序章
無線システムは、ナビゲーション、レーダー、ダイレクト ブロードキャスト TV、衛星通信、モバイル通信など、さまざまなアプリケーションの多種多様なデバイスをカバーしています。ワイヤレス デバイスの小型化に対する需要が高まっているため、アンテナは、すべての動作周波数帯域をカバーする多くの WLAN (ワイヤレス ローカル エリア ネットワーク) アプリケーションに対応するようにカスタマイズすることが最も重要です。 WI-FI アンテナの場合、伝送に使用される 5 つの異なる帯域があります: 2.4GHz、3.6GHz、4.9GHz、5GHz、および 5.9GHz です。最も広く使用されているのは 2.4GHz で、グリッド、八木、バイカッド、パッチ、モノポールからダイポールまで、使用するアンテナの種類に応じて 2.485GHZ まで拡張されます。アンテナは、放射の方向やその他の特性が異なります。優れたアンテナ設計により、薄型構成でより優れたカバレッジが得られます。後者の意味は、低コスト、軽量、少量、容易な統合を意味します。
現在の調査では、2.4GHz の周波数帯域で使用する 2 つのモデルの WI-FI 通信アンテナを調査します。Biquad アンテナと B 型デュアル ループ アンテナです。
バイカッドアンテナ [1]-[2]
バイクアッド アンテナは、単純な設計のループ アンテナの一種で、構築が容易で、ポイント ツー ポイント通信の指向性とゲインの優れた特性を提供します。これは、一辺の長さがミッドバンド波長の ¼ に等しい正方形を接続した 2 つの放射素子で構成されています。銅線で作られたこれらの 2 つの正方形は、反射板として機能する長方形の金属円板から離れて配置され、50 Ω 給電同軸ケーブルに接続されます。
| 部品 | 寸法 (mm) |
| 線径 | 1.5 |
| 正方形の辺の長さ | 32 |
| 内部導体径 | 1.5 |
| 外径 | 5.1 |
| リフレクター径 | 140 |
| リフレクターの厚み | 2 |
| 同軸ケーブル長（反射板上） | 18 |
| ミッドバンド波長 | 125 |
| 材料 | 比誘電率 | 誘電正接 | 電気伝導率 (S/m) | 熱伝導率 (W/m.K) |
| 銅 | 1 | 0 | 5.96E+7 | 401 |
| アルミニウム | 1 | 0 | 3.5E+7 | 237 |
| テフロン | 2.1 | 0.001 | 0 | 0.23 |
電磁境界条件
ウェーブ ポート:ウェーブ ポート境界は、同軸アンテナの誘電体入力面に適用されます。放射:放射境界条件は、アンテナの問題を解析するときに、開いている計算ドメインを切り捨てるために使用されます。私たちの場合、周囲のエアボックスの外面に適用されます。
完全な電気導体:同軸給電ケーブルの誘電体部分の外側面と反射器の上面に PEC 境界条件が適用されます。
メッシュ
結果
HFWorks のアンテナ ソルバーが使用され、動作周波数 2.4 GHz のサーマル ケースに結合されます。シミュレーションにより、Pin=1-Watt の励起電力に対する電場および磁場分布の次の結果が明らかになりました。
金属反射板は、電磁波をアンテナの前面 (-Z 軸) に反射するため、背面への放射が減少し、アンテナのゲインと前方方向の指向性が向上します。得られたゲインは、特定の方向に無線周波数エネルギーを集中させるアンテナの能力を測定します。これは通常 dB で測定され、調査対象のアンテナ設計では 10.5 dB に等しいことがわかります。
図 5 に示すゲイン放射パターンの結果は、送信電力の大部分を他の方向よりも適切な方向に送信するバイカッド アンテナの方向基準を確認します。
5 ワットの励起電力が適用された状態での調査対象のアンテナの熱的挙動を評価するために、対流 BC が周囲温度 22°C で周囲のエア ボックスに適用され、対流係数は次のように設定されます。
B 型デュアル ループ アンテナ [3]:
単一の要素として、またはアレイで使用されるループ アンテナには、ワイヤレス通信でさまざまな実用的なアプリケーションがあります。シンプルなデザイン、低コスト、柔軟性が特徴です。円形、三角形、楕円形など、さまざまな形があります。
採用されたループ アンテナ設計は、図 7 に示すように、導体プレーン上に二重に接続されたループの半分で構成されています。給電は、低損失の 50 Ω 同軸ケーブルを介して行われます。
| 部品 | 寸法 (mm) |
| 線径 | 1 |
| ループ半径 | 20 |
| 内部導体径 | 1 |
| 外径 | 3.35 |
| 基板寸法 | 220×100×1.6 |
| ミッドバンド波長 | 125 |
使用している金属線は、誘電体同軸部分にテフロン素材を使用した銅製です。両面メタライズ加工を施したグラスファイバーFR4基板を採用。
| 材料 | 比誘電率 | 誘電正接 | 電気伝導率 (S/m) | 熱伝導率 (W/m.K) |
| FR-4 | 4.6 | 0 | 0 | 0.36 |
電磁境界条件
ウェーブ ポート:ウェーブ ポート境界は、同軸アンテナの誘電体入力面に適用されます。放射:放射境界条件は、周囲のエア ボックスの外面に適用されます。
完全な電気伝導体: PEC 境界条件が基板部分の上面と下面に適用されます。
メッシュ
結果
[2GHz-3GHz] の周波数範囲について、シミュレーションは 2.4 GHz で次の結果を明らかにしました。 最初の図は電界の分布を示しています。
次の図は、公称周波数 2.4GHz でのリターン ロス結果と周波数の 2D プロットを示しています。示されているように、S11< -10dB で B 型ループ アンテナによって達成される帯域幅は 420 MHz です。
HFWorks と測定結果を比較すると (表 5)、両者の一致が確認されます。
| 結果 | 測定 | HFWorks シミュレーション |
| S11-2.4GHzの大きさ | 20デシベル | 21デシベル |
| ゲイン -2.4GHz | 6.31デシベル | 5.98デシベル |
| 40% | 42% |
放射パターンは、電磁波 (EM) 波の伝搬方向の関数として、指定された周波数での調査対象のアンテナの遠方界放射特性の 3D/2D グラフ表示として定義されます。放射パターンは、ゲイン、指向性、電場、または放射ベクトルなど、いくつかの量を表すことができます。調査されたケースの場合。電界放射パターンと 2.4 GHz での結果を以下に示します。
最後に、5 ワットの励起電力が印加された状態での調査対象のアンテナの熱的挙動を評価するために、対流 BC が周囲温度 22°C で周囲のエア ボックスに適用され、対流係数は次のように設定されます。
図 12 - 2.4GHz での銅部品全体の温度分布。
結論
この作業では、WIFI 接続アプリケーションの 2 つの異なる設計でデュアル アンテナ解析を実行しました。得られた結果は、2.4GHz 帯の無線システムで優れた性能を発揮することを証明しました。どちらの設計も組み立てが簡単で、優れた指向性とゲイン特性を提供します。さらに、実行された熱結合解析により、調査対象のアンテナが、適用された励起下で高い熱負荷と熱応力の影響を受けていないことを確認できました。
参考文献
[1]. Singh, Bablu Kumar and Amandeep Singh. “A Novel BiQuad Antenna for 2.4GHz Wireless Link Application : A Proposed Design.” (2012).
[2]. www.sjsu.edu/people/raymond.kwok/docs/project172/Omni_and_Biquad_antenna_2009.pdf
[3]. Chamorro-Posada, Pedro, et al. "A plug’n’play WiFi surface-mount dual-loop antenna." HardwareX 1 (2017): 46-53.
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