Unified Circuit-Antenna Integration for Next Generation Wireless Systems

Les technologies sans fil ont évolué rapidement au fil du temps, tant en termes de fréquences d'opération que de gammes d'applications. De nos jours, une myriade de systèmes sans fil bon marché opérant a moins de 6 GHz sont disponibles, et ils sont devenus une partie intégrante de la vie des gens. Due à un spectre à basse fréquence saturé et une demande grandissante du marché pour des débits de données plus élevés, les futures technologies sans fil se développent dans le spectre fréquence des ondes millimétriques (mmW) et des terahertz (THz). Les caractéristiques inhérentes de l'utilisation de plus hautes fréquences et d'une bande passante plus élevée sontdes antennes de plus petites dimenaions et de meilleures résolutions, ce qui les rendent attrayantes pour les applications pour la 5G, l'imagerie, les radars automobiles, l'identification, la spectroscopie, etc. qui présentent des avantages incontournables. De nombreuses technologies ont été étudiées et déployées à l'appui des développements des émetteurs-récepteurs intégrés pour les applications dans les MHz jusqu'aux THz. Parmi eux, bien que les implémentations basées sur l'utilisation des lignes microrubans promettent des caractéristiques intéressantes en termes de coût, de poids, et d'encombrement, leurs performances électriques sont limitées lorsque les antennes sont intégrées aux émetteurs-récepteurs par des approches d'antennes intégrées conventionnelles ou actives. En effet, les pertes dans les lignes de transmission et les pertes par radiation des éléments des circuits inhérents sont des inconvénients notables dans la réalisation de ces solutions à des fréquences mmW et au-delà.En conséquence, il a été nécessaire de développer des techniques d'intégration avancées en mettant l'accent sur l'élimination ou la fusion des composants qui composent les circuits Ceci a été largement étudié au cours des dernières années. En outre, pour faire face à l'atténuation en mode grand signal et atteindre des plages de fonctionnement souhaitables, la transmission à haute puissance est souvent une nécessité qui peut être réalisée par des amplificateurs de puissance et / ou des réseaux d'antennes. Motivés par toutes ces exigences, nous avons proposé et développé une architecture nouvelle appelée antenne de circuit unifiée et intégrée (unified and integrated circuit antenna-UNICA). Ici, les antennes sont conçues pour effectuer les multiples tâches des composants de circuits en plus du patron de rayonnement et sont directement intégrées aux dispositifs actifs pour réaliser des fonctions simultanées de circuiterie et de rayonnement à travers un espace unifié de conception et d'intégration.

Abstract

Wireless technologies have been evolving rapidly over time, both in terms of operating frequencies and range of applications. As of today, a myriad of inexpensive wireless systems operating below 6 GHz are available, which have become an integral part of the present-days human life. Triggered by such overcrowded low-frequency spectrums and persistent market demand for higher data rates, the future wireless technologies are expanding into the millimeter-wave (mmW) and terahertz (THz) range spectrums. The inherent features of higher bandwidth, smaller antennas, and improved resolutions among others make them attractive for the intended applications of 5G, imaging, automotive radar, identification, spectroscopy, and so on, which enable great conveniences. Numerous hardware technologies have been studied and deployed in support of integrated frontend developments for MHz through THz applications. Among them, although the microstrip implementations promise the features of low-cost, lightweight, and compactness, the electrical performances of corresponding hardware solutions are limited when the frontend circuits and antennas are integrated through either conventional or active integrated antenna approaches. In particular, the significant transmission line losses and radiation disturbances from the inherent circuitry elements are notable drawbacks in realizing these solutions at mmW frequencies and beyond. As a result, it is a high time to develop advanced integration techniques with focus on eliminating or merging the circuitry components, which are being widely researched in the recent years. Furthermore, to cope up with the large signal attenuation and achieve desirable operating ranges, high power transmission is often a necessity that can be achieved through frontend power amplifiers and/or array antennas. Motivated by all these requirements, we have proposed and developed a novel architecture called the unified and integrated circuit antenna (UNICA). Here, the antennas are designed to perform the multiple tasks of circuitry components in addition to their radiation and are directly integrated with the active devices to realize simultaneous circuit and radiation functions through a unified space of design and integration. And, the objective of this research is to explore the potential ways of integrating them to realize low-cost, efficient, and compact joint circuiting-radiating solutions.