Over-the-air characterization of 5G MIMO systems

Abstract

In Fifth Generation (5G) scenarios, several challenges arise, special regarding devices' characterization. Multiple Input Multiple Output (MIMO) antennas will be used in such scenarios and are composed of several elements. Consequently, having several elements di cult for the MIMO antenna characterization, for instance, to identify problems in each antenna element or to select the proper elements to achieve a speci c direction. Since this type of antennas is constituted by many elements, close to each other, to perform beamforming, mutual coupling e ects occur which degrades the MIMO systems. In this sense, techniques to characterize mutual coupling when MIMO antennas are performing beamforming are a necessity. Internet of Things (IoT) devices will play a signi cant role in 5G, such as Radio Frequency to Direct Current (RF-DC) converters and backscatter systems, and characterize them to improve their e ciency is a requirement. This thesis will focus on the design and implementation of novel measurement techniques to characterize MIMO antennas and IoT devices, to improve their performance in real scenarios and reduce the characterization complexity. An Over-The-Air (OTA) multi-sine technique will be used to identify problems in MIMO antennas elements and to calibrate the antenna beam with the target. Regarding mutual coupling presented in MIMO antennas, a suitable characterization technique will be presented to evaluate those e ects when beamforming is performed. The OTA multi-sine calibration technique will be also used to optimize the RF-DC converter's e ciency. Moreover, a procedure to characterize these devices taking into consideration di erent speci cations will be performed. In terms of backscatter modulators, a characterization technique will be presented to extract the optimum points of those circuits to achieve e cient communication, considering also OTA measurements.

Em cenários de quinta geração (5G) das comunicações moveis, vários desafios surgem, especialmente relativamente à caracterização dos dispositivos. As antenas com múltiplas entradas múltiplas saídas (MIMO) serão utilizadas nesses cenários e são formadas por vários elementos, o que dificulta a sua caracterização, por exemplo, para identificar problemas em cada elemento da antena ou para selecionar os elementos corretos para radiar para uma determinada direção. Dado que este tipo de antenas é composto por vários elementos colocados próximos uns dos outros para controlar a direção do feixe de transmissão, os efeitos de acoplamento ocorrem, o que degrada os sistemas MIMO. Assim sendo, são necessárias técnicas para caraterizar os efeitos do acoplamento em antenas MIMO quando a direção do feixe de transmissão se altera. Os dispositivos de internet das coisas (IoT) desempenham também um papel importante nos cenários 5G, como acontece com os conversores de rádio frequência para corrente directa (RF-DC) e com os sistemas de retroespalhamento (backscatter), e caraterizar estes dispositivos para melhorar a sua eficiência é fundamental. Esta tese foca-se no desenvolvimento e na implementação de técnicas de medida inovadoras para caraterizar antenas MIMO e dispositivos IoT, com o objetivo de melhorar o seu desempenho para a utilização em cenários reais e reduzir a complexidade do processo de caracterização. A técnica multi-seno pela interface ar (OTA) será utilizada para identificar problemas em antenas MIMO, para seleccionar os elementos da antena a fim de transmitir para uma direção especifica e para calibrar o feixe da antena com o alvo. Relativamente ao acoplamento que acontece nas antenas MIMO, uma técnica de caracterização adequada será apresentada para avaliar esses efeitos quando existe variação do feixe. A técnica de calibração OTA multiseno será também aplicada para otimizar a eficiência de conversores RF-DC. Além disso, será apresentado um procedimento para caraterizar esses dispositivos levando em consideração diferentes especificações. Uma técnica de caracterização para extrair os pontos ótimos dos moduladores de retroespalhamento para obter uma comunicação eficiente será apresentada, considerando também medidas OTA.