Σχεδίαση εκτυπωμένων κεραιών MIMO κατάλληλων για ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς

Γκιώνης, Ιωάννης

Printed MIMO antennas design for the next generation wireless network

Διπλωματική εργασία

Author

Γκιώνης, Ιωάννης

Date

2022-12

Advisor

Voudouris, Konstantinos

Διπλωματική εργασία (5.599Mb)

Keywords

5G ; Δίκτυα 5G ; Στοιχειοκεραίες ; MIMO ; Κεραίες μικροταινίας ; CST-STUDIO ; Ασύρματες επικοινωνίες ; Διαγράμματα ακτινοβολίας

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σκοπό την μελέτη και την ανάλυση κεραιών MIMO για ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς 5G. Η μελέτη περιλαμβάνει καλή γνώση θεωρίας στοιχειοκεραιών και επιπλέον εξοικείωση με το λογισμικό CST-STUDIO για την προσωμείωση της κεραίας. Το πρώτο κεφάλαιο ξεκινά με βασικές παραμέτρους των κεραιών, όπως τα χαρακτηριστικά ενός διαγράμματος ακτινοβολίας, το κέρδος, η κατευθυντικότητα είναι έννοιες που θα πρέπει κάποιος να γνωρίζει για την υλοποίηση μιας τέτοια είδους κατασκευής. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά της στοιχειοκεραίες που είναι βασικό κομμάτι της διπλωματικής εργασίας. Είναι φανερό πως οι στοιχεοκεραίες είναι το επίκεντρο για την δημιουργία ασυρμάτων δικτύων νέας γενιάς διότι μπορούν να σαρώνουν και στις τρεις διαστάσεις του χώρου. Επιπλέον γίνεται περιγραφή και άλλων στοιχειοκεραιών όπως η ευρύπλευρη και η ακροπυροδοτική στοιχειοκεραία καθώς και η ανάλυση σε πίνακες για διάφορους υπολογισμούς. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή για μικροταινιακές κεραίες και τους διάφορους τρόπους τροφοδοσίας τους. Είναι φανερό ότι μια τέτοια είδους κατασκευή έχει αρκετά πλεονεκτήματα σε συστήματα επικοινωνιών υψηλών αποδόσεων διότι είναι χαμηλού προφίλ, χαμηλού βάρους, με σύγχρονη τεχνολογία τυπωμένων κυκλωμάτων. Το τέταρτο κεφάλαιο αφορά τις ασύρματες επικοινωνίες και τους διάφορους τρόπους μετάδοσης του ηλεκτρομαγνητικούς κύματος από το πομπό στον δέκτη. Επίσης γίνεται περιγραφή της πολυδιαδρομικής διάδοσης, των συστημάτων κεραιών MIMO, της τεχνικής μετάδοσης OFDM και την λειτουργεία των έξυπνων κεραιών μέσω αλγορίθμων. Το τελευταίο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας αποσκοπεί στην δημιουργία μιας στοιχειοκεραίας 4Χ4 στα 5GHz με τετράγωνα μικροταινιακά στοιχεία. Αρχικά εξετάζεται ως μεμονωμένο στοιχείο και ύστερα ως στοιχεοκεραία αναλύωντας της S-παραμέτρους και το διάγραμμα ακτινοβολίας. Επίσης κατασκευάζεται το δίκτυο τροφοδοσίας και γίνεται τοποθέτηση phase shifters για την περιστροφή του λοβού ακτινοβολίας ως προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και έτσι να θεωρηθεί κεραία MIMO. Η κατασκευή γίνεται σύμφωνα με το λογισμικό CST-STUDIO.

Abstract

This thesis aims to study and analyze MIMO antennas for new generation 5G wireless networks. The study includes good knowledge of elemental antenna theory and additional extraction with CST-STUDIO software for antenna simulation. The first chapter starts with the basic parameters of antennas such as characteristics of a beam pattern, gain, directivity are concepts one should know to build such a structure. The second chapter concerns the array antennas which is a key part of the thesis. It is clear that antennas are the epicenter for the development of new generation wireless networks because they can scan in all three dimensions of space. In addition, there is a description of other elemental antennas such as the wide-sided and end-fire elemental antenna as well as the analysis in tables for various calculations. In the third chapter, there is an introduction to microstrip antennas and their various feeding methods. It is clear that such a construction has several advantages in high performance communication systems because it is low profile, light weight, with modern printed circuit technology. The fourth chapter deals with wireless communications and the different ways of transmitting the electromagnetic wave from the transmitter to the receiver. Multipath propagation, MIMO antenna systems, OFDM transmission technique and the operation of smart antennas through algorithms are also described. The last chapter of the diploma thesis aims at the fabrication of a 4X4 array antenna at 5GHz with square microstrip elements. It is first examined as a single element and then as an array antenna by analyzing its S-parameters and radiation pattern. The power supply network is also constructed and phase shifters are placed to rotate the radiation lobe in any direction and thus be considered a MIMO antenna. The construction is done according to CST-STUDIO software.