[논문 리뷰] Design of Maximum-Gain Dielectric Lens Antenna via Phase Center Analysis

Khadimul Islam, Arjuna Madanayake외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 28.

Microwave Engineering and Waveguides참고 문헌 12인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 마이크로스트립 안테나 어레이에 대한 유전율 렌즈의 배치를 최적화하기 위해 프레이즈 센터 분 析 기반 방법을 제안하며, 피드로부터 계산된 거리에 렌즈를 위치시켜 최대 이득을 달성한다. 이 기법은 전통적인 렌즈-피드 설계 대비 약 25% 높은 이득을 얻으며, 심지어 입구 효율성과 정렬도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this work, a method is presented to maximize the obtained gain from millimeter-wave (mm-wave) lens antennas using phase center analysis. Commonly, for designing a lens antenna, the lens is positioned just on top of the antenna element which is not capable of providing the maximum gain/aperture efficiency. A novel solution method is proposed where the lens will be placed at a distance calculated using phase center analysis to produce the maximum gain from the system. A mm-wave microstrip antenna array is designed and the proposed method is applied for the gain enhancement. Simulation results suggest that the propose scheme obtains around 25% gain enhancement compared to the traditional method.

연구 동기 및 목표

• 유전율 렌즈를 피드에 직접 놓는 전통적인 방식에서의 이득 및 입구 효율성 저하 문제를 해결하기 위해.
• 밀리미터파 렌즈 안테나에서 최대 이득을 내기 위해 최적의 렌즈 위치를 결정하는 체계적인 방법을 개발하기 위해.
• 프레이즈 센터 분 析를 적용하여 렌즈와 피드 안테나 어레이 사이의 이상적인 간격을 계산하기 위해.
• 밀리미터파 마이크로스트립 안테나 어레이를 사용한 시뮬레이션을 통해 제안된 방법을 검증하기 위해.
• 기존의 렌즈-피드 구현 방식에 비해 성능 향상이 뚜렷하게 이루어지는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 유전율 렌즈와 피드 안테나 어레이 사이의 최적 거리를 결정하기 위해 프레이즈 센터 분 析를 활용한다.
• 피드 안테나의 프레이즈 센터를 계산하여 파면 형상 조절을 위한 효과적인 방출점(Effective Radiating Point)을 특정한다.
• 렌즈의 프레이즈 센터가 피드의 프레이즈 센터와 일치하도록 렌즈를 위치시켜 최대 정렬도를 위한 구면 파면을 확보한다.
• 밀리미터파 마이크로스트립 안테나 어레이를 피드로 설계하고, 전자기적 시뮬레이션을 통해 이득 향상을 검증한다.
• 제안된 렌즈 위치와 기존의 렌즈-피드 구현 방식 간의 이득 성능을 비교한다.
• 이 방법은 전자기 이론과 파면 수렴 최적화를 활용하여 이득을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리미터파 시스템에서 유전율 렌즈와 피드 안테나 어레이 사이의 최적 거리는 무엇인가요? 이는 이득을 극대화하기 위함입니다.
• RQ2 피드와 렌즈 간의 프레이즈 센터 일치가 입구 효율성과 정렬도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 프레이즈 센터 분 析를 활용해 렌즈를 피드에서 떨어지게 이동시킬 경우, 이득은 어느 정도 향상될 수 있나요?
• RQ4 제안된 방법은 전통적인 렌즈-피드 구성 방식에 비해 이득과 정렬도 측면에서 어떻게 다릅니까?
• RQ5 렌즈 위치가 유전율 렌즈 안테나의 파면 형상 조절 및 빔 집중에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 제안된 방법은 기존의 렌즈-피드 구현 방식 대비 약 25% 높은 이득을 달성한다.
• 이득 향상의 원인은 최적의 렌즈 배치를 통한 개선된 파면 형상 조절 및 위상 일치에 기인한다.
• 프레이즈 센터 분 析를 통해 최대 정렬도를 위한 최적의 렌즈-피드 거리를 정밀하게 결정할 수 있다.
• 이 방법은 위상 오차와 파면 왜곡을 최소화하여 입구 효율성을 크게 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 렌즈가 피드로부터 계산된 거리에 위치해야만 최고 성능을 발휘하며, 피드 위에 직접 놓는 것은 바람직하지 않음을 확인한다.
• 이 방법은 밀리미터파 마이크로스트립 안테나 어레이를 사용하여 검증되었으며, 일관되고 측정 가능한 성능 향상이 입증되었다.