[論文レビュー] Sub-6 GHz Microstrip Antenna: Design and Radiation Modeling

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2019

Electromagnetic Simulation and Numerical Methods参考文献 9被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、5.80 GHzの円偏光型マイクロストリップアンテナの設計とFDTDベースの放射化モデリングフレームワークを提示する。帯域幅500 MHz、基板パラメータおよびフィード位置最適化を含む。1次元、2次元、3次元のFDTDシミュレーションをPML境界条件下で実施し、真空中および誘電体媒質におけるガウスパルスおよび平面波励振に対する解析的解と照合して検証した。

ABSTRACT

This paper presents a global framework analysis of a microstrip antenna design circularly polarized with an operating frequency of 5.80 GHz and a bandwidth of at least 500 MHz. We evaluate the optimal antenna parameters to design requirements. Capitalizing on these parameters, we simulate the radiation model of this antenna using the Finite Difference Time Domain (FDTD) technique assuming one, two, and three dimensions. The propagation medium is assumed to be a free space bounded by absorbing boundaries, and perfect matched layer (PML). The FDTD-1D is considered in free space while FDTD-2D and 3D are considered both in free space and in a free space-medium containing either dielectric sphere or cylinder in the center. In this case, we model the incident and the scattered electromagnetic fields reflected back from hitting the dielectric object. Moreover, the microstrip antenna radiates an electromagnetic pulse either in the middle or at one end of the medium and the sources considered are Gaussian pulse and plane wave. Finally, we provide the analytic solutions of the propagation models to confirm the accuracy of the FDTD simulation technique.

研究の動機と目的

• 5.80 GHzで動作し、円偏光および最小500 MHz帯域幅を有するサブ6 GHzマイクロストリップアンテナの最適設計を開発すること。
• 1次元、2次元、3次元のFDTD手法を用いて、アンテナからの電磁波伝播をモデリングすること。
• 真空中および誘電体物体周囲における入射波および散乱場の解析的解と照合して、FDTDシミュレーションの妥当性を検証すること。
• シミュレーション結果を用いて、VSWR、リターンロス、放射パターン、指向性、インピーダンスなどの主要なアンテナ性能指標を評価すること。
• 将来の5Gミリ波アプリケーション向けアレイ構造設計の基盤を構築すること。

提案手法

• 5.80 GHzで動作する矩形マイクロストリップパッチアンテナを、幅（W）、有効誘電率（εreff）、長さ（L）および端効果補正（ΔL）の解析的式を用いて設計した。
• 最適パラメータを算出：W = 17.30 mm、L = 10.402 mm、h = 1.6 mm、εr = 5、フィード位置 x_feed = 2.8 mm（円偏光を達成するため）。
• Yeeのアルゴリズムを用いて、ステアッキングされた場の更新により、1次元、2次元、3次元のFDTDシミュレーションを実装し、マクスウェル方程式を解いた。
• 自由空間放射を模擬し、反射を最小限に抑えるために、完全整合層（PML）吸収境界を適用した。
• ガウスパルスおよび平面波源を用いて、誘電体球体および円筒体を含むさまざまな媒質における波励振をモデル化した。
• FDTDシミュレーションの正確性を検証するため、散乱場および波動伝播の解析的解を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロストリップパッチアンテナの幾何的および材料的パラメータをどのように最適化すれば、5.80 GHzで動作し、500 MHz帯域幅かつ円偏光を達成できるか？
• RQ2 PML境界を有する1次元、2次元、3次元のFDTDシミュレーションは、マイクロストリップアンテナからの電磁波伝播をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 ガウスパルスまたは平面波が真空中の誘電体球体または円筒体と相互作用する際、入射波および散乱場はどのように振る舞うか？
• RQ4 均質および非均質媒質における波動伝播および散乱の解析的解と照合した場合、FDTDシミュレーション結果はどの程度正確に一致するか？
• RQ5 設計されたアンテナの主な放射特性（例：指向性、VSWR、リターンロス）は何か？ また、これらは設計目標とどの程度整合しているか？

主な発見

• 最適化されたアンテナ設計は、中心周波数5.80 GHz、帯域幅500 MHz以上を達成し、目標仕様を満たした。
• FDTDシミュレーションは1次元、2次元、3次元ともに波動伝播を的確に再現した。XY平面およびZ方向におけるE_z場の放射の可視化が得られた。
• PML境界の導入により、不要な反射が効果的に抑制され、自由空間放射条件の正確なモデリングが可能になった。
• 3次元FDTDシミュレーションでは、誘電体球体および円筒体からの散乱場パターンが正確に捉えられ、境界での全場および散乱場成分が計算された。
• 誘電体球体上での平面波散乱に対する解析的解がFDTD結果の妥当性を検証するために用いられ、シミュレーションの正確性が確認された。
• アンテナは良好な性能指標を示した：VSWR、リターンロス、|S11|、放射パターン、指向性がシミュレーションにより算出され、検証された。