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アンテナ解析

一般的なアンテナ解析

ノートPCと逆Fプリントアンテナ

自動車周りの電波伝搬(350MHz)

タイヤ空気圧センサアンテナ

ワイヤレスキーのアンテナ(1)

ワイヤレスキーのアンテナ(2)

ミクロ領域とマクロ領域の混在問題(伝搬)

長距離における伝搬特性

一般的なアンテナ解析

ダイポールや八木アンテナなどの一般的なアンテナ解析や近傍の金属、誘電体を含んだ解析にも用いることができます。リターンロス、2D/3D指向性、放射効率、電界、磁界表示、ポインティングベクトル、インピーダンスマップなど多彩に特性を表示可能です。

八木アンテナ(144MHz)

八木アンテナ(144MHz)

ヘリカルアンテナ(円偏波)

ヘリカルアンテナ(円偏波)

一般的なアンテナ解析

電流密度分布

電流密度分布

実測(上)とシミュレーション(下)

実測(上)とシミュレーション(下)

筐体+MLA(Magnetic Loop Antenna)MLA48中島一氏(JR1OAO)設計製作

ノートPCと逆Fプリントアンテナ

ノートPCにプリント逆Fアンテナを取り付けた例ですノートPCの下の面は電界分布で、ノートPCから放射状に伝搬していく様子がわかります。水平面が電界分布で垂直面は磁界分布です。

ノートPCと逆Fプリントアンテナ

アンテナ部電流分布(基板は非表示)

アンテナ部電流分布(基板は非表示)

ノートPCと逆Fプリントアンテナ

ノートPC筐体を流れる電流分布

ノートPC筐体を流れる電流分布

電界磁界分布

電界磁界分布

遠方界

遠方界

筐体を含めたアンテナ解析ー 自動車周りの電波伝搬(350MHz) ー

車内に置かれた受信アンテナとの伝搬特性と車周辺の電界分布。350MHzのアンテナサイズは車のボディサイズに比較し非常に小さく、大きなOBJECTと小さなOBJECTが混在している解析です。このような条件でも、S-NAPでは境界要素を用いていますので、高速に解析が可能です。
送信ダイポール:ポート1、受信ループアンテナ:ポート2
解析時間:5分/周波数

受信アンテナ 50x28mmのループ

受信アンテナ
50x28mmのループ

筐体を含めたアンテナ解析

送受信特性 S11,S22,S21

送受信特性
S11,S22,S21

空間インピーダンスマップ

空間インピーダンスマップ

筐体を含めたアンテナ解析

筐体を含めたアンテナ解析ー タイヤ空気圧センサ ー

微弱電波帯域(320MHz)を用いたタイヤの空気圧センサのシミュレーション例です。送信アンテナは磁界ループ型で、ホイールにほぼ接触状態で取り付けられています。伝送特性は、タイヤのゴムのロスを考慮した場合とホイールのみの場合を示しています。タイヤを含む場合(タイヤ内部に送信アンテナがある)は、1dB程度損失があることがわかります。タイヤは、Er=7,tanδ=0.07のゴム(誘電体)のみでワイヤは含んでいません。

解析時間:約1分(ホイルのみ)、3分(タイヤ含)/周波数

筐体を含めたアンテナ解析

リターンロスと伝送特性

リターンロスと伝送特性

磁界分布(ホイルのみの場合)

磁界分布(ホイルのみの場合)

磁界分布(タイヤを含む場合)ル

磁界分布(タイヤを含む場合)

筐体を含めたアンテナ解析

筐体を含めたアンテナ解析ー ワイヤレスキーのアンテナ設計1 ー

約40mmの金属鍵部を持つキーを315MHzのワイヤレス化する場合のアンテナ設計例を示します。キーの鍵部とグランド板だけでは315MHzに共振しませんので、ローディングコイルを含めて設計します。また、樹脂ケースを付けることにより共振点がシフトしますので、ケースも考慮して全体を解析します。

ステップ 1鍵部にローディングコイルを装荷し、315MHzに共振させます。コイル、鍵部、グランド、ケースをすべて含めて解析を行い、コイルの最適寸法と巻数を求めます。共振点でのコイルを含めたインピーダンスは、Z=9.15-j1.45[Ω]となることがわかります。

筐体を含めたアンテナ解析

※モデルの作図は、Robert McNeel & Associate社のRhinoceros(Ver.5)を使用しています

筐体を含めたアンテナ解析

筐体を含めたアンテナ解析

ステップ 2コイルを含めたアンテナ入力インピーダンス(Z=9.15-j1.45[Ω])を、50Ωに整合させる回路を設計します。設計は自動設計機能を用います。ターゲットインピーダンスを指定するだけで、整合回路が一瞬で出力されます。

筐体を含めたアンテナ解析

筐体を含めたアンテナ解析

ステップ 3ステップ2で設計した整合回路を含めてキー全体をシミュレーションします。下図左から電流分布、インピーダンス特性、リターンロス特性を示します。ターゲット周波数(315MHz)で50Ωに整合が取れていることが確認できます。もしここで特性が不十分であれば、最適化機能を用いて、整合回路や結合コンデンサなどをさらに最適化することが可能です。

電流分布

電流分布

インピーダンス特性

インピーダンス特性

リターンロス

リターンロス

ステップ 4近傍電界分布や遠方特性を確認します。放射効率は2.3%得られており、キーの軸方向は電界強度が弱いことがわかります。

近傍電界分布

近傍電界分布

遠方界特性

遠方界特性

VSWR=1
Direction : th=5,phi=235
Gd=1.817[dBi]
Ga=-14.55[dBi]
Efficiency=2.304[%]

ステップ 5) 周囲環境を含んだ伝搬特性を確認します。2.3m離れた受信特性を、自由空間に置かれたダイポールと運転席近傍に設置したダイポールで比較しています。ダイポールが見通し位置にある場合、受信電力はほとんど同じであることが確認できます。

DPの場所 S11 S21
自由空間 -59.11 -56.86
車中 -59.17 -56.12

リターンロス

リターンロス

筐体を含めたアンテナ解析

筐体を含めたアンテナ解析ー ワイヤレスキーのアンテナ設計2 ー

約15mm□の樹脂ケースに入った315MHzのワイヤレスキーのアンテナ設計例です。アンテナは磁界ループ型で、最適化により整合回路を設計しています。樹脂ケースの影響も考慮するため、ケースを含めた解析を行っています。右図は、車を含めた解析で、車前方1mの位置から送信した場合の電界と磁界の瞬時値です。
アンテナは15mm□で、車は5mほどの長さがあります。

筐体を含めたアンテナ解析

※モデルの作図は、Robert McNeel & Associate社のRhinoceros(Ver.5)を使用しています

筐体を含めたアンテナ解析

樹脂ケースとアンテナの組み合わせ

樹脂ケースとアンテナの組み合わせ

筐体を含めたアンテナ解析

アンテナ特性

アンテナ特性

指向性

指向性

近傍電界磁界分布

近傍電界磁界分布

車に向け送信した場合の電界と磁界の瞬時値

車に向け送信した場合の電界と磁界の瞬時値

ミクロ領域とマクロ領域の混在問題(伝搬)

複数のアンテナやオブジェクトが存在する系において、空間を離散化しなければならない解析法では、解析サイズがアンテナ間の距離に依存するため、離れると解析が不可能になる場合があります。S-NAP Wireless Suiteは、モーメント法を採用しているために、アンテナ間距離に依存せずに容易に複数間のアンテナ問題を解析できます。以下の例は、MLAとダイポールの電力伝送を解析したものですが、直径5cm程度のMLAと11m以上の距離という、ミクロとマクロの混在問題です。

ミクロ領域とマクロ領域の混在問題(伝搬)

DUTに励振した場合の、ダイポールの負荷抵抗の電力をシミュレーション
・励振電力:100mW
・DUT: MLA、λ/2DP、1λLOOP

以下の図は、送信元のアンテナがダイポール、MLA、1λループの3種類の場合の、16λ離れた位置に置かれたダイポールの受信レベルを測定およびシミュレーションしたものです。実測とシミュレーションの誤差は、最大でも3%程度であることがわかります。

MLA(波源)-ダイポール間の電界分布

MLA(波源)-ダイポール間の電界分布

DUT 受信レベル[dBm]
シミュレーション 実測 誤差[%]
λ/2ダイポール -25.04 -25.0 0.16
MLA -26.33 -25.5 3.15
1λループ -23.28 -24.0 3.00

受信強度の比較

MLA48 中島一氏( JR1OAO)測定

長距離における伝搬特性

下の図は、1.5GHzの3エレメント八木アンテナの前方100mの位置に置かれた受信アンテナの伝送特性を解析したものです。受信アンテナの周囲にある障害物の影響がわかります。送信アンテナ近傍の電界は、八木のビームパターンがみられ、受信アンテナ近傍では周囲の金属による干渉波が観測できます。

送信アンテナと指向性特性

送信アンテナと指向性特性

長距離における伝搬特性


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