Design of V-band beam-switching substrate integrated waveguide fed aperture coupled microstrip patch arrays with beam-switching capabilities for off-body communications in body centric wireless networks

Abstract

This work presents the design of a multiport, multilayer 4x4 array for use in 60 GHz body centric wireless networks. The antenna designed operates in a 14.29% -10dB bandwidth, from 56.16 to 64.8 GHz, to target the IEEE 802.11ad standard. The two versions of the presented array achieve 16.63 dBi and 15.76 dBi of gain at the center frequency. In order to distribute power in this multiport, multilayer array, Vertical Substrate Integrated Waveguide (SIW) T-Junctions were created. These T-Junctions act as 3 dB power dividers throughout the band and are the key elements in the corporate feed. They were designed to match adjacent substrate levels for the RO4350 substrate. The thickness pairs that are matched are: 254 µm and 254 µm, 508 µm and 762 µm, and 254 µm and 508 µm. To provide a means to test the array independently, coaxial to SIW transitions were designed as well. The designed transitions allow coupling from a 1.85mm coaxial connector to 1.5mm wide, 254 µm tall SIW and 1.6mm wide, 762 µm tall SIW; both implemented in RO4350. The effect of the human body was studied using a human body model created using the electrical parameters of skin at 60 GHz. The skin’s effect was not determined to be detrimental to the antenna’s intended operation.

Este trabajo presenta el diseño de un arreglo multipuerto 4x4 de múltiples capas para su uso en redes inalámbricas centradas en el cuerpo operando a 60 GHz. La antena diseñada opera en un ancho de banda -10 dB de 14.29%, de 56.16 a 64.8 GHz, con el fin de ser compatible con el estándar IEEE 802.11ad. Las dos versiones del arreglo presentado alcanzan 16,63 dBi y 15,76 dBi de ganancia medido a la frecuencia central. Con el fin de distribuir el poder en este arreglo multipuerto de múltiples capas, Intersecciones-T Verticales implementadas con guía de onda integrada en sustrato (SIW por sus siglas en ingles). Estas uniones en T actúan como divisores de potencia de 3 dB en toda la banda y son los elementos clave en la alimentación paralela. Fueron diseñados para acoplar los niveles de sustrato adyacentes para el sustrato RO4350. Los pares de espesor que se corresponden son: 254 µm y 254 µm, 508 µm y 762 µm y 254 µm y 508 µm. Para medir el arreglo, transiciones de SIW a coaxial fueron diseñados. Las transiciones diseñadas permiten el acoplamiento de un conector coaxial de 1.85mm a SIW de 1.5mm de ancho con 254 µm de altura, y 1.6 mm de ancho con 762 µm de altura; tanto implementado en RO4350. El efecto del cuerpo humano se estudió usando un modelo de cuerpo humano creado usando los parámetros eléctricos de la piel a los 60 GHz. Se determinó que el efecto de la piel no era perjudicial para la operación prevista de la antena.