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アンテナは、現代の通信システムやレーダーシステムで重要な役割を果たし、さまざまなプラットフォームで電磁信号の送受信を可能にしています。効率的なアンテナを設計するには、最適な性能を確保するために電磁気原理を深く理解する必要があります。この記事では、電磁界を正確にシミュレーションできることで有名な強力な設計ツール、ANSYS HFSSのアンテナシミュレーションワークフローの概要をご紹介します。
HFSSを使用すると、アンテナの設計が効率的になるだけでなく、直感的に行えるようになります。ユーザーフレンドリーなインターフェースと、パラメトリック解析や最適化アルゴリズムなどの高度な機能を組み合わせることで、幅広いアンテナ構成を容易に検討し、要求を満たすソリューションを実現するために設計を迅速に繰り返すことができます。
モデル形状
まず、直感的なインターフェイスを使用して、ワイヤアンテナのような単純な構造から複雑なアレイ構成まで、アンテナ形状を描画します。HFSS の主な利点の 1 つは、パラメータ化されたジオメトリをサポー トしていることで、ユーザーは固定値ではなく変数を使用してジオメトリの寸法を定義することができます。これにより、設計のバリエーションを容易に調査することができ、アンテナ性能を最適化するためのパラメトリックスタディが容易になります。
下の画像は、完全にパラメータ化されたプローブ給電円形パッチアンテナモデルです。Project Manager の下にある Properties ビューは、基板の寸法がパラメータ化されていることを示しています。リボンのDrawペインには、モデルのジオメトリを作成するために使用できる1D、2D、3Dの描画操作とブール演算の多くが表示されています。
アンテナエレメントと給電構造のジオメトリが定義されると、アンテナの周囲にエアボックスを作成することが重要なステップとなります。エアボックスの大きさは、シミュレーショ ンドメインの境界を設定し、アンテナの電磁環境を正確に表現 するためのものです。上図のモデルでは、エアボックスはワイヤーフレームで表示される領域として作成されています。
材料特性と境界条件
材料特性は、アンテナエレメント、PCB 基板、周辺構造を含むモデル内のオブジェクトに割り当てられます。材料特性は、電磁波がオブジェクトとどのように相互作用するかを定義します。アンテナシミュレーションに関連する材料特性には、誘電率、誘電正接、導電率などがあります。材料特性を正確に指定することで、ユーザーは現実的な環境でアンテナをシミュレーションし、さまざまな動作条件下での性能を評価することができます。
HFSSには、アンテナ設計でよく使用される多くの材料を含む材料ライブラリが用意されています。また、カスタム材 料をライブラリに追加することもできます。材料特性は、周波数依存性、異方性、空間依存性、温度依存性があります。下の画像は、パッチアンテナモデルで使用されている基板材料の材料ライブラリ定義を示しています。
境界条件は、シミュレーション領域の境界や2Dオブジェクトの電磁界の振る舞いを定義する上で重要な役割を果たします。アンテナの場合、HFSS は、電磁波が反射することなく自由に伝搬するようなオープンスペースを模倣した境界条件を指定するための複数のオプションを提供しています。これには、2次吸収境界条件（ABC）、完全整合層（PML）、有限要素境界積分（FE-BI）終端などがあります。下の画像は、エアボックス領域の外側の面に割り当てられた吸収境界条件を示しています。
アンテナやグランドプレーンなどの 2 次元導電性オブジェクトには、有限導電境界条件が割り当てられます。HFSS には、製作されたアンテナの特性に近づけるため に、これらの境界面に適用できる複数の表面粗さモデルが含 まれています。アンテナモデルでよく使用されるその他の境界条件には、対称面、周期境界、インピーダンス境界などがあります。下の画像は、パッチアンテナとグランドプレーンに割り当てられた有限導電境界条件を示しています。
ポート励振
アンテナ給電の励振にポートを割り当てることは、アンテナの性能と動作を正確にシミュレートするための重要なステップです。測定と同様に、ポートはアンテナの入力インピーダ ンスと整合特性を分析する便利な方法を提供します。ポートは、アンテナのインピーダンスの周波数特性や複数のエレメント間のカップリングを特徴付ける散乱パラメータ（Sパラメータ）を求めるために使用されます。
ウェーブポートは、導波管アンテナや同軸給電アンテ ナのシミュレーションによく使用され、特性インピーダンスと伝搬定数 を含む 2 次元磁場解を提供します。ポートの位相基準は、フィードラインの長さに沿ってデエンベッ ドすることによって調整することができます。 一括ポートを使用すると、ダイポールアンテナのアームの間など、特定の位置に直接励振を与えることができます。ユーザーは、直接励振のための基準インピーダンスを指定します。
下の画像は、パッチアンテナに給電する同軸ケーブルに割り当てられたウェーブポートを示しています。波動ポートがモデルボリュームの内側に配置されている場合、このタイプのシナリオでは、導電性のオブジェクトがポートの背面に使用されます。矢印は、ポート定義のための埋め込み解除距離を示しています。
解の設定
モデルを解く前の最後のステップは、解法パラメータを指定することです。これには、適応メッシュ周波数、周波数掃引のタイプと分解能、収束に関連する解法パラメータの定義が含まれます。適応解周波数は、良好なメッシュが得られるように、関心のある最も高い周波数で指定することができます。また、指定した複数の周波数、または指定した周波数帯域でメッシュを適応させることもできます。ポートを含むアンテナモデルのデフォルトの収束パラメータは、現在のアダプティブパスと前回のアダプティブパス間のSパラメータ値の最大差です。下図は、Sパラメータ値の変化が1.5%未満になるまで、11.6GHzでアダプティブ・メッシュするように設定されたソリューションを示しています。右側のオプションタブでは、デフォルトの1次メッシュ要素を使用し、最適なマトリックスソルバーを自動的に選択するようにHFSSが設定されています。
収束プロセス
HFSSでは、Maxwell方程式を解くために有限要素法を使用し、指定された収束基準に達するまで、解法領域全体にメッシュ要素をインテリジェントに追加するアダプティブ・メッシング・アルゴリズムを適用します。下の画像に示すように、この例のパッチアンテナモデルは9回のアダプティブパスを完了し、最後の2回のパスはいずれも1.5%のSパラメータ収束値を満たしました。解答時間は7コアを使用した通常のデスクトップコンピュータで2分、最終的なモデルサイズは約41,000四面体メッシュ要素でした。
有限要素メッシュ
HFSSは、電磁気現象を効率的かつ正確にシミュレートするために、自動的にアダプティブ・メッシュを行う手法を採用しています。このアダプティブ・メッシュ機能は、シミュレーション領域内の電磁界変動に基づいてローカル・メッシュ密度を指定します。さらに、HFSSは、メッシュ設定と精密化基準の制御、およびモデルの特定領域で特定のメッシュ密度を強制するメッシュ操作の作成機能をユーザーに提供します。
初期メッシュは、ジオメトリとラムダのリファインメント値に基づいて作成されます。アダプティブパスが完了すると、HFSSは電磁界分布を監視し、電磁界変動の大きい領域でメッシュを精緻化します。これらの重要な領域に計算リソースを集中させることにより、HFSSはシミュレーションが最も効率的なメッシュで指定された収束要件を達成することを保証します。
下の画像は、パッチアンテナ基板の上面にHFSSが自動的に作成したメッシュを示しています。この種のアンテナでは電磁界が集中する場所であるため、円形パッチのエッジが最も微細化されていることが予想されます。
Sパラメータ結果
HFSSでは、アンテナ構造のSパラメータを簡単に表示することができます。これらのパラメータは、電磁信号がどのようにアンテナに伝搬し、接続されたコンポーネントや伝送線路と相互作用するかを記述します。Sパラメータを調べることで、設計者はインピーダンス整合、リターンロス、帯域幅を含む様々な性能指標を評価することができます。さらに、Sパラメータを解析することで、マッチングネットワークや給電構造を最適化し、アンテナの効率と性能を向上させることができます。
以下のプロットは、パッチアンテナモデルの入力リ ターンロスとインピーダンスを示しており、11.59 GHz でよく整合した共振を示しています。インピーダンス応答はスミスチャートで見ることができ、中央の位置がインピーダンスが整合した状態に相当します。
ファーフィールド結果
アンテナパターンや利得などのファーフィールド結果を表示することで、アンテナエンジニアは設計の放射特性や指向特性を理解することができます。HFSSでは、指向性、利得、ビーム幅、放射効率などの重要なパラメータを評価するために、さまざまな2Dおよび3Dのファーフィールドプロットやレポートを簡単に作成することができます。この情報は、性能要件を満たすようにアンテナ設計を最適化するために使用できます。以下の画像は、パッチアンテナの形状に重ねて、伝搬方向を示すことができる遠距離場パターンのビューを示しています。
ニアフィールド結果
ユーザーは、解領域内の電磁界挙動を検査することもできます。この機能により、電磁波がどのようにアンテナ構造と相互作用し、周囲の環境に放射されるかについての貴重な洞察を得ることができます。ユーザーは、電界と磁界の両方をマグニチュードおよびベクトル形式で視覚化することができ、シングルフィードおよびマルチフィードアンテナがどのように所望の偏波の放射波を生成するかを明らかにすることができます。
HFSSでは、電磁界解と時間調和解の位相をアニメーション化し、電磁界の伝搬と相互作用を動的に可視化することができます。この機能は、アンテナ素子間の相互結合や、マルチアンテナ設計におけるその他の重要な現象を理解するのに役立ちます。これらの電磁界分布とアニメーションを視覚化することにより、ユーザーは設計の改善点を特定し、望ましい性能目標を達成するための情報に基づいた決定を下すことができます。
下の画像は、円形パッチアンテナのYZ平面における電界の大きさを示しています。画像は対数スケールを使用して表示され、プレゼンテーションやレポートで使用するためにプロットの外観をカスタマイズできる多くの表示オプションがあります。電界プロットは、パッチアンテナが周囲からどのように放射し、パッチを中心とした伝搬波を生成するかを示しています。
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