Design of new radiating systems and phase shifters for 5G communications at millimeter-wave frequencies

Abstract

With the arrival of the new generation of communications, known as 5G, the systems that constitute it must offer better performance in terms of data speed, latency and connection density than the previous generation of communications. For 5G, an allocation of the frequency ranges that will support future wireless communications has been established. This allocation is formed by a range of frequencies corresponding to bands below 6 GHz and the other range of frequencies includes bands above 24 GHz. In the latter frequency range, which includes part of the millimeter-wave frequency band (from 30 GHz to 300 GHz), the development of new radio frequency (RF) components is necessary because their design and manufacture is a technological challenge. As the frequency that supports wireless communications increases, propagation losses also increase. Therefore, these losses must be compensated by the radiating systems in 5G to make these communications possible. The RF devices that make up these new systems must provide high antenna gain, be power efficient and offer spatial reconfigurability of the radiated signal. In this thesis, the main objective is the design of both guided and radiating RF devices to provide design solutions for future 5G systems at millimeter-wave frequencies. In particular, the contributions made have been to the design of phase shifters and antenna arrays. To improve efficiency at millimeter-wave frequencies, these devices have been designed in waveguide technology. Phase shifters are essential RF devices to control the phase shift of the electromagnetic wave that will be radiated to a certain spatial direction by an antenna array. The design of beamforming networks requires the implementation of phase shifters that produce a fixed or variable phase shift value. However, the design and fabrication of these devices at millimeter-wave frequencies is a complex task. In this thesis, four designs of waveguide phase shifters that produce both fixed and variable phase shift are presented. For phase shifters that provide a fixed phase shift, the value of this phase shift along the frequency is tuned in a desired manner by using periodic structures with higher symmetries. These types of configurations provide both flexibility in the design process and improved electromagnetic performance such as greater operating bandwidth. All the phase shifters have been implemented in gap-waveguide technology to demonstrate its effectiveness in these devices for millimeter-wave frequencies. Regarding the radiating systems, two feeding strategies have been considered in the design process. First, the design of a 70 GHz centered antenna array implemented in gap-waveguide technology combined with the use of separate waveguides in E-plane is proposed. In this design, the feed is guided through a waveguide corporate-feed network. Second, the design of a reflectarray whose unit cells are formed using three-dimensional geometries is presented. In this case, the feeding is done in free space by radiation from a source antenna. In the previous designs, the fabrication of the prototypes was done by 3D printing based on stereolithography. Finally, using unit cells with three-dimensional geometries, the design of radiating devices with more complex functionalities such as reflection/transmission with high directivity and reconfiguration of the reflected radiation by means of graphene structures are proposed.

Con la llegada de la nueva generación de comunicaciones, denominada 5G, los sistemas que la conforman deben ofrecer unas mejores prestaciones en términos de velocidad de datos, latencia y densidad de conexiones respecto a la generación de comunicaciones anterior. Para 5G se ha establecido una asignación de los rangos de frecuencia que van a soportar las futuras comunicaciones inalámbricas. Esta asignación se compone por un rango de frecuencias correspondiente a las bandas por debajo de los 6 GHz y el otro rango de frecuencias engloba a las bandas por encima de los 24 GHz. En este ´ultimo rango de frecuencias, en el cual están incluidas parte de la banda de las frecuencias milimétricas (desde 30 GHz a 300 GHz), es necesario el desarrollo de nuevos componentes de radiofrecuencia (RF) ya que su diseño y fabricación supone un reto tecnológico. Al aumentar la frecuencia que soporta las comunicaciones inalámbricas, las pérdidas por propagación también aumentan. Es por ello por lo que estas pérdidas deben ser compensadas por los sistemas radiantes en 5G para que las comunicaciones sean posibles. Los dispositivos de RF que componen estos nuevos sistemas deben proporcionar una alta ganancia de antena, ser eficientes en términos de potencia y ofrecer reconfigurabilidad espacial de la señal radiada. En esta tesis, el objetivo principal es el diseño de dispositivos de RF tanto guiados como radiantes para ofrecer soluciones de diseño a los futuros sistemas 5G en frecuencias milimétricas. De manera particular, las contribuciones realizadas han sido al diseño de desfasadores y agrupaciones de antenas. Para mejorar la eficiencia en frecuencias milimétricas, estos dispositivos han sido diseñados en tecnología en guía de ondas. Los desfasadores son dispositivos RF esenciales para controlar el desfase de la onda electromagnética que será radiada hacia una cierta dirección espacial por una agrupación de antenas. Las redes de beamforming tienen la necesidad de implementar en su diseño desfasadores que producen un valor de desfase fijo o variable. Sin embargo, el diseño y fabricación de estos dispositivos en frecuencias milimétricas resulta una tarea de alta dificultad. En esta tesis se presenta cuatro diseños de desfasadores en guía de onda que producen un desfase tanto fijo como variable. Para los desfasadores que proporcionan un desfase fijo, el valor de este desfase a lo largo de la frecuencia es ajustado de manera deseada mediante el uso de estructuras periódicas con simetrías superiores. Este tipo de configuraciones proporcionan tanto flexibilidad en el proceso de diseño como una mejora de las características electromagnéticas como puede ser un mayor ancho de banda de operación. Todos los desfasadores realizados han sido implementados en tecnología gap waveguide para demostrar su efectividad en estos dispositivos para frecuencias milimétricas. Respecto a los sistemas radiantes, se han considerado dos estrategias de alimentación en el proceso diseño. En primer lugar, se propone el diseño de un array centrado a 70 GHz implementado en tecnología gap waveguide combinado con el uso de guías de onda separadas en plano E. En este diseño, la alimentación es guiada a través de una red de alimentación corporativa en guía de onda. En segundo lugar, se presenta el diseño de un reflectarray cuyas celdas unitarias son formadas mediante geometrías tridimensionales. En este caso, la alimentación se hace en el espacio libre mediante la radiación de una antena fuente. En los anteriores diseños, la fabricación de los prototipos se realizó mediante impresión 3D basado en estereolitografía. Finalmente, a través del uso de celdas unitarias con geometrías tridimensionales, se proponen el diseño de dispositivos radiantes con funcionalidades más complejas como la reflexión/transmisión con alta directividad y la reconfiguración de la radiación reflejada mediante estructuras con grafeno.