通信規格がミリ波などの高周波数帯へと移行するにつれ、通信システムにアンテナアレイを組み込む必要性が高まっています。こうした高度なアレイにより、高利得かつ狭ビーム幅のパターンが実現され、高周波数帯特有の大きな伝送損失を克服し、新しい規格が約束する高いスループットの提供に貢献します。要素数がわずか数個の小さなアレイであっても、さまざまな出力や位相の組み合わせによってどのようなカバレッジが得られるかを完全に把握することは困難な場合があります。 アレイが大型化し、数十あるいは数百もの素子を含むようになると、設計の動作や有効性を完全に記述するためには高度なツールが必要となります。XFdtd® 電磁界シミュレーションソフトウェアには、ビームフォーミングやビームステアリング用途におけるアンテナアレイの性能を迅速に評価するための解析ツールが搭載されています。重ね合わせ（スーパーポジション）機能により、電磁界シミュレーションから得られた基本データを線形空間上で素早く重ね合わせることで、複雑な問題を迅速に合成することが可能です。
例えば、問題空間内の複数のアンテナについて考えてみましょう。Sパラメータ、効率、遠方領域などの必要なデータは、対象となる各アンテナについてEMシミュレーションで一度計算されます。これらのデータは、複素スケーリングを用いて迅速に組み合わせることで、任意のアンテナ出力および位相の組み合わせに対する放射パターン、および関連するアクティブSパラメータや効率を導き出すことができます。 特定のポート電力および位相の組み合わせが事前に分かっている場合、結果となる遠方領域の放射パターンは、後処理において即座に計算されます。
図1 XFdtdの重ね合わせ機能を用いてシミュレーションした、パッチ素子の1×8直線配列（a）および2つの1×4直線配列（b）のパターン。
2つ目のケースは、特定のビーム方向が事前に判明しており、それらの方向における有効等方性放射電力（EIRP）を最大化するために、各ポートの出力と位相調整が必要とされる場合である。統計的解析を用いることで、アレイが提供する全方向のカバレッジを、EIRPの累積分布関数を計算することで決定することができる。この関数は、所定の入力電力に対して正の利得を持つ球面遠方領域の体積の割合を示すものである。
また、28 GHzのパッチアンテナ素子からなる1×8アレイについても検討することができる。このアレイでは、重ね合わせの特性を利用して、素子間の位相を-90度から90度まで30度刻みで掃引する。 その結果、図1aに示すように、-30度から30度の範囲にファンビームを集中させる7つの固有ビームが生成されます。このアレイを2つの隣接する1x4サブアレイで構成して使用する場合、図1bに示すように、重ね合わせ機能を使用して各サブアレイごとに個別のパターンを生成することも可能です。
あるいは、希望するビーム方向が既知であり、ポート設定も指定したい場合には、アレイ最適化機能を利用できます。28 GHzでの8×8パッチアレイのような大規模な2次元アレイを使用すると、アレイ上方の広範囲にわたって掃引可能な狭ビームが生成されます。 図2は、方位角方向で15度間隔、仰角は垂直から30度下向きにビームを形成したい場合において、アレイ最適化ツールを使用して作成されたMax Holdパターンを示しています。計算後、各ビームを形成するために必要なポート電力およびエレメントの位相要件が得られます。
大規模なアレイは、独立して機能する複数の小規模なサブアレイの集合として動作させることも可能です。図3では、同じ8×8アレイが、それぞれ独自の電力および位相設定を持ち、個別の受信機と通信を行う4つの4×4アレイの集合として機能している様子を示しています。アレイ解析ツールを使用することで、サブアレイを定義し、その動作特性を詳細に検討することができます。
図2：XFdtdの配列最適化ツールを使用してシミュレーションした、8×8のパッチ素子配列のパターン。
図3：4つの4×4独立サブアレイで構成される8×8パッチ素子アレイのパターン。XFdtdのアレイ解析ツールを使用してシミュレーションした。
単一のデバイス上に複数のアレイを配置することで空間ダイバーシティを実現し、単一のアレイでは得られない広範囲の角度をカバーします。この技術の具体的な活用例として、携帯電話の縁部に複数のアレイを配置した5G対応端末が挙げられます。 図4に示すように、携帯電話のケースの側面、上面、底面に配置された4つのアレイは、それぞれ4素子のパッチアレイであり、アレイに垂直な広い領域をカバーする指向性ビームを生成できます。これらを組み合わせて使用することで、アレイは複数の方向へのカバレッジを提供することができ、これはEIRPのCDF（累積分布関数）の計算によって最もよく示されます。この1次元関数は、所定の入力電力に対して、アレイによってカバーされる遠方界球の割合を表します。 図5には、携帯電話の縁にあるアレイのさまざまな組み合わせに対するEIRPの累積分布関数（CDF）プロットが示されており、典型的な23 dBmWの入力電力において、単体のアレイだけでも方向の約66%（CDFプロットから1 – 0.34）で正の利得が得られることがわかります。 角の 2 つのアレイを組み合わせて使用すると、カバレッジは約 90% に改善され、携帯電話の反対側にあるアレイを組み合わせて使用すると、完全なカバレッジが得られます。
図4：広範囲の空間カバレッジを実現するため、携帯電話内に配置された4つの1×4パッチアレイ。
図5：携帯電話に搭載されたパッチアレイのEIRP累積分布関数。
5G高周波システムの要求が高まるにつれ、デバイスの性能は新たなレベルへと押し上げられており、複雑なアンテナシステムを分析するためのより包括的なツールの必要性はますます高まっています。XFdtdは、アレイのカバレッジを検証するための効率的な手段を提供することで、デバイスの性能を把握するプロセスを簡素化します。
