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Arranjo de antenas reconfigurável para 5G utilizando metamateriais

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dc.creator ALVES, Andreia Aparecida de Castro
dc.date.issued 2020-02-14
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2210
dc.description.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. pt_BR
dc.description.sponsorship Agência 1 pt_BR
dc.language por pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject 5G pt_BR
dc.subject Arranjo de antenas pt_BR
dc.subject Antenas reconfiguráveis pt_BR
dc.subject Metamateriais pt_BR
dc.subject Ondas milimétricas pt_BR
dc.subject Reconfigurável pt_BR
dc.title Arranjo de antenas reconfigurável para 5G utilizando metamateriais pt_BR
dc.type Tese pt_BR
dc.date.available 2020-11-05
dc.date.available 2020-11-06T18:13:36Z
dc.date.accessioned 2020-11-06T18:13:36Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/3831378780875013 pt_BR
dc.contributor.advisor1 SPADOTI, Danilo Henrique
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/8760117075106351 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 SODRÉ JUNIOR, Arismar Cerqueira
dc.contributor.advisor-co1Lattes http://lattes.cnpq.br/1703406475581759 pt_BR
dc.description.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. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA pt_BR
dc.relation.references ALVES, Andreia Aparecida de Castro. Arranjo de antenas reconfigurável para 5G utilizando metamateriais. 2020. 111 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2020. pt_BR


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