ホワイト ペーパー: 回転装置用近傍界アンテナの設計

アンテナのシミュレーション モデルは、ANSYS HFSS 環境で作成されています。提案アンテナの形状を図 1 の (a) と (b) に示します。アンテナの本体は、RF 50 Ω の抵抗器に結線された円形のマイクロストリップ伝送路です。マイクロストリップ伝送路には、厚さ (d) 0.762 mm の低コスト FR4 基材の片面に印刷された幅 W1 の導体箔が形成され、基材の他の片面に幅 W2 (6 mm) の導体箔が形成されています。FR4 基材の内円半径 (R1) は 50 mm、外円半径 (R2) は 60.5 mm です。マイクロストリップ伝送路の一端に信号源として集中ポートを適用します。ポートのインピーダンスは 50 Ωです。伝送路のもう一方の端には、50 Ω の集中抵抗器が形成されています。

計算式 (1) から、提案マイクロストリップ伝送路 W1 の信号トレースの幅が決定されます。計算値は、EM シミュレーション ソフトウェアによって最適化する必要があります。図 2 は、提案アンテナの試作品です。SMA コネクタを備えたリジッド ケーブルは、円形のマイクロストリップ伝送路の一端に接続され、RF 負荷は他の一端に接続されています。

図 3 は、非接触電力リンクとデータ リンクを備えた監視カメラを HFSS 形式の簡略なシミュレーション モデルで表したものです。カメラは下部にあり、中央の金属シャフトの周囲を回転します。上部は、電源およびイメージ データ センタに固定されています。送電回路と PTx コイルで構成された電力送信機 (PTx) およびワイヤレス回路とアンテナ Rx で構成された WiFi 受信機は、上部に収納されています。電力受信機 (PRx) と WiFi 送信機は、下部に位置しています。構成上、PTx コイルと PRx コイルは非接触型電力供給を目的として使用されます。コイルはアンテナ性能に影響を与えるので、シミュレーション モデルにはコイルを必ず配置します。

繰り返し測定のコストと時間を削減するため、アンテナは、HFSS によるシミュレーションを通じて研究・設計されています。アンテナの優れた性能が確認された時点で、アンテナの試作品が作成され、シミュレーションを検証します。この設計では、2 つの試作品を作成して、Keysight ベクトル ネットワーク アナライザ E5071C および Satimo 32 プローブ無響室を使って試験が行われます。
 

図 4 は、アンテナとその周囲における電力の分散関係を示しています。P_tx はアンテナへの入力電力、P_rx はアンテナ Rx が受け取る受電力、P_leak は周囲へのリーク電力、そして P_capture は、ワイヤレス カメラから 30 cm 離れた仮想の標準ダイポール アンテナが受け取る受電力を表します。これらのパラメータの中で、P_capture と P_leak の関係は
                                P_capture = P_leak + 伝送路ロス 30 cm です。                                              (2)

伝送路ロスの計算式

図 5 は、アンテナの反射損失のシミュレーションと測定結果を示します。S11 は、2.4 ～ 2.49 GHz の運用帯において反射損失が -15 dB より小さく、回転角ファイ (ϕ) 0°、90°、180° では定数であることがわかります。これは、全周回転中、アンテナに優れた整合性があることを示唆しています。

図 6 (a) は、Rx アンテナが受け取る受電力、図 6 (b) は、30 cm 離れた標準ダイポール アンテナがとらえる捕捉電力を表します。測定結果の最低値では、アンテナ Tx からアンテナ Rx が受け取る最小電力は -26 dB、仮想の標準アンテナがとらえる最大捕捉電力は -56 dB です。受電力は、仮想の標準アンテナがとらえる捕捉電力より 30 dB 大きくなっています。また、ワイヤレス カメラの下部が軸の周囲を回転する場合、P_rx の変数は小さくなります。P_tx を -35 dBmに設定し、さらに P_rx を -60 dBm、P_capture を -91 dBm に設定すると、システムは傍受されるリーク電力を最少限に抑えた優れたワイヤレス通信を確立します。

このような用途で市場に流通している WiFi アンテナの大半は、ダイポール アンテナ、IFA、PIFA などの従来型共振アンテナです。提案アンテナは従来のアンテナより性能面で優れていることを立証するため、図 7 の [2] に示される 2.4 ～ 2.49 GHz 帯に対応する運用周波数を備えたダイポール アンテナは、図 3 と同じカメラ モデルの提案アンテナと入れ代えられており、比較のためにシミュレーションの結果が導出されます (モデルでは、上部および下部のカバーは非表示です)。

シミュレーションの結果から、ダイポール アンテナは近傍界アンテナではないことがわかります。したがった、図 8 に示されるように、回転中に近傍界で操作する場合、優れたインピーダンス整合を達成できません。ファイ (θ) 0° から 180° まで回転中、反射損失は 3 dB 変化します。これは、全周回転において WiFi 受信回路との整合を困難にします。

図 9 (a) は、アンテナ Tx の回転にともなう P_rx/P_tx の著しい変化を示しています。特に、ファイ (θ) が 0° から 180° まで変化すると、P_rx/P_tx は -5 dB から -35 dB まで大幅に減少します。これには次のような理由があります。

1. アンテナ Tx が回転すると、中心間の距離の変化に対応して 2 本のアンテナ間の伝送路ロスが著しく変化する。
2. ダイポール アンテナは直線偏波であり、アンテナ Tx が回転すると偏波の不整合が発生する。
   
   

図 9 (b) は、ダイポール アンテナが周囲に放射する捕捉リーク電力の最大値は -35 dB であり、提案アンテナより 21 dB 大きいことを示しています。その理由は、従来型ダイポール アンテナが共振遠方界アンテナであり、本質的に遠方界放射に適しているためです。したがって、異なる種類の共振遠方界アンテナも、安全上の理由から低捕捉電力を要件とする狭域の高速データリンクでは実用性がありません。

近傍界円偏波リング アンテナは、ANSYS HFSS シミュレーション ツールを使用して開発され、試作品の測定値が検証されました。アンテナは、RF 50 Ω の抵抗器に結線された円形のマイクロストリップ伝送路です。提案アンテナは、2.4 ～ 2.49 GHz の運用帯において優れたインピーダンス整合を達成することができます。これは、優れたデータ リンクおよび周囲に対する低リークを示す、シミュレーションおよび測定結果によって実証されます。監視カメラをはじめ、自動装置や自律車両のビデオ ストリームを使用する設備と用途が増大する中で、提案アンテナは、高速データ速度および高セキュリティのデータ リンク用途に対応する有望なソリューションとなります。

また、このアンテナは進行波アンテナであり、近傍界電界および磁場は近傍界円偏波の表面にそって均一に分散され、回転中に安定したデータ リンクが提供されます。したがって、提案アンテナは、広い周波数帯域において優れた安全性と信頼性を備えた、スリップ リングに代わる優れたアンテナと言えます。

シミュレーションおよび試作品試験からアンテナ性能を確認後、WiFi チップセットおよび基板上の非接触型電力供給モジュールでアクティブ テストが行われ、アンテナとシステムの性能を検証します。

家電製品、産業機器などの分野には、近傍界アンテナの幅広い用途があります。提案アンテナは、非接触型電力供給を使用する回転装置に最適です。今後の研究と作業は、アンテナ性能の最適化および、リーク電力を削減して傍受を防止するシステム用シールドの設計です。