はじめに
この例では、XFdtdの5Gデバイス設計機能を使用して、スマートフォンの設計において4G（860MHz）と5G（28GHz）で動作する2つのアンテナシステムが近接した場合の性能と相互作用を解析します。 4Gアンテナは、広いカバレッジのために広いパターンを生成することを意図している一方、5Gアレイは、素子間の位相を変化させることによって操縦することができる狭いビームを生成する必要があります。 4Gアンテナは逆L型デザインで、電話の上部に配置される。 5Gアンテナアレイは4つの八木・宇田素子で構成され、4Gアンテナの近くにありますが、導体ブロックによってオフセットされています。 この例で使用されているアンテナ設計は論文 [1] からのものです。
デバイスの形状
この例のジオメトリは、簡略化したスマートフォンのPCBに基づいています。 図1に示すように、150x70x1mmの銅板をシステムのグランドプレーンとして使用し、その一端にアンテナ構造を取り付けています。 4Gアンテナは、断面が1x1mmで、短い脚の長さが6mm、長い脚の長さが70mmの逆L字形で、グランドプレーン上に直接配置されている。 グランドプレーンと短い足の端の間にある電圧源から給電される。 5Gアレイは、図2に示す4つの同じ八木・宇田素子で構成されている。 素子は厚さ0.3mmの基板（誘電率3.6、損失正接0.006）に取り付けられており、厚さ2.2mmの導体ブロックによって接地面から分離されている。 また、基板の裏面には八木・宇田アンテナの水平エレメントがあり、これは図3に見える。 各 5G エレメントにはノーダル導波管が給電されます。
図1：スマートフォンの設計を3次元CADで表したもので、4Gアンテナと5Gアレイ構造は、大きなグランドプレーンの一端、左側に見える。
図2：5GアレイのCAD図。誘電体基板上に4つの八木・宇田エレメントを配置し、その後ろに4Gの逆L字アンテナを配置している。
図3：アンテナアレイの下面図。4Gと5Gの素子と基板の裏面が分離しているのがわかる。
この構造は、XFdtdのPrOGrid Project Optimized Gridding®機能を使用して、波長あたり30個のFDTDセルを基本設定としてメッシュ化されています。 最小フィーチャサイズは、基板が5つのFDTDセルの厚さを持ち、最小の導体フィーチャが5つのセルの幅を持つように定義されています。 また、ジオメトリのすべてのエッジにグリッド線が配置されるように、すべてのパーツに自動固定点が適用されます。
結果
この4Gアンテナには広帯域ソースが給電されますが、このソースは当初、グランドプレーンとアンテナベースの間に取り付けられた50Ωの電圧ソースとして表されます。 アンテナは50 Ω電源とのマッチングが良くないため、リターンロスが悪くなります。 アンテナ負荷のインピーダンスを決定する初期シミュレーションの後、マッチング回路を定義してアンテナ性能を改善することができます。 この場合、2つのコンデンサと1つのインダクタで構成されるローパスPIマッチングネットワークが選択され、解析的なマッチング回路計算機を用いてコンポーネント値が決定されます。 整合ネットワークのコンポーネントはSPICEネットリスト形式で定義され、図4に示すようにサブ回路としてXFdtdにインポートされます。 このサブサーキットは、マッチング回路としてXFdtd電圧源に追加できます（図5）。 プログラムの実行中、マッチング回路を含むセル・エッジの各時間ステップで、FDTD全波計算と回路ソルバーのコ・シミュレーションが行われます。 残りの計算スペースでは、通常の全波FDTDシミュレーションが行われます。 図6 に、整合回路を使用していないアンテナと整合回路を使用した4G アンテナのリターンロス・プロットを示します。 4Gアンテナの利得は図7に示されており、2.7dBiのピーク利得で広い範囲をカバーしていることがわかります。
図4：4Gアンテナで使用される整合回路のネットリストのメニューを示す。ネットリストには2つのコンデンサーと1つのインダクターが含まれている。
図5：4Gアンテナに使用されるマッチング回路付きポートのXFdtdの電圧源メニューを示す。
図6：マッチングされていない4Gアンテナとマッチングされた4Gアンテナのリターンロスの比較。
図7：4Gアンテナの3Dゲインパターンは、デバイスの周囲をかなり均一にカバーし、2.7dBiのピークゲインを示している。
4Gアンテナに対する5Gアンテナアレイの向きを変化させ、各アンテナの性能に対する位置の影響を調べました。 5G ア レ イ の 上 端 が 4G ア ン テ ナ の 上 端 よ り 2 mm 下 に あ る よ う に シ フ ト さ せ る 、 5G ア レ イ と 4G ア レ イ の 上 端 を 同 じ 位 置 に 保 つ 、あ る い は 5G ア レ イ を 2 mm 上 に シ フ ト さ せ る 。 これらの初期ケースでは、5Gアレイ素子間の位相シフトはゼロに保たれます。 オフセットの影響を図9と図10に示しますが、5Gアレイを2mm下にオフセットすると、XY平面とYZ平面の両方でゲインパターンに顕著な影響があることがわかります。 5Gアレイを2mm上に移動させると、4Gアンテナをジオメトリから完全に取り除いた場合と同様のパターンが得られます。 4Gアンテナと5Gアンテナの上端を揃えた場合、5Gアンテナパターンにわずかな影響があります。 図 11 に見られるように、すべての場合において、4G アンテナパターンにはわずかな影響しかありません。
図8：4Gアンテナに対する5Gアレイの3つの異なる構成を検討（左から右）：5Gアンテナの上部が4Gアンテナより2mm下にオフセット、5Gアンテナの上部と4Gアンテナの間のアライメントが均等、5Gアンテナの上部が4Gアンテナより2mm上にオフセット。
図9：素子間の位相シフトをゼロにした5GアレイのXY平面における利得パターンのプロットを示す。5Gアレイが4Gアンテナの上方に2mmオフセットされている場合、4Gアンテナがジオメトリから取り除かれたときと同様のパターンになることがわかります。4Gアンテナと5Gアンテナの上端を揃えた場合も同様のパターンが得られています。5Gアンテナが4Gアンテナより2mm下にオフセットしている場合、5Gパターンは大きく影響を受けます。
図 10: エレメント間の位相シフトをゼロにした 5G アレイの YZ 平面におけるゲインパターンのプロットでは、オフセットが 2mm 上の場合、4G アンテナを取り除いた場合と同様の結果が得られています。アンテナの上端を揃えた場合は5Gアレイのパターンに若干の影響があり、5Gアンテナが4Gアンテナより2mm下にずれた場合はより大きな影響があります。
図11：XY平面における4Gアンテナの利得パターンは、5Gアンテナアレイの移動によってわずかに影響を受ける程度である。
次に、5Gアンテナアレイに28GHzの正弦波ソースを等振幅で給電し、5Gアレイを4Gアンテナの2mm上に配置する構成で、エレメント間の位相シフトを変化させます。 すべての素子に同位相で給電した場合、生成されるパターンのピーク利得は約12.5 dBi、3 dBのビーム幅は17度、ピークサイドローブレベルは0 dBi以下です（図12）。 5Gアレイの各素子間で120度の位相シフトを適用した後、ビームは図13に示すように片側に24.5度スキャンされる。 フィードに-180度、-120度、-60度、0度、60度、120度の位相シフトを適用すると、図14に示すように、アレイから一連のビームが生成され、すべてのビームが同時にプロットされます。
図12：素子間の位相シフトをゼロにした5Gアレイのゲインパターンは、XY平面においてピークゲイン12.5dBi、ビーム幅17度のビームを示している。
図13：素子間で120度位相シフトした5Gアレイのゲインパターンは、XY平面内で24.5度傾いたビームを示している。
図14：素子間の位相シフトが180度、120度、60度、0度、-60度、-120度の場合の5Gアレイの6つの可能なビームを3Dと2Dのゲインパターンで示す。
概要
28GHzで5Gアレイと組み合わされた4Gアンテナを持つ簡略化されたスマートフォン・デバイスを、4Gアンテナに対する5Gアレイの異なる構成について評価した。 5Gアンテナが4Gアンテナに対して垂直方向に2mmオフセットした最良の構成が見つかり、4Gと5Gエレメント間の相互作用がほぼないことが示された。
参考までに：
[1] 山ヶ城俊彦，古賀洋一，甲斐正樹，外岡崇，鷲見秀樹，星野正樹，"A Nobel 4G and 5G Antenna Solution for Future Smartphones," IEEE Antennas and Propagation Society Int.Symp., pp.1785-1786, 2018.
