Contribution to the design and realization of reconfigurable wideband antenna systems with diversity for 4G cognitive radio communication systems

Autor: Nachouane, Hamza
Přispěvatelé: Institut National des Postes et Télécommunications (INPT), Institut National des Postes et Telecommunications, Institut National des Postes et Télécommunications, Abdellah Najid, Nachouane, Hamza
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Reconfigurable antennas
Electronique basses et hautes fréquences
Réseau de polarisation
Micro-ondes
[INFO.INFO-NI]Computer Science [cs]/Networking and Internet Architecture [cs.NI]
Matrice de Butler
Filtres à accord continu ou discret en fréquence centrale et en bande passante
[PHYS.PHYS.PHYS-INS-DET]Physics [physics]/Physics [physics]/Instrumentation and Detectors [physics.ins-det]
Formation de faisceaux
Reconfigurable filter
[INFO.INFO-NI] Computer Science [cs]/Networking and Internet Architecture [cs.NI]
[SPI.ELEC] Engineering Sciences [physics]/Electromagnetism
Diodes PIN et varactors
Cognitive radio CR
[SPI.TRON] Engineering Sciences [physics]/Electronics
Diversité de rayonnement
[SPI.TRON]Engineering Sciences [physics]/Electronics
[SPI.ELEC]Engineering Sciences [physics]/Electromagnetism
Diversité de polarisation
[PHYS.PHYS.PHYS-INS-DET] Physics [physics]/Physics [physics]/Instrumentation and Detectors [physics.ins-det]
Radiofrequency
Quatrième génération
Antennes reconfigurables
Antennas
Hyperfréquences
Electronics
Diversité angulaire
Microwave
Radio cognitive
Zdroj: Electronique. Institut National des Postes et Télécommunications, 2017. Français
Popis: This thesis focuses on the study, optimization, design, and realization of new reconfigurable and wideband Radio Frequency (RF) structures for Cognitive Radio (CR) applications. The CR is an intelligent system with the ability to continuously supervise the RF spectrum in order to detect the spectrum holes, so-called white spaces, and then, dynamically tune its characteristics to operate within these unused frequency bands, thus significantly improving the spectrum usage.The RF front-end of such systems must ensure their fundamental functions, which are the sensing and communication tasks. From the hardware point of view, the structures used in such a system must be reconfigurable to meet its requirements. The reconfigurability can be defined as the dynamic modification of one or several fundamental properties of the used components (i.e. antenna, filter, duplexer, and other devices). Here, we identify three possible antenna configurations to perform these tasks, each of which presented in a chapter.CR consists of allowing the secondary users (unlicensed) to exploit the licensed spectrum originally allocated to the primary users (licensed). The licensed and unlicensed users can coexist well as long as the interference generated between them is below a certain acceptable threshold. The interference is a major limiting factor in the performance of users, especially in dense urban or indoor environments, it can be classified as co-channel, adjacent channel, or multipath interferences. The last one can be mitigated by the use of polarization diversity while the two other types of interference can be reduced by using the beamforming network (BFN) technique. For this purpose, each proposed configuration incorporates one or more diversity techniques.In order to validate the proposed concepts, we simulated, fabricated and experimentally tested all design models below: -A novel beamforming antenna array operating from 2.2 to 3 GHz that combines pattern and polarization diversity for indoor cognitive radio systems.-An antenna system composed of two antennas, one for sensing and the other for communication. The sensing task is obtained from 2 to 5.5 GHz, while the communication task is achieved at 2.8 GHz.-An antenna system that incorporates two antennas. The first is a broadband antenna operating from 1.2 to 6 GHz for spectrum sensing, and the second is a multiband antenna for communication at 1.7, 1.9, 3.7 and 4.3 GHz.-A novel reconfigurable and switchable filter using two open-circuited stubs, that can be reconfigured from a bandpass to a bandstop response and switched from 2.4 to 5 GHz, using only two PIN diodes.-An electronically reconfigurable and tunable filtenna that can operate in wideband and narrowband modes. The narrowband mode can be tuned from 2.55 to 3.2GHz, while the wideband mode is obtained over the 1.35–6.2GHz band.Several aspects are exploited in this thesis in order to achieve an efficient and intelligent system, namely:Ultra-Wide Band; MIMO; Polarization Diversity; Pattern Diversity; Angular Diversity; Frequency Reconfigurability; Bandwidth Reconfigurability; Beamforming network. Future challenges and prospects are discussed in the conclusion of this dissertation.Key words: Microwaves, telecommunication systems, cognitive radio, reconfigurable antennas, tunable filters with continuous and discrete tuning, PIN and varactor diodes, biasing networks, Butler matrix, polarization diversity, pattern diversity, angular diversity.
Les travaux de cette thèse reposent sur l’étude, la conception, l’optimisation, et la réalisation des structures RF large-bandes et reconfigurables pour les applications de la Radio Cognitive (RC). La RC est un système intelligent ayant la capacité de détecter et reconnaitre son environnement de fonctionnement, ce qui lui permet d’ajuster ses paramètres de fonctionnement d’une façon dynamique et autonome. C’est une véritable solution au problème de l’encombrement et de la rareté du spectre RF et la demande croissante de bande passante.Les principales caractéristiques da la RC sont la détection des trous inutilisables (white spaces) du spectre et l’utilisation de ces trous pour mettre en œuvre le partage opportuniste du spectre. La fonction de détection a pour but de balayer (sonder) périodiquement le spectre de fréquences ciblé pour vérifier sa disponibilité et détecter les fréquences libres, ceci afin de les attribuer une liaison radio par la suite. Pour effectuer ces tâches, nous avons investigué trois configurations antennaires possibles.D’autre part, l’utilisation des techniques de diversité permet d’améliorer considérablement la capacité du canal et de réduire les phénomènes d’interférences et d’évanouissement de signaux dans les environnements urbains denses et intrabâtiments. Pour cela, dans chaque configuration étudiée, nous avons introduit une ou plusieurs techniques de diversité. En effet, afin de valider les concepts développés, toutes les configurations présentées ont été simulées, réalisées et expérimentalement caractérisées :-Un système d’antennes MIMO ULB fonctionnant de 2 à 3.3 GHz, et capable de commuter entre quatre faisceaux dans des directions différentes et entre deux sens de polarisation circulaire (RHCP et LHCP).-Un système antennaire comprenant deux antennes, dont l’une est ULB pour la détection spectrale fonctionnant de 2 à 5.5 GHz, et l’autre à bande étroite opérant à 2.8 GHz pour la communication.-Un autre système constitué de deux antennes. La première est une antenne ULB opérant de 1.2 à 6 GHz dédiée à la détection spectrale, tandis que l’autre est une antenne multibande pour effectuer la tâche de communication aux fréquences : 1.7, 1.9, 3.7 et 4.3 GHz. -Un filtre reconfigurable en bande et agile en fréquence centrale, capable de se reconfigurer de filtre passe bande à filtre coupe bande et de commuter sa fréquence centrale entre 2.4 et 5 GHz.-Une antenne filtrante électroniquement reconfigurable et agile, capable de fonctionner à la fois sur une large bande de 1.255 à 6.2 GHz et sur une bande étroite de 850 MHz, et de régler la fréquence centrale de sa bande étroite de 2.55 à 3.2 GHz de façon continue. L’originalité de cette thèse réside dans le fait que plusieurs paramètres sont exploités pour aboutir à un système plus mature et intelligent :Ultra Large bande ; MIMO ; Diversité de polarisation ; Diversité angulaire ; Diversité de rayonnement ; Reconfigurabilité fréquentielle ; Reconfigurabilité en bande passante ; Formation de faisceaux.Lors de la conclusion de ce manuscrit, nous évoquons les suites à donner à ce travail et les perspectives.Mots clés : Hyperfréquences, micro-ondes, systèmes de télécommunications, radio cognitive, antennes reconfigurables, filtres à accord continu ou discret en fréquence centrale et en bande passante, diodes PIN et varactors, réseau de polarisation, matrice de Butler, diversité de polarisation, diversité angulaire, diversité de rayonnement.
Databáze: OpenAIRE
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