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Theoretical and Experimental Investigation of Near-Field Multi-Focusing Systems

Ruizhi Liu

PhD thesis (2019)

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Cite this document: Liu, R. (2019). Theoretical and Experimental Investigation of Near-Field Multi-Focusing Systems (PhD thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/4060/
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Abstract

RÉSUMÉ Dans les systèmes de communication modernes, les fonctionnalités d’efficacité énergétique et d'efficacité du spectre sont mises en évidence, attirant de plus en plus l’attention dans la conception des systèmes et des appareils grâce à la demande croissante en débit de données, densité et nombre de terminaux utilisateurs. La technique multi-faisceaux est une caractéristique essentielle de la conception du réseau d'antennes pour systèmes sans fil, qui peut être utilisée pour prendre en charge plusieurs utilisateurs et plusieurs spots avec une grande efficacité. Dans ce travail de recherche, une série de méthodes de développement d’un réseau d’antennes comportant multi-faisceaux de rayonnement électromagnétique dans sa région de champ proche est proposée et présentée. Les travaux de recherche sur la mise au point multiple en champ proche couvrent le développement d’algorithmes, la conception de composants associés, la discussion sur les propriétés de focalisation et leurs méthodes d’amélioration, ainsi que le développement de fonctions d’exploitation et de scénarios d’application. Dans ce travail, un certain nombre d’algorithmes de modélisation du réseau d’antennes prenant en compte le modèle de champ proche, la compensation de phase et la stratégie d’optimisation sont développés afin non seulement d’identifier les emplacements spatiaux de multiples points focaux dans la région de champ proche, mais également de formuler le modèle de faisceau à ou autour de ces points focaux. Dans l'essentiel, les algorithmes proposés visent essentiellement à réaliser une mise en forme de motif dans la région de champ proche en mettant un accent particulier sur les aspects de conception tels que l'ajustement de la localisation spatiale des points focaux, la spécification des distributions d'amplitude et de phase et l'attribution de polarisations.La réalisation pratique est également une partie importante de ce travail qui s'intéresse au développement de réseaux d'antennes multi-focales dans la région du champ proche. Par conséquent, les composants, notamment les réseaux d’antennes et les réseaux d’alimentation correspondants, sont conçus et fabriqués pour démontrer expérimentalement les propriétés et les applications à focalisation multiple de ce travail de recherche, validant ainsi la modélisation et l’analyse théoriques. Les réseaux d'antennes multi-focales sont conçus et des travaux expérimentaux sont effectués dans les bandes de fréquences radio et ondes millimétriques avec de bonnes performances.----------ABSTRACT In modern communications systems, the features of energy efficiency and spectrum efficiency are highlighted, attracting more and more attention in the design of systems and devices thanks to the requirement of ever-increasing data rate, density and quantity of user terminals. Multi-beam technique is an essential enabling design feature of antenna array for wireless systems, which can be used in support of multiple users and multiple spots with high efficiency. In this research work, a series of methods for developing an antenna array that features multiple electromagnetic beaming focuses in its near-field region are proposed and presented. The research work on near-field multi-focus covers the development of algorithms, design of related components, discussion about the focusing properties and their improvement methods, and the expansion of operating functions and application scenarios. In this work, a number of modeling algorithms of antenna array considering near-field model, phase compensation, and optimization strategy are developed in order not only to identify the spatial locations of multiple focal points in the near-field region but also to formulate the beam pattern at or around those focal points. In essentials, the proposed algorithms aim at realizing a pattern shaping in the near-field region with particular emphasis on design aspects such as adjustment of the spatial location of focal points, specification of amplitude and phase distributions, and allocation of polarizations. The practical realization is also an important part of this work with interest in developing multi-focus arrays in the near-field region. Therefore, components including antenna arrays and related feeding networks are designed and fabricated for experimentally demonstrating the multi-focusing properties and applications in this research work, which also validate the theoretical modeling and analysis. The multi-focusing antenna arrays are designed, and experimental work is carried out in both radio-frequency and millimeter-wave bands with good performance. Different from a far-field region of antennas, the electromagnetic field in a near-field region involves reactive and radiative energy components simultaneously.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie électrique
Academic/Research Directors: Ke Wu
Date Deposited: 09 Dec 2019 13:52
Last Modified: 12 Dec 2019 10:14
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/4060/

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