On the Layout Paradox of Super-Directive Antenna Arrays

Abstract

Super-directive antenna arrays (SDAAs), which rely on exploiting mutual coupling as a design parameter, have attracted considerable attention in recent years due to their ability to achieve high directivity within electrically small footprints. In many studies, extremely high directivity values are targeted by reducing the inter-element spacing and thereby strengthening mutual coupling. However, the realized gain is often overlooked in this process, which leads to a practical array layout paradox: configurations that theoretically promise higher directivity do not necessarily provide improved realized gain in practice. In this study, the aforementioned paradox is investigated by examining the feasibility of achieving super-directivity under different physical layout constraints. By imposing practical limits on the array geometry, the relationship between array compactness and achievable realized gain is systematically analyzed. A particle swarm optimization (PSO) algorithm is employed to determine the excitation coefficients that maximize the realized gain for various array configurations, and the convergence behavior of the optimization process is evaluated. In addition, the computational performance of the proposed optimization framework is compared with full-wave simulations. The results show that the developed approach can provide solutions consistent with full-wave analyses while requiring significantly less computational time.

Keywords

• Antenna arrays
• Mismatch efficiency
• realized gain
• super-directivity

Süper Yönlü Anten Dizilerinde Yerleşim Paradoksu

Abstract

Ortak bağlaşımın bir tasarım parametresi olarak kullanılması ilkesine dayanan süper yönlü anten dizileri (SYAD), elektriksel olarak küçük boyutlarda yüksek yönlülük elde edebilme yetenekleri sayesinde son yıllarda önemli bir ilgi görmüştür. Literatürdeki birçok çalışmada, elemanlar arası mesafenin azaltılması yoluyla ortak bağlaşımın artırılması hedeflenmekte ve bu sayede oldukça yüksek yönlülük değerlerine ulaşılmaktadır. Ancak bu süreçte gerçekleştirilmiş kazanç çoğunlukla ihmal edilmekte ve bu durum pratik uygulamalar açısından bir dizi yerleşim paradoksunu ortaya çıkarmaktadır. Başka bir ifadeyle, teorik olarak daha yüksek yönlülük vaat eden konfigürasyonlar, her zaman daha yüksek gerçekleştirilmiş kazanç sağlamamaktadır. Bu çalışmada söz konusu paradoks, farklı fiziksel yerleşim kısıtları altında süper yönlülüğe ulaşılabilirlik açısından incelenmiştir. Dizi geometrisine pratik sınırlamalar getirilerek, dizi kompaktlığı ile elde edilebilir gerçekleştirilmiş kazanç arasındaki ilişki sistematik bir şekilde analiz edilmiştir. Farklı anten dizi konfigürasyonları için gerçekleştirilmiş kazancı maksimize eden uyarım katsayılarının belirlenmesinde parçacık sürü optimizasyonu (PSO) algoritması kullanılmış ve optimizasyon sürecinin yakınsama davranışı değerlendirilmiştir. Ayrıca önerilen optimizasyon yaklaşımının hesaplama performansı, tam dalga analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen bulgular, önerilen yöntemin tam dalga çözümleri ile yüksek derecede uyumlu sonuçlar sunduğunu ve bunu önemli ölçüde daha düşük hesaplama maliyeti ile gerçekleştirebildiğini göstermektedir.

Keywords

• Anten dizileri
• Uyumsuzluk verimliliği
• Gerçekleştirilmiş kazanç

References

1. Kurss H. Minimum-scattering antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. 1965; 13(5): 671-675. doi: 10.1109/TAP.1965.1138529.
2. Bird TS. Mutual Coupling Between Antennas. John Wiley & Sons, Ltd, 2021.
3. Özyurt S. Verici Anten Seçimi ve İşaret Uzayı Çeşitlemesi Kullanan En Yüksek Oran Birleşimi Tekniğinin Çift ve Tekdüze Anten İlişki Modelleri Altında Başarım Analizi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2018; 30(1): 295-302.
4. Hamza A, Sheikh SIM, Attia H. Efficient design of super-directive antenna array using Schelkunoff method and genetic algorithm conception. IEEE Can J Electr Comput Eng 2024; 1-7. doi: 10.1109/ICJECE.2024.3396287.
5. Ji R, et al. Electromagnetic hybrid beamforming for holographic MIMO communications. IEEE Trans Wireless Commun 2024; 23(11): 15973-15986. doi: 10.1109/TWC.2024.3435844.
6. Ziolkowski RW. Superdirective broadside-radiating unidirectional mixed-multipole antenna arrays. In: IEEE European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP); March 2024. pp. 1-5. doi: 10.23919/EuCAP60739.2024.10500925.
7. Ziolkowski RW. Superdirective circular arrays of electric and Huygens dipole elements. Electromagnetic Science 2024; 2(1): 1-25. doi: 10.23919/emsci.2024.0007.
8. Uzkov AI. An approach to the problem of optimum directive antenna design. In: Comptes Rendus (Doklady) de l’Academie des Sciences de l’URSS; 1946. pp. 35-38.

9. Harrington RF. Antenna excitation for maximum gain. IEEE Trans Antennas Propag 1965; 13(6): 896-903. doi: 10.1109/TAP.1965.1138539
10. Ivrlač MT, Nossek JA. High-efficiency super-gain antenna arrays. In: International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA); February 2010. pp. 369-374. doi: 10.1109/WSA.2010.5456400.
11. Kanbaz I, Yurduseven O, Matthaiou M. Optimization of super-directive linear arrays with differential evolution for high realized gain. In: IEEE European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP); March 2024.
12. Kanbaz I, Yurduseven O, Matthaiou M. Super-directive antenna arrays: How many elements do we need? In: IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC); April 2024. pp. 1-6.
13. Konstantinou R, Kanbaz I, Yurduseven O, Matthaiou M. Differential evolution-based end-fire realized gain optimization of active and parasitic arrays. IEEE Access 2025; 13: 9857-9867. doi: 10.1109/ACCESS.2025.3526501.
14. Altshuler EE, O’Donnell TH, Yaghjian AD, Best SR. A monopole superdirective array. IEEE Trans Antennas Propag 2005; 53(8): 2653-2661. doi: 10.1109/TAP.2005.851810.
15. Ivrlač MT, Nossek JA. Toward a circuit theory of communication. IEEE Trans Circuits Syst I Reg Papers 2010; 57(7): 1663-1683. doi: 10.1109/TCSI.2010.2043994.
16. Marzetta TL. Super-directive antenna arrays: Fundamentals and new perspectives. In: Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers (ACSSC); March 2019. pp. 1-4. doi: 10.1109/IEEECONF44664.2019.9048753.
17. Hansen RC, Collin RE. Superdirective antennas. In: Small Antenna Handbook. IEEE, 2012. pp. 181-214.
18. Clemente A, Pigeon M, Rudant L, Delaveaud C. Super directive compact antenna design using spherical wave expansion. In: IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APS/URSI); July 2014. pp. 571-572.
19. Clemente A, Pigeon M, Rudant L, Delaveaud C. Design of a super directive four-element compact antenna array using spherical wave expansion. IEEE Trans Antennas Propag 2015; 63(11): 4715-4722. doi: 10.1109/TAP.2015.2475617.
20. Yaghjian AD, O’Donnell TH, Altshuler EE, Best SR. Electrically small supergain end-fire arrays. Radio Science 2008; 43(3): 1-13
21. Kanbaz I, Yurduseven O, Matthaiou M. Densely coupled, super-realized gain printed dipole array with defected ground structures. IEEE Open Journal of Antennas and Propagation 2026. doi: 10.1109/OJAP.2026.3663868.
22. Balanis CA. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd ed. Wiley, 2016.
23. Orfanidis SJ. Electromagnetic Waves and Antennas. Rutgers University, 2016.
24. Dovelos K, Assimonis SD, Ngo HQ, Matthaiou M. Superdirective antenna pairs for energy-efficient terahertz massive MIMO. IEEE Trans Commun 2023; 71(12): 7316-7332. doi: 10.1109/TCOMM.2023.3311449.
25. Pozar DM. The active element pattern. IEEE Trans Antennas Propag 1994; 42(8): 1176-1178. doi: 10.1109/8.310010.