Design and analysis of a beamforming transmit system for 5G midband frequencies
Räsänen, Mohamed (2019)
2019
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019061717116
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019061717116
Tiivistelmä
Due to the increased users of wireless communications and stringent data applications, the demand for increased bandwidth is yet unrelieved. While 4G long-term evolution (LTE) is reaching the limits of time and frequency resource utilization, various beamforming techniques have been analyzed for the upcoming 5G technology. Beamforming has been the most promising space division multiple access (SDMA) technique for increasing capacity. In beamforming a phased array antenna is used, which includes multiple radiating elements. By providing the calculated phase and amplitude excitations at each elements, the beams and nulls can be steered to the desired directions, thus allowing the multiple input multiple output (MIMO) technology to be implemented.
The objective of this thesis was to design, construct and analyze a beamforming transmit system. Thesis consists of a brief overview of existing beamforming techniques and a design process for an eight element analog beamforming transmit system for 5G mid band (3.4GHz – 3.8GHz) frequencies. Design was conducted with NI AWR Design Environment and Mentor PADS- software. The pcb assembly was conducted by hand and by using a BGA rework station. Lastly RF measurements were performed for the system. Receive beamforming was not assigned for the system.
The beamformer allows signal transmission at 5G midband frequencies (3.4GHz – 3.8GHz), which are allocated for most of Europe. Beamsteering was conducted with analog beamforming principles by using phase weightings. Kasvaneen langattoman tietoliikenteen käyttäjämäärien sekä nykyisten tiedonsiirtosovellusten vaativuuden vuoksi on tarve suuremmalle kapasiteetille riittämätön. Sillä aikaa kun 4G long-term evolution (LTE) on saavuttamassa rajansa taajuus- sekä aikatason resurssien käytössä, on erilaisia keilanmuodostustekniikoita analysoitu tulevalle 5G-teknologialle. Keilanmuodostus on ollut lupaavin tilanjakokanavointitekniikka kapasiteetin kasvattamiselle.
Keilanmuodostuksessa käytetään vaiheohjattua antenniryhmää, jossa on usea säteilevä elementti. Tuottamalla lasketut vaihe- sekä amplitudiarvot voidaan pääkeiloja ja nollakohtia ohjata eri suuntiin. Näin saadaan etuja kapasiteetin kasvulle sekä mahdollistetaan multiple input multiple output (MIMO) -teknologia.
Opinnäytetyössä tehtiin yleiskatsaus olemassaolevista keilanmuodostusmenetelmistä sekä suunniteltiin kahdeksanelementtinen analoginen keilanmuodostuslähetinjärjestelmä 5Gkeskikaistataajuuksille (3,4GHz – 3,8GHz). Suunnittelussa käytettiin NI AWR Design environment ja Mentor Graphics PADS -ohjelmistoja. Piirilevyn kokoonpano toteutettiin käsin, minkä jälkeen suoritettiin mittaukset. Keilanmuodostuksen vastaanotinosiota ei määrätty järjestelmälle.
Järjestelmä mahdollistaa signaalin lähetystä analogisella keilanmuodostustekniikalla 5Gkeskikaistataajuuksilla (3,4GHz – 3,8GHz), jotka on sijoitettu isolle osaa Eurooppaa. Keilanohjaus toteutettiin vaiheenpainotuksilla.
The objective of this thesis was to design, construct and analyze a beamforming transmit system. Thesis consists of a brief overview of existing beamforming techniques and a design process for an eight element analog beamforming transmit system for 5G mid band (3.4GHz – 3.8GHz) frequencies. Design was conducted with NI AWR Design Environment and Mentor PADS- software. The pcb assembly was conducted by hand and by using a BGA rework station. Lastly RF measurements were performed for the system. Receive beamforming was not assigned for the system.
The beamformer allows signal transmission at 5G midband frequencies (3.4GHz – 3.8GHz), which are allocated for most of Europe. Beamsteering was conducted with analog beamforming principles by using phase weightings.
Keilanmuodostuksessa käytetään vaiheohjattua antenniryhmää, jossa on usea säteilevä elementti. Tuottamalla lasketut vaihe- sekä amplitudiarvot voidaan pääkeiloja ja nollakohtia ohjata eri suuntiin. Näin saadaan etuja kapasiteetin kasvulle sekä mahdollistetaan multiple input multiple output (MIMO) -teknologia.
Opinnäytetyössä tehtiin yleiskatsaus olemassaolevista keilanmuodostusmenetelmistä sekä suunniteltiin kahdeksanelementtinen analoginen keilanmuodostuslähetinjärjestelmä 5Gkeskikaistataajuuksille (3,4GHz – 3,8GHz). Suunnittelussa käytettiin NI AWR Design environment ja Mentor Graphics PADS -ohjelmistoja. Piirilevyn kokoonpano toteutettiin käsin, minkä jälkeen suoritettiin mittaukset. Keilanmuodostuksen vastaanotinosiota ei määrätty järjestelmälle.
Järjestelmä mahdollistaa signaalin lähetystä analogisella keilanmuodostustekniikalla 5Gkeskikaistataajuuksilla (3,4GHz – 3,8GHz), jotka on sijoitettu isolle osaa Eurooppaa. Keilanohjaus toteutettiin vaiheenpainotuksilla.