UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Arranjo de antenas reconfigurável para 5G utilizando metamateriais
Autor(es): ALVES, Andreia Aparecida de Castro
Primeiro Orientador: SPADOTI, Danilo Henrique
metadata.dc.contributor.advisor-co1: SODRÉ JUNIOR, Arismar Cerqueira
Resumo: Os dispositivos portáteis de quinta geração (5G) suportarão diversos serviços usando diferentes faixas de frequência, incluindo a segunda faixa de frequência (FR2), de 24,25 GHz a 52,60 GHz. O FR2 fornecerá altas taxas de dados, ≈2,15 Gbit/s para downlink e ≈2,37 Mbit/s para uplink, no entanto, a característica dispersiva dos canais, a complexidade na fabricação dos dispositivos e a alta perda na propagação no espaço livre, são alguns dos fatores limitantes dessa faixa de frequência. O desempenho da rede dependerá do uso de antenas de alto desempenho, dispositivos reconfiguráveis, custos reduzidos, entre outros aspectos. Esta tese apresenta um arranjo de antenas operando em ondas milimétricas, leve, de baixo custo (protótipo inicial no valor de ≈250 reais) e com reconfiguração de feixe em azimute e elevação. A principal inovação é a rede de alimentação eletricamente reconfigurável baseada em metamateriais com baixa perda de inserção, operação linear e número reduzido de estágios. Essa rede modifica a direção do feixe por meio da reconfiguração de fase sem interferir no desempenho do arranjo de antenas. Adicionalmente, uma técnica de elementos parasitas foi aplicada para melhorar a largura de faixa e o ganho do arranjo. O projeto baseia-se em cálculos analíticos e simulações numéricas conduzidas pelo software ANSYS HFSS. O desempenho do arranjo em termos de acoplamento mútuo foi investigado para avaliar a aplicabilidade da abordagem em sistemas de múltiplas antenas. A abordagem tem um tamanho total de 6×6 cm, compacto o suficiente para operar dentro de um aparelho de telefonia móvel. Todos os pré-requisitos estabelecidos de projeto foram alcançados, resultando em um arranjo de antenas com um ganho de 12,5 dBi, largura de faixa de 2,8 GHz, reconfigurabilidade do feixe de ≈20∘, tamanho total de 6x6 cm, lobos secundários abaixo de -10 dB e acoplamento mútuo de -50 dB.
Abstract: The handheld devices for the fifth-generation (5G) of mobile communications will support diverse services using different frequency bands, including the Second Frequency Range (FR2), from 24.25 GHz to 52.60 GHz. This millimeter-wave (mm-waves) bandwidth provides high data rates, i.e. ≈2.15 Gbit/s for downlink and ≈2.37 Mbit/s up-link, however, the characteristics of the channels, devices manufacturing, and the high free space losses are some of the limiting factors of this frequency range. The network effectiveness will then depend directly on the use of high-performance antennas, reconfigurable devices, reduced costs, among other aspects. Taking advantage of the needs of 5G systems, this thesis presents a low-cost (initial prototype worth ≈250 reais), lightweight antenna array with reconfigurable two-dimensional beam steering (azimuth and elevation) to operate in millimeter waves. The main innovation is the antenna feed network based on metamaterials with low insertion loss, linearity operation, and reduced stage number. This network performs the beam steering through phase reconfiguration without interfering with the antenna array performance. Additionally, a parasitic patches technique was applied in order to improve gain and bandwidth. The project methodology is based on analytical calculations and numerical simulations were carried out using the software Ansys HFSS. The array performance has been analyzed in terms of the mutual coupling to evaluate its possible application in a multi-antennas system. The approach has a total size of 6×6 cm, compact enough to operate inside a mobile phone. All pre-set design requirements were achieved, resulting in an antenna array gain of 12.5 dBi, 2.8 GHz bandwidth, reconfigurability of 20∘, sidelobe level below 10 dB and mutual coupling lower than -50 dB.
Palavras-chave: 5G
Arranjo de antenas
Antenas reconfiguráveis
Metamateriais
Ondas milimétricas
Reconfigurável
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: Departamento 1
metadata.dc.publisher.program: PPG1
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2210
Data do documento: 14-Fev-2020
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