Antenna designs for sub-6 GHz and millimeter-wave communications systems

Siddiqui, Zeeshan (2024-05-08)
 
Avaa tiedosto
Lataukset: 

URL:
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202404222876

Siddiqui, Zeeshan
Oulun yliopisto
08.05.2024
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Näytä kaikki kuvailutiedot
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202404222876

Kuvaus

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the Oulun Puhelin auditorium (L5), Linnanmaa, on 16 May 2024, at 12 noon
Tiivistelmä
Abstract

Spectrum allocated for 5G networks can be divided into two ranges, sub-6GHz and millimeter-wave (mm-Wave) frequencies. This thesis presents antenna designs with prospective applications at both frequency ranges of 5G communication systems.

For the sub-6 GHz range, antenna solutions are presented based on a coupled-mode leaky coaxial cable (LCX) to improve indoor radio coverage. Limited and uncontrolled radiation of an LCX may become a discouraging factor in its application in complex indoor propagation environments. Different means of controlling and enhancing the radiation performance of LCXs are explored by introducing periodicity to its structure. First, a coupled-mode leaky cable with periodical slots is studied, followed by designs utilizing periodically etched dielectric-strip loaded LCX, and periodic metal strips printed on the jacket of the LCX. The cable structures are studied over different frequency ranges from 1 to 6 GHz. A significant controllable improvement is achieved in their radiation performance.

For mm-Wave frequencies, different microstrip antenna solutions compatible with Antenna-in-Package (AiP) technology with a wide bandwidth and filtering capability are studied. Initially, a wide-band, dual-polarized, and aperture coupled antenna is designed to operate at 26 and 28 GHz bands utilizing a stacking technique. Additional filtering ability to suppress the out-of-band radiation is demonstrated by inserting open-loop resonators around the patches of the designed antenna. For multi-band operation, a dual wide-band antenna operating at 26, 28, and 39 GHz bands is demonstrated by combining two pairs of stacked ring patches operating at frequencies further apart. This patch arrangement also offers three radiation nulls, which help in meeting the required filtering characteristics between the two operating bands. A differential antenna utilizing the same ring patch configuration and L-probe excitation technique is also studied to demonstrate the applicability of the proposed antenna arrangement. All the investigated designs have the radiation performance of a typical microstrip patch antenna, and they can be integrated in the form of an antenna array.
 
Tiivistelmä

Viidennen sukupolven (5G) tietoliikenneverkoille allokoitu spektri voidaan jakaa kahteen osaan: alle 6 GHz:n taajuuksiin sekä millimetriaaltotaajuuksiin. Tässä väitöskirjassa esitellään uudenlaisia antenniratkaisuja, joilla on mahdollisia sovelluskohteita molemmilla edellä mainituista taajuuskaistoista.

Alle 6 GHz:n taajuuksilla esitetyt antenniratkaisut hyödyntävät kytketyn aaltomuodon vuotavan koaksiaalikaapelin (LCX, Leaky Coaxial Cable) teknologiaa. LCX-kaapelin rajallinen ja hallitsematon säteily saattaa rajoittaa sen soveltuvuutta monimutkaisissa sisätilan etenemisympäristöissä. Työssä tarkastellaan erilaisia tapoja hallita ja parantaa LCX-kaapelin säteilyä tekemällä rakenteesta jaksollinen. Ensin tutkitaan kytketyn aaltomuodon LCX-kaapelia, joka hyödyntää jaksollisia rakoja kaapelin pinnassa. Tämän jälkeen tarkastellaan kaapeleita, joita kuormitetaan jaksollisesti syövytetyllä dielektrisellä liuskalla tai tulostamalla jaksollisia metalliliuskoja kaapelin vaippaan. LCX-kaapeleita tarkastellaan 1–6 GHz:n taajuusalueella, ja niiden säteilyominaisuuksia pystytään merkittävästi ja hallittavasti parantamaan työssä esitetyillä menetelmillä.

Millimetriaaltotaajuuksilla tutkitaan erilaisia mikroliuska-antennirakenteita, jotka ovat yhteensopivia paketoitujen antenniratkaisujen (AiP, Antenna in Package) kanssa ja jotka tarjoavat laajan toimintataajuuskaistan sekä suodatusominaisuuksia. Ensin tarkastellaan laajakaistaista kaksoispolarisoitua aukkokytkettyä antennia, joka on suunniteltu toimimaan 26 ja 28 GHz:n taajuuksilla hyödyntäen antennielementtien pinoamistekniikkaa. Kaistan ulkopuolisen säteilyn vaimentamiseksi ja suodattamiseksi antenniin liitetään avoimen silmukan resonaattoreita suunniteltujen antenniliuskojen ympärille. Monikaistasovelluksia varten esitellään antenni, joka toimii 26, 28 ja 39 GHz:n taajuuksilla yhdistämällä kaksi paria pinottuja rengasliuskoja, joiden toimintataajuudet ovat riittävän erillä toisistaan. Tämä liuskakonfiguraatio tarjoaa kolme säteilynollakohtaa, jotka mahdollistavat vaadittavien suodatusominaisuuksien toteuttamisen toimintakaistojen välillä. Samanlaista rengasliuskarakennetta ja L-muotoista kytkentäpuikkosyöttöä hyödyntävä differentiaalinen antenni osoittaa käytetyn antenniratkaisun monipuolisuuden. Kaikki tutkitut millimetriaaltoantennit säteilevät tyypillisen mikroliuska-antennin kaltaisesti ja ne soveltuvat integroitavaksi antenniryhmiin.
 

Original papers

  1. Siddiqui, Z., Radwan, A., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2017). A leaky coaxial cable antenna based on sinusoidally-modulated reactance surface. 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS), 3887–3890. https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262437 https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262437

    Self-archived version

  2. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2020). Periodically slotted coupled mode leaky coaxial cable with enhanced radiation performance. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 68(11), 7595–7600. https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2990478 https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2990478

    Self-archived version

  3. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2019). Sinusoidally modulated reactance surface loaded leaky coaxial cable. 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–4.

    Self-archived version

  4. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2019). Leaky coaxial cable with enhanced radiation performance for indoor communication systems. 2019 16th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 724–727. https://doi.org/10.1109/ISWCS.2019.8877317 https://doi.org/10.1109/ISWCS.2019.8877317

    Self-archived version

  5. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Rasilainen, K., Chen, J., Berg, M., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). Dual-polarized filtering antenna for mm-Wave 5G base station antenna array. 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–4. https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411318 https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411318

    Self-archived version

  6. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Chen, J., Berg, M., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2020). Dual-band dual-polarized antenna for mm-Wave 5G base station antenna array. 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–4. https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135795 https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135795

    Self-archived version

  7. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Rasilainen, K., Chen, J., Berg, M., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). Dual-band dual-polarized planar antenna for 5G millimeter-Wave antenna-in-package applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 71(4), 2908–2921. https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3240032 https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3240032

    Self-archived version

  8. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Leinonen, M. E., Chen, J., Berg, M., & Pärssinen, A. (2020). A differential dual-band dual-polarized antenna for 5G mmWave communication system. 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 1–4. https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083782 https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083782

    Self-archived version

 

Osajulkaisut

  1. Siddiqui, Z., Radwan, A., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2017). A leaky coaxial cable antenna based on sinusoidally-modulated reactance surface. 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS), 3887–3890. https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262437 https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262437

    Rinnakkaistallennettu versio

  2. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2020). Periodically slotted coupled mode leaky coaxial cable with enhanced radiation performance. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 68(11), 7595–7600. https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2990478 https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2990478

    Rinnakkaistallennettu versio

  3. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2019). Sinusoidally modulated reactance surface loaded leaky coaxial cable. 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–4.

    Rinnakkaistallennettu versio

  4. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Tuhkala, M., & Myllymäki, S. (2019). Leaky coaxial cable with enhanced radiation performance for indoor communication systems. 2019 16th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 724–727. https://doi.org/10.1109/ISWCS.2019.8877317 https://doi.org/10.1109/ISWCS.2019.8877317

    Rinnakkaistallennettu versio

  5. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Rasilainen, K., Chen, J., Berg, M., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). Dual-polarized filtering antenna for mm-Wave 5G base station antenna array. 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–4. https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411318 https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411318

    Rinnakkaistallennettu versio

  6. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Chen, J., Berg, M., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2020). Dual-band dual-polarized antenna for mm-Wave 5G base station antenna array. 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–4. https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135795 https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135795

    Rinnakkaistallennettu versio

  7. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Rasilainen, K., Chen, J., Berg, M., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). Dual-band dual-polarized planar antenna for 5G millimeter-Wave antenna-in-package applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 71(4), 2908–2921. https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3240032 https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3240032

    Rinnakkaistallennettu versio

  8. Siddiqui, Z., Sonkki, M., Leinonen, M. E., Chen, J., Berg, M., & Pärssinen, A. (2020). A differential dual-band dual-polarized antenna for 5G mmWave communication system. 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 1–4. https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083782 https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083782

    Rinnakkaistallennettu versio

 
Kokoelmat