Design and Analysis of a High-Gain and Wide-Band Phased-Array Antenna for V-Band
Loading...
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
2023-05-15
Department
Major/Subject
Microwave Engineering
Mcode
ELEC3051
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
96
Series
Abstract
The need for using higher frequency bands to increase data speeds and reduce latencies for various applications has increased dramatically during the last years. Partly due to the recent COVID-19 pandemic, people have had to rely more on remote work, remote communications, and remote teaching activities for example. As a result, the greater emphasis on upgrading existing wireless networks has increased energy consumption. The target of this thesis is to design a phased-array antenna with a high gain, while keeping the number of elements low and the beamforming performance sufficient. By increasing the gain of the antenna array while keeping the number of elements small, the desired effective isotropic power is reached with less need for signal amplification, leading to lower power consumption. To reach the desired target, a theoretical analysis of key antenna-related topics is performed, including the alleviation methods for grating lobes, which are usually unwanted phenomena in wireless networks due to their interference-causing and energy-wasting effects. After the theoretical analysis, the reader is taken through a literature review, in which relevant antennas are reviewed and discussed. The literature review is then followed by the design process of a 4-by-4 phased-array antenna that has a high gain, wide bandwidth, dual-polarization, and a sufficient beam-steering range by using the simulation tool CST Microwave Studio. In order to keep the gain high, the large antenna element requires a fairly large inter-element distance, resulting in the grating lobes, which are mitigated with the bed of nails wire medium. The antenna is designed to operate within the frequency band originally defined by the Wireless Gigabit Alliance, namely the 60 GHz-band that lies within the V-band. After the design process, the antenna performance metrics are studied. The antenna array exhibits 10-dB matching and 20-dB isolation for the whole band (57 GHz - 71 GHz) and a maximum realized gain of 21.2 dBi towards the broadside. Finally, the summary and future prospects are discussed at the end of this thesis.Korkeampien taajuuskaistojen käyttöönotto nopeampien datayhteyksien saavuttamiseksi on kasvanut huomattavasti. Osittain viimeaikaisen COVID-19-pandemian johdosta ihmiset ovat turvautuneet esimerkiksi etätöihin ja -opintoihin. Tämä on lisännyt tarvetta nykyisten langattomien verkkojen kaistan kasvattamiseen sekä datanopeuksien nostamiseen, johtaen kasvaneeseen energiankulutukseen. Uusien langattomien teknologioiden aiheuttama kasvanut energiankulutus johtuu osin myös tilanjakokanavoinnin menetelmistä kuten antennikeilan synteesitekniikoista, joissa antenniryhmän säteilevät elementit vaativat energiaa kuluttavia radioteknisiä komponentteja, kuten vahvistimia sekä vaiheensiirtimiä. Tämän diplomityön tavoitteena on suunnitella vaiheistettu antenniryhmä, joka korkean antennivahvistuksen, laajan kaistan, riittävän keilankääntöalueen sekä kaksoispolarisaation avulla saavuttaa erinomaisen linkkibudjetin kaksiulotteisessa 45 asteen keilankääntöalueessa sekä minimoi tehonkulutuksen pitämällä säteilevien elementtien määrän maltillisena ja minimoi ei-toivottuja jaksollisia sivumaksimeja. Tämän diplomityön tavoitteiden saavuttamiseksi käsitellään ensin aiheeseen liittyvä teoreettinen tausta, jossa muun muassa käsitellään ryhmäkertoimen jaksollisuudesta johtuvia ei-toivottuja sivumaksimeja. Teoreettisen taustan jälkeen esitetään kirjallisuuskatsaus, jossa käsitellään ja arvioidaan asiaankuuluvia antenniratkaisuja. Näitä seuraa vaiheistetun antenniryhmän suunnittelu ja analyysi teoriataustaan sekä kirjallisuuskatsaukseen pohjautuen. Suunniteltu 4 x 4-elementtinen tasomainen kaksoispolarisoitu antenniryhmä toimii WiGig 60 GHz taajuuskaistalla, mikä on Wi-Fi liittouman sertifioima taajuuskaista 57 GHz-71 GHz ja pohjautuu IEEE 802.11ad sekä IEEE 802.11ay standardeihin. Suunnitellussa antenniryhmässä ei-toivottuja sivumaksimeja minimoidaan “bed of nails” -rakenteella. Suunniteltu antenniryhmä saavuttaa 10 dB:n sovituksen sekä 20\,dB:n isolaation koko toimintakaistalla, 21.2 dBi:n maksimivahvistuksen sekä +/-45 asteen kaksiulotteisen keilankääntöalueen. Vaiheistetun antenniryhmän suunnittelussa käytettiin CST Studio Suite-ohjelmistoa sekä tulosten analysointiin MATLAB-ohjelmistoa. Tämän työn lopuksi esitetään yhteenveto sekä käsitellään työhön liittyviä jatkotoimenpiteitä.Description
Supervisor
Viikari, VilleThesis advisor
Ala-Laurinaho, JuhaKeywords
high gain, phased-array antenna, grating lobe, metamaterial, beamforming, energy-efficient antenna