Analysis and modeling of multiple antennas in ultra wideband

• Auteur / Autrice : Raffaele D'Errico
• Direction : Alain Sibille, Marco Chiani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Università degli studi (Bologne, Italie)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion multicapteurs

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Ultra Large Band

Mimo

Résumé

L’ultra Large Bande (ULB) est une technologie de communication sans fils qui utilise une bande très large, typiquement dès la centaine de Mégahertz à plusieurs Gigahertz. La recherche dans ce domaine a connu une croissance considérable pendant les dernières années. Il est bien connu que les systèmes multi-antennes en bande étroite présentent des aspects attractifs grâce aux techniques MIMO (Multiple Input Multiple Output), qui augmentent à la fois la capacité et la robustesse du lien radio en prenant avantage de la diversité d’antenne en transmission et en réception. Un grand nombre de contributions scientifiques ont été publiées sur l’ULB et les systèmes multi-antennes en bande étroite, toutefois la littérature sur les systèmes multi-antennes ULB est assez limitée, surtout pour ce qui concerne les aspects électromagnétiques. Un des défis les plus importants est la réduction de la taille du système d’antenne multiple. En diminuant la taille de l’antenne élémentaire et la distance inter-antennes, il est possible de réduire les dimensions totales du systèmes. Néanmoins le couplage augmente pour des capteurs très proches, et il peut affecter les performances du système : le rayonnement et la caractéristique de distorsion sont altérées à cause de la présence des éléments parasites. Dans cette thèse, on adresse la problématique de la conception et la modélisation des systèmes multi-antennes ULB en focalisant l’étude sur l’interaction entre radiateurs porches. Dans le chapitre I, on donne une vue d’ensemble de la technologie d’ULB, en se concentrant sur les aspects de la couche physique. Le chapitre II présente plusieurs conceptions d’antennes ULB. Ces antennes constituent la brique de base des systèmes multi-antennes développés et étudiés dans la thèse. Le chapitre III réalise une étude expérimentale du couplage entre antennes ULB proches, planaires et positionnées dans un réseau linéaire. Dans le chapitre IV, on présente une méthode générale, basée sur la définition du coefficient de diffusion, pour prédire les effets des interactions électromagnétiques dans un système d’antenne multiple ULB. De plus un modèle statistique, basé sur l’extraction des pôles et des résidus du coefficient de diffusion, est proposé pour une classe de monopoles ULB. Dans le chapitre V, les systèmes à antennes multiples sont testées dans une campagne de mesure de canal indoor UWB (bande 2-10 GHz). Le but de cette campagne est d’analyser la diversité d’antenne dans les systèmes ULB. L’influence de largeur de bande sur la diversité est également étudiée. Enfin les performances du multiplexage spatial en ULB sont évaluées sur la base des canaux mesurés. Ces travaux ont été menés au sein de l’unité d’électronique et informatique à l’ENSTA (Paris-Tech) en cotutelle avec l’Université de Bologna, dans le cadre du projet européen FP6 PULSERS phase II.

Ultra Wide Band (UWB) is a wireless communication technology that employs a huge bandwidth, typically from hundreds of MHz up to several GHz. Research activities in UWB have experienced a continuous growth over the past decade. It is well known that, in traditional narrow-band communications, multiple antenna systems offer attractive aspects in wireless communications by means of Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) techniques, that either give out high channel capacities through spatial multiplexing, or offer an increase of link robustness, by taking advantage of antenna diversity at both ends of the link. A large number of scientific contributions have been published in the last years on UWB communications and narrow-band multiple antenna systems (MAS), but the literature on UWB combined with multiple antennas is still poor, especially on electromagnetic aspects. One of the most challenging issues is size reduction of the MAS. In practical applications, arrays should be compact in order to be incorporated in radio devices. Obviously, by reducing the single antenna size or the inter-antennas distance, it is possible to minimize the overall system dimension. On the other hand, the mutual coupling increases for closely spaced sensors, which can detrimentally modify the system performance. Thus, radiation, and distortion characteristics of the single radiator are altered because of the presence of other antennas. In this thesis we address the issue of the UWB multiple antenna design and assessment, by highlighting the influence of the interaction between close radiators, and by modelling it. In Chapter 1 we present an overview of UWB technology, by focusing on the main aspects of the physical layer. In chapter 2 we present a variety of single UWB antenna designs. We focus on the major features of UWB antenna characterization and the influence of antenna distortion. These antennas will be employed as single element composing the multiple antenna system in the subsequent work. In chapter 3 we present a UWB multiple antenna measurement campaign carried out in a anechoic chamber. The aim is to characterize UWB multiple antennas for different array topologies, inter-elements distances and single element designs. In chapter 4 we present a general method based on the definition of a scattering coefficient to predict the effects of the passive radiators within the multiple antenna system. The method has the advantage to avoid the use of a full electromagnetic simulation (or measurement) of the array. Moreover a statistical model of the scattering within UWB multiple antennas is introduced and presented for a class of UWB monopoles. The model is based on poles extraction of the scattering coefficient by means of the Generalized Matrix Pencil method. In chapter 5 we present a UWB channel measurement campaign in the 2-10 GHz band intended to quantitatively evaluate the improvements obtained through multiple antennas in UWB systems. To this aim an analysis of antenna diversity with previously characterized arrays is presented with emphasis on the differences between virtual real interacting compact arrays. The impact of the signal bandwidth on spatial multiplexing in the case of pulse based physical layer schemes, in the measured multiple antenna channels. This work has been carried out at ENSTA-Paris Tech and the University of Bologna, in the scope of the European FP6 project PULSERS Phase II.