Wideband series-fed microstrip array antenna with low side-lobe level for millimeter-wave applications

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo técnico voltado ao projeto e ao desenvolvimento de arranjos de antenas microfita retangulares alimentadas em série para operação em ondas milimétricas. Foram projetados e otimizados arranjos em série compostos por dois, quatro e oito elementos. A adaptação de impedância dos arranjos foi realizada por meio de um transformador de um quarto de comprimento de onda. Análises paramétricas foram conduzidas variando-se as larguras da linha de transmissão e do transformador, com o objetivo de alcançar desempenho de banda larga.A resposta de banda larga desejada foi obtida apenas quando a arquitetura em série incorporou oito elementos ressonantes. Dois arranjos foram projetados para operar nas faixas de 60 GHz e 79 GHz, amplamente empregadas em sistemas de radar automotivo.Na segunda etapa do estudo, técnicas de otimização foram aplicadas com o objetivo de reduzir os níveis de lóbulos laterais do diagrama de ganho do arranjo. No Capítulo~\ref{chap:linear_arrays}, é apresentado um estudo sobre técnicas de síntese de arranjos não uniformes. Diversos métodos de atenuação de amplitude são discutidos e posteriormente aplicados ao projeto de arranjos lineares não uniformes. Entre os métodos avaliados, a distribuição de amplitude Dolph–Chebyshev proporcionou o comportamento mais adequado entre largura do lóbulo principal e supressão no nível dos lóbulos laterais.Por fim, a antena foi fabricada utilizando a tecnologia emergente Millimetric-Nanowire-Membrane (MnM), que emprega alumina nanoporosa preenchida com cobre para implementar interconexões verticais entre as camadas do dispositivo. Medições experimentais foram realizadas, e os resultados demonstraram boa concordância com os dados simulados.

This work presents a technical study focused on the design and development of series-fed rectangular microstrip antenna arrays for mmWave operation. Series antenna arrays consisting of two, four, and eight elements were designed and optimized. The arrays were impedance-matched using a quarter-wave transformer. Parametric analyses were conducted by varying the widths of transmission line and the transformer to achieve broadband performance. The desired wideband response was obtained only when the series architecture incorporated eight radiating elements. Two arrays were designed to operate in the 60~GHz and 79~GHz bands, which are widely employed in automotive radar systems. In the second phase of the study, optimization techniques were applied to reduce the side-lobe levels of the array gain pattern. In Chapter 2, a study on non-uniform array synthesis techniques is presented. Various amplitude tapering methods are discussed and subsequently applied in the design of non-uniform linear arrays. Among the evaluated methods, the Dolph–Chebyshev amplitude distribution provided the most suitable trade-off between main-lobe width and side-lobe suppression.Finally, the antenna was fabricated using the emerging Millimetric-Nanowire-Membrane (MnM) technology, which employs nanoporous alumina filled with copper to implement vertical interconnects between device layers. Experimental measurements were performed and the results demonstrated good agreement with the simulated data.