IC基板 - 可変同調開口携帯アンテナの評価と最適化

スマートフォンや他の携帯型無線機器が動作する電磁（EM）環境は、主にユーザーの行動に起因する変化が頻繁に発生しています。EMとユーザの身体との結合により、ユーザ自身がデバイスアンテナの放射特性に根本的に影響を与えることになる。ユーザは異なる方法を使用するので、アンテナを設計する際にはランダムな要素を考慮する必要があります。ワイヤレスリンクは通常、この結合によって劣化します。設計者は、異なる物理的影響によって発生する可能性のある問題を最小限に抑えるために注意しなければなりません。

同調可能な開口アンテナの設計について、異なる使用条件におけるアンテナの潜在的な帯域幅と放射効率を評価するための新しい計算方法を導入した。これにより、設計エンジニアがPCB設計プロセスの早期に適切なアンテナ設計を評価するのに役立ちます。アンテナ指向図とSパラメータを無線周波数設計自動化ソフトウェアプラットフォームOptenniLabに導入し、アンテナの特性を評価し、アンテナの総放射効率を最適化するために整合回路を合成した。

開口可変同調アンテナについては、まず開口可変同調素子の最適値を見つけてアンテナの理論的性能限界を評価し、それによって最大の放射効率を実現した。設計プロセスの後期には、整合回路と同調回路を最適化し、その効率を最適放射効率と比較しました。

ユースケース構成のシミュレーションモデルが機体に近づくことによりアンテナ性能に影響を与える主な現象は、

1）誘電体負荷によるアンテナの離調。誘電体負荷がアンテナの電気的長さを延長するため、アンテナの周波数が低下する。

2）体がエネルギーを吸収することによる損失。この損失はアンテナの放射効率に直接影響する。

本論文におけるシミュレーションモデルは、設計周波数において実質的に非共振である図1に示す電動小型スマートフォンアンテナからなる。ANSYS HFSS EMシミュレータを使用して、3つの構成のアンテナをシミュレーションします。これらの構成を「自由空間構成」、「手構成」、「ヘッド構成」と呼びます。開口同調アンテナの新性能特性図携帯アンテナには、いわゆる開口同調とインピーダンス同調の2つの基本的な同調方法がある（図4）。開口同調では、チューナアセンブリは構造中の電流分布を変化させ、そのインピーダンスと放射効率に影響を与える。放射効率を最適化する能力は開口同調の流行の主な原因の一つであり、アンテナ性能を開口成分の関数として直感的に表現する新しい方法も提案した。OptenniLabでは、電磁シミュレータの正規化放射線図を電磁システムのSパラメータ行列とともに導入する場合、ソフトウェアは、適切な重み付けポート放射線図を重畳することによって、端末回路がポート上に置かれたときの総放射線図を計算することができる。得られた全放射方向図は、チューナに関連する放射効率を直接計算するために使用でき、代表的なチューナ成分値のいくつかを研究するのに役立ちます。

小型の非共振アンテナの場合、チューナアセンブリの関数としての給電ポートインピーダンスは、アンテナが総整合回路とのみ動作するように設計されているため、一般には有用な情報ではありません。逆に、指定された基準エコー損失レベルでは、どのくらいの帯域幅が得られますか。OptenniLabには、開口部構成部品の値に関する質問に答えるのに役立つ帯域幅ポテンシャル計算ツールがある[1]。

図5（a）〜（c）について、各環境構成において、いくつかの選択された開口成分値の関数として、放射効率と利用可能な帯域幅の「マッピング」を構築した。帯域幅ポテンシャルにより計算した目標エコー損失レベルは10 dBであった。

異なる構成の物理的パフォーマンスの制限各構成の最終的なパフォーマンスの制限を考慮すると、放射効率を最大限に高めるために、開口成分の最適な値を見つける必要があります。最適な値は、帯域と構成に依存します。最適化目標を設定し、設計候補のパフォーマンスを評価する場合、最終的な限界を理解することは非常に便利です。

本研究では、衛星航法帯域北斗B 1-2（約1587-1592 MHz）と3 GPP帯域1（1920-2170 MHz）の2つのシナリオを考慮した。単一開口チューナでは、開口成分の値を調整することで最適な放射効率を容易に見つけることができます。RF設計自動化ソフトウェアプラットフォームは、リアルタイムで放射効率を再計算することができます。結果は次のとおりです。

北斗B 1-2

・自由空間：hrad、最大値＝41%（−3.9 dB）、L孔径＝1.4 nH

・手：hrad、最大値=24%（−6.2 dB）、L孔径=3.4 nH

・水頭：hrad、最大値＝6%（−12.2 dB）、孔径＝開路

3 GPPビン1

・自由空間：hrad、最大＝45%（−3.4 dB）、L孔径＝1 nH

・手：hrad、最大値=32%（-5.0 dB）、L孔径=3 nH

・ヘッド：hrad、最大値＝6%（−12.2 dB）、L孔径＝5 nH

理論と実際の整合回路の性能放射効率は、所与の周波数におけるアンテナの総効率の物理的上限を与える。この物理的上限は、帯域全体にわたって完全な非破壊インピーダンス整合を行う必要があるため、実際には達成できない。また、異なる配置に対して、最適インピーダンス整合回路は必ずしも同じではない。理論上の閉ループ開口調整を考慮して、開口成分が環境の変化に適応することを考慮して、私たちはいかなる配置の最適な開口成分値を仮定することができます。しかし、それでも帯域と構成におけるインピーダンス整合のトレードオフを受け入れなければならない。