[论文解读] Design of Maximum-Gain Dielectric Lens Antenna via Phase Center Analysis

Khadimul Islam, Arjuna Madanayake+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 12被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于相位中心分析的方法，通过优化介电透镜相对于毫米波微带天线阵列的放置位置，实现最大增益，即将透镜置于距馈电端计算得出的距离处。与传统的透镜直接放置于馈电端的设计相比，该技术可实现约25%的增益提升，显著提高孔径效率和增益。

ABSTRACT

In this work, a method is presented to maximize the obtained gain from millimeter-wave (mm-wave) lens antennas using phase center analysis. Commonly, for designing a lens antenna, the lens is positioned just on top of the antenna element which is not capable of providing the maximum gain/aperture efficiency. A novel solution method is proposed where the lens will be placed at a distance calculated using phase center analysis to produce the maximum gain from the system. A mm-wave microstrip antenna array is designed and the proposed method is applied for the gain enhancement. Simulation results suggest that the propose scheme obtains around 25% gain enhancement compared to the traditional method.

研究动机与目标

• 解决传统介质透镜天线中透镜直接置于馈电端导致的增益和孔径效率不理想的问题。
• 开发一种系统化方法，以确定使毫米波透镜天线增益最大化的最优透镜位置。
• 应用相位中心分析，计算透镜与馈电天线阵列之间的理想间距。
• 通过使用毫米波微带天线阵列进行仿真，验证所提出方法的有效性。
• 展示该方法相较于传统透镜直接置于馈电端配置的显著性能提升。

提出的方法

• 该方法采用相位中心分析，以确定介质透镜与馈电天线阵列之间的最优距离。
• 计算馈电天线的相位中心，以确定用于波前整形的有效辐射点。
• 将透镜定位为使其相位中心与馈电天线的相位中心对齐，从而确保球面波前，实现最大直接性。
• 设计了一款毫米波微带天线阵列作为馈电源，并利用电磁仿真验证增益提升效果。
• 将所提透镜位置与传统馈电端配置下的增益性能进行对比。
• 该方法利用电磁理论并优化波前会聚，以实现最大增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫米波系统中，介质透镜与馈电天线阵列之间的最优距离是多少，才能实现最大增益？
• RQ2 馈电端与透镜之间的相位中心对齐如何影响孔径效率和直接性？
• RQ3 通过相位中心分析将透镜从馈电端移开，增益最多可提升多少？
• RQ4 与传统透镜直接置于馈电端的配置相比，该方法在增益和直接性方面表现如何？
• RQ5 透镜位置对介质透镜天线中波前整形和波束聚焦有何影响？

主要发现

• 所提方法相比传统透镜直接置于馈电端的配置，增益提升约25%。
• 增益提升归因于通过优化透镜位置实现的波前整形和相位对准的改善。
• 相位中心分析可精确确定实现最大直接性的最优透镜与馈电间距。
• 该方法通过最小化相位误差和波前失真，显著提高了孔径效率。
• 仿真结果证实，透镜应置于距馈电端计算得出的距离处，而非直接位于其上方，才能实现最佳性能。
• 该方法通过毫米波微带天线阵列得到验证，展现出一致且可测量的性能增益。