A reconfigurable, LTCC-based, ultra-wideband periodic leaky-wave antenna with circular polarization at 60 GHz

Emami, Mahdi (2021). A reconfigurable, LTCC-based, ultra-wideband periodic leaky-wave antenna with circular polarization at 60 GHz. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Over the last decade, demand for higher data rates in the short-range wireless communication applications has rapidly grown. Bit-rates in the order of multi-Gb/s are very appealing these days; especially, utilizing the 7 GHz unlicensed bandwidth around the 60 GHz spectrum which is also known as the Wireless Gigabit Alliance (WiGig). Bringing multi-gigabit performance, near-zero latency and low interference to short-range indoor and outdoor applications, is not possible with traditional Wi-Fi anymore. The potential markets for the WiGig applications are VR/AR (Virtual Reality and Augmented Reality), smartphone-to-HDTV streaming, mobile cloud sync, super-fast public hot spots and 5G fixed wireless broadband.

Antenna in Package (AiP) as a low-cost, low-profile and high performance antenna platform, has been proved to be a suitable solution for the mm-Wave communications. However, due to high attenuation level at this frequency range, an efficient, ultra-wideband antenna system with high radiation gain that supports circular polarization seems inevitable to overcome the limited connection range. Moreover, a narrow beam antenna must be equipped with 2-D beam steering capability to cover the maximum area of the room. Unfortunately, the existing antenna systems that are developed for 60 GHz band will not offer all these features at once in a single package. Other solutions have been developed, however, such designs include active devices such as motorized platform and active phase shifters that make the total system bulky and expensive.

In this research project, we introduce an efficient periodic leaky-wave antenna (PLWA) with a high directive, reconfigurable radiation pattern in two directions. This antenna has a very simple and small-footprint structure, designed for the LTCC technology, which makes it easy to fabricate for the mm-Wave AiP applications and allows the budget-efficient repeatability of the mass production for a commercially suitable product. Moreover, it supports the circular polarization. Here, we will present an empirical model for the proposed antenna, the design and optimization process, the fabrication’s challenges on the LTCC substrate and the considerations for the measurements. We propose a phased-array of PLWAs structure fed by a Rotman lens with the beam scanning angle of −43° to +34° on the Y-Z plane and −31° to +28° on the X-Z plane for the frequency range of 50 GHz to 70 GHz. The complete structure fabricated on the Dupont 9K7 LTCC substrate includes only passive microstrip components and has a footprint of 15mm×38mm. The matching bandwidth of a single optimized PLWA is 29 GHz from 43 GHz to 72 GHz (fractional impedance bandwidth of 48.3%) and its average efficiency and peak realized gain over this frequency range are 87.42% and 11.25 dBi respectively. Also, the values of Axial Ratio and SLL are kept under 3 dB and -10 dB respectively.

Titre traduit

Une antenne périodique à ondes de fuite, ultra-large bande, reconfigurable, à polarisation circulaire à 60 GHz, fabriquée en LTCC

Résumé traduit

Au cours de la dernière décennie, la demande pour des débits de données plus élevés dans les applications de communication sans fil à courte portée a rapidement augmenté. C’est ainsi que les débits binaires de l’ordre de plusieurs Gb/s sont très attrayants, en particulier lors de l’utilisation de la bande sans licence de 7 GHz autour du spectre de 60 GHz, qui est connue sous le nom de « Wireless Gigabit Alliance » (WiGig Alliance). Le Wi-Fi traditionnel ne permet plus d’offrir des performances multi-gigabit, une latence quasi nulle et de faibles interférences aux applications intérieures et extérieures à courte portée. Les marchés potentiels pour les applications WiGig sont la VR/RA (réalité virtuelle et réalité augmentée), le streaming de téléphone intelligent vers un télévision à haute définition HD, la synchronisation mobile à l’aide du cloud, les points d’accès publics ultrarapides et le haut débit fixe sans fil 5G.

Les antennes en boîtier (AiP), en tant que plateforme d’antenne à faible coût, compactes et à haute performance, sont une solution appropriée pour les communications en ondes millimétriques. Cependant, en raison du niveau élevé d’atténuation dans cette gamme de fréquences, un système d’antenne à bande ultra-large efficace, avec un gain de rayonnement élevé et prenant en charge la polarisation circulaire, est nécessaire afin de surmonter la portée de connexion limitée. De plus, une antenne à faisceau étroit doit être équipée d’une capacité d’orientation du faisceau en deux dimensions pour couvrir la zone maximale de la pièce. Malheureusement, les systèmes d’antennes existants qui sont développés pour la bande 60GHz n’offrent pas toutes ces caractéristiques à la fois dans un seul boîtier. D’autres solutions ont été développées, toutefois ces conceptions incluent des dispositifs actifs tels qu’une plate-forme motorisée et des déphaseurs actifs qui rendent le système total encombrant et coûteux.

Dans ce projet de recherche, nous introduisons une antenne périodique à ondes de fuite (PLWA) efficace avec un diagramme de rayonnement hautement directif et reconfigurable dans deux directions (orientation du faisceau 2-D). Cette antenne a une structure très simple et occupe un espace très petit, elle est conçue pour la technologie LTCC, ce qui la rend facile à fabriquer pour les applications AiP pour les ondes millimétriques et permet une production de masse à moindre coût pour un produit commercialement. De plus, il supporte une polarisation circulaire. Nous présentons ici un modèle empirique pour l’antenne proposée, le processus de conception et d’optimisation, les défis de la fabrication sur le substrat LTCC et les considérations pour les mesures. Nous proposons un réseau phasé de structures PLWA alimenté par une lentille de Rotman avec un angle de balayage du faisceau de −43° à +34° sur le plan Y-Z et de −31° à +28° sur le plan X-Z dans la gamme de fréquences de 50GHz à 70GHz. La structure complète fabriquée sur le substrat Dupont 9K7 LTCC ne comprend que des composants microbandes passifs et a une empreinte de 15mm×38mm. La largeur de bande d’adaptation d’un seul PLWA optimisé est de 29GHz de 43GHz à 72GHz (largeur de bande d’impédance fractionnelle de 48.3%) et son efficacité moyenne et son gain maximal réalisé sur cette gamme de fréquences sont respectivement de 87.42% et 11.25 dBi. De plus, les valeurs du rapport axial et du SLL sont maintenues en dessous de 3 dB et -10 dB respectivement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie superieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 157-165).
Mots-clés libres:	antenne reconfigurable, antenne microruban sur substrat LTCC, antennes périodique à ondes de fuite, antenne dans en boîtier, communication à ondes millimétriques à ultra-large bande, polarisation circulaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Deslandes, Dominic
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	10 janv. 2022 18:02
Dernière modification:	10 janv. 2022 18:02
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2815

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