Design of new radiating systems and phase shifters for 5G communications at millimeter-wave frequencies

Resumen

Con la llegada de la nueva generación de comunicaciones, denominada 5G, los sistemas que la conforman deben ofrecer unas mejores prestaciones en términos de velocidad de datos, latencia y densidad de conexiones respecto a la generación de comunicaciones anterior. Para 5G se ha establecido una asignación de los rangos de frecuencia que van a soportar las futuras comunicaciones inalámbricas. Esta asignación se compone por un rango de frecuencias correspondiente a las bandas por debajo de los 6 GHz y el otro rango de frecuencias engloba a las bandas por encima de los 24 GHz. En este ´ultimo rango de frecuencias, en el cual están incluidas parte de la banda de las frecuencias milimétricas (desde 30 GHz a 300 GHz), es necesario el desarrollo de nuevos componentes de radiofrecuencia (RF) ya que su diseño y fabricación supone un reto tecnológico. Al aumentar la frecuencia que soporta las comunicaciones inalámbricas, las pérdidas por propagación también aumentan. Es por ello por lo que estas pérdidas deben ser compensadas por los sistemas radiantes en 5G para que las comunicaciones sean posibles. Los dispositivos de RF que componen estos nuevos sistemas deben proporcionar una alta ganancia de antena, ser eficientes en términos de potencia y ofrecer reconfigurabilidad espacial de la señal radiada. En esta tesis, el objetivo principal es el diseño de dispositivos de RF tanto guiados como radiantes para ofrecer soluciones de diseño a los futuros sistemas 5G en frecuencias milimétricas. De manera particular, las contribuciones realizadas han sido al diseño de desfasadores y agrupaciones de antenas. Para mejorar la eficiencia en frecuencias milimétricas, estos dispositivos han sido diseñados en tecnología en guía de ondas. Los desfasadores son dispositivos RF esenciales para controlar el desfase de la onda electromagnética que será radiada hacia una cierta dirección espacial por una agrupación de antenas. Las redes de beamforming tienen la necesidad de implementar en su diseño desfasadores que producen un valor de desfase fijo o variable. Sin embargo, el diseño y fabricación de estos dispositivos en frecuencias milimétricas resulta una tarea de alta dificultad. En esta tesis se presenta cuatro diseños de desfasadores en guía de onda que producen un desfase tanto fijo como variable. Para los desfasadores que proporcionan un desfase fijo, el valor de este desfase a lo largo de la frecuencia es ajustado de manera deseada mediante el uso de estructuras periódicas con simetrías superiores. Este tipo de configuraciones proporcionan tanto flexibilidad en el proceso de diseño como una mejora de las características electromagnéticas como puede ser un mayor ancho de banda de operación. Todos los desfasadores realizados han sido implementados en tecnología gap waveguide para demostrar su efectividad en estos dispositivos para frecuencias milimétricas. Respecto a los sistemas radiantes, se han considerado dos estrategias de alimentación en el proceso diseño. En primer lugar, se propone el diseño de un array centrado a 70 GHz implementado en tecnología gap waveguide combinado con el uso de guías de onda separadas en plano E. En este diseño, la alimentación es guiada a través de una red de alimentación corporativa en guía de onda. En segundo lugar, se presenta el diseño de un reflectarray cuyas celdas unitarias son formadas mediante geometrías tridimensionales. En este caso, la alimentación se hace en el espacio libre mediante la radiación de una antena fuente. En los anteriores diseños, la fabricación de los prototipos se realizó mediante impresión 3D basado en estereolitografía. Finalmente, a través del uso de celdas unitarias con geometrías tridimensionales, se proponen el diseño de dispositivos radiantes con funcionalidades más complejas como la reflexión/transmisión con alta directividad y la reconfiguración de la radiación reflejada mediante estructuras con grafeno.