A Low-profile Ultra-wideband LTCC Based Microstrip Antenna for Millimeter-wave Applications under 100 GHz

Abstract

У роботі запропонована низькопрофільна ультраширокосмугова мікросмужкова антена для додатків міліметрового діапазону нижче 100 ГГц щоб задовільнити потреби високих швидкостей передачі даних у майбутніх бездротових системах зв'язку. Запропонована антена складається з неоднорідного шестикутного випромінюючого елементу зверху 13-го шару кераміки. Геометрія запропонованої антени розроблена з використанням технології низькотемпературної Со-кераміки (LTCC) для 3D багатошарової вертикальної інтеграції. HFSS та CST Studio використовуються для проектування та моделювання цієї ультраширокосмугової антени. Ця антена охоплює діапазон частот 33,5 ГГц, який варіюється від 62,5 ГГц до більше ніж 96 ГГц з піковим посиленням 5,7 дБі, має стабільну діаграму спрямованості по всьому діапазону частот та компактний розмір 3,16 x 3,2 мм2. Обмеження вузького діапазону в мікросмужковій антені успішно здійснюється шляхом збільшення ширини смуги пропускання понад 40 %. Запропонована мікросмужкова антена є дуже корисною для сучасних бездротових систем зв'язку через її здатність охоплювати дуже широкий діапазон пропускання із сприятливим узгодженням імпедансів та стабільною діаграмою спрямованості у розглянутому діапазоні частот. Ця антена має ще одну перевагу в плані можливості бути безпосередньо інтегрованою з іншими RF мікросхемами за допомогою багатошарової технології LTCC.

In this paper, a low profile ultra-wideband microstrip antenna is proposed for millimeter wave applications below 100 GHz to meet the demands of high data rates in the future wireless communication systems. The proposed antenna consists of a non-uniform hexagon shape radiating element on the top of 13th layer of ceramic. The proposed antenna geometry is designed using Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) technology for 3D multilayer vertical integration. HFSS and CST Studio are used for design and simulation of this ultra-wideband antenna. This antenna covers a bandwidth of 33.5 GHz that ranges from 62.5 GHz to more than 96 GHz with a peak gain of 5.7 dBi, stable radiation pattern across the bandwidth, and compact size of 3.16 x 3.2 mm2. The limitation of the narrow band in microstrip antenna is successfully dispensed by increasing the matching impedance bandwidth to more than 40 %. The proposed microstrip antenna is very useful for modern wireless communication systems because of its capability of covering a very wide bandwidth with favorable impedance matching and a stable radiation pattern at the considered frequency range. This antenna has another advantage in terms of the ability to be directly integrated with other RF chips using LTCC multilayer technology.