Six-Port Technology for Millimeter-Wave MIMO Systems

Les taux de transmission des systèmes de communication sans-fil modernes augmentent. De nouvelles bandes de fréquences et de nouvelles technologies sont exploitées pour supporter de hauts taux de transmission. La bande d'ondes millimétriques est une bonne candidate pour supporter des taux de transmission de l'ordre des Gbps. De plus, la technologie à entrées/sorties multiples (MIMO) ouvre la porte à des systèmes de communication à bas coût à haut taux de transmission. Le récepteur hétérodyne standard est utilisé dans plusieurs systèmes de communication, puisqu'il présente une grande sélectivité et une grande sensibilité. Par contre, le récepteur à conversion directe permet un meilleur niveau d'intégration en diminuant le nombre de composants des circuits. Parmi les récepteurs à conversion directe, ceux à six ports ont un circuit passif qui sert d'interferomètre. La diversité additionnelle est produite par les sorties en quadrature, qui sont des combinaisons linéaires du signal d'entrée et du signal de référence. Les guides d'onde intégrés au substrat (SIW) peuvent être facilement intégrés à des circuits planaires. La conception est simplifiée puisqu'il existe des méthodes de conception de guides d'ondes traditionnels. Un système MIMO à six ports de type SIW est présenté dans cette dissertation. Premièrement, un diviseur de puissance et un coupleur hybride de type SIW sont présentés. L'implémentation de ces circuits, basée sur les règles de conception des structures SIW, est réalisée une bande de fréquence d'intérêt. Plusieurs paramètres critiques peuvent être manipulés pour contrôler les performances du diviseur de puissance et du coupleur hybride. Une transition de la structure SIW à la ligne micro-ruban est conçue pour permettre des mesures. Les résultats de simulation du circuit démontrent que celui-ci offre une bonne performance. Deuxièmement, à partir du diviseur de puissance et du coupleur hybride, le circuit à six ports est présenté. Trois types d'architechtures sont comparées, et l'une d'elles est choisie pour le système de démonstration. Les résultats de simulation et les résultats expérimentaux concordent, et guarantissent une bonne performance du circuit proposé et du système de communication sans-fil dans lequel le circuit est intégré. Finalement, le système de 2×2 ports est présenté. Il n'y a pas de couplage réciproque entre les deux récepteurs lorsque le critère de propagation de Rayleigh dans la ligne de visée est respecté.

Abstract

Presently, the data rates in modern wireless communication systems are becoming higher and higher and new frequency bands and technologies are being exploited in support of high data transmissions. The millimeter-wave band is a candidate of choice to support Gbps data transmission. In addition, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology will open the way for low-cost reliable communication systems that require even higher data rates. While the conventional heterodyne receiver has been widely applied in many kinds of communication systems due to its high selectivity and sensitivity, the direct-conversion receiver allows higher-level circuit integration by reducing the number of circuit components. Among these direct-conversion receivers, six-port scheme presents a passive circuit that acts as an interferometer. The additional diversity is produced by the quadrature outputs of the six-port circuit that are linear combinations of the unknown input signal and the reference signal. Substrate integrated waveguide (SIW) can be integrated with planar circuits easily. The design procedure is obviously simplified as a result of the existing typical design methods for the rectangular waveguide. Based on the above techniques and discussions, the millimeter-wave MIMO system based on SIW six-port circuit is presented in this dissertation. First, the SIW power divider and hybrid coupler are presented. The implementation of those circuits is based on the SIW design rules, according to the working frequency band of interest. Several critical parameters can be manipulated to control performances of the SIW power divider and hybrid coupler. An SIW to microstrip line transition is designed for measurement purposes. Simulation results of the circuits show good performances. Second, based on the studied and designed SIW power divider and hybrid coupler, the six-port circuit is presented. Three types of six-port architecture are compared, with one of them chosen to work in our millimeter-wave MIMO system demonstration. Simulation and measurement results agree well and guarantee a good performance of the proposed circuit itself and wireless high-speed communication system in which the circuit is embedded. Finally, the 2×2 millimeter-wave MIMO system is presented.