Design of all-metal antennas for 5G and satellite applications

Abstract

Several services associated with satellite on the move and 5G applications are populating the K and Ka frequency bands. Beam forming networks are crucial components for achieving the necessary beam flexibility and agility of these systems. We resort to the classical antenna Rotman Lens, as a cost-effective solution for overcoming the main limitations of other types of beam forming networks, namely bandwidth, complexity, and size. The main motivation for this choice is the wide bandwidth, compatible with the K/Ka satcom frequency bands, and the use of air/vacuum propagation medium in the parallel plate waveguide section to avoid dielectric losses associated with microstrip implementations. We developed a transition between the double ridge waveguide and the parallel plate waveguide, capable of performing a ultrawide band operation (16-40 GHz). After an initial assessment, we assembled a fully operable Rotman Lens antenna using a standard K/Ka double ridge (WRD180). The presented design consists of a 13×7 Rotman Lens, with a scanning range of ±50°, operating between 16 and 40 GHz, validated through full-wave simulations. We present a design capable of fully exploiting the ridge waveguide bandwidth with wide beam scanning, outperforming previous works.

Existem vários serviços associados a comunicações satélite e 5G que utilizam as bandas de frequência K e Ka. As redes de formação de feixes são componentes cruciais para alcançar a flexibilidade e agilidade necessárias nestes sistemas. Recorremos à antena clássica de lente de Rotman, como uma solução rentável para ultrapassar as principais limitações de outros tipos de redes formadoras de feixes, nomeadamente largura de banda, complexidade e tamanho. A principal motivação para esta escolha é a ampla largura de banda, compatível com as bandas de frequência K/Ka de comunicações de satélite, e a utilização de meio de propagação ar/vácuo na secção de guia de onda de placa paralela para evitar perdas dielétricas associadas às implementações de microstrip. Desenvolvemos uma transição entre um double ridged waveguide e um parallel plate waveguide, capaz de realizar uma operação de banda ultra larga (16-40 GHz). Após uma avaliação inicial, montámos uma lente de Rotman totalmente operável utilizando uma crista dupla padrão K/Ka (WRD180). O desenho apresentado consiste numa lente de Rotman 13×7, com um alcance de varrimento de ±50°, operando entre 16 e 40 GHz, validada através de simulações de onda completa. Apresentamos um desenho capaz de explorar totalmente a largura de banda do guia de onda de crista dupla, com varrimento de feixe largo, superando trabalhos anteriores.