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マイクロストリップパッチアレイの設計
COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY マイクロストリップパッチアレイの設計 アレイアンテナは単一素子アンテナに比較して高い指向性を示します。指向性の高さはアレイ素子間の干渉 効果によるものです。したがってアレイの設計では各素子の位相、振幅、素子間の間隔の最適化が必要とな ります。 アレイの放射分布と S パラメータは下記要素により決定されます：単一素子であるパッチアンテナの設計、 アレイの配置と素子の間隔、給電線路のレイアウト。アレイの設計工程を何段階かに分けたうえで、上記要 素を段階的に考慮することにより最適化設計が進めやすくなります。また、各段階に最も適したツールを選 びやすくなります。 プリントアレイアンテナは無線 LAN（WLAN）に多用されるアンテナです。以下では CST STUDIO SUITE の回路ソルバーと 3D フルウェイブソルバーと最適化ツールによる WLAN 周波数プレーナマイクロストリッ プパッチアレイの設計プロセスをご紹介します。高指向性かつ低コストでサイドローブレベルが低く、さら に 5.18∼5.85 GHz でインピーダンス整合の良好なアレイアンテナを設計ゴールとします。 パッチ素子 図 1：パッチアンテナモデルと変数パラメータ アレイ設計は、まずアンテナ素子の設計から始めます。本事例ではシンプルな方形パッチアンテナを使用し ます（図 1） 。CST STUDIO SUITE のモデリング機能で解析モデルを作成します：エアギャップのある二層 基板の上にパッチを作成し、ABS ボックスに格納します。二つのパラメータについて最適化を実行します： ひとつはパッチの一辺の大きさで、これによりパッチの共振周波数を調整します。もうひとつはエアギャッ プの幅で、これにより広い帯域幅を確保します。 アレイ計算機能 最適化設計を完了したアンテナ素子をアレイに配置します。CST STUDIO SUITE にはアレイレイアウトの 定義に基づき遠方界を自動計算する機能があります。給電電流の振幅と位相、および素子の位置を入力する か、またはそれらの情報を記述したテキストファイルをインポートしてアレイを定義します。この例ではボ ックスとパッチによるレイアウト上の制限があるため、4 x 4 の平面アレイとしています。 COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY アレイ計算機能はアレイ定義からアレイ係数を計算し、素子にアレイ係数を乗じて等価アレイの遠方界を導 出します。この遠方界からアレイの利得と指向性が得られます。この後、利得が最大になるように素子間の 間隔を最適化すると共に、サイドローブを削減するように給電電流の振幅と振幅を最適化します。 アレイの 3D シミュレーション アレイ計算機能は設定が簡単で素早く計算できる便利なツールですが、結合やエッジ効果を考慮しません。 現実的な遠方界を求める場合は、フルアレイモデルのシミュレーションが必要になります。アレイ計算機能 とアレイシミュレーションでそれぞれ求めた遠方界をオーバレイしたプロットを図 2 に示します。ABS ボッ クスが含まれているにもかかわらず、2 つの結果はおおむね一致しています。大きく異なるのは背面への放 射分布です。これは主にグラウンドプレーンの大きさと外側に配置された素子のエッジ効果によるものと考 えられます。 図 2：筐体効果を含む遠方界分布の比較 フルアレイモデルによるシミュレーション結果（緑）とアレイ係数による計算結果（赤） 給電回路 素子の設計は 3 次元レベルでしたが、給電回路の設計は回路レベルで行います。CST STUDIO SUITE の SAM 機能（System Assembly and Modeling）を使用して、このように 3 次元レベルと回路レベルをまたぐ設計プ ロセスを効率良く実行することができます。この例では、給電回路を含まないアレイアンテナ（パッチアン テナ、ABS ボックス、基板、アルミプレート）について 3 次元レベルのシミュレーションを、給電回路につ いて回路レベルのシミュレーションをそれぞれ実行します。SAM 機能は完全なアレイアンテナを 3 次元レベ ルでアセンブルします。その結果に基づき、給電回路の結合効果を調べることができます。 SAM 機能は、パッチにそれぞれポートを定義したアレイアンテナを、給電回路を含めずに自動的にアセンブ ルし 3 次元シミュレーションを実行します。S パラメータに対称性があるため、4 ポートを励起するのみで 16 要素の完全な S マトリクスを導出することができます。 給電回路の各セグメントは多層マイクロストリップラインとして扱い、回路図ではマイクロストリップライ ンブロックで表現します（図 3）。マイクロストリップラインブロックは伝送線路の S パラメータを表し、ア レイブロック（給電回路を含まないシミュレーションから得た S パラメータを表す）に接続します。 COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY この給電回路について、アレイのパフォーマンスを最大化する最適化を実行します。回路シミュレーション は非常に高速で、結果がすぐに得られます。3 次元的な効果は含まれませんが、詳細な最適化を 3 次元解析 で実行するにあたり、その初期値とするのに適します。 図 3：給電回路の回路図。アレイモデルの赤丸はディスクリートポートを表す。 給電回路の 3D シミュレーション 図 4：給電回路を含むアレイの 3D フルモデル COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY 給電回路を含むアレイアンテナの 3D フルモデルは SAM 機能のマスタープロジェクトで自動的にアセンブル されます（図 4） 。3D 解析では給電回路とパッチアンテナの結合などの効果が加味されるため、回路シミュ レーションによる回路特性とはいくらか差異のある結果となります。結合により生じた位相遅延がパッチの 励起振幅の一様性を乱します。 給電回路を調整するための最適化を実行します。給電線路とパッチの相互作用は放射分布にも影響を及ぼす ため、最適化のゴールをインピーダンス整合と放射分布の両方に設定します。多数のパラメータが関与する 複雑な過程となるので、グローバルアルゴリズムを選択します。GPU コンピューティング機能により、計算 時間を著しく短縮することができます。図 5 に示すように、最適化後のアレイはゴールに定めた -15dB を達 成しています。目に見える結果としては、ミアンダの長さが変化しました。外側のパッチに接続したミアン ダより内側に接続したものの方を長くした結果、パッチ間の位相の差異が平均化され、アレイのパフォーマ ンスが向上しました。最適化後の放射分布を図 6 に示します。 図 5：3D アレイモデルの S パラメータ：3 次元最適化の前（赤）と後（緑） 図 6：最適化したアレイアンテナの放射分布 COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY 測定結果との比較 図 7：作製したパッチアレイと給電回路 図 8：電波暗室で実施したテストのセットアップ アレイのプロトタイプ（図 7、図 8）を作製し、表面の ABS プレート有りと無しそれぞれについてテストを 実施しました。プレート無しの S パラメータ（図 9）は、振幅も位相もシミュレーションの結果と良好な相 関を示します。プレート無しのアレイは、基板とグラウンドプレーンの間にあるエアギャップの大きさに敏 感です。プレート有りでは、僅かながら差異が大きくなります（図 10） 。この場合、表面プレートの製造公 差が測定結果に加わる不確定要素となります。 COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY 図 9：アレイアンテナの S パラメータ：ABS プレート無し 図 10：アレイアンテナの S パラメータ：ABS プレート有り アレイの遠方界についても測定を実施しました。図 11 は測定とシミュレーションの結果得られた利得をそれ ぞれ示します。主偏波（co-polarization） （a、b）および磁界面の交差偏波（cross-polarization） （c）では両者 の結果はよく一致しています。交差偏波の測定結果の非対称性は、シミュレーションに含まれない取付金具 によるものです。 電界面の交差偏波では、測定とシミュレーションの結果が大きく異なっています。電波暗室のなかでは、ア レイの位置は不確定で、また残差反射があるため、自由空間における理論上の利得（およそ -140 dB）が達 成できません。しかし、磁界面の交差偏波（c）を考えると、電界面交差偏波の測定結果（d の緑）は十分な レベル（-10 dBi∼ -20 dBi）を示しています。 COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY 図 11：5.51 GHz の利得：主偏波（上）と交差偏波（下） 、磁界面（左）と電界面（右） 禁無断転載 株式会社エーイーティー 〒215-0033 神奈川県川崎市麻生区栗木 2-7-6 TEL (044) 980 – 0505 （代) 不許複製 ©2014 AET,Inc