Mitigazione dell'accoppiamento mutuo tra elementi di array mediante antenna a fessura retrostante con cavità SIW

The current project has the primary aim of designing, fabrication, and measurement a novel phased array antenna with diminished mutual coupling between adjacent elements, using a new antenna design technology, based on the SIW (Substrate Integrated Waveguide) transmission line technology. The project is focused on the high demand for high-frequency phased array antenna applications in wireless telecommunication systems, specifically 5G and beyond 5G technologies, satellite telecommunication, telecommunication systems. and point-to-point One of the biggest challenges for the beam steering strategy belongs to the mobile devices with dynamic locations, such as cellphones, satellites, and vehicles. This mobility can lead to a loss of line-of-sight for traditional single-element directional antennas, resulting in reduced connection reliability or even completely connection-loss. The most effective solution to this problem can be beamforming technique which requires the use of phased array antennas, and allows electronic beam controlling. In this approach, the antenna's main beam can be rapidly and reliably aligned toward the desired direction by electronic controllers, ensuring continuous connectivity even with moving devices. One of the challenges associated with using phased array antennas is mutual coupling between antenna elements. This phenomenon can lead to unreliable beam steering, as well as crosstalk between neighboring elements. It may also result in power transfer between feeding ports, causing unintended signal transmission from one port to another. Such effects can introduce errors in signal detection - particularly in bidirectional networks, where precise signal separation between elements and ports is critical. As it is mentioned, the antenna is made of SIW cavity backed radiators with 2 orthogonal slots which provide dual linear-polarization in vertical and horizontal domain and also helps to decrease the mutual coupling of array elements. The main objective of the dual linear slots, is firstly increasing the isolation between adjacent elements and also offering bidirectional communication or take advantage of dual-polarization scheme for mono-directional wireless telecommunication systems such as providing higher bit-rate by using doublepolarized radiated wave which we call it the orthogonal polarization scheme. Another objective of this project is to develop a method for designing and fabricating a novel phased-array antenna with high efficiency in both manufacturing and performance, while also reducing mutual coupling between elements to minimize the mentioned errors. To achieve these, the concept of an array antenna using Substrate Integrated Waveguide (SIW) cavity-backed slot antennas was investigated. The final results of this study are presented here. The antenna is primarily designed for the X-band, operating within the 8–12 GHz frequency range, with a center frequency of 10 GHz and bandwidth of ~150MHz. The ultimate objective is to develop a version for the Ka-band at a target.

Il progetto attuale ha come obiettivo principale la progettazione, fabbricazione e misurazione di una nuova antenna phased array con accoppiamento mutuo diminuito tra elementi adiacenti, utilizzando una nuova tecnologia di progettazione dell’antenna basata sulla tecnologia della linea di trasmissione SIW (Substrate Integrated Waveguide). Il progetto si concentra sull’alta domanda di applicazioni phased array ad alta frequenza nei sistemi di telecomunicazione wireless, in particolare nelle tecnologie 5G e oltre il 5G, nelle telecomunicazioni satellitari e nei sistemi di telecomunicazione punto a punto. Una delle più grandi sfide per la strategia di beam steering riguarda i dispositivi mobili con posizioni dinamiche, come telefoni cellulari, satelliti e veicoli. Questa mobilità può portare alla perdita della linea di vista per le antenne direttive a singolo elemento tradizionali, causando una riduzione dell’affidabilità della connessione o addirittura la perdita totale della connessione. La soluzione più efficace a questo problema può essere la tecnica del beamforming, che richiede l’uso di antenne phased array e consente il controllo elettronico del fascio. In questo approccio, il fascio principale dell’antenna può essere rapidamente e in modo affidabile allineato verso la direzione desiderata tramite controllori elettronici, assicurando una connettività continua anche con dispositivi in movimento. Uno delle sfide associate all’uso delle antenne phased array è l’accoppiamento mutuo tra gli elementi dell’antenna. Questo fenomeno può portare a un beam steering inaffidabile, nonché a interferenze tra elementi adiacenti. Può anche causare trasferimento di potenza tra le porte di alimentazione, provocando una trasmissione indesiderata del segnale da una porta all’altra. Tali effetti possono introdurre errori nel rilevamento del segnale, in particolare nelle reti bidirezionali, dove la separazione precisa del segnale tra elementi e porte è fondamentale. Come accennato, l’antenna è composta da radiatori con cavità SIW retrostante e due fessure ortogonali che forniscono doppia polarizzazione lineare nei domini verticale e orizzontale e aiutano anche a ridurre l’accoppiamento mutuo tra gli elementi dell’array. L’obiettivo principale delle due fessure lineari è prima di tutto aumentare l’isolamento tra elementi adiacenti e offrire comunicazione bidirezionale o sfruttare uno schema a doppia polarizzazione per sistemi di telecomunicazione wireless monodirezionali, come fornire una maggiore velocità di trasmissione utilizzando l’onda irradiata doppia polarizzata, che chiamiamo schema di polarizzazione ortogonale. Un altro obiettivo di questo progetto è sviluppare un metodo per progettare e fabbricare una nuova antenna phased array con alta efficienza sia nella produzione che nelle prestazioni, riducendo al contempo l’accoppiamento mutuo tra gli elementi per minimizzare gli errori menzionati. Per raggiungere questi obiettivi è stato studiato il concetto di antenna array utilizzando antenne a fessura retrostante con cavità Substrate Integrated Waveguide (SIW). I risultati finali di questo studio sono presentati qui. L’antenna è progettata principalmente per la banda X, operante nella gamma di frequenza 8–12 GHz, con una frequenza centrale di 10 GHz e una larghezza di banda di circa 150 MHz. L’obiettivo finale è sviluppare una versione per la banda Ka come target.