Radiowave propagation and antennas for high data rate mobile communications in the 60 GHz band

par Sylvain Ranvier

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Robert Staraj.

  • Titre traduit

    Propagation des ondes radios et antennes pour les communications mobiles à très haut débit dans la bande 60 GHz


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    La bande de fréquence millimétrique autour de 60 GHz est considérée comme l’une des meilleures options pour l’implémentation des réseaux sans fils à très hauts débits de type WPAN (wireless personal area network). De plus, les systèmes multi-antennes de type MIMO (multiple-input multiple-output) sont très prometteurs. Ils peuvent augmenter de manière significative l’efficacité spectrale ou la fiabilité des communications sans fil. De ce fait, l’utilisation de systèmes multi-antennes à 60 GHz est, théoriquement, très prometteuse. Bien que les performances des systèmes MIMO aient été étudiées de manière approfondie à la fois théoriquement et expérimentalement à basses fréquences (2 et 5 GHz), il y a clairement un manque d’évaluation expérimentale de ces systèmes à 60 GHz. De plus, la conception et l’évaluation d’antennes millimétriques compactes à bas coûts pour des applications de type WPAN sont des sujets sur lesquels beaucoup de recherches doivent être encore faites. Dans la première partie de la thèse, le premier sondeur de canal MIMO à 60 GHz est présenté. Ce système, construit à partir d’un sondeur existant pour 2 et 5 GHz, utilise des réseaux d’antennes virtuelles. Afin d’améliorer la résolution temporelle, deux autres systèmes de mesure ont été développés. Le premier est construit à partir d’un sondeur ultra large bande et le second à partir d’un analyseur vectoriel de réseau. Ces systèmes permettent la caractérisation totale du canal MIMO dans les domaines temporel et angulaire. Dans la seconde partie, les performances de techniques pour systèmes multi-antennes sont analysées grâce aux mesures obtenues dans la première partie de la thèse. Les trois techniques étudiées sont: MIMO, MIMO avec sélection d’antennes et dépointage de faisceau. Les résultats indiquent que la capacité du canal MIMO mesuré est relativement proche de celle d’un canal idéal. Dans des conditions réalistes, la capacité obtenue grâce à la technique MIMO avec sélection d’antennes est souvent inférieure à celle obtenue avec la technique MIMO. Par ailleurs, lorsque l’on considère un réseau à déphasage avec des pertes réalistes, il apparait que la capacité obtenue avec la technique MIMO est presque toujours supérieure à celle obtenue avec la technique du dépointage du faisceau. Dans la dernière partie de la thèse, une antenne omnidirectionnelle est présentée. Cette antenne convient parfaitement aux applications de types WPAN car elle est plane et n’utilise qu’une seule couche de métallisation, ce qui la rend facile à réaliser et peut coûteuse. De plus, un banc de mesure quasi-3D de diagrammes de rayonnement d’antennes à 60 GHz à été développé. Ce système a une très bonne répétabilité. Le rayonnement de la pointe elle-même a été mesuré et les résultats indiquent que c’est la principale limitation de la dynamique d’amplitude de ce système.


  • Résumé

    The 60 GHz MIMO systems are seen as some of the best candidates for the implementation of future high data-rate short range communications systems such as wireless personal area networks (WPAN). Although the performance of MIMO systems has been studied thoroughly theoretically and experimentally at lower frequencies like at 2 and 5 GHz, there is a clear lack of measurement data and experimental performance evaluations of MIMO techniques at 60 GHz. Furthermore, more effort is still needed in the design and evaluation of compact low cost 60 GHz antennas for communication applications. In the first part of the thesis, the first 60 GHz MIMO channel measurement system is presented. It is based on a previously developed 2 and 5 GHz sounder and frequency converters. This system uses virtual antenna arrays to create the channel matrix. A measurement campaign is reported. In order to improve the delay resolution, two other MIMO measurement systems are presented, based on an ultra wide band (UWB) sounder and a vector network analyzer (VNA). Those systems allow full characterization of the MIMO channel in the delay and angular domains. In the second part of this work, the performance of multi-antenna techniques is evaluated based on the measurement data obtained in the first part of the thesis. Three of the most promising multi-antenna techniques, namely MIMO, antenna selection MIMO, and beam steering, are analyzed and compared. The presented results indicate that the mutual information of the measured MIMO channel is quite close to that of the independent and identically distributed (i. I. D. ) MIMO Rayleigh channel. Furthermore, in realistic conditions it is seen that MIMO-antenna selection often leads to lower mutual information than traditional MIMO with the same number of RF chains. Moreover, it is shown that when considering phase shifters with realistic losses, MIMO technique almost always outperforms beam steering technique. In the last part of the thesis a 60 GHz planar omnidirectional antenna is presented. This antenna is very suitable for communications applications since it has low profile and uses a metal layer only on one side of the substrate. Therefore, it can be manufactured easily and at very low cost. In addition, an advanced quasi full 3-D radiation pattern measurement system has been developed to evaluate probe-fed antennas. Very good measurement repeatability is reported. The radiation of the probe is analyzed and is seen to be the main limitation of the dynamic range of the measurement setup.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XVI-44 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 38-44. Résumés en anglais, en français et en suédois

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  • Bibliothèque : Université Nice Sophia Antipolis. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 09NICE4063
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