Surface-mountable dual-polarized antenna arrays for 100 GHz

Thumbnail Image

Files

master_Bergman_Jan_2022.pdf (4.54 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2022-03-21

Department

Major/Subject

Microwave Engineering

Mcode

ELEC3051

Degree programme

Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)

Language

en

Pages

86

Series

Abstract

Driven by the advancements in wireless communications, higher frequency bands are being utilized with the current focus on frequencies exceeding 100 GHz. Although this translation to higher frequencies enables higher data rates and lower latencies, it also presents challenges related to both the performance and the development of the components in a wireless system. Specifically, multiple aspects need to be addressed when designing the antennas for the system. The aim of this thesis is to develop a highly efficient surface-mountable dual-polarized antenna array. An antenna array is studied in order to mitigate the performance challenges at these high frequencies. The dual-polarized characteristic and the high efficiency ensure that most of the performance potential is utilized, while a surface-mountable array helps to alleviate the challenges related to interfacing with electronics and manufacturing the antenna. To achieve the goal of this thesis, a thorough literature review of different possibilities for the antenna and its feed is conducted. Based on the findings of the review, an antenna array of aperture-coupled tapered slot antennas is designed through electromagnetic simulations. The antenna structure consists of microstrip feed line coupled through an H-shaped slot to a fully metallic tapered slot antenna element. The antenna structure is studied in smaller sections to understand their limitations and to achieve a modular antenna system, where individual sections can be altered. This includes changing the aperture slot shape or the antenna taper profile in order to achieve desired characteristics. Ultimately, a separate array is presented for both single-polarized and dual-polarized operation, and their performance is studied through simulations. The single-polarized array exhibits an active element pattern with a half-power beamwidth wider than 110 degrees between frequencies of 90 and 105 GHz and a total efficiency better than 85 percent between 86 and 105 GHz. Similarly, the dual-polarized array achieves a half-power beamwidth wider than 64 degrees at frequencies between 90 and 115 GHz, and an efficiency mostly better than 80 percent between frequencies of 95 and 110 GHz.

Langattoman viestinnän kehittyessä entistä korkeampia taajuuskaistoja otetaan käyttöön, ja tällä hetkellä panostetaan paljon tutkimukseen 100 GHz:n ylittävillä taajuuksilla. Vaikka tämä siirtymä korkeammille taajuuksille mahdollistaa korkeamman tiedonsiirtokapasiteetin sekä matalamman viiveen, tuo se mukanaan myös haasteita langattoman järjestelmän komponenttien suorituskykyyn ja kehittämiseen liittyen, mitkä tulee erityisesti antennisuunnittelussa huomioida. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella korkean hyötysuhteen pintaliitettävä ja kaksoispolarisoitu antenniryhmä. Yksittäisen antennin sijaan työssä suunnitellaan antenniryhmä, koska se mahdollistaa suorituskykyyn liittyvien haasteiden lieventämisen, kun taas korkeilla taajuuksilla saatavilla olevat matalat tehotasot edellyttävät antenniryhmältä hyvää hyötysuhdetta. Antenniryhmän kaksoispolarisaatio mahdollistaa tiedonsiirtokapasiteetin kasvattamisen ja näin parantaa antenniryhmän suorituskykyä. Pintaliitettävyydellä puolestaan helpotetaan antenniryhmän valmistamista sekä kytkemistä muihin järjestelmän komponentteihin. Työn tavoitteen saavuttamiseksi selvitetään erilaisia mahdollisuuksia antennille ja sen syötölle jo julkaistuista antennirakenteista. Tämän kirjallisuuskatsauksen pohjalta valitaan tarkemman tutkimuksen kohteeksi aukkokytketty suipennettu rakoantenni, josta koostuva antenniryhmä suunnitellaan sähkömagneettisten simulaatioiden avulla. Antenniin perehdytään useammassa pienemmässä osassa, jotta näiden vaikutus kokonaisuuteen ymmärretään. Lopputuloksena saadaan aikaan antennirakenne, jonka eri osia voidaan muokata halutun toiminnan aikaansaamiseksi. Työssä esitellään kaksi tähän rakenteeseen perustuvaa antenniryhmää, joista toinen tukee vain yhtä polarisaatiota mutta toinen kaksoispolarisaatiota. Simulaatioiden perusteella yhden polarisaation antenniryhmän aktiivisen suuntakuvion puolen tehon keilanleveys on yli 110 astetta taajuuksien 90 GHz ja 105 GHz välillä ja antenniryhmä saavuttaa yli 85 % kokonaishyötysuhteen taajuuksilla 86–105 GHz. Vastaavasti kaksoispolarisoitu antenniryhmä saavuttaa yli 64 asteen keilanleveyden taajuuksilla 90–115 GHz ja pääsääntöisesti yli 80 % hyötysuhteen taajuuksilla 95–110GHz.

Description

Supervisor

Viikari, Ville

Thesis advisor

Ala-Laurinaho, Juha

Keywords

dual-polarized, surface-mountable, high-efficiency, aperture-coupled, tapered slot antenna, array

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202203272551

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC