8/13/2019 Baccarelli Et Al. - 2007 - Harmonic-Tuned Patch Active Integrated Antenna For

1/4

HARMONIC TUNED PATCHACTIVE INTEGRATED ANTENNAFOR A HIGH-EFFICIENCY KU-BAND TRANSMITTERP . B a c c a r e l l i , P . B u r g h i g n o l i , F . F r e z z a , A . G a l l i , P . L a m p a r i e l l o , S . P a u l o t t o , G . V a l e r i o S a p i e n z a U n i v e r s i t y o f R o m e , E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t V i a E u d o s s i a n a 1 8 , 0 0 1 8 4 R o m e , I t a l y .

Fax: 3 9 6 4 7 4 2 6 4 7 E - m a i l :1 a 1 a - i l l o mal.de-iK e y w o r d s : A c t i v e i n t e g r a t e d a n t e n n a s , h a r m o n i c t u n i n g ,c o m p a c t f i l t e r s , p a t c h a n t e n n a s , p o w e r t r a n s m i t t e r s .A b s t r a c tD e s i g n s t r a t e g i e s a r e p r e s e n t e d f o r h a r m o n i c - t u n e d a c t i v ei n t e g r a t e d a n t e n n a s b a s e d o n t h e u s e o f m i c r o s t r i p p a t c h e sa n d c o m p a c t p h o t o n i c b a n d g a p f i l t e r s . T h e s y n t h e s i s o fo p t i m a l v a l u e s f o r t h e a n t e n n a i n p u t i m p e d a n c e a t t h ef u n d a m e n t a l , s e c o n d , a n d t h i r d h a r m o n i c f r e q u e n c i e s i sa c h i e v e d p e r t u r b i n g e i t h e r t h e g e o m e t r y o f t h e a n t e n n a o r t h eg e o m e t r y o f t h e f i l t e r , o n t h e b a s i s o f a n a d - h o c u n i t - c e l lc h a r a c t e r i z a t i o n . N u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f i n p u t i m p e d a n c ea n d r a d i a t i o n p r o p e r t i e s a r e p r o v i d e d o n t w o e x a m p l e s t ov a l i d a t e t h e p r o p o s e d a p p r o a c h e s .1 I n t r o d u c t i o n a n d b a c k g r o u n dT h e e v e r i n c r e a s i n g d e m a n d o f h i g h e f f i c i e n c y i n m i c r o w a v et r a n s m i t t e r s , e s p e c i a l l y f o r a p p l i c a t i o n i n p o r t a b l e d e v i c e s ,h a s l e d i n r e c e n t y e r s t o i n t e n s i v e r e s e a r c h o n a d v a n c e do p e r a t i o n c l a s s e s f o r P o w e r A m p l i f i e r s P A s ) s e e , e . g . , [ 3 ]a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n ) . I n p a r t i c u l a r , h a r m o n i c - t u n e d P A sb a s e t h e i r o p e r a t i o n o n t h e t e r m i n a t i o n o f t h e i r o u t p u t p o r t o ns u i t a b l e v a l u e s o f t h e l o a d i m p e d a n c e a t t h e o p e r a t i n gf r e q u n c y a n d a t t h e f i r s t h i g h e r - o r d e r h a r m o n i c s t y p i c a l l y ,t h e s e c o n d a n d t h i r d ) , w h i c h a l l o w f o r r e d u c i n g t h e p o w e rd i s s i p a t e d i n t h e a c t i v e d e v i c e a s w e l l a s t h e p o w e r d e l i v e r e dt o t h e l o a d a t h a r m o n i c f r e q u e n c i e s , t h u s i n c r e a s i n g t h e P o w e rA d d e d E f f i c i e n c y P A E ) .V a r i o u s A c t i v e I n t e g r a t e d A n t e n n a A I A ) c o n f i g u r a t i o n s h a v eb e e n p r o p o s e d f o r a c h i e v i n g h a r m o n i c t u n i n g i n m i c r o w a v et r a n s m i t t e r s [ 2 , 5 ] . I n t h i s p a p e r we p r e s e n t t w o d e s i g ns t r a t e g i e s f o r s p e c i f i c a p p l i c a t i o n s i n t h e Ku b a n d , b o t h b a s e do n t h e s i m u l t a n e o u s u s e o f a c o m p a c t P h o t o n i c B a n d G a p P B G ) m i c r o s t r i p f i l t e r [ 4 , 7 ] a n d o f a c i r c u l a r p a t c h r a d i a t o r .T h e d e s i g n c o n s t r a i n t s i n c l u d e o p t i m a l v a l u e s f o r t h e c o m p l e xi n p u t i m p e d a n c e Z I N = R I N j X I N o f t h e a n t e n n a c o r r e s p o n d i n gt o t h e i n p u t r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t f I N a t t h e o p e r a t i n gf r e q u e n c y f o , w h e r e a s a t t h e h i g h e r - o r d e r h a r m o n i c s i t i sr e q u i r e d t h a t F I N 1 = 1 w i t h p r e s c r i b e d r a n g e s f o r t h ei m a g i n a r y p a r t o f t h e i n p u t i m p e d a n c e . T h e t w o p r o p o s e dd e s i g n s r e l y o n e i t h e r m o d i f y i n g t h e s h a p e o f t h e p a t c h a n da d o p t i n g a r e g u l a r PBG f i l t e r , o r m o d i f y i n g t h e s h a p e o f t h ef i l t e r m a i n t a i n i n g a r e g u l a r p a t c h s h a p e s e e F i g . 1 .

E x a m p l e s a r e g i v e n a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s a r e p r e s e n t e d ,o b t a i n e d w i t h a c o m m e r c i a l m o m e n t - m e t h o d s i m u l a t o r , t h a tc o n f i r m t h e f e a s i b i l i t y o f t h e p r o p o s e d a p p r o a c h e s .

PAI C ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ZIN

C a s e 1 :

C a s e 2 : l

F i g . 1 : I l l u s t r a t i o n o f t w o d e s i g nt u n e d p o w e r a m p l i f i e rm i c r o s t r i p p a t c h a n t e n n a .s t r a t e g i e s f o r a h a r m o n i c - P A ) c o n n e c t e d t o a

2 AIA d e s i g n b a s e d o n a p e r t u r b e d p a t c hI n t h e f i r s t e x a m p l e t h e r e q u i r e m e n t s o n t h e i n p u t i m p e d a n c eZ I N = R I N + j X I N o f t h e a n t e n n a a r e R I N E 1 3 , 1 7 ) Q a n d X I N E 1 5 , 2 1 ) Q a t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y f = 1 4 G H z ; m o r e o v e r , i ti s r e q u i r e d t h a t X I N E - 8 0 , - 2 0 ) Q a t t h e s e c o n d h a r m o n i c a n dX I N < - 1 7 Q a t t h e t h i r d h a r m o n i c .A m o d i f i e d c i r c u l a r p a t c h i s u s e d t o a v o i d r e s o n a n c e s a t t h es e c o n d a n d t h i r d h a r m o n i c f r e q u e n c i e s [ 5 ] . I n o r d e r t o f u r t h e ri m p r o v e t h e m i s m a t c h a t t h e t h i r d h a r m o n i c f r e q u e n c y , ac o m p a c t f i l t e r m a d e o f a s m a l l n u m b e r o f PBG c e l l s a d a p t e df r o m [ 4 ] ) i s i n t r o d u c e d . T h e f i l t e r h a s b e e n d i m e n s i o n e d o nt h e b a s i s o f a f u l l - w a v e a n a l y s i s i n a p e r i o d i c c o n f i g u r a t i o nt h r o u g h a r i g o r o u s p e r i o d i c m o m e n t - m e t h o d a p p r o a c h [ 1 ] : t h eg e o m e t r y o f t h e u n i t c e l l i s d e s i g n e d s u c h t h a t t h e v a l u e o f t h ea t t e n u a t i o n c o n s t a n t a t t h e t h i r d h a r m o n i c i s s u f f i c i e n t l y h i g ht o a l l o w f o r u s i n g a s m a l l n u m b e r o f c e l l s . F i n a l l y , t h es y n t h e s i s o f t h e o p t i m a l i n p u t i m p e d a n c e a t t h e o p e r a t i n gf r e q u e n c y i s p e r f o r m e d t h r o u g h a n i m p e d a n c e t r a n s f o r m e ra n d a p a i r o f t u n i n g s t u b s ; t h e r e s u l t i n g g e o m e t r y i s s h o w n i nF i g . 2 .

8/13/2019 Baccarelli Et Al. - 2007 - Harmonic-Tuned Patch Active Integrated Antenna For

2/4

1 . 4 mm 0 . 5 2 1 . . . . . . . . m m I m 1T5 . 3 5 6 mn

V I mm

F i g . 2 : H a r m o n i c - t u n e d p a t c h a n t e n n a w i t h p e r t u r b e d p a t c hg e o m e t r y a n d r e l e v a n t p a r a m e t e r s .T h e g e o m e t r i c a l d i m e n s i o n s i n d i c a t e d i n F i g . 2 h a v e b e e nc a l c u l a t e d t h r o u g h s i m u l a t i o n s p e r f o r m e d w i t h t h ec o m m e r c i a l s o f t w a r e A n s o f t D e s i g n e r . T M , b a s e d o n a m o m e n t -m e t h o d a p p r o a c h t h a t a s s u m e s a n i d e a l l y i n f i n i t e s u b s t r a t e f o rt h e a n t e n n a . I n o r d e r t o a s s e s s t h e s e n s i t i v i t y o f t h e r e s u l t s t ot h e f i n i t e s i z e o f t h e s u b s t r a t e , f u r t h e r s i m u l a t i o n s h a v e b e e np e r f o r m e d w i t h t h e c o m m e r c i a l s o f t w a r e A n s o f t H F S S T m ,b a s e d o n t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d , f o r a t r u n c a t e d s u b s t r a t ew i t h d i m e n s i o n s 3 0 X 2 0 mm.I n T a b l e 1 a c o m p a r i s o n o f t h e v a l u e s o b t a i n e d f o r t h e i n p u ti m p e d a n c e a t t h e o p e r a t i n g , s e c o n d , a n d t h i r d h a r m o n i cf r e q u e n c i e s i s s h o w n . I t c a n b e o b s e r v e d t h a t t h e s y n t h e s i s e dv a l u e s o f Z I N a t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y a n d a t t h e s e c o n dh a r m o n i c s a t i s f y t h e d e s i g n c o n s t r a i n t s b o t h f o r t h e i n f i n i t ea n d f o r t h e t r u n c a t e d s t r u c t u r e . On t h e o t h e r h a n d , a t t h e t h i r dh a r m o n i c t h e i m a g i n a r y p a r t i s o n l y s l i g h t l y a b o v e t h ep r e s c r i b e d u p p e r l i m i t o f - 1 7 Q .

TABLE 1I N P U T I M P E D A N C E O H M )f R e a l p a r t I m a g i n a r y p a r t

1 4 GHz 1 7 . 0 5 D e s i g n e r ) 1 5 . 9 5 D e s i g n e r )1 6 . 8 4 H F S S ) 1 3 . 9 5 H F S S )2 8 GHz 5 . 0 8 D e s i g n e r ) - 2 6 . 0 9 D e s i g n e r )7 . 3 4 H F S S ) - 3 0 . 5 2 H F S S )4 2 GHz 2 . 8 7 D e s i g n e r ) - 1 4 . 8 7 D e s i g n e r )2 . 0 3 H F S S ) - 1 3 . 1 3 H F S S )T a b l e 1 : I n p u t i m p e d a n c e o f t h e a n t e n n a w i t h p e r t u r b e d p a t c hg e o m e t r y o f F i g . 2 a t t h e f u n d a m e n t a l , f i r s t , a n d

s e c o n d h a r m o n i c f r e q u e n c i e s : e f f e c t o f s u b s t r a t et r u n c a t i o n .T h e i m p e d a n c e m i s m a t c h o b t a i n e d a t t h e s e c o n d a n d t h i r dh a r m o n i c s i s very s a t i s f a c t o r y a l s o f o r t h e a n t e n n a on at r u n c a t e d s u b s t r a t e .I n p a r t i c u l a r , i n F i g . 3 , r e s u l t s are s h o w n f o r t h e m a g n i t u d e o ft h e i n p u t r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e h a r m o n i c - t u n e d p a t c ha n t e n n a o f F i g . 2 , o b t a i n e d b y u s in g A n s o f t H F S S . B o t h t h es e c o n d a n d t h i r d h a r m o n i c s are s u b s t a n t i a l l y r e j e c t e d a n d t h ef i l t e r i n g e f f e c t o f t h e 1 - D EBG s t r u c t u r e o p e r a t i n g i n i t sb a n d g a p i s c l e a r l y o b s e r v a b l e a b o v e a b o u t 3 8 G H z .F i g . 4 s h o w s t h e t o t a l g a i n p a t t e r n s f o r = 00 E p l a n e ) a n d= 9 0 0 H p l a n e ) a t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y f = 1 4 GHz.

I S d B )0- 2

- 4

- 6

- 8

- 1 0- 1 2 1 4 2 1 2 8 3 5 4 2f G H z )F i g . 3 : M a g n i t u d e d B ) o f t h e i n p u t r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t a sa f u n c t i o n o f f r e q u e n c y f f o r t h e a n t e n n a i n F i g . 2 .

0G a i n 1 0 d B i 5

0- 5

- 1 0- 1 5- 2 0- 2 5- 3 0

3 3 0 3 0

6 0

9 0

\\| 0 = 9 0 | 1 2 0

2 1 0 1 5 01 8 0

F i g . 4 : G a i n p a t t e r n s d B i ) i n t h e p r i n c i p a l p l a n e s 0 = 0 0 a n d0 = 9 0 a t f = 1 4 GHz f o r t h e a n t e n n a i n F i g . 2 .3 AIA d e s i g n b a s e d o n a p e r t u r b e d f i l t e rI n t h e s e c o n d e x a m p l e t h e r e q u i r e m e n t s o n t h e i n p u ti m p e d a n c e Z I N = R I N F J X I N o f t h e a n t e n n a a r e R I N E 1 3 , 1 7 ) Qa n d X I N E 1 5 , 2 1 Q a t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y f o = 1 4 . 2 5G H z ; a t t h e h i g h e r - o r d e r h a r m o n i c s i t i s r e q u i r e d t h a t I X I N I E 1 0 0 , 3 0 0 ) Q a t t h e s e c o n d h a r m o n i c a n d I X I N I > 1 7 Q a t t h et h i r d h a r m o n i c . O p t i m u m v a l u e s a r e i n d i c a t e d a s Z I N = 5 j 1 8Q a t f o = 1 4 . 2 5 G H z , X I N = 1 0 0 Q a t t h e s e c o n d h a r m o n i c , a n dX I N = - 1 7 Q a t t h e t h i r d h a r m o n i c . I n t h i s c a s e , a r e g u l a r p a t c ho f c i r c u l a r s h a p e i s u s e d a s a r a d i a t o r w i t h r a d i u s a = 3 . 8 mm,s u c h t h a t i t r e s o n a t e s a t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y f 0 . T h er e j e c t i o n o f b o t h t h e s e c o n d a n d t h e t h i r d h a r m o n i c s a n d t h es y n t h e s i s o f t h e r e q u i r e d r e a c t a n c e v a l u e s a t t h o s e f r e q u e n c i e sa r e p e r f o r m e d t h r o u g h a p e r t u r b e d f i l t e r m a d e o f t h r e ed i f f e r e n t c e l l s n u m b e r e d s t a r t i n g f r o m t h e i n p u t p o r t ) ,a d o p t i n g t h e p r o c e d u r e o u t l i n e d i n t h e f o l l o w i n g .

wsI . , - . . d 2 .s 1 . V y

z

8/13/2019 Baccarelli Et Al. - 2007 - Harmonic-Tuned Patch Active Integrated Antenna For

3/4

I m Z I N @ 2 f 0o / k L = 1 . 1mmL=0 9mm 2 L < 12 i L = 1 . 3 mm

1 . 5 e

2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 52 8 . 5 GHz 4 2 . 7 5 GHzf G H z )

F i g . 5 : N o r m a l i z e d a t t e n u a t i o n c o n s t a n t o f t h e p e r i o d i c f i l t e rw i t h u n i t c e l l a s i n t h e i n s e t , a s a f u n c t i o n o ff r e q u e n c y f f o r d i f f e r e n t v a l u e s o f t h e p a r a m e t e r L .O t h e r p a r a m e t e r s : s p a t i a l p e r i o d p = 1 . 6 0 mm; w i d t ho f a l l t h e m i c r o s t r i p - l i n e l e n g t h s i n t h e u n i t c e l l e q u a lt o 0 . 4 2 m m.

d B ) - c- 5- 1 0- 1 5- 2 0- 2 5

1 s i l l- 3 0 . . . . . i s I-3 5

1 0 1 5 2 0 2 5f G H z

8 0 06 0 04002 0 0

0- 2 0 0- 4 0 0- 6 0 0- 8 0 0 0 0 . 5 1 1 . 5 2

0- 5- 1 0- 1 5- 2 0- 2 5- 3 0- 3 5- 4 0

L s t u b m m )F i g . 7 : I n p u t r e a c t a n c e a t t h e s e c o n d 2 f o , s o l i d l i n e ) a n dt h i r d 3 f o , d a s h e d l i n e ) h a r m o n i c f r e q u e n c i e s f o r a

f i l t e r a s i n F i g . 5 w i t h a p a i r o f s h o r t e d t u n i n g s t u b so n t h e s e c o n d c e l l , a s a f u n c t i o n o f t h e s t u b l e n g t hL s t u b0 , d B )

- 1 0- 1 5- 2 0- 2 5 i s 1 I- 3 0 1- 3 53 0 3 5 4 0 4 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

f G H z )F i g . 6 : R e f l e c t i o n a n d t r a n s m i s s i o n s c a t t e r i n g p a r a m e t e r s i nm a g n i t u d e a s a f u n c t i o n o f f f o r a t h r e e - c e l l t a p e r e df i l t e r w i t h L 1 = 0 . 9 mm, L 2 = 1 . 1 mm, L 3 = 1 . 3 mm .O t h e r p a r a m e t e r s : a s i n F i g . 5 .By m e a n s o f a f u l l - w a v e a n a l y s i s o f t h e c e l l i n a p e r i o d i cc o n f i g u r a t i o n [ 1 ] , i n f o r m a t i o n i s g a i n e d o n t h e v a l u e o f t h ea t t e n u a t i o n c o n s t a n t i n t h e f r e q u e n c y b a n d o f i n t e r e s t a s af u n c t i o n o f o n e o f t h e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s c h a r a c t e r i z i n gt h e c e l l g e o m e t r y , i . e . , t h e l e n g t h L a s i l l u s t r a t e d i n t h e i n s e to f F i g . 5 . T h e p a r a m e t e r L i s t h e n c h o s e n s o t h a t t h e f i r s t c e l lr e j e c t s o n l y t h e t h i r d h a r m o n i c L = 0 . 9 m m ) , w h i l e t h e t h i r dc e l l t r a n s m i t s o n l y t h e f u n d a m e n t a l h a r m o n i c L = 1 . 3 m m ) .I n t h e s e c o n d c e l l , L a s s u m e s t h e i n t e r m e d i a t e v a l u e 1 . 1 mm,s u c h t h a t t h e s e c o n d h a r m o n i c i s s t i l l i n t h e s t o p b a n d o f t h ef i l t e r b u t c l o s e t o i t s e d g e . T h e r e l e v a n t d i s p e r s i v e b e h a v i o u r so f t h e u n i t - c e l l a t t e n u a t i o n c o n s t a n t a s a f u n c t i o n o f f a n d f o rt h e d i f f e r e n t L v a l u e s a r e g i v e n i n F i g . 5 .I n F i g . 6 t h e r e f l e c t i o n a n d t r a n s m i s s i o n s c a t t e r i n g p a r a m e t e r sv s . f o f t h e r e s u l t i n g t a p e r e d t h r e e - c e l l f i l t e r c o n f i r m t h a t t h ef u n d a m e n t a l h a r m o n i c i s t r a n s m i t t e d , w h e r e a s s e c o n d a n dt h i r d h a r m o n i c s a r e r e j e c t e d .

F i g . 8 : R e f l e c t i o n a n d t r a n s m i s s i o n s c a t t e r i n g p a r a m e t e r s i nm a g n i t u d e v s . f f o r a t h r e e - c e l l p e r t u r b e d f i l t e r a s i nF i g . 6 w i t h a s y m m e t r i c p a i r o f s h o r t e d t u n i n g s t u b so n t h e s e c o n d c e l l L S w b = 1 . 2 5 m m ) .T h e d i s t a n c e o f t h e i n p u t p o r t f r o m t h e f i l t e r i s a d j u s t e d s ot h a t t h e v a l u e o f X I N a t t h e t h i r d h a r m o n i c m e e t s t h e d e s i g ns p e c i f i c a t i o n s . T h e v a l u e o f t h e r e a c t a n c e a t t h e s e c o n dh a r m o n i c i s i n s t e a d a d j u s t e d b y i n s e r t i n g a p a i r o fs y m m e t r i c a l s t u b s d i r e c t l y o n t h e s e c o n d c e l l o f t h e f i l t e r ,s h o r t e d b y v e r t i c a l v i a s t o r e d u c e t h e i r l e n g t h o n e o f t h e s es t u b s may b e c o n n e c t e d t o a DC s o u r c e t o p o l a r i z e t h e P A ) .I n F i g . 7 , t h e v a r i a t i o n o f t h e i n p u t r e a c t a n c e X I N o f t h e f i l t e ri s s h o w n a s a f u n c t i o n o f t h e s t u b l e n g t h a t t h e s e c o n d a n dt h i r d h a r m o n i c f r e q u e n c i e s ; s u c h i n p u t r e a c t a n c e i s l a r g e l yi n d e p e n d e n t o f t h e v a l u e o f t h e l o a d a t t h e o u t p u t p o r t o f t h ef i l t e r , t h a n k s t o t h e h i g h r e j e c t i o n l e v e l a c h i e v e d a t t h o s ef r e q u e n c i e s . I t c a n b e o b s e r v e d t h a t a v e r y w i d e r a n g e o fv a l u e s f o r X I N c a n b e s y n t h e s i s e d a t t h e s e c o n d h a r m o n i cw h i l e m a i n t a i n i n g t h e v a l u e o f X I N a t t h e t h i r d h a r m o n i cs u b s t a n t i a l l y u n a l t e r e d .

I m Z I N @ 3 f 0. 5

8/13/2019 Baccarelli Et Al. - 2007 - Harmonic-Tuned Patch Active Integrated Antenna For

4/4