はじめに
このアンテナの設計例では、繊維材料で構成されたデュアルバンドアンテナを身体装着型アプリケーションで使用するために評価します。設計と評価は出版された学術論文 [1] から引用しています。ベースとなるアンテナ設計は、導電テープで覆われた繊維素材で構成された長方形のパッチです。このパッチには、性能を向上させ、デュアルバンドを実現するための短絡壁と同調ビアがあります。アンテナは柔軟性があるため、平らな状態と曲げた状態の両方でシミュレーションを行い、性能への影響を測定している。人体ファントム上でアンテナの放射を行い、比吸収率（SAR）値が許容範囲であることを確認します。MIMOアプリケーションで使用するために、パッチは様々な構成のアレイで対にされ、評価されます。
デバイス設計とMIMOアンテナシミュレーション
シングルアンテナ - フラット
このMIMO アンテナシミュレーションは、身体装着型アプリケーションで使用される、織物素材で構成されたフレキシブルデュアルバンドパッチアンテナ設計に焦点を当てています。パッチの基本的なアンテナ設計を図1a（上面図）と図1b（斜視図）に示します。パッチは長方形で、基材となる3mmのフェルト生地からなり、薄いフレキシブル導電テープ層で覆われています。アレイの一部として使用する場合、隣接する素子間の絶縁を助けるため、基板の隣接する2つの側面は短絡壁で覆われている。基板にはビアを配置し、空洞の共振モードを変更してデュアルバンド性能を実現する。設計パラメータと性能テストは、論文[1]にあるものを模倣している。
図1：パッチアンテナ形状の上面図（左、1a）と斜視図（右、1b）。同軸フィードとビアは、パッチ上部の大小の円として見える。パッチの-X側と-Y側はグランドプレーンに短絡されている。
初期のパッチアンテナをXFdtdでシミュレートしたところ、リターンロスは2.5GHzと5.5GHzの帯域で許容できることがわかり、高い周波数ではより広い帯域が見られました（図2）。図3は、いくつかの周波数におけるパッチ表面の定常磁界を示しています。図3aでは、最初のモードが2.45GHzで示されている。その他のモードは5.2GHz（図3b）と5.8GHz（図3d）に見られる。図3cは、5.5GHzにおけるHフィールドを示している。パッチの利得パターンは球形で（図4）、2.45 GHzで約3.4 dBi、5.5 GHzで6.7 dBiのピーク値を持つ。
図2：シングル・パッチのリターン・ロスは、2.5GHz付近に深いヌル、5.4GHzと5.8GHz付近に2つの浅いヌルを示し、高周波帯域でより広い動作領域を生み出している。
図3：定常状態の磁場分布のプロットは、パッチの異なる動作モードを示す。左上の画像（3a）は2.45GHz、右上の画像（3b）は5.2GHz。下の2つの画像（3cと3d）は5.5GHzと5.8GHzでの応答。
図4：2.45GHz（左、4a）と5.5GHz（右、4b）におけるパッチの利得パターンは球形で、利得のピーク値はそれぞれ3.4dBiと6.7dBiである。
SAR性能の評価のため、図5に示す皮膚、脂肪、筋肉層からなる層状ファントムの上5mmにパッチを配置した。0.5Wの入力電力に対する1グラム平均のピークSARレベルが計算され、2.45GHzと5.5GHzで0.113W/kgと0.18W/kgであり、規格で許容される最大値をはるかに下回ることがわかった。10グラム平均のSAR分析を用いると、0.5W入力電力のSARレベルは2.45GHzと5.5GHzで0.058W/kgと0.082W/kgとなり、これも許容最大値を大きく下回った。各周波数の10グラム平均SAR値の分布を図6に示す。
図5：パッチアンテナの比吸収率（SAR）をテストするために、皮膚、脂肪、筋肉の等価組織からなる3層ファントムの上でシミュレーションを行った。
図6：2.45GHz（左、6a）および5.5GHz（右、6b）における10g平均SARプロットは、ファントム内で最も電力吸収が大きい領域を示している。この値は0.5Wの入力電力に対するもので、許容基準値を大きく下回っている。
シングルアンテナ
次に、このパッチアンテナの設計を、アンテナの湾曲が発生する可能性のある、身体装着型のより現実的な条件下での性能について評価する。この設計は、アンテナの X 軸と Y 軸の両方について、40 mm と 80 mm の曲げ半径でテストされました。各方向に半径 40 mm の曲げ構成を図 7 に示す。図 8 に示すように、すべての折り曲げケースにおいて、リターンロス性能は低帯域では非常に安定していますが、高帯域ではヌルの深さと位置に若干のばらつきが発生しています。すべてのケースにおいて、アンテナ性能は許容レベルに維持されています。曲げ半径が 40 mm の場合、2.45 GHz での利得パターンはパターン形状が平坦なジオメトリと非常に一致していますが、最大利得は 3.4 dBi から 2.2 dBi（X 軸の曲げ）、1.8 dBi（Y 軸の曲げ）に低下しています。5.5GHzでは、利得パターンの均一性が低下し、ピーク利得はフラット形状の場合より約2dBi低下している。曲げ半径40mmの利得パターンを図9に示す。曲げ半径 80 mm の場合、ゲインパターンの形状は平坦形状のケースに近づきますが、ピーク利得は 2.45 GHz で 2.8 dBi（X 軸の曲げ）、2.5 dBi（Y 軸の曲げ）に低下します。5.5GHzのピーク利得は、どちらの曲げケースでも約1dBi低下している。曲げ半径80mmの場合のパターンを図10に示す。
図7：曲率半径が40mmの湾曲したパッチを示す。左側（7a）はX軸周りの曲率、右側（7b）はY軸周りの曲率である。同様の形状を半径80mmの曲率でもシミュレーションした。
図8: 半径の周りに湾曲させたパッチの全構成のリターンロスは、特に低域において同様の結果を示している。上側の共振では、リターンロスにわずかなばらつきがあるが、動作領域はどのケースでも同様である。
図9: 曲線構造上のパッチアンテナの利得パターンは、パターンにわずかなばらつきがあり、ピーク利得が減少している。画像は、2.45GHzにおけるXに関する40mmの曲線（左上、9a）、2.45GHzにおけるYに関する曲線（右上、9b）、5.5GHzにおけるXに関する曲線（左下、9c）、5.5GHzにおけるYに関する曲線（右下、9d）。
図10: 曲線構造上のパッチアンテナの利得パターンにはわずかなばらつきがあり、ピーク利得は減少している。画像は、2.45GHzにおけるXに関する80mmの曲線（左上、10a）、2.45GHzにおけるYに関する曲線（右上、10b）、5.5GHzにおけるXに関する曲線（左下、10c）、5.5GHzにおけるYに関する曲線（右下、10d）。
MIMOアレイ
次に、ベースとなるパッチアンテナの設計を、多入力多出力（MIMO）用に1x2のアンテナアレイ構成にする。つのアンテナの向きは、片方または両方のエレメントを回転させた6種類の組み合わせで変化させます。すべての構成で、アンテナ間の間隔は 10 mm であり、互いに対向するパッチの端部には、相互作用を最小化するための短絡壁が常に含まれている。図 11 に 6 つの構成を示します。アンテナアレイシミュレーションで示されたリターンロス性能は、図12に示すように、2番目のエレメントの向きに関係なく非常に一貫しています。S12パラメータで決定されるエレメント間の相互作用は、-17 dB以下にとどまっています（図13）。
図11：1x2 MIMOアレイの6つの構成で性能を評価。いずれの場合も、アンテナ素子間の間隔は10mmで、短絡側は常に隣接する素子に面している。各構成には、上段にa、b、c、下段にd、e、fのラベルが付けられている。いずれの場合も、給電点と短絡壁の位置を変えるためにエレメントを回転させています。
図12：MIMOアレイのすべてのバリエーション（図11のa～f）からのリターンロスはほぼ同じである。
図13：MIMOアレイの2つの素子間のアイソレーションは、S12の大きさのプロットで示されている。どのケースでもアイソレーションは-17dB以下である。
図 11 に示した様々な構成の個々のゲインパターンを個別に計算した結果、図 14 に示すような類似のパターン形状とピークゲインを持つことがわかった。2つのパターンの相互作用を、エンベロープ相関係数と複素相関係数を計算することで検討し、アレイが許容可能な多様性を持つかどうかを判断する。すべてのアレイ構成の係数は、許容範囲とされる0.5を大きく下回っており、表1にその詳細を示す。
表1：2.45GHzと5.5GHzにおける6つのMIMOアレイのエンベロープ相関と複素相関係数。
図14：構成11bの各パッチの利得プロットを2.45GHz（左、14a）と5.5GHz（右、14b）でプロット。これらのプロットは、各アンテナが独立してアクティブな場合のものです。
アレイのカバレージを測定するために、等価（または実効）等方性放射電力（EIRP）が一般的に指標として使用される。図11bの構成を使用して、EIRPの累積分布関数をプロットし、図15に23dBmWの入力電力についてマークした。このグラフは、2.45GHz では（1 - 0.69755）または球の 30.2%、5.5GHz では（1 - 0.62423）または球の 37.6%のカバレージを示している。図 11 の 6 つの構成の平均カバレージは、2.45GHz で 28.6%、5.5GHz で 38.3%であった。
図15：等価等方放射電力（EIRP）の累積分布関数は、与えられた入力電力に対してアレイから可能なカバレージを示す。図 11b のアレイの場合、23dBmW の入力電力を選択したときのカバレージは、2.45GHz で 30.2%（1-0.69755）、5.5GHz で 37.6%（1-0.62423）である。
MIMOアレイ - 曲線
図11bの図11bの図11bの図11bの図11bの図11bの図11b MIMOアレイを図11bシングルパッチの図11b図11b Y軸周りに図11bの図11bのこのアレイは図16のY軸の周りに湾曲して示されています。、 ャ ン プ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 後 の ャ ン タ S パ ラ メ ー タ ー に ャ ン プ シ ョ ン で ャ ン ク タ S パ ラ メ ー タ ー に ャ ン タ S パ ラ メ ー タ ー に ャ ン タ S パ ラ メ ー タ ー に ャ ン タ S パ ラ メ ー タ ー 両影 響波長帯域において2 2.45GHzと 5.5GHzの ャ ン プ ル で ャ ン プ ル の ャ ン プ ル は ャ ン プ ル は ャ ン プ ル は ャ ン プ ル は ャ ン プ ル（ ャ ン プ ル の ャ ン プ ル（ ャ ン プ ル）ー湾曲アレイのー包絡線相関係数 2.45 GHzでー6.0ーe-3、ー5.5 GHzのー5.1ーe-5とー曲線相関係数ー複素相関係数はー7.8e-2、ー7.1ーe-3である。EIRP解析では、23dBmWの入力電力に対するカーブド・アレイのカバレージは、図19に示すように、2.45GHzと5.5GHzで32.2%と48.1%となり、フラット・アレイよりも向上した。
図16：図11bのMIMOアレイは、Y軸を中心に半径40mmの円柱の周りに湾曲している。
図17：図16のカーブドMIMOアレイによるリターン・ロスとアイソレーションは、2.5GHzと5.3～6GHzの帯域で良好な性能を示している。
図18：図16の曲線構造のアレイ素子のゲインパターンは、曲線によってうまく分離されており、より広い領域をカバーできるはずである。
度等方放射電力（度等方放射電力(度EIRP)の度累積分布関数。図16のアレイでは、23dBmWの入力電力に対して、2.45GHzで32.2%、5.5GHzで48.1%のカバレージとなり、図11bのフラットアレイよりも改善されている。
結論
この例は、繊維素材で構成されたデュアルバンド用のウェアラブル・アンテナ設計の可能性を示している。アンテナの性能は、実際の使用例で起こりうるような変形があっても、許容範囲内である。MIMOアレイに組み合わせた場合、アンテナは良好なアイソレーションと許容できるアンテナ性能を示します。
参考までに：
[1] S. Yan, P. J. Soh, and G. A. E. Vandenbosch, "Dual-Band Textile MIMO Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology," IEEE Trans.Antennas and Propagation, vol. 63, no. 11, p. 4640-4647, Nov. 2015.
