[논문 리뷰] Antenna Current Optimization and Realizations for Far-Field Pattern Shaping

Shuai Shi, Lei Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 27.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 소형 안테나의 고유한 원거리 영역 복사 패턴(예: 높은 전방대비비(PFBR) 및 빔형상 조절)을 설계하기 위해 준정형 완화(SDR)를 사용하는 볼록 최적화 프레임워크를 제안한다. 이는 Q 인자 최소화와 함께 이루어진다. 다중 위치 푸시 전략이 최적의 전류 분포 대비 Q 인자 증가율이 61%에 불과하여, 중간 대역폭 손실로도 실용적인 적용이 가능하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Far-field shaping of small antennas is a challenge and the realizations of non-dipole radiation of small to intermediate sized antennas are difficult. Here we examine the antenna bandwidth cost associated with such constraints, and in certain cases we design antennas that approach the bounds. Far-field shaping is in particular interesting for Internet-of-things (IoT) and Wi-Fi applications since e.g. spatial filtering can mitigate package loss through a reduction of mutual interference, and hence increase the power efficiency of the devices. Even a rather careful far-field shaping of smaller antennas can be associated with a steep reduction in the best available bandwidth. It is thus important to develop constraints that a small antenna can support. We describe a power front-to-back ratio, and a related, beam-shaping constraint that can be used in optimization for the minimum Q-factor. We show that such a non-convex Q-factor optimization can be solved with the semi-definite relaxation technique. We furthermore show that certain of the above optimized non-standard radiation patterns can be realized with a multi-position feeding strategy with a moderate loss of Q-factor: $Q_ ext{antenna}\leq 1.61Q_ ext{optimal}$.

연구 동기 및 목표

• 비볼록 제약 조건(예: 전력 기반 전방대비비 및 빔형상 조절) 하에서 소형 안테나의 원거리 영역 복사 패턴을 최적화하기 위한 결정론적 방법 개발.
• 소형에서 중간 크기의 안테나에서 비다이폴 패턴을 구현할 경우 대역폭 비용(Q 인자)을 분석.
• 최적화된 복사 패턴을 최소한의 Q 인자 저하로 실현하는 실용적인 다중 위치 푸시 전략 설계.
• 소형 안테나의 원거리 영역 제약 조건, 축적 에너지, Q 인자 한계 간의 관계를 연결하는 프레임워크 수립.
• SDR가 비볼록 QCQP 문제를 고정밀도 및 고효율로 해결할 수 있음을 입증.

제안 방법

• 전력 기반 제약 조건(예: PFBR 및 빔폭)을 사용하여 원거리 영역 패턴 형상 조절 문제를 이차 제약 조건이 있는 이차 프로그래밍(QCQP) 문제로 수식화.
• 비볼록 Q 인자 최적화 문제를 해결하기 위해 준정형 완화(SDR) 기법을 적용하여 결정론적 전역 최적해를 복원 가능.
• 최적의 전류 분포에서 축적 에너지 및 반응장 수식을 활용해 Q 인자 계산.
• 최적의 전류 분포를 근사하기 위해 다중 흥분 포트를 사용하는 다중 위치 푸시 기법 적용.
• 이deal 전류 흥분과 다중 포트 푸시 실현 간의 복사 패턴 및 Q 인자 비교를 통한 방법 검증.
• CVX 최적화 플랫폼을 활용해 QCQP 문제를 효율적으로 구현 및 해석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지정된 전력 기반 전방대비비(PFBR) 제약 조건 하에서 소형 안테나에서 달성 가능한 최소 Q 인자는 얼마인가?
• RQ2 비다이폴 복사 패턴을 구현하기 위한 비볼록 원거리 영역 제약 조건을 전역 최적화 휘수 없이 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ3 주어진 복사 패턴에 대해 다중 위치 푸시 안테나의 Q 인자는 이론적 최적 전류 분포 대비 어떻게 되는가?
• RQ4 다중 위치 푸시 기법을 통해 얼마나 높은 수준의 최적화된 복사 패턴을 수용 가능한 대역폭 손실로 실현할 수 있는가?
• RQ5 다중 포트 어레이에서 요소 간 간격과 도달성 및 Q 인자 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• SDR 기법은 비볼록 Q 인자 최적화 문제를 비볼록 원거리 영역 제약 조건 하에서 성공적으로 해결하여 랭크-1 해를 도출하며, 이는 전역 최적임을 보여준다.
• 좁은 패턴을 갖는 빔형상 조절의 경우, 다중 위치 푸시 전략이 최적의 Q 인자 125 대비 Q 인자 201을 달성하여 61% 증가를 보였다.
• PRBR 제약 조건 하에서의 빔 기울임의 경우, 다중 위치 푸시의 Q 인자는 최적의 33 대비 46으로 다시 한 번 61% 증가를 보였다.
• 다중 위치 푸시에서 유도된 복사 패턴은 이상적인 전류 분포에서 유도된 패턴과 거의 일치하며, 시각적 비교 시 거의 구분되지 않았다.
• 이 방법은 소형 안테나에서 비표준 복사 패턴(예: 고도달성도, 빔형상 조절)을 최소한의 Q 인자 저하로 실현할 수 있도록 한다.
• 이 프레임워크는 조그만 좁은 안테나도 비다이폴 패턴을 소규모 예측 가능한 대역폭 손실로 달성할 수 있음을 입증한다.