RT Dissertation/Thesis
T1 Contributions to the design of broadband antennas and arrays for base stations for the new generation of mobile communication systems
A1 Martín Antón, Sergio
AB El objetivo de esta tesis es el diseño de antenas y arrays de bandaancha para estaciones base en las nuevas generaciones de comunicacionesmóviles. Los nuevos retos en los sistemas de comunicación tales como elaumento de dispositivos conectados y el Internet de las cosas (IoT), conllevala aparición de nuevas generaciones de telefonía. Para hacer frentea ese desafío se necesitan nuevas estrategias para optimizar el espectro,aumentar el ancho de banda y las velocidades de transmisión. Aunquealgunas técnicas son aumentar la frecuencia de trabajo desarrollandoceldas más pequeñas y rápidas, esta tesis se centra en el otro enfoque,extender las bandas de frecuencia utilizadas en la actualidad. Este enfoquetiene algunas ventajas como una mayor penetración ofreciendo mejorcobertura en zonas aisladas, así como la coexistencia de las futuras redes5G con los estándares 3G y 4G actuales.En una primera parte, se presentan diseños de elementos de antenasplanares cumpliendo con los nuevos requisitos. La antena está diseñada yfabricada de una forma rentable y asequible, presentando una topologíacompacta y completamente plana. La idea principal para la consecuciónde los objetivos es la inclusión de dipolos acoplados incluidos dentro dela propia antena de forma antipodal para conseguir un diseño compactoy un patrón de radiación estable en toda la banda de funcionamiento.El diseño compacto y de doble polarización se logra en un elementoque trabaja en todo el ancho de banda frecuencial entre 1.427 y 2.69GHz, la banda que aquí se presenta como Banda Ultra Ancha Extendida(ExtUWB). En segundo lugar, se desarrolla un estudio de diferentes formas deplanos de masa o re ectores en el campo cercano del elemento. La inclusión de un plano de masa es necesaria para eliminar la radiación traseray dar forma al haz de radiación para obtener una antena directiva con elancho de haz deseado que permanezca estable dentro de toda la bandade trabajo. El punto clave a tratar es que el plano de masa o re ector alser colocado en el campo cercano del elemento produce perturbacionesen el mismo, tanto en la adaptación como en su diagrama de radiación.A continuación, se propone la combinación de dos elementos paracubrir las dos bandas requeridas. El elemento ExtUWB para la banda1,42 a 2,69 GHz se integra con nuevos elementos para la banda 690 a960 MHz. Se estudia la integración de los elementos de ambas bandasen un mismo espacio físico para desarrollar una antena de estación baseque proporcione cobertura en las dos bandas de forma conjunta.Finalmente, se propone la combinación de elementos en con guracionesde array para las nuevas bandas de 5G con el propósito de serutilizados como estaciones base. La inclusión en array permite logrardiferentes propósitos: aumentar la directividad, cumplir con los requisitosgenerales de las estaciones base y obtener  exibilidad para diferentescon guraciones de arrays. Se proponen distintos arrays con diferentesobjetivos, estos arrays son con gurables para ser utilizados como estacionesbase clásicas, pero también formando un nuevo sistema innovadorde Massive MIMO con propiedades de haz orientable que no se ha presentadopara la banda L hasta ahora.
AB The objective of this thesis is the design of broadband antennas andarrays for base stations for the new generations of mobile communications.The new challenges in the communication systems such as theincrease of connected devices, the amount of smart products, and theInternet of Things (IoT), has brought the arrival of new 5G systems.To deal with that challenge, new mobile communication systems neednew strategies for optimizing the spectrum, increase the bandwidth andthe data rates as it is required. Although some techniques are to increasethe working frequency and develop faster and smaller cells, thisthesis is focused on the other coliving approach, which is to extend thenowadays mobile communication operating bands. That approach hassome advantages as higher penetration with deeper coverage, and thecoexistence of future 5G networks with the existing standards.Firstly, some designs of planar antenna element following the newrequirements are presented. The antenna is designed and manufacturedin a cost-effective and affordable way presenting a compact and fullyplanar topology. The main idea to obtain the objectives is the inclusionof active embedded dipoles in the antipodal part of the antennaitself to achieve a compact design and a stable radiation pattern withinthe wide frequency band of operation. Compactness and dual polarizedperformance is achieved for working in the whole frequency bandwidthbetween 1.427 and 2.69 GHz, the band that is presented here as theExtended Ultrawideband (ExtUWB). Secondly, a study of different ground plane shapes or reflectors inthe element near field is developed. A ground plane is needed to removethe back radiation and shape the radiation beam to obtain a directiveantenna with the desired beamwidth that remains stable withinthe broadband frequency band. The key point to deal with is that theground plane or reflector placed in the element near field disturbs boththe matching and the radiation.Thirdly, the combination of two elements to cover both requiredbands is proposed. The ExtUWB element for the band 1.42 to 2.69GHz is integrated with new elements for the band 690 to 960 MHz. Integrationof both band elements in the same physical space for developingthe base station antenna providing dual band coverage is studied.Finally, the combination of elements in array configurations is proposedfor the new 5G bands with the purpose of been used as base stations.It allows to accomplish different goals: increasing the directivity,fufilling the overall base station requirements, and obtaining flexibilityfor different array configurations. Different arrays are proposed with differentobjectives, those arrays are configurable for being used as classicalbase stations, but also as a new innovative system of Massive MIMO withbeamsteering properties that has not been presented for the L-band tillnow.
YR 2021
FD 2021-12
LK https://hdl.handle.net/10016/35053
UL https://hdl.handle.net/10016/35053
LA eng
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024