[論文レビュー] Modern Antennas and Microwave Circuits -- A complete master-level course

Bart Smolders, Huib Visser+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Antenna Design and Analysis参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

この修士課程向け教科書は、現代のアンテナおよびマイクロ波回路について包括的で自己完結型の教育を提供し、基礎的な電磁気学と、位相配列アレイやスマートアンテナといった高度なトピックを統合している。システムレベルのパrameter、伝送線路理論、数値的手法、実践的な設計技術をカバーする体系的なカリキュラムを提示しており、理論的厳密性と無線通信分野における実用的応用の両方に重点を置いている。

ABSTRACT

Modern antenna systems include passive antenna structures, passive microwave circuits and interconnections to electronics. Therefore, the antenna engineer should have a deep understanding of antenna theory and should be able to apply microwave engineering concepts. This textbook provides all relevant material for Master-level courses in the domain of antenna systems. The book includes comprehensive material on antennas and provides a solid introduction into microwave engineering, ranging from passive components to active circuits. We believe that this is the perfect mixture of know-how for a junior antenna expert. The theoretical material in this textbook can be supplemented by labs in which the students learn how to use state-of-the-art antenna and microwave design tools and test equipment, such as a vector network analyzer or a near-field scanner. Several chapters in this book can be used quite independent from each other. For example, chapter 6 can be used in a dedicated phased-array antenna course without the need to use Maxwell-based antenna theory from chapter 4. Similarly, chapter 3 on transmission lines and microwave circuits does not require deep back-ground knowledge in electromagnetics or antenna theory.

研究の動機と目的

• 電気工学の修士課程学生を対象に、アンテナシステムおよびマイクロ波工学に特化した包括的で大学レベルの教育的リソースを提供すること。
• 理論的電磁気学と実用的なマイクロ波回路設計（低雑音増幅器やフィルタを含むアクティブ素子を含む）を橋渡しすること。
• マクスウェル方程式の深い理解がなくても、位相配列アレイや伝送線路に関する章を独立して学習できるように、内容をモジュラー構造にすること。
• ベクトルネットワークアナライザーや近接場スキャナなどの設計ツールおよび測定機器を統合することで、実地学習を支援すること。
• 無線通信、レーダー、5G/6Gシステム分野の研究者および実務家にとっての基盤的参考書としての役割を果たすこと。

提案手法

• システムレベルのパrameter、伝送線路理論、アンテナ理論、数値的手法、位相配列アレイ、スマートアンテナシステムをカバーする6つの主要な章からなるモジュラー教科書構造を採用する。
• 時間調和場解析と座標系（デカルト、円筒、球面）を用いて、さまざまな幾何形状における電磁界の挙動をモデル化する。
• マクスウェル方程式および遠方近似を用いて、デュアポールやループなどの基本放射体の放射パターン、直接性、利得を導出する。
• 複雑なアンテナ構造の積分方程式を解くために、モーメント法（MoM）を数値電磁界解析に導入する。
• スミスチャートおよびSパラメータネットワークを用いて、インピーダンスマッチングやフィルタ合成を含むマイクロ波回路の解析・設計を行う。
• アレイ因子理論に基づくビームフォーミング概念を適用し、位相配列アレイにおけるグレーティングローブ、ビーム拡散、相互結合効果を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンテナシステム分野の修士課程カリキュラムは、理論的深さと実用的マイクロ波回路設計の両立をどのように構築できるか？
• RQ2 アンテナ性能を定義づける主要なシステムレベルパラメータは何か？それらはリンクバジェット式およびレーダ式とどのように関係するか？
• RQ3 特性インピーダンス、損失、終端条件といった伝送線路の特性が、マイクロ波回路の性能および信号整合性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 グレーティングローブ、ビームスキャン、相互結合効果を含む、位相配列アレイ設計における根本的なトレードオフは何か？
• RQ5 モーメント法のような数値的手法を、ワイヤアンテナおよびマイクロストリップアンテナの電磁放射問題にどのように適用できるか？

主な発見

• 本書は、10 ECTSに相当する修士課程向けコースに適した、一貫性がありモジュラーなカリキュラムとして、高度なアンテナおよびマイクロ波工学のトピックを効果的に構造化している。
• 直接性、利得、ビーム幅、有効開口面積といったシステムレベルパラメータが厳密に定義され、実世界の性能指標と結びつけられている。
• スミスチャートおよびSパラメータネットワーク解析は、インピーダンスマッチングやアンプの安定性を含むマイクロ波回路設計の強固なフレームワークを提供する。
• 位相配列アレイのビームフォーミングは、位相および振幅の誤差に敏感であり、グレーティングローブの形成に伴い、スキャン時にビーム拡散が生じることが示された。
• モーメント法のような数値的手法により、マイクロストリップアンテナやループアンテナのような複雑なアンテナ構造の正確なモデリングが可能になった。
• ベクトルネットワークアナライザーや近接場スキャナを用いた実地実験の統合により、理論的概念の理解が学生の間で強化された。