Integrating phase shifters in a waveguide-fed antenna array

Abstract

In this master’s thesis, phase shifter integration for the future 5G base station antennas is studied using electromagnetic simulations and measurements. The integration is done for two antenna prototypes, which operate at 71–86 GHz band (E-band) and 26–30 GHz band (cm-band), respectively.

The base station antenna is a waveguide-fed phased array and the phase shifters are integrated on a PCB, which is installed between the feeding network and a horn antenna array. Two waveguide-to-microstrip transitions are designed and simulated for both frequency bands. The average insertion losses of the transitions are 0.7 dB at E-band, and 0.35 dB at cm-band, confirming suitability for the antenna prototypes. A sensitivity analysis of the main transition parameters suggests that manufacturing precision should be ±30 µm at E-band and ±50 µm at cm-band, respectively.

Fixed microstrip line-based true time delay phase shifters are designed for E-band. Their performance is validated by simulations and measurements. The results show that the phase shifters have full 360°phase shift range for the beam-steering demonstration of the prototype antenna.

TGP2100 phase shifters from TriQuint are used for cm-band. A test structure is fabricated and measured to characterize the phase shifter but it is damaged during the phase shifter installation. Other test structures are designed and measured to evaluate losses due to wire bonding of the phase shifter to the PCB. The measurement results show the insertion loss from the wire bonding is around 4 dB. Also, a phase shifter test structure made by Nokia Bell Labs is simulated and measured. The results show that the used phase shifter simulation model does not predict the phase shifter performance correctly when the RF-grounding is defected e.g. due to unsuitable glue or solder. The simulations indicate that the main source of antenna prototype transmission losses are the phase shifters. Still, the phase shifters are suitable for the beam-steering demonstration. Future work includes fabricating the final antenna prototype for the cm-band and its measurements.

Tässä diplomityössä on tutkittu vaiheensiirtimien integrointia tulevaisuuden 5G tukiasema-antenneihin käyttäen apuna sähkömagneettisia simulaatioita ja mittauksia. Integrointi on toteutettu kahdelle antenniprototyypille, jotka toimivat 71–86 GHz (E-kaista) ja 26–30 GHz (cm-kaista) taajuuksilla.

Tukiasema-antenni on aaltoputkilla syötetty, vaiheohjattu antenniryhmä ja vaiheensiirtimet integroidaan piirilevylle, joka asennetaan syöttöverkon ja torviantenniryhmän väliin. Kaksi aaltoputki-mikroliuska-siirtymää on suunniteltu ja simuloitu molemmille taajuuskaistoille. Simulaatiotulokset osoittavat, että siirtymillä on pienet keskimääräiset väliinkytkemisvaimennukset: 0,7 dB E-kaistalla ja 0,35 dB cm-kaistalla, joten ne sopivat käytettäväksi antenniprototyypeissä. Siirtymän tärkeimmistä mitoista tehty herkkyysanalyysi osoittaa että ±30 µm valmistustarkkuus on riittävä E-kaistalle ja ±50 µm valmistustarkkuus cm-kaistalle.

Kiinteät mikroliuskapohjaiset vaiheensiirtimet on suunniteltu E-kaistalle. Niiden toiminnallisuus on varmistettu simuloinneilla ja mittauksilla. Tulokset osoittavat, että vaiheensiirtimillä voidaan toteuttaa 360°:een vaiheensiirto ja ne sopivat käytettäväksi prototyyppiantennin vaiheistamiseen.

TriQuintin valmistamia TGP2100-vaiheensiirtimiä käytetään cm-kaistalla. Testirakenne valmistettiin vaiheensiirtimen karakterisointia varten, mutta testialustalle asennetun vaiheensiirtimen havaittiin olevan vahingoittunut. Muita testirakenteita on suunniteltu ja mitattu vaiheensiirtimen lankabondauksesta johtuvien häviöiden selvittämiseksi: lankabondauksesta aiheutuu noin 4 dB:n häviöt. Lisäksi Nokia Bell Labsin valmistama testirakenne on simuloitu ja mitattu. Tuloksista nähdään, että vaiheensiirtimen simulaatiomalli ei toimi oletetulla tavalla, jos vaiheensiirtimen RF-maadoitus on viallinen. Tämä voi johtua esimerkiksi sopimattomasta liimasta tai juotteesta. Simulaatiot osoittavat, että vaiheensiirtimet ovat antenniprototyyppien pääasiallinen siirtohäviölähde, mutta ne sopivat antennin vaiheistamisen esittelyyn. Tutkimusta aiotaan jatkaa valmistamalla antenniprototyyppi cm-kaistalle ja mittaamalla sen toiminta.