Multistep transitions from microstrip and GCPW lines to SIW in 5G 26 GHz band

Abstract

Las guías de onda integradas en sustrato (SIW) son un tema de interés para muchos investigadores, debido a su manejo de potencia y compatibilidad con las técnicas de procesamiento planar. Estas ventajas hacen de esta tecnología una candidata atractiva para las aplicaciones en la quinta generación de redes celulares (5G). Así, las transiciones desde tecnologías planares más comunes a SIW se han diseño para obtener un buen rendimiento. En estas transiciones se han empleado diversas técnicas, desde el uso de agujeros a sondas para la inclusión de elementos concentrados. Nosotros proponemos el uso de disminuciones graduales multipaso para obtener un rendimiento mejor, optimizando los diseños para la banda 5G n258. Como resultado, se han optimizado, medido y comparado con las simulaciones, varias configuraciones de transiciones. El proceso de diseño se realiza utilizando una aproximación heurística, simplemente aumentanto el número de iteraciones. La optimización de dieciseis topologías de transiciones (cuatro configuraciones diferentes, con cuatro números diferentes de pasos) se lleva a cabo mediante simulación electromagnética en CST Microwave Studio. Se presenta una comparación entre la respuesta de los diferentes diseños, el número de iteraciones y el número de iteraciones utilizadas para obtenerlas. Se han realizado simulaciones con un método de resolución propio de onda completa para validar las transiciones. Todas las transiciones se han fabricado en una placa de tecnología de circuito impreso de bajo coste en Rogers 4003C. Una configuración de microtira a SIW en 4 pasos, testeada como un prototipo de extremo a extremo, presenta una pérdida de inserción entre 2.0 dB y 2.2 dB y una pérdida de retorno mejor que 20 dB, desde 24.25 GHz a 26.5 GHz, incluyendo el efecto de los conectores terminación. Otra configuración GCPW a SIW de tres pasos, testada también como un prototipo de extremo a extremo, muestra una pérdida de retorno experimental de 13 dB de 24 GHz a 26.5 GHz y una pérdida de inserción entre 2.6 dB y 2.9 dB. El rendimiento general de las dieciseis configuraciones valida la utilidad del proceso de diseño propuesto.

Substrate integrated waveguides (SIW) are a topic of interest for many researchers, due to their power handling capabilities and compatibility with planar processing techniques. These advantages make this technology an attractive candidate for fth generation of cellular networks applications (5G). Thus, transitions from more common planar technologies to SIW have been designed to obtain a good performance. Several techniques have been used in these transitions, from the use of via holes as probes to the inclusion of lumped elements. We propose the use of cascaded linear tapers as a multistep transition in order to obtain a better performance, optimizing the designs for the 5G n258 band. As result, several transition con gurations are optimized, measured and compared to simulations. The design process is performed using an heuristic approach, by just increasing the number of iterations. The optimization of sixteen transition topologies (four different con gurations, with four different numbers of steps), is carried out by electromagnetic simulation in CST Microwave Studio. A comparison between the response of the different designs, and the number of iterations used to obtain them, is also presented. Simulations with an in-house full-wave solver are performed to validate the transitions. All the transitions have been manufactured in a low-cost single-layer printed circuit board technology on Rogers 4003C. A microstrip-to-SIW 4-step con guration, tested as a back-to-back prototype, exhibits an insertion loss between 2:0 dB and 2:2 dB and a return loss better than 20 dB dB, from 24:25 GHz to 26:5 GHz, including the effect of the end-launch connectors. Another GCPW-to-SIW 3-step con guration, tested also as a back-to-back prototype, experimentally shows from 24 GHz to 26:5 GHz a minimum return loss of 13 dB, and an insertion loss between 2:6 dB and 2:9 dB. The overall performance of the sixteen con gurations validates the usefulness of the proposed design process.