はじめに
この例では、バーチャルリアリティヘッドセットのようなウェアラブルデバイスの無線通信の5G 60GHzアプリケーションのためのアンテナアレイシミュレーションを示します。この例のアンテナ設計は、Hanyang University の Hong and Choi 氏による論文 [1] に基づいています。このアレイは、各々2つのパッチと寄生素子を持つ4つの素子で構成されています。寄生素子は、1次元に広いビームを生成してカバレージを向上させるのに役立ちます。ビームは、素子間の位相シフトを変化させることにより、半球に近いカバレッジを実現することができる。
デバイス設計とシミュレーション
提案するアレイ設計を図1に示す。赤色の材料は基板（Taconic TLY、比誘電率2.2、損失正接0.0009）、緑色の材料は銅。アンテナの最下層は基板で、その下にグランドプレーンがあります。この層の上には50Ωの給電線があり、最初のパッチに到達する前にインピーダンス整合を経て、70Ωの線が2番目のパッチに接続されます。これらのパッチ素子は別の基板層で覆われ、その上には70Ω線に垂直な寄生素子がある。第2の層は、図2の構造の立体図に見える。素子は半波長間隔で配置され、可変位相のノーダル導波管ポートから給電される。
図1：アンテナアレイの上面図で、基板層を赤、金属給電線と寄生素子を緑で示す。パッチは第2の基板層で覆われているため、輪郭で示されている。
図2: アンテナ・アレイを3次元で示し、上部基板層の端がパッチの上に見えている。アレイの上部には4つの導波管給電ポートが見える。
最初に、リターンロスおよびゲインパターン解析のために、アンテナアレイを単独でシミュレーションします。Sパラメータを計算するために、各ポートを個別にシミュレートし、他のポートは50Ω負荷で終端します。その結果、各ポートのリターンロスは図3に示すようになり、各ポートからの応答は他とよく似ています。また、寄生素子を含めた場合のリターン・ロスへの影響を示すため、寄生素子なしのシミュレーションも行いました。図3からわかるように、寄生素子によってアンテナの共振周波数が高くなり、S11ヌルの深さが減少しています。すべてのポートがアクティブで同位相のアンテナをシミュレーショ ンすると、図 4 に示すようにブロードサイドのゲインパターンが計算されます。寄生素子を使用しない場合、±40 度付近の深いヌルパターンがあり、望ましくないことがわかります。寄生素子を含めることで、ヌルは減少し、アレイは広いファンビームを生成します。このビームは図5で3次元的に示されており、パターンは垂直方向に広く、水平方向に狭い（3dBビーム幅24度）ことがわかります。
図3：アレイの各素子のリターンロスはよく似ている。寄生素子の追加により、応答が高周波側にシフトし、ヌルの深さが減少している。
図4: 寄生素子ありのののののののののののののー図4.アレイのー図寄生素子がない場合、パターンには望ましくないヌルが存在する。
図5：等位相の場合の3次元ゲインパターンは、扇形パターンで側方にピークゲインを示す。
このアレイでは、素子間の位相を変えることでビームステアリングが可能です。図6では、素子間の位相シフトを90度変化させることで、水平方向に約30度のビームステアリングが可能なアレイを示している。図7では、位相シフトを-90度から90度まで30度ステップで変化させ、7つの可能なビームを示している。
図6：アンテナ素子間の位相が90度ずれると、ビームは約30度横にずれる。
図7：位相シフトを-90度から90度まで30度刻みで掃引すると、広い範囲をカバーする7本のビームが生成される。
次に、このアンテナアレイをバーチャルリアリティヘッドセットのファントムヘッドに装着し、可能なアプリケーションのデモンストレーションを行います（図8参照）。60GHzの頭部は非常に大きいため、図9に示す全問題空間の一部が、このデモンストレーションのために実際にシミュレートされたものです。図10では、アレイの一次ビーム（全素子が同位相）をヘッドセットとファントムと比較して示しています。素子間に90度の位相シフトを加えると、図11に示すようにビームは片側に約30度シフトします。図12は、両方のビームを同時に示したものです。
このような用途では、ファントム表面の散逸電力も重要であり、XFdtdで計算できます。図13では、ファントム・モデルの評価表面におけるヘッドセット・マウント・アレイからの散逸電力を示しています。
図8：バーチャルリアリティヘッドセットに取り付けられたアンテナアレイ。ヘッドセットはファントム頭部モデルに取り付けられている。
図9：問題空間のサイズが大きいため、実際のシミュレーションにはヘッドセット／ヘッドモデルの一部を使用。
図10：全素子が同位相の場合の計算された利得パターンを示し、15dBi近い強力な利得と扇形のビームが得られている。
図11：素子間で90度の位相シフトをかけた後、ビームは約30度横にシフトしている。
図12：0度と90度の位相シフトを持つ両方のビームがこの画像に示されている。
図13：放射アレイから頭部ファントム表面への散逸電力がソフトウェアによって計算され、表示される。
参考までに：
[1] Y. Hong and J. Choi, "60 GHz Array Antenna for mm-Wave 5G Wearable Applications,"2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp.1207-1208, 2018.
