A proposal of antenna topologies for 5G communication systems

Abstract

ABSTRACT: Following the forecasted manifold increases in cellular traffic for 5G over the next five years as detailed in the CISCO VNI 2017 report, methodologies for the design of three antenna topologies operating at 14 GHz, 28 GHz and 31 GHz - one each in the domain of Massive MIMO, Single RF MIMO and Millimeter wave - are proposed in the thesis. A unique low-profile quasi-optic end fire antenna element and its 4x4 Massive MIMO sub-array operating over a novel multibeam-switching scheme along with its use in Single RF MIMO application are presented. Moreover, for application in small cell scenarios at Millimeter Wave band, an all-metal multibeam waveguide lens antenna is proposed that projects multiple high directional beams of around 15 dBi over two bands centred at frequencies of 28 GHz and 31 GHz. The three manufactured prototypes have been experimentally validated and their application can be extended to several 5G use cases.

RESUMEN: En línea con la previsión de crecimiento de varios órdenes de magnitud del tráfico celular para 5G en los próximos cinco años como se detalla en el informe CISCO VNI 2017, en esta Tesis se proponen tres topologías de antena operativas a 14, 28 y 31 GHz – orientas a aplicaciones Massive MIMO, Single RF MIMO y Millimeter-Wave. Se presenta un nuevo elemento cuasi-óptico de bajo perfil y con respuesta longitudinal, un subarray 4x4 del mismo operando con un nuevo esquema de conmutación de haces múltiples para su empleo en Massive MIMO junto con su adaptación para su empleo en sistemas Single RF MIMO. Por otra parte, para aplicación en celdas de reducido tamaño en bandas milimétricas, se propone una antena mutihaz de lente en guía, completamente metálica, que proyecta varios haces direccionales de aproximadamente 15 dBi en dos bandas centradas a 28 y 31 GHz. Los tres prototipos fabricados han sido validados experimentalmente y su aplicación puede extenderse a varios casos de uso en 5G.