[논문 리뷰] Mutual Coupling Reduction in Two-Dimensional Array of Microstrip Antennas Using Concave Rectangular Patches

Shahram Mohanna, Ali Farahbakhsh외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 04.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 오목한 직사각형 패치를 사용하여 이중 차원 마이크로스트립 안테나 어레이에서 상호 커플링을 감소시키고 리턴 로스를 향상시키는 새로운 접근법을 제안한다. 개선된 유전 알고리즘을 통해 패치 치수와 오목 깊이를 최적화함으로써 성능 향상이 크게 이루어졌으며, 시뮬레이션 결과 어레이 전반에 걸쳐 낮은 상호 커플링과 리턴 로스를 확인할 수 있었다.

ABSTRACT

Using concave rectangular patches, a new solution to reduce mutual coupling and return loss in two-dimensional array of microstrip antennas is proposed. The effect of width and length concavity on mutual coupling and return loss is studied. Also, the patch parameters as well as the amounts of width and length concavity are optimized using an enhanced genetic algorithm. Simulation results show that the resulting array antenna has low amounts of mutual coupling and return loss.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높은 이중 차원 마이크로스트립 안테나 어레이에서의 높은 상호 커플링 문제를 해결하기 위해.
• 작고 고이득 구조에서 리턴 로스와 어레이 전반의 성능을 향상시키기 위해.
• 특히 오목한 직사각형 패치와 같은 기하학적 변형이 커플링 및 임피던스 특성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 고도화된 진화 계산을 활용하여 패치 치수와 오목도 파aram터를 최적화하여 상호 커플링과 리턴 로스를 최소화하기 위해.
• 무선 통신 시스템에서 고성능 어레이 안테나 설계를 위한 실용적이고 확장 가능한 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 2차원 어레이에서 요소 간 전자기적 커플링을 변화시키기 위해 전통적인 직사각형 패치 대신 오목한 직사각형 패치를 사용한다.
• 오목의 너비와 길이를 상호 커플링과 리턴 로스를 제어하기 위한 설계 변수로 간주한다.
• 상호 커플링과 리턴 로스를 최소화하기 위해 개선된 유전 알고리즘(EGA)을 사용하여 패치 치수와 오목도 파aram터를 최적화한다.
• 다양한 구성에서 어레이 전반의 커플링과 리턴 로스를 평가하기 위해 전자기적 전체파 시뮬레이션을 수행한다.
• 최적화 과정에서 반복적으로 패치 기하학과 오목 깊이를 정밀 조정하여 최적의 성능 지표를 달성한다.
• 최종 설계는 시뮬레이션을 통해 검증되며, 기존의 어레이 구성과 비교하여 커플링 수준과 리턴 로스를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오목한 직사각형 패치를 도입할 경우 이중 차원 마이크로스트립 안테나 어레이에서 상호 커플링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 상호 커플링과 리턴 로스를 최소화하기 위한 패치 치수와 오목 깊이의 최적 조합은 무엇인가?
• RQ3 개선된 유전 알고리즘이 기하학적 파aram터 최적화를 통해 마이크로스트립 안테나 어레이의 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 오목의 너비와 길이 변화가 S11 파라미터와 어레이 요소 간의 고립도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 오목한 패치 기하학은 고밀도 어레이 설계에 대해 확장 가능하고 효과적인 솔루션을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 오목한 직사각형 패치 설계는 이중 차원 어레이 구성에서 기존의 직사각형 패치에 비해 상호 커플링을 크게 감소시켰다.
• 개선된 유전 알고리즘을 통한 최적화로 어레이 전반에서 상호 커플링이 최소화되고 리턴 로스가 향상되었다.
• 시뮬레이션 결과는 최적화된 어레이가 낮은 리턴 로스를 달성하여 임피던스 매칭이 향상되었음을 보여주었다.
• 오목도의 깊이와 치수는 커플링 감소와 리턴 로스 성능에 측정 가능하고 제어 가능한 영향을 미친다.
• 물리적 간격 증가나 수동 부품 추가 없이도 어레이 요소 간 효과적인 고립도를 확보할 수 있었다.
• 최종 최적화 설계는 운영 주파수 대역 전체에서 안정된 성능을 보였으며, 이는 강건성과 실용적 타당성을 확인하였다.