Millimeter-wave Systems and Technologies for Multi-gigabit Wireless Transmission Applications

Die Erhöhung der Trägerfrequenz ist eine der vielversprechendsten Lösungen um die Übertragung von Gigabit Daten Raten in drahtlosen Kommunikationssystemen zu ermöglichen. Anwendungen wie Kiosk Downloading oder High Definition (hochauflösende) Video Übertragung werden in wenigen Jahren bis zu 10 Gbps benötigen. Weil diese Anwendungen verbraucherorientiert sind, ist eine kostengünstige Implementierung notwendig, die mit planaren Strukturen und Standard-Fertigungsprozessen realisiert werden kann. Diese Arbeit legt den Fokus auf die relevanten Technologien von Millimeter-Wellen Systemen der nächsten Generation, die Gigabit Daten Raten übertragen können. Bei Millimeter-Wellen sind Übergänge sehr wichtig. Diese Komponenten werden bei Antennenmessungen und der Systemintegration benötigt. Dafür wurden aktuelle und neue Übergangsstrukturen für Millimeter-Wellen untersucht. Im Besonderen wurde ein sehr effizienter D Band Mikrostreifen zu Rechteck Hohlleiter Übergang für Antennenmessungen und Verbindungen entwickelt. Die Elektromagnetische Theorie, die die Mechanismen erklärt ist dabei auch dargestellt. Die sehr hohen Datenraten erfordern Antennen mit einer großen Bandbreite. In Rahmen dieses Arbeit, eine planare Dipole Antenne für 122 GHz, die eine sehr breitbandige Anpassung besitzt, wurde entwickelt. Darüber hinaus ist ein Leitungsmodell für die Analyse der Dipole vorgegeben. Für andere Anwendungen wurden weitere Antennen mit unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken untersucht. Aufgrund des Energiebudgets von Millimeter-Wellen Systemen sind Array Strukturen mit großem Antennengewinn vorteilhaft. Aus diesem Grund werden für aktuelle Anwendungen Patch Array Strukturen entwickelt. Für die Anwendung der hochauflösenden (high definition) Videoübertragung wurde das Quality of Service (QoS) Problem diskutiert. Das Problem ergibt sich daraus, dass der direkte Signalpfad in einer Wohnungsumgebung blockiert sein kann. Um das Problem zu lösen, wurde eine Strahlformungs-Anlage, die Rotman Linse, verwendet. Drei Demonstratoren wurden für die Anwendung bei 60 GHz mit Rotman Linsen und Antennen angefertigt. Darüber hinaus wurde dafür ein Antennenmessplatz zur Antennenmessung aufgebaut, der für V oder D Band Antennen konfiguriert werden kann. Schließlich wurde ein komplettes end-to-end Millimeter-Wellen System untersucht. Ein 60 GHz Demonstrator wurde dafür aufgebaut. Das Front End besteht aus Standardkomponenten und ist mit unterschiedlichen Antennen und Strahlformungs-Geräten konfigurierbar. Der Demonstrator kann daher für Kanalmessungen verwendet werden. Description Increasing the carrier frequency is one of the most promising solutions to deliver gigabit data rates in wireless communication systems. Applications like kiosk downloading or wireless high definition video transmission will certainly demand up to 10 Gbps in a few years. As these are highly consumer oriented applications, a low-cost implementation of the system is mandatory, which can be achieved by using planar structures with standard fabrication processes. This research focuses on exploring the relevant technologies for this next generation of millimeter-wave systems capable of multi-gigabit data rates. In millimeter-waves, interconnections play a key role: they are needed in antenna characterization and connection and system integration. Therefore, current and new interconnection structures for millimeter-waves are investigated. In particular, an efficient D band waveguide to microstrip transition for antenna measurement or interconnection is developed. An electromagnetic theory explaining its coupling mechanism is also presented. For multi-gigabit applications, very broad bandwidth antennas are needed. A planar antipodal dipole antenna for 122 GHz which features such broad bandwidth is discussed. Moreover, it was designed to be relatively insensitive to fabrication innacuracies. A transmission line model for the antenna is also presented. Several other antenna structures with different radiation patterns for a variety of applications are also addressed. It is clear from the power budget of a millimeter-wave system that moderate high gain antennas will be needed. Therefore, array structures for current "hot" applications are sketched. Focusing on a particular application, the high definition video transmission, the Quality of Service problem is addressed. This problem comes with the fact that the direct signal path might be temporarily blocked in a regular home environment. To overcome the problem, beamforming with a Rotman lens is proposed. Several antenna demonstrators for this application at 60 GHz were built. In order to correctly measure the antenna structures, a millimeter-wave antenna measurement setup was developed. It is highly flexible and delivers accurate and repeatable results. The system is useful for the measurement of antenna structures at D or V band. Finally, a whole end-to-end millimeter-wave system is discussed by the construction of a full demonstrator for 60 GHz with Quality of Service. The front end consists of transmitter and receiver and is built using off the shelf components. It is fully configurable and adaptable for the utilization of different antennas and beamforming devices, which can be very useful for channel measurement operations.