[论文解读] Mutual Coupling Reduction in Two-Dimensional Array of Microstrip Antennas Using Concave Rectangular Patches

Shahram Mohanna, Ali Farahbakhsh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2010

Antenna Design and Analysis参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出一种新颖方法，通过使用凹形矩形贴片来降低二维微带天线阵列中的互耦合并改善驻波比。通过增强遗传算法优化贴片尺寸和凹陷深度，该方法显著提升了性能，仿真结果表明阵列中互耦合和驻波比均较低。

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.

研究动机与目标

• 解决高密度二维微带天线阵列中互耦合过高的挑战。
• 在紧凑、高增益配置下提升驻波比和整体阵列性能。
• 探讨几何结构修改（特别是凹形矩形贴片）对耦合和阻抗特性的影响。
• 通过先进进化计算优化贴片尺寸和凹陷参数，以实现最小互耦合和驻波比。
• 为无线通信系统中的高性能阵列天线设计提供一种实用且可扩展的解决方案。

提出的方法

• 本研究采用凹形矩形贴片替代传统矩形贴片，以改变二维阵列中元件之间的电磁耦合特性。
• 将凹陷的宽度和长度作为设计变量，以控制互耦合和驻波比。
• 采用增强遗传算法（EGA）优化贴片尺寸和凹陷参数，以实现互耦合和驻波比的最小化。
• 通过全波电磁仿真评估不同配置下阵列中耦合和驻波比的性能。
• 优化过程迭代调整贴片几何形状和凹陷深度，以实现最优性能指标。
• 最终设计通过仿真验证，与传统阵列配置相比，对比了耦合电平和驻波比。

实验结果

研究问题

• RQ1 引入凹形矩形贴片对二维微带天线阵列中互耦合有何影响？
• RQ2 何种贴片尺寸与凹陷深度的组合可使互耦合和驻波比最小化？
• RQ3 增强遗传算法在通过几何参数优化提升微带天线阵列性能方面能实现多大程度的改善？
• RQ4 凹陷宽度和长度的变化如何影响S11参数及阵列元件间的隔离度？
• RQ5 凹形贴片结构能否为高密度阵列设计提供一种可扩展且有效的解决方案？

主要发现

• 与传统矩形贴片相比，所提出的凹形矩形贴片设计在二维阵列配置中显著降低了互耦合。
• 通过增强遗传算法优化，成功将阵列中的互耦合最小化，并改善了驻波比。
• 仿真结果表明，优化后的阵列实现了低驻波比，表明阻抗匹配性能得到提升。
• 凹陷的深度和尺寸对耦合降低和驻波比性能具有可测量且可控的影响。
• 该方法在不增加物理间距或添加无源元件的情况下，实现了阵列元件间的有效隔离。
• 最终优化设计在工作频带内表现出稳定性能，证实了其鲁棒性和实际可行性。