Application Article | CST UWB 高出力進行波アンテナ 高出力マイクロ波（HPM）進行波アンテナの設計と実装事例をご紹介します。高出力の単発信号発生 器を使用して 出力-3dB、パルス幅 1ns、ピーク電圧 100kV 以下でアンテナを駆動します。信号発生器に は出力用の中空同軸導波管が搭載されているため、同軸導波管と平行板の間のトランジションについて も設計と製作を行いました。まずシステムの物理的な寸法、電気的パラメータの理論値および特性を MATLAB[1]で計算した後、CST STUDIO SUITE[2]でアンテナの構成要素をモデル化し、計算と最適化を 実行します。さらに CAD エクスポート機能を使用してシミュレーションモデルから製作モデルと回路 図を作成します。製作したアンテナの測定を行い、シミュレーションの結果と比較します。 高出力マイクロ波(HPM)電源と HPM 放射素子は、 5. 分散: UWB レーダのような応用では、アンテナ 世界の研究機関と企業間で近年大きな関心を集める の分散性を考慮する必要があります。アンテナ 技術です。防衛関連と民間需要の両方に広い応用が の分散性とは、広帯域で位相中心が動くことに 期待されます。 よって生じる拡散効果です。システムは送受信 HPM システムの設計では、放射素子が決定的に重要 です。同システムの放射エネルギーは非常に強く、 信号間のコリレーションに依存するため、分散 性の考慮が必要となります。 放射方向が適切に設計されていないと周辺機器がダ メージを受ける可能性があります。このことは設計 上大きな制約となります。高出力パルスの放射効率 と効果を高めるために下記の点に留意する必要があ ります: 1. ウルトラワイドバンド（UWB）: デュレーショ ンが非常に短い高出力パルスは、本来的に UWB です。したがって UWB 帯域に課せられる非常 に厳しい基準を達成する必要があります。 2. 指向性: 周囲の人や装置にエネルギーが向かわ ないように、指向性アンテナとする必要があり ます。 3. 高効率: 電圧破壊につながる定在波が生じない ように放射素子と給電の間の整合を確実に取る 必要があります。 4. ワット損: HPM 応用のアンテナには、電力破壊 を避けつつ非放射エネルギーの消散を可能とす る堅牢性が求められます。 図 1: CST アンテナモデル 1 Application Article | CST アンテナ 本事例のアンテナは、指数関数的に緩やかな末広が りに形成した 2 枚の平行板で構成され （図 1）valentine アンテナの一変型と考えられます。valentine アンテ ナ自体も通常の TEM ホーンアンテナの一変型です。 高出力パルス応用に向けたアンテナの設計について は以前にも論文が発表されていますが、このアンテ ナの製造には数値制御装置（CNC 装置）が必要でし た[3]。 丸み部分の直径を大きくすることにより末端部から の電流反射を減らし、低周波の放射を向上させます。 アルミニウム製のアンテナ構造全体に有限の抵抗値 が存在するため、放射されない電流はアルミニウム の抵抗損失により消失します。放射せず消失もしな い電流は発生器側に反射するため、不適切な終端で は二次的な不要パルスが放射する可能性があります。 CST STUDIO SUITE の時間領域ソルバー（T ソル バー）で計算した放射素子上の電力エネルギー分布 を図 3 に示します。計算には Intel Core i7-3820 CPU 今回のプロジェクトの目的は、自前の設備で製造が （3.6GHz）を搭載した HP ワークステーションに、 可能なシンプルなトランジションの立案です。上記 さらにシミュレーション高速化のため Tesla C2075 の製造課題を前提としてアンテナの全体構造を設計 GPU を搭載した計算機を使用しました。 した結果、特性は他モデルに僅かに及ばないものの、 製造工程のシンプルさとパフォーマンスの良さを買 って下記のモデルが選ばれました。 放射メカニズム 今回設計したアンテナは進行波アンテナと同じ放射 メカニズムを有します。入力された電界は、放射が 始まるまで 2 枚の平行板に導かれます。平行板が広 がり始めるとインピーダンスが変化し、放射が開始 低周波数帯では他の周波数帯に比べて明らかにエネ ルギーの広がり方が大きく、低周波は素子の末端か ら、高周波は基部からそれぞれ放射することを示し ています。 導波管内でモード分散が生じるのを避けるために、 TEM モードのみが励起され、高次モードがエバネセ ント波となるように注意して設計します。 垂直に立てたアンテナでは垂直偏波となります。 します。次第に広がるプレートの間をパルスが伝搬 するに従い放射が高まり、プレート間の距離が半波 0.5 GHz 長に等しくなる地点でスペクトルの各成分が放射さ れます。放射地点のインピーダンスは自由空間と等 しく、η=120πΩ です。したがって放射はまず高 1 GHz 周波から始まり、低周波はアンテナ末端部から放射 します（図 2）。 2 GHz 図 2: アンテナの電流 図 3: 放射素子上の電気エネルギー分布 2 Application Article | CST シミュレーションの結果 平行板の間に TEM モードを励起して計算した放射 もうひとつのシミュレーションでは、第 1、第 2、第 素子の S11 パラメータを図 4 に示します。このシミュ 3 のモードを線形重畳した電磁界を用いて 3 モード レーションは 0.2∼5GHz の周波数範囲について行い 同時励起とします。このシミュレーションによる反 ました。2.5GHz より上の高周波数帯では高次モード 射係数（アクティブ S パラメータと呼ばれる）を図 励起が生じるため、純粋な TEM モード励起とはみ 5 に、遠方界分布を図 6∼8 に示します。 なせません。このため、もうひとつ別なシミュレー ションを実行しました。 図 4: 放射素子の S11 図 5: 放射素子のアクティブ S パラメータ 図 6: 放射分布 – 磁界断面 図 7: 放射分布 – 電界断面 3 Application Article | CST 0.5 GHz 1 GHz 2 GHz 図 8: 放射分布 – 3 次元表示 電界面はθ = π/2 および φ = [0.2π]、磁界面は φ =π/2 および θ = [0.2π] に対応します。 図 9 は、周波数と指向性 [dBi] の関係を示します。 前面 予想通り、周波数 [GHz] が高くなるほど指向性が 増しています。 1 GHz 背面 2 GHz 図 10: 同軸から平行板へのトランジション 図 9: 指向性 vs. 周波数 同軸から平行板へのトランジション 設計とシミュレーション 従来設計[3][4][5][6]と異なり、本設計のトランジシ ョンは高価な CNC 装置を必要とせず、非常にシン 同軸導波管の中心導体を伸張し、外部導体を断ち切 プル製造することができます。 ることによりトランジションを形成します（図 10） 。 CST STUDIO SUITE のパラメータスイープ機能を 差動モードでは TEM ホーンのプレート間にラジオ 使用して、断ち切り角度との関係によりエネルギー 電位差が生じるので、このモードの放射電磁界を意 整合を評価します。15 度から 25 度の間で断ち切り 図して設計します。同相モードでは意図しない方向 角度を変えて解析を行った結果、21 度が最良となり に放射が生じエネルギーを消失するため、断ち切る ました。これより大きい角度では同相モードが励起 角度を最適化して同相モード励起を抑制し、消失エ される可能性があり、小さい角度では反射係数が低 ネルギーをなるべく小さくします。 下します。 4 Application Article | CST 断ち切り角度を 21 度に設定した後、次のパラメータ として内導体の半径を考慮します。外部シェルの基 部から先端に向かって内導体の半径が徐々に増すよ うにします（図 12）。均一半径では中心導体の特定 領域の電気容量が減少しますが、太さが増すことで 容量が僅かに増加し、減少分が相殺されます。 内導体の半径が増すにつれて整合が改善する様子を 図 13 に示します。終端部が 3.5mm（青紫）と 5.5mm （緑）では僅か 2mm の違いにもかかわらず、後者 の整合が特に高周波領域において著しく改善してい ます。 図 13: 周波数と S11 の相関：終端半径を色別表示 完全アセンブリ 図 11(a): 差動モード 電気的接続 トランジションと平行板の電気的および機械的接続 部を図 14 に示します。この接続部を加えてアンテナ 構造は完成します。同軸内部のコニカルコネクタは、 小型ソケットで平行板に接続します。小型ソケット は 2 本のネジで上部板にねじ止めします。接続部の 平行板は幅狭ですが、シミュレーションによって計 算した値まで断熱的に広がることに注意が必要です。 図 11(b): 同相モード 図 12: 同軸内導体の半径バリエーション 図 14: 同軸導波管と平行板の接続部: プレキシグラス製 スペーサを紫色で表示 5 Application Article | CST ラインインピーダンスが固定される箇所にプレキシ アンテナケース グラス製スペーサを配置して、2 枚の板を所定の間 隔で支えます。小さいネジでスペーサの両側に板を ねじ止めします。 アセンブリした全体構造の反射係数を図 15 に示し ます。パルス幅 1ns に相当する中心周波数 fc = 1GHz で整合が良く取れています。 上記の「送信間相互変調」は、Business 2-UHF が発 する UHF 信号が Business 1-VHF アンテナに結合する のが原因で、1232MHz（2*151.5MHz +2*464.5MHz） においてアンプで生成された相互変調生成物が GPS 受信機に再放射して干渉が生じます。 この干渉を避けるには、VHF システムの前部に低域 通過フィルタまたは帯域通過フィルタを組み入れ、 不要な UHF 信号がアンプに達しないようにします。 先の 1 対 1 解析ではフィルタによる干渉対策の必要 性を確認したので、Business 1-VHF システムに起因 するすべての干渉に帯域通過フィルタが有効である ことが期待されます。 図 16: アンテナケース側面図 EMIT の VHF システムと FM ラジオシステムにそれ。 図 15: 完全アセンブリの S11 完全アセンブリアンテナの放射分布を図 17 から図 0.3∼3GHz の周波数帯で整合が取れていれば十分で 19 に示します。低い周波数帯では同相モード励起が すが、それ以上の周波数でも同軸から平行板へのト 僅かに見られますが無視可能なレベルです。同相モ ランジションは優れたパフォーマンスを示します。 ードが目的の放射分布におよぼす影響は、特に中心 ただし、上記周波数帯より高い周波数では、平行板 周波数近くでは軽微です。放射は主に、末広がりの ばかりでなく同軸導波管にも高次モード励起（高次 平行板の基本 TEM モードです。 TE11 モードと縮退 TE11 モード）が生じます。これ ら高次モードのカットオフ周波数 fcutoff,TE10 = 2.25GHz 予想された通り、アンテナケースにエネルギー反射 は、この応用に要求される水準を優に上回ります。 や表面波は生じません。 図 17：完全アセンブリアンテナの放射分布 – 磁界面 6 Application Article | CST 図 18: 完全アセンブリアンテナの放射分布 – 電界面 図 19: 完全アセンブリアンテナの放射分布 – 3 次元 測定と結果 Technion 物理部門の高パルスパワー研究所でアンテ ナ測定を実施しました（図 20）。高出力の信号伝送 ではエネルギー吸収に注意し、周辺機器にダメージ を与えないようにする必要があります。電磁的に隔 離されたシールド環境ですべてのアンテナ測定を実 施することにより、周辺オブジェクト、特に金属製 オブジェクトによる反射の影響を受けない放射分布 が得られます。 下記の二通りの方法で測定を行いました：静電容量 式分圧回路（CVD）と D-Dot センサ。 同軸導波管トランジションから平行板に切り替わる 場所に伝送信号評価用 CVD を付けます。CVD は片 面に銅パッチをめっきした薄い誘電体層で作成し、 めっき面を表にして平行板の底面に貼り付けます。 図 20: アセンブリしたアンテナ 7 Application Article | CST これによりプレートキャパシタが形成されます。電 圧をプロービングする同軸プローブは、オシロスコ [1] MATLAB, Ver. R2011a; The MathWorks Inc. ープに直接接続します。測定された CVD 波形を図 [2] CST STUDIO SUITE 2011, Ver. 2011, CST - Computer Simulation Technology, AG. 21 に示します。パルスの立ち上がり時間は約 1.2ns です。同軸導波管からトランジションに入った直後 の地点を測定した結果、信号波形は崩れておらず、 トランジションが問題なく機能していることが分か ります（図 21） 。 [3] Cadilhon, B.; Pécastaing, L.; Reess, T.; Silvestre de Ferron, A.; Pignolet, P.; Vauchamp, S.; Andrieu, J.; Lalande, M.; , “High Pulsed Power Sources for Broadband Radiation,” Plasma Science, IEEE Transactions on , vol.38, no.10, pp.2593-2603, Oct. 2010. [4] Carl E. Baum.; “Radiation of Impulse-Like Transient Fields”, Sensor and Simulation Notes, Note 321, Nov. 1989. [5] Farr, E. G.; Sower, G. D.; Buchenaur, C. J.; “Design Considerations for Ultra-Wideband, High-Voltage Baluns”, Sensor and Simulation Notes, Note 371, Oct. 1994. [6] Cadilhon, B.; Pecastaing, L.; Vauchamp, S.; Andrieu, J.; Bertrand, V.; Lalande, M.; , “Improvement of an ultra-wideband antenna for high-power transient applications,” Microwaves, Antennas & Propagation, IET , vol.3, no.7, pp.1102-1109, October 2009. [7] EG&G, Division of URS Corporation. ADC D-Dot (Free Field). 図 21: CVD 測定波形 次に、電波暗室にアンテナと D-Dot センサ[7]を配置 して、アンテナから離れた地点の電界を測定します。 ここではアンテナの正面 270cm 距離で測定を行い、 電界強度 156.87 kV/m2 を得ました。これを 4 次多項 式に近似すると受信電力は 1/r4 になります。この測 定結果により、設計したアンテナがすべての要求水 準を達成することを確認しました。 Author まとめ 高出力パルス応用 UWB アンテナの設計事例をご紹 介しました。CST STUDIO SUITE のシミュレーショ ンでアンテナの広帯域特性を解析し、放射素子とト ランジションの設計を改善しました。設計をもとに 製作と測定を行い、予期した通りのアンテナ特性を Erez Ben-Ari, Technion - Israel Institute of Technology The work was undertaken under the supervision of Prof. Jacob Krasik, Physics Department, Technion. CST AG www.cst.com 確認しました。 禁無断転載 不許複製 ©2014 AET,Inc. 株式会社エーイーティー 〒215-0033 神奈川県川崎市麻生区栗木 2-7-6 TEL (044) 980 – 0505 （代)
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