Design of millimetre-wave antennas on LTCC and PCB technologies for beam-steering applications

Abstract

An increasing need for wider bandwidths and higher data rates makes the use of millimetre-wave frequencies (30–300 GHz) attractive for the wireless communications applications. At millimetre-wave frequencies, directive antennas with a moderate or high antenna gain are usually needed to compensate for a high free-space path loss. Directive antennas have a narrow radiation beam and therefore beam steering is required to cover a wide angular range. Other requirements for the millimetre-wave antennas are, for example, a small form factor and integrability with the radio frequency (RF) front ends. The objective of this thesis is to develop practical millimetre-wave antenna solutions for 60–110 GHz frequencies using low-cost manufacturing technologies, such as low temperature co-fired ceramic (LTCC) and printed circuit board (PCB). Investigations are done to improve the antenna performance, such as to increase the antenna gain and the operational bandwidth, and to suppress the mutual coupling between antennas. In addition to fixed-beam antennas radiating broadside or end-fire radiation beams, three beam-steering antenna demonstrators are also developed. The performance of 60 GHz patch antennas and arrays on LTCC is improved by processing air cavities inside substrate to increase antenna gain and operational bandwidth. A 60 GHz uniplanar-compact electromagnetic band-gap (UC-EBG) structure is implemented on LTCC to increase the antenna gain and reduce the mutual coupling between antennas. A dual-resonant patch antenna and a 16-element array are designed for wideband performance at W-band (75–110 GHz). To reduce the feed network losses, a 60 GHz chain antenna array with a substrate-integrated (SIW) feed network is designed on LTCC. A surface-wave assisted 60 GHz dipole and an array are designed on LTCC for end-fire radiation. A high-gain beam-switching dipole is presented for 77 GHz. A 90 GHz phased-array transmitter on LTCC is developed for providing beam steering over ±25 deg. A beam-switching dual-spherical lens antenna system is presented for the E-band (71–76 GHz). The lens has a beam-switching array with 16 Vivaldi antennas on a multilayer PCB as a feed. Beam steering between ±40 deg. is demonstrated in one dimension.

Kaistanleveyden ja datanopeuksien kasvava tarve lisää kiinnostusta millimetriaaltotaajuuksien (30–300 GHz) hyödyntämiseen langattomissa tiedonsiirtosovelluksissa. Millimetriaaltotaajuuksilla tarvitaan yleensä suuntaavia antenneja, joilla on keskisuuri tai suuri antennivahvistus, kompensoimaan voimakasta vapaan tilan vaimennusta. Suuntaavilla antenneilla on kapea säteilykeila ja täten keilanohjausta tarvitaan laajan kulma-alueen kattamiseksi. Muita vaatimuksia millimetriaaltoantenneille ovat mm. pieni koko ja integroitavuus radiotaajuusetupäiden kanssa. Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää käytännöllisiä millimetriaaltoantenniratkaisuja 60–110 GHz taajuuksille käyttäen kustannustehokkaita valmistusmenetelmiä, kuten monikerroskeraami- (LTCC) ja piirilevytekniikkaa (PCB). Työssä tutkitaan menetelmiä antennin suorituskyvyn parantamiseen, kuten antennivahvistuksen ja kaistanleveyden kasvattamiseen, sekä antennien välisen keskinäiskytkennän pienentämiseen. Kiinteäkeilaisten rintama- ja päätysäteilijäantennien lisäksi työssä kehitetään kolme keilaohjattavaa antenniprototyyppiä. 60 GHz taajuudella toimivien LTCC-mikroliuska-antennien ja antenniryhmien suorituskykyä parannetaan prosessoimalla ilmaonteloita antennialustan sisään antennivahvistuksen ja kaistanleveyden kasvattamiseksi. Myös impedanssipintarakennetta (UC-EBG) käytetään 60 GHz:n LTCC-antennien ja antenniryhmien antennivahvistuksen kasvattamiseen sekä keskinäiskytkennän pienentämiseen. Kaksoisresonanssi -tyyppinen antenni ja 16-elementtinen ryhmä suunnitellaan toimimaan laajalla taajuuskaistalla W-alueella (75–110 GHz). Antenniryhmän syöttöverkon häviöiden pienentämiseksi suunnitellaan 60 GHz:n ketjuantenniryhmä, jossa syöttöverkko toteutetaan LTCC-alustaan integroitujen aaltoputkien (SIW) avulla. Päätysäteilijäksi suunnitellaan pinta-aaltoavusteinen 60 GHz:n dipoli ja -ryhmä LTCC:lle. Korkeavahvistuksinen keilakytkettävä dipoli esitetään 77 GHz taajuudelle. 90 GHz:n vaiheohjattu lähetinantenniryhmä toteutetaan LTCC:llä. Ryhmän säteilykeilaa voidaan ohjata ±25 deg. kulma-alueella. Keilakytkettävä kaksoispuolipallo -linssiantenni esitetään E-alueelle (71–76 GHz). Linssiä syötetään 16:lla Vivaldi-antennilla, jotka on valmistettu monikerrospiirilevylle. Säteilykeila voidaan kytkeä 16 eri suuntaan ±40 deg. kulma-alueella yhdessä tasossa.