Towards Smart Cities: Antenna-Embedded Walls and Antenna-User Interaction Modeling for Enhanced Urban Connectivity

Lauri Vähä-Savo

Towards Smart Cities: Antenna-Embedded Walls and Antenna-User Interaction Modeling for Enhanced Urban Connectivity

Julkaisun otsikon käännös: Kohti älykaupunkeja: Antenneja sisältävät seinät ja antennin sekä käyttäjän vuorovaikutuksen mallinnus kaupunkien paremman yhteydenpidon edistämiseksi

Lauri Vähä-Savo

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

Nopean mobiiliverkkojen kehityksen ja 5G-verkon käyttöönoton myötä on nuossut tarve innovatiivisille ratkaisuille, jotka mahdollistavat kasvavan käyttäjämäärän ja korkeammat datanopeudet. Yksi mahdollistaja on korkeampien taajuuskaistojen käyttö. Kuitenkin, kun käytettävä taajuus kasvaa, viestintäverkot kohtaavat korkeamman herkkyyden esteille, mikä haittaa radiotaajuisen signaalin leviämistä ja verkon luotettavuutta. Tämä väitöskirja syventyy uusiin sähkömagneettisiin mallinnustekniikoihin antenniuintegroitujen rakennusseinien ja antenni-käyttäjä vuorovaikutuksen osalta paraantaakseen tulevaisuuden matkaviestinjärjestelmiä. Väitöskirjan ensimmäinen osa käsittelee signaalia läpäisevien seinien käsitettä, joissa kaksi tasoantennia on kytketty takakautta yhteen koaksiaalikaapelin avulla, joka on upotettu kantavaan seinään ohjaamaan signaaleja ulkoa rakennukseen. Seiniä tutkitaan, sekä antennijärjestelmällä että ilman niitä, sähkömagneettisen läpäisykyvyn, lämmöneristyksen ja mekaanisen stressijakauman suhteen. Signaalin läpäisevän seinän sähkömagneettista läpäisykerrointa tutkitaan käyttäen numeerisia simulaatioita 8 GHz:n asti. Numeraaliset tutkimukset osoittavat, että signaalin läpäisevä seinä voi merkittävästi parantaa kantavan seinän läpäisykerrointa yli 2,6 GHz taajuuksilla. Numeeriset simulaatiomallit vahvistetaan myöhemmin mittauksilla. Seinän analyyttisen läpäisykerrointa mallin avulla signaalin läpäisevä seinä voidaan optimoida millimetriaalto-taajuuksille, minkä seurauksena signaalin läpäisevä seinä parantaa kantavan seinän läpäisykerrointa yli 70 dB:llä 30 GHz:n taajuudella. Toisessa osassa väitöskirja syventyy antennin ja käyttäjän vuorovaikutuksen mallintamiseen millimetriaalloilla toimivissa matkapuhelimissa. Kokeellinen arviointi antennien säteilystä mobiilikäyttäjän kanssa millimetriaaltojen taajuuksilla ovat toistaiseksi perustuneet pääasiassa eläviin koehenkilöihin, mikä heikentää toistettavuutta. Toistettavuuden varmistamiseksi millimetriaalto antennimittauksissa mobiilikäyttäjän kanssa esitetään, ensimmäistä kertaa, fyysinen ihmismallinukke, joka toimii millimetriaaltoilla. Fyysinen ihmismallinuken toimivuus varmistetaan vertaamalla mitattua pallomaista kattavuutta simulaatioihin tarkalla numeerisella ihmismallin kanssa. Tämän jälkeen vertaillaan kolmea erilaista matkapuhelin antenniryhmä konfiguraatiota, jotka toimivat 28 GHz:n taajuudella, kehitettyjen ihmismallinukkejen avulla. Viimeiseksi sovelletaan ensimmäistä kertaa fotogrammetriaa antenni-käsi vuorovaikutus-tutkimuksessa, jonka avulla luodaan numeerisia kolmiulotteisia käsimalleja yksittäisistä matkapuhelinkäyttäjistä. Käsimallien avulla tutkitaan useiden käyttäjien luonnollisten otteiden vaikutusta 28 GHz:n matkapuhelimen antennien säteilyominaisuuksiin, mikä osoittaa suuren vaihtelun vahvistus ja säteilythyötysuhde eron eri käyttäjien välillä.

Julkaisun otsikon käännös	Kohti älykaupunkeja: Antenneja sisältävät seinät ja antennin sekä käyttäjän vuorovaikutuksen mallinnus kaupunkien paremman yhteydenpidon edistämiseksi
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Haneda, Katsuyuki, Vastuuprofessori Icheln, Clemens, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-64-2054-7
Sähköinen ISBN	978-952-64-2055-4
Tila	Julkaistu - 2024
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

antenni-integroidut seinät
monifysikaalinen analyysi
antennin ja käyttäjän vuorovaikutus
millimetriaallot

YK:n kestävän kehityksen tavoitteet

Tämä tuotos edistää seuraavia kestävän kehityksen tavoitteita:

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2055-4

Aalto Electronics-ICT
Ryynänen, J. (Manager)
Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Laitteistot/tilat: Facility
Science-IT
Hakala, M. (Manager)
Perustieteiden korkeakoulu
Laitteistot/tilat: Facility

Siteeraa tätä

@phdthesis{f3e882e1116e4964b3ac2dd75a6c66d8,

title = "Towards Smart Cities: Antenna-Embedded Walls and Antenna-User Interaction Modeling for Enhanced Urban Connectivity",

abstract = "With the rapid evolution of mobile networks and the ongoing deployment of 5G, there is a pressing need for innovative solutions to accommodate the growing number of users and higher data rates facilitated by higher carrier frequency bands. However, as the carrier frequency increases, communication networks face heightened sensitivity to blockages, impeding signal propagation and reducing reliability. This thesis investigates novel electromagnetic modeling techniques of antenna-embedded building walls and antenna-human interaction to enhance 5G and future mobile communication systems, providing tools to develop and test improvements that mitigate their adverse effects on communication quality. The first part of this thesis explores the concept of signal-transmissive walls, where two planar antenna elements are connected back-to-back by a coaxial cable embedded into a load-bearing wall to guide signals from outside into a building. A load-bearing wall, with and without the embedded antenna system, is studied in terms of electromagnetic transmission, thermal insulation, and mechanical stress distribution. Numerical simulations of electromagnetic transmission coefficient, up to 8 GHz, demonstrate that the signal-transmissive wall significantly improves transmission coefficients for carrier frequencies above 2.6 GHz. The full-wave simulation models are later validated by measurements. An analytical electromagnetic transmission model of the wall is developed to optimize signal transmission up to millimeter-wave (mmWave) frequencies, achieving a more than 70 dB improvement over a bare load-bearing wall at 30 GHz. The second part of the thesis focuses on the modeling of antenna-user interactions for mmWave mobile phones. Empirical studies of antenna radiation with a mobile user at mmWave frequencies have largely relied on real humans, lacking repeatability. To address this, a physical human body phantom for mmWave frequencies is presented for the first time, validated by comparing measured spherical coverage of a reference antenna array on a mobile phone-sized chassis against simulations with an accurate numerical human body model. Three different mobile antenna arrays operating at 28 GHz are evaluated using the developed full-body human phantoms to study various antenna array configurations. Finally, photogrammetry is applied to antenna-hand interaction studies for the first time, using 3D hand models of individual users to assess the effects of hand palms and natural grips on the radiation characteristics of 28 GHz mobile phone antennas. The results reveal significant variations in realized gains and radiation efficiency across different user hand models.",

keywords = "antenna-embedded walls, multi-physical analysis, antenna-user interaction, millimeter-waves, antenni-integroidut sein{\"a}t, monifysikaalinen analyysi, antennin ja k{\"a}ytt{\"a}j{\"a}n vuorovaikutus, millimetriaallot, antenna-embedded walls, multi-physical analysis, antenna-user interaction, millimeter-waves",

author = "Lauri V{\"a}h{\"a}-Savo",

year = "2024",

language = "English",

isbn = "978-952-64-2054-7",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL THESES",

publisher = "Aalto University",

number = "208",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Towards Smart Cities: Antenna-Embedded Walls and Antenna-User Interaction Modeling for Enhanced Urban Connectivity

AU - Vähä-Savo, Lauri

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - With the rapid evolution of mobile networks and the ongoing deployment of 5G, there is a pressing need for innovative solutions to accommodate the growing number of users and higher data rates facilitated by higher carrier frequency bands. However, as the carrier frequency increases, communication networks face heightened sensitivity to blockages, impeding signal propagation and reducing reliability. This thesis investigates novel electromagnetic modeling techniques of antenna-embedded building walls and antenna-human interaction to enhance 5G and future mobile communication systems, providing tools to develop and test improvements that mitigate their adverse effects on communication quality. The first part of this thesis explores the concept of signal-transmissive walls, where two planar antenna elements are connected back-to-back by a coaxial cable embedded into a load-bearing wall to guide signals from outside into a building. A load-bearing wall, with and without the embedded antenna system, is studied in terms of electromagnetic transmission, thermal insulation, and mechanical stress distribution. Numerical simulations of electromagnetic transmission coefficient, up to 8 GHz, demonstrate that the signal-transmissive wall significantly improves transmission coefficients for carrier frequencies above 2.6 GHz. The full-wave simulation models are later validated by measurements. An analytical electromagnetic transmission model of the wall is developed to optimize signal transmission up to millimeter-wave (mmWave) frequencies, achieving a more than 70 dB improvement over a bare load-bearing wall at 30 GHz. The second part of the thesis focuses on the modeling of antenna-user interactions for mmWave mobile phones. Empirical studies of antenna radiation with a mobile user at mmWave frequencies have largely relied on real humans, lacking repeatability. To address this, a physical human body phantom for mmWave frequencies is presented for the first time, validated by comparing measured spherical coverage of a reference antenna array on a mobile phone-sized chassis against simulations with an accurate numerical human body model. Three different mobile antenna arrays operating at 28 GHz are evaluated using the developed full-body human phantoms to study various antenna array configurations. Finally, photogrammetry is applied to antenna-hand interaction studies for the first time, using 3D hand models of individual users to assess the effects of hand palms and natural grips on the radiation characteristics of 28 GHz mobile phone antennas. The results reveal significant variations in realized gains and radiation efficiency across different user hand models.

AB - With the rapid evolution of mobile networks and the ongoing deployment of 5G, there is a pressing need for innovative solutions to accommodate the growing number of users and higher data rates facilitated by higher carrier frequency bands. However, as the carrier frequency increases, communication networks face heightened sensitivity to blockages, impeding signal propagation and reducing reliability. This thesis investigates novel electromagnetic modeling techniques of antenna-embedded building walls and antenna-human interaction to enhance 5G and future mobile communication systems, providing tools to develop and test improvements that mitigate their adverse effects on communication quality. The first part of this thesis explores the concept of signal-transmissive walls, where two planar antenna elements are connected back-to-back by a coaxial cable embedded into a load-bearing wall to guide signals from outside into a building. A load-bearing wall, with and without the embedded antenna system, is studied in terms of electromagnetic transmission, thermal insulation, and mechanical stress distribution. Numerical simulations of electromagnetic transmission coefficient, up to 8 GHz, demonstrate that the signal-transmissive wall significantly improves transmission coefficients for carrier frequencies above 2.6 GHz. The full-wave simulation models are later validated by measurements. An analytical electromagnetic transmission model of the wall is developed to optimize signal transmission up to millimeter-wave (mmWave) frequencies, achieving a more than 70 dB improvement over a bare load-bearing wall at 30 GHz. The second part of the thesis focuses on the modeling of antenna-user interactions for mmWave mobile phones. Empirical studies of antenna radiation with a mobile user at mmWave frequencies have largely relied on real humans, lacking repeatability. To address this, a physical human body phantom for mmWave frequencies is presented for the first time, validated by comparing measured spherical coverage of a reference antenna array on a mobile phone-sized chassis against simulations with an accurate numerical human body model. Three different mobile antenna arrays operating at 28 GHz are evaluated using the developed full-body human phantoms to study various antenna array configurations. Finally, photogrammetry is applied to antenna-hand interaction studies for the first time, using 3D hand models of individual users to assess the effects of hand palms and natural grips on the radiation characteristics of 28 GHz mobile phone antennas. The results reveal significant variations in realized gains and radiation efficiency across different user hand models.

KW - antenna-embedded walls

KW - multi-physical analysis

KW - antenna-user interaction

KW - millimeter-waves

KW - antenni-integroidut seinät

KW - monifysikaalinen analyysi

KW - antennin ja käyttäjän vuorovaikutus

KW - millimetriaallot

KW - antenna-embedded walls

KW - multi-physical analysis

KW - antenna-user interaction

KW - millimeter-waves

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-64-2054-7

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL THESES

PB - Aalto University

ER -

Towards Smart Cities: Antenna-Embedded Walls and Antenna-User Interaction Modeling for Enhanced Urban Connectivity

Abstrakti

Tutkimusalat

YK:n kestävän kehityksen tavoitteet

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Laitteet

Aalto Electronics-ICT

Science-IT

Siteeraa tätä