[論文レビュー] Holographic Amplitude-Modulated (AM) Leaky-Wave Antennas for Near-Field and Far-Field Applications

Geng‐Bo Wu, Ka Fai Chan+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Microwave Engineering and Waveguides被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、近場および遠方応用の両方を想定した、ホログラフィックな振幅変調（AM）漏れ波アンテナ（LWA）フレームワークを提案する。振幅変調をホログラフィック記録プロセスとして扱うことで、進行波の変動から同時に振幅および位相情報を抽出可能となり、2つのミリ波帯の基板内埋め込みインセット誘電波ガイド（IDW）を用いたLWAによって検証された。両アンテナは高い利得（14.2 dBi）と近場集中（30 dBの直接性）を達成した。

ABSTRACT

Amplitude-modulated (AM) leaky-wave antenna (LWA), a concept following amplitude modulation technique from classical communications theory, is a promising structure that enables transforming traveling wave into the radiating wave. In this paper, we provide a different perspective based on the classical holographic theory to gain insight into the physical mechanism of AM LWA and design novel LWAs. In analogy to the classical optical Gabor hologram, we demonstrate that only the amplitude variation of the traveling wave is needed to record both the amplitude and phase information of the object wave. The consistency between the holography theory and previous spatial spectrum approach for explaining AM LWA operating mechanism is also demonstrated. For validation purpose, two novel millimeter-wave (mmW) holographic AM LWAs based on the substrate integrated inset dielectric waveguide (IDW) are designed. The first one is for far-field high-gain applications while the second is for near-field focusing (NFF) applications. Both simulated and measured results demonstrate the effectiveness of the AM holography theory for AM LWAs analysis and design.

研究の動機と目的

• 振幅変調（AM）漏れ波アンテナ（LWA）の物理的メカニズムを理解するためのホログラフィック理論的枠組みを確立すること。
• 古典的ホログラフィー理論と既存の空間スペクトル解析を統合し、AM LWAの動作を橋渡しすること。
• 基板内埋め込みインセット誘電波ガイド（IDW）を用いた新しいミリ波（mmW）LWAを設計・検証し、遠方高利得および近方集中応用の両方を実現すること。
• 実際のミリ波構成におけるシミュレーションおよび測定結果を通じて、ホログラフィックAM手法の有効性を実証すること。

提案手法

• 進行波の振幅変調を、光のガボールホログラフィーと類似する、振幅および位相の両方を記録する媒体として扱うホログラフィックアナロジーを採用する。
• 励起波の振幅変動が物体波の複素振幅分布を符号化するホログラフィック系としてAM LWAを定式化する。
• 空間スペクトル法を補完的手法として用い、ホログラフィック解釈の妥当性を検証し、波動伝搬および放射メカニズムにおける一貫性を確認する。
• 基板内埋め込みインセット誘電波ガイド（IDW）を用いて2つのmmW LWAを設計：1つは遠方高利得放射用、もう1つは近方集中用。
• フル波動電磁界シミュレーションおよび実験的測定を用いて両設計を実装・検証し、ホログラフィックAM理論の妥当性を検証する。
• ホログラフィックモデルを用いて放射パターン、ビーム幅、直接性を予測し、従来のLWA設計手法と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的ホログラフィー理論は、振幅変調漏れ波アンテナの動作を説明するために適用可能か？
• RQ2 進行波の振幅変調が、放射電波の振幅および位相情報を同時に抽出するメカニズムは何か？
• RQ3 ホログラフィックモデルと空間スペクトル法は、AM LWAの放射メカニズムを記述する上で一貫性を示すか？
• RQ4 ホログラフィックAM手法は、実用的なmmW LWAを、遠方高利得および近方集中応用の両方に対して設計するために使用可能か？
• RQ5 このホログラフィック設計フレームワークを用いることで、実際のmmWハードウェアで達成可能な性能指標（利得、直接性、ビーム幅）は何か？

主な発見

• ホログラフィックAMモデルは、振幅変調進行波から振幅および位相情報の二重抽出を物理的に説明でき、その根拠を裏付けた。
• 空間スペクトル法とホログラフィック理論は、AM LWAの放射パターンおよびビーム特性を予測する上で一貫性のある結果をもたらした。
• 遠方用AM LWAはピーク利得14.2 dBiを達成し、高利得通信システムに適した高い直接性を示した。
• 近方集中AM LWAは30 dBの直接性を達成し、近方領域におけるビーム集中が有効に実現されたことを確認した。
• 両設計のシミュレーション結果と測定結果は強く一致しており、ホログラフィックAM設計フレームワークの正確性が検証された。
• ホログラフィック手法により、同一の物理的原理を基盤に近方および遠方応用の両方を統合的に設計する手法が可能になった。