[論文レビュー] Millimeter-Wave Integrated Side-Fire Leaky-Wave Antenna and its Application as a Spectrum Analyzer

Daniel J. King, Mohamed K. Emara+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、基板内波導（SIW）技術と統合された新規な側面放射型漏れ波アンテナ（LWA）を用いた、60 GHz帯で動作する低プロファイルでシールド付きのアナログ mm 波スペクトラムアナライザを提案する。LWAは、直列に接続された整合T字結合部に横方向のノッチ（または誘導性ポスト）を設け、対称性を破り、停止域を抑制するとともに、背面からボトムス方向への連続放射を可能にする。これにより、アンテナ面上での周波数スキャンに起因する漏れ放射が実現される。実験的検証により、59–66 GHz帯で1 GHzの周波数分解能を達成し、リアルタイムスペクトラム解析に適したコンパクトで完全シールド付き、近似焦点化ビーム構造を有する設計を実証した。

ABSTRACT

An analog, low-profile and shielded spectrum analyzer is proposed for operation at mm-wave frequencies around the 60 GHz band based on a novel side-fire Leaky-Wave Antenna (LWA) configuration. The proposed side-fire periodic LWA is systematically developed from a conventional 3-port waveguide T-junction which is modified to a LWA unit cell with an internal matching mechanism to suppress the stop-band and enable broadside radiation based on unit cell symmetry considerations. The resulting periodic side-fire antenna radiates in the plane of the antenna, whereby the leakage power be either be allowed to radiate in free-space or kept confined inside a PPW structure. The proposed side-fire structure thus can be completely shielded useful as an analog broadband spectrum analyzer using Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology. Furthermore, a convex side-fire antenna is demonstrated to focus the radiated beams in the near-field of the structure to make the entire system compact. The integrated spectrum analyzer is experimentally demonstrated between 59 GHz - 66 GHz providing 1 GHz frequency resolution. Furthermore, a simple mathematical model consisting of array of line sources is proposed to efficiently model the beam-scanning characteristics of the curved side-fire LWA in the near-field of the structure.

研究の動機と目的

• 従来のデジタルまたは非シールドRFシステムが抱えるEMIおよび統合課題を克服するため、特に60 GHz帯を対象とした低プロファイルで完全シールド付きのアナログスペクトラムアナライザの開発を目的とする。
• 高周波数帯域における従来のデジタルスペクトラムアナライザの欠点（高レイテンシーや複雑なデジタル処理）を解消するため、アナログ的手法を用いたリアルタイムソリューションを提案する。
• 背面からボトムス方向への滑らかな放射を可能にするために、横方向のノッチを介した内部整合を実現する新規な側面放射型LWAの設計を目的とする。
• 標準PCBプロセスと互換性を持つ凸型アンテナ形状による近似焦点化ビームを用いて、コンパクトで完全統合型のスペクトラムアナライザを実現することを目的とする。
• 曲がったLWAの近似領域放射パターンを的確に予測可能な、アレイ型線源に基づく高速で解析的なビームスキャンモデルの構築を目的とする。

提案手法

• 側面放射型LWAは、対称性を破り停止域を抑制するため、横方向のノッチ（または誘導性ポスト）を有する整合T字結合部を直列に接続することで設計される。これにより、背面からボトムス方向への連続放射が可能となる。
• ユニットセルは固有モード解析を用いて最適化され、インピーダンス整合とボトムス放射を確保する。ノッチの寸法と位置は、反射を最小限に抑え、最大の漏れ放射を実現するように調整される。
• LWAは平行板波ガイド（PPW）構造に統合され、放射エネルギーを完全に閉じ込めることで、EMIを排除し、シールド付きで低プロファイルなシステムを実現する。
• アンテナ構造に凸型の曲率を導入することで、近似領域での放射ビームを焦点化し、システム全体のサイズを縮小しながらもビームの指向性を維持する。
• 近似領域におけるビームスキャン特性を的確に予測可能な、簡素な線源アレイに基づく数学的モデルが開発され、迅速な設計反復が可能となる。
• システムはArlon DiClad 880基板を用いたSIW技術で実装され、材料定数（εr = 2.08、tan δ = 0.003）を実験的に測定し、シミュレーションの精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的LWA構造における停止域をどのように抑制すれば、背面からボトムス方向への連続放射を実現できるか？
• RQ2 平面内放射を実現する側面放射型LWA構成を設計することで、mm波帯におけるリアルタイムスペクトラム解析が可能になるか？
• RQ3 曲率による近似焦点化ビームを用いることで、周波数分解能を維持したままmm波スペクトラムアナライザのサイズをどの程度まで縮小できるか？
• RQ4 簡素な線源アレイモデルは、曲がった側面放射型LWAの近似領域ビームスキャン特性をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 SIWとPPW統合を用いて、完全シールド付きで低プロファイルなアナログスペクトラムアナライザをmm波応用に実現できるか？

主な発見

• 提案された側面放射型LWAは、ノッチによる横方向非対称性を導入することで停止域を抑制し、背面からボトムス方向への滑らかな放射を実現し、最小限のリターンロスを達成した。
• 実装されたスペクトラムアナライザは59 GHz～66 GHzの周波数帯で正常に動作し、測定された周波数分解能は約1 GHzであり、リアルタイムの空間的・スペクトル的分解能を実現した。
• 動作帯域全体で平均透過損失が-20 dBを示し、Sパラメータにおいて測定結果とHFSSシミュレーションの結果が、測定済み材料定数を用いた場合に良好に一致した。
• 凸型アンテナ形状による近似焦点化ビームにより、システムのフットプリントが縮小され、コンパクトでベンチトップ設置に適した設計が実現されたが、同時にビーム指向性と分解能を維持した。
• 解析的線源アレイモデルは、曲がったLWAの近似領域におけるビームスキャン行動を正確に再現でき、今後の実装に向けた高速で効果的な設計ツールを提供した。
• 材料特性の測定により、Arlon DiClad 880の有効誘電率εr = 2.08および損失タンジェントtan δ = 0.003が特定され、名目値を用いた場合と比較して、シミュレーションと測定結果の一致が著しく向上した。