδιαίτερη έμφαση στην σχεδίαση τετραγωνικών εκτυπωμένων κεραιών και του κυκλώματος τροφοδοσίας τους. Τα συστήματα επικοινωνιών υψηλών αποδόσεων με τεράστια επιτυχία υποστηρίζονται από κεραίες μικροταινίας οι οποίες διαθέτουν πολλά πλεονεκτήματα και κατασκευάζονται πλέον εύκολα με τις σύγχρονες τεχνολογίες τυπωμένων κυκλωμάτων. Το τέταρτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στην πέμπτη γενιά τηλεπικοινωνιακών δικτύων (5G) περιγράφοντας τόσο τα πλεονεκτήματα και την ανάγκη να εξελιχθούν οι τηλεπικοινωνίες αλλά και τις απαιτήσεις των χαρακτηριστικών που θέτουν μια κεραία ικανή να υποστηρίξει ένα τέτοιο δίκτυο. Το σημαντικότερο κομμάτι του κεφαλαίου είναι η περιγραφή της MIMO λειτουργίας μιας συστοιχίας κεραιών. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η ανασκόπηση σύγχρονων δημοσιεύσεων όσο αναφορά την σχεδίαση εκτυπωμένων κεραιών. Το κεφάλαιο αυτό οδηγεί στη σχεδίαση μιας κεραίας μικροταινίας 4Χ4 στοιχείων τετραγωνικής διάταξης, με συχνότητα λειτουργιάς τα 3.6 GHz, η οποία στο έκτο κεφάλαιο με χρήση των λογισμικών CST και ADS σχεδιάζεται και προσομοιώνεται η λειτουργία της, ώστε να γίνουν προτάσεις για βελτιστοποιήσεις της διάταξης. Τέλος, παρουσιάζονται τα σχόλια για τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των λογισμικών, προβληματισμοί και ιδέες για την χρήση της κεραίας με προτάσεις μελλοντικής έρευνας.

Abstract

This thesis presents the design study of printed MIMO antennas suitable for advanced wireless networks. The study involves the analysis of the necessary theoretical background and then, with the use of software, a device was built that can work effectively in the range of 5G frequencies. The first chapter is devoted to the analysis of the basic parameters held by any antenna, with the main purpose of clarifying the concepts of characteristics such as radiation diagram, power, directivity and performance of an antenna. The above concepts and everything that follows are described with mathematical formulas and related images. Furthermore, in the second chapter, the characteristics of the radiation of an antenna that ceases to be an individual element but consists of a multitude of elements are examined. It is obvious, that the chapter refers to elementary antennas, where their use is an one-way street for the creation of new generation wireless networks and as the main requirement, is the configuration of the antenna radiation lobe. The following chapter, is an extensive analysis of microstrip antennas with particular emphasis, on the design of rectangular printed antennas and their feed circuit. High-performance communication systems are successfully supported by microstrips antennas that have many advantages and are now easily manufactured using modern printed circuit technologies. The fourth chapter, focuses on the fifth generation of telecommunications networks (5G) describing both the advantages and the need to evolve telecommunications, but also the requirements of the features that set an antenna capable of supporting such a network. The most important part of the chapter is the description of the MIMO function of an antenna array. In the fifth chapter, contemporary publications are being reviewed and the design of printed antennas is referred. This chapter, leads to the design of a 4x4 quadratic device microstrip antenna with an operating frequency of 3.6 GHz, which in the sixth chapter, with the use of CST and ADS software, it is designed and simulated its operation in order to make suggestions for optimizations of the device. In conclusion, comments are presented on the results of the software simulations, reflections and ideas for the use of the antenna, with suggestions for future research.