dual-polarized ka-band vivaldi antenna array

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Kähkönen, Henri; Ala-Laurinaho, Juha; Viikari, VilleDual-Polarized Ka-Band Vivaldi Antenna Array

Published in:IEEE Transactions on Antennas and Propagation

DOI:10.1109/TAP.2019.2948561

Published: 01/04/2020

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Published under the following license:CC BY

Please cite the original version:Kähkönen, H., Ala-Laurinaho, J., & Viikari, V. (2020). Dual-Polarized Ka-Band Vivaldi Antenna Array. IEEETransactions on Antennas and Propagation, 68(4), 2675-2683. [8894151].https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2948561

https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2948561

https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2948561

I E E E T R A N S A C TI O N S O N A N T E N N A S A N D P R O P A G A TI O N, V O L. 6 8, N O. 4, A P RI L 2 0 2 0 2 6 7 5

D u al- P ol ari z e d K a- B a n d Vi v al di A nt e n n a Arr a yH e nri K ä h k ö n e n , J u h a Al a- L a uri n a h o , a n d Vill e Vii k ari , S e ni o r M e m b e r, I E E E

A bstr a ct — T hi s a rti cl e p r es e nt s a hi g h- p e rf o r m a n c e f ull ym et alli c d u al- p ol a ri z e d wi d e b a n d Vi v al di a r r a y f o r t h e K a - b a n d( 2 6 – 4 0 G H z), w hi c h i s g oi n g t o b e u s e d, f o r e x a m pl e,i n 5 G milli m et e r- w a v e ( m m W a v e) c o m m u ni c ati o n n et w o r k s.A nt e n n a- a r r a y el e m e nts a r e f e d s t r ai g ht f r o m a si n gl e p ri nt e dci r c uit b o a r d ( P C B) t h at all o ws i nt e g r ati n g a cti v e c o m p o n e ntsi n t h e i m m e di at e p r o xi mit y of a nt e n n a el e m e nts. A w h ol e a r r a yc a n b e pl a c e d o n a P C B as a t h r o u g h- h ol e o r s u rf a c e- m o u ntt e c h n ol o g y c o m p o n e nt. T h e a nt e n n a i s si m ul at e d i n a u nit c ellwit h p e ri o di c b o u n d a r y c o n diti o n s a n d i n a n 8 × 8 a r r a y c o n fi g u-r ati o n. T h e si m ul ati o n s s h o w t h at t h e a cti v e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nti s b el o w − 1 0 d B a c r oss t h e e nti r e K a - b a n d a n d t h r o u g h o ut m ostof t h e b e a m-st e e ri n g a n gl es u p t o ± 6 0 ◦ . L o w e r t h a n 3 d B s c a nl os s i s a c hi e v e d i n a p p r o xi m at el y ± 6 0 ◦ r a n g e i n t h e el e m e nt a r ypl a n es a n d ± 5 0 ◦ i n t h e di a g o n al pl a n es. T h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nta n d g ai n of e a c h of t h e f o u r el e m e nt s i n diff e r e nt p a rts oft h e m a n uf a ct u r e d d u al- p ol a ri z e d 8 × 8 a r r a y w e r e m e as u r e da n d si m ul at e d wit h t h e r e m ai ni n g el e m e nts t e r mi n at e d wit ha 5 0 l o a d. T h e m e as u r e d r es ult s f oll o w cl os el y t h e f ull- w a v efi nit e a r r a y si m ul ati o n r es ults; t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt i s l o wa n d t h e el e m e nt p att e r n i s wi d e o v e r t h e e nti r e f r e q u e n c y r a n g e.

I n d e x Ter ms — 5 G, a nt e n n a a r r a y, el e ct r o ni c all y s c a n n e d a r r a y,fl a r e d- n ot c h a nt e n n a, k a - b a n d, p h as e d a r r a y, t a p e r e d sl ot,Vi v al di a nt e n n a, wi d e b a n d.

I. I N T R O D U C T I O N

P H A S E D arr a y s h a v e l o n g b e e n u s e d i n r a d ar, s e n s or,a n d c o m m u ni c ati o n a p pli c a ti o ns w h er e el e ctri c al b e a m

st e eri n g or b e a mf or mi n g is m or e b e n e fi ci al c o m p ar e d t ofi x e d a p ert ur e a n d m e c h a ni c al st e eri n g. T h e m o st pr o n o u n c e db e n e fits of p h a s e d arr a y s ar e virt u all y i n st a nt b e a m st e eri n g,a m or e r o b u st str u ct ur e wit h o ut m o vi n g p arts, s m all er p h y si c alv ol u m e, a n d t h e p o ssi bilit y t o m a ni p ul at e t h e s h a p e of t h e r a di-ati o n p att er n fl e xi bl y. B e a m- st e er a bl e a nt e n n as ar e f or es e e n t ob e p arti c ul arl y u s ef ul i n m a n y a p pli c ati o n s at c e nti m et er- a n dmilli m et er- w a v e ( m m Wa v e) fr e q u e n ci es, s u c h as 5 G, i m a gi n gs y st e m s, i n d u stri al s e n s or s, a n d milit ar y a p pli c ati o n s [ 1] –[ 3].C o n v er g e n c e of t h e s e a p pli c ati o n s is als o f or e s e e n. As a ne x a m pl e, 5 G b as e st ati o n s c o ul d o p er at e as a m ulti- st ati c r a d arf or e n vir o n m e nt al s e n si n g [ 4]. T h e K a - b a n d ( 2 6 – 4 0 G H z) is ofp arti c ul ar i nt er e st, w hi c h, f or e x a m pl e, c o v er s m a n y f or e s e e n5 G m m Wa v e fr e q u e n ci es.

M a n us cri pt r e c ei v e d M ar c h 1 8, 2 0 1 9; r e vis e d S e pt e m b er 1 0, 2 0 1 9; a c c e pt e dO ct o b er 1 2, 2 0 1 9. D at e of p u bli c ati o n N o v e m b er 7, 2 0 1 9; d at e of c ur-r e nt v ersi o n A pril 7, 2 0 2 0. T his w or k w as s u p p ort e d b y S a a b A B.( C orr es p o n di n g a ut h or: H e nri K ä h k ö n e n.)

H. K ä h k ö n e n is wit h t h e D e p art m e nt of E l e ctr o ni cs a n d N a n o e n gi n e eri n g,A alt o U ni v ersit y, 0 2 1 5 0 E s p o o, Fi nl a n d, a n d als o wit h S a a b Fi nl a n d O y,0 0 1 0 0 H elsi n ki, Fi nl a n d ( e- m a il: h e nri. k a h k o n e n @ a alt o. fi).

J. Al a- L a uri n a h o a n d V. Vii k ari ar e wit h t h e D e p art m e nt of El e ctr o ni cs a n dN a n o e n gi n e eri n g, A alt o U ni v ersit y, 0 2 1 5 0 E s p o o, Fi nl a n d.

C ol or v ersi o ns of o n e or m or e of t h e fi g ur es i n t his arti cl e ar e a v ail a bl eo nli n e at htt p://i e e e x pl or e.i e e e. or g.

Di git al O bj e ct I d e nti fi er 1 0. 1 1 0 9/ T A P. 2 0 1 9. 2 9 4 8 5 6 1

Fi g. 1. E x pl o d e d vi e w of t h e pr o p os e d i nt e gr at e d str u ct ur e c o m prisi n gt hr e e disti n cti v e l a y ers: t h e a nt e n n a str u ct ur e, t h e m ultil a y er P C B i n cl u di n gt h e R F- a n d c o ntr ol si g n al p at hs, a n d t he i nt e gr at e d el e ctr o ni cs f e e di n g t h ea nt e n n as.

I n t h e s e n e w a p pli c ati o n s, a s m all a n d l o w- pr o fil e f or mf a ct or is a d v a nt a g e o u s. F or e xa m pl e, t h e i n cr e a si n gl y d e n s eb a s e- st ati o n n et w or k s f or t el e c o m m u ni c ati o n s b e n e fit fr o ms m all a n d i m p er c e pti bl e b as e st ati o n s t h at ar e m or e e asil yd e pl o y e d o n i n d o or a n d o ut d o or w alls. T h e a d v a n c e s i ni nt e gr at e d cir c uits (I Cs) all o w c h e a p er a n d m or e c o m pl e xel e ctr o ni c s e v e n f or l ar g e p h a s e d arr a y s. R e g ar dl e ss of w h et h ert h e p h a s e d arr a y is f ull y di git al or b a s e d o n R F p h a s e s hift er s,at m m Wa v e fr e q u e n ci es, I C c hi p s n e e d t o b e i nt e gr at e d i nt h e cl o s e pr o xi mit y of t h e a nt e n n a el e m e nt t o mi ni mi z e l o ss esi n t h e f e e d n et w or k. T his, i n c o m bi n ati o n wit h a n a nt e n n ad esi g n all o wi n g t h e I Cs t o b e i m pl e m e nt e d cl o s e t o t h ea nt e n n a s, e n a bl e s c o m p a ct p a c k a gi n g f or b ot h t h e a nt e n n a a n dt h e tr a n s c ei v er, f or e x a m pl e, i nt e gr ati n g t h e a nt e n n a a n d t h eel e ctr o ni cs wit h a si n gl e-i nt erf a c e pri nt e d cir c uit b o ar d ( P C B),a s s h o w n i n Fi g. 1. O n t h e d o w n si d e, i nt e gr ati n g a l ar g ea m o u nt of hi g h- p o w er el e ctr o ni c s i n a s m all ar e a cr e at e s h e atw hi c h h as t o b e dissi p at e d. T h e f ull y m et alli c a nt e n n a str u ct ur epr e s e nt e d h er e c o ul d i d e all y b e u s e d a s a h e at si n k t o i n cr e a s eh e at dissi p ati o n.

S o m e r e s e ar c h h a s b e e n d o n e o n p h a s e d arr a y s f or t h eK a - b a n d, b ut t h e p u blis h e d str u ct ur e s d o n ot c o v er t h e e ntir efr e q u e n c y b a n d, h a v e a wi d e e n o u g h s c a n r a n g e, or ar e r at h erb ul k y [ 5] –[ 8]. T h e pr e vi o u sl y st u di e d str u ct ur e s ar e u s u all yv ari ati o n s of mi cr o stri p p at c h a nt e n n a s, o n- c hi p a nt e n n a s,r e fl e ct arr a y s, or l e n s a nt e n n a s. Mi cr o stri p p at c h a nt e n n a s ar ee a s y t o m a n uf a ct ur e b ut u s u all y h a v e a n arr o w b a n d wi dt h a n dmi g ht s uff er fr o m s urf a c e w a v es. O n- c hi p a nt e n n a s u s u all ys uff er fr o m hi g h l o ss es, a n d t h e y ar e h ar d t o m a n uf a ct ur ei n l ar g e c o nti n u o u s arr a y s. R e fl e ct arr a y s a n d l e n s a nt e n n a s,o n t h e ot h er h a n d, ar e l ar g e, u s u all y s uff er fr o m l o w ef fi ci e n c y,a n d d o n ot pr o vi d e a l ar g e b e a m- st e eri n g r a n g e.

T his w or k is li c e ns e d u n d er a Cr e ati v e C o m m o ns Attri b uti o n 4. 0 Li c e ns e. F or m or e i nf or m ati o n, s e e htt ps:// cr e ati v e c o m m o ns. or g/li c e ns e s/ b y/ 4. 0/

https://orcid.org/0000-0002-2251-5350

https://orcid.org/0000-0003-2919-3646

https://orcid.org/0000-0003-1383-3143

2 6 7 6 I E E E T R A N S A C TI O N S O N A N T E N N A S A N D P R O P A G A TI O N, V O L. 6 8, N O. 4, A P RI L 2 0 2 0

Vi v al di a nt e n n a s ar e k n o w n t o b e h a v e w ell i n arr a y s, a n dt h e y h a v e b e e n e xt e n si v el y st u di e d. W hil e Vi v al di a nt e n n aarr a y s u p t o 7 5 G H z h a v e b e e n s h o w n [ 9], p u blis h e d r e s e ar c hpr es e nti n g p erf or m a n c e r es ults a n d a d et ail e d d es cri pti o n oft h e f e e di n g str u ct ur e s, h o w e v er, o nl y c o v er s fr e q u e n ci es u pt o 2 1 G H z [ 9] –[ 1 6]. Us u all y, t h e Vi v al di arr a y s h a v e b e e nm a n uf a ct ur e d u si n g m e s h e d P C Bs of e n d- fir e a nt e n n a s, b utf ull y m et alli c str u ct ur es h a v e als o b e e n st u di e d. F urt h er m or e,t h e Vi v al di a nt e n n a s d o n ot s uff er fr o m s urf a c e w a v es li k em a n y mi cr o stri p a nt e n n a s d o. T h e y c a n al s o h a v e a v er y wi d eb a n d wi dt h, e v e n u p t o 1 2: 1 [ 1 2], m a ki n g t h e m i d e al f or wi d e-b a n d p h a s e d arr a y s. T h e v er y wi d e b a n d wi dt h of t h e Vi v al diarr a y e n a bl es a si n gl e- a nt e n n a d esi g n t o b e u s e d i n m ulti pl en arr o w b a n d a p pli c ati o n s wit hi n t h e o p er ati n g r e gi o n of t h ea nt e n n a, w hi c h d e cr e as es t h e n e e d t o d esi g n m ulti pl e a nt e n n asf or diff er e nt fr e q u e n ci es. F or e x a m pl e, a si n gl e Vi v al di a nt e n n aarr a y c o v eri n g t h e K a - b a n d c o ul d b e u s e d i n 5 G m m Wa v et el e c o m m u ni c ati o n n et w or k s, w hi c h ar e pl a n n e d t o b e o p er at e di n t h e 2 8 a n d 3 8 G H z b a n d s [ 2].

A Vi v al di arr a y c a n b e m a n uf a ct ur e d a s a si n gl e- m et al p art,si m plif yi n g t h e ass e m bl y of t h e a nt e n n a arr a y. A p arti c ul arl yi nt er e sti n g el e m e nt d e si g n pr o p o s e d i n [ 9] a n d [ 1 2] h a s a v er ywi d e b a n d wi dt h a n d w or k s w ell wit hi n t h e s p e ci fi e d ± 4 5 ◦ s c a nr a n g e, b ut t h e l e n gt h of t h e a nt e n n a el e m e nt c a u s es it t os uff er fr o m v er y hi g h p ol ari z ati o n d e gr a d ati o n at t h e hi g h ere n d of t h e s p e ci fi e d fr e q u e n c y r a n g e b e y o n d 4 0 ◦ s c a n i ndi a g o n al pl a n e s. T w o diff er e nt s ol uti o n s h a v e b e e n pr o p o s e dt o c orr e ct t h e p ol ari z ati o n c h ar a ct eristi cs of Vi v al di a nt e n n aarr a y s i n t h e di a g o n al pl a n e. T h e fir st s ol uti o n a d d s a n ot h erl a y er of m at eri al t o r e pl a c e t h e t o p h alf of t h e c o n e s i n t h ea nt e n n a el e m e nts [ 1 5]. T h e d o w n si d e of t his s ol uti o n is t h em or e c o m pl e x str u ct ur e t h at mi g ht r e n d er t his u nf e a si bl e f orfr e q u e n ci es b e y o n d 2 0 G H z d u e t o t h e v er y s m all el e m e ntsi z e. T h e ot h er s ol uti o n u s e d i n [ 1 6] is t o d e cr e as e t h e h ei g htof t h e a nt e n n a el e m e nts. T his s ol uti o n d o e s n ot i n cr e a s e t h ec o m pl e xit y of t h e str u ct ur e b ut h as i n g e n er al a n e g ati v e i m p a cto n t h e b a n d wi dt h of t h e a nt e n n a.

A k e y q u e sti o n f or d e v el o pi n g a nt e n n a arr a y s at m m Wa v efr e q u e n ci es ar e t h e f e e di n g of t h e a nt e n n a el e m e nts, t h ei nt erf a c e b et w e e n t h e el e ctr o ni c s a n d t h e a nt e n n a, a n d t h em e a s ur e m e nts. C o n v e nti o n all y, Vi v al di arr a y s ar e f e d t hr o u g ha s e p ar at e c o n n e ct or f or e a c h a nt e n n a el e m e nt w hi c h h a sall o w e d f or a si m pl e i nt erf a c e. At m m Wa v e fr e q u e n ci e s t h eel e m e nt s p a ci n g is s u c h t h at it is dif fi c ult a n d e x p e n si v e t op o p ul at e all t h e f e e d s wit h s m all c o n n e ct or s. F urt h er m or e,t h e s m all si z e of t h e a nt e n n a el e m e nt li mits t h e r e ali z ati o nof t h e a nt e n n a, es p e ci all y t h e f e e d str u ct ur e, i n cr e a si n g t h ei m p ort a n c e of t h e si n gl e- pi e c e d e si g n a n d l o w c o m pl e xit yof t h e arr a y. Fi n all y, t h e l a c k of c o n n e ct ors dir e ctl y at e a c hel e m e nt c o m pli c at es t h e m e as ur e m e nt a n d c h ar a ct eri z ati o n oft h e a nt e n n a arr a y.

T his arti cl e pr es e nts a n a nt e n n a el e m e nt b a s e d o n a n e arli erst u d y [ 1 7] of a b e a m- st e er a bl e a nt e n n a arr a y i n t h e K a - b a n dwit h a s c a n r a n g e of ± 6 0 ◦ i n t h e el e m e nt ar y pl a n es a n d± 5 0 ◦ o n t h e di a g o n al pl a n e s d e fi n e d b y t h e 3 d B s c a n l o ss.T h e pr e s e nt e d a nt e n n a arr a y c o v er s t h e e ntir e K a - b a n d wit h asi m pl e si n gl e- el e m e nt str u ct ur e a n d a n i nt e gr at e d c o a xi al f e e d.T o t h e a ut h or s’ k n o wl e d g e, t h e pr e s e nt e d a nt e n n a str u ct ur e is

t h e fir st p u blis h e d Vi v al di el e me nt d esi g n wit h m e as ur e m e ntd at a c o v eri n g t h e w h ol e K a - b a n d a n d h a vi n g a b e a m- st e eri n gc a p a bilit y of u p t o ± 6 0 ◦ , wit h n o l ar g e v ari ati o n i n t h e c o- p olp att er n. A d diti o n all y, d u e t o t h e s m all si z e of t h e r a di ati n gel e m e nts a n d t h e i nt e gr at e d c o a xi al f e e d, t h e a nt e n n a arr a yc a n b e i nt e gr at e d dir e ctl y o n a P C B wit h o ut c o n n e ct or s as as urf a c e m o u nt or t hr o u g h- h ol e c o m p o n e nt, all o wi n g t h e a cti v eel e ctr o ni c s a n d t h e a nt e n n a t o b e i nt e gr at e d i n a s m all p a c k a g e.F urt h er m or e, t h e m et al str u ct ur e of t h e a nt e n n a c a n b e u s e d a sa h e at si n k t o c o ol t h e I Cs if i m pl e m e nt e d o n t h e P C B dir e ctl yb e hi n d t h e a nt e n n a arr a y.

T his arti cl e is or g a ni z e d as f oll o ws: t h e a nt e n n a el e-m e nt str u ct ur e a n d it s si m ul at e d p erf or m a n c e ar e pr e s e nt e di n S e cti o n II; t h e m a n uf a ct uri n g m et h o d s, t h e m a n uf a ct ur e da nt e n n a str u ct ur e, a n d t h e m e a s ur e m e nt s et u p ar e pr e s e nt e di n S e cti o n III; f oll o w e d b y t h e m e a s ur e m e nt r e s ults, a c o m-p aris o n t o si m ul ati o n r e s ults, a n d a dis c u ssi o n a b o ut t h e r e s ultsi n S e cti o n I V; a n d S e cti o n V c o n cl u d es t his arti cl e.

II. A N T E N N A S T R U C T U R E A N D S I M U L A T I O N S

A. A nt e n n a El e m e nt St r u ct u r e

T h e o bj e cti v e of t his r es e ar c h w as t o d esi g n a c o m p a ct,d u al- p ol ari z e d a nt e n n a el e m e nt f or p h a s e d- arr a y a p pli c ati o n si n t h e K a - b a n d, s u c h t h at t h e a nt e n n a c o ul d b e i nt e gr at e d o na P C B a s a t hr o u g h- h ol e or s urf a c e- m o u nt c o m p o n e nt wit h o uta d diti o n al c o n n e ct or s. T h e a nt e n n a str u ct ur e f or K a - b a n d w a sfir st st u di e d i n [ 1 7], w h er e t h e f u n d a m e nt al s h a p e a n d o p er a-ti o n of t h e str u ct ur e w er e st u di e d a n d si m ul at e d. T h e Vi v al dia nt e n n a ( als o k n o w n a s a fl ar e d n ot c h or t a p er e d sl ot a nt e n n a)is wi d el y k n o w n t o h a v e a l ar g e b a n d wi dt h b ot h as a si n gl eis ol at e d a nt e n n a a n d i n a n arr a y c o n fi g ur ati o n w h e n c orr e ctl yo pti mi z e d [ 1 8]. I n p h a s e d arr a y s, w h er e t h e Vi v al di el e m e ntsar e pl a c e d cl os e t o e a c h ot h er, t h e m ut u al c o u pli n g b et w e e nt h e el e m e nts is u s e d t o m o dif y t h e i m p e d a n c e e n vir o n m e nta n d t o a c hi e v e c o n c urr e ntl y t h e m at c hi n g of t h e el e m e nt.

I n t h e K a - b a n d, t h e str u ct ur e si z e is s u c h t h at t h e d esi g nis m o stl y dri v e n b y t h e n e e d t o fi n d t h e o pti m u m b et w e e np erf or m a n c e, str u ct ur al str e n gt h, m a c hi ni n g t ol er a n c e s, a n dt h e c o m pl e xit y of t h e str u ct ur e. T h e si z e of a n a nt e n n a- arr a yel e m e nt is li mit e d b y t h e el e m e nt s p a ci n g b et w e e n e a c h el e-m e nt, w hi c h g e n er all y is λ / 2 t o a v oi d a n y gr ati n g l o b es w h e nt h e b e a m is st e er e d. D u e t o t h e s m all si z e of t h e str u ct ur e,t h e pr o p o s e d a nt e n n a arr a y is c o n str u ct e d fr o m a si n gl e m et alp art wit h a n i nt e gr at e d c o a x i al f e e d. T h e a d v a nt a g e of t h esi n gl e- pi e c e m et al c o n str u cti o n ar e si m pl e ass e m bl y of t h em a n uf a ct ur e d p arts a n d ri gi d str u ct ur e. T h e dis a d v a nt a g e sof t h e o n e- pi e c e m et al str u ct ur e is c h all e n gi n g a n d c o stl ym a c hi ni n g, li mit ati o n s i n t h e p o ssi bl e g e o m etri es t h at c a n b et o ol e d, a n d t h at a n y m aj or d ef e ct i n o nl y a s m all n u m b erof el e m e nt s w o ul d n e c e ssit at e t h e m a n uf a ct uri n g of a n e wc o m pl et e arr a y.

T h e d u al- p ol ari z e d u nit- c ell m o d el of t h e pr o p o s e d str u ct ur ef or t h e K a - b a n d a p pli c ati o n s a n d t h e cr o ss s e cti o n of t h er a di ati n g el e m e nts ar e s h o w n i n Fi g. 2. T h e si z e of t h e c a vit y,t h e m e a n d er e d sl otli n e, a n d t h e l e n gt h a n d t h e o p e ni n g r at eof t h e t a p eri n g sl ot w er e o pti mi z e d i n C S T St u di o S uit e.T h e m o st criti c al o pti mi z e d di m e n si o n s ar e s h o w n i n Ta bl e I.T h e a nt e n n a el e m e nt is d e si g n e d, s o t h at a n arr a y of s u c h

K Ä H K Ö N E N et al. : D U A L- P O L A RI Z E D K A - B A N D VI V A L DI A N T E N N A A R R A Y 2 6 7 7

Fi g. 2. M o d el of t h e si m ul at e d str u c t ur e. ( a) Cr oss s e cti o n of t h e a nt e n n ael e m e nt i n a n arr a y c ut al o n g A – A’, ( b) t o p vi e w, a n d ( c) is o m etri c vi e w oft h e d u al- p ol ari z e d u nit- c ell m o d el.

T A B L E I

O P T I M I Z E D M O D E L D I M E N S I O N S

el e m e nt s c o ul d b e att a c h e d t o a n d f e d wit h a si n gl e- pl a n arP C B b e hi n d t h e a nt e n n a arr a y. A d diti o n all y, t h e li mit ati o n si n m a n uf a ct uri n g ar e t a k e n i nt o a c c o u nt, a n d s o m e tr a d e- off sb et w e e n t h e p erf or m a n c e a n d t h e m a n uf a ct ur a bilit y ar e n e c-ess ar y, e. g., wit h r es p e ct t o t h e f e e di n g of t h e a nt e n n a. T h ea nt e n n a f e e d str u ct ur e c o n sists of a v erti c al pi n t h at is br o u g htt hr o u g h t h e a nt e n n a gr o u n d pl a n e as a c o a xi al li n e a n d c o u pl e st o t h e m e a n d er e d sl ot li n e at t h e b as e of t h e el e m e nt. T h em e a n d er e d sl ot li n e h a s a s m all t a p eri n g b ef or e t h e e x p o n e nti alo p e ni n g f or i m pr o v e d m at c hi n g. T h e c ur v e f or t h e e x p o n e n-ti all y o p e ni n g sl ot is a c hi e v e d as f oll o ws:

y = c 1 e R z + c 2 ( 1)

w h er e

c 1 =y 2 − y 1

e R z 2 − e R z 1( 2)

c 2 =y 1 e R z 2 − y 2 e R z 1

e R z 2 − e R z 1( 3)

a n d R is t h e o p e ni n g r at e of t h e t a p er e d sl ot. y 1 a n d z 1 ar et h e c o or di n at es of t h e st arti n g p oi nt of t h e t a p er at t h e e n d oft h e m e a n d er e d li n e s e cti o n a n d y 2 a n d z 2 ar e t h e e n d p oi nts oft h e t a p er.

O n e cr u ci al di m e n si o n is t h e t hi c k n e ss of t h e c o a xi alf e e di n g pi n t o e n s ur e its m e c h a ni c al ri gi dit y. F urt h er m or e,t h e i m p e d a n c e of t h e c o a xi al pi n s h o ul d als o b e c orr e ct t om at c h t h e sl ot li n e, d e fi ni n g t h e r ati o b et w e e n t h e i n n er a n do ut er di a m et er s of t h e c o a xi al f e e d. Ta ki n g t h e s e r e q uir e m e ntsi nt o a c c o u nt, t h e t ot al di a m et er of t h e f e e d is c o n si d er a bl ew h e n c o m p ar e d t o t h e wi dt h of a si n gl e r a di ati n g el e m e nt.T h u s, a m e a n d er e d sl ot li n e a n d a v erti c al f e e di n g pi n,as i n [ 1 2], is u s e d t o k e e p t h e f e e di n g str u ct ur e as si m pl ea n d str u ct ur all y ri gi d as p o ssi bl e. T his ki n d of f e e d str u ct ur ec a n b e fit c o m pl et el y u n d er t h e r a di ati n g p art, w hi c h i n cr e a s e st h e a v ail a bl e s p a c e f or r e ali zi n g it. Usi n g t h e v erti c al f e e d a n dt h e m e a n d er e d sl ot li n e als o e n a bl es t h e w h ol e str u ct ur e t o b em a n uf a ct ur e d fr o m a si n gl e bl o c k of m et al, si m plif yi n g t h eass e m bl y.

B. A nt e n n a Si m ul ati o n s

A u nit c ell wit h a p eri o di c b o u n d ar y c o n diti o n is u s e d t osi m ul at e a n d d esi g n t h e a nt e n n a el e m e nt wit h t h e ass u m pti o nof a n i n fi nit e arr a y s uit a bl e f or a p pr o xi m ati n g l ar g e arr a y s.S u c h a si m ul ati o n c a n b e us e d t o c al c ul at e t h e a cti v e r e fl e cti o nc o ef fi ci e nt a n d t h e a cti v e el e m e nt p att er n of t h e a nt e n n ael e m e nt i n a n i n fi nit e arr a y [ 1 9] –[ 2 1]. If t h e o bj e cti v e is t od e si g n a r el ati v el y l ar g e arr a y, e. g., 8 × 8 or l ar g er, w h er et h e el e m e nts o n t h e e d g e s will h a v e o nl y a s m all eff e ct t o t h et ot al p erf or m a n c e, s u c h a si m ul ati o n pr o vi d e s a g o o d a p pr o x-i m ati o n of t h e p erf or m a n c e of t h e a nt e n n a arr a y. T h e u nit- c ellsi m ul ati o n r es ults ar e pr es e nt e d i n t h e E-, D-, a n d H- pl a n es,w hi c h c orr e s p o n d t o pl a n e s φ = 0 ◦ , φ = 4 5 ◦ , φ = 9 0 ◦ , a n dφ = 1 3 5 ◦ . T h e c o or di n at e s y st e m wit h r e s p e ct t o t h e a nt e n n ais s h o w n i n Fi g. 2( c).

Fi g. 3 s h o ws t h e si m ul at e d a cti v e r e fl e cti o n c o ef fi ci e ntsof t h e o pti mi z e d a nt e n n a el e m e nt i n t h e t hr e e el e m e nt ar ypl a n e s a s a f u n cti o n of fr e q u e n c y a n d t h e st e eri n g a n gl e θ .T h e p erf or m a n c e i n all t h e pr es e nt e d pl a n es ar e q uit e si mil ar,w hi c h i n di c at es t h at t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt of t h e el e m e ntis m or e d e p e n d e nt o n t h e st e eri n g a n gl e θ t h a n o n a n gl e φ .Wit h t h e e x c e pti o n of t h e s m all- e d g e c as es cl os e t o θ = ± 6 0 ◦

at φ = 9 0 ◦ , t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt is b ett er t h a n − 1 0 d Bi n t h e w h ol e st e eri n g a n d fr e q u e n c y r a n g e. T h e ar e a s m ar k e dwit h bl a c k ar e t h e r e gi o n s w h er e t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt isgr e at er t h a n − 1 0 d B, t h e m a xi m u m b ei n g at − 9 d B. T h er e is ami ni m u m i n t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt b et w e e n st e eri n g a n gl es− 4 0 ◦ a n d 4 0 ◦ a p pr o xi m at el y at 3 6 G H z. T h e mi ni m u m i nt h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt is s hift e d t o b el o w 3 0 G H z w h e nt h e arr a y is st e er e d m or e t h a n 4 0◦ . O v er all, t h e o pti mi z e dstr u ct ur e pr o vi d es a s m all r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt b as e d o n t ot h e u nit- c ell si m ul ati o n o v er t h e e ntir e s p e ci fi e d st e eri n g a n dfr e q u e n c y r a n g e.

T h e si m ul at e d c o u pli n g b et w e e n t h e t w o p ol ari z ati o ns isa p pr o x. − 1 5 d B i n t h e br o a d si d e dir e cti o n a n d b el o w − 1 4 d Bf or t h e w h ol e st e eri n g r a n g e. Fi g. 4 s h o ws t h e si m ul at e d c o u-pli n g b et w e e n t h e t w o ort h o g o n al p ol ari z ati o n s i n a n i n fi nit earr a y at θ = 0 ◦ a n d θ = 6 0 ◦ i n t h e E-, D-, a n d H- pl a n es.


Fi g. 3. A cti v e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt o f t h e d esi g n e d a nt e n n a el e m e nt i n t h eu nit- c ell si m ul ati o n i n pl a n es. ( a) φ = 0 ◦ , ( b) φ = 4 5 ◦ , a n d ( c) φ = 9 0 ◦ asa f u n cti o n of t h e st e eri n g a n gl e a n d fr e q u e n c y.

Fi g. 4. C o u pli n g b et w e e n p orts f or ort h o g o n al p ol ari z ati o ns i n E-, H-, a n dD- pl a n es at θ = 0 ◦ a n d θ = 6 0 ◦ .

T h e hi g h e st c o u pli n g is a p pr o x. − 1 4 d B i n D- pl a n e(φ = 1 3 5 ◦ ) at st e eri n g a n gl e θ = 6 0 ◦ .

T h e t ot al ef fi ci e n c y of t h e a nt e n n a arr a y is g e n er all y > 9 0 %w h e n t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e n t a n d t h e c o u pli n g b et w e e n t h e

Fi g. 5. N or m ali z e d c o- (s oli d li n e) a n d cr oss- p ol ari z e d ( d as h e d li n e) r a di ati o np att er ns i n t h e u nit- c ell si m ul ati o n i n t h e E-, D-, a n d H- pl a n es at ( a) 2 6,( b) 3 3, a n d ( c) 4 0 G H z.

p orts f or diff er e nt p ol ari z ati o n s ar e t a k e n i nt o a c c o u nt. Als o,l o w c o n d u ct or l o ss es i n t h e m et al str u ct ur e ar e ass u m e d. T h eef fi ci e n c y f alls s h ort of 9 0 % i n s m all n u m b er of st e eri n g a n gl e scl o s e t o θ = ± 6 0 ◦ w h e n t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt is > − 1 0 d Bor cl o s e t o t h at, w hil e t h e c o u p li n g d e cr e as es t h e ef fi ci e n c y b ya f e w p er c e nt a g e s.

T h e c o- a n d cr o ss- p ol ari z e d c o m p o n e nts of t h e el e m e ntp att er n s si m ul at e d u n d er t h e i n fi nit e- arr a y c o n diti o n at 2 6, 3 3,a n d 4 0 G H z ar e s h o w n i n Fi g. 5. T h e si m ul at e d c o- p olp att er n s ar e s m o ot h a n d s y m m etri c i n t h e E- a n d H- pl a n est hr o u g h o ut t h e fr e q u e n c y r a n g e. I n t h e s e pl a n e s, t h e h alf- p o w erb e a m wi dt h is als o v er y l ar g e — a p pr o xi m at el y 1 2 0 ◦ , w hi c h iscl o s e t o t h e t h e or eti c al b e a m wi dt h of a n i d e al a nt e n n a el e m e nti n a n i n fi nit e arr a y. At 2 6 G H z, t h e cr o ss- p ol is pri m aril yb el o w − 2 0 d B, a n d it is b el o w − 1 5 d B u p t o 4 0 G H z i nt h e E- a n d H- pl a n e s. I n t h e D- pl a n e (φ = 4 5 ◦ ), t h e c o- a n dcr o ss- p ol ari z e d p att er n s ar e s y m m etri c, b ut i n t h e ot h erD- pl a n e ( φ = 1 3 5 ◦ ) t h e p att er n s ar e sli g htl y as y m m etri c d u et o t h e as y m m etr y i n t h e m e a n d er e d f e e d li n e str u ct ur e. I n t h eD- pl a n e s, t h e cr o ss- p ol p att er n i nt er s e ct s t h e c o- p ol at s c a na n gl e s θ = ± 7 3 ◦ , ± 6 3 ◦ , a n d ± 5 5 ◦ at 2 6, 3 3, a n d 4 0 G H z,r es p e cti v el y. O n D- pl a n e φ = 1 3 5 ◦ , w h e n θ is p o siti v e,t h e i nt er s e cti o n o c c ur s e arli er d u e t o t h e as y m m etr y at a n gl esθ = 6 1 ◦ , 5 5◦ , a n d 4 9◦ . I n t h e br o a d si d e dir e cti o n, t h e cr o ss-p ol is − 2 2 d B at 2 6 G H z, w h er e a s at 4 0 G H z it i n cr e a s e st o − 1 8 d B.

T h e t ot al r e ali z e d e m b e d d e d el e m e nt g ai n c a n b e c al c ul at e dfr o m t h e c o- p ol a n d cr o ss- p ol c o m p o n e nts or dir e ctl y fr o m t h e


a cti v e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt u si n g

g r o( θ , φ ) =4 π A

λ 2c o s ( θ )(1 − | R ( θ , φ )|2 ) ( 4)

w h er e A is t h e ar e a o c c u pi e d b y t h e r a di ati n g el e m e nt a n dR ( θ , φ ) is t h e a cti v e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt [ 2 2]. C al c ul ati n gt h e a cti v e el e m e nt p att er n fr o m t h e a cti v e r e fl e cti o n c o eff-i c e nt yi el d s a p att er n t h at is v er y cl o s e t o t h e t h e or eti c alc o s( θ )- distri b uti o n i n si d e t h e st e eri n g r a n g e si n c e t h e r e fl e cti o nc o ef fi ci e nt is l o w ( < − 1 0 d B). I n fi nit e arr a y s, t h e u nif or mit yof c o- a n d cr o ss- p ol p att er n s will s uff er sli g htl y, d e p e n di n go n t h e si z e of t h e arr a y d u e t o e d g e eff e cts. T h e e d g e eff e ctswill sli g htl y d e cr e a s e t h e el e m e nt b e a m wi dt h a n d i ntr o d u c ev ari ati o n s i n t h e p att er n as a f u n cti o n of t h e st e eri n g a n gl e,d e p e n di n g als o o n t h e l o c ati o n of t h e el e m e nt i n t h e arr a y.

F or t h e pr ot ot y pi n g, fi nit e arr a y si m ul ati o n s ar e d o n ef or t h e a nt e n n a el e m e nt s i n f o ur diff er e nt l o c ati o n s i n t h ed u al- p ol ari z e d 8 × 8 arr a y. T h e el e m e nts ar e l o c at e d o n t w odiff er e nt e d g e s, i n t h e c or n er a n d i n t h e mi d dl e of t h e arr a y.T h e r es ults of t h e fi nit e arr a y si m ul ati o n ar e pr es e nt e d a n dc o m p ar e d l at er t o g et h er wit h t h e m e as ur e m e nt r es ults.

III. M A N U F A C T U RI N G A N D M E A S U R E M E N T S E T U P

A d u al- p ol ari z e d 8 × 8 a nt e n n a arr a y pr ot ot y p e w as m a n-uf a ct ur e d t o pr o v e t h at s u c h s m all el e m e nts c a n b e m a c hi n e dwit h o ut m aj or c o m pli c ati o n s a n d t o st u d y h o w w ell t h e m e a-s ur e d p erf or m a n c e of t h e el e m e nts i n diff er e nt p arts of t h earr a y a gr e e wit h t h e si m ul at e d p erf or m a n c e. F o ur el e m e nt si n t ot al ar e e x a mi n e d: o n e i n t h e mi d dl e of t h e arr a y, o n e i nt h e c or n er, a n d t w o i n t h e mi d dl e of t h e e d g e s. T his h el p s t ou n d er st a n d h o w t h e e d g e of t h e arr a y aff e cts t h e p att er n of t h eVi v al di a nt e n n a el e m e nt.

T h e 8 × 8 a nt e n n a arr a y w a s m a n uf a ct ur e d fr o m c o p p eru si n g c o n v e nti o n al milli n g a n d el e ctri c dis c h ar g e m a c hi n-i n g ( E D M) wir e c utti n g. T h e b ul k m at eri al a n d t h e c o a xi alf e e d pi n s w er e fir st m a c hi n e d u si n g c o n v e nti o n al milli n g a n dt h e sl ot li n es a n d t h e c a viti es of t h e Vi v al di el e m e nts t h ate xt e n d t hr o u g h t h e str u ct ur e w er e t h e n c ut wit h E D M wir ec utti n g. T h e m a n uf a ct ur e d a nt e n n a arr a y is s h o w n i n Fi g. 6( a),w h er e t h e ori e nt ati o n of t h e p ol ari z ati o n s a n d t h e el e m e ntn u m b eri n g is s h o w n. T h e f e e di n g pi n s o n t h e b ott o m of t h earr a y ar e s h o w n i n Fi g. 6( b). T h e s h a p e of t h e si n gl e el e m e ntis s e e n i n Fi g. 6( c), a n d t h e r e ct a n g ul ar gri d of el e m e nts isvisi bl e i n Fi g. 6( d). T h e gr o u n d pl a n e is 2. 3 m m t hi c k a n de xt e n d s a p pr o xi m at el y 1 5 m m b e y o n d t h e e d g e s of t h e a nt e n n ael e m e nts a n d i n cl u d e s h ol e s f or m o u nti n g a n d ali g ni n g t h ef e e d P C B t h at is sit u at e d u n d er t h e gr o u n d pl a n e. H ol es f orm o u nti n g t h e a nt e n n a str u ct ur e o n t h e m e a s ur e m e nt h ol d erar e als o sit u at e d o n t h e e d g e s of t h e gr o u n d pl a n e. I n t hisd e m o n str ati o n, t h e c o a xi al f e e di n g pi n s t h at ar e u s e d t o f e e dt h e Vi v al di a nt e n n a s t hr o u g h t h e gr o u n d pl a n e e xt e n d 0. 7 m mf urt h er.

I n t his d e m o n str ati o n, w h er e t h e o bj e cti v e is t o m e a s ur et h e s h a p e of t h e el e m e nt p att er n, t o c o m p ar e t h e m e a s ur e da n d si m ul at e d r e ali z e d g ai n s, a n d t o c o m p ar e t h e si m u-l at e d a n d m e as ur e d r e fl e cti o n c o ef fi ci e nts of t h e s el e ct e del e m e nts, a si m pl e t hr o u g h- h ol e f e e di n g str u ct ur e is s uf fi ci e nt.T h e v erti c all y p ol ari z e d el e m e nts i n p o siti o n s ( 5, 4), ( 6, 1),

Fi g. 6. M a n uf a ct ur e d pr ot ot y p e a nt e n n a a rr a y. ( a) G e n er al i m a g e of t h e str u c-t ur e. ( b) C o a xi al f e e di n g pi ns. ( c) S h ap e of a si n gl e el e m e nt. ( d) R e ct a n g ul argri d arr a n g e m e nt of t h e el e m e nts as s e e n fr o m t h e t o p.

( 1, 1), a n d ( 1, 4) ar e m e a s ur e d. T h e c orr e s p o n di n g f e e di n gli n e s 1, 2, 3, a n d 4 ar e ar e s h o w n i n Fi g. 7. I n t his s et u p,t h e f e e di n g pi n s ar e s ol d er e d t o t h e p a d s o n t h e P C B, w hil et h e P C B gr o u n d pl a n e b et w e e n t h e a nt e n n a a n d t h e s u b str at eis n ot s ol d er e d a n d r eli es o n c a p a citi v e c o u pli n g. I n a ct u alu s e c a s e, w h er e all t h e a nt e n n a el e m e nt s ar e f e d, a s urf a c e-m o u nt e d a nt e n n a is pr ef err e d as t h e t hr o u g h- h ol e d e si g n t a k e su p all t h e l a y er s i n t h e P C B u n d er t h e a nt e n n a.

R o g er s R O 4 3 5 0 B (t = 0. 1 0 1 m m, r = 3 .4 8) is u s e d a st h e s u b str at e d u e t o its wi d e a v ail a bilit y a n d l o w-l o ss t a n g e nt.A tr a n siti o n fr o m a mi cr o stri p li n e t o a c o a xi al li n e si mil art o t h e a nt e n n a str u ct ur e w a s u s e d t o e v al u at e t h e eff e ct oft h e P C B t hi c k n e ss o n t h e m at c hi n g. A t hi n n er s u b str at e w a ss e e n t o r e s ult i n b ett er m at c hi n g i n t h e t hr o u g h- h ol e tr a n siti o n.Si n c e t h e l o ss t a n g e nt of t h e m at eri al is s p e ci fi e d u p t o 1 0 G H z,4 0 m m a n d 6 0 m m t e st mi cr o stri p str u ct ur e s w er e m a n uf a c-t ur e d t o d et er mi n e t h e l o ss es i n t h e mi cr o stri p o n t h e u s e ds u bstr at e i n or d er t o a c c ur at e l y c o m p ar e t h e m e a s ur e d a n dsi m ul at e d g ai n s. T h e l o ss es i n t h e mi cr o stri p d e p e n d o n b ot ht h e l o ss t a n g e nt of t h e s u b str at e a n d t h e s urf a c e r o u g h n e ss oft h e c o p p er. T h e l o ss p er c e nti m et er w as fir st m e a s ur e d fr o m t h e


Fi g. 7. As s e m bl e d pr ot ot y p e. T h e f e e di n g P C B i n cl u di n g mi cr ostri ps a n dt er mi n ati o n r esist ors is pl a c e d b e hi n d t h e a nt e n n a arr a y pr ot ot y p e. T h e l o w ere n d-l a u n c h c o n n e ct or is c o n n e ct e d t o p ort 1 a n d t h e t o p c o n n e ct or t o p ort 4.P orts 2 a n d 3 ar e b et w e e n t h e c o n n e ct ors.

m a n uf a ct ur e d 4 0 m m a n d 6 0 m m l o n g 5 0 mi cr o stri p li n esaft er w hi c h t h e str u ct ur es w er e si m ul at e d wit h t h e n o mi n all o ss t a n g e nt of 0. 0 0 0 3 7 a n d v ar yi n g s urf a c e r o u g h n e ss es. T h em e a s ur e m e nt a n d si m ul ati o n r e s ult s a gr e e w h e n t h e s urf a c er o u g h n e ss is 0. 8 µ m. T h es e v al u es ar e u s e d i n t h e f oll o wi n gsi m ul ati o n s.

T o f e e d t h e s el e ct e d f o ur el e m e nts i n diff er e nt p arts oft h e arr a y, mi cr o stri p li n es ar e u s e d as t h e si g n al p at h fr o mt h e e d g e of t h e P C B t o t h e a nt e n n a el e m e nt. I n or d er t om e a s ur e t h e r a di ati o n p att er n of a si n gl e el e m e nt, t h e ot h erel e m e nts ar e t er mi n at e d t o a m at c h e d l o a d t o a p pr o xi m at et h e i m p e d a n c e e n vir o n m e nt of a f ull y f e d a nt e n n a arr a y.5 0 Vis h a y C H- s eri es 0 4 0 2 t hi n- fil m fli p- c hi p r e sist or sar e u s e d as t h e t er mi n ati o n l o a d s si n c e t h e y ar e r at e d u pt o 5 0 G H z a n d pr o vi d e a d e c e nt t er mi n ati o n m at c hi n g f or t h ep a ssi v e el e m e nts. T h e a ss e m bl e d arr a y is s h o w n i n Fi g. 7 fr o mt h e b ott o m wit h all t h e r e sist or s a n d f e e di n g pi n s s ol d er e d.2. 4 m m e n d-l a u n c h c o n n e ct or s ar e u s e d a s t h e i nt erf a c eb et w e e n c o a xi al c a bl es a n d t h e mi cr o stri p li n es o n t h e P C B.

I V. C O M P A RI S O N O F S I M U L A T E D A N D M E A S U R E D FI N I T E

A R R A Y – R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N

I n t his s e cti o n, t h e fi nit e- arr a y si m ul ati o n s a n d m e as ur e-m e nt s ar e c o m p ar e d. Fir st, t h e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nts fr o me a c h f e e d p ort f e e di n g t h e si n gl e el e m e nt s i n t h e m e a s ur e m e ntpr ot ot y p e ar e m e a s ur e d a n d c o m p ar e d t o t h e si m ul at e d o n e sf or t h e si mil ar si m ul ati o n m o d el of a n 8 × 8 arr a y wit h t h emi cr o stri p li n e f e e d s a n d tr a n siti o n s t o t h e c orr e s p o n di n g c o a x-i al pi n s. T h e m e as ur e d r es ults ar e ti m e g at e d t o e x cl u d e t h er e fl e cti o n s fr o m t h e e n d-l a u n c h c o n n e ct or i n or d er t o c o m p ar et h e m m or e a c c ur at el y t o t h e si m ulati o n s w h er e t h e mi cr o stri p sar e f e d wit h w a v e p orts. Fi n all y, t h e c o- a n d cr o ss- p ol p att er n sf or t h e mi d dl e a n d c or n er el e m e nts ar e s h o w n. T h e r a di ati o np att er n s f or t h e t w o e d g e el e m e nts r e s e m bl e a c o m bi n ati o n oft h e mi d dl e- a n d t h e c or n erel e m e nt p att er n s. T h u s, t h e y ar en ot s h o w n h er e.

T h e si m ul at e d a n d ti m e- g at e d m e as ur e d r e fl e cti o n c o ef-fi ci e nts f or t h e s e f o ur el e m e nts ar e s h o w n i n Fi g. 8. T h es h a p e s of t h e si m ul at e d a n d m e a s ur e d c ur v e s ar e s e e n t o b ecl os e t o e a c h ot h er. T h e m e as ur e d r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt ofa si n gl e el e m e nt w h e n t h e ot h er el e m e nts ar e p assi v e a n dt er mi n at e d d o es n ot dir e ctl y r es ult i n t h e a cti v e r e fl e cti o n c o ef-fi ci e nt b ut s h o ul d als o b e l o w ar o u n d t h e c e nt er of t h e b a n d.T h e si m ul at e d a n d m e as ur e d r e fl e cti o n c o ef fi ci e nts ar e b ett er

Fi g. 8. Si m ul at e d a n d m e as ur e d r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt fr o m t h e e n d oft h e mi cr ostri p li n e f or t h e s el e ct e d el e m e nt w h e n t h e ot h er el e m e nts ar et er mi n at e d.

t h a n − 1 0 d B at l e a st fr o m 2 8 t o 3 5 G H z. T h e si m ul ati o nm o d el is f ull y e q ui v al e nt t o t h e m e a s ur e d pr ot ot y p e, a n d t h u st h e si m ul ati o n r es ults f or t h e a cti v e r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt s h o w ni n Fi g. 3 ar e c o n si d er e d r e alisti c. We r e ali z e d t h at t h e ri p pl ei n t h e m e as ur e d r e fl e cti o n c o ef fi ci e nt is c a us e d b y w ors e-t h a n- e x p e ct e d m at c hi n g i n t h e t er mi n at e d el e m e nts. Si mil arb e h a vi or c a n b e r e pli c at e d i n si m ul ati o n s b y a d di n g s o m ep ar a siti c i n d u ct a n c e a n d c a p a cit a n c e t o t h e i d e al r e sist or p ort s.F or e x a m pl e, e v e n i n a n i d e al c a s e t h e t ot al i m p e d a n c e of t h er e sist or di v er g e s fr o m 5 0 b y m or e t h a n 2 0 % at 4 0 G H zw h e n m o u nt e d [ 2 3].

T h e c o- a n d cr o ss- p ol c o m p o n e nts of t h e si m ul at e d a n dm e a s ur e d g ai n p att er n of t h e mi d dl e el e m e nt ar e s h o w ni n Fi g. 9 at 2 6, 3 3, a n d 4 0 G H z. T h e m e a s ur e d c o- p ol r e s ults oft h e mi d dl e el e m e nt c orr e s p o n d t o t h e si m ul ati o n r e s ults w ellat all t h e pr e s e nt e d fr e q u e n ci es wit h sli g ht a d diti o n al ri p pl ei n t h e m e a s ur e m e nts. T h e m e a s ur e d cr o ss- p ol c o m p o n e nt isg e n er all y at a sli g htl y hi g h er l e v el t h a n t h e si m ul at e d o n ea n d c o nt ai n s a d diti o n al ri p pl e. H o w e v er, t h e g e n er al tr e n dof t h e m e a s ur e d cr o ss- p ol c o m p o n e nt f oll o ws t h e si m ul at e dr es ults. O v er all, t h e si m ul at e d a n d m e as ur e d r es ults i n t h e8 × 8 arr a y r e s e m bl e t h e pr e di ct e d r e s ults pr e s e nt e d pr e vi o u sl yf or t h e i n fi nit e- arr a y c a s e i n Fi g. 5, w h er e o n t h e di a g o n alpl a n es t h e cr oss- p ol l e v el i n cr e as es wit h a l ar g er θ a n gl e. T h el o w er l e v el of m at c hi n g i n t h e t er mi n ati o n r esist a n c e, w hi c hw as alr e a d y n oti c e d i n t h e r e fl e c ti o n c o ef fi ci e nt m e as ur e m e nts,is als o r e s p o n si bl e f or t h e hi g h er m e a s ur e d cr o ss- p ol l e v elc o m p ar e d t o si m ul ati o n r es ults. T h e l e v el of t h e cr o ss- p olc o m p o n e nt i n cr e a s e d e s p e ci all y f or t h e mi d dl e el e m e nt w h e nt h e p ar asiti c i n d u ct a n c e i n t h e r esist ors w as i n cr e as e d i n t h esi m ul ati o n.

As a c o m p aris o n t o t h e mi d dl e el e m e nt, t h e c o- a n dcr o ss- p ol p att er n s f or t h e c or n er el e m e nt i n t h e s a m e f o ur


Fi g. 9. Si m ul at e d a n d m e as ur e d c o- p ol a n d cr oss- p ol of t h e ( 5, 4) el e m e nti n t h e mi d dl e of t h e arr a y at ( a) 2 6, ( b) 3 3, a n d ( c) 4 0 G H z i n t h e E-, H-,a n d D- pl a n es. T h e s a m e li n e t y p e is us e d f or t h e c o- a n d cr oss- p ol p att er nsi n e a c h c as e.

pl a n e s ar e s h o w n i n Fi g. 1 0. T h e p att er n s f oll o w t h e s a m etr e n d as t h e mi d dl e el e m e nt p att er n s, b ut t h e c o- p ol p att er n sar e l e ss u nif or m. A d diti o n all y, t h e cr o ss- p ol l e v el a w a y fr o m

Fi g. 1 0. Si m ul at e d a n d m e as ur e d c o- p ol a n d cr oss- p ol of t h e ( 1, 1) el e m e nti n t h e c or n er of t h e arr a y at ( a) 2 6, ( b) 3 3, a n d ( c) 4 0 G H z i n E-, H-, a n dD- pl a n es. T h e s a m e li n e t y p e is us e d f or c o- a n d cr oss- p ol p att er ns i n e a c hc as e.

t h e arr a y i n cr e as es, w h er e as t o w ar d t h e arr a y it is aff e ct e d l ess.T h e m e a s ur e d p att er n s of t h e c o r n er el e m e nt ar e als o w ell i nli n e wit h t h e si m ul ati o n s.


E v e n t h o u g h t h e pr o p o s e d a nt e n n a str u ct ur e is li mit e d i nsi z e, t h e c o m p aris o n of t h e r e s ults pr o v e t h at t h e m a n uf a c-t uri n g w as s u c c e ssf ul a n d t h e a nt e n n a str u ct ur e c orr e s p o n d sw ell wit h t h e si m ul at e d m o d el. Si n c e c o n n e ct or s c o ul d n otb e u s e d dir e ctl y b e hi n d e a c h a nt e n n a el e m e nt d u e t o it ss m all si z e, t h e P C B wit h t er mi n ati o n r esist or s a n d t h e f e e dli n es t o e a c h m e as ur e d el e m e nt is u s e d. T hi s s ol uti o n is n oti d e al, a n d t h e t er mi n ati o n s d o n ot w or k a s w ell a s i n t h esi m ul ati o n s a n d d e gr a d e t h e r e s ults. T h e v er y cl o s e pr o xi mit yof t h e n ei g h b ori n g el e m e nt f e e d s c o m pli c at e s t h e u s e ofc o n n e ct ors dir e ctl y b e hi n d e a c h el e m e nt, a n d a b ett er s ol uti o nt o c h ar a ct eri z e t h e e m b e d d e d el e m e nt p att er n a n d t h e a cti v er e fl e cti o n c o ef fi ci e nt s h o ul d b e d e v el o p e d. As t h e si z e oft h e 8 × 8 arr a y is still r el ati v el y s m all, t h e m e as ur e d a n dsi m ul at e d e m b e d d e d el e m e nt p att er n s h a v e s o m e ri p pl e b utf oll o w t h e tr e n d of t h e pr e di ct e d p att er n si m ul at e d i n t h e u nitc ell, i. e., i n t h e i n fi nit e- arr a y c o n diti o n.

V. C O N C L U S I O N

A d u al- p ol ari z e d f ull y m et alli c a nt e n n a el e m e nt f or t h eK a - b a n d p h a s e d arr a y wit h a s c a n a n gl e u p t o 6 0 ◦ wit h o utsi g ni fi c a nt p ol ari z ati o n d e gr a d ati o n is d e si g n e d a n d m e a s ur e d.T h e g e n er al s h a p e of t h e a nt e n n a el e m e nt w as o pti mi z e d wit hm a n uf a ct uri n g a n d t h e wi d e b e a m- st e eri n g r a n g e i n mi n d.T h e f ull y m et alli c str u ct ur e a n d v erti c al f e e d pi n t hr o u g ht h e gr o u n d pl a n e all o w hi g h ef fi ci e n c y d u e t o t h e l a c k ofdi el e ctri c s i n t h e a nt e n n a el e m e nt. F urt h er m or e, t h e pr o p o s e di m pl e m e nt ati o n e n a bl e s i nt e gr ati n g a cti v e c o m p o n e nts cl o s e t oe a c h a nt e n n a el e m e nt.

T h e a cti v e r e fl e cti o n c o ef fi ci e n t i n t h e u nit- c ell si m ul ati o nis b ett er t h a n − 1 0 d B t hr o u g h m o st of t h e st e eri n g a n dfr e q u e n c y r a n g e. T h er e is n o s c a n bli n d n e ss i n t h e si m ul at e de m b e d d e d el e m e nt p att er n, a n d t h e br o a d si d e cr o ss- p ol isb et w e e n − 2 2 a n d − 1 8 d B o v er t h e e ntir e fr e q u e n c y r a n g e.As c o m p ar e d t o t h e l o n g Vi v al di el e m e nts of [ 9], t his a nt e n n apr o vi d e s a n i m pr o v e d c o- p ol b e h a vi or f or i n st a n c e as n ull-fr e eb e a m- st e eri n g r a n g e. T his, h o w e v er, c o m e s at t h e e x p e n s eof n arr o w er b a n d wi dt h a n d t h e f urt h er i m pr o v e m e nt of t h ecr o ss- p ol b e h a vi or b y r e d u ci n g t h e el e m e nt h ei g ht w o ul d r e s ulti n a m or e li mit e d b a n d wi dt h.

A n 8 × 8 a nt e n n a arr a y pr ot ot y p e w as m a n uf a ct ur e d a n dt h e r e ali z e d g ai n p att er n s a n d r e fl e cti o n c o ef fi ci e nts of f o urel e m e nts i n diff er e nt p arts of t h e arr a y w er e m e a s ur e d. T h er e fl e cti o n c o ef fi ci e nts fr o m e a c h el e m e nt a n d t h e r a di ati o n p at-t er n s fr o m t h e mi d dl e a n d c or n er el e m e nt s ar e pr e s e nt e d. T h em e a s ur e m e nt r e s ult s a gr e e w el l wit h t h o s e of t h e fi nit e- arr a ysi m ul ati o n s. B ot h i n t h e fi nit e- arr a y si m ul ati o n s a n d i n t h em e as ur e m e nts t h e r e fl e cti o n c o e f fi ci e nt s fr o m t h e s el e ct e d f o urel e m e nts i n t h e p assi v e arr a y ar e b el o w − 1 0 d B b et w e e n2 9 a n d 3 5 G H z.

T his arti cl e c o n c e ntr at e d o n st u d yi n g w h et h er t h e pr o p o s e da nt e n n a el e m e nt s c a n b e m a n uf a ct ur e d, f e d, a n d m e a s ur e ds u c c essf ull y d es pit e t h e s m all si z e of e a c h a nt e n n a el e m e nta n d t h e cl o s e pr o xi mit y of e a c h f e e d p oi nt. E x a mi n ati o nof t h e si n gl e el e m e nts i n t h e s et u p w h er e t h e r e st of t h eel e m e nt s ar e t er mi n at e d c a n b e u s e d t o c o n cl u d e t h at t h eel e m e nt a n d a nt e n n a arr a y w or k w ell w h e n el e ctri c all y st e er e d.

A c c or di n g t o t h es e pr eli mi n ar y r e s ult s, t hi s c o n c e pt s e e m s v er ypr o misi n g f or r e ali zi n g a P C B- m o u nt a bl e hi g h- p erf or m a n c ea nt e n n a el e m e nt s u p p orti n g wi d e b a n d o p er ati o n, t w o p ol ar-i z ati o n s, a n d p a ssi v e c o oli n g. S u c h a nt e n n a s ar e n e e d e d, f ore x a m pl e, i n 5 G a n d s e n si n g a p pli c ati o n s i n t h e K a - b a n d,w h er e s m all p a c k a gi n g a n d wi d e b a n d wi dt h ar e ess e nti al.

T h e c h ar a ct eristi cs of t h e 8 × 8 arr a y wit h a c o m pl et ef e e di n g n et w or k t o c o ntr ol e a c h el e m e nt s e p ar at el y will b est u di e d i n t h e f ut ur e t o f urt h er i n v esti g at e t h e o p er ati o n oft h e a nt e n n a el e m e nts a n d t h e s urf a c e m o u nti n g of t h e a nt e n n aarr a y.

A C K N O W L E D G M E N T

T h e a ut h or s w o ul d li k e t o t h a n k E. K a hr a f or h el pi n g wit ht h e m e c h a ni c al r e ali z ati o n of t h e pr ot ot y p e a n d M. Va aj a f orassisti n g wit h t h e a nt e n n a m e as ur e m e nts. T h e y w o ul d als o li k et o t h a n k t h e Pr oj e ct St e eri n g Gr o u p at S a a b, a n d es p e ci all yH. H olt er, f or dis c u ssi o n s a n d f e e d b a c k d uri n g t h e pr oj e ct.

R E F E R E N C E S

[ 1] J. G. A n dr e ws et al. , “ W h at will 5 G b e ? ” I E E E J. S el. A r e as C o m m u n.,v ol. 3 2, n o. 6, p p. 1 0 6 5 – 1 0 8 2, J u n. 2 0 1 4.

[ 2] T. S. R a p p a p ort et al. , “ Milli m et er w a v e m o bil e c o m m u ni c ati o ns f or 5 Gc ell ul ar: It will w or k! ” I E E E A c c ess, v ol. 1, p p. 3 3 5 – 3 4 9, M a y 2 0 1 3.

[ 3] D. S ol d a ni, P. Air as, T. H o gl u n d, H. R as a n e n, a n d D. D e br e c ht, “ 5 G t ot h e h o m e,” i n P r o c. I E E E 8 5t h Ve h. Te c h n ol. C o nf. ( V T C S pri n g) ,J u n. 2 0 1 7, p p. 1 – 5.

[ 4] R. S. T h o m ä et al. , “ C o o p er ati v e p assi v e c o h er e nt l o c ati o n: A pr o misi n g5 G s er vi c e t o s u p p ort r o a d s af et y,” 2 0 1 8, ar Xi v: 1 8 0 2. 0 4 0 4 1 . [ O nli n e].A v ail a bl e: htt ps:// ar xi v. or g/ a bs/ 1 8 0 2. 0 4 0 4 1

[ 5] T. L a m b ar d, O. L af o n d, M. Hi m di, H. J e ul a n d, S. B oli oli, a n dL. L e C o q, “ K a- b a n d p h as e d arr a y a nt e n n a f or hi g h- d at a-r at e S A T C O M,”I E E E A nt e n n as Wir el ess P r o p a g. L ett., v ol. 1 1, p p. 2 5 6 – 2 5 9, 2 0 1 2.

[ 6] A. C h e n, Y. Z h a n g, Z. C h e n, a n d C. Ya n g, “ D e v el o p m e nt of a K a - b a n dwi d e b a n d cir c ul arl y p ol ari z e d 6 4- el e m e nt mi cr ostri p a nt e n n a arr a y wit hd o u bl e a p pli c ati o n of t h e s e q u e nti al r ot ati o n f e e di n g t e c h ni q u e,” I E E EA nt e n n as Wir el ess P r o p a g. L ett. , v ol. 1 0, p p. 1 2 7 0 – 1 2 7 3, 2 0 1 1.

[ 7] J. H u a n g a n d R. J. P o g or z els ki, “ A K a- b a n d mi cr ostri p r e fl e ct arr a ywit h el e m e nts h a vi n g v ari a bl e r ot ati o n a n gl es,” I E E E Tr a ns. A nt e n n asP r o p a g. , v ol. 4 6, n o. 5, p p. 6 5 0 – 6 5 6, M a y 1 9 9 8.

[ 8] M. V. L u ki c a n d D. S. Fili p o vi c, “I nt e gr at e d c a vit y- b a c k e d K a- b a n dp h as e d arr a y a nt e n n a,” i n P r o c. I E E E A nt e n n as P r o p a g. S o c. I nt. S y m p. ,J u n. 2 0 0 7, p p. 1 3 3 – 1 3 6.

[ 9] R. W. Ki n dt a n d J. T. L o g a n, “ B e n c h m ar ki n g ultr a wi d e b a n d p h as e da nt e n n a arr a ys: Stri vi n g f or cl e ar er a n d m or e i nf or m ati v e r e p orti n gpr a cti c es,” I E E E A nt e n n as P r o p a g. M a g., v ol. 6 0, n o. 3, p p. 3 4 – 4 7,J u n. 2 0 1 8.

[ 1 0] H. H olt er, “ D u al- p ol ari z e d br o a d b an d arr a y a nt e n n a wit h B O R- el e m e nts,m e c h a ni c al d esi g n a n d m e as ur e m e nts,” I E E E Tr a ns. A nt e n n as P r o p a g.,v ol. 5 5, n o. 2, p p. 3 0 5 – 3 1 2, F e b. 2 0 0 7.

[ 1 1] H. H olt er, T.- H. C hi o, a n d D. H. Sc h a u b ert, “ E x p eri m e nt al r es ults of1 4 4- el e m e nt d u al- p ol ari z e d e n d fi r e t a p er e d-sl ot p h as e d arr a ys,” I E E ETr a ns. A nt e n n as P r o p a g. , v ol. 4 8, n o. 1 1, p p. 1 7 0 7 – 1 7 1 8, N o v. 2 0 0 0.

[ 1 2] R. W. Ki n dt a n d W. R. Pi c kl es, “ Ultr a wi d e b a n d all- m et al fl ar e d-n ot c h arr a y r a di at or,” I E E E Tr a ns. A nt e n n as P r o p a g., v ol. 5 8, n o. 1 1,p p. 3 5 6 8 – 3 5 7 5, N o v. 2 0 1 0.

[ 1 3] S. Li vi n gst o n a n d J. J. L e e, “ A l o w pr o fil e wi d e b a n d d u al- p ol arr a ywit h c oi n ci d e nt p h as e c e nt er f or n e xt g e n er ati o n r a d ars,” i n I E T I nt.C o nf. R a d ar S yst. ( R a d ar) , O ct. 2 0 1 2, p p. 1 – 5.

[ 1 4] D. H. S c h a u b ert, S. K ast uri, A. O. B or yss e n k o, a n d W. M. Els all al,“ Vi v al di a nt e n n a arr a ys f or wi d e b a n d wi dt h a n d el e ctr o ni c s c a n ni n g,”i n P r o c. 2 n d E ur. C o nf. A nt e n n as P r o p a g. ( E u C A P) . E dis o n, NJ, U S A:I E T, N o v. 2 0 0 7, p p. 1 – 6.

[ 1 5] R. Ki n dt, R. Mit al, J. L o g a n, a n d M. Vo u v a kis, “ D u al- p ol ari z e d sli c e dn ot c h arr a y — Ultr a- wi d e b a n d fl ar es wit h e x c e pti o n al p ol ari z ati o n c o n-tr ol,” i n P r o c. I E E E I nt. S y m p. P h as e d A rr a y S yst. Te c h n ol. ( P A S T) ,O ct. 2 0 1 6, p p. 1 – 5.

[ 1 6] J. J. L e e, S. Li vi n gst o n, a n d R. K o e ni g, “ A l o w- pr o fil e wi d e- b a n d ( 5: 1)d u al- p ol arr a y,” I E E E A nt e n n as Wir el ess P r o p a g. L ett., v ol. 2, p p. 4 6 – 4 9,2 0 0 3.


[ 1 7] H. K ä h k ö n e n, “ P h as e d a nt e n n a arr a y f or 2 6 – 4 0 G H z b a n d,”M. S. t h esis, D e pt. R a di o S ci. E n g., A alt o U ni v., E s p o o, Fi nl a n d,2 0 1 7.

[ 1 8] J. S hi n a n d D. H. S c h a u b ert, “ A p ar a m et er st u d y of stri pli n e-f e d Vi v al din ot c h- a nt e n n a arr a ys,” I E E E Tr a ns. A nt e n n as P r o p a g., v ol. 4 7, n o. 5,p p. 8 7 9 – 8 8 6, M a y 1 9 9 9.

[ 1 9] W. Was yl ki ws k yj a n d W. K. K a h n, “ El e m e nt p att er ns a n d a cti v er e fl e cti o n c o ef fi ci e nt i n u nif or m p h as e d arr a ys,” I E E E Tr a ns. A nt e n n asP r o p a g. , v ol. A P- 2 2, n o. 2, p p. 2 0 7 – 2 1 2, M ar. 1 9 7 4.

[ 2 0] D. M. P o z ar, “ A r el ati o n b et w e e n t h e a cti v e i n p ut i m p e d a n c e a n d t h ea cti v e el e m e nt p att er n of a p h as e d arr a y,” I E E E Tr a ns. A nt e n n as P r o p a g.,v ol. 5 1, n o. 9, p p. 2 4 8 6 – 2 4 8 9, S e p. 2 0 0 3.

[ 2 1] D. M. P o z ar, “ T h e a cti v e el e m e nt p att er n,” I E E E Tr a ns. A nt e n n asP r o p a g. , v ol. 4 2, n o. 8, p p. 1 1 7 6 – 1 1 7 8, S e p. 1 9 9 4.

[ 2 2] P. H a n n a n, “ T h e el e m e nt- g ai n p ar a d o x f or a p h as e d-arr a y a nt e n n a,”I E E E Tr a ns. A nt e n n as P r o p a g., v ol. 1 2, n o. 4, p p. 4 2 3 – 4 3 3,J ul. 1 9 6 4.

[ 2 3] Vis h a y. ( F e b. 2 0 1 8). Hi g h Fr e q u e n c y 5 0 G Hz T hi n Fil m C hi p R esis-t or, C H D at as h e et. A c c ess e d: F e b. 8, 2 0 1 8. [ O nli n e]. A v ail a bl e:htt ps:// w w w. vis h a y. c o m/ d o cs/ 5 3 0 1 4/ c h. p df

H e n ri K ä h k ö n e n w as b or n i n L o hj a, Fi nl a n d,i n 1 9 8 9. H e r e c ei v e d t h e B. S c.(t e c h.) a n d t h eM. S c.(t e c h.) d e gr e es i n el e ctri c al e n gi n e eri n g fr o mA alt o U ni v ersit y, E s p o o, Fi nl a n d, i n 2 0 1 5 a n d2 0 1 7, r es p e cti v el y. H e is c urr e ntl y p urs ui n g t h eD. S c.(t e c h.) d e gr e e wit h S a a b A B, H elsi n ki, Fi nl a n d,a n d wit h t h e D e p art m e nt of El e ctr o ni cs a n d N a n o-e n gi n e eri n g, S c h o ol of El e ct ri c al E n gi n e eri n g, A alt oU ni v ersit y.

H e h as b e e n a R es e ar c h Assist a nt wit h A alt oU ni v ersit y si n c e 2 0 1 6. His c urr e nt r es e ar c h i nt er ests

i n cl u d e wi d e b a n d, b e a m st e er a bl e a nt e n n a arr a ys, a n d es p e ci all y at milli m et erw a v e s p e ctr u m.

J u h a Al a- L a u ri n a h o r e c ei v e d t h e Di pl o m a E n gi-n e er ( M. S c.) d e gr e e i n m at h e m ati cs a n d t h eD. S c.(t e c h.) d e gr e e i n el e ctri c al e n gi n e eri n g fr o m t h eH elsi n ki U ni v ersit y of Te c h n ol o g y ( T K K), E s p o o,Fi nl a n d, i n 1 9 9 5 a n d 2 0 0 1, r es p e cti v el y.

H e h as b e e n wit h T K K, c urr e ntl y A alt o U ni v ersit y,s er vi n g wit h t h e R a di o L a b or at or y fr o m 1 9 9 5 t o2 0 0 7, t h e D e p art m e nt of R a di o S ci e n c e a n d E n gi-n e eri n g fr o m 2 0 0 8 t o 2 0 1 6, a n d c urr e ntl y wit ht h e D e p art m e nt of El e ctr o ni cs a n d N a n o e n gi n e eri n g.I n 1 9 9 5, h e w as a R es e ar c h Assist a nt. Si n c e 1 9 9 6,

h e h as b e e n a R es e ar c h Ass o ci at e. H e is c urr e ntl y a St aff S ci e ntist. H e h asb e e n a R es e ar c h er a n d a Pr oj e ct M a n a g er i n m a n y milli m et er w a v e t e c h n ol o g yr el at e d pr oj e cts. His c urr e nt r es e ar c h i nt er ests i n cl u d e a nt e n n as a n d a nt e n n am e as ur e m e nt t e c h ni q u es f or milli m et er a n d s u b milli m et er w a v es, a n d t h emilli m et er w a v e i m a gi n g.

Vill e Vii k a ri ( S’ 0 6 – A’ 0 9 – M’ 0 9 – S M’ 1 0) w asb or n i n E s p o o, Fi nl a n d, i n 1 9 7 9. H e r e c ei v e dt h e M. S c.(t e c h.) d e gr e e a n d t h e D. S c.(t e c h.)d e gr e e ( H o ns.) i n el e ctri c al e n gi n e eri n g fr o m t h eH elsi n ki U ni v ersit y of Te c h n ol o g y ( T K K), E s p o o,i n 2 0 0 4 a n d 2 0 0 7, r es p e cti v el y.

Fr o m 2 0 0 1 t o 2 0 0 7, h e w as wit h t h e R a di o L a b or a-t or y, T K K, w h er e h e st u di e d a nt e n n a m e as ur e m e ntt e c h ni q u es at s u b milli m et er w a v el e n gt hs a n da nt e n n a p att er n c orr e cti o n t e c h ni q u es. Fr o m 2 0 0 7t o 2 0 1 2, h e w as a R es e ar c h S ci e ntist a n d a S e ni or

S ci e ntist wit h t h e V T T Te c h ni c al R es e ar c h C e ntr e, E s p o o, w h er e his r es e ar c hi n cl u d e d wir el ess s e ns ors, R FI D, r a d ar a p pli c ati o ns, M E M S, a n d mi cr o w a v es e ns ors. H e is c urr e ntl y a n Ass o ci at e Pr of ess or a n d t h e D e p ut y H e a d oft h e D e p art m e nt wit h t h e S c h o ol of El e ctri c al E n gi n e eri n g, A alt o U ni v ersit y,E s p o o. His c urr e nt r es e ar c h i nt er ests i n cl u d e a nt e n n as f or m o bil e n et w or ks,R F- p o w er e d d e vi c es, a n d a nt e n n a m e as ur e m e nt t e c h ni q u es.

Dr. Vii k ari w as a r e ci pi e nt of t h e Y o u n g R es e ar c h er A w ar d i n 2 0 1 4 b y t h eFi n nis h F o u n d ati o n f or Te c h n ol o g y Pr o m oti o n, t h e I E E E S e ns ors C o u n cil2 0 1 0 E arl y C ar e er G ol d A w ar d, t h e 2 0 0 8 Y o u n g S ci e ntist A w ar d of t h eU R SI X X XI Fi n nis h C o n v e nti o n o n R a di o S ci e n c e, E s p o o, a n d t h e B estSt u d e nt P a p er A w ar d of t h e a n n u al s y m p osi u m of t h e A nt e n n a M e as ur e m e ntTe c h ni q u es As s o ci ati o n, N e w p or t, RI, U S A, i n O ct o b er 3 0, 2 0 0 5 a n dN o v e m b er 4, 2 0 0 5. H e h as s er v e d as t h e C h air of t h e Te c h ni c alPr o gr a m C o m mitt e e at t h e E S A W or ks h o p o n Milli m et er- Wa v e Te c h n ol o g ya n d A p pli c ati o ns a n d t h e Gl o b al S y m p osi u m o n Milli m et er Wa v es ( G S M M)t wi c e, i n 2 0 1 1 a n d 2 0 1 6, E s p o o.

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