Sonnet Lite無料版を試す！初めての電磁界シミュレータ

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アンテナと給電線の整合度を調べる

Sonnet Liteによる電磁界シミュレーションとパッチ・アンテナの電流密度分布

電磁界シミュレータは，無線通信やRF設計において重要なツールです．Sonnet Liteは，特に電磁界シミュレーションの入門者に適した無料ソフトウェアであり，周波数領域での解析を可能にします．

ここでは，Sonnet Liteを使用して，給電線路（マイクロストリップ線路）とパッチ・アンテナの3.7GHz帯における電流密度分布をシミュレーションしてみました．

1. Sonnet Liteの基礎

Sonnet Liteは，モーメント法を利用して閉空間内の電磁界解析を行います．電磁誘導によって生じる電流密度や空間電界を，Maxwellの方程式を基に求めることができます．この解析により，アンテナやRF信号の周波数特性，電流分布を詳しく評価できます．

Sonnet Liteの特徴は，メッシュ分割を用いた高精度なシミュレーションです．3.7GHz帯のアンテナにおける電流密度分布を解析する際には，メッシュ・サイズや周波数範囲を詳細に設定する必要があります．シミュレーションでは，$S_{11}$パラメータやVSWR（電圧定在波比）なども確認可能で，これによりアンテナの反射特性を評価します．

2. パッチ・アンテナの電流密度分布解析

3.7GHz帯のパッチ・アンテナに対するシミュレーションでは，給電点から印加されたRF信号がアンテナ表面にどのように流れるか，電流の強度や方向を解析することが可能です．このとき，特定の周波数での高次モード共振（TM02モードなど）を解析し，アンテナ性能の最適化を図ります．

Sonnet Liteは，2Dおよび3Dの電流密度分布を表示できます．パッチ・アンテナに3.77GHzの信号を印加するシミュレーションでは，電流の流れが特定の箇所に集中し，特に給電点近くで強い電流密度が観察されることがビジュアルに表示されます．

3. 給電線路とシミュレーション結果

マイクロストリップ線路で構成した給電線路のシミュレーションでは，Sonnet Liteは$S_{11}$パラメータを基に，信号反射を評価します．$S_{11}$が-20dB以下であれば，反射が少なく，効率的な給電ができていることが示されます．この結果，実用的な給電線路設計が確認されます．

キーワード解説

1. 電流密度分布

Sonnet Liteを利用すると，電流の強度と方向を視覚的に確認でき，特定の周波数における電流の集中箇所を把握することが可能です．例えば，パッチ・アンテナにおける3.7GHz帯の解析では，電流がアンテナの給電点近くで集中し，遠ざかるほど弱まる傾向があります．この電流密度の解析は，アンテナの効率やパフォーマンスを最適化する上で不可欠です．

2. $S_{11}$パラメータ

$S_{11}$パラメータは，アンテナや給電線路の反射特性を評価するための指標であり，信号の反射や損失を数値化します．

$S_{11}$が-10dB以下であれば，アンテナは良好な性能をもち，効率的な信号伝送が行われていると判断されます．Sonnet Liteでは，シミュレーション結果を$S_{11}$パラメータのグラフとして表示することが可能で，設計の改善点を視覚的に確認できます．

3. VSWR（電圧定在波比）

VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）は，アンテナと給電線路間のマッチングを評価するための指標です．理想的なVSWRは1:1であり，これに近づくほど効率的な給電が行われていることを示します．Sonnet Liteでは，VSWRのグラフ表示が可能で，特定の周波数におけるアンテナのマッチング状況を評価できます．

Sonnet Liteを使用したシミュレーションは，無線通信やRF設計において重要な洞察を提供します．適切な周波数設定やメッシュ・サイズの調整により，電磁界解析の精度を向上させ，効率的なアンテナや給電線路設計を行うことが可能です．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 沖縄高専名誉教授，GLEX代表（教育・研究コンサルタント）
• （株）東芝にて光通信用半導体・送受信器の開発，高周波デバイスの応用技術などに25年間従事．国立沖縄高専にて，アナログ・ディジタル電子回路，高周波回路の講義などに12年間従事．専門領域：光通信，無線工学，半導体工学, バイオ・エレクトロニクス(工学博士，第一級陸上無線技術士，電気通信主任技術者）

著書

1. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. 7大電子回路シミュレータRF解析性能の見極め方，トランジスタ技術2020年1月号，CQ出版社．
3. 測定周波数50k～900MHz 5千円のネットワーク・アナライザ NanoVNA，トランジスタ技術2020年7月号，CQ出版社．
4. 2.5GHz帯アンテナとLNA回路製作，トランジスタ技術2020年2～3月号，CQ出版社
5. QAM-OFDM変調ディジタル無線通信における多層・複合材料の電磁波遮蔽の評価，電子情報通信学会論文誌 招待論文2021年6月号，電子情報通信学会論文誌

参考文献

1. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータMkⅡ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. [技術連載]5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室 [Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．