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

Résumé Technique : Conception de structure d'antenne modulaire à réseaux planaires et empilés SIW pour les 38 GHz en ondes millimétriques

Énoncé du problème
La demande croissante de bande passante pour les systèmes sans fil de nouvelle génération (5G/B5G/6G) nécessite une transition vers les fréquences millimétriques (mmWave), spécifiquement dans la bande des 38 GHz. Cependant, les fréquences plus élevées entraînent des pertes de propagation importantes, nécessissant des antennes à gain élevé et haute directivité pour compenser. Bien que les réseaux d'antennes soient la solution standard pour l'amélioration du gain et le contrôle du faisceau, leur conception aux fréquences millimétriques présente des défis concernant la complexité de fabrication, le coût et la nécessité d'architectures modulaires et évolutives capables de maintenir une cohérence de performance sur différentes tailles de réseaux. Les solutions existantes peinent souvent à équilibrer la miniaturisation, la distribution uniforme de la puissance et la capacité de passer facilement de petits à grands réseaux sans redéconception des composants de base.

Méthodologie
Cette étude propose une méthodologie de conception modulaire pour des antennes à réseaux linéaires à 38 GHz utilisant la technologie de guide d'ondes intégré au substrat (SIW - Substrate Integrated Waveguide). La recherche se concentre sur deux architectures distinctes : une conception planaire à couche unique et une conception empilée modulaire.

• Élément rayonnant : L'unité rayonnante centrale est une antenne patch microstrip octogonale fabriquée sur un substrat Rogers 880 ($\epsilon_r = 2,2$, épaisseur = 0,254 mm). La conception utilise un décalage spécifique de la ligne d'alimentation pour optimiser l'adaptation d'impédance.
• Distribution de puissance : Un diviseur de puissance SIW en forme de Y est employé pour assurer une distribution de puissance uniforme et une cohérence de phase. L'étude conçoit et simule des diviseurs 1×2, 1×4 et 1×8, en utilisant des vias métallisés pour confiner les champs électromagnétiques et supprimer les modes d'ordre supérieur.
• Évolutivité : Les auteurs valident la conception en construisant séquentiellement des réseaux linéaires 1×2, 1×4 et 1×8. L'espacement des éléments est fixé à environ une demi-longueur d'onde ($\lambda/2 \approx 4,85$ mm) à 38 GHz pour minimiser le couplage mutuel.
• Architecture empilée : Pour découpler la fonction de rayonnement de la fonction d'alimentation, une structure de transition de couche intermédiaire de guide d'ondes à fente est introduite. Cela permet au diviseur de puissance SIW (Couche 2) et au réseau d'antennes patch (Couche 1) d'être fabriqués sur des substrats distincts et empilés verticalement. Cette approche modulaire permet une fabrication répétable et une reconfiguration flexible.
• Validation : Les conceptions ont été simulées via HFSS pour une analyse électromagnétique en onde complète. Les prototypes ont été fabriqués selon les processus PCB double face standards et mesurés dans une chambre anéchoïque millimétrique à l'aide d'un analyseur de réseau Agilent PNA (N5227A) couvrant 10 MHz à 67 GHz.

Principales contributions

1. Évolutivité modulaire : L'article démontre une stratégie de conception unifiée où le même élément rayonnant et la même topologie d'alimentation sont utilisés pour construire des réseaux 1×2, 1×4 et 1×8 sans modifier les dimensions des éléments, garantissant ainsi la cohérence de la conception et la prévisibilité électromagnétique à travers les échelles.
2. Approche à double architecture : L'étude présente à la fois une solution planaire à une seule couche à faible coût et une solution empilée modulaire de haute performance. La conception empilée utilise spécifiquement la séparation fonctionnelle du diviseur de puissance et des éléments rayonnants pour faciliter l'expansion modulaire.
3. Intégration SIW : L'implémentation de diviseurs de puissance SIW en forme de Y et de transitions inter-couches fournit un réseau d'alimentation à faible perte et haute efficacité adapté aux applications millimétriques, atteignant des largeurs de bande étendues et une excellente adaptation d'impédance.
4. Vérification expérimentale : Des résultats expérimentaux complets confirment les prédictions de simulation, validant la faisabilité de l'approche empilée modulaire et la performance des éléments patch octogonaux dans les configurations de réseaux linéaires.

Résultats

• Adaptation d'impédance : Les réseaux tant planaires qu'empilés ont présenté une excellente adaptation d'impédance. Le réseau planaire 1×8 a maintenu un $S_{11} < -10$ dB de 36,62 GHz à 38,23 GHz. Le réseau empilé 1×8 a montré une faible réflexion de 35,53 GHz à 38,45 GHz.
• Performance de gain :
  • Réseaux planaires : Le gain réalisé mesuré a augmenté de 9,63 dBi (1×2) à 15,27 dBi (1×8).
  • Réseaux empilés : La configuration empilée 1×8 a atteint un gain mesuré de crête de 14,45 dBi. Le réseau empilé 1×2 a atteint 9,6 dBi avec une efficacité de rayonnement allant jusqu'à 80 %.
• Efficacité : Le réseau empilé 1×8 a démontré une efficacité de rayonnement d'environ 72 %, tandis que le réseau planaire 1×8 a dépassé les 70 %.
• Diagrammes de rayonnement : Toutes les configurations ont affiché des directions de faisceau principal stables sans déviation de faisceau (beam squint) notable. À mesure que la taille du réseau augmentait, le lobe principal se rétrécissait et la directivité s'améliorait, les niveaux de lobes secondaires restant contrôlés.
• Comparaison : Comparés à la littérature existante, les réseaux proposés offrent des rapports gain/ouverture et une stabilité de bande passante compétitifs tout en utilisant des processus PCB standards, ce qui se traduit par des coûts de fabrication moindres et une meilleure cohérence de production de masse.

Signification
L'article affirme que la conception d'antenne modulaire SIW proposée parvient à équilibrer gain élevé, large bande passante, miniaturisation et processus de fabrication standards. En séparant les couches de rayonnement et d'alimentation dans l'architecture empilée, la conception permet une fabrication répétable et une expansion modulaire évolutive, ce qui est crucial pour les systèmes de communication et de détection millimétriques de nouvelle génération. L'étude valide qu'une approche modulaire unifiée peut atteindre des performances comparables à des structures plus complexes ou spécialisées (telles que celles avec cavités arrière ou matériaux non standards) tout en conservant les avantages économiques et de fabrication de la technologie PCB standard. Les résultats suggèrent que cette architecture est une solution viable et efficace pour le déploiement des systèmes millimétriques à 38 GHz.