On/In package connected antenna arrays for millimeter wave applications

La cinquième génération (5G) et au-delà de la 5G de communication sans fil devraient répondre à la demande croissante de capacités plus élevées, de débits de données plus élevés et de latences plus faibles. Ces propriétés souhaitées des communications sans fil nécessitent l’utilisation de fréquences d’ondes millimétriques. Les systèmes d’antennes pour la 5G devraient avoir une bande passante plus large avec des capacités de formation de faisceaux. Des solutions d’antenne limitées ont été proposées pour les systèmes 5G, qui souffraient de divers inconvénients tels que la complexité, la grande taille ou des performances et une couverture de fréquence limitées. Ce travail vise à concevoir de nouveaux réseaux d’antennes basés sur le concept de réseau d’antennes connectées (CAA) pour les applications de fréquence à ondes millimétriques (ondes millimétriques). Les réseaux d’antennes sur/dans l’emballage conçus sur la base des concepts de la CAA peuvent surmonter ces limitations. Le CAA des fentes et des éléments dipolaires, qui sont connectés électriquement, a une bande passante plus large et un angle de balayage large avec des niveaux de polarisation croisée plus faibles. De plus, la CAA occupera également moins d’espace et de surface de boîtier que les autres types d’antennes, permettant ainsi une plus grande intégration et des densités de réseau plus élevées. Les baies basées sur CAA sur/in package doivent couvrir la bande passante de fréquence 28/38/60 GHz avec au moins 2 GHz de bande passante dans chacune des bandes de fréquence. Pour cette raison, des techniques d’alimentation appropriées pour de tels CAA qui répondent aux exigences de rayonnement et de polarisation du système d’antenne aux fréquences d’ondes millimétriques seront étudiées pour obtenir les meilleures efficacités et un coût minimum. Premièrement, d’énormes efforts sont déployés pour développer un modèle de circuit équivalent basé sur des éléments localisés complets pour les réseaux d’antennes à fentes connectées (CSAA). Trois configurations du CSAA sont considérées : slots infinis, semi-infinis et finis. Un modèle de circuit équivalent est développé à partir de l’expression analytique basée sur la fonction de Green (GF) disponible de l’impédance active du CSAA. Il est démontré qu’en combinant des réseaux PI ou T avec des circuits résonants RLC parallèles et en modélisant les modes d’ordre supérieur via l’inductance série, l’impédance active et les caractéristiques de réflexion du CSAA peuvent être représentées de manière efficace et précise. En utilisant le modèle de circuit équivalent proposé, une procédure de conception généralisée est développée pour aider à la conception et à l’analyse de configurations arbitraires de CSAA dans les bandes des micro-ondes et des ondes millimétriques (ondes mm).

Abstract

The fifth generation (5G) and beyond 5G of wireless communication are expected to meet the growing demand for higher capacities, higher data rates, and lower latencies. These desired properties of wireless communications necessitate the use of mm-wave frequencies. Antenna systems for 5G should have wider bandwidth with beamforming capabilities. Limited antenna solutions were proposed for 5G systems, which suffered from various drawbacks such as complexity, large size, or limited performance and frequency coverage. This work aims to design novel antenna arrays based on the concept of a Connected Antenna Array (CAA) for millimeter-wave (mm-wave) frequency applications. On/in-package antenna arrays designed based on the concepts of CAA can overcome these limitations. CAA of slots and dipole elements, which are electrically connected, has a wider bandwidth, and a wide scanning angle with lower cross-polarization levels. Moreover, CAA will also occupy less space and package area than other antenna types, thus allowing for more integration and higher array densities. The on/in package CAA-based arrays are to cover the 28/38 /60 GHz frequency bandwidth with at least 2 GHz bandwidth in each of the frequency bands. For this reason, proper feeding techniques for such CAA that meet the radiation and polarization requirements of the antenna system at mm-wave frequencies will be investigated for best efficiencies and minimum cost. Firstly, tremendous effort is made to develop a full lumped element-based equivalent circuit model for connected slot antenna arrays (CSAA). Three configurations of the CSAA are considered: infinite, semi-infinite, and finite slots. An equivalent circuit model is developed from the available Green’s Function (GF) based analytical expression of the active impedance of CSAA. It is demonstrated that by combining PI or T networks with parallel RLC resonant circuits and modeling the higher-order modes via the series inductor, the active impedance and the reflection characteristics of the CSAA can be represented efficiently and accurately. Utilizing the proposed equivalent circuit model, a generalized design procedure is developed to assist the design and analysis of arbitrary configurations of CSAA at both microwave and millimeter wave (mm-wave) bands. The effectiveness and accuracy of the proposed approach are validated by several numerical and measured results. A 2x2 CSAA prototype is fabricated at 3 GHz to validate the proposed equivalent circuit model. For the finite slot case, the proposed RLC+T network outperforms both the available transmission line-based equivalent circuit model and the proposed RLC+PI network, in describing the resonance frequencies and the values of the impedances of the finite slot.