はじめに
この例では、円偏波誘電体共振器アンテナをXFdtdでシミュレー ションし、リターンロス、ゲインパターン、広帯域利得対 周波数、および軸比を計算します。研究対象のアンテナは、1.268GHzと1.561GHzの帯域で動作するコンパスナビゲーション衛星システム（CNSS）の一部として使用することを目的としており、実測結果とシミュレーション結果の両方を含む学術論文[1]から引用しています。XFdtdから得られた結果は、ジャーナル論文から得られた結果と同等です。
デバイス設計とシミュレーション
ここでシミュレートしたアンテナは、平面状の給電部と、誘電率20.5の大きな誘電体ブロックから構成され、接地面の十字スロットの中央に配置されています。図1では、シミュレートしたアンテナの3次元画像を、接地面を赤、基板をオフホワイト、誘電体ブロックを青で示しています。このデバイスは、誘電率2.55の100mm x 100mm x 0.8mmの基板上に構築されています。給電構造は、基板下部のマイクロストリップラインとインピーダンス整合用の垂直スタブで構成されている。基板上部のグランドプレーンには、互いに45度の角度をなす2つのスロットがあり、デュアルバンド円偏波動作のためのモードを生成するサイズとなっている。誘電体ブロックを取り除いたグランドプレーンの上面図を図2に、マイクロストリップラインの底面図を図3に示す。マイクロストリップ線路には、基板の端にある分布回路部品ソースが給電され、1～2GHzの対象周波数範囲をカバーする波形が形成されている。
図1：アンテナ形状の3次元CAD図を示し、グランドプレーンの中心に誘電体共振器ブロックが見える。
Figure 2: A top view of the antenna structure with the dielectric resonator block removed shows the crossed slots in the ground plane and the outline of the microstrip feed line on the bottom of the substrate.
図3：マイクロストリップ給電線とインピーダンス整合スタブを基板の底面に示す。
図4：アンテナのリターンロスは、1.268GHzと1.561GHzの希望周波数に対応する2つの動作帯域を示している。
シミュレーションの結果、デバイスのリターンロスは1.25GHzと1.55GHzを中心とする2つの動作帯域を持つことがわかった（図4）。各帯域の幅は0.16GHzを超え、それぞれデバイスが希望する通信周波数1.268GHzと1.561GHzに近い。対象となる2つの周波数における3次元利得パターンを図5と図6に示しますが、アンテナは誘電体ブロックの真上で5dBi以上のピーク利得を持つほぼ対称なブロードローブパターンを生成することがわかります。アンテナ単体の放射効率は100％で、システム効率は対象2周波数で81％と66％です。誘電体ブロックの真上にある利得のピーク値を周波数に対してプロットしたのが図7で、対象となるほぼ全周波数範囲にわたって非常に安定していることがわかります。最後に、図8に示す軸比は、対象となる両帯域をカバーする3dBの広い帯域幅を示しています。
図5：1.268GHzにおいて、利得パターンはほぼ球状で、誘電体ブロックの上方に5.6dBiのピーク利得があることがわかる。
図6：1.568GHzでは、利得パターンはほぼ球形で、誘電体ブロックの真上方向に5.4dBiのピーク利得がある。
図7：誘電体共振器の真上におけるゲインは、広い範囲にわたってかなり安定していることがわかる。
図8：軸比は1.268GHzと1.561GHzの希望周波数付近で極小値を示し、3dBの広帯域幅を持つ。
結論
誘電体共振器アンテナのシミュレーションでは、20を超える高い誘電率でも良好な結果が得られることが示されている。示されたリターンロスとゲインパターンは、参考論文に示された実測データとよく一致しています。シミュレーション結果の軸比は、測定されたアンテナよりも良い性能を示していますが、傾向はよく似ており、目的の帯域における結果は良好です。
参考までに：
X-C Wang, L. Sun, X-L Lu, S. Liang, and W-Z Lu, "Single-Feed Dual-Band Circularly Polarized Dielectric Resonator Antenna for CNSS Applications,"IEEE Trans.
