Mobile 5G millimeter-wave multi-antenna systems

In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.Tesi en modalitat de compendi de publicacionsMassive antenna architectures and millimeter-wave bands appear on the horizon as the enabling technologies of future broadband wireless links, promising unprecedented spectral efficiency and data rates. In the recently launched fifth generation of mobile communications, millimetric bands are already introduced but their widespread deployment still presents several feasibility issues. In particular, high-mobility environments represent the most challenging scenario when dealing with directive patterns, which are essential for the adequate reception of signals at those bands. Vehicular communications are expected to exploit the full potential of future generations due to the massive number of connected users and stringent requirements in terms of reliability, latency, and throughput while moving at high speeds. This thesis proposes two solutions to completely take advantage of multi-antenna systems in those cases: beamwidth adaptation of cellular stations when tracking vehicular users based on positioning and Doppler information and a tailored radiation diagram from a panel-based system of antennas mounted on the vehicle. Apart from cellular base stations and vehicles, a third entity that cannot be forgotten in future mobile communications are pedestrians. Past generations were developed around the figure of human users and, now, they must still be able to seamlessly connect with any other user of the network and exploit the new capabilities promised by 5G. The use of millimeter-waves is already been considered by handset manufacturers but the impact of the user (and the interaction with the phone) is drastically changed. The last part of this thesis is devoted to the study of human user dynamics and how they influence the achievable coverage with different distributed antenna systems on the phone.Les arquitectures massives d'antenes i les bandes mil·limètriques apareixen a l'horitzó com les tecnologies que impulsaran els futurs enllaços sense fils amb gran ample de banda i prometen una eficiència espectral i velocitat de transmissió sense precedents. A la recent cinquena generació de comunicacions mòbils, les bandes mil·limètriques ja en són una part constitutiva però el seu desplegament encara presenta certes dificultats. En concret, els entorns d'alta mobilitat representen el major repte quan es fan servir diagrames de radiació directius, els quals són essencials per una correcta recepció del senyal en aquestes bandes. S'espera que les comunicacions vehiculars delimitin les capacitats de les xarxes en futures generacions degut al gran nombre d'usuaris simultanis i els requeriments estrictes en termes de fiabilitat, retard i flux de dades mentre es mouen a grans velocitats. Aquesta tesi proposa dues solucions per tal d'explotar al màxim els sistemes de múltiples antenes en tals casos: un ample de feix adaptatiu de les estacions bases quan estiguin fent el seguiment d'un vehicle usuari basat en informació de la posició i el Doppler i el disseny d'un diagrama de radiació adequat al costat del vehicle basat en una estructura de múltiples panells muntats a l'estructura del mateix. A més de les estacions base i els vehicles, un tercer element que no pot ser obviat en aquests escenaris són els vianants. Les generacions anteriors van ser desenvolupades al voltant de la figura d'usuaris humans i ara han de seguir tenint la capacitat de connexió ininterrumpuda amb la resta d'usuaris i explotar les capacitats de 5G. L'ús de frequències mil·limètriques també es té en compte en la fabricació de telèfons mòbils però l'impacte de l'usuari és completament diferent. La última part de la tesis tracta l'estudi de les dinàmiques de l'usuari humà i com influeixen en la cobertura amb diferent sistemes distribuïts d'antenes.Postprint (published version

Modeling Backscattering Behavior of Vulnerable Road Users Based on High-Resolution Radar Measurements

Bei der Weiterentwicklung der Technologie des autonomen Fahrens (AD) ist die Beschaffung zuverlässiger dreidimensionaler Umgebungsinformationen eine unverzichtbare Aufgabe, um ein sicheres Fahren zu ermöglichen. Diese Herausforderung kann durch den Einsatz von Fahrzeugradaren zusammen mit optischen Sensoren, z. B. Kameras oder Lidars, bewältigt werden, sei es in der Simulation oder in konventionellen Tests auf der Straße. Das Betriebsverhalten von Fahrzeugradaren kann in einer Over-the-Air (OTA) Vehicle-in-the-Loop (ViL) Umgebung genau bewertet werden. Für eine umfassende experimentelle Verifizierung der Fahrzeugradare muss jedoch die Umgebung, insbesondere die gefährdeten Verkehrsteilnehmer (VRUs), möglichst realistisch modelliert werden. Moderne Radarsensoren sind in der Lage, hochaufgelöste Erkennungsinformationen von komplexen Verkehrszielen zu liefern, um diese zu verfolgen. Diese hochauflösenden Erkennungsdaten, die die reflektierten Signale von den Streupunkten (SPs) der VRUs enthalten, können zur Erzeugung von Rückstreumodelle genutzt werden. Darüber hinaus kann ein realistischeres Rückstreumodell der VRUs, insbesondere von Menschen als Fußgänger oder Radfahrer, durch die Modellierung der Bewegung ihrer Extremitäten in Verkehrsszenarien erreicht werden. Die Voraussetzung für die Erstellung eines solchen detaillierten Modells in verschiedenen Situationen sind der Radarquerschnitt (RCS) und die Doppler-Signaturen, die sich aus den menschlichen Extremitäten in einer bewegten Situation ergeben. Diese Daten können durch die gesammelten Radardaten aus hochauflösenden RCS-Messungen im Radial- und Winkelbereich gewonnen werden, was durch die Analyse der Range-Doppler-Spezifikation der menschlichen Extremitäten in verschiedenen Bewegungen möglich ist. Die entwickelten realistischen Radarmodelle können bei der Wellenausbreitung im Radarkanal, bei der Zielerkennung und -klassifizierung sowie bei Datentrainingsalgorithmen zur Validierung und Verifizierung der Kfz-Radarfunktionen eingesetzt werden. Anschließend kann mit dieser Bewertung die Sicherheit von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) beurteilt werden. Daher wird in dieser Arbeit ein hochauflösendes RCS-Messverfahren vorgeschlagen, um die relevanten SPs verschiedener VRUs mit hoher radialer und winkelmäßiger Auflösung zu bestimmen. Eine Gruppe unterschiedliche VRUs wird in statischen Situationen gemessen, und die notwendigen Signalverarbeitungsschritte, um die relevanten SPs mit den entsprechenden RCS-Werten zu extrahieren, werden im Detail beschrieben. Während der Analyse der gemessenen Daten wird ein Algorithmus entwickelt, um die physischen Größen der gemessenen Testpersonen aus dem extrahierten Rückstreumodell zu schätzen und sie anhand ihrer Größe und Statur zu klassifizieren. Zusätzlich wird ein Dummy-Mensch vermessen, der eine vergleichbare Größe wie die vermessenen Probanden hat. Das extrahierte Rückstreuverhalten einer beispielhaften VRU-Gruppe wird für ihre verschiedenen Typen ausgewertet, um die Übereinstimmung zwischen virtuellen Validierungen und der Realität aufzuzeigen und den Genauigkeitsgrad der Modelle sicherzustellen. In einem weiteren Schritt wird diese hochauflösende RCS-Messtechnik mit der Motion Capture Technologie kombiniert, um die Reflektivität der SPs von den menschlichen Körperregionen in verschiedenen Bewegungen zu erfassen und die Radarsignaturen der menschlichen Extremitäten genau zu schätzen. Spezielle Signalverarbeitungsschritte werden eingesetzt, um die Radarsignaturen aus den Messergebnissen des sich bewegenden Menschen zu extrahieren. Diese nachbearbeiteten Daten ermöglichen es der Technik, die zeitlich variierenden SPs an den Extremitäten des menschlichen Körpers mit den entsprechenden RCS-Werten und Dopplersignaturen einzuführen. Das extrahierte Rückstreumodell der VRUs enthält eine Vielzahl von SPs. Daher wird ein Clustering-Algorithmus entwickelt, um die Berechnungskomplexität bei Radarkanalsimulationen durch die Einführung einiger virtueller Streuzentren (SCs) zu minimieren. Jedes entwickelte virtuelle SCs hat seine eigene spezifische Streueigenschaft

Metal surface tolerant conformal low-profile plastic embedded antennas for automotive applications

Mit der rasanten Zunahme drahtloser Dienste und dem Einsatz von Antennendiversitätstechniken zur Erzielung höherer Datenraten oder Dienstzuverlässigkeit ist die Zahl der in Pkw zu installierenden Antennen nicht mehr unbedeutend und nimmt weiter zu. Gleichzeitig wird es immer schwieriger, geeignete Montageplätze für diese Antennen zu finden, da die Zahl der Montageplätze im Auto nicht parallel zur Zahl der zu installierenden Antennen gewachsen ist; Autos sind nach wie vor meist Metallkästen, mit einigen wenigen Kunststoffteilen und Glasscheiben die die Integration von Antennen ermöglichen. Die meisten dieser Teile wurden bereits zu diesem Zweck verwendet, die B-Säulen-Kunststoffabdeckungen wurden jedoch bisher nicht für die Antennenintegration berücksichtigt. In dieser Arbeit werden nicht nur die Vorteile der B-Säulen-Kunststoffabdeckungen als Antenneneinbauort gegenüber anderen Orten hervorgehoben, sondern auch die damit verbundenen Herausforderungen untersucht, insbesondere der begrenzte Platz für die Antennenintegration und die unmittelbare Nähe der eingebauten Antenne zum Metallchassis des Fahrzeugs. Letzteres führt zu einer starken elektromagnetischen Kopplung zwischen der Antenne und der Fahrzeugkarosserie, was sich auf die Antenneneigenschaften wie Impedanzanpassung und realisierten Gewinn auswirkt. In den folgenden Kapiteln werden die zugrundeliegenden Entwurfsprinzipien, die Theorie und die Messungen neuartiger, flacher, konformer und metalloberflächentoleranter Mobilfunkantennen vorgestellt, nämlich die Einzelband-Di-Patch-Antenne und eine koplanar gestapelte, mit Mikrostreifenleitungen gekoppelte Multibandantenne, die die oben genannten Herausforderungen adressieren und überwinden. Zusätzlich wird in der zweiten Hälfte dieser Arbeit eine high impedance surface basierte Dipolantennenlösung vorgestellt. Die Simulations- und Messergebnisse der nicht integrierten und der integrierten Versionen der vorgestellten Antennen, einschließlich der LTE-MIMO-Datenratenmessungen, die im vorletzten Kapitel vorgestellt werden, sprechen nicht nur für die Eignung dieser Antennen für flache, metallnahe Oberflächenanwendungen im Allgemeinen, sondern zeigen auch, dass die B-Säulen- Kunststoffabdeckungen einen sehr geeigneten neuen Antennenintegrationsort für mobile Kommunikationsanwendungen im Automobil darstellen.With a rapid increase in the number of wireless services, and the utilization of antenna diversity techniques to achieve enhanced data rates or service reliability, the number of antennas that need to be installed in passenger cars is not insignificant any more, and only sees a rising trend. At the same time, finding suitable mounting locations for these antennas has become ever more challenging, because the number of such locations on a car has not grown parallelly to the number of antennas that need to be installed; cars are still mostly metal boxes, with a few plastic parts and the glass windows that allow for antenna integration. While most of these parts have already been utilized for embedding antennas, the plastic parts that were overlooked till now were the B-column plastic covers. In addition to highlighting the advantages of using the B-column plastic covers as an antenna embedding location over other locations, this work takes a comprehensive look into the challenges associated with the same, specifically the limited space for antenna integration and the close proximity of the embedded antenna to the car metal chassis. The latter introduces a strong electro- magnetic coupling between the antenna and the car body, consequently impacting antenna properties like impedance matching and realized gain. The upcoming chapters present the underlying design principles, theory, and measurements of novel, low-profile, conformal and metal surface tolerant mobile communications antennas, namely, the single band di-patch antenna and a co-planar stacked microstrip line coupled multi-band antenna, that suitably address and overcome the aforementioned challenges. Additionally, a high impedance surface based dipole antenna solution is also presented in the later half of this thesis. The simulation and measurement results of the bare and the integrated versions of the presented antennas, including LTE-MIMO data rate measurements presented in the penultimate chapter, not only speak for the suitability of these antennas for low-profile, close-to-metal surface applications in general, but also show that the B-column plastic covers present a highly suitable new antenna integration location for automotive mobile communications applications

RF Modelling and Characterization of Tyre Pressure Sensors and Vehicle Access Systems

Core topics of the work are the vehicle access systems such as PAssive Start and Entry (PASE), Remote Keyless Entry (RKE) as well as Tyre Pressure Monitoring System (TPMS). Two goals are followed: the development of antennas and functionality analysis from RF (Radio Frequency) point of view and improvement of system parts. The overall objective of this work is to advance the state-of-the-art vehicular electromagnetic simulation taking into account the vehicle body and nearest surroundings

Multi-antenna 3D pattern design for millimeter-wave vehicular communications

The transformation of the automotive industry towards ubiquitous connection of vehicles with all kind of external agents (V2X) motivates the use of a wide range of frequencies for several applications. Millimeter-wave (mmWave) connectivity represents a paramount research field in which adequate geometries of antenna arrays must be provided to be integrated in modern vehicles, so 5G-V2X can be fully exploited in the Frequency Range 2 (FR2) band. This paper presents an approach to design mmWave vehicular multi-antenna systems with beamforming capabilities considering the practical limitations of their usage in real vehicular environments. The study considers both the influence of the vehicle itself at radiation pattern level and the impact of the urban traffic on physical layer parameters. Connectivity parameters such as Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR) and outage probability are optimized based on the array topology. A shaped beam in the vertical plane based on three preset radiating elements is proven to be robust enough against self-scattering effects on the vehicle body. Regarding the horizontal geometry, four panels on the roof's edges provide good coverage and link quality. The number of horizontal antennas per panel tightly depends on the required values of the link quality metrics, potentially leading to a non-uniform geometry between sides and front or back panels.This work was partly funded by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad under the projects PID2019-107885GB- C31 and MDM2016-0600, the Catalan Research Group 2017 SGR 219, and “Industrial Doctorate” programme (2018-DI-084). The Spanish Ministry of Education contributes via a predoctoral grant to the first author (FPU17/05561).Peer ReviewedPostprint (published version

Capacity Enhancement by Pattern-Reconfigurable Multiple Antenna Systems in Vehicular Applications

This work presents a design methodology for pattern reconfigurable antennas in automotive applications. Channel simulation is used to identify the relevant beam directions prior to the design of the antenna. Based on this knowledge several reconfigurable multiple antenna systems are designed. These antennas are evaluated by the channel capacity calculation from virtual and real-world test drives. An increase of the channel capacity by a factor of 2 compared to a conventional system is observed

Validation of automotive electromagnetic models

The problems of modelling the electromagnetic characteristics of vehicles and the experimental validation of such models are considered. The validity of the measurement methods that are applied in model validation exercises is of particular concern. A philosophy for approaching the validation of automotive electromagnetic models of realistic complexity is presented. Mathematical modelling of the key elements of the measurement processes is proposed as the only reliable mechanism for addressing these issues. Areas considered include: basic elements of numerical models; geometrical fidelity requirements for model elements; calibration and use of experimental transducers; the inclusion of cables in electromagnetic models; essential content for vehicle models. A number of practical measurement processes are also investigated using numerical methods, leading to recommendations for improved practices in: calibration of transducers for current measurement at high frequencies; measurement of radiated emissions from vehicles; identification of range requirements for simple methods of determining antenna gain and related characteristics in EMC test facilities. The impact of such measures on the success of model validation studies for automotive applications is demonstrated. It is concluded that experimental results are no less in need of validation than the numerical results that are, more conventionally, judged against them

EFFICIENT SIMULATION TOOL TO CHARACTERIZE THE RADAR CROSS SECTION OF A PEDESTRIAN IN NEAR FIELD

none4A simulation tool to characterize the radar cross section of a pedestrian in near field is presented in the paper. The tool has been developed in order to predict and optimize the performance of the short-range radar systems employed in autonomous vehicle operations. It is based on an analytical model which joins the modeling of the human body with the theory of the physical optics. Our studies first focused on the implementation of the electromagnetic code where the human body, the radiation properties of the antenna and the scenario to be analyzed have been analytically expressed. Then, the proposed model has been validated in terms of accuracy comparing simulated and experimental data regarding the radar cross section of a metal sphere and of an adult, in the frequency range 23-28 GHz. In the end, an evaluation of the performance in terms of required computer memory and execution time has been carried out, comparing the proposed simulation tool with other numerical computational methods.openManfredi, Giovanni; Russo, Paola; De Leo, Alfredo; Cerri, GrazianoManfredi, Giovanni; Russo, Paola; De Leo, Alfredo; Cerri, Grazian

Design and testing of compact dual-band dual-polarized robust satellite navigation antenna arrays

Die steigende Nachfrage nach präzisen Positionierlösungen für hochautomatisiertes Fahren und sicherheitskritische Anwendungen führt zu der Verwendung von Array-basierten Satellitennavigationsempfängern, die aufgrund des verbesserten Diversity-Gewinns und der potentiellen Strahlformungsfähigkeit eine bessere Leistung aufweisen. Die Notwendigkeit, die Robustheit von Navigationsempfängern gegenüber Quellen von Signalstörungen, wie Mehrwegempfang, atmosphärische, sowie Jamming- und Spoofing, zu verbessern, verlangt, den Empfänger weiter auszubauen, um Polarisations- und Frequenz-Diversity auszunutzen. Das hieraus resultierende Design ist durch eine signifikante Zunahme der Hardware- und Softwarekomplexität gekennzeichnet. Diese Komplexität steigt noch mit dem Trend, den Navigationsempfänger zu miniaturisieren, um die Integration in Fahrzeugen oder mobilen Systemen zu erleichtern. Da die gegenseitige Verkopplung zwischen den Antennenelementen eines kompakten Antennen- Arrays steigt, verschlechtert sich deren Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit und damit die Systemrobustheit. In dieser Arbeit wird ein kompaktes, dualbandiges und dualpolarisiertes Antennenarray für einen Navigationsempfänger untersucht, schaltungstechnisch entworfen und aufgebaut, womit Array-, Frequenz-, und Polarisations-Diversity ermöglicht wird. Dies führt zu einer signifikant verbesserten Robustheit gegenüber den angesprochenen Störungen. Diese Arbeit umfasst das Design des dualbandigen und dualpolarisierten Patchantennenelements, das Design des kompakten Antennenarrays, das Studium der Kreuzpolarisationsquellen in Patchantennen, die Analyse des Einflusses der gegenseitigen Kopplung auf die Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit, und die Abschwächung beider Effekte durch eigenmode-basierten Entkopplungs- und Anpassungsnetzwerken. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit die Integration des Antennensystems mit einem HF-Frontend zur Leistungsverstärkung, Filterung und Signalkonvertierung der Satellitensignale. Die Arbeit umfasst auch die Integration mit einem Array-basierten digitalen Empfänger, in dem neben der Datenerfassung, auch die Richtungsschätzung, das Beamforming und die Anti-Jamming-Algorithmen implementiert wurden. Die Machbarkeit sowohl der Array-Diversity als auch der Polarisations-Diversity wurde in Automotive-related Feldmessungen bestätigt, insbesondere für Elevationswinkel unter 40 bzw. 60 Grad, wo der Einfluss des Mehrwegempfangs ausreichend hohe Pegel erreicht. Die Messungen bestätigten die Robustheit des Empfängers gegenüber Stör- Nutzsignalverhältnissen von bis zu 85 dB und übertrafen damit mehrere "State-of-the-Art" Empfänger.The increasing demand for accurate positioning solutions for highly-automated driving and safety-critical applications motivates the use of array-based satellite navigation receivers that feature better performance, due to the enhanced diversity gain and the potential beamforming capability. The need for improving the robustness of navigation receivers against sources of signal distortion such as multipath propagation, atmospheric impact, jamming, and spoofing violations requests to extend the receiver to exploit polarization and frequency diversities. The resulting design is challenged by the significant rise in hardware and software complexity. This complexity increases even more with the trend to miniaturize the navigation receiver, to ease the integration in vehicles or mobile systems, because mutual coupling rises between the radiating elements of the receiver, and deteriorates their radiation efficiencies and polarization purities, and hence degrades the system robustness. In this thesis, a compact dual-band dual-polarized array-based navigation receiver that uses array diversity, frequency diversity, and polarization diversity is studied and designed, to provide robustness against the different types of distortions. The main contributions of the presented work include the design of the dual-band dual-polarized patch antenna element, the design of the compact antenna array, the study of the cross-polarization sources in patch antennas, the analysis of the mutual coupling impact on radiation efficiency and polarization purity of radiating elements, and the mitigation of both impacts using eigenmode-based decoupling and matching networks. Furthermore, the work also involves the integration of the antenna system with an RF-IF front-end, developed in cooperation with IMMS GmbH, for power amplification, filtering, and down-converting. The dissertation covers also the integration with an array-based digital receiver, developed in cooperation with RWTH Aachen University and the German Aerospace Center (DLR), to implement data acquisition, direction-of-arrival estimation, beamforming, and anti-jamming algorithms. The feasibility of both the array diversity and the polarization diversity was confirmed in automotive-related field measurements, particularly for elevations below 40 and 60 degrees, respectively; i.e., at directions far from the main beam direction of the even mode of the array (at zenith), and where the impact of multipath propagation on strength and polarization of the signal reaches sufficient levels to disturb the receiver. Measurements proved the receiver robustness against jamming-to-signal ratios up to 85 dB, outperforming several state-of-the-art receivers described in literature