Face à la demande croissante de débits de données de plus en plus élevées, l’une des principales solutions proposées par la 5G est de densifier le réseau en y intégrant notamment de nouvelles « Small cells ». La réorganisation de l’architecture du réseau mobile pour s’adapter à l’intégration poussée de ces Small cells, fait naître la problématique de la connexion backhaul entre les stations de bases desservant les Small cells et le cœur de réseau. Ainsi, des liaisons backhaul de plusieurs Gb/s de données sont nécessaires pour pouvoir assurer un débit de données d’au moins 100Mb/s à l’utilisateur qui est l’un des objectifs fixés pour la 5G. Les solutions de connexion backhaul sans fils ont un avantage indiscutable face aux coûts de déploiements de fibres optiques qui sont très élevés. Pour augmenter la capacité spectrale des liaisons sans fils, l’utilisation des fréquences millimétriques au-delà de 6 GHz caractérisées par des larges bandes passantes sera prochainement discutée pour la 5G durant le World Radiocommunication Conference 2019. Parmi ces fréquences, les bandes V (57-66GHz) et E (71-76 GHz et 81-86 GHz) ont un intérêt indéniable grâce aux larges bandes passantes disponibles ainsi qu’aux conditions de licenciement peu exigeantes. Les travaux développés dans cette thèse consistent à concevoir des antennes directives à large bande passante permettant d’établir les liens backhaul point-à-point sans fils (LoS). En exploitant les technologies de fabrications à faibles coût telles que l’impression 3D et Printed Circuit Board (PCB) sur des substrats FR4, la conception de deux types d’antenne directives a été étudiée à savoir des antennes lentilles et des antennes réseaux. / In order to address the ever-increasing demand of higher data rates, adding small cells to the existing macrocells infrastructure is one of the most important milestones of the 5G roadmap. With the integration of small cells and the re-organization of the network topology, backhaul bottleneck is the main challenge to address in the near future. Facing the costs of deployments of fiber optic connections, point-to-point wireless backhaul links using millimeter wave (mmW) frequencies are gaining prominence. 5G future frequencies, to be discussed under the World Radiocommunication Conference 2019 (WRC-19) open-up the way towards mmW frequency band where large bandwidths are naturally available. The high bandwidths available at these frequencies enable several Gbps data rate backhaul links, which is un utmost necessity to respect the 100 Mbps user-experienced data rate promised by the 5G standard. Millimeter-wave frequencies in V and E-bands unlicensed/light licensed spectrum are considered as primary candidates for backhaul links. In addition to the light license regime, the high free space path loss experienced at these frequencies is rather beneficial to limit the interference between small cells links. Moreover, the high available bandwidths at V and E-bands enable to achieve multi Gb/s links without using complex modulation schemes. In this thesis, we focused our research study on developing high gain wide-band antennas usable in point-to-point backhaul links in a Line of Sight (LoS) context. Leveraging cost-efficient technologies like 3D printing and Printed Circuit Board (PCB) on FR4 substrates, we studied two high-gain antenna types: lens antennas and flat array antennas.

In this dissertation, the operation of dual-linear polarized antennas is considered in order to provide ideal performance suited for several applications including polarimetric synthetic aperture radar (SAR), wireless and satellite communications. The underlying objectives realized in this work are reported as design realizations of dual-linear polarized antennas with low cross polarization patterns and high isolation between ports that employ special properties of the electromagnetic metamaterial (MTM) structures. Some of these key properties appear as negative permittivity, negative permeability, negative refractive index, and antiparallel nature of the phase velocity and the group velocity. The antenna design is carried out at two frequencies, 5.5 GHz and 10 GHz, and key physical issues that affect the operation of dual-linear polarization operation antennas are treated in light of electromagnetic MTM properties. It’s well known that a dual linear polarized antenna poses a big challenges such as cross polarization patterns and high mutual coupling between two input ports. Therefore, these drawbacks are key topic that receive significant attention in literature which reports on how to mitigate these drawbacks, however, at the expense of complexity of the antenna structures. The MTM structures have received considerable coverage in antenna research for obtaining size reduction, directivity enhancement, and beam steering. For this purpose, different MTMs structures are chosen in this thesis for achieving additional improvements, while keeping the antenna design as simple as possible, something which is very difficult to accomplish using conventional design methods.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Dual linear Polarization Antennas and Arrays Chapter 3: Fundamental Theory of Metamaterials Chapter 4: Metamaterial Structures Design-Methodology Chapter 5: Design of Dual Linear Polarization Using CRLH-TL Metamaterial Line Feed Chapter 6: Cross Polarization Discrimination Enhancement of a Dual Linear Polarization Antenna Using Split Ring Resonator Chapter 7: Antenna Array Design Chapter 8: Conclusions and Future Work / In der folgenden Dissertation wird der Einsatz von zweifach linear polarisierten Antennen zur idealen Ausführung von verschiedenen Anwendungen, einschließlich von polarimetrischen Synthetic Aperture Radar (SAR), kabellose und satellitengestützte Kommunikation, diskutiert. Die Ziele dieser Arbeit werden dargestellt durch die Gestaltung von zweifach linear polarisierten Antennen mit gering Kreuz-Polarisationsmustern und die starke Isolation zwischen den Ports durch die einzigartigen Eigenschaften der Strukturen des elektromagnetischen Metamaterials (electromagnetic metamaterial; MTM). Einige dieser Eigenschaften treten als negative Permittivität, negative Permeabilität, negativer Brechungsindex und als antiparallel Richtungen (Gegenvektor) der Phasen-und Gruppengeschwindigkeit auf. Somit wird die Antennengestaltung auf zwei Frequenzen übertragen, 5,5GHz und 10 GHz, und die Ausführung der zweifach linearen Polarisation wird durch die elektromagnetischen Eigenschaften des MTM illustriert. Weil die Kreuzpolarisationsmuster und starke gegenseitige Koppelung zwischen zwei Input-Ports bei einer zweifach linear polarisierten Antenne große Schwierigkeiten bereiten, werden diese im Großteil der Fachliteratur als Schwerpunkte gesetzt, was zu einer Milderung der Nachteile führte, jedoch dafür die Komplexität der Antennenstruktur zunahm. Die Vielfalt an MTM ist ein bedeutender Teil im Bereich der Antennenforschung einschließlich der Größenverkleinerung, der Verbesserung der Richtcharakteristik und der Strahlensteuerung. Für diesen Zweck werden in dieser Dissertation verschiedenste MTM Strukturen ausgewählt um weitere Verbesserungen der Antennenstruktur zu ermöglichen und gleichzeitig die Einfachheit der Struktur zu bewahren, was mit konventionellen Gestaltungsmethoden nur schwer zu erreichen ist.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Dual linear Polarization Antennas and Arrays Chapter 3: Fundamental Theory of Metamaterials Chapter 4: Metamaterial Structures Design-Methodology Chapter 5: Design of Dual Linear Polarization Using CRLH-TL Metamaterial Line Feed Chapter 6: Cross Polarization Discrimination Enhancement of a Dual Linear Polarization Antenna Using Split Ring Resonator Chapter 7: Antenna Array Design Chapter 8: Conclusions and Future Work

Tato disertační práce prezentuje nový koncept kruhově polarizovaných anténních řad na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu. Hlavní devízou konceptu je modularita, kdy je základní stavební blok řady použitelný pro tvorbu komplexnějších řad a tento blok zároveň slouží jako šablona pro návrh komplexnější struktury. Anténní řada byla simulována a experimentálně ověřena pro frekvence 17 a 60 GHz. Na základě dosažených výsledků byla odvozena metodologie pro návrh a identifikovány klíčové oblasti návrhu. Následně práce představuje techniku zvýšení šířky pásma osového poměru kruhově polarizovaných anténních řad pomoci parazitních flíčků, které jsou umístěny nad zářiče v definované vzdálenosti. Anténní řada z první části práce byla použita v simulacích a experimentálním ověření pro frekvence 17 a 60 GHz, kdy byla tato řada rozšířena o parazitní strukturu, přidávajíc další vrstvu modularity do konceptu.

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Cross-Eye (CE) jamming is a technique aimed at inducing false target angles in radar measurements. The potential to deceive monopulse radar, a radar type commonly used due to its angular accuracy and resilience against jamming, has captured the interest of Electronic Warfare (EW) system manufacturers. CE jamming may increase the capability of self-defense against radar guided missiles. In this thesis, a CE jammer, based on the retrodirective channel design, for use in an EW systems is modeled and analyzed. The focus of the analysis is on the non-reciprocal Active Electronically Scanned Arrays (AESA). An electrical model of the jammer system and the AESA, including variations in the electrical properties, together with three different system correction methods are used. A simulation procedure, using single frequency (CW) signals, is defined and used for estimating total level of reciprocity, which is a primary contributor to jammer performance. Reciprocity error sensitivity for variations in model parameters is simulated to indicate which AESA aspects are essential for performance. Further, the influence of characterization and calibration noise is investigated. The usability of the model is demonstrated in different types of simulations, which highlights the differences between the system correction methods. Simulations show that a relatively high level of reciprocity can be achieved when using system correction, if measurement noise and model limitations are disregarded. The expected degradation in reciprocity from differences in electrical properties between the reception and transmission branch of the AESA has been confirmed. The effect of characterization and calibration noise, for realistic levels of noise, seems to be a dominating factor in the total reciprocity error. A significant increase in reciprocity error can likely be expected when non-CW signals are used and when realistic levels of noise and non-linear effects are added. / Cross-eye (CE) är en störprincip som har potential att inducera vinkelmätfel i radar. Dess möjlighet att störa monopulsradar, en vanligt förekommande typ av radar som är motståndskraftig mot många störformer, har skapat ett intresse för metoden hos tillverkare av system för elektronisk krigföring (EW-system). Användning av CE störning i ett EW-system skulle kunna öka möjligheten till självskydd vid attack från en monopulsradarstyrd robot. Avhandlingen analyserar en modell av en retrodirektiv CE störare som är avsedd för integration i ett multifunktionellt EW-system. Fokus i analysen är på de aktiva gruppantennerna (AESA) som används i systemet. En elektrisk modell av systemet används, vilken inkluderar variationer i parametrar hos AESA samt tre olika systemkorrektionsmetoder. En simuleringsprocedur som ger möjlighet att uppskatta reciprocitetsfel och känslighet för parametervariationer i AESA är definierad. Vidare undersöks inverkan av karaktäriserings och kalibreringsbrus. Modellens användningsområden visas i olika typer av prestandasimulering där effekter av de olika systemkorrektionsmetoderna tydliggörs. Simuleringsresultat för enkelfrekvens (CW) signaler visar en relativt hög nivå av reciprocitet om brus och olinjäriteter ignoreras. Det förväntade resultatet, att elektriska skillnader mellan mottagar- och sändargrenarna orsakar en försämring i reciprocitet, bekräftas. Inverkan av karaktäriserings och kalibreringsbrus verkar vara en dominerande faktor i det totala reciprocitetsfelet då rimliga brusnivåer används. En signifikant höjning av reciprocitetsfelet kan sannolikt förväntas då signaler med en viss bandbredd används och då rimliga nivåer av brus samt olinjäriteter inkluderas. / <p>QC 20171102</p>

This thesis investigates circuits and systems for broadband high datarate transmitter systems in the millimeter-wave (mm-wave) spectrum. During the course of this dissertation, the design process and characterization of a power efficient and wideband binary phase-shift keying (BPSK) transmitter integrated circuit (IC) with local oscillator (LO) frequency multiplication and 360° phase control for beam steering is studied. All required circuit blocks are designed based on the theoretical analysis of the underlying principles, optimized, fabricated and characterized in the research laboratory targeting low power consumption, high efficiency and broadband operation. The phase-controlled push-push (PCPP) architecture enabling frequency multiplication by four in a single stage is analytically studied and characterized finding an optimum between output power and second harmonic suppression depending on the input amplitude. A PCPP based LO chain is designed. A circuit is fabricated establishing the feasibility of this architecture for operation at more than 200 GHz. Building on this, a second circuit is designed, which produces among the highest saturated output powers at 2 dBm. At less than 100 mW of direct current (DC) power consumption, this results in a power-added efficiency (PAE) of 1.6 % improving the state of the art by almost 30 %. Phase-delayed and time-delayed approaches to beam steering are analyzed, identifying and discussing design challenges like area consumption, signal attenuation and beam squint. A 60 GHz active vector-sum phase-shifter with high gain of 11.3 dB and output power of 5 dBm, improving the PAE of the state of the art by a factor of 30 achieving 6.29 %, is designed. The high gain is possible due to an optimization of the orthogonal signal creation stage enabled by studying and comparing different architectures leading to a trade off of lower signal attenuation for higher area consumption in the chosen electromagnetic coupler. By combining this with a frequency quadrupler, a phase steering enabled LO chain for operation at 220 GHz is created and characterized, confirming the preceding analysis of the phase-frequency relation during multiplication. It achieves a power gain of 21 dB, outperforming comparable designs by 25 dB. This allows the combination of phase control, frequency multiplication and pre-amplification. The radio frequency (RF) efficiency is increased 40-fold to 0.99 %, with a total power consumption of 105 mW. Motivated by the distorting effect of beam squint in phase-delayed broadband array systems, a novel analog hybrid beam steering architecture is devised, combining phase-delayed and time-delayed steering with the goal of reducing the beam squint of phase-delayed systems and large area consumption of time-delayed circuits. An analytical design procedure is presented leading to the research finding of a beam squint reduction potential of more than 83 % in an ideal system. Here, the increase in area consumption is outweighed by the reduction in beam squint. An IC with a low power consumption of 4.3 mW has been fabricated and characterized featuring the first time delay circuit operating at above 200 GHz. By producing most of the beam direction by means of time delay the beam squinting can be reduced by more than 75 % in measurements while the subsequent phase shifter ensures continuous beam direction control. Together, the required silicon area can be reduced to 43 % compared to timedelayed systems in the same frequency range. Based on studies of the optimum signal feeding and input matching of a Gilbert cell, an ultra-wideband, low-power mixer was designed. A bandwidth of more than 100 GHz was achieved exceeding the state of the art by 23 %. With a conversion gain of –13 dB, this enables datarates of more than 100 Gbps in BPSK operation. The findings are consolidated in an integrated transmitter operating around 246 GHz doubling the highest published measured datarates of transmitters with LO chain and power amplifier in BPSK operation to 56 Gbps. The resulting transmitter efficiency of 7.4 pJ/bit improves the state of the art by 70 % and 50 % over BPSK and quadrature phaseshift keying (QPSK) systems, respectively. Together, the results of this work form the basis for low-power and efficient next-generation wireless applications operating at many times the datarates available today.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241 / Diese Dissertation untersucht Schaltungen und Systeme für breitbandige Transmittersysteme mit hoher Datenrate im Millimeterwellen (mm-wave) Spektrum. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurfsprozess und die Charakterisierung eines leistungseffizienten und breitbandigen integrierten Senders basierend auf binärer Phasenumtastung (BPSK) mit Frequenzvervielfachung des Lokaloszillatorsignals und 360°-Phasenkontrolle zur Strahlsteuerung untersucht. Alle erforderlichen Schaltungsblöcke werden auf Grundlage von theoretischen Analysen der zugrundeliegenden Prinzipien entworfen, optimiert, hergestellt und im Forschungslabor charakterisiert, mit den Zielen einer niedrigen Leistungsaufnahme, eines hohen Wirkungsgrades und einer möglichst großen Bandbreite. Die phasengesteuerte Push-Push (PCPP)-Architektur, welche eine Frequenzvervierfachung in einer einzigen Stufe ermöglicht, wird analytisch untersucht und charakterisiert. Dabei wird ein Optimum zwischen Ausgangsleistung und Unterdrückung der zweiten Harmonischen des Eingangssignals in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude gefunden. Es wird eine LO-Kette auf PCPP-Basis entworfen. Eine Schaltung wird präsentiert, die die Machbarkeit dieser Architektur für den Betrieb bei mehr als 200 GHz nachweist. Darauf aufbauend wird eine zweite Schaltung entworfen, die mit 2 dBm eine der höchsten publizierten gesättigten Ausgangsleistungen erzeugt. Mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 100mW ergibt sich ein Leistungswirkungsgrad (PAE) von 1.6 %, was den Stand der Technik um fast 30 % verbessert. Es werden phasenverzögerte und zeitverzögerte Ansätze zur Steuerung der Strahlrichtung analysiert, wobei Entwicklungsherausforderungen wie Flächenverbrauch, Signaldämpfung und Strahlschielen identifiziert und diskutiert werden. Ein aktiver Vektorsummen-Phasenschieber mit hoher Verstärkung von 11.3 dB und einer Ausgangsleistung von 5 dBm, der mit einer PAE von 6.29 % den Stand der Technik um den Faktor 30 verbessert, wird entworfen. Die hohe Verstärkung ist zum Teil auf eine Optimierung der orthogonalen Signalerzeugungsstufe zurückzuführen, die durch die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Architekturen ermöglicht wird. Bei der Entscheidung für einen elektromagnetischen Koppler rechtfertigt die geringere Signaldämpfung einen höheren Flächenverbrauch. Durch die Kombination mit einem Frequenzvervierfacher wird eine LO-Kette mit Phasensteuerung für den Betrieb bei 220 GHz geschaffen und charakterisiert, was die vorangegangene Analyse der Phasen-FrequenzBeziehung während der Multiplikation bestätigt. Sie erreicht einen Leistungsgewinn von 21 dB und übertrifft damit vergleichbare Designs um 25dB. Dies ermöglicht die Kombination von Phasensteuerung, Frequenzvervielfachung und Vorverstärkung. Der HochfrequenzWirkungsgrad wird um das 40-fache auf 0.99 % bei einer Gesamtleistungsaufnahme von 105 mW gesteigert. Motiviert durch den verzerrenden Effekt des Strahlenschielens in phasengesteuerten Breitbandarraysystemen, wird eine neuartige analoge hybride Strahlsteuerungsarchitektur untersucht, die phasenverzögerte und zeitverzögerte Steuerung kombiniert. Damit wird sowohl das Strahlenschielen phasenverzögerter Systeme als auch der große Flächenverbrauch zeitverzögerter Schaltungen reduziert. Es wird ein analytisches Entwurfsverfahren vorgestellt, das zu dem Forschungsergebnis führt, dass in einem idealen System ein Potenzial zur Reduktion des Strahlenschielens von mehr als 83 % besteht. Dabei wird die Zunahme des Flächenverbrauchs durch die Verringerung des Strahlenschielens aufgewogen. Es wird ein IC mit einer geringen Leistungsaufnahme von 4.3mW hergestellt und charakterisiert. Dabei wird die erste Zeitverzögerungsschaltung entworfen, die bei über 200 GHz arbeitet. Durch die Erzeugung eines Großteils der Strahlrichtung mittels Zeitverzögerung kann das Schielen des Strahls bei Messungen um mehr als 75% reduziert werden, während der nachfolgende Phasenschieber eine kontinuierliche Steuerung der Strahlrichtung gewährleistet. Insgesamt kann die benötigte Siliziumfläche im Vergleich zu zeitverzögerten Systemen im gleichen Frequenzbereich auf 43 % reduziert werden. Auf der Grundlage von Studien zur optimalen Signaleinspeisung und Eingangsanpassung einer Gilbert-Zelle wird ein Ultrabreitband-Mischer mit geringem Stromverbrauch entworfen. Dieser erreicht eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz, die den Stand der Technik um 23% übertrifft. Bei einer Wandlungsverstärkung von –13dB ermöglicht dies Datenraten von mehr als 100 Gbps im BPSK-Betrieb. Die Erkenntnisse werden in einem integrierten, breitbandigen Sender konsolidiert, der um 246 GHz arbeitet und die höchsten veröffentlichten gemessenen Datenraten für Sender mit LO-Signalkette und Leistungsverstärker im BPSK-Betrieb auf 56 Gbps verdoppelt. Die daraus resultierende Transmitter-Effizienz von 7.4 pJ/bit verbessert den Stand der Technik um 70 % bzw. 50 % gegenüber BPSKund Quadratur Phasenumtastung (QPSK)-Systemen. Zusammen bilden die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für stromsparende, effiziente, mobile Funkanwendungen der nächsten Generation mit einem Vielfachen der heute verfügbaren Datenraten.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241

Рассмотрены различные способы измерений скорости ветра на различной высоте в нижних слоях атмосферы. Предложена новая конструкция радара для неконтактного измерения скорости ветра. В качестве излучателя антенной решетки предложено использовать трехэлементную вибраторную антенну. Выполнено электродинамическое моделирование антенной решетки. Предложена антенная решетка, формирующая 5 лучей шириной 7 градусов. Рассмотрена треугольная и квадратная сетка размещения элементов. Доказано преимущество антенной решетки с треугольной сеткой. Рассмотрено влияние амплитудного распределения мощности по элементам антенной решетки на диаграмму направленности. Исследовано влияние кластеризации решетки по 4 и 7 элементов. Доказано преимущество 4-х элементных кластеров. Исследовано влияние дискрета фазирования на характеристики антенны. Предложена 4-битовая схема фазовращателей. Схема управления фазовращателями оптимизирована на минимум управляющего тока. Определена дальность действия предложенного радара. / Various methods of wind speed measuring at different heights in the lower atmosphere are considered. A new scheme for constructing a radar for non-contact measurement of wind speed is proposed. A three-element dipole antenna is proposed as the radar antenna array element. The antenna array electrodynamic modeling is performed. The antenna array forming 5 beams with a width of 7 degrees are suggested. The square and triangular grid of elements placement in the antenna array is considered. The advantages of the antenna array with the triangular grid are justified. The influence of the amplitude distribution of radiated power in the antenna array on the radiation pattern is studied. The effect of clustering of the antenna array on its radiation is studied. 4- and 7-element clusters are considered. The advantage of 4-element clusters is proved. The effect of phasing discretization on the antenna characteristics is investigated. The 4-bit phase shifter scheme is proposed. The phase shifter control scheme is optimized for a minimum of the control current. The radar monitoring range is defined.

The angle of arrival estimation of multiple sources plays a vital role in the field of array signal processing as MIMO systems can be employed at both the transmitter and the receiver end and the system capacity, reliability and throughput can be significantly increased by using array signal processing. Almost all applications require accurate direction of arrival (DOA) estimation to localize the sources of the signals. Another important parameter of localization systems is the array geometry and sensor design which can be application specific and is used to estimate the DOA. In this work, various array geometries and arrival estimation algorithms are studied and then a new scheme for multiple source estimation is proposed and evaluated based on the performance of subspace and non-subspace decomposition methods. The proposed scheme has shown to outperform the conventional Multiple Signal Classification (MUSIC) estimation and Bartlett estimation techniques. The new scheme has a better performance advantage at low and high signal to noise ratio values (SNRs). The research work also studies different array geometries for both single and multiple incident sources and proposes a geometry which is cost effective and efficient for 3, 4, and 5 antenna array elements. This research also considers the shape of the ground plane and its effects on the angle of arrival estimation and in addition it shows how the mutual couplings between the elements effect the overall estimation and how this error can be minimised by using a decoupling matrix. At the end, a novel miniaturised multi element reconfigurable antenna to represent the receiver base station is designed and tested. The antenna radiation patterns in the azimuth angle are almost omni-directional with linear polarisation. The antenna geometry is uniplanar printed logspiral with striplines feeding network and biased components to improve the impedance bandwidth. The antenna provides the benefit of small size, and re-configurability and is very well suited for the asset tracking applications.

The proliferation of modern wireless networks increases demand for high capacity and throughput in order to provide faster, more robust, efficient and broadband services to end users. Mobile WiMAX and LTE are examples of such networks in which for some cases they have exposed limited connectivity due to harsh environment. Relay stations are preferred to overcome problems of weak or no access for such network devices, that are placed in specific positions to maintain high quality of data transfer at low cost and provide the required connectivity anywhere anytime. These stations should be equipped with an antenna system capable of establishing communication between base station (backhaul link) and end users (access link). This thesis focuses on the design and development of a new antenna system that is suitable for a relay-based wireless network. Planar geometries of microstrip patch antennas are utilized. The antenna system comprises two antenna modules: a new design of a single antenna for access link and a new design of an antenna array for backhaul link realization. Both antenna specifications are compatible with the IEEE802.16j protocol standard. Hence, relay station should be capable of pointing its radiation pattern to the base station antenna, thus to achieve the desired radiation pattern of the relay station, a new beam-forming module is proposed, designed and developed to generate the proper radiation pattern. The beam-forming module incorporating digital phase shifters and attenuator chips is fabricated and tested. The optimization process using the Least Mean Square (LMS) algorithm is considered in this study to assign the proper phase and amplitude that is necessary to each radiation element excitation current, to produce the desired steered radiation pattern. A comprehensive study on the coupling effects for several relative positions between two new backhaul and access link antenna elements is performed. Two new antenna configurations for coupling reduction are tested and the simulated and measured results in terms of antenna radiation performances were compared and commented.

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