Implementation of a MIMO transmitter for 5G systems

Abstract

For the past years, mobile communications have recorded a signi cant development mainly because they are increasingly a fundamental element for economic and social development. Nowadays, the users de ne very demanding requirements forcing the re-planning for the next communication generation (5G). Predictions of performance goals and possible technologies for di erent scenarios are starting now to appear. In order to be able to respond to the expectations of the services provided by this new generation of communications, it is necessary to advance in the frequency spectrum, but the doubts and challenges to overcome in the area of milimeter waves requires the use of an intermediate technology to implement the rst 5G systems. Sub-6Ghz is the intermediate frequency technology that starts to be developed, being indicated as the best combination of coverage and capacity for mobile communications with a spectrum similar to the one used in LTE/4G this technology is capable of reaching higher bandwidths and spectral e ciencies. It was expected that the rst 5G services will be delivered in the frequency bands of 3.3 to 4.2GHz and 4.4 to 5GHz. This intermediate layer of frequencies, mainly due to the expected transmission capacity, introduces MIMO as the con guration of the antennas that will allow to decrease the latency, increase the capacity of the transmission channel and energy e ciency. Each antenna in the MIMO con guration is driven by a power ampli er, this device needs to be small in size and extremely e cient. Changes in the used materials are also inevitable and the expected behavior of power ampli ers lead to the use of GaN transistors that operate with more favorable characteristics at this frequency ranges. The run to 5G as started and this dissertation focuses exactely on the study of a MIMO transmitter for 5G Sub-6GHz systems. For this purpose, a study on the main characteristics of radio frequency ampli ers and fundamental principles of antennas is made. This study is complemented by the design, implementation and testing of a power ampli er and antenna and the test of these elements replicated in two transmitting branches that compose the MIMO transmitter. In this way, the studied theoretical concepts and design techniques are put into practice, as well as the acquisition of laboratory routines for the testing of radio frequency devices

Nos últimos anos, as comunicações móveis registaram um desenvolvimento signi ficativo principalmente por serem cada vez mais um elemento fundamental para o desenvolvimento económico e ligação social. Os utilizadores defi nem actualmente requisitos muito exigentes, que obrigam a repensar os planos para a próxima geração de comunicações móveis (5G). Começam agora a ser feitas, previsões das metas de desempenho e possíveis tecnologias para diversos cenários. Para conseguir responder às expectativas dos serviços disponibilizados por esta nova geração de comunicações é necessário avançar no espectro de frequência, mas as dúvidas e desa fios a ultrapassar na zona das ondas milimétricas obriga a utilizar uma tecnologia intermédia para implementar os primeiros sistemas 5G. Sub-6GHz é a tecnologia intermédia pensada para as primeiras aplicações, sendo indicada como a melhor combinação de cobertura e capacidade para as comunicações móveis com um espectro semelhante ao usado em Long Term Evolution (LTE)/4G esta tecnologia é capaz de atingir maiores larguras de banda e efi ciências espectrais mais elevadas. Os primeiros serviços 5G serão entregues nas gamas de frequência de 3.3 a 4.2GHz e 4.4 a 5GHz. A esta camada intermédia de frequências, e devido à capacidade de transmissão que se esperam destes sistemas, vem associada a tecnologia Multiple Inputs Multiple Outputs (MIMO) para a confi guração das antenas que vai permitir diminuir a latência, aumentar a capacidade do canal de transmissão e e ficiência energética. Cada antena na con figuração MIMO tem o seu próprio amplificador de potência que lhe faz chegar o sinal, estes últimos deverão ser também pequenos e extremamente e ficientes. As alterações a nível dos materiais usados é também inevitável e o comportamento esperado dos amplifi cadores de potência leva à utilização de transístores de Gallium Nitride (GaN), que operam com características mais favoráveis a estas gamas de frequências. Começou a corrida aos sistemas 5G, este trabalho focase exatamente no estudo de um transmissor MIMO para os sistemas 5G Sub-6GHz. Para tal, é feito um estudo das principais características dos ampli ficadores de rádiofrequência e dos princípios fundamentais de antenas. Este estudo é complementado com o projeto, implementação e teste de um amplifi cador de potência e antena e o teste destes elementos replicados em dois ramos transmissores que compõem o transmissor MIMO. Desta forma, colocando em prática os conceitos teóricos e técnicas de projeto estudadas, bem como a aquisição de rotinas laboratoriais para o teste de dispositivos de rádiofrequência