[논문 리뷰] Holographic Amplitude-Modulated (AM) Leaky-Wave Antennas for Near-Field and Far-Field Applications

Geng‐Bo Wu, Ka Fai Chan외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 16.

Microwave Engineering and Waveguides인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 근거리 및 원거리 응용 분야를 위한 고정밀 고이득(14.2 dBi) 및 근거리 집중(30 dB 직접성)을 구현한 mmWave 기반의 기판 통합 인셋 유전체 웨이브가이드(IDW)를 사용한 허브로그래픽 진폭변조(AM) 누출성 파동 안테나(LWA) 프레임워크를 소개한다. 전자기파의 파동 특성에서 발생하는 진폭 변조를 허브로그래픽 기록 과정으로 간주함으로써, 이 방법은 진행파의 변동에서 동시에 진폭 및 위상 정보를 추출할 수 있게 하며, 이는 두 가지 mmWave 기반의 LWA에서 검증되었다.

ABSTRACT

Amplitude-modulated (AM) leaky-wave antenna (LWA), a concept following amplitude modulation technique from classical communications theory, is a promising structure that enables transforming traveling wave into the radiating wave. In this paper, we provide a different perspective based on the classical holographic theory to gain insight into the physical mechanism of AM LWA and design novel LWAs. In analogy to the classical optical Gabor hologram, we demonstrate that only the amplitude variation of the traveling wave is needed to record both the amplitude and phase information of the object wave. The consistency between the holography theory and previous spatial spectrum approach for explaining AM LWA operating mechanism is also demonstrated. For validation purpose, two novel millimeter-wave (mmW) holographic AM LWAs based on the substrate integrated inset dielectric waveguide (IDW) are designed. The first one is for far-field high-gain applications while the second is for near-field focusing (NFF) applications. Both simulated and measured results demonstrate the effectiveness of the AM holography theory for AM LWAs analysis and design.

연구 동기 및 목표

• 진폭변조(AM) 누출성 파동 안테나(LWA)의 물리적 메커니즘을 이해하기 위한 허브로그래픽 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 기존의 공간 스펙트럼 분석과 고전적 허브로그래픽 이론을 연결하기 위해.
• 기판 통합 인셋 유전체 웨이브가이드(IDW)를 기반으로 한 새로운 밀리미터파(mmW) LWA를 설계하고, 원거리 고이득 및 근거리 집중 응용 분야에 대해 검증하기 위해.
• 실제 mmW 환경에서의 시뮬레이션 및 측정 성능을 통해 허브로그래픽 AM 접근법의 효과성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 진폭 변조된 진행파를 광학 분야의 가브르 허브로그래피와 유사하게, 복사장의 진폭 및 위상 정보를 동시에 기록하는 매체로 간주하는 허브로그래픽 유사성 분석을 도입한다.
• 진폭 변조된 흥 excitations 파동의 진폭 변화가 물체파의 복소수 분포를 인코딩하는 방식으로 AM LWA를 허브로그래픽 시스템으로 모델링한다.
• 공간 스펙트럼 접근법을 보조 수단으로 활용하여 허브로그래픽 해석의 타당성을 검증하고, 파동 전파 및 복사 메커니즘에서의 일관성을 확인한다.
• 원거리 고이득 복사용 및 근거리 집중용으로 각각 설계된 두 종류의 mmW LWA를 기판 통합 인셋 유전체 웨이브가이드(IDW)를 사용하여 제작한다.
• 전체 파장 전자기 유체 시뮬레이션 및 실험 측정을 통해 두 설계의 성능을 검증하고, 허브로그래픽 AM 이론의 타당성을 입증한다.
• 허브로그래픽 모델을 적용하여 복사 패턴, 빔폭, 직접성을 예측하고, 기존의 LWA 설계 방법과의 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 허브로그래픽 이론은 진폭변조 누출성 파동 안테나의 동작을 설명하는 데 적용될 수 있는가?
• RQ2 진행파의 진폭 변조는 어떻게 복사장의 진폭 및 위상 정보를 동시에 추출할 수 있는가?
• RQ3 허브로그래픽 모델과 공간 스펙트럼 방법 간에 AM LWA의 복사 메커니즘 기술에서 일관성이 있는가?
• RQ4 허브로그래픽 AM 접근법은 원거리 고이득 및 근거리 집중 응용을 위한 실용적인 mmW LWA 설계에 활용될 수 있는가?
• RQ5 이 허브로그래픽 설계 프레임워크를 통해 실제 mmW 하드웨어에서 달성 가능한 성능 지표(이득, 직접성, 빔폭)는 무엇인가?

주요 결과

• 허브로그래픽 AM 모델은 진폭변조 진행파에서 진폭 및 위상 정보를 동시에 추출할 수 있음을 성공적으로 설명하였으며, 물리적 기반의 타당성을 입증하였다.
• 공간 스펙트럼 방법과 허브로그래픽 이론은 AM LWA의 복사 패턴 및 빔 특성 예측에서 일관된 결과를 도출하였다.
• 원거리 복사용 AM LWA는 최대 14.2 dBi의 이득을 달성하여 고직도를 갖는 통신 시스템에 적합함을 입증하였다.
• 근거리 집중용 AM LWA는 30 dB의 직접성을 확보하여 근거리 영역에서 효과적인 빔 농축이 가능함을 확인하였다.
• 두 설계에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과 간 강한 일치를 보였으며, 이는 허브로그래픽 AM 설계 프레임워크의 정확성을 검증한 것이다.
• 허브로그래픽 접근법은 동일한 물리적 원리를 기반으로 하여 근거리 및 원거리 응용에 모두 통합된 설계 방법론을 가능하게 하였다.