はじめに
今日の家庭内外で使用される機器にネットワーク機能が追加されるにつれて、接続性に対する需要が高まっている。 様々な接続を維持するためには、特に信号を遮る障害物が通信リンクを通過する可能性がある環境では、ネットワーク機器にビームフォーミング機能を持たせ、信号経路をより接続性の高い経路に誘導することが有効である。 ここでは、ホームネットワーク用の無線忠実度スマートスピーカータイプのデバイスを調査し、複数の周波数でアレイ化されたアンテナのさまざまな組み合わせを使用して、パターンをビーム制御し、最良の信号経路を維持する方法を実証する。 このMU-MIMO WiFiルーターは、ほとんどの802.11a/b/g/n/acデバイスに典型的な2.4GHzと5GHzのアレイを使用し、さらに802.11axとWiFi 6Eバンド用に6～7GHzのカバレッジを追加します。
デバイス設計とシミュレーション
ここで説明する一般的なWiFiルーターの例では、円形に配列された4つの5GHzアンテナと、2つの2周波2.4/6-7GHzエレメントの組み合わせを使用している。 アンテナはスマート・スピーカー・ケースに収納され、他の回路基板やスピーカー部品が搭載される。 デバイスの基本設計は図1に示されており、高さ約100mm、半径約50mmです。 図2では、デバイスの外側のパーツを取り外して、内部のアンテナ・アレイ・エレメントを見せています。 5GHz用にチューニングされた4つの平面ダイポールアンテナ（図3）が半径30mmの円形に配列されています。 さらに、2.4GHzと6-7GHzの2周波用にチューニングされた同様のアンテナが2本あり、5GHzアレイの中心軸に対して45度回転させてブロッキングを低減している。 2素子アレイは60.5mm離れている。 2.4/6-7GHzアレイの2素子のリターンロスは、対象周波数で-10dB以下であることが図4に示されている。 同様に、5GHzの各素子のリターンロスを図5に示すが、やはり5GHzで-15dB以下である。
図1：一般的なWiFiルーター機器の立体図を示し、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：WiFiルーターの内部アンテナアレイは、カバーパーツを外して示している。
図3：5GHzアンテナの近景。2.4/6-7 GHzアンテナも同様のデザインである。
図4：2.4/6-7GHzアンテナエレメントのリターンロスは、希望する周波数帯域で-10dB以下の値を示している。
図5：5GHzアンテナエレメントのリターンロスは、希望する周波数で-15dB以下の値を示している。
自由空間では、各アンテナエレメントはダイポールアンテナに典型的な球状のパターンを形成する。 しかし、隣接するエレメントや導電性回路基板、その他の部品が近くにあるWiFiルーターの環境では、パターンは大きく変化します。 2.4GHzのエレメントでは、典型的なパターンが図6に示されており、長方形アンテナの長辺から2つのメインローブが放射されています。 2つのエレメントが独立して動作する場合のカバレージは図7に示されており、4つのローブが表示されています。 5GHzのエレメントでは、図8に示すように、1つのエレメントが作るパターンは、アンテナの大きな平面から普通に出る1つのローブです。 アレイの4つのエレメントは、図9に示すように、デバイスを囲む各四分円をカバーする4つの独立したローブを生成します。
図6：2.4GHzアンテナアレイの1エレメントの3次元パターンの上面図。パターンは水平面に集束した2つのローブを持つ。
図7：2.4GHzアレイの両素子のゲインパターンの3次元図。
図8：5GHzアレイ素子の1つの3次元ゲインパターンの上面図は、アレイ素子に正常に放射される単一ビームを示している。
図9：5GHzアレイの素子の4つのゲインパターンを示す。
XFdtd 3D電磁場シミュレーションソフトウェアのアレイ最適化機能を使用すると、アレイの性能を決定して、可能な限り完全なカバレッジを見つけることができます。 このWiFiルーターでは、デバイスを取り囲む水平面で良好なカバレッジを確保することが第一の目標であり、以下の解析ではこの平面での最適化に重点を置いています。 2つの素子からなる2.4GHzアレイの場合、水平面内で可能な最大カバレージ（最大EIRP）は図10に示すようになり、デバイスの周囲が円形になることがわかります。 水平面におけるパターンの2次元ポーラープロットを図11に示すが、デバイスの周囲360度にわたってかなり均一なゲインが得られている。 5 GHzでは、4つの素子をまとめて使用することも、2つまたは3つの異なるグループに分けて使用することもできます。 図12は、4つの素子をすべてアレイとして使用した場合の最大EIRPを示しており、パターンはルーターの水平面を囲む360度全体をカバーしています。 図13では、隣接する2つの素子を一緒に使用した場合に可能な4つのパターンを極座標プロットで示し、これらはデバイスの周囲約90度の領域をカバーする、より集束したビームを生成することを示しています。 5GHzアレイの隣接する2つの素子を使用して可能なビームの1つを図14に示しますが、これはXY平面で約105度を指すかなり狭いビームを示しています。 6 GHzの最大EIRPパターン（図15）は、図16に示すように、水平面からより高く傾いていますが、それでもルーターの水平面周辺のすべての角度で十分なゲインを生成します。
図10：2.4GHzアンテナアレイの水平面における最大EIRPパターンは、WiFiルーターをほぼ均等にカバーしている。
図11：水平面における最大EIRPの極座標プロットは、すべての方向で約4dBiの利得を示している。
図12：5GHzアレイの4素子の最大EIRPパターンを水平方向について示す。
図13：5GHzで隣接アンテナを使用した2素子アレイの最大EIRPのポーラプロット。各2素子アレイは、デバイスを囲む領域の4分の1を良好にカバーしている。
図14：2素子5GHzアレイの1つのビームパターンを示し、約105度にビームを集光するパターンを示している。
図15：6GHzにおける2つの6-7GHz素子の最大EIRPパターンは、ビームが水平軸より上に傾いているが、素子を取り囲むように正の利得が可能であることを示している。
図16：2素子アレイの6GHzにおける最大EIRPの極座標プロットは、水平面内で1～3dBiの利得が可能であることを示している。
図17：複数のアレイ構成に対するEIRPのCDFプロット。
EIRPの累積分布関数を作成することで、デバイスを取り囲む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ます。 図17に示すように、EIRPのCDFプロットは、2.4GHzアレイ素子のすべての可能な位相関係において、ほぼ78%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、隣接する2つの素子の組み合わせで60%以上のカバー率を持つCDFプロットが得られ、4つの素子すべてでは83%以上の方向で正の利得が得られています。 最後に、2つの6～7GHz素子では、約75％の方向で正の利得が得られる可能性がある。
結論
XFdtdのツールを使用したアレイ解析により、このWiFiルーターデバイスは、ダイナミックな環境において移動するターゲットを追跡し、より良い経路を見つけることが可能な集束ビームで、望ましい角度の全範囲にわたって良好な利得を生成できることが示された。
