Multi-wideband Encapsulated Dielectric Resonator Antennas for Future Wireless Communications

Le développement rapide de la technologie et des applications de communication sans fil a accru la demande en communication à haut débit. Cette demande a conduit à la création de la norme sans fil de cinquième génération (5G) qui peut offrir une augmentation de 10 à 100 fois du débit de transmission des données. Les systèmes 5G utilisent le large spectre disponible dans les bandes sous-6-GHz et ondes millimétriques. Par conséquent, des tentatives ont été faites pour développer des antennes large bande multibandes afin de prendre en charge à la fois les bandes de fréquences basses et élevées dans les réseaux 5G ainsi que les bandes 4G existantes. En plus des systèmes 5G, les antennes multibandes sont utilisées dans les systèmes de communication point à point et par satellite. Le passage vers les bandes mm implique une attention accrue aux signaux dans les systèmes de communication, et cela nécessite la conception d'antennes à gain élevé et de réseaux pour compenser partiellement les pertes de signal. Les capacités de pointage de faisceau fournies par les réseaux d'antennes réduisent les pertes de propagation et d'ombrage et compensent l'effet d’évanouissement élevé. De même, les applications de communications mobiles par satellite (SATCOM) sont confrontées à des défis tels qu'une faible puissance disponible et une perte de trajet significative, ce qui nécessite des réseaux d'antennes à gain élevé avec des capacités de pointage de faisceau. Les antennes à ouverture partagée fonctionnant dans plusieurs bandes permettent une intégration plus élevée dans un espace limité. Cependant, leur conception pour des bandes de fréquences largement séparées, telles que les bandes sous-6-GHz et ondes millimétriques, représente un défi. L'objectif de cette thèse est de fournir une étude complète des limitations et des défis de la conception des antennes pour les systèmes de communication sans fil émergents et d'introduire des conceptions compactes, multibandes et large bande pour les systèmes de communication sans fil 5G et au-delà.

Abstract

The rapid development of wireless communication technology and applications has increased the demand for high data rate communication. This demand has led to the inception of fifth generation (5G) wireless standard that can provide 10 to 100 times increase in the data transmission rate. 5G systems utilize the wide spectrum available at sub-6-GHz and mm-wave bands. As a result, attempts have been made to develop multi-band wideband antennas to support both low and high frequency bands in 5G a well as existing 4G bands. In addition to 5G systems, multi-band antennas are utilized in point-to-point and satellite communication systems. Moving toward mm-band means that more attention is needed for signal strength in communication systems and because of that, there is a need for design of high-gain antennas and arrays to partially compensate for signal losses. The beam steering capabilities provided by antenna arrays reduce propagation, and shadowing losses and compensates for the high fading effect at mm-wave frequencies. Similarly, mobile satellite communication (SATCOM) applications face challenges like low available power and significant path loss, requiring high-gain antenna arrays with beam steering capabilities. Shared aperture antennas operating in multiple bands, allow for a higher integration in limited space. However, the design of shared aperture antennas at widely separated frequency bands, such as sub-6-GHz and mm-wave bands, is a challenge. The objective of this dissertation is to provide a comprehensive study of limitations and challenges of the antenna design for emerging wireless communication systems and introduce compact, multi-band, wideband designs for 5G and beyond wireless communication systems. Dielectric resonator antennas (DRA) are more efficient antenna structures compared to their metallic counterparts at millimeter bands. With a careful design, DRAs offer wideband and multi-band operation. DRAs designed by high permittivity materials serve as a compact alternative of conventionally used metallic antenna at sub-6-GHz bands. In this research, a design methodology for compact, efficient, multi-wideband DRAs operating at sub-6-GHz and mm-wave bands is presented that reduces the size, weight, fabrication cost, and power consumption of mobile terminals in communication systems.