はじめに
この例は、6G アプリケーションでの使用など、140GHz ワイヤレス通信を目的としたアンテナアレイの性能を示すものである。ベースエレメントの設計は、低温同時焼成セラミック（LTCC）製のTE340モード基板一体型共振器（SIC）励起2x2スロットアンテナサブアレイで構成されています。130～145GHzの広い帯域幅、20.5dBiのピーク利得、周波数範囲にわたる安定した放射パターン、約60%の効率、小型化、簡素化された構造を持つ8x8アレイを作るために、ベースエレメントが組み合わされています。シミュレーションはXFdtd EM Simulation Softwareで行い、(1)で示したオリジナルのアンテナ設計に基づいています。
デバイス設計とシミュレーション
アンテナアレイは8x8素子で構成され、2種類のH接合基板一体型分圧器で接続されている。各エレメント（図 1）は、誘電率 5.9、損失正接 0.002 の Ferro A6M の LTCC 基板層で区切られた 4 つの金属層で構成されています。最上層には2つのTE210モード基板集積キャビティ（SIC）があり、図1と図2で最上層の金属層に見えるビアで定義されています。図 2 には、4 つの放射スロットを持つ第 2 の金属層も示されている。金属層3は、図2の4つのスロットに給電するSICを規定するビアと、キャビティの中心にある2つのマッチング・ポストとともに図3に示されている。金属層3の中央には、下層の給電層からのスロットがあります。下層は図4に示されており、ビアが給電の基板集積導波路（SIW）を定義している。SIWのシングル・マッチング・ポストも、XFdtdの開口部に適用された導波管フィードと同様に見える。
図1：SIC励起2x2アンテナ・エレメントの3次元CADレンダリングを、金属層を緑、LTCC層を赤で示す。
図2：アンテナエレメントの最上層キャビティを示し、金属層#2の4つの放射素子がTE210モードの基板一体型キャビティに給電されている。
図3：金属層#3の上のTE340モードSICを、中央に給電スロット、スロットの上下に2本のマッチング・ポストとともに示す。
図4：入力は、金属層#4の上の給電層を通してアンテナに供給される。この給電層は、金属層#3の給電スロット（図示せず）の下にSIW領域とマッチングポストを含む。
EMシミュレーションの結果、図5に示すリターンロスは、131.63GHzから146.45GHzまでのシングルエレメントの帯域幅が-10dBであることを示しています。図6では、エレメント上部の利得を周波数に対してプロットし、アンテナの帯域幅にわたって9～11.5 dBiの値を示しています。図7には、131GHzにおける2つの主平面の利得パターンが、広いビーム幅で示されています。同様の利得パターンを135 GHzの図8、140 GHzの図9、147 GHzの図10に示します。これらのプロットは、広い周波数範囲にわたってパターンが安定していることを示している。
図5：シングル2x2アンテナエレメントのリターンロスは、約132GHzから146GHzまで、-10dB以下の良好な性能を示している。
図6：アンテナエレメントの真上で周波数に対する利得をプロットしたもので、端の9dBiから周波数帯域中央のピーク11.5dBiまでの利得を示している。
図7：131GHzにおいて、アンテナエレメントは2つの主平面において同程度の共分極利得を持つ。 交差偏波放射は大幅に減少している。
ー135GHzにおけるー主平面におけるーアンテナ利得はーXZ平面にーYZ平面とーXZ平面にー僅かながらー狭まるもののー図8よりー
アレイを形成するために、1次Hジャンクション・パワーデバイダが設計され、中央にソースからの1つの入力ポートがあり、4つの出力ポートがそれぞれアンテナエレメントを持つ2次Hジャンクションに供給される。SIW で構築した一次 H 接合を図 11 に示す。入力と出力の各位置に導波管ポートを設けてシミュレーションしたところ、図12に示すように、120～150GHzの周波数範囲でリターンロスが-10dB以下になることがわかった。図13に示す二次Hジャンクションは、中央下部に入力ポートがあり、図1に示すようなアンテナ素子にそれぞれ取り付けられる4つの出力ポートがあります。図14に示すように、二次Hジャンクションのリターンロスも、120～150GHzの全周波数帯域で-10dB以下である。
図9：140GHzにおいて、アンテナの利得パターンは2つの主平面において同様の性能を示し、XZ面ではビーム幅がわずかに広くなっている。
図10：147GHzでは、アンテナの利得パターンは依然として低い周波数と同様の利得を持つが、YZ面の利得はXZ面ほど広くはなく、交差偏波の利得がより高いレベルに伸びている。
図11：ソースからの入力信号を4つのセカンダリーHジャンクションに分配するプライマリーHジャンクションは、中央下部に入力ポート、コーナーに4つの出力ポートが示されている。
図12：プライマリーHジャンクションのリターンロスは、対象周波数範囲全体にわたって良好な性能を示した。
図13：セカンダリーHジャンクションは、プライマリーHジャンクションからの入力信号を分割し、4つのアンテナエレメントに拡散する。 入力ポートはジャンクションの中央下部にあり、出力ポートは四隅にある。
図14: セカンダリーHジャンクションのリターンロスは、プライマリーHジャンクションと同様に、対象周波数範囲全体にわたって良好な性能を示している。
最終的な8x8アレイは、図15に示すように、4つのセカンダリーHジャンクションをプライマリーHジャンクションの出力ポートに取り付けることで組み立てられる。各2次Hジャンクションの4つの出力ポートに、アンテナエレメントを配置する。最終的な構造は、25×10×0.616 mm の大きめのグランドプレーン上に配置され、その一端にアレイが配置され、導波管給電ポートが一次 H ジャンクション入力ポートに接続される SIW ラインに取り付けられる。図 17 にアレイ素子の上面図を示す。
図15：パワーデバイダー層の全容を示し、入力信号は底面から入力され、赤色のビアで1次側H接合部に供給される。 4つの2次Hジャンクションは、薄緑色のビアで見える。 各2次H接合は4つのアンテナ素子に接続される。
図16：アンテナアレイの全構造を示し、25x10mmのレイヤーシートの上部に8x8エレメントが見える。
図17：8x8アンテナエレメントのトップダウン図を示す。
図18：アレイ全体のリターンロスは、130～146GHzでほとんど-10dB以下。
図19：真上の点におけるアレイの利得は、エッジの17.5dBiから140GHzのピーク21dBiまで滑らかに変化している。
図20：131GHzの主平面における利得パターンは、ピークから10dB下のサイドローブと低い交差偏波利得で同様の形状を示している。
図18のプロットに示すように、130GHzから146GHzの帯域幅において、構造全体のリターンロスは約-10dBである。アレイ上部の利得は、130GHzと146GHzの端点で約19.5dBiの間で変化し、140GHzでほぼ21dBiのピークに達することがわかった。主平面では、利得パターンは0度にピークを持ち、ピークより少なくとも10dB低いサイドローブを持つことがわかった。131 GHz、135 GHz、140 GHz、および144 GHzの利得パターンプロットを、それぞれ図20、図21、図22、および図23に示す。同じ周波数における利得パターンの3次元図を図24、図25、図26、図27に示すが、パターン形状と利得レベルはかなり類似しており、周波数によるアレイ性能の変動がほとんどないことを示している。図28では、アレイの効率をプロットしており、全周波数範囲において60%前後の値を示している。
図21：135GHzのゲイン・パターンは131GHzのものと同様の挙動を示している。
図22：140GHzでは、サイドローブはわずかに大きくなったが、ピークから少なくとも10dB下がったままである。
図23：周波数範囲の最上位144GHzでは、ゲインパターンは他の周波数と非常によく似ている。
図28：アンテナアレイの効率は、対象周波数範囲全体で約60％。
結論
この例では、複数の基板一体型キャビティで構成された140GHzの8x8アンテナアレイの性能を示す。このアレイは、広い周波数範囲にわたってゲインパターンの形状とレベルにほとんどばらつきがない。このアンテナアレイは、将来の6Gアプリケーションにおけるワイヤレス通信に役立つ可能性がある。
参考
J.Xiao, X. Li, Z. Qi and H. Zhu, "140-GHz TE340 -Mode Substrate Integrated Cavities-Fed Slot Antenna Array in LTCC," in IEEE Access, vol.7, pp.26307-26313, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2900989.
