Design of a leaky-wave antenna for 5G purposes using gap-waveguide technology

Abstract

A quasi-uniform leaky-wave antenna for 5G was designed at 39 GHz using the new holey EBG gap-waveguide structure. The antenna is designed for n260 band, with the requirements that it is compact, low-cost and has high-power handling capability. The gap-waveguide structure makes it possible for the antenna to be only metal, simplifies the manufacturing process, and reduces the fabrication costs; at the same time the all-metal design enhances the power-handling capability and reduces the losses when compared to other architectures where a substrate is needed. A leaky-wave design was chosen because of its simplicity and ability to position the beam in a particular direction without the need of active components; its only downside being its high side-lobes. To reduce them, a Taylor amplitude distribution with a side-lobe level of -23 dB was employed by controlling the α and β constants by tapering the slot's length and waveguide's width. The antenna was fed by coaxial to gap-waveguide transition and provided an impedance bandwidth below -15 dB throughout the entire n260 band, a gain of 19 dB at 39 GHz, a side-lobe level of -21 dB, front-to-back-ratio of 34 dB and a HPBW of 6 degrees.

Una antena de onda permeable cuasi-uniforme ha sido diseñada para 5G a 39 GHz usando la nueva estructura hueca con brecha de banda electromagnética para guías de ondas con brecha. La antena fue diseñada para la banda n260 con los requisitos de que sea compacta, de bajo costo y con alta capacidad de manejo de potencia. La estructura para guía de onda con brecha hace posible que la antena sea solamente de metal, esto simplifica el proceso de manufactura, y reduce el costo de fabricación; al mismo tiempo el diseño al ser solamente de metal mejora la capacidad de manejo de potencia y reduce pérdidas en comparación con otras arquitecturas donde un sustrato es necesitado. Un diseño de antena de onda permeable fue seleccionado por su sencillez y habilidad de posicionar el haz en una posición en particular sin la necesidad de componentes activos; su única desventaja es el alto nivel de los lóbulos laterales. Para reducirlo, una distribución de amplitud Taylor con nivel de lóbulo lateral de -23 dB fue utilizada controlando las constantes de α y β con disminución gradual del largo de la ranura y el ancho de la guía de onda. La antena fue alimentada por una transición de coaxial a guía de onda con brecha, esta proveyó un ancho de banda de impedancia debajo de los -15 dB para la banda n260, una ganancia de 19 dB a 39 GHz, un nivel de lóbulo lateral de -21 dB, una razón de haz frontal al haz detrás de 34 dB y un ancho de haz de media potencia de 6 grados.