Design methods for Butler matrices at millimetre-wave frequencies

Beamforming networks have been a key enabling technology for applications operating at millimetre-wave frequencies, as they provide adaptive, highly directive beams that mitigate the effects of increased attenuation at extremely high frequencies. As research efforts shifts to enabling operation at the higher end of the millimetre-wave range to support emerging spectrum-reliant wireless communication applications, extensive use of beamforming is one of the strategies that will allow for mobility and improved channel propagation characteristics. In this context, this dissertation aims to explore different design methods for the Butler matrix, a well-known beamforming network, at the D-band (110~GHz to 170~GHz), one of the frequency ranges considered in the early initiatives to adapt to higher frequencies. In addition, this work focuses on design methods that enable miniaturisation, motivated by the requirements of reduced cost and compactness driven by consumer market demands. The research consisted of the study of foundational concepts involved in the design and analysis of a Butler matrix through simulations and measurements of an exploratory design; the simulation-based design of a Butler matrix miniaturised using the slow-wave technique and considering the Metallic-nanowire-Membrane technology; and the design, electromagnetic analysis, and measurements of transidrectional couplers, which were subsequently used in a preliminary circuital design of a Butler matrix considering the BiCMOS technology. The following characteristics are desired for the Butler matrix: wideband operation, balanced amplitudes at the output ports, and phase differences between outputs with minimal deviation from ideal values. Using the exploratory design as a reference, the designed slow-wave Butler matrix operates within a similar bandwidth but exhibits significantly higher amplitude imbalance and greater deviation from the ideal phase differences. In contrast, the Butler matrix with transdirectional couplers operates within a substantially larger bandwidth than the exploratory design, with only a slightly higher amplitude imbalance but greater deviation from the ideal phase differences. Nevertheless, the slow-wave design and the transdirectional-coupler-based design achieved, respectively, a 92.8% and a 99.4% reduction in the occupied area compared to the exploratory design.

Resumo (português)

As redes de formação de feixes (beamforming) têm sido uma das principais tecnologias habilitadoras para aplicações que operam em frequências de ondas milimétricas, uma vez que fornecem feixes adaptativos e altamente diretivos que mitigam os efeitos da atenuação elevada em frequências extremamente altas. À medida que os esforços de pesquisa se voltam para viabilizar a operação no extremo superior da faixa de ondas milimétricas, com o objetivo de prover suporte à aplicações emergentes de comunicação sem fio dependentes de disponibilidade de espectro, o uso extensivo de técnicas de beamforming constitui uma das estratégias que permitirão mobilidade e melhorias nas características de propagação do canal. Nesse contexto, esta dissertação tem como objetivo explorar diferentes métodos de projeto para a matriz de Butler, uma conhecida rede de beamforming, na banda D (110 GHz a 170 GHz), uma das faixas de frequência consideradas nas iniciativas iniciais de adaptação a frequências mais elevadas. Além disso, este trabalho concentra-se em métodos de projeto que possibilitem a miniaturização, motivado pela demanda de dispositivos compactos e de custo reduzido impulsionada pelo mercado consumidor. A pesquisa consistiu no estudo dos conceitos fundamentais envolvidos no projeto e na análise de uma matriz de Butler por meio de simulações e medições de um design exploratório; no projeto, baseado em simulações, de uma matriz de Butler miniaturizada utilizando a técnica de ondas lentas e considerando a tecnologia Metallic-nanowire-Membrane; e no projeto, análise eletromagnética e medições de acopladores transdirecionais, que posteriormente foram utilizados em um projeto circuital preliminar de uma matriz de Butler considerando a tecnologia BiCMOS. As seguintes características são desejadas para a matriz de Butler: operação em banda larga, amplitudes equilibradas nas portas de saída e diferenças de fase entre as saídas com desvio mínimo em relação aos valores ideais. Utilizando o design exploratório como referência, a matriz de Butler projetada com a técnica de ondas lentas opera dentro de uma largura de banda semelhante, porém apresenta um desequilíbrio de amplitude significativamente maior e um desvio mais acentuado em relação às diferenças de fase ideais. Em contrapartida, a matriz de Butler baseada em acopladores transdirecionais opera em uma largura de banda substancialmente maior do que a do design exploratório, com apenas um desequilíbrio de amplitude ligeiramente superior, mas com maior desvio em relação às diferenças de fase ideais. Ainda assim, o design baseado em ondas lentas e o design baseado em acopladores transdirecionais alcançaram, respectivamente, uma redução de 92,8% e 99,4% da área ocupada em comparação com o design exploratório.

Resumo (francês)

Les réseaux de formation de faisceaux (beamforming) constituent une technologie clé pour les applications fonctionnant aux fréquences millimétriques, car ils permettent de générer des faisceaux adaptatifs et hautement directifs capables d'atténuer les effets des pertes de propagation élevées à des fréquences extrêmement hautes. À mesure que les efforts de recherche se concentrent sur la mise en œuvre de systèmes opérant dans la partie supérieure du spectre des ondes millimétriques afin de répondre aux besoins des applications émergentes de communications sans fil dépendantes de la disponibilité du spectre, l'utilisation intensive du beamforming apparaît comme l'une des stratégies permettant d'assurer la mobilité ainsi que d'améliorer les caractéristiques de propagation du canal. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d'explorer différentes méthodes de conception de la matrice de Butler, un réseau de formation de faisceaux largement reconnu, dans la bande D (110 GHz à 170 GHz), l'une des plages de fréquences envisagées dans les premières initiatives visant l'exploitation de fréquences plus élevées. En outre, ce travail se concentre sur des méthodes de conception permettant la miniaturisation, motivé par les exigences de coût réduit et de compacité imposées par le marché grand public. Les travaux de recherche ont consisté en l'étude des concepts fondamentaux impliqués dans la conception et l'analyse d'une matrice de Butler au moyen de simulations et de mesures réalisées sur une conception exploratoire ; en la conception par simulation d'une matrice de Butler miniaturisée à l'aide de la technique des ondes lentes et en considérant la technologie Metallic-nanowire-Membrane ; ainsi qu'en la conception, l'analyse électromagnétique et la caractérisation expérimentale de coupleurs transdirectionnels, lesquels ont ensuite été utilisés dans une conception circuitaire préliminaire d'une matrice de Butler sur la technologie BiCMOS. Les caractéristiques recherchées pour la matrice de Butler sont les suivantes : un fonctionnement large bande, des amplitudes équilibrées aux ports de sortie et des écarts de phase entre les sorties présentant une déviation minimale par rapport aux valeurs idéales. En prenant la conception exploratoire comme référence, la matrice de Butler miniaturisée par technique des ondes lentes fonctionne sur une bande passante similaire, mais présente un déséquilibre d'amplitude significativement plus important ainsi qu'une déviation plus marquée des écarts de phase idéaux. À l'inverse, la matrice de Butler basée sur des coupleurs transdirectionnels fonctionne sur une bande passante nottament plus large que celle de la conception exploratoire, avec un déséquilibre d'amplitude seulement légèrement supérieur, mais une déviation plus importante par rapport aux écarts de phase idéaux. Néanmoins, la conception basée sur la technique des ondes lentes et celle fondée sur les coupleurs transdirectionnels ont permis de réduire la surface occupée de 92,8% et 99,4%, respectivement, par rapport à la conception exploratoire.

Palavras-chave

Dispositivos de ondas milimétricas , Linhas de transmissão em fita , Microeletrônica

Idioma

Inglês

Citação

SIMIONATO, E. Design methods for Butler matrices at millimetre-wave frequencies. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) — Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", São João da Boa Vista, 2026.