はじめに
この例では、もともとXバンド動作用に設計された衛星アンテナ[1]をXFdtdで修正し、全体的なサイズを小さくしてモバイル機器に搭載できるようにしている。これは、動作周波数を12.5GHzのKuバンドにシフトすることで達成されます。アンテナは4x4の素子アレイで構成され、それぞれが4つの回転パッチ素子を含む。4つのパッチ素子には0度、90度、180度、270度の位相調整が施され、円偏波フィールドを生成する。このアレイは、20.7dBi以上の利得を持つメインビームを生成し、±60度の広いフィールドでステアリングすることができる。このようなアプリケーションの実現可能性を判断するため、この構成におけるアレイの性能を調査した。
デバイス設計
シングル・エレメント
ーアンテナアレイはー64個のー小型パッチアンテナアレイ。各パッチアンテナは、図1に示すように、正方形の励振素子と、より小さな長方形の結合共振素子で構成されている。アンテナの帯域幅を改善するため、励振素子と結合素子の両方に短絡ピンが配置されています。銅パッチは誘電率4の厚さ1.8mmの基板上に配置され、正方形パッチの寸法は5.66mm、結合パッチは2.15 x 5.09mmで分離距離は1.2mmです。この単一素子は、図2のリターンロス・プロットに示すように、約11.795～14.492GHzの広い動作範囲を持つ。このパッチは、図3に示すように、12.5GHzで5.7dBiのピーク利得を持つ、やや半球状の利得パターンを生成します。
図1：正方形給電パッチと小型カップリングパッチを備えた2パッチ単一素子ラジエーターのCAD図。
図2：パッチアンテナのリターンロスは、11.8～14.5GHzの間で良好な性能を示している。
図3：パッチアンテナの利得パターンは基板上方で均一で、ピーク利得は5.7dBi。
配列要素
大型アレイの4x4エレメントは、図4に示すように、それぞれ0.448mmの間隔で中心点を中心に90度回転した4つの単一エレメントで構成されています。この構成では、アンテナは図5に示すように約11.35GHzから14.7GHzの帯域で動作するように調整されており、各エレメントは同一のリターンロス・プロットを持ちます。各エレメントには、12.5GHzの正弦波ソースが90度の位相差で供給され、各エレメントが反時計回りに増加するため、左円偏波の利得パターンが得られます。図6に、ピーク利得9.5dBiの対称パターンを示します。
図4：4つのパッチアンテナを正方形に組み合わせ、各パッチを90度回転させたアレイ素子。
図5：アレイ素子のリターンロスは、11.3～14.7GHzで良好な性能を示す。
図6：アレイ素子には4つのパッチがあり、正方形の周りに90度ずつ位相シフトを増加させて供給している。 その結果、パターンは左手円偏波となり、ピーク利得は9.5dBiとなる。
フルアレイ
フルアレイを形成するために、図7に示すように、アレイ素子を5.376mmの間隔で4×4パターンにレイアウトした。アレイはまず、エッジ効果による性能への影響を低減するために、より大きな基板とグランドプレーン上でシミュレーショ ンされます。接地面のサイズが有限であるため、素子のリターンロスには、エッジに近いアレイ素子ほど大きくなる影響があります。図8では、中央の1つの素子の4つのパッチのリターンロスを示していますが、いくつかのばらつきが見られ、12.5GHzの設計周波数以上で-10dBを超えるレベルの上昇が見られます。図9は、グランドプレーンエッジに近いアレイのコーナーエレメントについて、4つのエレメント間でより多くのばらつきを示していますが、12.5GHzでの性能は許容範囲にとどまっています。このアレイは、利得がほぼ22dBi、ビーム幅が3dBで15度の強力なビームを生成します。サイドローブはメインビームより少なくとも12dB小さい。
図7：大きなグランドプレーン上の4×4配置のアレイ素子をCADで表示。
図8：中央のアレイ素子の1つのリターンロスは、隣接する素子とグランドプレーンのエッジによるわずかなばらつきがあるだけで、4つのパッチのそれぞれのリターンロスがほぼ同じであることを示している。
図9：アレイのコーナーエレメントのリターンロスは、グランドプレーンからのエッジ効果により、より大きな変動を示している。 設計周波数12.5GHzでは良好な性能を維持している。
デバイス上の配列
この例で提案するアプリケーションでは、アレイをモバイル機器に似たプラットフォームに設置し、性能を測定する。一般的な携帯電話の寸法は、76.5×76.5mmのフルアレイサイズよりも小さい。ここでは、図11に示すように、携帯端末の幅を79.5mmに設定し、アレイを設置するのに十分なスペースを確保し、端末の端とパッチ間の距離を最小にした。フルアレイの結果で見られたように、グランドプレーンエッジの存在はデバイスの性能に影響を与えます。図12に示すように、パッチ間のリターンロスの変動はわずかである。図13は、アレイのコーナー素子のリターンロスに大きな影響があることを示しています。設計周波数12.5GHzでは、すべての素子でリターンロスは-10dBを十分に下回っており、性能に影響はないはずです。図14に示すように、このアレイは、大きなグラウンドプレーン上のフルアレイと比較して、モバイル機器構成でも同様のビームパターンを生成しますが、利得は約20.8dBiとわずかに劣ります。大きなグランドプレーン上のフルアレイによって生成されたビームと比較すると、モバイルデバイスプラットフォームではサイドローブもシフトし、一般的に大きくなっていることがわかります。図15に、デバイスの長手方向のゲインの極座標プロットを、図16に、携帯電話の幅方向のプロットを示します。デバイスの端はアレイの性能を低下させますが、それでも十分な利得があり、サイドローブが低く、対象周波数範囲にわたって良好なリターンロスが得られます。
図10：4x4アレイは21.9dBiの利得を持つ強力なメインビームを生成。
図11：4x4アレイは、携帯電話のフレームとアレイの幅方向の間隔が非常に狭いモバイル機器に取り付けられている。
図12：アレイの中心素子のリターンロスは、隣接する素子とフォーンエッジの影響を若干受けているが、それでも設計周波数12.5GHzでは良好な性能を保っている。
図13：コーナー素子は、電話機フレームのエッジ効果による影響がはるかに大きいが、それでも設計周波数12.5GHzでは良好な性能を維持している。
図14：アレイによって生成されるゲインパターンは、電話機に取り付けた場合と大きなグランドプレーンに取り付けた場合とで非常によく似ている。 ただし、ゲインレベルとサイドローブに若干の変化がある。
図15：大きなグランドプレーン上のアレイのゲインパターンの極座標プロットと、モバイルデバイス上の構成との比較から、サイドローブレベルと位置の変化がわかる。 このプロットは、携帯電話本体の長さを切断したものである。 また、小型の電話機のプラットフォームに取り付けた場合、メインビームの利得がわずかに低下している。
図16：大きなグランドプレーン上のアレイのゲインパターンの極座標プロットと、モバイルデバイス上の構成との比較から、サイドローブレベルと位置の変化がわかる。 このプロットは、携帯電話本体の短い寸法を切り取ったものである。 また、小型の電話機のプラットフォームに取り付けた場合、メインビームの利得がわずかに低下している。
生ずるビームは生ずるビームは生ずるビーム。ー図17では、ー垂直方向から16度ずらしたーこのーこのーこのー図17はーー図17ではー最大利得が垂直方向から16度ずれたビーム。同様に、異なる位相設定で他の多くのビームを生成することができる。ー図18はー垂直方向からー0度からー60度までー方位角でー5度刻み、ー15度刻みでー最大ホールドパターン。ー60度のー度にわたりーでーでーでーでーでーでーでーーでーでーーでーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
図17：垂直から16度傾けたビームを示す。 ー各列のの逆方向の逆方向ビーム。
図18：携帯電話によって生成されたビームの最大ホールドパターンを、垂直方向から±60度の角度変化を5度ステップ、方位角方向に15度ステップで示す。 生成されたパターンは、高利得ビームで半球全体をカバーしている。
概要
ーKu-Band衛星アンテーアンテナ（ー小型のー小型アレイのー設計周波数においてーでーにおいてーー アーアレイはープラットフォームのー小型化によりーアレイのー設計周波数においてー高利得ー広いカバレッジー
参考までに：
C.Karlsson, P. Cavero, T. Tekin and D. Pouhè, "A new broadband antenna for satellite communications,"2014 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 2014, pp.800-803, doi: 10.1109/APWC.2014.6905588.
