はじめに
コネクテッドホームのコンセプトには、スピーカー、サーモスタット、ドアベル、カメラなど、多くの「スマート」な側面が含まれます。 この例では、XFdtd EMシミュレーション・ソフトウェアでシミュレートした、セキュリティ監視のために家の周りをビデオ監視する一般的なリモート・カメラの性能について説明します。 このカメラは、周波数2.4、5、6GHzの802.11 a/b/g/n/ac/ax規格をカバーするWiFiシステムに接続することを意図しており、高解像度ビデオを送信する2つのマルチバンドコンフォーマルアンテナを含んでいます。
デバイス設計とシミュレーション
一般的なカメラ設計では、カメラ筐体の内面を包み込む2つのコンフォーマルマルチバンドアンテナを使用しています。 アンテナは2.4、5、6GHzをカバーするように設計されており、最大カバーのためにアンテナパターンを位相調整することができます。 アンテナに加え、取り付け構造、PCB基板、カメラ画像チップ、レンズがあり、このシンプルなモデルではブロック部品で表現されています。 カメラの3次元CAD図を図1に示しますが、アンテナエレメントの1つがカメラの半透明のケースを通して見えます。 カメラ全体の大きさは約70x70x70mmです。 図2では、アンテナ・エレメントの1つをより詳細に見ており、カメラ・ケースの内壁に適合するようにエレメントが湾曲していることがわかります。 このアンテナは、図3に示すように、2.4、5、6GHzの希望する周波数において、-10dB以下の適切なリターンロスが得られるように調整されています。 ケースに収まるようにアンテナを湾曲させることは、アンテナの性能に大きな影響を与えるため、最終的なコンフィギュレーションにおけるアンテナのチューニングが必須となります。
図1：一般的な遠隔カメラ装置の立体図を示し、カバー越しに内部アンテナアレイが部分的に見える。
図2：遠隔カメラの2つの同じマルチバンドアンテナのうちの1つ。
図3：マルチバンドアンテナのリターンロスは、2.4、5、6GHzで望ましい良好な性能を示している。
アンテナのゲインパターンは、カメラの側面と前方に焦点を合わせたカバレージを持っています。 図4には2.4GHz、図5には5GHz、図6には6GHzで独立動作する2つのアンテナのパターンが示されており、すべての画像でレンズ付きカメラの前面が視聴者を向いています。 個々の素子のピーク利得は、2.4 GHzで約3 dBi、5 GHzで約7 dBiの範囲である。 2.4GHzではパターンが非常に広帯域であるのに対し、高周波数ではパターンがより複雑になり、いくつかのローブが見られる。
図4：2.4GHzにおける2つのアンテナのゲインパターンは、デバイスの半分をカバーする2つのブロードローブパターンを示す。 画像の向きはカメラの正面を直接見ている。
図5：5GHzにおける2つのアンテナの利得パターンは、アンテナの法線方向に高い利得を持つ2つの狭いパターンを示す。 ー真正面からー方向からー。
図6：6GHzにおける2つのアンテナのゲインパターンは、デバイスの方位角面のほとんどをカバーし、カメラの前方方向にローブを持つマルチローブパターンを示す。 画像の向きはカメラの正面を直接見ている。
カメラはランダムな方向に取り付けられる可能性があるため、全範囲の角度をカバーできることが望ましい。 しかし、汎用カメラにはPCB基板や支持構造などの内部部品があるため、カメラ背面へのゲインは低下します。 XFdtdのアレイ最適化機能を使用することで、アレイの性能を決定し、可能なフルカバレッジを見つけることができます。 図7では、2.4GHzの2つのアンテナのMax Holdパターンが計算され、前方方向と方位角面の周囲で良好な利得を示しています。 図8では、5 GHzにおけるMax Holdパターンが、アンテナの側面に強いローブを示し、前方方向の利得は減少していますが、正の利得を示しています。 図9に示す6GHzでは、Max Holdパターンは前方方向に強い利得を示し、側面への利得は低下している。 図7、8、9は、カメラを図1の方向に向けた場合のパターンを示しています。
図7：2.4GHzにおける2つのアンテナの最大EIRPパターンは、カメラの前方領域を広くカバーしている。 画像内のカメラの向きは図1と同じ。
図8：5GHzにおける2つのアンテナの最大EIRPパターンは、方位角方向でアンテナ平面に垂直な高利得カバレッジを示している。 画像中のカメラの向きは図1と同じ。
図9：6GHzにおける2つのアンテナの最大EIRPパターンは、前方方向に強い利得を示し、方位角方向はほぼ均等にカバーしている。 画像中のカメラの向きは図1と同じ。
EIRPの累積分布関数を作成することで、素子を囲む3次元球面全体の最大カバレージを計算することができる。 図10に示すEIRPのCDFプロットは、2.4GHzにおける素子のすべての可能な位相関係において、約67%の方向で正の利得が得られることを示している。 5 GHzでは、図11に示すCDFプロットは、正利得で60%強をカバーしている。 最後に、6 GHzでは、図12に示すように、ほぼ70%の方向で正の利得が得られる可能性がある。
図10：2.4GHzにおける2つのアンテナのEIRPのCDFプロットは、約67％の方向で正の利得を示している。
図11：5GHzにおける2つのアンテナのEIRPのCDFプロットは、約60％の方向で正の利得を示している。
図12：6GHzにおける2つのアンテナのEIRPのCDFプロットは、約70％の方向で正の利得を示している。
結論
カメラなどのリモート・デバイスとの良好なコンタクトを維持することは、コネクテッド・ホーム・システムの重要な機能です。 この一般的なカメラ設計はXFdtdで評価され、3つの周波数で60%以上の方向に少なくとも正の利得があり、ピーク利得はほぼ7dBiと高いことがわかりました。 これにより、ほとんどの設置構成で十分な接続性が得られるはずです。
