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

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorRäisänen, Antti, Emer. Prof., Aalto University, Finland
dc.contributor.advisorSäily, Jussi, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
dc.contributor.authorLamminen, Antti
dc.contributor.departmentElektroniikan ja nanotekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Electronics and Nanoengineeringen
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorTaylor, Zachary, Asst. Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
dc.date.accessioned2019-11-06T10:01:49Z
dc.date.available2019-11-06T10:01:49Z
dc.date.defence2019-11-15
dc.date.issued2019
dc.description.abstractAn 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.en
dc.description.abstractKaistanleveyden 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.fi
dc.format.extent80 + app. 74
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-8779-5 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-8778-8 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/41010
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-8779-5
dc.language.isoenen
dc.opnMosig, Juan R., Emer. Prof., École polytechnique fédérale de Lausanne, Switzerland
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: A.E.I. Lamminen, J. Säily, A.R. Vimpari. 60-GHz patch antennas and arrays on LTCC with embedded-cavity substrates. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008, vol. 56, no. 9, 2865–2874. DOI: 10.1109/TAP.2008.927560
dc.relation.haspart[Publication 2]: A.E.I. Lamminen, A.R. Vimpari, J. Säily. UC-EBG on LTCC for 60-GHz frequency band antenna applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, vol. 57, no. 10, 2904–2912. DOI: 10.1109/TAP.2009.2029311
dc.relation.haspart[Publication 3]: A. Vahdati, A. Lamminen, M. Varonen, J. Säily, M. Lahti, K. Kautio, M. Lahdes, D. Parveg, D. Karaca, K.A.I. Halonen. 90 GHz CMOS phased-array transmitter integrated on LTCC. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, vol. 65, no. 12, 6363–6371. DOI: 10.1109/TAP.2017.2743009
dc.relation.haspart[Publication 4]: A.E.I. Lamminen, S.K. Karki, A. Karttunen, M. Kaunisto, J. Säily, M. Lahdes, J. Ala-Laurinaho, V. Viikari. Beam-switching dual-spherical lens antenna with low scan loss at 71–76 GHz. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2018, vol. 17, no. 10, 1871–1875. DOI: 10.1109/LAWP.2018.2868543
dc.relation.haspart[Publication 5]: A. Lamminen, J. Säily. Wideband millimetre wave end-fire antenna and array for wireless short-range applications. In Proc. 4th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2010), Barcelona, Spain, pp. 1–5, Apr. 2010.
dc.relation.haspart[Publication 6]: A. Lamminen, J. Säily. 77 GHz beam-switching high-gain end-fire antenna on LTCC. In Proc. 20th International Conference on Applied Electromagnetics and Communications (ICECom 2010), Dubrovnik, Croatia, pp. 1–4, Sep. 2010.
dc.relation.haspart[Publication 7]: A. Lamminen, J. Säily. Wideband stacked patch antenna array on LTCC for W-band. In Proc. 5th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2011), Rome, Italy, pp. 2962–2966, Apr. 2011.
dc.relation.haspart[Publication 8]: A. Lamminen, J. Säily. High gain 60 GHz LTCC chain antenna array with substrate integrated waveguide feed network. In Proc. 6th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2012), Prague, Czech Republic, pp. 2569–2573, Mar. 2012. DOI: 10.1109/EuCAP.2012.6206530
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries194/2019
dc.revYang, Jian, Prof., Chalmers University of Technology, Sweden
dc.revCosta, Jorge R. Assoc. Prof., Instituto Universitário de Lisboa, Portugal
dc.subject.keywordantennaen
dc.subject.keywordlensen
dc.subject.keywordmillimetre waveen
dc.subject.keywordphased arrayen
dc.subject.keywordantennifi
dc.subject.keywordlinssifi
dc.subject.keywordmillimetriaaltofi
dc.subject.keywordvaiheohjattu ryhmäfi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleDesign of millimetre-wave antennas on LTCC and PCB technologies for beam-steering applicationsen
dc.titleMillimetriaaltoantennien suunnittelu ja toteutus LTCC- ja PCB-tekniikoilla keilankääntösovelluksiinfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2019-12-13_1611
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2019_11_06_klo_09_45
local.aalto.infraAalto Electronics-ICT
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526087795.pdf
Size:
9.94 MB
Format:
Adobe Portable Document Format