有限地板上のパッチアンテナのsonnetによるシミュレーション事例

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概要

単純なパッチアンテナに関して、接地板の大きさが有限な場合の影響を sonnetを使って解析した. まず、大きな接地板の場合にパッチ電極の寸法を最適化し、 その放射パターンと電流分布を求めた. つぎに、そのパッチ電極を一辺一波長の有限接地板上に配置した場合に 同様に放射パターンと電流分布を解析し、その変化を示した.

無限地板上のパッチアンテナ

パッチ寸法の概算

方形パッチアンテナの寸法は、概ね1辺が半波長になる. 例えば 2.45GHzの自由空間波長は

300/2.45/2=61.2(mm)
誘電体基板の比誘電率を4.3とすると
61.2/√(4.3)=29.5(mm)
程度になる. これは概算であり、正確には、比誘電率や、パッチ端部の影響を考慮した計算が必要になる.1 しかしそのような計算は煩雑なのでsonnetのparameter sweep機能を使うと簡単に正確な値を求めることができる.

sonnetによるパッチ寸法の計算2,3

下のモデルではパッチ辺長に 寸法パラメータlを設定してある. 主な条件は基板厚1.6mm,基板の比誘電率4.3,目標周波数2.45GHz,パッチ電極寸法lは28-32mmまで0.5mm毎に変化させる.


解析結果をポートのアドミタンスの虚数成分Im(Y)で評価すると図のように l=28.5mmでIm(Y)=0となる.すなわちl=28.5mmの時、このパッチアンテナは正しく動作する.
また,その時のインピーダンスは250オーム程度になる.


無限接地板上のパッチアンテナの動作

そこでl=28.5mmとして、 2.45GHzの電流分布と放射特性を解析 してみた.

放射パターンは上図のように、典型的なパッチアンテナの放射パターンになっている. Phi=0度方向では殆ど指向性がなく、Phi=90度方向でも半値幅は80度程度である. ただしPhi=90度ではTheta=±90度でnull点がある. またパッチ上の電流分布も下図のように理論通りになっている.

有限地板上のパッチアンテナ

上記の理想的なパッチアンテナを有限地板上に配置することで どのような変化が起こるだろうか?

このモデルでは パッチアンテナの寸法は前述のモデルと同一だが、 接地導体は解析空間の側面に接しておらず、 一辺半波長の大きさで空間に浮かんでいる. また、解析空間の天井だけでなく接地導体の下側(解析空間の底)もfree spaceと定義してある.
有限地板
無限地板
上のグラフは放射パターンの結果である. 地板が有限な場合はあきらかに放射パターンが 理想的なパッチアンテナとは乖離する.
この原因を端的に知るために電流分布を観測することは意義がある.
有限地板
上図は接地板上の電流である. パッチアンテナと同様に上下の辺に沿った電流集中がみられる. ここの電流集中はしばしば放射の原因となり, パッチ電極からの放射に対して無視できない大きさになる.

"接地板"という語感から往々にして接地導体の電位は0Vと考えられがちだが、 実際にはこのように接地導体にも部分的に強い電流集中が起こる. この状態で接地電極付近は様々な部品や 機構が無造作に配置されると放射条件は様々に変化することは容易に推察される.

むすび

文献

  1. 羽石操 他 小形・平面アンテナ" コロナ社 ISBN4—88552—138—6
  2. Sonnet Software inc. Sonnet User's Manual Volme1
  3. 小暮裕明 "電磁界シミュレータで学ぶワイアレスの世界" CQ出版社 ISBN4-7898-3355-0

ここでモデルは Internal Portと遠方界表示機能(Patvu)を使っているため Sonnet Lite / Sonnet Lite Plusでは実行できません. 実際の解析にはSonnet Level 2 Basic Antenna以上が必要になります.
2003/1/9