Part of the discussion for next generation wireless communication is the ability to rapidly steer beams from antenna arrays at higher frequencies. この例では、提案されているアンテナ[1]は、8つの直列給電パッチ素子で構成されており、それぞれが定在波と進行波の両方の挙動を生み出すように接続された8つのパッチを含んでいます。 ーアレイはーアレイはー素子入力のー信号のー位相のー変化ーによりーによりー
ーSパラメータやー、ー利得、ー実効等方性輻射電力(ーEIRP)ーなどーなどーなどのー標準的なー性能評価。 EIRPとは、アンテナに供給される入力電力にアンテナの利得を乗じたものです。 EIRPは、等方性アンテナが評価アンテナのメインビームの信号強度と一致するために放射しなければならない総電力を示します。 本論文のシミュレーションは、XFdtd® EMシミュレーションソフトウェアを使用しています。
最終的なアレイは、図1に示すような8個の独立した1x8直列給電パッチ素子で構成される。 アレイについて説明する前に、まず単一素子の特性を調べる。 各パッチは3.539mm×3.539mmで、3.539mm離れている。 線路の最後のパッチは、接続側に0.6269 mm x 2.727 mmの切り欠きがある。 パッチを接続するマイクロストリップラインの幅は0.494mm。 初期フィードラインは長さ2.215 mm、幅0.72 mm。 エレメントの全長は55.3mm。 アンテナは誘電率2.2、損失正接0.0009、厚さ0.254mmの基板上に設置されている。
図1：上から見た1x8パッチ素子のCAD図。
ジオメトリは、XFdtdのPrOGrid機能を使用してFDTDメッシュにグリッド化されます。 ジオメトリの各要素は，FDTDグリッドと構造のコーナーを完全に一致させるために，自動固定点が有効になっています． 良導電体の最小フィーチャサイズは、パッチ間のマイクロストリップラインの幅に設定され、少なくとも8つのFDTDセルが存在するように定義されています。 誘電体基板は、Poor Conductorの最小フィーチャーサイズの設定を使用して、少なくとも5つのFDTDセルの厚さを持つように定義されます。 波長あたりの全体のセル数は、良好な結果を得るために60に設定されています。
この素子の入力は電圧源であり、最初に26～30GHzの広帯域信号で励振してSパラメータを求める。 Sパラメータを計算するためにシミュレーションを行った結果、リターンロスがマッチング不良のために弱い応答であることが判明した。 これは、直列インダクタと並列コンデンサ（0.22nHと0.09pF）で構成される整合回路を追加することで修正される。 マッチングされた入力リターンロスは、28GHz付近でヌルを生成する（図2）。 単一素子の遠視野利得パターン（図3）は、16.77dBiのピーク利得を持つ、パッチに垂直な強い中心ローブを示す。 図4に示すように、サイドローブのピークはメインローブから約13dBi下がっている。
図2：1x8素子のリターンロスは、50Ωソースで給電した場合、わずかにチューニングがずれている。シンプルなLCマッチング回路を追加することで、素子は28GHzにチューニングされる。
図3：1x8素子の遠視野利得パターンは、1次元に集束し、もう1次元は円形の強い中心ビームを持つ。ピーク利得は17dBi弱。
図4：XZ方向（E平面）のアンテナパターンは、メインビームの利得が16.77dBi、サイドローブのピークレベルが3.73dBi。
アレイを作成するために、1x8素子を5.352mm間隔で8個配置し、図5に示すように55.3mm x 41mmのアレイを形成した。 広帯域のSパラメータ・データを生成するため、8つの入力ポートそれぞれにパルス励振を加える。 単一素子で使用したのと同様の整合回路をアレイの全入力ポートに適用する。 全8ポートのリターンロスは、図6に示すように非常に類似していることがわかりますが、隣接ポート間のアイソレーションはそれぞれ-15dB以下です（図7）。
図5：1x8素子を8個組み合わせてアレイにしたCAD図。素子の間隔は5.352mmで、中心から中心へ。
図6：各フィードに簡単なLC整合回路を追加した後、各ポートのリターンロスが28GHzに調整されている。
図7：隣接ポート間のアイソレーションは、すべての可能な組み合わせで-15dB以下であることが示されている。
図8：全入力を同相給電した場合のアレイのゲインパターンは、ゲイン24dBiの強力なセンタービームとなる。
各入力ポートの信号の位相により、多数の異なるビームを定義することができる。 すべてのポートに同位相の信号を入力すると、アレイ面に垂直なビームが形成され、最大利得は24dBiとなる（図8）。 この形状の性質上、ビームは入力ポートのラインに平行な一平面内にしか導くことができません。 位相調整を行うには、バトラー行列式を用いて素子間の位相差を計算します。 これは次のように定義されます：
α i = [(2i - 1) - M]/M *πここで、αi は要素間の位相差、i はバトラーマトリックスのビーム番号または入力ポート番号、M はポート数である。この場合、ビーム1～8の位相は、-157.5deg、-112.5deg、-67.5deg、-22.5deg、22.5deg、67.5deg、112.5deg、157.5degとなる。位相シフトは入力ポート全体に適用されるため、ビーム1の場合、1番目のポートは0度、2番目は-157.5度、3番目は-315度などのシフトとなる。これらの位相シフトは、28GHzの正弦波入力で適用される。その結果、YZ面（E面）のビームは、メインローブの方向が±55度、±37度、±21.5度、±7度の一連のラインプロットとして図9に示されている。3次元では、図10～13にビーム1～4が示されている。図14では、8つのビームが1つの3次元画像で示されている。
図9：各ポートにバトラーマトリックスの位相シフトを適用すると、指向性のあるビームが形成される。8つの可能なビームが示されている。
図10：ビーム#1（ポートあたり-157.5度）のバトラーマトリックス位相調整から形成されるゲインパターンは、55度で最大ゲインを持つブロードビームである。
図11：ビーム#2（ポートあたり-112.5度）のバトラーマトリックス位相調整から形成されたゲインパターンは、37度で最大ゲインを持つ、より集光されたビームとなっている。白い矢印はピークゲインの方向を示す。
図12：ビーム#3（各ポート-67.5度）のバトラーマトリックス位相調整から形成されるゲインパターンは、21.5度で最大ゲインを持つ。
図13：ビーム#4（各ポート-22.5度）のバトラーマトリックス位相調整から形成されるゲインパターンは、7度で最大ゲインを持つ。
図14: バトラーマトリックス位相変換方程式によって8本のの図。各ビームは個別のシミュレーションを表す。
このアレイは、バトラーマトリックスの位相調整で8本のビームを形成することが示されている。しかし、有効等方放射パワーの累積分布関数を計算することで、すべての可能な位相調整の組み合わせにおける総利得のさらなる分析が可能である。 このプロットは、与えられた入力パワーに対してアレイがカバーする3次元遠方界球の面積の割合を示しています。 このアレイの場合、EIRPのCDFプロット（図15）は、23dBmWの入力パワーに対して、アレイがファーゾーン球の約27.4%にわたって正のゲインを持つことを示している。 これは、ビームが正の利得を持つ走査領域を示しており、アレイの下にある接地面が放射体積の50％を遮るために制限されている。 ファーゾーン領域の上部半球は、アレイの設計上、ビームによって1軸方向にしかスキャンされないため、スキャンされる領域は比較的限られている。 このプロットは、ピークEIRPが約46.4dBmWであることも示している。
図15：EIRPの累積分布関数のプロットは、入力電力が23dBmWの場合、3次元遠方界球の約(1 - .726)、27.4%が正の利得を持つことを示している。
Figure 16: A Rotman Lens device suitable for use as the front end of the array is shown in Remcom’s RLD software.
バトラーマトリックス方程式を使用し、ソフトウェアで位相を調整する代わりに、このアレイでビームを形成するために、シミュレーションでロットマンレンズのような真の時間遅延デバイスを使用することも可能です。 Remcom社のRotman Lens Designer®（RLD）を使用して、アレイの基準を満たす適切なレンズ（RLDソフトウェアの図16に示す）を設計しました。 RLD からレンズの CAD ファイルをエクスポートして XFdtd にインポートした後，8 つの入力ポートと 4 つの側壁ダミーポートで完全なジオメトリを作成しました（図 17）． シミュレーションでは、各ポートの位相を調整するのではなく、一度に1つのポートに給電してビームを作成します。 それぞれ異なるポートをアクティブにして8回のシミュレーションを行った結果、アレイによって形成された8本のビームが図18に見える。 カバレッジは、図14に示したバトラーマトリックスの位相調整と同様である。
図17: ロットマンレンズビームフォーミングステージによるののののののののののののの生図（生図） XFdtdの生図3次元CADファイル.
、図18: ロットマンレンズののののののののののの露光面（のの露光面のの露光面ポートの露光面ポートの露光面ポー トを露光面ポートの露光面ポー.
参考までに：
[1] M. K. Ishfaq, T. A. Rahman, Y. Yamada, and K. Sakakibara, "8x8 Phased Series Fed Patch Antenna Array at 28 GHz for 5G Mobile Base Station Antennas," 2017 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), pp.160-162, 2017.