Base Station Antenna Array with Calibration Structure

Abstract

The introduction of 5G technologies is pushing most of the research in mobile communications to millimeter waves. However sub-6 GHz frequency range provides excellent wave propagation and also increased capacity due increased usable frequency ranges and should not be ignored.

This thesis describes a design process and simulations for a sub-6 GHz indoor picocell base station antenna array with internal calibration network for transceiver self-calibration built around four channel RF transceiver.

Antenna type capable of 2 GHz to 6 GHz operation was chosen and designed using EM-simulations. Signal-injection circuitry was also designed using circuit simulator and implemented on a PCB.

A 2x2 Vivaldi array was produced that is capable of beam steering with less than or equal to -6 dB active reflection coefficient and greater than or equal to -3 dB total efficiency. Calibration with minimal insertion loss and nearly identical coupling was implemented on the RFIC PCB to form a picocell base station with the antenna array.

5G tekniikoiden tulon myötä suurin osa matkaviestinnän tutkimuksesta on siirtynyt millimetriaalloalueelle. Alle $6\,$GHz taajuusalue tarjoaa silti erinomaiset radioaaltojen etenemisominaisuudet sekä kasvaneen kapasiteetin uusien taajuusalueiden käyttöönoton myötä.

Tässä diplomityössä on esitelty alle 6 GHz taajuusalueella toimivan sisätiloihin tarkoitetun pikosolutukiaseman suunnitteluprosessi. Tukiasema koostuu neljän antennin antenniryhmästä, sisäisestä kalibrointiverkosta sekä neljäkanavaisesta lähetin-vastaanottimesta.

2 GHz - 6 GHz taajuusalueen kattava antennityyppi valittiin ja se mallinnettiin tietokoneohjelmistoa käyttäen. Rakenteeseen kuuluva kalibrointiverkko suunniteltiin ja mallinnettiin myös piirisimulaatio-ohjelmistoa käyttäen.

Suunnitteluvaiheen tuloksena saatiin neljän elementin Vivaldi-tyyppinen antenniryhmä, jonka aktiivinen heijastuskerroin oli pienempi tai yhtä suuri kuin -6 dB sekä kokonaishyötysuhde suurempi tai yhtä suuri kuin -3 dB. Kalibrointiverkon vaikutus signaaliteihin saatiin minimoitua ja kalibrointisignaalin kytkeytyminen kalibrointiverkon läpi lähes identtiseksi. Tukiasemarakenne rakennettiin yhdistämällä antenniryhmä sekä kalibrointiverkon ja lähetin-vastaanottimen sisältävä piirilevy.