[논문 리뷰] Modern Antennas and Microwave Circuits -- A complete master-level course

Bart Smolders, Huib Visser외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 19.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 석사 수준의 교과서는 현대 안테나 및 마이크로파 회로에 대한 종합적이고 자율적인 교육을 제공하며, 기초 전자기학과 진동형 어레이 및 스마트 안테나와 같은 고급 주제를 통합한다. 시스템 수준의 파arameter, 전송선 이론, 수치 방법, 실용적 설계 기법을 다루는 체계적인 커리큘럼을 제시하며, 이론적 엄밀성과 무선 통신 분야의 실제 적용에 중점을 둔다.

ABSTRACT

Modern antenna systems include passive antenna structures, passive microwave circuits and interconnections to electronics. Therefore, the antenna engineer should have a deep understanding of antenna theory and should be able to apply microwave engineering concepts. This textbook provides all relevant material for Master-level courses in the domain of antenna systems. The book includes comprehensive material on antennas and provides a solid introduction into microwave engineering, ranging from passive components to active circuits. We believe that this is the perfect mixture of know-how for a junior antenna expert. The theoretical material in this textbook can be supplemented by labs in which the students learn how to use state-of-the-art antenna and microwave design tools and test equipment, such as a vector network analyzer or a near-field scanner. Several chapters in this book can be used quite independent from each other. For example, chapter 6 can be used in a dedicated phased-array antenna course without the need to use Maxwell-based antenna theory from chapter 4. Similarly, chapter 3 on transmission lines and microwave circuits does not require deep back-ground knowledge in electromagnetics or antenna theory.

연구 동기 및 목표

• 전자공학 석사 과정 학생들을 대상으로 안테나 시스템 및 마이크로파 공학에 중점을 둔 완전하고 대학 수준의 교육 자료를 제공하기 위해.
• 이론적 전자기학과 실용적인 마이크로파 회로 설계를 연결하며, 저소음 증폭기 및 필터와 같은 활성 부품을 포함한다.
• 맥스웰 방정식에 깊이 있는 지식이 없더라도 어뢰 어레이나 전송선에 관한 장들을 독립적으로 학습할 수 있도록 컨텐츠를 모듈식으로 구성함으로써 자율 학습과 모듈러 학습을 가능하게 하기 위해.
• 벡터 네트워크 분석기 및 근접장 스캐너와 같은 설계 도구와 실험 장비를 통합하여 실습 중심 학습을 지원하기 위해.
• 무선 통신, 레이더 및 5G/6G 시스템 분야의 연구자 및 전문가를 위한 기초 참고 자료로 기능하기 위해.

제안 방법

• 시스템 수준의 파arameter, 전송선 이론, 안테나 이론, 수치 방법, 어뢰 어레이, 스마트 안테나 시스템을 다루는 6개의 주요 장으로 구성된 모듈식 교과서 구조를 사용한다.
• 시간 조화장 분석과 좌표계(데카르트, 원통, 구면)를 적용하여 다양한 기하학적 형상에서 전자기적 거동을 모델링한다.
• 맥스웰 방정식과 원거리 근사법을 사용하여 기본 방사체인 다이폴 및 루프의 방사 패턴, 정렬도 및 이득을 유도한다.
• 복잡한 안테나 구조의 적분 방정식을 해결할 수 있도록 수치 전자기 해석을 위한 모멘트 방법(MoM)을 도입한다.
• 스미스 차트와 S-파라미터 네트워크를 활용하여 마이크로파 회로를 분석하고 설계하며, 임피던스 매칭 및 필터 합성 기법을 적용한다.
• 어레이 요소 이론을 기반으로 빔포밍 개념을 적용하며, 어뢰 어레인지의 격자 띠, 빔 확산 및 상호 커플링을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안테나 시스템에 대한 석사 수준 커리큘럼은 이론적 깊이와 실용적 마이크로파 회로 설계 사이의 균형을 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ2 안테나 성능을 정의하는 주요 시스템 수준의 파arameter는 무엇이며, 링크 예산과 레이더 방정식과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 특성 임피던스, 손실 및 종단 조건이 마이크로파 회로 성능과 신호 무결성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 격자 띠, 빔 스캐닝 및 상호 커플링 효과를 고려할 때 어뢰 어레인지 설계의 근본적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 모멘트 방법과 같은 수치 방법을 어떻게 적용하여 와이어 및 마이크로스트립 안테나의 전자기 방사 문제를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 이 교과서는 고급 안테나 및 마이크로파 공학 주제를 10 ECTS 석사 과정에 적합한 일관되고 모듈식 커리큘럼으로 성공적으로 구성하였다.
• 정렬도, 이득, 빔폭, 유효 면적과 같은 시스템 수준의 파arameter는 엄밀하게 정의되었으며 실제 성능 지표와 연결되었다.
• 스미스 차트와 S-파라미터 네트워크 분석은 임피던스 매칭 및 증폭기 안정성 포함한 마이크로파 회로 설계에 강력한 프레임워크를 제공한다.
• 어뢰 어레인지 빔포밍은 위상 및 진폭 오차에 민감하며, 격자 띠 형성으로 인해 스캐닝 중 빔 확산 현상이 발생함을 입증하였다.
• 모멘트 방법과 같은 수치 방법은 마이크로스트립 및 루프 안테나와 같은 복잡한 안테나 구조의 정확한 모델링을 가능하게 하였다.
• 벡터 네트워크 분석기 및 근접장 스캐너를 활용한 실습 구성 요소의 통합은 이론적 개념에 대한 학생의 이해를 향상시켰다.