Extending frequency and steering range of amplifier-antenna array via controlled mutual coupling

Abstract

Nõudlus tõhusate ja usaldusväärsete sidesüsteemide järele on tänapäeval üha suurem. Igajärgmine mobiilse side standardi põlvkond üritab teenindada rohkem kasutajaid kiiremini ja odavamalt ise sealjuures vähem energiat kulutades. Sarnast suundumust võib täheldada näiteks ka radartehnoloogia vallas, seda nii tsiviil- kui ka militaarrakendustes. Selliste süsteemide täpne analüüs ja optimeerimine nõuab aga terviklikku lähenemist, mis arvestab kõigi komponentide koosmõju. Käesoleva doktoritöö keskmes on terviklik meetod raadiosüsteemide analüüsiks. Erinevalt traditsioonilisest komponendikesksest lähenemisest keskenduti selles töös integreeritud süsteemidele. Lisaks seisneb käesoleva töö uudsus võreantenni elementide vastastikuse sidestuse vältimise asemel selle rakendamises, mille abil on võimalik jõudlust paremini optimeerida. Töö keskmes on simulatsiooniraamistik, mis analüüsib suure sidestusega võreantenne ja juhtvõimendeid ning loob mudeli nende vastastik- ja sisendsignaalide mõjudest. Nimetatud raamistik ühendab järgmisi meetodeid: võreantenni modelleerimine, võimendite ebalineaarsuste iseloomustamine koormusmõõtmise abil ja võimendi näivtakistuse arvutamine algoritmi abil, mis võtab arvesse antenni elementide vahelist sidestust ja võimendite ebalineaarsusi. Välja töötatud raamistikku kasutati mitmete uurimuste läbiviimiseks, sealhulgas süsteemide analüüsiks, mis kasutavad kombinatoorset võimsuse liitmist. Tänu sellele lähenemisele, mis võimaldab dünaamilist raadiosignaalide kombineerimist õhus [II], on võimalik elimineerida kadudega võimsuse kombineerimise ahelad. Lisaks käsitleti töös ka GaN tehnoloogial põhineva uudse mikrolaine impulss võimsusvõimendi arendust [I]. Välja töötatud terviksüsteemi arvestav disain oli edukas. Mõõtmised kinnitasid optimeeritud süsteemis sagedusvahemiku laienemist, seda eriti just kiire juhtimisvahemiku äärtes [III]. See on oluline, kuna süsteemi jõudlus on tavapäraselt kõige piiratum just juhtimisvahemiku äärealadel. Kontrollitud sidestuse rakendamine andis tulemuseks 92% sagedusvahemike suurenemise otsesuunas ja 36% sageduse ja suuna vahemike kombineeritud ühistööala suurenemise [IV]. Käesolev doktoritöö tõestab, et suuremat sagedusvahemikku, kiire juhtimise ala ja energiatõhusust on võimalik saavutada, kui käsitleda antenne, võimendeid ja juhtsignaale ühtse vastastiku sidestust arvestava süsteemina. Doktoritöö käigus väljatöötatud uudne raamistik on hea tööriist kohandatavate raadiosüsteemide arendamiseks, tänu millele on järgmise põlvkonna side ja radarid tõhusamad.

An increasingly connected world demands constant wireless communication and sensing innovation, particularly for next-generation technologies like 5G/6G and novel radars. Such systems require high-performance and reconfigurable radio frequency (RF) front-ends. This doctoral thesis develops a system-level design approach for antennas and amplifiers. The approach in this work is to utilise mutual coupling between antennas and amplifiers rather than trying to avoid and minimise it. Current research moves beyond a traditional component-centric view and adopts an integrated, co-design methodology. The core of this thesis is a simulation framework that analyses coupled antenna arrays with their driving amplifiers, captures their interactions and includes the effects of feeding signals. A C-band pulsed power amplifier that uses GaN technology was developed [I]. The combinatorial feeding scheme [II] enables dynamic power combining and control directly in the air, eliminating the need for lossy power-combining circuits. This framework integrates antenna array modelling, nonlinear amplifier characterisation via load-pull, and a new iterative algorithm. This algorithm considers interelement coupling and nonlinearities and calculates each amplifier’s active impedance. MATLAB’s genetic algorithm was used to optimise signal phases fed to the amplifiers. A custom coupling circuit was used to control coupling levels between antenna elements to allow direct comparison. S-parameters, radiated power, and beam steering range were measured. The system-level design approach demonstrated significant advantages. Studies confirmed frequency range broadening and improved beam-steering of an optimised system, especially at the steering range extremes [III]. To show its efficiency in combining power in the air, a combinatorial feeding scheme was validated [II]. A custom coupling circuit between the amplifiers and antennas resulted in a 92% increase in the operational frequency range in the broadside and a 36% increase in the frequency steer envelope [IV]. This thesis calls for a paradigm shift in RF system design. Substantial improvements in the frequency range, beam-steering, and power efficiency can be achieved if antenna arrays, amplifiers, and feeding signals are considered as an integrated whole. The framework is a powerful tool for designing future reconfigurable RF systems, implying that nextgeneration communication technologies and radars can be more adaptable, efficient, and compact.