はじめに
この例では、XFdtd を使用して、横スロットを持つ基板一体型導波管（SIW）漏洩波アンテ ナの性能に焦点を当てたアンテナシミュレーションを行います。設計は、Liu、Jackson、Long の論文 [1] から引用しました。このアンテナは横スロットの矩形導波管と同様に動作しますが、コストとサイズを削減し、平面回路との統合を容易にするために SIW で設計されています。Sパラメータ性能、アンテナ利得、および効率に関する結果が計算されています。
デバイス設計とシミュレーション
アンテナ全体の上面図を図1に示すが、緑色は銅、赤色は誘電体（比誘電率＝2.25、損失正接＝0.001）である。デバイスの大きさは長さ約 310mm、幅 40mm、高さ 1mm です。アンテナ上部の銅マイクロストリップ層には、一定の間隔で横方向にスロットがあり、両端はテーパー状になっている。デバイスの両端には、SIW 部に接続するテーパーマイクロストリップ線路に接続されたノーダル導波管ポートがあります。最上層には、図 2 に示すように、多数の横方向スロットがあります。最上層のマイクロストリップ層の端はビアで終端されている。図3から図5では、各層を斜視図で示しており、図3ではすべての部品を、図4では基板を、図5ではビアを示している。
図1：アンテナの3D CADモデルの上面図には、テーパー状のマイクロストリップ線路に取り付けられた両端の入力ポートと出力ポート、および多数のスロットを備えた中央のマイクロストリップ断面が示されている。
図2：アンテナの一端を詳細に見ると、テーパー状のスロットとマイクロストリップ線路の下に位置するカーブしたビアパスがわかる。
図3：一方のポートから見たアンテナの斜視図で、テーパー線に取り付けられたノード導波管ポート、基板層の厚さ、スロット付き最上層の一部を示す。
図4：上部のマイクロストリップ層が取り除かれ、基板とビアの一部が見えるアンテナ構造。
図5：この図では、基板層が取り除かれ、グランドプレーンとビアが見える。
このデバイスは、一端の導波管ポートに周波数制限信号を印加してシミュレートした。S パラメーターの結果を図 6 に示すが、このデバイスは 10.4～12.5 GHz で良好な動作性能を示し、10.4 GHz 以下ではいくつかの小さな周波数帯域があることがわかる。10GHz以下では応答がカットオフしている。
図6：Sパラメータは約10.4GHzから12.5GHzまで良好なリターンロスを示すが、S21は同じ領域で-6～-2dBの損失がある。
アンテナは周波数によって、ブロードサイドに近いものからエンドファイアに近いものまで、複数のビームを生成する。これらのビームは一般に狭く、扇形である。10.2GHzでは、ビームはかなり狭く、図7にポーラープロットで示すように、YZ平面内のθ=70°で約8.6dBiでピークに達します。10.2GHzのパターンを、図7のポーラープロットと同じ角度から3次元プロットしたものを図8に示す。10.2GHzの3次元パターンを別の角度から見たものを図9に示す。10.8GHzでは、図10、11、12に示すように、ピーク利得は11.1dBiに増加し、ビームはYZ平面上のθ=49°にピークをシフトする。図13、14、15に示すように、メインローブの方向がθ=28°に変わり、最大利得が12.7dBiになる11.5GHzでは、パターンがわずかに広がり、ピーク利得が増加する。11.7GHzでは、図16、17、18に示すように、最大利得はθ=19度の角度で14dBiである。最後に、12GHzでは、図19、20、21に示すように、θ=13度の角度で最大利得は14.2dBiである。
図7：10.2GHzにおけるYZ平面（アンテナの長さ方向）の利得パターンのポーラープロットは、θ=70度の狭いビームを示し、利得は約8.6dBiである。
図8：10.2GHzにおけるアンテナの利得パターンを、アンテナ形状に重ねて3次元で示す。
図9：10.2GHzにおけるアンテナの利得パターンを斜め三次元図から示し、パターンの扇形を示す。
図10：アンテナのYZ平面における10.8GHzの利得パターンのポーラープロットは、θ=49度のビームを示し、ピーク利得は11.1dBiである。
図11：10.8GHzにおけるアンテナの利得パターンを、アンテナ形状に重ねて3次元で示す。
図12：10.8GHzにおけるアンテナの利得パターンを斜め三次元図から示し、パターンの扇形を示す。
図13：11.5GHzにおけるアンテナのYZ平面での利得パターンのポーラープロットは、θ=28度のビームを示し、ピーク利得は12.7dBiである。
図14：11.5GHzにおけるアンテナの利得パターンを、アンテナ形状に重ねて3次元で示す。
図15：11.5GHzにおけるアンテナの利得パターンを斜め三次元図から示し、パターンの扇形を示す。
図16：アンテナのYZ平面における11.7GHzの利得パターンのポーラープロットは、θ=19度のビームを示し、ピーク利得は14dBiである。
図17：11.7GHzにおけるアンテナの利得パターンを、アンテナ形状に重ねて3次元で示す。
図18：11.7GHzにおけるアンテナの利得パターンを斜め三次元図から示し、パターンの扇形を示す。
図19：アンテナのYZ平面における12GHzの利得パターンのポーラープロットは、θ=13度のビームを示し、ピーク利得は14.2dBiである。
図20：12GHzにおけるアンテナの利得パターンを、アンテナ形状に重ねて3次元で示す。
図21：12GHzにおけるアンテナの利得パターンを斜め三次元図から示し、パターンの扇形を示す。
この論文では、システムのミスマッチや他のポートで失われる電力を考慮しないスロッ ト矩形導波路の理論的アプローチを用いて放射効率を計算しています。XFdtd では、この理論値に匹敵する値が計算され、単体の放射効率と表示されています。この論文の理論放射効率は、XFdtd 3 次元電磁界シミュレーショ ンソフトウェアの単体放射効率、およびミスマッチ損失と第 2 導波路ポートで失われる電力 の両方を含む XFdtd システム効率とともに図 22 にプロットされています。
![図22：アンテナの放射効率を示す。論文[1]の理論結果は、スロットのある矩形導波管のものです。XFdtdの結果は、ミスマッチ損失と第2導波管の損失を含むシステム効率です。](https://ja.remcom.com/hubfs/Imported_Blog_Media/image-asset-Apr-03-2023-08-59-32-6122-PM.png)
図22：アンテナの放射効率を示す。論文[1]の理論結果は、スロットのある矩形導波管のものです。XFdtdの結果は、ミスマッチ損失と第2ポートの損失を含むシステム効率と、放射のみで他の損失を含まない単体効率です。
概要
この例では、スロット付き基板一体型導波管に実装した漏洩波アンテナの性能を実証した。このアンテナは、周波数が高くなるにつれて、ブロードサイド近くからエンドファイアまでスキャンする狭いビームを生成します。このアンテナは広いインピーダンス帯域幅を持ち、動作周波数が高くなるにつれて効率が向上します。
参考までに：
[1] J. Liu, D. R. Jackson, and Y. Long, "Substrate Integrated Waveguide (SIW) Leaky-Wave Antenna With Transverse Slots,"IEEE Trans.Antennas Propag., vol. 60, no. 1, pp. 20-29, Jan. 2012.
