Ανάπτυξη εξάθυρων – πολύθυρων διατάξεων – δικτύων υπερ-ευρείας ζώνης (UWB) για εφαρμογές Λογισμικά Οριζόμενων Ράδιο – Ραντάρ (SDR)

Abstract

The continuously increasing demand for higher data rates, greater capacity, andmore efficient utilization of the available spectrum is driving the development of advanced techniques for modern and future wireless communication systems, including 5G, Beyond-5G, and 6G. Techniques such as three-dimensional beamforming and polarization multiplexing impose increased requirements on broadband and compact RF subsystems. Multiport microwave networks, such as six-port networks and Butler matrices, constitute key building blocks of such subsystems. In this context, the main objective of the present doctoral thesis is the study and development of broadband and compact multiport microwave networks, with particular emphasis on six-port networks and Butler matrices. These networks consist of individual building blocks, such as couplers, power dividers, and phase shifters. Consequently, the overall response of a multiport network is determined both by the performance of its individual building blocks and by their interconnections. A first challenge concerns the broadband and compact implementation of the building blocks themselves. A second challenge is their appropriate interconnection so that the corresponding multiport network maintains the desired response over a wide frequency range. To address this problem, a novel broadband matching technique is proposed, through which appropriate transmission lines for matching and interconnecting different building blocks are determined. At the same time, the implementation of the interconnecting lines using meander lines enables a reduction in the overall footprint of the multiport network. In this way, the proposed technique provides broadband operation and miniaturization, facilitating the integration of multiport networks into RF subsystems, such as the interconnection of horizontal and vertical rows of Butler matrices for the implementation of three-dimensional beamforming (3D beamforming). The proposed technique is applied and experimentally validated through the development of prototype six-port networks and Butler matrices operating in different frequency regions. The six-port networks are developed in the 5G FR1 frequencyrange, where their implementation using meander lines achieves a footprint reduction of approximately 63%, while maintaining broadband operation with a fractional bandwidth of approximately 103%. In addition, the results obtained from the prototypes confirm their capability for efficient reception of digitally modulated signals, including high-order modulation schemes. Correspondingly, in the FR3 frequencyrange, 4×4 and 8×8 Butler matrices are developed, achieving fractional bandwidths of approximately 102% and 92%, respectively, while maintaining the required amplitude and phase relationships for the generation of the corresponding beams. The application of the proposed technique to two different categories of multiport networks establishes it as a unified and flexible design approach for the synthesis of multiport microwave networks. In parallel, this thesis investigates the use of Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology for supporting rectangular waveguide modes at millimeter-wave frequencies. Compared with microstrip lines, SIW technology exhibits lower losses and can be implemented using printed circuit board (PCB) technology. In this context,the efficient excitation and guidance of the TE01 mode are investigated, employing a periodic Electromagnetic Band Gap (EBG) structure to reduce radiation losses and suppress undesired modes. Consequently, the capability to support both theTE10 and TE01 modes can be exploited to support different polarizations. The proposed configuration is developed with the prospect of its future integration into beamforming networks, with the aim of combining multiple beams with polarization multiplexing. Overall, the technique proposed in this thesis combines broadband operation, miniaturization, and the achievement of the desired response. The implemented networks are intended to contribute to the development of multifunctional RF subsystems for reception, beamforming, and polarization multiplexing in modern and future wireless communication systems

Η συνεχώς αυξανόµενη ζήτηση για υψηλότερους ϱυθµούς µετάδοσης δεδοµένων, µεγαλύτερη χωρητικότητα και αποδοτικότερη αξιοποίηση του διαθέσιµου ϕάσµατος οδηγεί στην ανάπτυξη προηγµένων τεχνικών για τα σύγχρονα και µελλοντικά ασύρµατα συστήµατα επικοινωνιών 5G, Beyond-5G και 6G. Τεχνικές όπως η τρισδιάστατη διαµόρφωση δέσµης και η πολυπλεξία πόλωσης δηµιουργούν αυξηµένες απαιτήσεις για ευρυζωνικά και συµπαγή RF υποσυστήµατα. Σηµαντικές ϐαθµίδες τέτοιων υποσυστηµάτων αποτελούν οι πολύθυρες µικροκυµατικές διατάξεις, όπως τα εξάθυρα δίκτυα και οι πίνακες Butler. Στο πλαίσιο αυτό, ϐασικό αντικείµενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η µελέτη και ανάπτυξη ευρυζωνικών και συµπαγών πολύθυρων µικροκυµατικών διατάξεων και ειδικότερα εξάθυρων δικτύων και πινάκων Butler. Οι διατάξεις αυτές αποτελούνται από επιµέρους δοµικά στοιχεία, όπως συζεύκτες, διαιρέτες ισχύος και ϕασηθέτες. Συνεπώς, η τελική απόκριση της πολύθυρης διάταξης καθορίζεται τόσο από την απόδοση των επιµέρους δοµικών στοιχείων όσο και από τις µεταξύ τους διασυνδέσεις. ΄Ενα πρώτο ζήτηµα αποτελεί η ευρυζωνικότητα και η συµπαγής µορφή των ίδιων των δοµικών στοιχείων. ΄Ενα δεύτερο ζήτηµα είναι η κατάλληλη διασύνδεση αυτών, έτσι ώστε η αντίστοιχη πολύθυρη διάταξη να διατηρεί την επιθυµητή απόκριση σε µεγάλο εύρος συχνοτήτων. Για την αντιµετώπιση του προβλήµατος αυτού προτείνεται µία πρωτότυπη τεχνική ευρυζωνικής προσαρµογής, µέσω της οποίας προσδιορίζονταιοι κατάλληλες γραµµές για την προσαρµογή και τη διασύνδεση των διαφορετικών δοµικών στοιχείων. Παράλληλα, η υλοποίηση των γραµµών διασύνδεσης µε γραµµές µαιάνδρου επιτρέπει τη µείωση του συνολικού αποτυπώµατος της πολύθυρης διάταξης. Με τον τρόπο αυτό, η προτεινόµενη τεχνική προσφέρει ευρυζωνική λειτουργία και σµίκρυνση, διευκολύνοντας την ενσωµάτωση των πολύθυρων διατάξεων σε RF υποσυστήµατα, όπως, για παράδειγµα, στη διασύνδεση οριζόντιων και κατακόρυφων σειρών από πίνακες Butler για την υλοποίηση της τρισδιάστατης διαµόρφωσης δέσµης (3Dbeamforming). Η προτεινόµενη τεχνική εφαρµόζεται και επαληθεύεται πειραµατικά µέσω της ανάπτυξης πρωτότυπων εξάθυρων δικτύων και πινάκων Butler σε διαφορετικές περιοχές του ϕάσµατος συχνοτήτων. Τα εξάθυρα δίκτυα αναπτύσσονται στην περιοχή FR1 του 5G, όπου η υλοποίηση µε γραµµές µαιάνδρου επιτυγχάνει µείωση του αποτυπώµατος κατά περίπου 63%, διατηρώντας παράλληλα ευρυζωνική λειτουργία µε κλασµατικό εύρος ζώνης περίπου 103%. Επιπλέον, τα αποτελέσµατα των πρωτοτύπων επιβεβαιώνουν τη δυνατότητα αποδοτικής λήψης ψηφιακών διαµορφώσεων, ακόµη και υψηλής τάξης. Αντίστοιχα, στην περιοχή FR3 αναπτύσσονται πίνακες Butler 4 × 4 και 8 × 8, οι οποίοι επιτυγχάνουν κλασµατικό εύρος ζώνης περίπου 102% και 92%, αντίστοιχα, διατηρώντας τις απαιτούµενες σχέσεις πλάτους και ϕάσης για την παραγωγή των αντίστοιχων δεσµών. Η εφαρµογή της προτεινόµενης τεχνικής σε δύο διαφορετικές κατηγορίες πολύθυρων διατάξεων την καθιστά µια ενιαία και ευέλικτη σχεδιαστική προσέγγιση για τη σύνθεση πολύθυρων µικροκυµατικών διατάξεων. Παράλληλα, η παρούσα διατριβή διερευνά την αξιοποίηση της τεχνολογίας κυµατοδηγού ενσωµατωµένου σε υπόστρωµα (Substrate Integrated Waveguide – SIW) για την υποστήριξη ορθογώνιων ρυθµών στις µιλλιµετρικές συχνότητες. Η τεχνολογία SIW, σε σχέση µε τις µικροταινιακές γραµµές, εµφανίζει λιγότερες απώλειες και µπορεί να υλοποιηθεί σε τεχνολογία PCB. Στο πλαίσιο αυτό, διερευνάται η αποτελεσµατική διέγερση και καθοδήγηση του ρυθµού TE01, µε τη χρήση περιοδικής δοµής ηλεκτροµαγνητικού χάσµατος (Electromagnetic Band Gap – EBG) για τον περιορισµό των απωλειών ακτινοβολίας και την καταστολή ανεπιθύµητων ρυθµών. Συνεπώς, η δυνατότητα υποστήριξης των ρυθµών TE10 και TE01 µπορεί να αξιοποιηθεί για την υποστήριξη διαφορετικών πολώσεων. Η προτεινόµενη διάταξη αναπτύσσεται µε προοπτική τη µελλοντική ενσωµάτωσή της σε δίκτυα διαµόρφωσης δέσµης, µε στόχο τον συνδυασµό πολλαπλών δεσµών µε την πολυπλεξία πόλωσης. Συνολικά, η προτεινόµενη τεχνική στην παρούσα διατριβή συνδυάζει ευρυζωνική λειτουργία, σµίκρυνση και επίτευξη της επιθυµητής απόκρισης. Οι διατάξεις που υλοποιούνται αποσκοπούν στην ανάπτυξη πολυλειτουργικών RF υποσυστηµάτων για λειτουργίες λήψης, διαµόρφωσης δέσµης και πολυπλεξίας πόλωσης σε σύγχρονα και µελλοντικά ασύρµατα συστήµατα επικοινωνιών.