Exploring Ferrite-Loaded SIW Topology and Demonstrating Full-Duplex Transceiver Architecture for 5G Wireless Systems and Beyond

Le transpondeur duplexe intégral (ou FD, pour « full-duplex transceiver ») est un candidat prometteur pour la 5G et les systèmes sans-fil futurs, car les avantages inhérents aux systèmes FD seraient en mesure d'adresser les demandes complexes des systèmes 5G. Il est connu que les systèmes FD peuvent doubler la largeur de bande, diminuer les latences du système et diminuer les congestions du réseau, ce qui contribue à améliorer la fiabilité et les performances. Le principe d'une communication FD dépend de la transmission et réception simultanée d'un signal, contrairement à une transmission semi-duplexe, basée sur un duplexeur dans le domaine fréquentiel (FDD pour « frequency division duplexing ») ou dans le domaine temporel (TDD pour « time domain division duplexing »). Cependant, le développement d'un transpondeur FD pose un problème fondamental, c'est-à-dire une interférence du transmetteur avec lui-même (SI pour « self-interference »), ce qui peut dégrader ou saturer l'opération du receveur. En conséquence, nous devons annuler le signal SI du receveur pour obtenir un design FD efficace. Dans cette thèse, nous développons et démontrons un component passif en technologie guide d'onde intégré (SIW pour « substrate integrated waveguide ») capable de fournir une isolation de plus de 70 dB entre les canaux du transmetteur et du receveur (T/R pour « transmitter and receiver channels »), sur une plage de 80 MHz, dans une bande de fréquence sous les 6 GHz, en utilisant une antenne à double polarisation. À notre connaissance, l'isolation obtenue ici est la meilleure rapportée en configuration passive dans le domaine analogue. Le composant proposé utilise deux modes orthogonaux et deux polarisations pour obtenir une isolation importante. La solution développée ici excède les performances des méthodologies proposées dans la littérature, et ce de plusieurs façons. Premièrement, le composant proposé, un circulateur à modes duals (DM pour « dual mode ») et une antenne à polarisation duale (DP, pour « dual polarized ») est passif, linéaire et faible bruit. Ceci est en contraste avec les solutions FD existantes, qui nécessitent des circuits actifs. De plus, la technologie utilisée est SIW, qui peut soutenir de plus grandes puissances en comparaison avec les circuits actifs ou les circuits RF intégrés. Deuxièmement, les solutions actuelles de FD impliquent le design additionnel de components RF, RF intégrés, circuits ou chaines de transmission, ce qui résulte en une plus grande complexité et une consommation plus importante de puissance. Cependant, la solution proposée ici possède la même complexité que les transpondeurs typiques, à ceci près que le circulateur monomode et l'antenne monomode sont remplacés par un circulateur à mode dual et une antenne à polarisation duale. La solution proposée ici est simple, faible coût et efficace en comparaison avec les autres solutions. Troisièmement, le composant proposé possède un mécanisme d'auto-ajustement qui peut être utilisé pour ajuster la fréquence d'opération du dispositif et la bande de fréquence, ce qui résulte en une isolation importante. Finalement, notre méthodologie permet une opération FD sans sacrifier la figure de mérite du transpondeur, au contraire des autres architectures FD. En d'autres termes, le transpondeur FD réalisé ici surclasse les autres transpondeurs rapportés dans la littérature.

Abstract

Full-duplex (FD) transceiver is a promising candidate for 5G, and future wireless systems since the inherent advantages associated with FD systems would be able to exceptionally address the demanding requirements in 5G horizons and beyond. It has been well known that FD systems can double communication bandwidth and throughput, hugely lower system latency, and significantly minimize network congestion, which all contribute to enhanced system reliability and performance. The principle of an FD communication transceiver system relies on its simultaneous in-band transmission and reception of a signal compared to conventional half-duplex transceiver techniques based on either frequency division duplexing (FDD) or time division duplexing (TDD). However, the development of an FD transceiver poses a well-known significant fundamental challenge, in which a strong self-interference (SI) from the transmitter signal would disrupt and saturate the receiver operation of the same radio node. Therefore, to accomplish a successful FD system design, the strong SI signal must be canceled in the receiver channel. In this thesis, we propose, develop, and demonstrate a fully integrated passive substrate integrated waveguide (SIW) front-end component that is capable of providing more than 70 dB isolation between transmitter and receiver (T/R) channels over 80 MHz bandwidth in the sub-6 GHz frequency range, with the aid of a dual-polarized antenna. To our knowledge, this is the current world record isolation of T/R channels reported in the analog domain achieved in passive configuration. The proposed component exploits two orthogonal modes and polarizations to achieve high isolation. The proposed solution exceedingly outperforms other methodologies reported in the literature in several aspects. First, the proposed component that is essentially an integrated dual-mode (DM) circulator and dual-polarized (DP) antenna, is passive and delivers super linear and low noise performance. This is a massive contrast with reference to existing FD enabling solutions, which nearly all rely on active-circuit approaches. In addition, the proposed structure exploits a SIW topology, which can handle higher power signals in comparison to other active or RFICs-based solutions. Second, the current state-of-art solutions that achieve the FD operation usually involve the design of extra RF and RFIC components, circuits, and/or transmission chains, which all result in considerable added complexity and significant power consumption in the transceiver. However, our proposed solution has the same complexity as typical transceivers where single-mode circulator and single-mode polarized antenna are transformed into dual-mode and dual-polarized counterparts, respectively. Therefore, its relatively simple, low-loss, efficient, and low-cost structure is significantly advantageous to other solutions. Third, the proposed component has a self-consistent tuning mechanism that can be used to tune the operating frequency of the device and the frequency range that results in the highest possible isolation. Finally, unlike other FD enabling architectures, our proposed methodology enables the FD operation without much sacrifice in the transceiver's figure of merit. In other words, the realized FD transceiver, based on our proposed solution, can compete and outperform conventional transceivers.