SIW Planar and Stacked Array Modular Antenna Structure Design for 38 GHz Millimeter Wave

Resumen Técnico: Diseño de Estructura de Antena Modular de Arreglo Apilado y Planar de SIW para 38 GHz de Ondas Milimétricas

Planteamiento del Problema
La creciente demanda de ancho de banda en los sistemas inalámbricos de próxima generación (5G/B5G/6G) requiere un cambio hacia frecuencias de ondas milimétricas (mmWave), específicamente la banda de 38 GHz. Sin embargo, las frecuencias más altas incurren en pérdidas de propagación significativas, lo que requiere antenas de alta ganancia y alta directividad para compensarlas. Si bien los arreglos de antenas son la solución estándar para la mejora de la ganancia y el control del haz, su diseño a frecuencias de mmWave presenta desafíos relacionados con la complejidad de fabricación, el costo y la necesidad de arquitecturas escalables y modulares que mantengan la consistencia del rendimiento en diferentes tamaños de arreglos. Las soluciones existentes suelen tener dificultades para equilibrar la miniaturización, la distribución uniforme de la potencia y la capacidad de escalar fácilmente de arreglos pequeños a grandes sin rediseñar los componentes principales.

Metodología
Este estudio propone una metodología de diseño modular para antenas de arreglo lineal de 38 GHz utilizando tecnología de Guía de Onda Integrada en Sustrato (SIW). La investigación se centra en dos arquitecturas distintas: un diseño planar de una sola capa y un diseño apilado modular.

• Elemento Radiante: La unidad radiante central es una antena de parche microstrip octogonal fabricada en sustrato Rogers 880 ($\epsilon_r = 2.2$, espesor = 0.254 mm). El diseño utiliza un desfase específico de la línea de alimentación para optimizar el acoplamiento de impedancia.
• Distribución de Potencia: Se emplea un divisor de potencia SIW en forma de Y para asegurar una distribución de potencia uniforme y consistencia de fase. El estudio diseña y simula divisores de potencia de 1×2, 1×4 y 1×8, utilizando vías metalizadas para confinar los campos electromagnéticos y suprimir modos de orden superior.
• Escalabilidad: Los autores validan el diseño construyendo secuencialmente arreglos lineales de 1×2, 1×4 y 1×8. El espaciamiento de los elementos se estableció en aproximadamente media longitud de onda ($\lambda/2 \approx 4.85$ mm) a 38 GHz para minimizar el acoplamiento mutuo.
• Arquitectura Apilada: Para desacoplar la función radiante de la función de alimentación, se introduce una estructura de transición de capa intermedia de guía de onda ranurada. Esto permite que el divisor de potencia SIW (Capa 2) y el arreglo de antenas de parche (Capa 1) se fabriquen en sustratos separados y se apilen verticalmente. Este enfoque modular permite una fabricación repetible y una reconfiguración flexible.
• Validación: Los diseños fueron simulados utilizando HFSS para el análisis electromagnético de onda completa. Los prototipos se fabricaron utilizando procesos estándar de PCB de doble cara y se midieron en una cámara anecoica de milimétricas utilizando un analizador de redes Agilent PNA (N5227A) que cubre de 10 MHz a 67 GHz.

Contribuciones Clave

1. Escalabilidad Modular: El artículo demuestra una estrategia de diseño unificada donde se utiliza el mismo elemento radiante y topología de alimentación para construir arreglos de 1×2, 1×4 y 1×8 sin modificar las dimensiones del elemento, asegurando la consistencia del diseño y la predictibilidad electromagnética a través de las escalas.
2. Enfoque de Doble Arquitectura: El estudio presenta tanto una solución planar de una sola capa de bajo costo como una solución apilada modular de alto rendimiento. El diseño apilado utiliza específicamente la separación funcional de la función de alimentación y los elementos radiantes para facilitar la expansión modular.
3. Integración de SIW: La implementación de divisores de potencia SIW en forma de Y y transiciones de capa intermedia proporciona una red de alimentación de baja pérdida y alta eficiencia adecuada para aplicaciones de mmWave, logrando anchos de banda amplios y un excelente acoplamiento de impedancia.
4. Verificación Experimental: Los resultados experimentales exhaustivos confirman las predicciones de la simulación, validando la viabilidad del enfoque apilado modular y el rendimiento de los elementos de parche octogonal en configuraciones de arreglo lineal.

Resultados

• Acoplamiento de Impedancia: Tanto los arreglos planares como los apilados exhibieron un excelente acoplamiento de impedancia. El arreglo planar 1×8 mantuvo un $S_{11} < -10$ dB de 36.62 GHz a 38.23 GHz. El arreglo apilado 1×8 mostró una baja reflexión de 35.53 GHz a 38.45 GHz.
• Desempeño de Ganancia:
  • Arreglos Planares: La ganancia realizada medida aumentó de 9.63 dBi (1×2) a 15.27 dBi (1×8).
  • Arreglos Apilados: La configuración apilada 1×8 alcanzó una ganancia máxima medida de 14.45 dBi. El arreglo apilado 1×2 alcanzó 9.6 dBi con una eficiencia de radiación de hasta el 80%.
• Eficiencia: El arreglo apilado 1×8 demostró una eficiencia de radiación de aproximadamente el 72%, mientras que el arreglo planar 1×8 superó el 70%.
• Patrones de Radiación: Todas las configuraciones mostraron direcciones de haz principal estables sin un desvío de haz (beam squint) perceptible. A medida que el tamaño del arreglo aumentaba, el lóbulo principal se estrechaba y la directividad mejoraba, manteniendo niveles de lóbulos secundarios controlados.
• Comparación: En comparación con la literatura existente, los arreglos propuestos ofrecen relaciones ganancia-apertura y estabilidad de ancho de banda competitivas, utilizando procesos de PCB estándar, lo que resulta en menores costos de fabricación y mejor consistencia en la producción en masa.

Significancia
El artículo afirma que el diseño de antena modular SIW propuesto logra equilibrar la alta ganancia, el amplio ancho de banda, la miniaturización y los procesos de fabricación estándar. Al separar las capas radiante y de alimentación en la arquitectura apilada, el diseño permite una fabricación repetible y una expansión modular escalable, lo cual es crítico para los sistemas de comunicación y detección de mmWave de próxima generación. El estudio valida que un enfoque modular unificado puede lograr un rendimiento comparable al de estructuras más complejas o especializadas (como aquellas con cavidades traseras o materiales no estándar) manteniendo las ventajas económicas y de fabricación de la tecnología de PCB estándar. Los resultados sugieren que esta arquitectura es una solución viable y eficiente para el despliegue de sistemas de 38 GHz de ondas milimétricas.