Design of V-Band substrate integrated waveguide fed aperture coupled microstrip patch arrays with circular polarization and parasitic patch for off-body communications in body centric wireless networks

Abstract

This work presents the design of a multi-layer radiating element and a multi-layer 2x2 array for use in 60 GHz body centric wireless networks. The antenna designed operates with an impedance bandwidth of 11.6%, from 57 to 64 GHz, covering the IEEE 802.11ad standard. The antenna element has a circularly polarized radiation, with a 9.2% axial ratio bandwidth. The antenna gain is 7.06 dBc circular gain at the central frequency. The antenna element is fed through a taper in substrate integrated waveguide (SIW), and a coaxial to SIW transition. A SIW tapered line helps to increase the impedance from the coaxial to the antenna impedance. SIW lines were designed in two layers to reduce the substrate size of the feed. The first feed layer contain SIW taper line, and in the second the coaxial transition. The coaxial transition work as individual design that can be implemented in another designs and in the 2x2 array. The effect of the human body on the electric parameters of the antennas at 60 GHz was studied. The presence of skin has a negligible effect on electrical performance of the antennas at the frequency of interest.

Este trabajo presenta el diseño de un elemento de radiación con múltiples capas y un arreglo 2x2 que opera a 60 GHz para redes inalámbricas centradas en el cuerpo. El diseño de antena opera con una banda de impedancia de 11.6%, desde 57 to 64 GHz, cubriendo el estándar de IEEE 802.11ad. El elemento de antena tiene un patrón de radiación de polarización circular con un 9.2% banda de relación axial. La antena tiene 7.06 dBc de ganancia circular en la frecuencia central. El elemento de antena fue alimentado atreves de una reducción gradual en guía de onda integrada en el substrato (SIW). La línea con reducción gradual en SIW ayuda a incrementar la impedancia del coaxial a la impedancia de la antena. La línea en SIW fue diseñada en dos capas para reducir el tamaño del sustrato para el alimentador. La primera capa del alimentador contiene la línea de reducción gradual en SIW y la segunda contiene la transición de coaxial. La transición de coaxial trabaja como un diseño individual que puede ser implementado en otros diseños y en el arreglo 2x2. Los efectos del cuerpo humano en los parámetros eléctricos de la antena a 60 GHz fueron estudiados. La presencia de piel tiene un efecto insignificante en el funcionamiento de la antena en la frecuencia de interés.