Conception et mesure d'antenne millimétrique 5G : Défis et perspectives · 2019-06-20 ·...

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Conception et mesure d'antenne millimétrique 5G : Défis et perspectives Khai Nguyen 1 , Fabien Ferrero 1 , L. Lizzi 1 , E. Seguenot 2 , P. Ratajczak 2 1 Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT | France 2 Orange Lab | France

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Conception et mesure d'antenne millimétrique 5G : Défis et perspectives

Khai Nguyen1, Fabien Ferrero1 , L. Lizzi1 , E. Seguenot2 , P. Ratajczak2

1 Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT | France2 Orange Lab | France

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Outline

2Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Introduction et motivation

▪ Projet FUI Mass-Start

▪ Antennes pour Small cell

▪ Antennes pour smartphone

▪ Effet corps humain

▪ Conclusion and perspectives

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Outline

3Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Introduction et motivation

▪ Projet FUI Mass-Start

▪ Antennes pour Small cell

▪ Antennes pour smartphone

▪ Effet corps humain

▪ Conclusion and perspectives

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Motivation : 5G needs

4Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

« Make 5G mmWave a commercial reality… in your smartphone », Qualcomm

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Motivation for mmW : Increasing data rate ?

5Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Channel capacity is defined as the maximum theorical datarate which

the chanel can support

𝐶 = 𝐵𝑊 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆𝑁𝑅)

▪ Study of the technologies carrying the 5th generations of mobile

communications :

▪ High Frequency Antennas ( 10 GHz to 71 GHz)

▪ MIMO and Massive MIMO

▪ Increase mobile network capacity thanks to network density, spectral

efficiency and bandwidth

▪ Beamforming gain = 10*log(Nant) dB

Nant number of antenna

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Motivation for mmW : Increasing data rate ?

6Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Channel capacity is defined as the maximum theorical datarate which

the chanel can support

𝐶 = 𝐵𝑊 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆𝑁𝑅)

▪ Study of the technologies carrying the 5th generations of mobile

communications :

▪ High Frequency Antennas ( 10 GHz to 71 GHz)

▪ MIMO and Massive MIMO

▪ Increase mobile network capacity thanks to network density, spectral

efficiency and bandwidth

▪ Beamforming gain = 10*log(Nant) dB

Nant number of antenna

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Motivation : 5G requirements

200m

10

22

160MHz 20MHz – 64QAM – 75Mbps

10log(20e6)

BW 73dB

18

- 16QAM – 300 Mbps

BW 82dB

10log(160e6)

10

12

60

101

130 50dB

26GHz

3.5GHz

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Motivation : 5G requirements

200m

10

160MHz 20MHz – 64QAM

BW 73dB

18

QPSK

BW 82dB

10log(160e6)

9

22

160MHz 20MHz – 64QAM – 75Mbps

10log(20e6)

BW 73dB

18

- 16QAM – 300 Mbps

BW 82dB

10log(160e6)

10

12 100

130

8

128)

42

26GHz

3.5GHz

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Motivation : Use case

9Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

« Making 5G NR a reality », Qualcomm White paper

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Motivation : Use case

10Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

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Motivation : 5G needs

11Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

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Motivation : Increasing data rate ?

12Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Centimeters and Millimeters Wave have a low penetration

capabilities

▪ Miniaturization thanks to smaller wavelength allows easier

integration of multiple antennas (@26GHz, λ=10mm)

▪ MIMO technique as beamforming is mandatory at millimeter wave

because of the higher attenuation in the channel.

▪ Handheld devices strongly impacted by user’s interferences below 6

GHz, hand effect is expected to be more important at higher

frequency.

▪ Impact of the user should be considered on the antenna efficiency

and on the maximal gain that could be obtained in a beamforming

configuration.

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Outline

13Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Introduction et motivation

▪ Projet FUI Mass-Start

▪ Antennes pour Small cell

▪ Antennes pour smartphone

▪ Effect corps humain

▪ Conclusion and perspectives

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Projet FUI Mass-Start

14Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

Le projet ambitionne de développer une solution open source 5G pour le MIMO

Massif. L’objectif est le développement d’une plateforme Hardware et Software,

sur le principe du succès d’OAI en 4G (www.openairinterface.org).

Les principaux livrables matériels du projet sont les sous-systèmes radio et de

traitement de bande de base compatibles 5G, leur intégration dans un

démonstrateur de terminal 5G basé sur OAI et le réseau d’antennes permettant

les expérimentations de bout en bout du lien MIMO Massif.

http://mass-start.fr

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Projet FUI Mass-Start

15Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

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Projet FUI Mass-Start

16Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

VIDEO

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Outline

17Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Introduction et motivation

▪ Projet FUI Mass-Start

▪ Antennes pour Small cell

▪ Antennes pour smartphone

▪ Effect corps humain

▪ Conclusion and perspectives

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Small cell mmW system

Mobilizing 5G NR Millimeter Wave: Network Coverage Simulation

Studies for Global Cities, Qualcomm white paper

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Needs : Small cell mmW

19Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ AiP (antenna in Package) approach

▪ Direct antenna+ RF electronic integration

-> OTA testing

▪ Classical antenna array with 0.5λ element

distance, no challenge on bandwidth

▪ Heat issue : How to extract efficiently the heat ?

▪ Mainly an integration problem

Source Macom

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Small cell mmW system

120 mm

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Anechoic chamber – CATR configuration for Rx

Small cell mmW system

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Anechoic chamber – Probe configuration for Tx

Small cell mmW system

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Rx 256E - Phi 0 ° Theta 0° Comp Uni -LSL 26GHz

Small cell mmW system

6dB

Low side lobe mode versus equi-amplitude mode

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Rx 256E - Phi 0 ° Theta 30° Comp Uni -LSL 26GHz

Small cell mmW system

Low side lobe mode versus equi-amplitude mode

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Rx 64E - Phi 0 ° Theta 0° Low Side lobe 27GHz Meas

Small cell mmW system

64 elements only

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Phi 45 ° Theta 30° Uniform 27GHz 3D Meas

Small cell mmW system

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-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Pr

(dB

m)

Pe (dBm)

TX 64 Uniform TX 256 Uniform

64 elements : EIRP = 48.96 dBm

256 elements : EIRP = 61.96 dBm

Small cell mmW system

> 1000 W EIRP

Configuration for Tx Test

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Outline

28Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Introduction et motivation

▪ Projet FUI Mass-Start

▪ Antennes pour Small cell

▪ Antennes pour smartphone

▪ Effet corps humain

▪ Conclusion and perspectives

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Motivation : 5G needs

29Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

Many challenges in mmW 5G are not solved

What about the hand blockage effect ?

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Motivation : Body effect

30Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Body dielectric properties versus frequency are not constant and an

important impact of the hand on millimeter Wave terminal can be

expected.

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Measurement test-bed

31Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ 3-axis scanner with a fixed Antenna

Under Test

▪ Main advantage of this setup is the

fixed AUT which allows to hold the

device during the measurement.

▪ Real hand measurement

▪ Phantom hand measurement

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Radiation pattern measurement

32Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Average radiation

pattern of 6 different

hands (different size

and shape from men

and women test

subject)

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Radiation pattern measurement

33Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Average radiation pattern of

6 different hands (different

size and shape from men

and women test subject)

▪ Maximum decrease of about

12 dB of the peak total gain

for a real hand

▪ About 6 dB for the hand

phantom.

@15GHz

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Radiation pattern measurement with hand

34Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Gain Free space measurement for antenna 1

@15GHz

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Antenna Design & Simulation results @26GHz

35

AWMF

AWMF-0135

• 24.25 – 27.5 GHz operation

• Tx/Rx half duplex operation

• 5-bit phase control (LSB=11.25°)

• 5-bit gain control (LSB=1.0 dB)

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Antenna Design & Simulation results

36

Antenna Design Solutions

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Antenna Design & Simulation results

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Impedance Matching

• Band 24.5-27.5 GHz

• Matched all element at 𝑆𝑖𝑖 < -10dB

• Isolation minimum 20dB

Directivity

• 3dB-beamwidth 80𝑜in both

𝐴𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡ℎ & 𝐸𝑙𝑒𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛• Back lope high due to opening for strip

line

• Total efficiency around -1.3dB

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Fabrications

38

Top view

TM

41 2 3

FoamPatch

TM

4 123

Measurement support

Bottom view

With casing

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Measurements

39

NSI setups With finger(s)

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Beamforming Performances

40

10dB

3dB2.5dB

w/o finger

w/ 1 finger

w/ 2 finger

x

z

.y

• Up to 10dB loss for 1-finger case

• Cannot form beam in 2-finger case due

to blockages of antenna 1-2-4

Antenne N°3

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Beamforming Performances

41

w/o finger

w/ 1 finger

w/ 2 finger

x

z

.y

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Beamforming Performances

42

w/o fingerx

z

.y

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Beamforming Performances

43

w/o fingerx

z

.y

w/ 2 finger

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Beamforming Performances

44

w/o fingerx

z

.y

w/ 2 finger

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Coverage efficiency

45𝑪𝒐𝒗𝑬𝒇𝒇 =

𝑪𝒐𝒗𝒆𝒓𝒂𝒈𝒆 𝑺𝒐𝒍𝒊𝒅 𝑨𝒏𝒈𝒍𝒆

𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 𝑺𝒐𝒍𝒊𝒅 𝑨𝒏𝒈𝒍𝒆

• From -10dBi threshold upward, W/o

finger case show higher Coverage

efficiency

o Up to 10% to W/ 1-finger case

o Up to 30% to W/ 2-finger case

w/o fingerx

z

.y

w/ 2 finger

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Motivation : 5G needs

46Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

Exemple of integration

3 arrays with 8 elements

Only one antenna array

selected at once

Cable @26GHz are expensive,

mixer need to be included in the

antenna array

What about the cost ?

Heat issue ?

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Conclusions for UE

47Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ No real challenge in the design of antenna array for mobile

▪ It is again an integration challenge

▪ Position of antenna array on the mobile is the key

▪ You have seen 28GHz, just think about 40GHz !

▪ On a excel spreadsheet, everything is possible

▪ But 5G mmW UE prototype are already providing good performance

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General Conclusion

48Université Côte d’Azur | CNRS | LEAT

▪ Does it make sense ???

▪ Mmw is a stupid choice for UE from a scientific point of view

▪ Is 3.5GHz a fake 5G ? Marketing is pushing the mmW

▪ Who will be the first ? Apple, Samsung or Huawai ?

▪ USA sent people on the moon ! It was not for economic reason

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