[논문 리뷰] Multilayer Minkowski Reflectarray Antenna with Improved Phase Performance

Ender Öztürk, Birsen Saka|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 21.

Advanced Antenna and Metasurface Technologies참고 문헌 26인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 21.9% 감소한 패치 표면적과 0.14 dB 이하의 반사 손실을 유지하면서 740°(2개 이상의 주기)를 초과하는 위상 범위를 달성하기 위해 약물-결합 위상 스텁을 갖춘 다층 Minkowski 분할 반사어레이 유닛셀을 제안한다. 설계는 스텁 길이 변화를 통한 2주기 위상 응답을 사용하여, 10 GHz에서 221개 요소를 갖는 전체 스케일 반사어레이를 제작하고 측정하였으며, 빔폭, 부가이득, 및 손실 수준에서 시뮬레이션과 실험 간 강한 일치를 보였다 (26.8 dBi).

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.

연구 동기 및 목표

• . 단일 층 Minkowski 분할 반사어레이에서 일반적으로 한 주기 이하인 제한된 위상 범위 문제를 해결하기 위해.
• . 위상 조절 스텁을 주 반사판 아래로 이동시켜 약물-결합을 통해 소형화와 효율성 간의 상충 관계를 극복하기 위해.
• . 이전 설계들에 비해 더 넓은 위상 범위, 더 작은 유닛셀 크기, 더 낮은 반사 손실을 달성하기 위해.
• . 10 GHz에서 제작 및 측정된 전체 스케일 221개 요소 반사어레이를 통해 제안된 유닛셀의 실현 가능성과 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• . 상부 유전체층(D2)에 Minkowski 분할 형상의 주 반사판을 갖춘 다층 유닛셀을 설계하며, 이는 공기 간극(D3)을 통해 하부 유전체층(D4)과 분리되어 있다.
• . 주 반사판 아래에 약물-결합 위상 조절 스텁을 구현한다: 하나는 y축 방향의 매칭 스텁, 다른 하나는 x축 방향의 위상 제어 스텁으로, 모두 중심에서 연결된다.
• . 주기적 경계 조건 하에서 유닛셀의 위상 및 진폭 응답을 시뮬레이션하기 위해 HFSS를 사용하고, Floquet 포트를 이용한 입력을 적용한다.
• . 스텁 길이를 최적화하여 총 위상 범위를 740°(2개 이상의 주기)로 확보하고, 전체 범위에서 반사 손실이 0.14 dB 이하로 유지되도록 한다.
• . 최적화된 유닛셀을 사용하여 221개 요소의 반사어레이를 제작하며, 위상 분포는 이전 연구에서 제시된 방법에 따라 계산된다.
• . 전체 스케일 안테나를 반사실에서 측정하고, HFSS 시뮬레이션 결과와 성능을 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 약물-결합 스텁을 갖춘 다층 Minkowski 분할 반사어레이가 유닛셀 크기를 최소화하면서도 두 주기 이상의 위상 범위를 달성할 수 있는가?
• RQ2 . 주 반사판 아래로 위상 조절 스텁을 이동시키는 것이, 공면 스텁과 비교해 위상 범위, 반사 손실, 표면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 . Minkowski 분할 기하학의 사용이 위상 성능을 저하시키거나 손실을 증가시키지 않고 패치 표면적을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 . Floquet 모델을 사용한 시뮬레이션 결과가 전체 스케일 221개 요소 반사어레이에서 측정된 성능과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 . 약물-결합이 다층 Minkowski 반사어레이에서 상호 커플링 및 교차 편광 수준에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• . 제안된 유닛셀은 총 위상 범위 740°를 달성하여 두 주기 이상을 초과하며, 기존의 정사각형 패치에 비해 패치 표면적이 21.9% 감소하였다.
• . 전체 위상 범위에서 반사 손실이 0.14 dB 이하로 유지되었으며, 평균 손실은 단지 0.08 dB에 불과했다.
• . 221개 요소 전체 스케일 반사어레이는 최대 직방향 이득 26.8 dBi를 달성하였으며, 이는 시뮬레이션 결과와 밀도 있게 일치하였다.
• . 반력반폭(HPBW)은 시뮬레이션과 측정 모두에서 9.6°였고, 부가이득 수준(SLL)은 측정값 -14.2 dB, 시뮬레이션값 -15.1 dB였다.
• . 시뮬레이션 결과 교차 편광 수준은 -45 dB 이하였으며, 측정실의 동적 범위를 훨씬 밑도는 수준이었고, 이는 교차 편광 품질 저하가 거의 없음을 시사했다.
• . 측정된 E-평면 및 H-평면 방사 패턴은 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보였으며, 특히 주로소에서 뚜렷한 일치를 보였다. 수평 평면 근처에서는 피드 차폐 및 공간 반사 효과로 인한 미세한 차이가 관찰되었다.