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MASKAY 9(1), May 2019 Recibido (Received): 2018/10/31 ISSN 1390-6712 Aceptado (Accepted): 2018/12/18
DOI: 10.24133/maskay.v9i1.1062 9 MASKAY
Abstract—The research proposes to design a power supply network in SIW technology (Substrate Integrated Waveguide) for antenna arrays in millimeter bands. This network uses as base a T-type power splitter with SIW technology. The network is useful for networks of antennas with 5G technology. This T-type power splitter has as its main characteristic the symmetry in its output ports, that is, the wavelengths of the two output branches remain the same with reference to the input port. The division of voltage is achieved through a central partition in the T-type power splitter. Based on the results the benefits of the power supply network are validated, with SIW technology get the same behavior in the electric field distribution as in a normal waveguide. Perhaps, the power supply network reduces the weight and losses in the conductor that are presented in the traditional waveguides.
Index Terms—SIW, Waveguide, Power splitter, Power supply network.
Resumen—La investigación propone diseñar una red de alimentación en tecnología SIW (Subtrate Integrated Waveguide) para redes de antenas que trabajan en la banda milimétrica. Ésta red usa como base un divisor de potencia tipo T con tecnología SIW. La red es útil para redes de antenas con tecnología 5G. El divisor tipo T tiene como característica principal la simetría en sus puertos de salida, es decir las longitudes de onda de las dos ramas de salida se mantienen iguales con referencia al puerto de entrada. La división de voltaje se logra compensar mediante un tabique central en el divisor tipo T. En base a los resultados las prestaciones de la red de alimentación son validadas, con tecnología SIW se obtiene el mismo comportamiento en la distribución de campo eléctrico de una guía de onda normal. Además, la red de alimentación reduce el peso y pérdidas en el conductor que se presentan en las guías de onda tradicionales.
Palabras Claves— SIW, Guía de onda, Divisor de potencia, red de alimentación.
I. INTRODUCCIÓN LREDEDOR del año 2010 se implementó la tecnología 4G, con el pasar de los años 4G se ha establecido en
donde no se han realizado ningún cambio importante en lo que
F. Santacruz, F. Cabrera, J. Ribadeneira, D. Veloz. Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes, Panamericana Sur Km 1 ½, Riobamba - Ecuador ([email protected], [email protected], [email protected], [email protected]).
tiene que ver con la estructura de la red, mientras que las comunicaciones está en constante expansión, además que la tecnología 4G no logra cumplir con los requisitos actuales, tales como la congestión espectral y la reducción del consumo de energía. Es por esto que el mundo se centra en el 5G. Tecnología que todavía está en proceso de estandarización, con un primer despliegue tentativo en el año 2020 [1], [2].
Los sistemas y antenas basados en ondas milimétricas han tenido una gran demanda en la última década, ya que se ha demostrado que cumple con una mayor tasa de datos y transferencia de información en la industria de banda móvil y celular. Teóricamente, se ha confirmado que las bandas milimétricas tienen buenas características eléctricas para la comunicación celular móvil 5G. Se utilizan antenas de bocina estándar para imitar una estación base con el fin de verificar la viabilidad de estos canales. Sin embargo, convencionalmente, la antena de estación base comercial (BSA) utiliza tecnología de microstrip debido a su bajo perfil y otras ventajas como costo y peso [3]. No obstante, las antenas de microstrip tienen dos inconvenientes inherentes, uno es el ancho de banda estrecho de entre el 2% al 5% y un mal rendimiento del escaneo debido a las bajas SLL (Supress Lateral Lobul). También a frecuencias muy altas, tienen una eficiencia muy baja debido a que la permitividad eléctrica del material y la tangente de perdidas aumentan en función de la frecuencia, así como las condiciones de frontera varían de acuerdo con el material conductor y su geometría [4]. Sin embargo, la alimentación de este tipo de antenas se hace a mediante redes de alimentación microstrip, en las cuales también se producen perdidas.
Las pérdidas en la red de alimentación se pueden disminuir al optar por una línea de transmisión de baja pérdida, pero los problemas surgen debido a que el ancho de estas líneas de transmisión excede la mitad de la longitud de onda y, por lo tanto, no es geométricamente posible alimentar cada elemento radiante en paralelo con una red en un plano sin ampliar el espaciado del elemento más allá de una longitud de onda.
De acuerdo con el principio de la multiplicación de diagramas, los diagramas de radiación una red de elementos bien comportados se puede describir como el producto del diagrama de radiación del elemento aislado por el factor de red [5]. El efecto del acoplamiento mutuo o impedancia mutua, implícitamente se elimina ya que son elementos bien comportados. Un espaciado de elemento mayor que una
Red de alimentación en tecnología SIW para redes de antenas en banda milimétrica
Power Network for Millimeter Band Antenna Arrays Using SIW Technology
Fabricio Santacruz, Fausto Cabrera, Jefferson Ribadeneira, Diego Veloz
A
10
londe
latsiscaaliapdecope[6
prefesEsplmprmW
deendisimenCa
A.
dedesoinesesredion
SIsula mplpacodeAdrefabCiCe
0
ngitud de onde radiación, qu
Las redes deterales son destemas de comaracterísticas eimentación c
propiados parae alimentaciónomo elementoermitir el cont6], [7].
En el diseño resentan algunficiencia de lstructuras no ps por esto poranares y no
microondas y oropuesto algun
más utilizada Waveguide (SIW
El propósito el diseño de unn 60 GHz basavisor de potenmulación de ln los laboratoalabria.
Guía de OnEn una guía
elimitadas dene un material on mínimas. Stegración con
squemas de intstructuras planquieren procefícil de obten
ndas milimétriEn los años
IW que consisubstrato dieléc
creación de metalizadas [8]
anar en la cuaaredes y viajonstituido. Este guías en el dicionalmentesonadores, fibricación de ircuit Board)eramic), perfe
da causa mayoue un espaciade antenas quee particular immunicación. Cen la red, es necapaz de impa los distintos n de redes de o base un divitrol de la pote
de circuitos nos problemas la tecnología
planares como r lo que los e
planares sonondas milimétrnas solucioneses la que seW). de este artículna red de alimado en tecnoloncia tipo T, sela red medianorios del DI
II. TRABAJO
da Integrada de onda recta
ntro de sus padieléctrico (a
Sus principalesn otro mediotegración de gnares son de
esos mecániconer para prodicas [8], [9].
90 surge unste en sintetizactrico. Comúnm
paredes eléct. La estructural las ondas esan por el mta tecnología p
rango de me, esta teciltros y otros
bajo costo c) y LTCC ectamente con
ores lóbulos lado de media lo tienen bajos
mportancia enCon el fin de oecesario contaponer los vaelementos radantenas, es n
isor de potencencia de los do
integrados corelacionados
a plana; en las guías de oesquemas híbrn alternativasricas. En los ús que permitene denomina S
lo es proporcimentación paraogía SIW, al te realiza el disnte software dIMES de la
OS RELACIONA
en Substrato angular tradic
aredes metálicaire), las pérds desventajas o, su peso yguías de onda e gran tamaños de mucha pducción masiv
na nueva tecnar una guía demente, esto setricas artificiara resultante están delimitad
material dielécpermite el dis
microondas y onología per
s circuitos alcomo las técn
(Low Temnsolidadas en
aterales en el ongitud de ond
niveles de lón el contexto obtener este tar con un sistealores de amdiantes. En enecesario conscia tipo T capos puertos de
on bajas pérdidirectamente muchos casoonda son neceridos de estrus para sistemúltimos años n esta integracSubstrate Inte
ionar la base ta una red de atomar como bseño y validez
de simulación Universidad
ADOS
cional las ondas y al estar r
didas en estasson la dificuly su tamañoconvencionalño y normalprecisión, lo cva a frecuenc
nología denome onda dentro e consigue meales al utilizaes una guía dedas dentro de trico del cuaseño y construondas milimé
rmite impleml usar procesnicas PCB (P
mperature Coel sector indu
patrón da. óbulos de los
tipo de ema de mplitud el caso siderar paz de salida
idas se con la
os, las esarias. ucturas
mas en se han
ción, la egrated
teórica antenas ase un z de la HFSS de la
as son rellena s guías ltad de o. Los es con lmente cual es cias de
minada de un
ediante ar vías e onda dichas
al está ucción étricas. mentar sos de Printed o-Fired ustrial.
A sdispplanpermanchsus [11]de pde e
Pde phabpotecoefresp
Fig.
Les asaliddivique puetran
Lmet
Fig.
Auna parádistmisentrpequpermgransin es mcualdon(1), anch
su vez, esta positivos realinares [9]. Admite la realizha entre esta aplicaciones
], osciladores,potencia basadesta red de alimPara el diseño potencia tipo Tla de microoencia, como ficientes de prpecto a la pote
(a) 1. (a) Divisor de
La potencia deatenuada en -3da posee la misor de potenc
puede ser utde ser implem
nsmisión. La guía SIW stalizados en el
(a) 2. (a) Guía de on
Al considerarguía de on
ámetros que setancia entre lma fila y el dre los centros
queña para amanezca en ende el campo embargo al tr
más complicadl se utiliza un
nde los parámela distancia (p
ho (weff) de la
tecnología pzados en tecn
dicionalmente,zación de traguía y circuitpara el diseñ
, sixports [12]dos en tecnolomentación sonde la red de a
T, Los divisoreondas, para lse ilustra en roporcionalida
encia de entrad
e potencia, (b) Co
e la señal de e3dB en cada u
mitad de la potcia tipo T es tilizada para lmentado en pr
se construye al substrato, com
nda rectangular c
que una guíanda convencioe deben llevarlos centros ddiámetro de las de las víasasegurar queel interior de l
tiende a saliratarse de una do comparadona analogía cetros para el di(p) entre los cSIW [16] (3)
ermite la fácnología SIW c, la síntesis dansiciones efitos integradosño de filtros ], desfasadoreogía SIW [6], [n presentados palimentación ses son muy utla división o
la Fig. 1. Dad de la potenda.
ombinador de pote
entrada para uuna de sus saltencia presenteuna simple re
la división de rácticamente
al colocar dosmo se muestra
(bonvencional, (b)
a SIW es unaonal Fig. 2(ar en mente pare las vías pes vías. En este
s deben ser le el campo la guía ya qur fuera de la gestructura per
o con la guía con la guía reiseño son el ra
centros de las ) como se mue
MASK
cil integracióncon otros circude una guía icientes de bs [8]. Ejemplo[10], acoplads [13], y divis[14] para el dipor varios auto
se parte del divtilizados cuando combinaciónDonde α y βncia de salidas
(b) encia.
un divisor de 1lidas es decir e en la entraded de tres pue
potencia, adecualquier líne
s filas de aguja en la Fig. 2(b
b) Guía de onda SIW
a aproximacióa), los principra su diseño soertenecientes e caso la distao suficientemelectromagn
e si es demasguía de onda Sriódica, su anátradicional, poectangular cláadio (a) de lasvías [15] (2)
estra en la Fig.
KAY
n de uitos SIW anda
os de dores sores iseño ores. visor do se n de son s con
1 a 2 cada
da. El ertas, emás ea de
jeros b).
W.
ón de pales on la a la
ancia mente ético siado SIW, álisis or lo
ásica, s vías y el .3.
11
Fig
doon
guexprre
doon
exprtraenprel és
A.
unprsecomueléla
1
g. 3. Parámetros
Las condicion
onde a es el randa y p es la d
Con estas conuía de onda rexperimentos hropagación dectangular.
onde weff es elnda rectangula
Debido a la nxistir solamenropagan, ya ansversal prodntonces los roduciendo un
flujo de líneastos no lo corta
Guía de ondPara el diseño
na guía de oropagación a eleccionó paraonstante dieléc
muestra la simiéctrico en la gguía de onda
(a
s físicos para una
nes que debe p
2 ⋅
p
adio de las víasdistancia entre ndiciones es pectangular trahan demostra
e la SIW son
effw w=
l ancho de la Sar. naturaleza de snte modos de
que en estduce una corslots transve
na gran cantidaas de corrientean, por lo tanto
III. ME
da RSIW o de la red de onda rectangu
60 GHz. a el diseño dectrica εr = 9.9ilitud de la geguía de onda rcon tecnologí
a)
guía de onda SIW
presentar son l
5ga <
λ
4 a≤ ⋅
s metalizadas,los centros deposible diseñaadicional. Las ado que las iguales a las
2(2 )0.95
awp
⋅−⋅
SIW y w es el
su estructura ltipo TE. Los
e modo el rriente superfiersales cortaad de radiacióe es paralelo ao, no afectan a
ETODOLOGÍA
alimentación ular en gradoEl tipo de
e la red es Ro9 F/m, en la eometría y disrectangular conía SIW respect
W.
las siguientes:
λg es la longie las vías. ar la SIW com
simulacionescaracterístic
de la guía de
ancho de la gu
la guía SIW, ps modos TM
campo magficial longitudan esas corrón. Para el moa las vías por al modo.
primero se pao que garantdieléctrico q
ogers RT 588Fig. 4 y Fig
stribución de cnvencional cotivamente.
(b)
:
(1)
(2)
itud de
mo una s y los cas de e onda
(3)
uía de
pueden no se
gnético dinal y rientes
odo TE lo que
arte de tice la que se 80 con g. 5 se campo
omo en
Fig.
Fig. recta
Arect
dony εr
Dlongparáespados guía
Fig.
B.E
requsepaconguíaes ddeb
EconSIW
4. (a) Guía de on
(a)5. Distribución
angular, (b) RSIW
Al usar la ecuatangulares se o
nde fc10 es la frr es la constantDe las formulgitud a = 2ámetros físicoacio entre los filas de orific
a en la Fig. 6.
DIME
a
2.1 mm
6. Guía de onda
Divisor tipo TEn el diseñouieren de un daración entre siderar que a a RSIW y la udecir que la de ser inferior a
En la Tabla IIsideración pa
W a 60 GHz. E
nda rectangular a
de campo eléc
W.
ación de frecuobtiene (4) y (
10 2ccf =⋅π
2a
f=
⋅
ecuencia de cote dieléctrica. las se obtiene2.1mm, anchoos, como el dorificios u y ecios se muestr
TABENSIONES GUÍA DE
b
0.508 mm
a RSIW a 60 GHz
T SIW del divisor
dimensionamielas antenas ig60 GHz la lo
unión T debendistancia entrea los 5mm. se muestra la
ara el diseño dEn la Fig. 7, se
a 60 GHz, (b) RSI
ctrico a 60 GH
uencia de corte5).
2
r a ⋅
πε
10c r
cf ⋅ ε
orte, c es la ve
en las siguieno b = 0.508diámetro de loel ancho de la ran la Tabla I
BLA I E ONDA RSIW A 6
u
0.4 mm
z.
r tipo T lasento de la red gual a la longongitud de onn ser diseñadae los centros
as variables qdel divisor sime muestra el d
MASK
IW a 60 GHz.
(b) Hz (a) Guía de
e en guías de o
elocidad de la
ntes dimensio8mm, los deos orificios 2RSIW, a, entr, y el diseño d
60 GHZ
r
0.125 mm
s especificacique consienta
gitud de onda.nda es de 5mmas adecuadamde las antena
que se tomarométrico tipo Tiseño de este.
KAY
onda
onda
(4)
(5)
luz
ones: emás
2r, el re las de la
m
iones a una . Al m, la
mente, as no
on en T en
12
Fig
seraob
simdem
Fig
coclade
dodesa
traes
-2
-
-dB
2
DIME
a
2.1 mm
rt
0.2 mm
g. 7. Divisor sim
La división de consigue al adio rt y una bservar en la F
En esta secmulaciones dee simulación H
mostrado en la F
g. 8. Coeficiente
En la Fig. 8orrespondientearamente que ebajo de -10dB
La potencia d
onde n es el ebido a que sealida será -3.01
Como es uansmisión S12stán situados
56.00 57.0020.00
15.00
10.00
-5.00
0.00
TAENSIONES DIVISOR
b
0.508 mm
p
1.8 mm
métrico tipo T en
de potencia y usar un tabiqventana de c
Fig. 7.
IV. RE
cción se mue la red de alHFSS, al partFig. 7.
e de transmisión y
8 se muestra e al puerto de
en la banda B, lo que garande salida pued
1dB =
número de e analizó un di1dB. un divisor s2 y S13 en saa -3dB, como
58.00 59.00
ABLA II R SIMÉTRICO TIPO
λ
5 mm
h
0.66 mm
SIW.
el acoplamieque en el cencompensación
ESULTADOS uestran los limentación mtir del divisor
y reflexión para e
el coeficientee entrada, en d
de 57 a 64 Gntiza que la poe ser calculada
110logn
salidas del divisor con 2 sa
simétrico, lolidas son práco muestra la
60.00 61.00Freq [GHz]
O T EN SIW
rc
0.125 m
u
m 0.4 m
ento de impedntro del divison p como se
resultados dmediante el so
tipo T en SIW
el divisor simétric
e de reflexiódonde se puedGHz permanecotencia no se ra mediante:
divisor de potalidas la poten
os coeficientecticamente igu
Fig. 8. El c
62.00 63.00
Cu
ddd
mm
mm
dancias or con puede
de las ftware W a 2
co a 2.
n S11 de ver ce por refleja.
(6)
tencia, ncia de
es de uales y campo
elécy lleFig.
Fig.
Pmissiemposidistpueobserefleelécpote
Fig.
Fig.
64.00
urve Info
dB(S(1,1))dB(S(1,2))dB(S(1,3))
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
dB
ctrico se propaegan a los pue. 9.
9. Distribución
Para los siguiemos parámetr
mpre el coeficición del tabitribución homrtos de los dierva el diseñoexión y transctrico respectiencia de salida
10. Divisor de po
11. Coeficiente d
56.00 57.00 50.00
5.00
0.00
5.00
0.00
5.00
0.00
aga dentro de lertos de salida
del campo eléctr
entes experimeros que el divciente de refleque central de
mogénea de pivisores. En lao de un divisorsmisión de esvamente, dona de este divis
otencia simétrico
de transmisión y r
58.00 59.00 60.0
las 2 ramas dea a la par com
ico para un diviso
entos se evalúvisor simétricoexión del puere tal manera
potencia en las Fig. 10, Figr simétrico a 4te, y la distri
nde mediante (or de -6.02dB
a 4 en tecnología
reflexión para el d
00 61.00 62.00Freq [GHz]
MASK
e salida del divmo se muestra e
or simétrico a 2.
úa exactamento a 2, al contrto de entrada que garanticeas salidas deg. 11 y Fig. 14, el coeficientibución de ca(6) se obtiene
B
a SIW.
divisor simétrico
63.00 64.00
Curve Info
dB(S(1dB(S(1dB(S(1dB(S(1dB(S(1
KAY
visor en la
e los trolar
y la e una e los 12 se te de
ampo e una
a 4.
65.00
1,1))1,2))1,3))1,4))1,5))
13
Fig
didecoob
Fig
Fig
Fig
dB
3
g. 12. Distribució
En las Fig. 13visor simétric
e este, y la dison una potencibtenida median
g. 13. Divisor de
g. 14. Coeficiente
g. 15. Distribució
56.00 57.00-26.00
-24.00
-22.00
-20.00
-18.00
-16.00
-14.00
-12.00
-10.00
-8.00
dB
ón de campo eléct
3, Fig. 14 y Fico a 8, el coefistribución de ia de salida dente (6).
potencia simétric
e de transmisión y
ón de campo eléct
58.00 59.00 6
trico para un divi
ig. 15 se preseficiente de reflcampo eléctri
el divisor simé
co a 8 en tecnolog
y reflexión para u
trico para un divi
60.00 61.00 62.0Freq [GHz]
sor simétrico a 4.
entan el diseñolexión y transmco respectivam
étrico a 8 de -9
gía SIW.
un divisor simétric
sor simétrico a 8.
00 63.00 64.00
Curv
dBdBdBdBdBdBdBdBdB
o de un misión mente, 9.03dB
co a 8.
Fdisetranrespdivi
Fig.
Fig.
Fig.
Ces d
65.00
ve Info
B(S(1,1))B(S(1,2))B(S(1,3))B(S(1,4))B(S(1,5))B(S(1,6))B(S(1,7))B(S(1,8))B(S(1,9))
-3
-2
-2
-1
-1
-
dB
Finalmente, laeño del divisornsmisión de epectivamente, isor simétrico
16. Divisor de po
17. Coeficiente d
18. Distribución
Cabe indicar qude mayor a 50
56.00 57.0030.00
25.00
20.00
5.00
0.00
-5.00
as Fig. 16, Fr simétrico a este, y la didonde se obta 16 de -12.04
otencia simétrico
de transmisión y r
de campo eléctri
ue el número ya que se util
58.00 59.00
ig. 17 y Fig16, el coeficiestribución de
tiene una pote4dB.
a 16 en tecnologí
reflexión para un
co para un diviso
de pruebas enlizó la herrami
60.00 61.00Freq [GHz]
MASK
. 18 presentaente de reflexie campo elécencia de salida
ía SIW.
divisor simétrico
r simétrico a 16.
n cada experimienta optimiza
62.00 63.00
KAY
an el ión y ctrico a del
a 16.
mento ación
64.00
14 MASKAY
del programa HFSS, en donde a partir de las medidas calculadas en base a las formulas anteriormente citadas se procedió a una optimización mediante la variación de las medias con una variación de 1 milímetro hasta obtener el mejor resultado de la simulación.
V. DISCUSIÓN Los resultados de este estudio muestran claramente que es
factible realizar una red de alimentación en tecnología SIW para arreglos de antenas que trabajan en bandas milimétricas, al partir básicamente del análisis de una línea de transmisión y un divisor de potencia tipo T, donde se analizaron en cada uno de los experimentos los coeficientes de reflexión del puerto de entrada y la potencia de cada uno de los puertos de salida. Además, que al usar la tecnología SIW se reduce el peso y las pérdidas por conductor en comparación con una red de alimentación mediante guía de onda rectangular convencional Fig. 2, donde se obtiene las mismas prestaciones de la misma Fig. 3.
En base a los resultados obtenidos en todos los experimentos se puede observar claramente que el coeficiente de reflexión S11 Fig. 8, Fig. 11, Fig. 14 y Fig.17 se encuentran por debajo de -10dB lo que garantiza que no existe mayor reflexión de la señal incidente, En cuanto a los coeficientes de transmisión en los divisores de potencia de 2, 4, 8 y 16 la potencia se divide en -3dB, -6dB, -9dB y -12dB, respectivamente.
VI. CONCLUSIONES La correcta validación de los resultados ha demostrado su
óptimo funcionamiento, se ha conseguido el objetivo principal que fue la división de potencia al utilizar una guía de onda rectangular con tecnología SIW, a su vez un amplio ancho de banda de funcionamiento.
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