Advancements in RF Front-End Efficiency for Next-Generation Communication Systems
Tid: On 2024-06-05 kl 09.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/64147253748
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Ahmad Emadeddin , Elektromagnetism och fusionsfysik
Opponent: Professor Ville Viikari, Head of Department of Electronics and Nanoengineering, Aalto University, Finland.
Handledare: Professor B. Lars G. Jonsson, Elektromagnetism och fusionsfysik
QC 20240513
Abstract
Den ökande efterfrågan på högre datahastigheter och kapacitet omfattar olika tillämpningar inom moderna trådlösa system. Detta kräver att man tar itu med begränsningarna hos konventionella trådlösa system, t.ex. bandbreddsrestriktioner, effektivitetsproblem, samt länkbudget-, storleks- och kostnadsbegränsningar. För att uppnå höga datahastigheter i gigabit per sekund (Gbit/s) krävs en större bandbredd i gigahertzområdet, vilket leder till en övergång till mikrovågs- och millimetervågsfrekvensbandet. Denna övergång innebär dock ytterligare utmaningar, såsom ökad insättningsförlust och fri rymdledningsförlust. Alla dessa utmaningar är särskilt kritiska i Radio Frequency (RF) front-end, som omfattar antenner tillsammans med andra nödvändiga RF-element, t.ex. effektförstärkare (PAs), och spelar en betydande roll för att bestämma den totala systemprestandan. I denna avhandling fokuserar vår forskning på framsteg inom RF front-end effektivitet - som omfattar energi-, spektral-, storleks- och kostnadseffektivitet - för att bidra till att möta de växande kraven hos nästa generations kommunikationssystem.
Fasstyrda antenner används i stor utsträckning i moderna kommunikationsnät för att förbättra strålningskaraktäristikerna som förstärkning och skanningsförmåga. Dessutom erbjuder den direktintegrerade tekniken, vilken eliminerar behovet av någon mellanliggande 50 Ω gränssnittsimpedans, förbättringar i effektivitet, storlek och kostnadsreducering. Denna avhandling utvecklar aktiva direktintegrerade fasstyrda antenner (AIPAAs) med ett stort utstyrningsområden. De främjar strålningsprestanda från fasstyrda antenner, förbättrar kombinationen av antennelementet och PAs gemensamma effektivitet genom direktintegration, eliminerar matchningsnätverksförluster genom direktintegration och tar bort RF-switchelement genom att introducera en halvduplexarray. Den aktiva integrationsmetoden använder en tvärvetenskaplig samutvecklingsmetod för att hantera komplexa interaktioner och ömsesidig koppling i de utvecklade kompakta AIPAAs. Den ömsesidiga kopplingen kan påverka systemprestanda, vilket teoretiskt och praktiskt behandlas i vår föreslagna kopplingsreduktionsmetod i denna avhandling. Dessutom utvecklas en integration av filterfunktionalitet, med hjälp av föreslagna periodiska strukturer, i en Vivaldi-antenn för att utforma en högselektiv filterantenn med bred och hög dämpning utanför det önskade frekvensintervallet. Dessa föreslagna design och tillvägagångssätt förbättrar inte bara prestanda i termer av både spektral- och energieffektivitet, utan minskar också storlek och kostnad.
Ur ett annat perspektiv erbjuder användningen av oregelbundet grupperad matning av fasstyrda antenner ett sätt att minska antalet sändare/mottagarmoduler (systemförenkling) samtidigt som funktionaliteten bibehålls i nästa generations trådlösa system. Ett innovativt snabb teknik for att hitta bra grupperingar av aperturen är presenterad i den sista delen av avhandlingen. Tekniken minskar den beräkningsmässiga kostnaden/tiden för att utvärdera lösningar från en exakta uppdelningsalgoritm. Resulten ger en tillfredsställande strålningskaraktäristik för bredskannande täckning för stora antenner.