El objetivo de esta tesis es el diseño de antenas y arrays de banda
ancha para estaciones base en las nuevas generaciones de comunicaciones
móviles. Los nuevos retos en los sistemas de comunicación tales como el
aumento de dispositivos conectados y el Internet de las cosas (IoT), conlleva
la aparición de nuevas generaciones de telefonía. Para hacer frente
a ese desafío se necesitan nuevas estrategias para optimizar el espectro,
aumentar el ancho de banda y las velocidades de transmisión. Aunque
algunas técnicas son aumentar la frecuencia de trabajo desarrollando
celdas más pequeñas y rápidas, esta tesis se centra en el otro enfoque,
extender las bandas de frecuencia utilizadas en la actualidad. Este enfoque
tiene algunas ventajas como una mayor penetración ofreciendo mejor
cobertura en zonas aisladas, así como la coexistencia de las futuras redes
5G con los estándares 3G y 4G actuales.
En una primera parte, se presentan diseños de elementos de antenas
planares cumpliendo con los nuevos requisitos. La antena está diseñada y
fabricada de una forma rentable y asequible, presentando una topología
compacta y completamente plana. La idea principal para la consecución
de los objetivos es la inclusión de dipolos acoplados incluidos dentro de
la propia antena de forma antipodal para conseguir un diseño compacto
y un patrón de radiación estable en toda la banda de funcionamiento.
El diseño compacto y de doble polarización se logra en un elemento
que trabaja en todo el ancho de banda frecuencial entre 1.427 y 2.69
GHz, la banda que aquí se presenta como Banda Ultra Ancha Extendida
(ExtUWB). En segundo lugar, se desarrolla un estudio de diferentes formas de
planos de masa o re ectores en el campo cercano del elemento. La inclusi
ón de un plano de masa es necesaria para eliminar la radiación trasera
y dar forma al haz de radiación para obtener una antena directiva con el
ancho de haz deseado que permanezca estable dentro de toda la banda
de trabajo. El punto clave a tratar es que el plano de masa o re ector al
ser colocado en el campo cercano del elemento produce perturbaciones
en el mismo, tanto en la adaptación como en su diagrama de radiación.
A continuación, se propone la combinación de dos elementos para
cubrir las dos bandas requeridas. El elemento ExtUWB para la banda
1,42 a 2,69 GHz se integra con nuevos elementos para la banda 690 a
960 MHz. Se estudia la integración de los elementos de ambas bandas
en un mismo espacio físico para desarrollar una antena de estación base
que proporcione cobertura en las dos bandas de forma conjunta.
Finalmente, se propone la combinación de elementos en con guraciones
de array para las nuevas bandas de 5G con el propósito de ser
utilizados como estaciones base. La inclusión en array permite lograr
diferentes propósitos: aumentar la directividad, cumplir con los requisitos
generales de las estaciones base y obtener exibilidad para diferentes
con guraciones de arrays. Se proponen distintos arrays con diferentes
objetivos, estos arrays son con gurables para ser utilizados como estaciones
base clásicas, pero también formando un nuevo sistema innovador
de Massive MIMO con propiedades de haz orientable que no se ha presentado
para la banda L hasta ahora.The objective of this thesis is the design of broadband antennas and
arrays for base stations for the new generations of mobile communications.
The new challenges in the communication systems such as the
increase of connected devices, the amount of smart products, and the
Internet of Things (IoT), has brought the arrival of new 5G systems.
To deal with that challenge, new mobile communication systems need
new strategies for optimizing the spectrum, increase the bandwidth and
the data rates as it is required. Although some techniques are to increase
the working frequency and develop faster and smaller cells, this
thesis is focused on the other coliving approach, which is to extend the
nowadays mobile communication operating bands. That approach has
some advantages as higher penetration with deeper coverage, and the
coexistence of future 5G networks with the existing standards.
Firstly, some designs of planar antenna element following the new
requirements are presented. The antenna is designed and manufactured
in a cost-effective and affordable way presenting a compact and fully
planar topology. The main idea to obtain the objectives is the inclusion
of active embedded dipoles in the antipodal part of the antenna
itself to achieve a compact design and a stable radiation pattern within
the wide frequency band of operation. Compactness and dual polarized
performance is achieved for working in the whole frequency bandwidth
between 1.427 and 2.69 GHz, the band that is presented here as the
Extended Ultrawideband (ExtUWB). Secondly, a study of different ground plane shapes or reflectors in
the element near field is developed. A ground plane is needed to remove
the back radiation and shape the radiation beam to obtain a directive
antenna with the desired beamwidth that remains stable within
the broadband frequency band. The key point to deal with is that the
ground plane or reflector placed in the element near field disturbs both
the matching and the radiation.
Thirdly, the combination of two elements to cover both required
bands is proposed. The ExtUWB element for the band 1.42 to 2.69
GHz is integrated with new elements for the band 690 to 960 MHz. Integration
of both band elements in the same physical space for developing
the base station antenna providing dual band coverage is studied.
Finally, the combination of elements in array configurations is proposed
for the new 5G bands with the purpose of been used as base stations.
It allows to accomplish different goals: increasing the directivity,
fufilling the overall base station requirements, and obtaining flexibility
for different array configurations. Different arrays are proposed with different
objectives, those arrays are configurable for being used as classical
base stations, but also as a new innovative system of Massive MIMO with
beamsteering properties that has not been presented for the L-band till
now.Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Carlos del Río Bocio.- Secretario: Luis Emilio García Castillo.- Vocal: David González Ovejer
