I
Design of Efficient Millimeter Wave Planar
Antennas for 5G Communication Systems
تصميم هوائيات ذات كفاءة على تردد موجات المليمتر ألنظمة
الجيل الخامساتصاالت
Mohammed H. Abu Saada
Supervised by
Dr. Talal F. Skaik
Assistant prof. of Electrical Engineering
Dr. Ramadan A. Alhalabi
Assistant prof. of Electrical Engineering
A thesis submitted in partial fulfillment
of the requirements for the degree of
Master of Electrical Engineering – Communication Systems Engineering
April/2017
The Islamic University–Gaza
Research and Postgraduate Affairs
Faculty of Engineering
Master of Electrical Engineering
Communication Systems
غزة - ةــالميــــــة اإلســـــــــامعـالج
شئون البحث العلمي والدراسات العليا
الهـنـــــــــــــــــــــدسةة ــــــــــــــــــــليـك
الهنـــــدسة الكهربائيةر ـــــــماجستي
أنظمـــــــــــة اتصـــــاالت
إقــــــــــــــرار
أنا الموقع أدناه مقدم الرسالة التي تحمل العنوان:
Design of Efficient Millimeter Wave Planar Antennas
for 5G Communication Systems
تصميم هوائيات ذات كفاءة على تردد موجات المليمتر ألنظمة اتصاالت
الجيل الخامس
أقر بأن ما اشتملت عليه هذه الرسالة إنما هو نتاج جهدي الخاص، باستثناء ما تمت اإلشارة
أن هذه الرسالة ككل أو أي جزء منها لم يقدم من قبل اآلخرين لنيل درجة أو إليه حيثما ورد، و
لقب علمي أو بحثي لدى أي مؤسسة تعليمية أو بحثية أخرى. وأن حقوق النشر محفوظة
فلسطين- لجامعة اإلسالمية غزةل
Declaration
I hereby certify that this submission is the result of my own work, except
where otherwise acknowledged, and that this thesis (or any part of it)
has not been submitted for a higher degree or quantification to any other
university or institution. All copyrights are reserves toIslamic University
– Gaza strip paiestine
:Student's name د حسن أبو سعدةمحم م الطالب:اس
:Signature محمد أبو سعدة التوقيع:
:Date 12/5/1122 التاريخ:
II
Abstract
Fifth generation (5G) is the next major phase of mobile telecommunications standards beyond the
current 4G, which will operate at millimeter-wave frequency band. In any wireless device, the
performance of radio communications depends on the design of an efficient antenna. This thesis
presents designs for microstrip antennas (single element and arrays at 28 GHz), where 28GHz is
one of the standard frequencies of the 5G communications.
A parametric study to select the best single element design to use it in the array has been performed.
The study included investigation on the impact of feeding technique, substrate dielectric constant,
substrate thickness and substrate loss tangent on the antenna parameters. Different feeding
techniques are studied, and gap-coupled feeder has been found the best in terms of bandwidth that
is greater than 1 GHz.
Based on the best optimized single element patch, several microstrip antenna array designs at 28
GHz are proposed with number of elements up to 16 and those designs meet the requirements of
5G antennas. Commercial simulation software (CST) and (ADS) were utilized to design single
element, linear and planar arrays.
Furthermore, dual polarized Linear and planar arrays were designed for handset mobiles and base
stations respectively, with good isolation between vertical and horizontal ports (better than 20 dB).
III
ملخص البحث
الجيل الخامس من االتصاالت هو الجيل الذي يلي الجيل الرابع الحالي والمتوقع أن يبدأ العمل به في عام
30هي ترددات موجات المليمتر والتي تبدأ من م. الترددات التي سيتم استخدامها في الجيل الخامس 2020
جيجا هيرتز فما فوق، حيث أن هذا البحث يقدم تصاميم لهوائيات بعنصر واحد ومصفوفات تعمل عند تردد
.جيجا هيرتز 28
الكهربية للمادة السماحية)تم عمل دراسة كاملة على المتغيرات المتعلقة بالمادة المصنوع منها الهوائي مثل
الهوائي مثل أداءالعازلة، سمك المادة العازلة، وكذلك طرق تغذية هوائي الشرائح الدقيقة، ودراسة تأثيرها على
.ت..(ة الهوائي، نطاق الترددا)كفاء
جيجا هيرتز، وهذا تم 1وفق مواصفات هوائيات الجيل الخامس فإن النطاق الترددي يجب أن يكون أكبر من
نما بوجود فجوة صغيرة بينهماتحقيقه .باستخدام مغذي لهوائي الشرائح الدقيقة ال يالمسه مباشرة وا
كانت خالصة هذه الدراسة اختيار أفضل تصميم وبناء مصفوفة الهوائيات الخطية واللوحية منه، حيث وصل
م ديسي بل، وتصمي 17عنصر ليعطي كسب الى الهوائي يصل الى 16عدد عناصر المصفوفة إلى
.مصفوفة هوائيات ثنائية القطبية تعمل للهاتف المحمول ولمحطة االرسال كل على حدة
(CST) ،.(ADS)تم استخدام برامج التصميم الخاصة بالهوائيات مثل
IV
DEDICATION
To
My Parents Hassan & Enayat
My Wife Islam
My children
Enayat, Anas, Tala, Leen
and
My Family
V
ACKNOWLEDGEMENT
First and the foremost, I would like to thank Almighty Allah for bestowing His blessings upon me
and giving me the strength to carry out and complete this work.
I am extremely grateful to my supervisors Dr. Ramadan Alhalabi and Dr. Talal Skaik for their
valuable advice, guidance, beneficial discussions and encouragement throughout my research.
Apart from their valuable academic advice and guidelines, they have been extremely kind,
friendly, and helpful. I am also very grateful to my thesis committee members, Dr. Tamer Abu
Foul and Dr. Fady El-Nahal for their care, cooperation and constructive advices.
Special thanks to my colleagues and friends especially Eng. Belal A. Alsaati, Eng. Mohammed A.
Matar, Eng. Mohammed A. Tubail, and Eng. Mohammed J. Hannona for their encouragements
and various help that they provided throughout my graduate studies.
Special thanks to my friends Ahmed R. Qarrot, Abdallah H. Abu Saada, Zakaria A. Alshaghnouby,
,Mohammed Kh. Abu Salem, Mohammed Z. Aldahshan, Mohammed F. Kullab and Khalil
Eslayyeh.
Also, I want to thank my Indian friend Sudipta Maity for his valuable advice and guidance.
I would like to give my special thanks to my parents, brothers, sister and my wife for their support,
patience and love. Without their encouragement, motivation and understanding, it would have been
impossible for me to complete this work. Finally, my sincere thanks are due to all people who
supported me to complete this work.
VI
Contents
Abstract …………………………………………………………………………………… II
Abstract in Arabic ……………………………………………………………………… III
Declaration………………………………………………………………………………… IV
Acknowledgment ………………………………………………………………………… V
Table of Contents ……………………………………………………………………… VI
List of Tables ……………………………………………………………………………. VIII
List of Figures ………………………………………………………………………………IX
1 Chapter 1 : Introduction .......................................................................................................... 1
1. 1 5G Communications ......................................................................................................... 1
1. 2 Background ...................................................................................................................... 2
1. 3 planar Antennas at mm-Wave Frequencies ...................................................................... 2
1. 4 Why at 28 GHz? ............................................................................................................... 3
1. 5 Literature review .........................................................
