対称面や無限グランド面を持つアンテナの解析

本例題について

• ダイポールアンテナの対称性を利用した解析モデル（全体、1/2、1/4）を示します。

• 無限グランド面を持つモノポールアンテナの解析方法を示します。

• 表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。

• ダイポールアンテナの解析については「電磁波解析例題7 ダイポールアンテナ」もご覧ください。

解析空間

解析条件

※本オプションは初期設定条件ですでにチェックが入っています。本例題では面電極は

　ありませんので、チェックがなくても結果には影響しません。

調和解析および開放境界の設定を以下のように行っています。

モデル図

ダイポールアンテナの全体モデル、1/2モデル、1/4モデルを示しています。
モノポールアンテナのモデルは、ダイポールアンテナの1/2モデルと同じです。
全てのモデルは、銅から成るANTENNAボディ、空気のAIRボディとポートから構成されます。

ダイポールアンテナの全体モデルは、ANTENNAとポートを空気の球が囲んでいます。

ダイポールアンテナの1/2モデルとモノポールアンテナは、ANTENNAとポートを空気の半球が囲んでいます。
半球の平面はXY面上にあり、電気壁の境界条件（EWall）を設定しています。
1/2モデルにおいては、この電気壁が対称性を意味する境界条件になります。

1/4モデルは、1/2モデルをさらに、ANTENNAを含むYZ面で切り取った形をしています。
この切り取ったYZ面には磁気壁の境界条件（MWall）を設定しています。
この磁気壁も対称性を意味する境界条件になります。

• 境界条件の電気壁、磁気壁については、「電気タブ」をご覧ください。

ボディ属性および材料定数の設定

※材料データベースを利用

境界条件

メッシュ/解析の設定

参照周波数には、アンテナの長さから予測していた共振周波数の値を入れました。

解析結果1： 対称面を持つダイポールアンテナの解析結果の比較

まずダイポールアンテナの特性が、全体モデル、1/2モデル、1/4モデルで一致する事を確認します。

アンテナの反射特性を、Sパラメータとインピーダンスのスミスチャートで確認します。
[解析結果]タブの[チャート] から[SYZ行列]を実行し、
[SYZ行列]ダイアログの[XY_Graph]や[SmithChart]を実行すると、
それぞれに応じた形でグラフが出力されます。

• [SYZ行列]ダイアログについて、詳しくは「SYZ行列」をご覧ください。

全体モデル、1/2モデル、1/4モデルの反射特性を、図1に示します。
反射特性はよく一致していることが分かります。

次に、アンテナの放射特性を表す指向性を確認します。
[解析結果]タブの[チャート] から[指向性]を実行し、
[指向性計算]ダイアログの[電磁波指向性計算]タブを表1のように設定します。
ただし、対称面と無限グランド面の設定は、モデルに応じて表2のように設定します。
[Polarグラフ]を実行すると、指向性が図2のようにPolarグラフで図示されます。

• [電磁波指向性計算]タブについて、詳しくは「電磁波指向性計算について」をご覧ください。

全体モデル、1/2モデル、1/4モデルの指向性を、図2に示します。
ただし、反射の少ない4.5GHzで比較を行いました。
放射特性もよく一致していることが分かります。

表1 [電磁波指向性計算]タブの設定

表2 対称面と無限グランド面の設定

解析結果2： 無限グランド面を持つモノポールアンテナの解析結果

無限グランド面を持つモノポールアンテナの特性を調べます。
同一モデルのダイポールアンテナの1/2モデルの特性をと比較します。

まず、2つのアンテナの反射特性を比較します。

Sパラメータのグラフとスミスチャートは、図3のように得られます。
図3のスミスチャートから、インピーダンスの虚部が0に近い周波数は4.59GHzと分かり、
この周波数での各アンテナのインピーダンスZは、次のように読み取れます。

• 　　ダイポールアンテナ： Z = 64.019 + j 0.159 [Ω]

• 　　モノポールアンテナ： Z = 31.334 – j 1.883 [Ω]

モノポールアンテナのインピーダンスが、ダイポールアンテナの半分になっている事が確認できます。
これは、ダイポールアンテナとモノポールアンテナで同じ電流が流れた場合に、
モノポールアンテナに加わる電圧はダイポールアンテナに加わる電圧の半分になる事を意味しています。
これは妥当な結果と考えられます。

次に、放射特性の比較を行います。
[指向性計算]ダイアログの[電磁波指向性計算]タブを表3・4のように設定すると、
図4のような指向性グラフが得られます。
図4から、モノポールアンテナの方が、利得が約3dBよくなっていることが確認できます。

表3 [電磁波指向性計算]タブの設定

表4 対称面と無限グランド面の設定