[論文レビュー] A THz Slot Antenna Optimization Using Analytical Techniques

Shay Rozenberg, Asher Yahalom|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、波導理論およびバビンエの原理に基づき、所望の放射パターンを得るためのスロット位置、長さ、幅を正確に設計可能な、太赫茲（THz）スロットアンテナ向けの分析的最適化フレームワークを提示する。この手法により、シミュレーションで18.4 dBiの利得と7.1°のビーム幅を達成し、解析的予測とよく一致しており、高周波アンテナ設計への応用が有効であることが検証された。

ABSTRACT

Slot antennas are very popular microwave antennas and slotted wave guides are used for high frequency radar systems. A thin slot in an infinite ground plane is the complement to a dipole in free space. This was described by H.G. Booker [2] who extended Babinet's principle from optics to show that the slot will have the same radiation pattern as a dipole such that the E and H fields are swapped. As a result, the polarization is rotated, so that radiation from vertical slot is polarized horizontally. In this work we show how analytical techniques can be used for optimization of THz slot antennas, the analysis is then corroborated by using a numerical simulation which validates the performance parameters predicted by the analytical technique.

研究の動機と目的

• 波導およびダイポールアンテナの補完性の原則を用いて、太赫茲スロットアンテナを最適化する解析的モデルの構築を目的とする。
• 太赫茲帯域における放射効率を最大限にし、所望のビーム幅を得るために最適なスロット位置および寸法を特定することを目的とする。
• CST Microwave Studioを用いたフル波動電磁界シミュレーションにより、解析的予測の妥当性を検証することを目的とする。
• 理論的設計と実用的実装との間のギャップを埋めるのを目的とする。
• 送信線路および散乱モデルを用いて、高利得・狭ビームの太赫茲スロットアンテナ用にスケーラブルな設計手法を提供することを目的とする。

提案手法

• バビンエの原理およびスロットとダイポールアンテナの双対性を活用し、放射パターンおよびインピーダンス特性をモデル化する。
• 送信線路理論を適用してスロットをシャントアドミittance素子として表現し、散乱パラメータおよび電力分配を計算可能にする。
• 長軸方向にスロットを持つ矩形波導内における電圧分布および散乱係数（BおよびC）の解析的式を導出する。
• 共振条件（純粋な実数の正規化アドミタンス）を用いて、インピーダンス整合のための最適なスロット長および位置を特定する。
• 四分の波長変換を適用して波導端部を終端化し、アレイ入力アドミタンスを Y_in = N·Y_s に簡略化する。
• 交互に配置されたスロットを持つスロット付き波導アレイの回路モデルを用い、位相が一致する放射およびビーム集光を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波導理論およびバビンエの原理に基づく解析的技術を、330 GHzにおけるスロットアンテナの性能最適化にどのように応用できるか。
• RQ2 スロット位置、長さ、および正規化アドミタンスとの関係は、インピーダンス整合および最大放射効率を達成するためにどのように関与するか。
• RQ3 フル波動電磁界シミュレーションからの結果と、解析的予測による利得およびビーム幅の一致度はどの程度か。
• RQ4 波導中心線を中心に交互に配置されたスロットが、放射パターンおよび指向性にどのように影響を与えるか。
• RQ5 高利得および狭ビーム幅を達成するための主な設計パrameter（スロット長、幅、間隔、端からの距離）は何か。

主な発見

• 解析的モデルは、330 GHzにおける256素子の太赫茲スロットアレイに対して、理論的利得21.8 dBiおよびビーム幅7.0°を予測している。
• CST Microwave Studioによるシミュレーションでは、測定された利得が18.4 dBi、ビーム幅が7.1°であり、解析的予測とよく一致している。
• 最適なスロット長は0.454 mm（≒0.25λg）、幅は0.0535 mm（≒0.029λg）であり、波導モードおよび遮断周波数の考慮に基づく。
• スロットの波導中心線からのオフセットは0.033 mmであり、N = 256スロットの場合、正規化アドミタンスが1/N になるように計算された。
• 波導端部は、最後のスロットから四分の波長（λg/4）の位置に終端されており、短絡を開放状態に変換することでインピーダンス整合が達成される。
• 解析的結果とシミュレーション結果とのわずかな差異は、壁の厚さをゼロと仮定し、波導長を無限大とみなすといった簡略化仮定に起因するとされる。