Modulador vetorial para arquitectura de controlo beamforming na banda Ka

Abstract

Nos últimos anos o acentuado desenvolvimento das comunicações sem fios associado ao acréscimo exponencial de utilizadores tem levado a um aumento significativo de tráfego de dados consumidos. Atualmente encontra-se em desenvolvimento uma nova geração de comunicações sem fios, 5G, que pretende não só suportar esse aumento mas também aumentar a velocidade de transferência de dados e reduzir custos, entre outros. O espectro alocado para esta nova rede de comunicações está localizado em parte na banda de ondas milimétricas permitindo comunicações de alta velocidade e alto volume de tráfego de dados. No entanto, a utilização de sinais nesta gama de frequências apresenta fragilidades como a dificuldade em penetrar edifícios e a facilidade com que são absorvidos pela atmosfera. Para reduzir essas adversidades, as antenas adaptativas estão a ser adotadas nos sistemas de comunicação 5G. Nesse sentido, esta dissertação apresenta a conceção de um modulador vetorial para a frequência de 28 GHz com o objetivo de ser implementado numa rede de alimentação de uma antena adaptativa de modo a controlar o feixe de radiação. Este modulador é constituído por três blocos fundamentais: acoplador híbrido de 90 , atenuador do tipo-reflexão e divisor de Wilkinson. Ao longo deste documento é apresentado o dimensionamento de cada um desses blocos, bem como as suas respetivas simulações. Em seguida estes são agrupados num único bloco, obtendo-se assim o modulador vetorial, voltando a ser simulado como um bloco funcional. Após realizadas todas as simulações, o modulador é construído em circuito sendo caracterizado em laboratório. Os resultados obtidos permitem concluir a viabilidade do uso desta arquitetura de modulador vetorial para a banda em torno dos 28 GHz.

In recent years, the considerable development of wireless communications associated with the exponential growth of the number of users has led to a significant increase of consumed data traffic. A new generation of wireless communications, 5G, is now under development, which aims not only to support the growth of data traffic but also to improve data throughput and reduce costs, among others. The spectrum allocated for 5G wireless communication systems is mainly located in the millimeter-wave frequency bands, where a considerable amount of spectrum is available for allowing high speed communications and high data traffic volume. However, signals at these frequencies suffer large path-loss and high penetration loss. To get over these issues, adaptive antennas are taken into account, improving the performance of the overall communication system. In this dissertation a vector modulator is presented, designed to operate in the Ka band at 28 GHz, aiming to be implemented in the feeding of each element of an adaptive antenna array, in order to steer and shape its radiation pattern. This modulator consists in three fundamental blocks: a 90 hybrid coupler, a reflection-type attenuator and a Wilkinson divider. It is presented the simulation process of each one of these blocks, being then combined into a single block and simulated as a single circuit. After the whole simulation process, the vector modulator is built in printed circuit being characterized in laboratory. The obtained results allow us to conclude the feasibility of using this vector modulator architecture for the band around 28 GHz.