誘電体共振器アンテナは、低損失、高効率、コンパクトサイズなど、有用な数多くの特性を持っています。この例では、XFdtd のアンテナシミュレーションおよび設計機能が、異なる帯域のデュアル偏波性能を実現するために開発された 2 つの類似した円筒形誘電体共振器アンテナ（DRA）をどのように解析できるかを示します。最初のアンテナは、DCS（1.71-1.88GHz）とWLAN（2.4-2.48GHz）の帯域をカバーするデュアルバンドです。2つ目の設計は、WLANとWiMAX帯域の一部（最大2.69GHz）をカバーするワイドバンドです。どちらの設計もここで参照した論文[1]のものであり、提示された結果は論文で提供された測定値とよく一致している。
一般的なデバイスの設計は、厚さ1.57mmの基板（比誘電率2.33）上の銅のグランドプレーンの上に取り付けられた円筒形の誘電体共振器（比誘電率6.85、高さ50.5mm、半径22mm）で構成されている。1つは円筒の側面にある小さなストリップに接続された同軸プローブに給電し、もう1つは誘電体共振器の下にある接地面のスロットを通して結合される。全体的な設計は図1に示されており、2つのポートは基板のYZとXZの端に明るい緑色で示されている。両設計とも、基板の底面にマイクロストリップ線を使用してポートを接続しています。デュアルバンド設計では、接地面に2つの垂直スロットがあり（図2に見える）、ポート2をDRAに結合し、同軸プローブがポート1を接続する。広帯域設計（図3）も同様だが、ポート2に給電するマイクロストリップ線路にはインピーダンス変換器が追加され、DRAにエネルギーを結合するために異なるサイズのカーブスロットがある。
図1：アンテナ形状の3次元CAD図は、同軸プローブフィードを備えたDRAシリンダーを示し、基板の左右にある2つの入力ポートは薄緑色で示されている。つ目のポートには接地面の結合スロットが給電される。
図2：デュアルバンドアンテナの上面図。第1および第2ポートからのマイクロストリップフィードと、第2ポートをDRAに結合するためのグランドプレーンの2つのスロットが示されている。
図3：広帯域アンテナは、ポート1の同軸プローブと同じだが、ポート2の給電には、マイクロストリップライン上のインピーダンス変換器やカップリング用の2つのカーブスロットなど、いくつかの変更が加えられている。
デュアルバンドアンテナ
図4に示すデュアルバンドアンテナのSパラメータは、対象となる2つの帯域（DCSとWLAN）周辺のリターンロスに浅いヌルがあります。クロスカップリングのS21 プロットは35 dB 以上のアイソレーションを示しています。シリンダー直上の利得を周波数に対してプロットしたのが図5で、各ポートの低帯域で約7dBi、高帯域で約8.5dBiの利得を示しています。図6では、2つのポートの放射効率とシステム効率（ミスマッチ損失を含む）を周波数に対してプロットしており、両ポートとも約90％以上であることがわかる。放射パターン相互の独立性を表す包絡線相関は5x10-5以下の値を示し、優れたアイソレーションを示しています（図7）。
図4：デュアルバンドアンテナのSパラメータプロットは、1.71-1.88GHzと2.4-2.48GHzの動作領域を示している。 ポート間のアイソレーションは35dB以上。
図5：DRAより上の利得は、両ポートとも低域で7dBi近く、高域では8.5dBiに近い。
図6：デュアルバンドアンテナは両帯域で良好な効率を示し、リターンロスが-10dBをわずかに下回るため、システム効率は約90％である。
図7：エンベロープ相関は、2つのポート間に高いアイソレーションがあることを示している。
デュアルバンドアンテナの 1.8 GHz における 3 次元放射パターンを図 8 に示しま す。パターンのXZ垂直面では、1.8GHzにおけるθ指向利得がポート1のφ指向利得よりもかなり高いことがわかります（図9）が、ポート2ではφ指向利得が支配的です（図10）。同様に、垂直YZ平面では、1.8GHzにおいて、ポート1ではファイ利得が支配的であるのに対し（図11）、ポート2ではシータ利得が表れている（図12）。WLAN帯域を2.45GHzで調査した場合、XZ平面では図13と図14に同様の挙動が見られる。図15では、偏波間の分離はポート1で減少しているが、ポート2では依然として強い（図16）。
図8：1.8GHzにおけるデュアルバンドアンテナの3次元利得パターンは、グランドプレーン上方にブロードローブを示し、ピーク利得は約7dBi。
ー図9: 1.8GHzののー垂直XZ面におけるーポート1からのー利得はーθ成分によるー強い同偏波利得とーθ成分、ー緯度ー同偏波利得ー緯度ー40dB以上
図10：1.8GHzにおけるポート2は、XZ平面内のphi成分から強い同偏波利得を示し、アンテナの二重偏波を示している。
図11：YZ平面では、ポート1のθ方向利得が減少し、1.8GHzではφ方向利得が支配的になっている。
図12：1.8GHzにおけるYZ面のポート2は、ポート1とは正反対の強いθ方向利得と非常に低いφ方向利得を示す。
図13：XZ面の2.45GHzにおいて、ポート1は強いθ方向利得と低いφ方向利得を持つ。
図14：XZ面内の2.45GHzにおいて、ポート2はポート1とは逆の強いファイ指向利得と低いシータ指向利得を持つ。
図15：ポート1（2.45GHz）のYZ平面では、共偏波利得と交差偏波利得はそれほど分離していないが、ファイ偏波利得が支配的である。
図16：YZ面2.45GHzのポート2では、θ方向利得が支配的。
ワイドバンドアンテナ
広帯域アンテ ナのSパラメータは、図17に示すように、S21のアイソレーションが-45dBであ るのに対し、各ポートのリターンロスは対象範囲全体で-10dB以下である。DRA以上の周波数に対する利得を見ると、2.5GHzで約5.2dBiの低い利得から2.7GHzで8.5dBiを超える利得までが示されています（図18）。図19にプロットした効率は、この設計では両ポートの入力の整合性が向上していることもあり、対象範囲全体にわたって両ポートとも極めて高い値を示している。図20に示す包絡線相関は極めて低い数値を示しており、偏波間のアイソレーションが優れていることを示しています。広帯域設計の3次元利得パターンは2.4GHzで図21に示されており、グランドプレーン上方を広くカバーしています。
図17：広帯域アンテナは、2つの入力ポートで約2.25～2.8GHzのリターンロスが-10dB以下であり、対象帯域全体をカバーしている。 ポート間のアイソレーションは45dB以上。
図18：周波数に対するDRAの利得は、アンテナの帯域にわたって5.2～10dBiの利得を示している。
図19：広帯域アンテナは非常に効率的で、対象帯域での放射効率とシステム効率は100%に近い。
図20：包絡線相関は極めて低く、2つのアンテナポートのゲインパターン間のアイソレーションが非常に良好であることを示している。
図21：2.4GHzにおける広帯域アンテナの3次元ゲインパターンは、デュアルバンドアンテナと同様のブロードローブである。
誘電体共振器アンテナは、低損失、高効率など、いくつかの重要な特性を持っており、通信やWLANなどのアプリケーションに適しています。この例では、デュアルバンドおよびワイドバンド設計のデュアル偏波アンテナが、ポート間および放射パターン間のアイソレーションが良好で、優れた性能を発揮することを示しています。
参考までに：
[1] Y. X. Sun and K. W. Leung, "Dual-Band and Wideband Dual-Polarized Cylindrical Dielectric Resonator Antennas," inIEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol.12, pp.384-387, 2013, doi: 10.1109/LAWP.2013.2251993.