[論文レビュー] Multilayer Minkowski Reflectarray Antenna with Improved Phase Performance

Ender Öztürk, Birsen Saka|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Advanced Antenna and Metasurface Technologies参考文献 26被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、開口結合型位相制御ストブを備えた多層Minkowskiフラクタル反射アレイ素子セルを提案し、2周期を超える位相範囲（740°）を達成するとともに、パッチ面積を21.9%削減し、反射損失を0.14 dB未満に維持する。設計ではストブ長の変更による2周期の位相応答を用い、10 GHzで221素子のフルスケール反射アレイを実装・測定した。ビーム幅、 sidelobeレベル、利得（26.8 dBi）において、シミュレーションと実測の間に強い一致が得られた。

ABSTRACT

We propose a multi-layer unit cell consisting of Minkowski fractal shaped reflector with aperture coupled phasing stubs to obtain a broad phase range for the reflectarray antenna with smaller unit cell size and inter-element spacing compared to some other studies in the literature. In the study, simulations are conducted using HFSS(TM) program with Floquet Port incidence. A unit cell with two cycles of phase range and very low reflection loss is designed. 21.9% shrinkage is achieved in patch surface area using Minkowski fractals. Subsequently, proposed unit cell is used to design and fabricate a full scale 221 element reflectarray antenna. At 10 GHz, simulation results are compared with measured data and good agreement is observed.

研究の動機と目的

• . 単層Minkowskiフラクタル反射アレイでは通常1周期未満にとどまるという、制限された位相範囲を解消すること。
• . コプラナー型ストブとは異なり、開口結合を用いて主反射板の下に位相制御ストブを配置することで、小型化と効率性のトレードオフを克服すること。
• . 既存の設計と比較して、より広い位相範囲、より小さなユニットセルサイズ、低い反射損失を実現すること。
• . 提案されたユニットセルが、10 GHzで実装・測定された221素子のフルスケール反射アレイにおいて、実現可能性と性能を実証すること。

提案手法

• . 上部の誘電体層（D2）にMinkowskiフラクタル形状の主反射板を設け、その下に空隙（D3）を介して下部誘電体層（D4）を配置する多層ユニットセルを設計。
• . 主反射板の下に開口結合型位相制御ストブを設け、y軸に沿ったマッチングストブとx軸に沿った位相制御ストブを中央で接続。
• . 周期的境界条件下でFloquetポート励振を用い、HFSSを用いてユニットセルの位相および振幅応答をシミュレーション。
• . ストブ長の最適化により、全位相範囲が740°（2周期以上）に達し、範囲全体で反射損失が0.14 dB未満に保たれるように調整。
• . 最適化されたユニットセルを用いて221素子の反射アレイを実装し、先行研究の手法に従い位相分布を計算。
• . アナコイック・チェンバでフルスケールアンテナを測定し、HFSSシミュレーション結果と照合することで性能を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . 開口結合型ストブを備えた多層Minkowskiフラクタル反射アレイは、ユニットセルサイズを最小限に抑えながら、2周期を超える位相範囲を達成できるか？
• RQ2 . 主反射板の下に位相制御ストブを配置することで、位相範囲、反射損失、表面積にどのような影響が生じるか？（コプラナー型ストブと比較して）
• RQ3 . Minkowskiフラクタル幾何学を用いることで、位相性能の劣化や損失の増加を伴わずに、パッチ面積をどの程度削減できるか？
• RQ4 . Floquetモデルを用いたシミュレーション結果と、221素子のフルスケール反射アレイにおける実測性能との一致度はどの程度か？
• RQ5 . 開口結合が、多層Minkowski反射アレイにおける相互結合およびクロスポーラリゼーションレベルに与える影響は何か？

主な発見

• . 提案されたユニットセルは、全位相範囲740°（2周期以上）を達成し、従来の正方形パッチと比較してパッチ面積を21.9%削減した。
• . 全範囲にわたり反射損失が0.14 dB未満に維持され、平均損失はわずか0.08 dBであった。
• . 221素子のフルスケール反射アレイは最大26.8 dBiの指向性利得を達成し、シミュレーション結果とよく一致した。
• . 半パワー波束幅（HPBW）はシミュレーションおよび測定ともに9.6°であり、側 lob レベル（SLL）は測定で-14.2 dB、シミュレーションで-15.1 dBであった。
• . シミュレーションではクロスポーラリゼーションレベルが-45 dB未満であり、測定用チェンバのダイナミックレンジをはるかに下回り、クロスポーラリゼーション劣化は無視できるほどであった。
• . 実測およびシミュレーテッドE面およびH面放射パターンは、特にメインローブ部で強く一致しており、フィードブロッキングおよび空間反射効果に起因する水平面付近のわずかな差異を除いて良好な一致を示した。