aalto1 untyped-item.component.html
Reconfigurable pixel antenna design using characteristic mode analysis
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72
Series
Abstract
With the oncoming 6G networks the need for antenna solutions in the Frequency range 3 (FR3, 7GHz to 25GHz) raises. Furthermore, these solutions are desired to be multi-functional, that is, they should provide capabilities to operate on multiple frequency bands and perform beam steering etc. for communications and remote sensing purposes. A desired goal is to be able to perform all of this with a single antenna. This makes technologies such as reconfigurable antennas forefront of 6G development. Reconfigurable antennas can change their frequency or radiation characteristics by changing their electrical properties. This is usually done with electrical switches, but other options also exist.
One antenna type that uses switches is the reconfigurable pixel antennas. They are composed of a grid of metallic patches interconnected by switches. On non-reconfigurable antennas these switches are replaced by metallization if the switch would be on. Pixel antennas allow large numbers of degrees of freedom and are quite versatile in how they are fed or used. This makes them ideal for multi-use applications. However, there are no pixel antennas in the FR3 region and the existing design methods are largely non-deterministic or use randomization as part of them.
This thesis has two goals: Develop a deterministic design method for multiport pixel antennas and use it to design pixel antennas for FR3. This is largely done using the theory of characteristic modes for both electromagnetic fields and circuit networks. The characteristic modes are shown to be adequate substitution for randomizing initial solutions and a viable method for deterministic optimization. The immediate trade-off is that of simulation time. Further problems are caused by errors in CST Microwave Studios CMA implementations, but these are not fatal flaws. Therefore the method can be used to design pixel antennas.
Uusi 6G-tekniikka tuo mukanaan vaatimuksen nopeammasta tiedonsiirrosta ja antennien monikäytöstä. Tämä vaatii uusia taajuuskaistoja FR3-alueelta (7GHz-25GHz). Lisäksi monikäyttö, eli kommunikaation, etähavaitsemisen ja muiden käyttötarkoitusten yhdistäminen, vaatii uudenlaisia teknologioita. Tämä korostuu entisestään, kun kaikki halutaan yhdistää yhteen antenniin. Yksi tämän mahdollistava teknologia on uudelleenkonfiguroitavat antennit. Uudelleenkonfiguroitavissa antenneissa tyypillisesti sähköisesti ohjattavat kytkimet muuttavat antennin ominaisuuksia niin, että säteilykuvio ja/tai taajuuskaista muuttuu. Tällä voidaan saavuttaa 6G-verkon vaatimukset, mikä tuo uudelleenkonfiguroitavat antennit 6G-kehityksen kärkeen.
Yksi uudelleenkonfiguroitava antennityyppi on pikseliantennit. Niissä metalliset alueet eli pikselit ovat tasaisesti vierekkäin ja ne ovat kytkettyinä naapureihinsa kytkimillä tai metalliliuskoilla mikäli antenni ei ole uudelleenkonfiguroitava. Pikseliantennit antavat suunnitteluun monia vapausasteita ja ne ovat todella monimuotoisia ja joustavia, mikä tekee niistä ideaalisia vaativiinkin monikäyttötarkoituksiin. Kuitenkaan FR3-alueelle ei kirjallisuudesta löydy pikseliantenneja. Lisäksi nykyiset pikseliantennien suunnittelumetodit perustuvat satunnaisuuteen tai ovat muuten vaikeasti toistettavia.
Tällä työllä on kaksi tavoitetta. Nämä ovat helposti toistettavan suunnittelumetodin kehittäminen moniporttisille pikseliantenneille sekä pikseliantennien suunnittelu tällä FR3-alueelle. Pääteoriana työssä käytetään ominaismoodianalyysia niin sähkömagneettisille kentille kuin virtapiireille. Kenttien ominaismoodien käyttö on toimiva ratkaisu kytkimien optimointiin alkuarvaukseksi, mikä tuo etua satunnaisgeneroituihin alkuarvauksiin. Tällä on kuitenkin hintana pidempi simulaatioaika. Lisäksi ongelmia tuo kaupallisen simulaattorin CST Microwave Studion virheet ominaismoodianalyysissä. Nämä voidaan kuitenkin kiertää, mikä tekee esitetystä metodista oivan pikseliantennien suunnitteluun.