S-NAP Wireless紹介資料
アンテナ解析

株式会社 エム・イー・エル

2024/3Copyright© MEL Inc.

S-NAP Wireless Suite• ワイヤレス電力伝送• IoT組み込みアンテナ• 3次元EMC問題

回路解析

多層基板電磁界解析

アンテナはこれらの機能です© MEL Inc.

3次元電磁界解析

S-NAP Wirelessの電磁界機能
多層基板解析では、２種類のソルバを実装
2.5D電磁界
シールド領域グリーン関数、オープン領域グリーン関数
プリント基板用電磁界を用いた比較的大規模な解析例
平面回路

パッチアレイアンテナ© MEL Inc.

スロットアレイアンテナ
3

S-NAP Wirelessの電磁界機能

３D電磁界
自由空間グリーン関数、半空間グリーン関数、Sommerfeld グリーン関数
アンテナ系サンプル（小型アンテナ、組み込みアンテナ、線状アンテナ、パラボラ等）

ノートPC逆Fアンテナ(2.4GHz)

パラボラ電界分布↑
指向性↓

空気圧センサループアンテナ(2.4GHz) QFH円偏波（145MHz）
キーアンテナ(315MHz)

キーホルダアンテナ(315MHz)© MEL Inc.

435MHz MLA

実測(上)とシミュレーション(下)OAM（空間多重）電界分布
4

S-NAP Wirelessの電磁界機能
３D電磁界
人体の影響サンプル

指BlueTooth人体の影響

タッチセンサの動作

ワイヤレスマイクの人体の影響
ループアンテナの人体の影響© MEL Inc.

5

アンテナ解析項目© MEL Inc.

アンテナ解析時の主な表示項目

電流分布
・電流分布、電圧分布
・Sパラメータ特性
・SWR、リターンロス等
・インピーダンス特性
・電流、電圧特性など
・放射特性
・電界磁界分布・ポインティングベクトル
・インピーダンスマップ© MEL Inc.

リターンロス特性

インピーダンス特性

電流特性

電圧特性

遠方界パターン、放射効率© MEL Inc.

--- Far field analysis --Frequency 145MEG Hz
Direction : th=90,phi=0 <=最大放射方向
Gd=12.9432[dBi]<=指向性利得
Ga=12.8642[dBi]<=絶対利得Efficiency=98.197[%]<=放射効率Axis ratio= 1:5.8379e-08 <=軸比22電界分布、磁界分布

ダイポールの近傍電界

ループアンテナの近傍磁界© MEL Inc.

八木アンテナの近傍電界

17ポインティングベクトル、インピーダンスマップ
ポインティングベクトル：E×H
インピーダンスマップ ： E/H

伝搬方向（Z）

ヘリカルアンテナのポインティングベクトル© MEL Inc.

ループアンテナのインピーダンスマップ
10モーメント法の特徴• ＜一般的な特徴＞• 境界面の変数のみなので必要な変数が少ないマトリックスが小さくて済む（ただし密行列）• 結合問題が高精度に解析可能
磁界共鳴方式などのHi-Q問題に適している• 数十波長離れている遠方のオブジェクト間の解析が容易（1km程度まで可能）
ワイヤレス電力伝送など送受信ペアで解析する問題の解析• 極大、極小問題の解析が容易
小型アンテナと車などの大規模な筐体との同時解析など• ＜MPIE(Mixed Potential Integral Equation)＞• 超低周波から超高周波まで対応できる（kHz～ミリ波まで）
85kHzのワイヤレス電力伝送の解析も容易• ポートを単独で設定できる© MEL Inc.

11

一般的なアンテナ例© MEL Inc.

2000mm14MHzノンラジアルヘリカルホイップ

40秒/1周波数205秒/1000周波数(VFモードスイープ)© MEL Inc.

--- Far field analysis --Active port imp.=50
Pt=0.0060108[W] include
refrection
VSWR=2.63387
Direction : th=90,phi=255
Srm=0.000208834[W]Gd=1.84047[dBi]Ga=-3.59921[dBi]
Efficiency=28.578[%]
Axis ratio= 1: 3.13539e-05

パラボラアンテナ--- Far field analysis --Active port imp.=50
Pt=0.00505411[W] include
refrection
VSWR=1.23221
Direction : th=90,phi=180
Srm=0.084712[W]Gd=23.3431[dBi]Ga=23.2351[dBi]
Efficiency=97.5438[%]
Axis ratio= 1: 1.22687e-06© MEL Inc.

4秒/1周波数157秒/51周波数

MLAホーンアンテナ
Fc=416.3MHz
ZTE10＝1300Ω

SパラはMPとほぼ同じ

360mm

600mm

ZTE10＝460Ω VS=1.22300mm© MEL Inc.

350mm
22秒/1周波数114秒/1000周波数(VFモードスイープ)--- Far field analysis --VSWR=1.0631
Direction :th=90,phi=270
Gd=9.19231[dBi]Ga=9.13917[dBi]
Efficiency=98.7839[%]15

八木アンテナ（9エレメント）

145MHz20秒/周波数

Sパラ特性

近傍電界分布--- Far field analysis --Frequency 145MEG HzDirection : th=90,phi=0
Gd=12.9432[dBi]Ga=12.8642[dBi]
Efficiency=98.197[%]
Axis ratio= 1:5.8379e-08© MEL Inc.

遠方界特性

利得、効率等27

Folded UNE ANT 実測比較

赤（破線）：実測値
青：SIM--- Far field analysis --Active port imp.=50
Pt=0.00502754[W] include refrection
VSWR=1.16034
Direction : th=90,phi=10
Srm=0.00175423[W]Gd=7.38525[dBi]Ga=6.4194[dBi]
Efficiency=80.0598[%]© MEL Inc.

17

カーボンロッドアンテナ(7MHz)
カーボンロッド 14段
全長＝7.46m 重なり=45mm
外形: φ21mm~φ1.5
体積抵抗率 ρ=0.6mΩ・m

カーボン製の釣り竿アンテナの解析例です
各段は非接触で、容量結合しています

7.46m
PEC
Top view

つなぎ目© MEL Inc.

--- Far field analysis --VSWR=1.02682
Direction : th=90,phi=300
Gd=5.54447[dBi]Ga=-1.87863[dBi]
Efficiency=18.1005[%]
Axis ratio= 1: 1.93641e-15

18円偏波アンテナ
エンドファイアヘリカル© MEL Inc.

33

QFHアンテナ
QFHアンテナは天頂方向に指向性を持つ円偏波アンテナで、衛星の受信などに用いられています

Gd=5.44475[dBi]Ga=4.52631[dBi]
Efficiency=80.93[%]近傍電界分布© MEL Inc.

20

IoT機器小型アンテナ© MEL Inc.

IoT 組み込みアンテナ色々
IoT化で筐体への組み込みが必須

・アンテナ導体のサイズは制約される
・筐体の影響を受ける・人体の影響を受ける

300MHz (微弱機器)
2.45GHz ISM（Wi-Fi, Bluetooth,etc.）
900MHz (RF-TAG)

RF-TAG

パッチアンテナ

微弱機器(315MHz)[2]© MEL Inc.

[1]RFワールド No.44[1][2]以外の画像はWEB上のデータです

チップアンテナ[1]22電界型小型アンテナ（315MHz）
約40mmの金属鍵部を持つキーを315MHzのワイヤレス化する場合のアンテナ設計例
電界型はペアになる２つの導体が必要
アンテナ

グランド板

樹脂ケース

Zin=0.13-j236[Ω]インピーダンスを調べる© MEL Inc.

23

到達距離を調べる
5メートル

受信用
ダイポール

横方向軸方向ダイポール

S21=-70dB 軸方向
S21=-45dB 横方向© MEL Inc.

電界分布KEY
24

磁界型アンテナ例（315MHz MLA）

約15mm□の樹脂ケースに入った315MHzのワイヤレスキーのアンテナ設計例

13.5mm13mmダイポール

S21=-56.6dB @315MHz5ｍアンテナ
電界分布© MEL Inc.

小型アンテナと車が混在して解析可能

25

チップアンテナ(400MHz)
誘電体 Er=10.510.5mm

t=0.8mm

3mm

GND長さ(15mm)

電流分布 @400MHz© MEL Inc.

整合回路

GND板
26

人体の影響人体を考慮した設計が必要--- Far field analysis --VSWR=13.6476
Direction : th=140,phi=300
Gd=3.09672[dBi]Ga=-10.8248[dBi]
Efficiency=4.05363[%]
Axis ratio= 1: 0.00843472

27© MEL Inc.

人体の影響を解析
人体の影響を考慮した2.4GHzヘッドホン特性の解析

単体の指向性

近傍電界

頭部モデルを含めた指向性
３D指向性© MEL Inc.

28

2.45GHzマグネティックループ
D=10mm φ=0.8mm
巻き数：1.17T

共振容量は0.17pF程度になるので、部分的に重ねて自己共振を用いる方がよい

Active port imp.=50
VSWR=1
Direction : th=90,phi=30
Sr=0.000501588[W]Gd=1.73852[dBi]Ga=1.00587[dBi]
Efficiency=84.4764[%]© MEL Inc.

人体の影響と左右の伝送特性
人体モデル：
0.3％ 36℃塩水© MEL Inc.

人体の影響と左右の伝送特性
リターンロス、伝達特性、指向性
人体による周波数変動は少ない

左右の伝達特性：-50dB

Active port imp.=50
VSWR=1
Direction : th=55,phi=220
Sr=0.000916654[W]Gd=6.11958[dBi]Ga=3.62445[dBi]
Efficiency=56.2973[%]
放射効率は28％減少© MEL Inc.

プリント板アンテナ© MEL Inc.

35

2.45GHzプリントアンテナ
PORT

3.5mm

12.7mm・パターン長を調整して2.45GHzに合わせる
・メアンダはあまり密にしない
33© MEL Inc.

整合回路を追加

整合特性--- Far field analysis --VSWR=1
Direction : th=175,phi=260
Gd=1.62058[dBi]Ga=1.19166[dBi]
Efficiency=90.5958[%]
Axis ratio= 1: 0.000187325

ガンママッチ
放射特性© MEL Inc.

34

RFTAG(900MHz)の特性
・Sパラメータ解析
・入射波解析
ポートインピーダンス:200Ω

Sパラ特性

入射電界、散乱電界

0dBm入射時のポート誘起電圧© MEL Inc.

プリント板Wi-Fiアンテナ
ガーバーファイルからアンテナ部分を切り取ったシミュレーションです

10mm--- Far field analysis --Frequency 2.4683G Hz
Direction : th=90,phi=145
Gd=1.82566[dBi]Ga=-7.76317[dBi]
Efficiency=10.993[%]
Axis ratio= 1:7.50804e-15© MEL Inc.

磁界型アンテナ例（300MHz）
任意サイズで作成可能

結合ループ

共振コンデンサ
ポート
37© MEL Inc.

小型機器への適用例

36.6mm--- Far field analysis --VSWR=1
Direction : th=90,phi=180
Gd=1.72737[dBi]Ga=-10.8688[dBi]
Efficiency=5.50026[%]
Axis ratio= 1: 1.53493e-14

15.7mm共振,整合回路© MEL Inc.

38

入射波解析（電波放射による電力伝送：レクティナ）[1] 松木英敏，高橋俊輔,“ワイヤレス給電技術がわかる本”，オーム社[2] 日刊工業新聞2015年11月13日「創刊１００周年特別号」より© MEL Inc.

39

電波放射による電力伝送© MEL Inc.

40

電波放射による電力伝送
マイクロ波による電力伝送
入射波（2.45GHz）© MEL Inc.

41

左右のパッチの位相を変えた4アレイパッチ
レクティナテスト
位相可変①アンテナのSパラ特性と放射特性

ショットキーD© MEL Inc.

放射パターンと放射電界

②入射波特性とレクティナDC出力特性

入射電界：2.45GHz 0dbm
Θ=30度 φ=-45度

入射波をスイープしたときのポート誘起電圧

入射電界と散乱電界の様子

整流出力 左：スペクトル 右：ポート波形© MEL Inc.

接地型アンテナ
接地抵抗など© MEL Inc.

35

Verticalアンテナのアースの効果
カウンタポイズ/ 接地板/ 埋設© MEL Inc.

45

Ground Wave
TX
RX

空気
Sommerfeld境界

大地-z’
RXでの電界を求めるには
Sommerfeld 積分の計算の必要あり（Surface wave）© MEL Inc.

46

14.5MHz Vertical ant.
境界面: リアルグランド
接地：アース棒

RGND

Φ105140mm

Φ30500mm--- Far field analysis --Frequency 14.798MEG Hz
Direction : th=90,phi=275
Gd=5.89089[dBi]Ga=3.95338[dBi]
Efficiency=64.0102[%]
Axis ratio= 1: 5.05675e-16空間の電界分布© MEL Inc.

地中の電界分布47

14.5MHz Vertical ant.
境界: リアルグランド
接地：1m◇プレート（1枚 埋設）

RGND

Φ105140mm

CP: 1000mm□
t=2mm plate

大地面から5mm--- Far field analysis --Frequency 14.5MEG Hz
Direction : th=90,phi=90
Gd=5.76148[dBi]Ga=2.47701[dBi]
Efficiency=46.9411[%]
Axis ratio= 1: 7.1041e-16空間の電界分布地中の電界分布© MEL Inc.

48

接地抵抗のシミュレーション
100kHzでポートに直列のLを入れて共振点でのインピーダンスを測る

ポート
地面に這わせたL=1mのワイヤ

本数

接地抵抗[Ω]

1314

2221

3189

50cm

1m30cm
3本目© MEL Inc.

電界分布
@100kHz

磁界分布@100kHz

49

その他© MEL Inc.

35

鉄塔ドライブ
高さ100mの鉄塔に1.9MHzを乗せる

100m--- Far field analysis --VSWR=1.01861
Direction : th=10,phi=215
Gd=9.36457[dBi]Ga=-5.77655[dBi]
Efficiency=3.06118[%]
Axis ratio= 1: 0.00564178
MLA 単体特性
境界条件

η[%]

FREE

2.046

PEC(50cmh)

3.462© MEL Inc.

電界分布@1.9MHz

51

建物を含んだLOOPアンテナ特性
倉庫の屋上に敷設した1.8MHzのLOOPアンテナ
倉庫を含めて解析を行う

ワイヤ長=147.9m
700m© MEL Inc.

1700m

@1.84MHz--- Far field analysis --VSWR=1.00177
Direction : th=0,phi=220
Gd=9.75979[dBi]Ga=1.49947[dBi]
Efficiency=14.9269[%]
Axis ratio= 1: 0.00260305
52各種回路素子の組み込みポートとアンテナ間に各種の回路素子を挿入することが可能。例えば、90°の位相差を付けたい場合は、右図のように伝送線路を組み込みます。クロス
ダイポールに90度位相差を加えて励振することで、↓図のように理論的な円偏波アンテナを構築できます

90°電気長線路
PORT1T1T3T2T4

位相差給電による
円偏波アンテナ例© MEL Inc.

53

シールドパイプのノイズ抑圧効果シミュレーション
シールドループを被せたループアンテナで、近傍からのノイズがどれだけ抑圧できるかを調べます。信号は60ｍ離れたダイポールから送信しています

60メートル【磁界ノイズ源】
0.5mm□ D=10mm
8角形ループ

送信Dipole

155mm【電界ノイズ源】
0.5mm□ 5mm×2微小ダイポール

標準MLA、シールドMLA評価時の配置
ノイズ源
シールドMLA

DipoleΔS

0109876543210・電界ノイズ（偏波面//）時ノイズ電圧の差は約8.9dB、信号受信時の差は3.4dBなので、シールドMLAのノイズ抑圧効果は、電界ノイズに対して約5.5dBあることがわかる。ちなみに磁界ノイズに対しては抑圧効果は殆どない© MEL Inc.

出力電圧[dBuV]-20-40-60-80-100-120-140-1600.0000010.00001 0.0001 0.001

0.010.1

110100励振電圧[uV]

Dipole(Port1)に励振した場合の出力レベル

標準MLAとシールドMLAの出力差[dB]

標準MLA54コモンモードと同軸からの放射シミュレーション
パターソンループ（不平衡整合）
同軸 0.5m

同軸（RG58U）

S21=-33.16dB

同軸 5m
PORT2
S21=-27.94dB

PORT1© MEL Inc.

--- Far field analysis --VSWR=1.07215
Direction : th=90,phi=185
Srm=8.85729e-05[W]Gd=1.72697[dBi]Ga=-6.52986[dBi]
Efficiency=14.9389[%]
Axis ratio= 1: 5.80304e-07--- Far field analysis --VSWR=1.1004
Direction : th=90,phi=95
Srm=0.000188897[W]Gd=2.16885[dBi]Ga=-3.24527[dBi]
Efficiency=28.7467[%]
Axis ratio= 1: 2.08071e-07

近傍電界

同軸の長さを5mにするとコモンモードレベルが大きくなるが、放射効率は上がる。これは同軸からの放射分が加算されていると言える
55

シュッベルトップ（阻止外管）の挿入特性
阻止外管なし

RG58U
6340mm近傍電界--- Far field analysis --VSWR=1.1119
Direction : th=90,phi=90
Srm=0.000302405[W]Gd=8.1812[dBi]Ga=-1.20389[dBi]
Efficiency=11.521[%]
Axis ratio= 1: 1.65341e-15© MEL Inc.

阻止外管あり近傍電界--- Far field analysis --VSWR=1.11308
Direction : th=90,phi=90
Srm=0.000300376[W]Gd=8.16294[dBi]Ga=-1.23336[dBi]
Efficiency=11.4913[%]
Axis ratio= 1: 1.66458e-15

阻止外管を挿入すると同軸周りの電界レベルが下がっていることがわかる

56

伝搬解析
空間多重伝送サンプル
OAM（Orbital Angular Momentum）
空間多重伝送の解析は空間を離散化する方式ではシミュレーションが難しいと言われますが、モーメント法は境界要素ですので、このようなシミュレーションも容易に行うことができます© MEL Inc.

35

偏波多重方式

垂直偏波アンテナ

信号
A

出力
A

信号
B

出力
B

水平偏波アンテナ

送信側

受信側

偏波面の異なるアンテナを用いると互いに干渉しないので、信号Aと信号Bが同じ周波数でも通信が可能。

© MEL Inc.

58

偏波多重のシミュレーション

1λ

ダイポール
A?

FcにF1で変調したAM
信号
FcにF2で変調したAM
信号?
ダイポール
B

搬送周波数が同じで、変調周波数の異なる2つの信号をそれぞれのアンテナに入れた時、出力はどうなる？

© MEL Inc.

59

受信レベルと出力波形

90ｄB

２つの信号は干渉していない© MEL Inc.

60

OAM（Orbital Angular Momentum）
OAMは日本語で「軌道角運動量」。進行方向に対して螺旋（らせん）形状になる電波の“回転度合い”を示す。回転度合いの異なる電波は互いに交わらず、平行して進む特徴があるため、複数の電波を重ね合わせて通信容量を増やすOAM多重の研究が各所で進められている。
(IT media NEWSより引用）

OAM用のアンテナ
UCA (uniform circulararray)

イメージ図

参考資料：IT media News© MEL Inc.

61

OAMの位相シフト図

参考文献：RFワールド No.47© MEL Inc.

62

OAMのシミュレーション図

0.8λ

送信側
MLA 8個D:50mm

受信側
MLA 8個435MHz MLA© MEL Inc.

63

OAMのシミュレーション図
位相器と８分配器

TXPORT© MEL Inc.

位相器

MLA

MLA

位相器

位相器

MLA

MLA

位相器

位相器

MLA

MLA

位相器

８分配器

８分配器
位相器

MLA

MLA

位相器

MLA

MLA

位相器

位相器

MLA

MLA

位相器

位相器

MLA

MLA

位相器

位相器

MLA

MLA

位相器

位相器

RXPORT64

OAMのシミュレーション図
位相器と８分配器

受信側位相器
送信側位相器EMモデル© MEL Inc.

65

モード切替時の受信レベル

単位：dB

送信モード
Mode 0
受信Mode -1© MEL Inc.

Mode 0Mode 1-22.43-110.04-110.20-34.9866

435MHz ８MLAアレイ 0次ベッセルビームアンテナ
利得：7.91dB （対ダイポール比）

XY面 XZ面 電界分布

© MEL Inc.

表示エリア： 20×20m 電界分布

67

断面電界分布MODE 1

MODE 0

MODE 2© MEL Inc.

68

空間にマッピングしたMODE 1の時の3次元電界分布© MEL Inc.

69

アンテナの基礎解析例© MEL Inc.

ダイポールアンテナの成り立ち
まずは先端開放のλ/4の平行線路の特性

1mm2mm□パイプ74.5mm

オープン

λ/4 @1GHz ≒ 75mm ->74.5mm（短縮）© MEL Inc.

13

平行線路特性
先端開放のλ/4の平行線路の特性
λ/4OPENZin

Z  Z0Z r  j Z 0 tan l   (7 )Z 0  j Z r tan l

長さがλ/4時は、tanβl=∞となりZ=Z02/Zr となる。
入力インピーダンスは負荷インピーダンスに反比例© MEL Inc.

ショート状態

14開き角と放射効率30度

0度

60度

電界分布

η=0.096%η=78.2%

η=17.5%120放射効率[%]

1008060402000© MEL Inc.

50100

開き角[度]

15020016偏波面の影響
直線偏波アンテナの偏波面が互いに異なる場合
アンテナB90度で受信できなくなる
0-10-20-30S21[dB]

アンテナA
θ

-40-50-60-70-80-90-100020406080100120140

角度θ[度]© MEL Inc.

32

S-NAP/Wireless ３次元電磁界ソルバ 周波数あたりの解析時間と解析時の最大メモリ使用量［テストマシンスペック］

ループアンテナ
8秒/周波数 MEM:0.1GB

キーアンテナ（金属＋誘電体）
11秒/周波数 MEM:0.5GB© MEL Inc.

パラボラアンテナ
６秒/周波数 MEM:0.1GB

85KHz WPT 送受コイル＋排気管
265秒/周波数 MEM:5GB

筐体＋両面プリント板
1049秒/周波数 MEM:19GB

S-NAP/Wireless 多層基板用2.5次元電磁界ソルバ 周波数あたりの解析時間と解析時のメモリ使用量［テストマシンスペック］

900MHz BPF
2.9秒/周波数 M:0.1GB

1.2GHz アンプ（実装部品あり）
12秒/周波数 M:0.3GB© MEL Inc.

2GHzヘアピンフィルタ
8.3秒/周波数 M:0.3GB

7.75GHz パッチアンテナ（GND付)
3.2秒/周波数 M:0.1GB

複合解析とメッシュ数
周波数が高くなるとメッシュサイズを小さくする必要があるため、オブジェクトサイズが大きいとメッシュ数が増加します。この例では2.45GHzで35292ポリゴンになります

電流分布 @2.45GHz

table:10856ポリゴン

Totoro:22000ポリゴン

Wi-Fi機器(PCB アンテナ＋ケース)
15×30mm 2436ポリゴン© MEL Inc.

Wi-Fi + 人＋テーブル @2.45GHz
ポリゴン数:35292
解析時間: 1.8h/周波数 memory:192GB程度

電界分布 @2.45GHz