[論文レビュー] Design of Maximum-Gain Dielectric Lens Antenna via Phase Center Analysis

Khadimul Islam, Arjuna Madanayake+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 12被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、位相中心解析に基づく手法を提案し、ミリ波帯のマイクロストリップアンテナアレイに対して、励振源からの計算された距離にデイエレクトリックレンズを配置することで、最大利得を得るための配置最適化を実現する。この手法により、従来のレンズを励振源に直接配置する構成と比較して約25%の利得向上が達成され、効率的放射面積と指向性が顕著に向上する。

ABSTRACT

In this work, a method is presented to maximize the obtained gain from millimeter-wave (mm-wave) lens antennas using phase center analysis. Commonly, for designing a lens antenna, the lens is positioned just on top of the antenna element which is not capable of providing the maximum gain/aperture efficiency. A novel solution method is proposed where the lens will be placed at a distance calculated using phase center analysis to produce the maximum gain from the system. A mm-wave microstrip antenna array is designed and the proposed method is applied for the gain enhancement. Simulation results suggest that the propose scheme obtains around 25% gain enhancement compared to the traditional method.

研究の動機と目的

• 従来の誘電レンズアンテナではレンズを励振源に直接配置しているが、その場合利得と効率的放射面積が最適でない問題を解決すること。
• ミリ波帯のレンズアンテナで利得を最大化するための、レンズ位置を決定する体系的な手法を開発すること。
• 位相中心解析を用いて、レンズと励振源アレイ間の理想的な間隔を計算すること。
• ミリ波帯のマイクロストリップアンテナアレイを用いたシミュレーションにより、提案手法の妥当性を検証すること。
• 従来のレンズを励振源に直接配置する構成と比較して、顕著な性能向上を示すこと。

提案手法

• 本手法は、誘電レンズと励振源アレイ間の最適距離を特定するために位相中心解析を採用する。
• 励振源アレイの位相中心を計算し、波面形状を制御するための有効放射点を特定する。
• レンズの位相中心が励振源の位相中心と一致するように配置することで、球面波面を形成し、指向性を最大にする。
• ミリ波帯のマイクロストリップアンテナアレイを励振源として設計し、電磁界シミュレーションを用いて利得向上を検証する。
• 提案されたレンズ配置と従来の励振源上配置構成との間で利得性能を比較する。
• 本手法は電磁界理論を活用し、波面収束の最適化により利得を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波帯システムにおいて、誘電レンズと励振源アレイとの間で利得を最大化するための最適距離は何か？
• RQ2 励振源とレンズの位相中心を一致させることで、効率的放射面積と指向性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 位相中心解析を用いてレンズを励振源から離して配置することで、どの程度利得を向上させられるか？
• RQ4 本手法は、従来のレンズを励振源に直接配置する構成と比較して、利得および指向性の面でどのように異なるか？
• RQ5 レンズの配置が、誘電レンズアンテナにおける波面形状とビーム集光に与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は、従来のレンズを励振源に直接配置する構成と比較して、約25%の高い利得を達成する。
• 利得の向上は、最適なレンズ配置による波面形状の改善と位相整合に起因する。
• 位相中心解析により、指向性を最大にするための最適なレンズ-励振源距離を正確に特定できる。
• 位相エラーと波面歪みを最小限に抑えることで、本手法は効率的放射面積を顕著に向上させる。
• シミュレーション結果から、レンズは励振源の上に直接配置するのではなく、計算された距離に配置する必要があることが確認され、ピーク性能が得られる。
• 本手法は、ミリ波帯のマイクロストリップアンテナアレイを用いて検証され、一貫性があり測定可能な性能向上が示された。