[논문 리뷰] Millimeter-Wave Integrated Side-Fire Leaky-Wave Antenna and its Application as a Spectrum Analyzer

Daniel J. King, Mohamed K. Emara외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 14.

Microwave Engineering and Waveguides참고 문헌 42인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 새로운 측면 방출형 누출 웨이브 안테나(LWA)를 기반으로 한 저두성, 차폐된 아날로그 밀리미터파 스펙트럼 분석기의 설계 및 구현을 제안한다. 이 안테나는 기판 내장 파동도체(SIW) 기술과 통합되어 60 GHz 대역에서 동작한다. LWA는 대칭을 깨뜨리기 위해 횡방향 노치(또는 유도성 포스트)를 갖춘 연속된 일치된 T자 형결합으로 구성되며, 이는 정지대역을 억제하고 후방에서 수직 방향까지 연속적인 복사 특성을 가능하게 한다. 이로 인해 안테나 평면을 따라 주파수 스캐닝 복사가 가능해진다. 실험적 검증을 통해 59–66 GHz 대역에서 1 GHz 주파수 해상도를 확보하였으며, 실시간 스펙트럼 분석을 위한 소형, 완전 차폐, 근거리 빔 집중 설계를 구현하였다.

ABSTRACT

An analog, low-profile and shielded spectrum analyzer is proposed for operation at mm-wave frequencies around the 60 GHz band based on a novel side-fire Leaky-Wave Antenna (LWA) configuration. The proposed side-fire periodic LWA is systematically developed from a conventional 3-port waveguide T-junction which is modified to a LWA unit cell with an internal matching mechanism to suppress the stop-band and enable broadside radiation based on unit cell symmetry considerations. The resulting periodic side-fire antenna radiates in the plane of the antenna, whereby the leakage power be either be allowed to radiate in free-space or kept confined inside a PPW structure. The proposed side-fire structure thus can be completely shielded useful as an analog broadband spectrum analyzer using Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology. Furthermore, a convex side-fire antenna is demonstrated to focus the radiated beams in the near-field of the structure to make the entire system compact. The integrated spectrum analyzer is experimentally demonstrated between 59 GHz - 66 GHz providing 1 GHz frequency resolution. Furthermore, a simple mathematical model consisting of array of line sources is proposed to efficiently model the beam-scanning characteristics of the curved side-fire LWA in the near-field of the structure.

연구 동기 및 목표

• 기존의 디지털 또는 비차폐 RF 시스템의 전자기간섭(EMI) 및 통합 문제를 해결하기 위해, 특히 60 GHz 대역에서 저두성, 차폐된 아날로그 스펙트럼 분석기를 개발하는 것.
• 고주파수에서의 전통적 디지털 스펙트럼 분석기의 한계(고지연, 복잡한 디지털 처리)를 해결하기 위해 아날로그 기반 실시간 솔루션을 도입하는 것.
• 횡방향 노치를 통한 내부 일치를 갖춘 새로운 측면 방출형 LWA를 설계하여 정지대역을 억제하고 후방에서 수직 방향까지의 원활한 복사 특성을 실현하는 것.
• 표준 PCB 제조 공정과 호환되는 볼록형 안테나 구조를 통해 근거리 빔 집중을 실현한 소형, 완전 통합 스펙트럼 분석기의 구현.
• 곡선형 LWA의 근거리 복사 패턴을 효율적으로 예측할 수 있는 간단한 선원소 배열 기반의 분석적 빔 스캐닝 모델 개발.

제안 방법

• 측면 방출형 LWA는 대칭을 깨뜨리기 위해 횡방향 노치(또는 유도성 포스트)를 갖춘 일치된 T자 형결합을 연속적으로 연결하여 설계되며, 이는 정지대역을 억제하고 후방에서 수직 방향까지의 연속적인 복사 특성을 가능하게 한다.
• 단위 세포는 고유모드 분석을 통해 최적화되어 임피던스 일치와 수직 복사를 확보하며, 노치의 크기와 위치는 최소 반사와 최대 누출을 위해 조정된다.
• LWA는 복사 에너지를 완전히 봉쇄하기 위해 평행판 파동도체(PPW) 구조에 통합되어 EMI를 제거하고, 차폐된 저두성 시스템을 실현한다.
• 안테나 구조에 볼록 곡률을 도입하여 근거리에서 복사 빔을 집중시켜 전체 시스템 크기를 줄이면서도 빔의 정밀도를 유지한다.
• 근거리에서의 빔 스캐닝 행동을 분석적으로 예측하기 위해 선원소 배열 기반의 단순한 수학 모델을 개발하였으며, 이는 설계 반복을 신속하게 수행할 수 있도록 한다.
• 시스템은 Arlon DiClad 880 기판을 사용한 SIW 기술로 제작되었으며, 재료 특성(εr = 2.08, tan δ = 0.003)을 실험적으로 캘리브레이션하여 시뮬레이션 정확도를 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적 LWA 구조에서 정지대역을 어떻게 억제할 수 있을까? 이를 통해 후방에서 수직 방향까지 연속적인 복사가 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 평면 내 복사를 갖는 측면 방출형 LWA 구조를 설계하여 밀리미터파 대역에서 실시간 스펙트럼 분석을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 곡률에 의한 근거리 빔 집중은 밀리미터파 스펙트럼 분석기의 크기를 얼마나 줄일 수 있으며, 주파수 해상도는 유지할 수 있는가?
• RQ4 간단한 선원소 배열 모델은 곡선형 측면 방출형 LWA의 근거리 빔 스캐닝 특성을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 SIW 및 PPW 통합을 통해 밀리미터파 응용 분야에 적합한 완전 차폐, 저두성 아날로그 스펙트럼 분석기를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 측면 방출형 LWA는 횡방향 비대칭성으로 인한 노치를 통해 정지대역을 억제하여 후방에서 수직 방향까지의 원활한 복사 특성을 실현하였으며, 최소한의 반사 손실을 기록하였다.
• 제작된 스펙트럼 분석기는 59 GHz에서 66 GHz 사이에서 성공적으로 작동하였으며, 측정된 주파수 해상도는 약 1 GHz로 실시간 공간-스펙트럼 분해를 입증하였다.
• 운용 대역 전체에서 평균 전송 수준은 -20 dB를 기록하였으며, S-파ram 등 측정 결과와 HFSS 시뮬레이션 간 양호한 일치를 보였다. 이는 캘리브레이션된 재료 특성을 사용한 결과이다.
• 볼록형 안테나 구조에 의한 근거리 빔 집중은 시스템 면적을 감소시키고, 소형화된 데스크톱 호환 설계를 가능하게 하였으며, 빔의 정밀도와 해상도를 유지하였다.
• 분석적 선원소 모델은 곡선형 LWA의 근거리 빔 스캐닝 행동을 정확히 재현하였으며, 향후 실현을 위한 신속하고 효과적인 설계 도구로 기능하였다.
• 재료 캘리브레이션 결과, Arlon DiClad 880의 유효 유전율 εr = 2.08 및 손실탄성률 tan δ = 0.003을 확보하였으며, 이는 명시된 값보다 시뮬레이션-측정 일치도를 크게 향상시켰다.