12
H2020MSCAITN2019 EID MyWave 860023 Evaluation report of first iteration antennas Deliverable D3.2 V1

H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

  • Upload
    others

  • View
    9

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

    

H2020‐MSCA‐ITN‐2019  EID   

   

MyWave 860023 

 Evaluation report of first iteration antennas 

Deliverable D3.2  

  

V1  

 

Page 2: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 1

Document history – List of changes 

 

Version  Date  Author name  Scope 

V0.1  2021‐03‐22  Roger Argaez R.          

Yingqi Zhang   

Dmitrii Kruglov 

Kirill Alekseev 

ESR 3 antenna design                                                     

ESR 4 anntena design                                                     

ESR 8 antenna design                                                    

ESR 7 antenna design 

V0.2  2021‐03‐25  Adriana Briseno  Edition 

V1  2021‐03‐26  Adriana Briseno  Final version ‐ submitted 

       

       

       

  

Page 3: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 2

Contents1  Introduction .......................................................................................................................................... 3 

2  Description of designed antennas ........................................................................................................ 3 

2.1  ESR 3: Power Amplifiers and Antenna Co‐Design Strategy for Optimised Efficiency ................... 3 

2.1.1  Motivation and state‐of‐the‐art design review .................................................................... 3 

2.2  ESR 4: W‐band Waveguide Antenna Elements for Wideband and Wide‐Scan Array Antenna 

Applications for Beyond 5G ...................................................................................................................... 4 

2.2.1  Motivation and state‐of‐art design review ........................................................................... 4 

2.2.2  Proposed antenna: Ridge gap waveguide array element for 2D beam‐steering solution.... 4 

2.3  ESR 7: Analogue Radio‐over‐Fiber‐fed antennas for massive deployment .................................. 6 

2.3.1  Motivation and state‐of‐art design review ........................................................................... 6 

2.4  ESR 8: 120GHz Dual‐Polarized Antenna‐on‐Chip .......................................................................... 7 

2.4.1  Motivation and state‐of‐art design review ........................................................................... 7 

2.4.2  Proposed antenna: 120 GHz in‐silicon antenna employing electromagnetic bandgap 

structures to suppress the substrate waves ......................................................................................... 7 

3  References .......................................................................................................................................... 10 

 

                

 Funded by the European Union 

Page 4: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 3

1 Introduction 

This report aims to describe the antennas designed by the ESRs after 18 months into the project 

MyWave. The following sections explain the motivation and the first antenna proposal. 

2 Descriptionofdesignedantennas 

2.1 ESR3:PowerAmplifiersandAntennaCo‐DesignStrategyforOptimisedEfficiency

 

2.1.1 Motivationandstate‐of‐the‐artdesignreview 

Antennas  are  the  front‐most  RF  component,  which  allows  to  transform  electrical  waves  into 

electromagnetic waves  and  vice  versa.  These  are  prone  to  capture  unwanted  signals  from  adjacent 

elements. The active impedance of the antenna is the varying impedance seen at its feeding point, which 

in a SISO communication might not be as relevant as in MIMO systems. Due to the large number of users, 

the transmitters are expected to be integrated with several transmitters and therefore, many radiating 

elements. The component that handles the largest amount of power and directs the overall performance 

of the transmitter is the power amplifier. For an optimal performance, the power amplifier has a specific 

complex impedance to which it is matched. But two major effects that cause this impedance to vary are 

the mutual coupling and the scanning angle. 

 

Figure 1. Mutual coupling and scanning angle effects. 

In this study, the effects of the active antennas are translated into variation of the impedance connected 

to the amplifier’s output‐port. This is so far independent of technology, but the parasitic effects will be 

added with further information of the semiconductor. 

Page 5: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 4

 

Figure 2. Load mismatch as active antenna impedance. 

In general, a square array is considered using dipole elements with λ/2 separation between each other. 

The operating frequency and further requirements are no decided due to integration limitation, as for low 

frequencies, the antenna size is quite large. For this project, the individual effect of the antenna is not as 

relevant as the combined effect in an array, namely the active impedance seen from its feeding point. 

 

2.2 ESR4:W‐bandWaveguideAntennaElementsforWidebandandWide‐ScanArrayAntennaApplicationsforBeyond5G

 

2.2.1 Motivationandstate‐of‐artdesignreview 

Antenna systems for future beyond 5G applications are required to have a much higher effective radiated 

power,  but  facing  many  challenges  include  significantly  smaller  antenna  dimensions,  tighter 

manufacturing tolerances, and extra difficulties of integrating active integrated circuits (IC) (that become 

comparable in size with antenna elements) and signal routing, especially in large‐scale arrays. 

To date, most reported designs of high‐gain, high‐ efficiency W‐/D‐band array antennas are for fixed‐beam 

applications; other 2D beam‐steering solutions that are based on AoC (Antenna‐On‐Chip) and SiP (System‐

In‐Package) implementations, as realized today at 60 GHz bands, have limited potential to simultaneously 

achieve the required wideband and wide‐angle beam‐steering performance with high radiation efficiency. 

2.2.2 Proposedantenna:Ridgegapwaveguidearrayelementfor2Dbeam‐steeringsolution

 

We propose  a novel  array element design based on  an open‐ended  ridge  gap waveguide  (RGW)  [1], 

depicted in Figure 3.  The main advantage of the RGW design is its intrinsically contactless structure, which 

thereby allows for low‐cost manufacturing, especially at high millimeter wave frequencies. A single ridge 

is adopted inside the WG structure to lower the cut‐off frequency of its fundamental mode, thus providing 

Page 6: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 5

a wideband low‐dispersive operation [2] with element size of 0.5 λ × 0.6 λ . The nail structure covered 

by  the metal  plate  forms  the  2D  electromagnetic  bandgap  structure,  thus  blocking millimeter‐wave 

leakage  from  the RGW  to adjacent H‐plane array elements. The RGW  input will be  connected  to  the 

beamforming network (not shown) of an array antenna that comprises a power distribution system and 

phase‐shifting circuitry. 

The WG elements are arranged in a triangular array grid (see Figure 2) that has been chosen to relax the 

requirements on the array inter‐element spacing in the H‐plane [3]. This allows for > 0.5 λ  inter‐element‐

spacing for grating lobe‐free wide‐angle beam steering. The increased H‐plane spacing is also beneficial 

for lowering the WG cut‐off frequency and increasing the available physical space for active electronics 

integration behind the array aperture. To overcome the mutual coupling effects among the waveguide 

array antennas, a pair of E‐plane grooves are added above  the aperture as a soft surface  to stop  the 

electromagnetic waves propagation. 

 

Figure 3. Perspective view of the proposed open‐ended ridge gap waveguide (RGW) array antenna element. 

 

Figure 4. The triangular array grid of the infinite array model. 

To characterize the array antenna element beam‐steering performance in large finite array configurations, 

we have employed a full‐wave simulation model of the array unit cell. This unit cell model has sidewall 

periodic boundary conditions and Floquet port above the element aperture. The analysis was performed 

in  the  Ansys HFSS  environment with  the  simulation  setup  as  shown  in  Figure  4.  The  central  design 

frequency  is f  =  95 GHz. All  the  considered  element  designs  have  been  optimized  to maximize  the 

Page 7: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 6

impedance matching  bandwidth  for  the  broadside  radiation.  The magnitude  of  the  active  reflection 

coefficient (Γ) for the beam steering in the E‐ and H‐planes is shown in Figure 5. The black dashed line 

indicates the grating lobe‐free border in the E‐plane, where no grating lobes can exist in the H‐plane inside 

the  studied  frequency‐scan  angle  range. As  seen,  the  impedance matching  degrades when  both  the 

scanning angle and bandwidth  increase. The maximum scan angle  is 45° and 33° for the 10% and 20% 

bandwidth requirements in the E‐plane; and 40°, 39° for 10%, 20% BW requirements in the H‐plane. This 

promising  beam‐steering  capability,  along  with  possible  contactless  RGW  interface  towards  active 

electronics, makes this RGW array element a suitable candidate for future 100+GHz electronically scanned 

array antennas. 

 

Figure 5. Active reflection coefficient (in dB) for RGW element. 

 

2.3 ESR7:AnalogueRadio‐over‐Fiber‐fedantennasformassivedeployment 

2.3.1 Motivationandstate‐of‐artdesignreview 

LNA – Antenna co‐design assumes  that both of  these devices will be designed  in such kind of way  to 

improve the noise performance for the whole system. LNA optimal input impedance creates the specific 

condition for the  input antenna  impedance. Common source LNA configuration has pretty  low optimal 

input impedance. In this case, the easiest solution for the antenna design becomes a rectangular patch 

antenna.  

This  type of antennas allows  to change  input  impedance  in a wide range of variations and keep good 

radiation parameters. The feed position of a patch antenna excited in its fundamental mode is typically 

located  in  the  center  of  the  patch width  direction  and  somewhere  along  the  patch  resonant  length 

direction.  The  exact  position  along  the  resonant  length  is  determined  by  the  electromagnetic  field 

distribution in the patch. Looking at the current (magnetic field) and voltage (electric field) variation along 

with the patch (Figure 6), the current has a maximum at the center and a minimum near the left and right 

edges, while the electric field is zero in the center and maximum near the left and minimum near the right 

edges. 

Page 8: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 7

 

Figure 6: Patch antenna current and voltage distributions. 

By properly choosing the  feeding point and antenna geometry,  it  is possible to provide antenna  input 

impedance that will be equal to the optimal LNA impedance for the noise matching. An important thing 

that  affects  the  design  of  the  antenna,  is  the  final  configuration  it  is mean  that  antenna  should  be 

integrated into the package and simulations of this final configuration inseparable task. In other words, 

antenna design combines two more big topics: IC – antenna interconnection and packaging solution. 

 

2.4 ESR8:120GHzDual‐PolarizedAntenna‐on‐Chip 

2.4.1 Motivationandstate‐of‐artdesignreview

In this work, the antenna‐on‐chip (AoC) concept was chosen [4] as it might provide valuable advantages 

when the frequency of operation is above 100GHz. The size of the radiating element of an antenna goes 

below 1mm at these frequencies, and it becomes feasible to consider placing it on the IC. This approach 

provides great integration capabilities since the antennas can be matched directly to the amplifiers and 

are fabricated in the same technological process. A generalized model of a SiGe BiCMOS [5] IC chip was 

used, which represents a similar technology of the ESR’s secondment host – NXP Semiconductors. 

2.4.2 Proposedantenna:120GHz in‐siliconantennaemployingelectromagneticbandgapstructurestosuppressthesubstratewaves

 

Silicon on‐chip antennas often exhibit very poor performance (η  < 30%). Two main reasons for that 

are the high permittivity and the low resistivity (high losses) of thick bulk Si substrates. Due to the former, 

most  of  the  radiation  is  sucked  into  the  substrate  [6],  or  coupled  to  the  substrate waves  [7] which 

introduce harmful interference and undesired re‐radiation. The latter means that the radiation trapped 

in the substrate dissipates quickly. 

Page 9: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 8

 

Figure 7. Illustration of the substrate waves problem in Si (from [4]). 

To  address  these  issues,  it  is  proposed  to  grind  down  the  silicon  chip  to  100m  and  to  use  a  gap 

waveguide‐like electromagnetic bandgap (EBG) structure [8] to attenuate the substrate waves. 

 

Figure 8. Cross‐section of the proposed antenna element (a). The EBG structure is formed between the metallization in the top PCB and ground plane in the IC dioxide layer (blue) (b). Antenna feeds – differentially excited field probes (c).  

The antenna element (Figure 8a) consists of a silicon IC connected to the Bottom PCB – via e.g. flip‐chip 

technology  – which  serves  to  enhance  the  radiation performance of  the  antenna by  introducing  the 

optimal distance to the ground plane. Metal layers and vias in the Bottom PCB prevent the EM radiation 

from travelling through the PCB. The top PCB is placed on top of the IC. A grid of vias in the top PCB is 

designed to form an artificial magnetic conductor (AMC) surface. When such an AMC surface is placed at 

a proper distance parallel to the perfect electric conductor  (PEC) surface, no EM mode can propagate 

between those two [8]. Thus, the two PCB that the silicon chip is sandwiched between act both as an EBG 

structure (Figure 8b) and as a radiation‐enhancing cavity. Four field probes are patterned in the IC metal 

layers that can excite the antenna in one of two desired linear polarizations (Figure 8c). 

Below are the simulated results of the proposed antenna that was designed for 120 GHz center frequency. 

A CST Microwave Studio model with 12+ million mesh cells was simulated using the time‐domain solver. 

Silicon substrate is 100m thick, has permittivity ε  = 12.9, and conductivity σ = 2 S/m (similar to [9]). The 

PCBs have the permittivity ε  = 3 and tanδ = 0.002 ([10] was used as a reference). All metal layers have 

conductivity 2.5x107 S/m. The bottom PCB is 389m thick and has three metal layers evenly spaced 133m 

from each other. The top PCB  is 558m thick and has three metal  layers spaced at (counting from the 

Page 10: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 9

bottom) 257, 174 and 117m. The vias in both PCBs has 100m diameter and are spaced 380m from 

each other. 

 

Figure 9. A dispersion diagram of the EBG structure used in the proposed design. 

 

Figure 10. Simulated antenna Gain (IEEE) of the proposed design. The E‐plane (a) and H‐plane (b) cuts at 114, 120 and 126 GHz.  Gain in broadside direction is ≈ 5dBi in this frequency range. 

To investigate the effect of the EBG structure, we simulated a two‐element array with and without the 

top PCB, see Figure 11 below. Note the improved S11‐bandwidth (≈114‐128 GHz) and the reduced inter‐

element coupling (S21 < ‐20dB). 

 

 

Figure 11. Two‐element array S‐parameters without (a) and with (b) the top PCB. 

Page 11: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 10

In  the  112‐125 GHz  frequency  range  the  antenna  has  the  radiation  efficiency  of  >70%  and  the  S11 

matching better than ‐10dB at the same time. 

 

Figure 12. Radiation efficiency of the proposed antenna. 

The proposed antenna element will be further investigated to determine its thermal properties and for 

the possibility to use it for large arrays. 

3 References 

[1] A. U. Zaman and P.‐S. Kidal, Gap Waveguide  in Handbook of Antenna Technologies. New York, NY:  

Springer Science + Business Media Singapore, 2015, p. 464. 

[2] Rong and K. A. Zaki, “Characteristics of generalized rectangular and circular ridge waveguides,” IEEE 

Trans. Microw. Theory Tech., vol. 48, no. 2, pp. 258–265, 2000. 

[3] K. Bhattacharyya, Phased array antennas: Floquet analysis, synthesis, BFNs and active array systems. 

John Wiley & Sons, 2006, vol.179. 

[4] R. Karim, A. Iftikhar, B. Ijaz, and I. Ben Mabrouk, “The Potentials, Challenges, and Future Directions of 

On‐Chip‐Antennas for Emerging Wireless Applications—A Comprehensive Survey,” IEEE Access, vol. 7, 

pp. 173897–173934, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2957073. 

[5] H. Rücker and B. Heinemann, “High‐performance SiGe HBTs for next generation BiCMOS technology,” 

Semicond. Sci. Technol., vol. 33, no. 11, p. 114003, Nov. 2018, DOI: 10.1088/1361‐6641/aade64. 

[6] R. W.  Ziolkowski,  “Custom‐Designed  Electrically  Small Huygens Dipole Antennas Achieve  Efficient, 

Directive Emissions  Into Air When Mounted on a High Permittivity Block,”  IEEE Access,  vol. 7, pp. 

163365–163383, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2952112. 

 

Page 12: H2020 MSCA ITN 2019 EID - mywave-project.eu

D3.2 MyWave Confidential Page 11

[7] A. Babakhani, X. Guan, A. Komijani, A. Natarajan, and A. Hajimiri, “A 77‐GHz Phased‐Array Transceiver 

With On‐Chip Antennas in Silicon: Receiver and Antennas,” IEEE Journal of Solid‐State Circuits, vol. 41, 

no. 12, pp. 2795–2806, Dec. 2006, DOI: 10.1109/JSSC.2006.884811. 

[8] P.‐S. Kildal, E. Alfonso, A. Valero‐Nogueira, and E. Rajo‐Iglesias, “Local Metamaterial‐Based Waveguides 

in Gaps Between Parallel Metal Plates,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 

84–87, 2009, DOI: 10.1109/LAWP.2008.2011147. 

[9] H. J. Ng, R. Wang, and D. Kissinger, “On‐Chip Antennas in SiGe BiCMOS Technology: Challenges, State 

of the Art and Future Directions,” in 2018 Asia‐Pacific Microwave Conference (APMC), Nov. 2018, pp. 

621–623, DOI: 10.23919/APMC.2018.8617626. 

[10]  “PCB‐Material‐Selection‐for‐RF‐Microwave‐and‐Millimeter‐wave‐Designs‐1.pdf.” Accessed: Mar. 

22,  2021.  [Online].  Available:  https://www.isola‐group.com/wp‐content/uploads/PCB‐Material‐

Selection‐for‐RF‐Microwave‐and‐Millimeter‐wave‐Designs‐1.pdf.