Antennien suunnittelutekniikoita ja toteutuksia alle 6 GHz:n ja millimetrialueen kommunikaatiojärjestelmiin

Olennainen osa jokaista langatonta tiedonsiirtojärjestelmää on antenni, jota käytetään muuntamaan siirtojohdoissa etenevät signaalit säteileviksi vapaan tilan signaaleiksi ja päinvastoin. Tässä väitöskirjassa esitellään alle 6 GHz:n taajuuksilla sekä millimetriaaltotaajuuksilla toimivia antenniratkaisuja hyödynnettäväksi viidennen sukupolven (5G) tietoliikennesovelluksissa.

Alle 6 GHz:n taajuuksilla väitöstyössä tutkitaan vuotavaan koaksiaalikaapeliin perustuvia antenneja kuuluvuuden parantamiseksi sisätilan tietoliikenneverkoissa. Nämä niin sanotut LCX-antennit ovat eräitä yksinkertaisimmista ja vanhimmista jakautuneiden säteilyominaisuuksien antenneista. LCX-antenneja hyödynnetään yleisesti kaivoksissa ja tunneleissa, sillä niiden yhtenäinen säteily soveltuu hyvin muodoltaan pitkiin ja kapeisiin ympäristöihin. Säteilevän energian määrä on kuitenkin suhteellisen pieni, mikä rajoittaa viestintää kaukana olevien laitteiden kanssa. LCX-kaapeleiden käyttö sisätilaympäristöissä kuten sairaaloissa, lentokentillä ja toimistoissa vaatii keinoja hallita ja parantaa kaapeleiden säteilyominaisuuksia. Tässä väitöstyössä osoitetaan, että toteuttamalla jaksollisia perturbaatioita kaapelin pinnalle sen säteilyä pystytään merkittävästi parantamaan ja ohjaamaan. Väitöskirjassa esitetyt tulokset tarjoavat mahdollisuuden vuotavien kaapeleiden laajamittaisempaan hyödyntämiseen monimutkaisissa sisätilan viestintäympäristöissä.

Suurten tiedonsiirtonopeuksien saavuttamiseksi 5G-verkot käyttävät millimetriaaltotaajuuksia, jotka mahdollistavat isomman kaistanleveyden kuin perinteiset matalataajuisemmat järjestelmät. Useilla laajoilla taajuuskaistoilla toimivien antennien suunnitteleminen on haastavaa, kun otetaan huomioon valmistustarkkuudelle sekä taajuuskaistoille asetetut tiukat rajoitukset. Tässä väitöstyössä esitellään piirilevyteknologialla toteutettuja millimetriaaltoantenneja, joita voidaan käyttää 5G-tukiasemasovelluksissa. Suunnitellut antennit ovat matalaprofiilisia, kustannustehokkaita ja helposti integroitavissa muuhun elektroniikkaan. Haittapuolena on kapeahko kaistanleveys, ja toimintakaistaa laajennetaan tässä väitöstyössä käyttämällä pinottuja monikerroksisia antennirakenteita. Nämä antennit tarjoavat myös kelvollisia suodatusominaisuuksia usean laajan toimintataajuuskaistan lisäksi. Väitöskirjassa esitellyt antennit ovat potentiaalisia ratkaisuja käytettäväksi millimetrialueen 5G-tukiasemien antenniryhmissä.