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

Resumo Técnico: Design de Estrutura de Antena Modular de Matriz Planar e Empilhada SIW para 38 GHz em Milimétricas

Definição do Problema
A crescente demanda por largura de banda em sistemas sem fio de próxima geração (5G/B5G/6G) exige uma transição para frequências de ondas milimétricas (mmWave), especificamente na banda de 38 GHz. No entanto, frequências mais altas acarretam perdas de propagação significativas, exigindo antenas de alto ganho e alta diretividade para compensá-las. Embora os arranjos de antenas sejam a solução padrão para o aumento de ganho e controle de feixe, seu design em frequências de mmWave apresenta desafios relacionados à complexidade de fabricação, custo e à necessidade de arquiteturas modulares e escaláveis que mantenham a consistência de desempenho em diferentes tamanhos de matriz. As soluções existentes frequentemente lutam para equilibrar miniaturização, distribuição uniforme de potência e a capacidade de escalar facilmente de matrizes pequenas para grandes sem redesenhar os componentes principais.

Metodologia
Este estudo propõe uma metodologia de design modular para antenas de matriz linear de 38 GHz utilizando tecnologia de Guia de Onda Integrado ao Substrato (SIW). A pesquisa foca em duas arquiteturas distintas: um design planar de camada única e um design empilhado modular.

• Elemento Radiante: A unidade radiante central é uma antena de patch microstrip octogonal fabricada em substrato Rogers 880 ($\epsilon_r = 2,2$, espessura = 0,254 mm). O design utiliza um deslocamento específico da linha de alimentação para otimizar o casamento de impedância.
• Distribuição de Potência: Um divisor de potência SIW em formato de Y é empregado para garantir a distribuição uniforme de potência e a consistência de fase. O estudo projeta e simula divisores de potência 1×2, 1×4 e 1×8, utilizando vias metalizadas para confinar os campos eletromagnéticos e suprimir modos de ordem superior.
• Escalabilidade: Os autores validam o design construindo sequencialmente matrizes lineares 1×2, 1×4 e 1×8. O espaçamento dos elementos é definido em aproximadamente meio comprimento de onda ($\lambda/2 \approx 4,85$ mm) a 38 GHz para minimizar o acoplamento mútuo.
• Arquitetura Empilhada: Para desacoplar a função radiante da função de alimentação, uma estrutura de transição de camada de guia de onda com fendas é introduzida. Isso permite que o divisor de potência SIW (Camada 2) e a matriz de antenas patch (Camada 1) sejam fabricados em substratos separados e empilhados verticalmente. Esta abordagem modular permite fabricação repetível e reconfiguração flexível.
• Validação: Os designs foram simulados usando HFSS para análise eletromagnética de onda completa. Protótipos foram fabricados usando processos padrão de PCB de dupla face e medidos em uma câmara anecoica de milimétricas usando um analisador de rede Agilent PNA (N5227A) cobrindo de 10 MHz a 67 GHz.

Principais Contribuições

1. Escalabilidade Modular: O artigo demonstra uma estratégia de design unificada onde o mesmo elemento radiante e topologia de alimentação são usados para construir matrizes 1×2, 1×4 e 1×8 sem modificar as dimensões dos elementos, garantindo consistência de design e previsibilidade eletromagnética através das escalas.
2. Abordagem de Dupla Arquitetura: O estudo apresenta tanto uma solução planar de camada única de baixo custo quanto uma solução empilhada modular de alto desempenho. O design empilhado utiliza especificamente uma separação funcional do divisor de potência e dos elementos radiantes para facilitar a expansão modular.
3. Integração SIW: A implementação de divisores de potência SIW em forma de Y e transições de camada fornece uma rede de alimentação de baixa perda e alta eficiência adequada para aplicações de mmWave, alcançando larguras de banda amplas e excelente casamento de impedância.
4. Verificação Experimental: Resultados experimentais abrangentes confirmam as previsões de simulação, validando a viabilidade da abordagem empilhada modular e o desempenho dos elementos patch octogonais em configurações de matriz linear.

Resultos

• Casamento de Impedância: Tanto as matrizes planares quanto as empilhadas exibiram excelente casamento de impedância. A matriz planar 1×8 manteve $S_{11} < -10$ dB de 36,62 GHz a 38,23 GHz. A matriz empilhada 1×8 mostrou baixa reflexão de 35,53 GHz a 38,45 GHz.
• Desempenho de Ganho:
  • Matrizes Planares: O ganho realizado medido aumentou de 9,63 dBi (1×2) para 15,27 dBi (1×8).
  • Matrizes Empilhadas: A configuração empilhada 1×8 alcançou um pico de ganho medido de 14,45 dBi. A matriz empilhada 1×2 atingiu 9,6 dBi com uma eficiência de radiação de até 80%.
• Eficiência: A matriz empilhada 1×8 demonstrou uma eficiência de radiação de aproximadamente 72%, enquanto a matriz planar 1×8 excedeu 70%.
• Padrões de Radiação: Todas as configurações exibiram direções de feixe principal estáveis, sem desvio de feixe (beam squint) perceptível. À medida que o tamanho da matriz aumentava, o lóbulo principal estreitava e a diretividade melhorava, com os níveis de lóbulos secundários permanecendo controlados.
• Comparação: Comparadas com a literatura existente, as matrizes propostas oferecem razões ganho-abertura e estabilidade de largura de banda competitivas, utilizando processos de PCB padrão, resultando em menores custos de fabricação e melhor consistência de produção em massa.

Significância
O artigo afirma que o design de antena modular SIW proposto equilibra com sucesso alto ganho, ampla largura de banda, miniaturização e processos de fabricação padrão. Ao separar as camadas radiante e de alimentação na arquitetura empilhada, o design permite a fabricação repetível e a expansão modular escalável, o que é crítico para sistemas de comunicação e detecção de próxima geração em mmWave. O estudo valida que uma abordagem modular unificada pode alcançar desempenho comparável ao de estruturas mais complexas ou especializadas (como aquelas com cavidades traseiras ou materiais não padronizados) enquanto mantém as vantagens econômicas e de fabricação da tecnologia de PCB padrão. Os resultados sugerem que esta arquitetura é uma solução viável e eficiente para a implantação de sistemas mmWave de 38 GHz.