[論文レビュー] Millimeter Wave Multi-Beam-Switching Antenna

Vedaprabhu Basavarajappa, Beatriz Bedia Exposito+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、14 GHzで動作し、2 GHz帯域幅を有する高利得のエンドファイア型プリントアンテナを提示する。このアンテナは、ミリ波 Massive MIMO システムに統合された3×3サブアレイとして実装されており、単純な2ベクトル励振行列を用いることで、同時にビームステアリングとマルチビームスイッチングを実現。高い指向性とコンactな外形寸法を達成しており、層構造のおかげで熱管理が向上し、5G応用に適している。

ABSTRACT

The paper introduces a high gain end-fire printed antenna operating at 14 GHz with a bandwidth of 2 GHz. The 3x3 antenna sub-array formed of this element is used to present its beam steering and multi-beam-switching capabilities for millimeter wave Massive MIMO antenna arrays of 5G networks. The co-existence of these two techniques in a Massive MIMO sub-array, aided by the use of a simple two vector excitation matrix technique, is shown in this paper. The high gain and small form factor of the antenna is useful in applications, like 5G arrays, where space is premium and the inherent layered structure also aids to the better cooling of the antenna front end.

研究の動機と目的

• ミリ波5G Massive MIMO システム向けに、コンactで高利得のエンドファイア型アンテナの開発を目的とする。
• 1つのアンテナサブアレイ内で同時にビームステアリングとマルチビームスイッチングを実現することを目的とする。
• 簡単な励振技術を用いてビームフォーミングとビームスイッチング機能を統合することを目的とする。
• 層構造によるコンactな設計と効率的な熱管理を活用し、高い指向性を実現することを目的とする。
• 14 GHzで3×3サブアレイ構成でのマルチビーム動作の実現可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 14 GHzで動作し、2 GHz帯域幅を有する高利得のエンドファイア型プリントアンテナの設計。
• 提案された放射素子を用いた3×3アンテナサブアレイの構築。
• ビーム方向とスイッチングを制御するための2ベクトル励振行列の実装。
• 1つのアレイ構成でビームステアリングとマルチビームスイッチングの両方を達成するためのサブアレイの利用。
• アレイの層構造を活用し、熱放射の向上とコンactな外形寸法を実現。
• シミュレーションとアレイ因子解析を通じてビームパターンおよび指向性の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンactで高利得のエンドファイア型アンテナは、ミリ波 Massive MIMO システムでマルチビームスイッチングをサポートできるか？
• RQ2 ビームステアリングとビームスイッチングを1つの3×3サブアレイに同時に実装する際、どの程度効果的に機能するか？
• RQ3 2ベクトル励振行列のビーム方向およびスイッチング制御性能はいかほどか？
• RQ4 層構造は、熱管理およびコンact性をどの程度向上させるか？
• RQ5 提案されたアンテナ素子およびサブアレイの実現可能な指向性と帯域幅はどの程度か？

主な発見

• 提案されたエンドファイア型アンテナは、中心周波数14 GHz、2 GHz帯域幅を達成しており、ワイドバンド動作が可能である。
• 3×3サブアレイは、2ベクトル励振行列を用いて、成功裏にビームステアリングとマルチビームスイッチングを実現した。
• エンドファイア放射パターンと3×3構成によるアレイ利得のおかげで、高い指向性が達成された。
• 層構造のおかげで、より優れた熱管理が可能となり、高出力のミリ波応用における信頼性が向上した。
• コンactな外形寸法と高利得の特性から、空間制約のある5G mmWaveシステムに適した設計である。
• シミュレーションおよびアレイ因子解析を通じて、1つのサブアレイにビームフォーミングとビームスイッチングを統合することが検証された。