Développement de système antennaire pour les communications 5G

Development of antenna systems for 5G communications

• Auteur / Autrice : Tran Quang Khai Nguyen
• Direction : Fabien Ferrero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 30/11/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, antennes et télécommunications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Lars Jonsson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Ferrero, Lars Jonsson, Laurent Cirio, Anthony Ghiotto, Leonardo Lizzi, Philippe Ratajczak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Cirio, Anthony Ghiotto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes-réseaux

Dispositifs à ondes millimétriques

Antennes (électronique)

Mots clés libres

5G

Conception d'antenne

Optimisation de l'antenne

Onde millimétrique

Effets humains

Efficacité de la couverture

5G

Antenna design

Antenna optimization

Millimeter wave

Human effects

Coverage efficiency

Résumé

Ce travail de thèse a été financé par le projet FUI Mass-Start (2017-2020). Le projet ambitionne de développer une solution open source 5G pour le MIMO Massif. L’objectif est le développement d’une plateforme Hardware et Software, sur le principe du succès d’OAI en 4G (www.openairinterface.org). Les principaux livrables matériels du projet sont les sous-systèmes radio et de traitement de bande de base compatibles 5G, leur intégration dans un démonstrateur de terminal 5G basé sur OAI et le réseau d’antennes permettant les expérimentations de bout en bout du lien MIMO Massif. L'objectif de la thèse est le développement et la mesure de système antennaires qui seront utilisés dans le projet.Sur la bande 5G FR1, le travail s'est concentré sur le développement d'une méthodologie de conception antennaire combinant circuit d'adaptation et optimisation géométrique. Les contraintes en bande passante sont évaluées à partir du facteur de qualité des antennes. Le prototype final démontre qu'un système non-résonnant permet de couvrir la plupart des bandes de téléphonie mobile 5G sous les 6GHz en respectant des contraintes d'intégration très forte.Sur la bande 5G FR2, et plus précisément sur la bande n258 Européenne, différents types d'architecture d'antennes réseau ont été évalués et mesuré. La thèse s'est particulièrement concentrée sur la co-conception entre les antennes et les modules électroniques sur une technologie PCB.Les solutions proposées ont été utilisées pour quantifier et modéliser l'effet du corps humain, et plus particulièrement de la main, sur les performances sur réseau antennaire. Enfin, une solution basée sur plusieurs réseaux distribués sur un téléphone montre une meilleure robustesse aux effets de blocage du corps humain.

The work in this thesis has been funded by the French FUI project MASS-START (2017-2020). The project aims at the integration of 5G compatible baseband and radio subsystems into an Over-Air-Interface-based 5G terminal and gNodeB demonstrator, and the antenna array for end-to-end Multiple Input Multiple Output link experimentation. The scope of the thesis concerns the design and assessment of antenna systems that are to be used in the project.At 5G Frequency Range 1 band, the work concentrates on the development of a methodology to design antenna with a matching circuit for mobile terminals with limited area. The bandwidth limitation is evaluated using Quality-Factor. A Particle Swarm Optimization algorithm is proposed and examined in different antenna designs for mobile terminals. The final design demonstrates a system with three non-resonating coupling elements covering most of the sub-6GHz bands of 5G. At 5G Frequency Range 2 band, more precisely band n258 of Europe, different types of array antennas are studied. The work first checks two types of feeding for a patch antenna that can be integrated into Printed Circuit Board to have a low profile antenna and ease the fabrication procedure. The designs are later fabricated and experimentally evaluated. With a Millimeter-Wave array at hand, we proceed a measurement campaign in which the effects of the user's finger at close proximity of the antenna are evaluated. The losses due to absorption, reflection, diffraction are quantified and compared with numerical estimations in literature. A system of multiple end-fire arrays placed at different locations in a terminal is also studied showing the compromising effectiveness if one array is severely blocked.