はじめに
この例では、オンチップ設計をエミュレートするために、シリコンベース上に構築された60 GHzの円筒形誘電体共振器アンテナをXFdtdがどのようにシミュレートするかを示します。このアンテナは、ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（WPAN）に使用することができ、ユーザーのワークスペースのすぐ近くで通信を行うことができます。アンテナのピーク利得は約2.5dBi、帯域幅は2.5GHz以上、正利得はオフボアサイトで約±55度である。ここで説明するアンテナの設計とシミュレーションは、学会論文[1]に基づいています。
デバイス設計とシミュレーション
アンテナはオンチップを想定しているため、ここでは、1500μm×1500μm×250μmの損失性シリコン（比誘電率11.9、導電率10S/m）ブロックの一部に取り付けてシミュレートしている。6.22μmのSiO2層（比誘電率4）がシリコンブロックの上面を覆い、さらに2μmの導電性グランドプレーン層で覆われている。半径0.33mm、高さ0.3mm、比誘電率48の共振器には、50Ωの共平面導波管（CPW）が給電されている。バイアスは、CPWスロットの周りのグランドプレーンとシリコンブロックの間に設置されている。アンテナの形状は、図1の3次元CAD図と図2のトップダウン図で見ることができる。
図1：オンチップ誘電体共振器アンテナの3次元ビューがCAD図面として見える。 共平面導波管フィードの上に円筒形共振器が示されている。 シリコンベース層は下部にある。
図2: アンテナの上面図。導体層をシリコンブロックに接地するビアと、共平面導波路ラインが見える。
シミュレーションの結果、リターンロスは60GHz付近で深いヌルを持ち（図3）、-10dBの帯域幅は2.5GHz以上であることがわかった。周波数の関数としての入力インピーダンスを図4にプロットした。
図3：アンテナは、2.5GHz以上の-10dB帯域幅を維持しながら、60GHz付近のリターンロスに深いヌルを示している。
図4：アンテナの入力インピーダンスは60GHzで50Ωによく整合しており、4GHzのプロット範囲ではスムーズな遷移が見られる。
アンテナの真上における周波数の関数としてのアンテナの利得（図5）は、60GHzで約2.5dBiのピーク利得を示し、4GHz以上の帯域幅で正利得を伴って滑らかにロールオフする。アンテナの放射効率とシステム効率（ミスマッチ損失の有無にかかわらず）は、60 GHzで約60％のピークを示し（図6）、放射パターンは約110度の範囲で正の利得を持つほぼ球形です（図7）。YZおよびXZ平面（垂直カット）では、アンテナはほぼ均一な同偏波利得を持ち（図8および9）、交差偏波利得はかなり低い。水平XY平面における放射パターンを図10に示す。
図5：アンテナの真上における利得は、60GHzで約2.5dBiのピークを示し、4GHzの全帯域にわたって正の利得で滑らかにテーパーオフしている。
図6：金属アンテナに比べて損失が少ないため、アンテナの放射効率とシステム効率は60GHzで約60％と非常に優れている。
図7：60GHzにおける3次元放射パターンは、ほぼ球状の分布を示している。 アンテナは110度のビーム幅で正の利得を持つ。
図8：アンテナパターンのYZ平面（垂直カット）では、同偏波利得が交差偏波利得よりもはるかに大きく、優れたアイソレーションを提供していることがわかる。
図9：アンテナパターンのXZ平面（垂直カット）では、同偏波利得が交差偏波利得より30dB近く高く、優れたアイソレーションを実現している。
図10：XY水平面の利得パターンは-3dBiのピーク利得で減少し、偏波の混在を示している。
結論
アンテナの高誘電率誘電体共振器は、金属アンテナよりもはるかに低い損失で動作することができ、利得とインピーダンスの良好な広帯域性能を維持しながら、より高い効率をもたらします。
参考までに：
[1] P. V. Bijumon, A. P. Freundorfer, M. Sayer and Y. M. M. Antar, "On-Chip Silicon Integrated Cylindrical Dielectric Resonator Antenna for Millimeter Wave Applications," 2007 International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Montreal, QC, 2007, pp.489-492, doi: 10.1109/ISSSE.2007.4294520.
