Radio wave propagation and antennas for millimeter-wave communications

Abstract

The use of millimeter-wave frequencies is seen as a strong candidate for realizing future, very high data-rate radio systems. Millimeter-wave frequencies offer large bandwidths for short-range indoor communications and outdoor point-to-point radio links. In this thesis, millimeter-wave antenna solutions and radio wave propagation channels are studied. One of the key questions that needs to be answered before millimeter-wave devices can be produced profitably in large quantities is how to realize a low-cost antenna that is efficient and can be integrated with other parts of the transceiver. In the first part of the thesis, different solutions for realizing integrated antennas in the 60-GHz frequency range are presented. In this work, several antenna designs utilizing micromachining techniques have been developed and evaluated. In addition, beam steering has been demonstrated with the developed antenna arrays. The goal of the propagation part is to measure and model propagation channels in hospital environments, where 60-GHz radio systems can be used to improve the efficiency of medical operations and in urban outdoor environments, where millimeter-wave point-to-point links can be used for last mile access and backhaul of mobile networks. The measured channel data is used to derive important propagation parameters, which are then compared to those found from the literature. In order to generate a large number of channel realizations, e.g., for system simulations, channel models that describe the propagation channel in the delay domain have been developed. In the last part of the thesis, the performance of millimeter-wave radio systems in indoor scenarios is analyzed by means of channel capacity and throughput of the physical layer. At first, the performance of different multi-antenna techniques are compared based on experimental characterization of the channel capacity. The results of the throughput analysis are used to evaluate the feasibility of millimeter-wave radio systems in the defined usage scenarios and to validate the developed propagation channel models. The results reveal that the 60-GHz radio systems are able to provide the required 1.53-Gbps data rate in hospital environments. The throughput starts to decline when the distance between the transmitter and the receiver exceeds 3 meters.

Millimetriaaltotaajuuksien käyttöä pidetään vahvana ehdokkaana tulevaisuuden hyvin suuriin datanopeuksiin yltävien radiojärjestelmien toteuttamiseksi. Millimetriaaltotaajuudet tarjoavat käytettäväksi suuria kaistanleveyksiä lyhyen kantaman sisätilatietoliikenteeseen sekä ulkotiloissa käytettäville radiolinkeille. Tässä työssä tutkitaan millimetriaaltoalueen antenniratkaisuja sekä radioaaltojen etenemiskanavaa. Avainkysymys, johon tarvitaan vastaus ennen kuin millimetriaaltolaitteita voidaan valmistaa kannattavasti suuria määriä on, miten edullinen ja suorituskykyinen antenni toteutetaan niin, että se voidaan integroida muiden lähetin- ja vastaanotinkomponenttien kanssa. Työn ensimmäisessä osassa esitellään erilaisia ratkaisuja integroitujen antennien toteuttamiseksi 60 GHz:n taajuusalueelle. Työssä on kehitetty useita mikromekaanista prosessia hyödyntäviä antenneja ja arvioitu niiden suorituskykyä. Lisäksi antennin säteilykuvion kääntöä on havainnollistettu kehitetyillä antenniryhmillä. Työn etenemisosan tavoitteena on mitata ja mallintaa etenemiskanava sairaalaympäristöis-sä, joissa 60 GHz:n radiojärjestelmiä voidaan käyttää parantamaan lääketieteellisten operaati-oiden tehokkuutta, sekä kaupunkiympäristöissä, joissa millimetriaaltoalueen radiolinkkejä voidaan käyttää ns. viimeisen mailin yhteyksiin sekä mobiiliverkkojen runkona. Mitattua kanavatietoa käytetään tärkeiden etenemisparametrien johtamiseen, joita verrataan kirjallisuudessa esitettyihin arvoihin. Työssä on kehitetty kanavamalleja, jotka kuvaavat etenemiskanavaa viivealueessa, jotta esimerkiksi systeemisimulointeihin saadaan luoduksi riittävän suuri määrä kanavavasteita. Väitöskirjan viimeisessä osassa analysoidaan millimetriaaltoradiojärjestelmien suoritus-kykyä sisätilaympäristöissä kanavakapasiteetin sekä fysikaalisen kerroksen tiedonsiirto-nopeuden avulla. Aluksi vertaillaan moniantennitekniikoiden suorituskykyä kokeellisesti määritetyn kanavakapasiteetin avulla. Tiedonsiirtonopeusanalyysin tuloksia käytetään millimetriaaltoradiojärjestelmien käytettävyyden arviointiin määritellyissä käyttöskenaari-oissa sekä kehitettyjen kanavamallien validointiin. Tulokset osoittavat, että 60 GHz:n radiojärjestelmät mahdollistavat vaaditun 1,53 Gbps:n tiedonsiirtonopeuden sairaalaympä-ristöissä. Tiedonsiirtonopeus alkaa laskea, kun lähettimen ja vastaanottimen välinen etäisyys ylittää 3 metriä.