Mode Composite Waveguide for 5G and Future Wireless Communication Systems

Dans les systèmes de communication sans fil modernes, les fonctionnalités haut-débit et multi-bande des circuits RF et micro-ondes sont de plus en plus requises dans des systèmes intégrés et compacts. La bande de fréquence actuellement utilisée pour les communications sans fil commerciales comprend les bandes aux alentours de 900 MHz, 1,9 GHz, 2,45 GHz, 3,5 GHz et 5,8 GHz pour la téléphonie mobile, l'Internet sans fil et la connectivité des capteurs. Les nouvelles bandes millimétriques comme la bande de fréquence V (57-66 GHz) et la bande E (71-76 GHz et 81-86 GHz) sont utilisées pour la connectivité des microcellules et du coeur du réseau. Le nouveau standard des communications sans fils 5G nécessite l'exploitation parallèle de bandes de fréquences, à savoir les basses et les hautes fréquences, permettant ainsi d'aller au-delà de la capacité des systèmes de communications actuels. D'une part, la demande croissante pour un meilleur débit de données nécessite une bande de fréquence beaucoup plus large, ce qui justifie le recours vers la bande de fréquences millimétriques. D'autre part, le standard LTE ainsi que les autres systèmes de communication à grande couverture doivent être développés de manière compatible avec les bandes de fréquences en bas de 6 GHz et celles qui sont au-delà de 6 GHz. Par conséquent, la mise au point de nouveaux systèmes intégrés et à bas coût capables d'opérer sur fréquences UHF et millimétriques s'avère essentielle pour le standard sans fil émergent (5G). Dans cette thèse, une nouvelle méthode de conception de circuits intégrés RF large bande et multi-bande, appelée guide d'ondes à modes composites (MCW), est proposée et étudiée. Le MCW est constitué d'une structure à double guide d'ondes interne et externe, où la structure externe agit comme une ligne coaxiale rectangulaire adaptée pour les basses fréquences, tandis que la structure interne fonctionne comme un guide d'onde rectangulaire pour les hautes fréquences, ce qui rend la structure plus simple, plus compacte et à faibles pertes d'insertion. Le MCW est susceptible de propager des signaux au sein du guide d'ondes interne suivant le mode TE10 et/ou au sein du guide d'onde externe avec le mode TEM en fonction de la fréquence, permettant ainsi d'aboutir à des performances optimales pour les deux bandes de fréquences (basse et haute). Pour ce faire, les paramètres fondamentaux du guide d'ondes et les modes d'ordre supérieur du MCW sont théoriquement étudiés.

Abstract

In modern wireless communication systems, broadband and multiband functionalities of RF and microwave circuits are often required in a highly integrated and geometrically compact front-end systems. The currently used frequency band for commercial wireless communication includes the lower bands of 900 MHz, 1.9 GHz, 2.45 GHz, 3.5 GHz and 5.8 GHz for mobile phone, wireless internet and sensor connectivity, as well as the emerging millimeter-wave (mmW) bands of V-band (57-66 GHz) and E-band (71-76 GHz and 81-86 GHz) for small cell and backhaul connectivity. The emerging 5G wireless communication system requires the deployment of both low- and high-dual frequency bands in a simultaneous manner, which should extend far beyond the capability of existing mobile communication systems. On one hand, the increasing demand for higher speed wireless data transmission requires a much larger bandwidth, where the mmW bands shall be exploited to accommodate such a bandwidth increase. On the other hand, the LTE and other long-ranged wireless platforms need to be developed in a backwards-compatible way, and it is also very important to accommodate the frequency bands below 6 GHz or sub-6-GHz frequency ranges. Therefore, the development of a low-cost and integrated hardware solution is essential for the 5G and future wireless communication systems, which should be able to support the emerging wireless deployments over an unprecedented wide UHF-to-mmW frequency range. In this thesis, the development of a broadband or multi-band hardware design platform or building technology, called mode composite waveguide (MCW), is proposed and addressed. The MCW consists of inner and outer wave-guiding duo structures, where the outer structure acts as a rectangular coaxial line suitable for lower frequency operation for its compact size, while the inner structure works as a rectangular waveguide suitable for higher frequency operation thanks to its simple structure and low loss. The MCW can propagate signals in the inner waveguide with TE10 mode and/or the outer waveguide with TEM mode depending on frequency to achieve optimal performance for both low and high frequency operations.