Development of millimeter wave system components for 5G/6G wireless networks

Abstract

Bu tez, boşluk dalga kılavuzu teknolojisine dayalı 5G ve mm dalga uygulamaları için üç sistem bileşeninin tasarımına ayrılmıştır. Üç bantlı bant geçiren filtre, sırasıyla 32,32 GHz, 35,75 GHz ve 38,12 GHz rezonans frekanslarına ve yaklaşık 0,6 dB, 1,1 dB ve 0,9 dB düşük ekleme kayıplarına sahip Ka-bant uygulamaları için tasarlanmıştır. V/W frekans bantlarındaki uygulamalar için dört portlu MIMO anten geliştirilmiştir. 72,7 ile 79,5 GHz aralığı arasındaki otomotiv radar ve uydular arası uygulamalarda kullanıma uygundur. D-bant uygulamaları için 140,9 ile 157,7 GHz aralığında yeni 4 x 1 dikdörtgen yarık anten dizisi geliştirilmiştir. Genel verimlilik %95 civarındadır ve maksimum kazanç yaklaşık 10 dBi'dir. DGS izolasyon geliştirme tabanlı dört portlu MIMO anteni, D-bandı uygulamaları için tasarlanmıştır. Empedans bant genişliği 148 GHz'den 161,7 GHz'e kadar uzanır. Farklı DGS geometrilerinin kullanılması kuplaj azaltmalarında etkili olup bu geometrilerinden elde edilen en yüksek kuplaj seviyesi -26,4 dB'dir, en düşük seviye yaklaşık -96 dB'ye ulaşır ve maksimum gerçekleşen kazanç 7,97 dBi'dir. 11,94 ile 16,91 GHz aralığındaki Ku-bant uygulamaları için özgün, ayarlanabilir metayüzey tabanlı kompakt UWB hibrit kuplör geliştirildi. Kuplör, 2,6 ile 4,8 dB arasında sürekli olarak ayarlanabilen büyüklük sunarken, faz farkları 77° ila 105° aralığındadır ve %34,45'lik kesirli bant genişliğine (FBW) sahiptir. Önerdiğimiz tasarım, Ku bandı/mm-bant aralığındaki ilk ayarlanabilir faz kuplörüdür.

This thesis is devoted to the design of three system components for 5G and mm-wave applications based on gap waveguide technology. A Triple-band bandpass filter is designed for Ka-band applications with resonance frequencies of 32.32 GHz, 35.75 GHz, and 38.12 GHz, and low insertion losses of about 0.6 dB, 1.1 dB, and 0.9 dB, respectively. A four-port MIMO antenna for applications in V/W frequency bands is developed. It is suitable for use in automotive radar and inter-satellite applications in the range of 72.7 to 79.5 GHz. A new 4 x 1 rectangular slot antenna array for D-band applications is developed in the range from 140.9 to 157.7 GHz. The overall efficiency is around 95%, and the maximum gain is about 10 dBi. A DGS-based isolation enhancement-based four-port MIMO antenna is designed for D-band applications. The impedance bandwidth extends from 148 GHz to 161.7 GHz. Employing different DGS geometries is effective in coupling reductions, the highest coupling level obtained from different DGS geometries is -26.4 dB the lowest level reaches about -96 dB, with a maximum realized gain of 7.97 dBi. Optimum diversity properties are obtained. A novel reconfigurable metasurface-based compact UWB hybrid coupler is developed for Ku-band applications in the range from 11.94 to 16.91 GHz, covering the Ku-band. The coupler delivers continuously adjustable amplitudes between 2.6 and 4.8 dB while the phase differences are within 77° to 105° over a fractional bandwidth (FBW) of 34.45%. Our proposed design is the first adjustable phase coupler in the Ku band/mm-band ranges.