Nonlinear characterization of antenna arrays for 5G applications

Abstract

The present mobile scenario demands are stretching the existing telecom infrastructure to the limit. New technologies centred around antenna arrays and spatial multiplexing have been proposed to overcome the challenges imposed by these demands. This work overviews the mobile scenario, scrutinizing demands, presented solutions, challenges and the industry’s perspective of the Fifth Generation of mobile communications. From a careful analysis, the 5G’s most critical radio frequency hardware issues are detailed, and a long-term approach to address them is presented. On the short-term the work focuses on antenna characterization, because antennas are a central part of future wireless communications. Initially, basic antenna concepts are presented, then emphasis is given to microstrip antennas, going through all the steps of designing, optimizing and measuring a rectangular microstrip antenna and an eight element linear antenna array for 5.67GHz. Array features such as scanning and source synthesis are also explored. Finally, the impact of signal nonlinear distortion on the antenna array pattern is studied, aiming to expand state-of-the-art knowledge on how signal nonlinear distortion can limit spatial multiplexing. A theoretical model of the phenomenon is proposed and validated both by electromagnetic simulation and measurements.

As crescentes exigências das redes móveis estão a levar a infraestrutura de telecomunicações ao seu limite. Novas tecnologias centradas em agregados de antenas e multiplexagem espacial têm sido propostas para ultrapassar os desafios impostos por tais exigências. Este trabalho apresenta uma visão abrangente das redes móveis atuais, escrutinando as suas exigências, as soluções apresentadas, os desafios adjacentes, bem como a opinião da indústria. Os problemas mais crı́ticos do hardware de radio frequência para a quinta geração de redes móveis são apurados a partir de uma análise detalhada do cenário das redes sem fios, sendo apresentado um plano a longo prazo para abordar estas problemáticas. A curto prazo o trabalho foca-se em caracterização de antenas, visto que as antenas são um ponto central nas comunicações sem fios do futuro. Inicialmente são apresentados conceitos básicos sobre antenas, dando-se de seguida ênfase às antenas microstrip, sendo apresentado todo o processo de sı́ntese, otimização e caracterização de uma antena microstrip retangular e de um agregado de antenas linear de oito elementos com frequência de operação 5.67GHz. Neste âmbito, algumas propriedades dos agregados, como o varrimento angular do feixe eletromagnético e técnicas de sı́ntese de fonte eletromagnética, são também exploradas. Finalmente, apresenta-se um estudo sobre o impacto que a distorção não linear de sinal pode ter no diagrama de radiação do agregado de antenas. O objetivo é expandir os conhecimentos do estado-da-arte acerca das limitações que a distorção não linear pode impor na multiplexagem espacial. Neste sentido, um modelo teórico descritivo deste fenómeno é proposto e validado por simulação eletromagnética e por medições experimentais.