スピードマスタ・シリーズ
プロの技術を1日で！実習キット付きVOD

［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計

電磁界シミュレータ Sonnet Lite で設計して NanoVNAV2で評価する

関連製品：［VOD］Pythonで学ぶマクスウェル方程式【電場編】＋【磁場編】
関連製品：［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】
関連製品：［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
関連製品：［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ
関連製品：［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計成功への要点
関連製品：［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ
関連製品：［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ
関連製品：［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ
関連記事：[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]

概要

本製品は，両面銅張FR-4基板上の2.4GHz帯パッチ・アンテナ(指向性アンテナ)と逆Fアンテナ(IFA)を例に，フリーの電磁界シミュレータ“Sonnet Lite”とベクトル・ネットワーク・アナライザ「NanoVNAV2(SAAV2)」を使用して，IoT向けパターン・アンテナを設計する方法を体験的に学べるパーツセットです．

アンテナの設計と測定では，$S$パラメータを使用します．そのため，$S$パラメータの基礎理論(基本方程式，タッチストーン記述様式)を学びます．本例題のアンテナ給電線路は，50Ωマイクロ・ストリップラインです．Sonnet Lite上でFR-4基板の誘電体や金属などの材料情報と銅金属のセル・サイズ，FR-4基板外形を入力してアンテナ・パターンを描画すると，$S$パラメータと2D電流密度分布を確認できます．

アンテナの$S$パラメータ周波数特性測定には，4.4GHzで校正を行ったNanoVNAV2を使用します．アプリケーション・ソフトウェア Nanovna Saverをパソコンにインストールし，環境設定やSOLT校正を行います．Sonnet Liteにより設計したアンテナ・パターンに基づき，あらかじめ作製された2.4GHz帯パッチ・アンテナとIFAの$S_{11}$の周波数特性を測定します．シミュレーション結果と実測結果を比較することで，アンテナ設計法と$S$パラメータ測定法の理解が深まります．

パーツセットに加え，5時間を超えるプロの技術者による丁寧な解説ビデオと，90頁を超える講義テキストが同梱されています．工具やはんだごては不要で，すぐに学習を始めることができます．

同梱の説明書(下記)には，講義ビデオや講義テキストの視聴を可能にするパスワードが記載されています．

本製品のすべての映像，画像，文書テキスト，ソースコードは著作権法によって厳格に守られています．無許可の転載，複製，転用は法律により罰せられます．

特徴1．すぐに実験を始められる測定器＆パーツセット

50kHz～3GHzのベクトル・ネットーク・アナライザNanoVNAV2(アンテナ測定データ付き)
広帯域校正用SOLT端子(4個)
広帯域同軸ケーブル(2本)
2.4GHz帯パッチ・アンテナ
2.4GHz帯逆Fアンテナ(IFA)

本セットの詳細は antenna.pdf をご参照ください．

特徴2．充実の講義ビデオ(311分)＆講義テキスト(全95頁)

(1)$S$パラメータの基礎

$S$パラメータの基本方程式
$S$パラメータとAC解析
スミス・チャート
$S$パラメータ・ファイル(タッチストーン形式)

(2)電磁界シミュレータSonnet Liteによるパッチ・アンテナ設計

Sonnet Liteのインストール確認やProjectのシミュレーション環境設定
アンテナ基板や銅箔などの電気定数・寸法設定
パッチ・アンテナ・パターン・給電点(Port)の作成
アンテナ金属パターンとFR-4基板の3D表示
シミュレーションの実行
$S_{11}$，$VSWR$，スミス・チャート表示，$S$パラメータ・ファイルの保存

(3)逆Fアンテナの設計

シミュレーション条件の設定
IFAレイアウト・パターン作成・給電点の作成
シミュレーション実行，測定値読み込み，グラフ比較
パラメータ・スイープ(アンテナ長と幅)

(4)NanoVNAV2で学ぶ$S$パラメータ測定入門

NanoVNAV2測定セットの確認と校正
Nanovna Saverのインストールと設定
アンテナの測定，$S$パラメータ・ファイルの確認
Sonnet LiteとNanovna Saverを使ってシミュレーションと測定値を比較する
Sonnet Linteによる電流密度分布表示

上記(1)と(4)には，「3GHzベクトル・ネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門」講義ビデオ付きパーツセットと重なる講習内容が含まれています．

特徴3．講師作成の教材ファイル

パッチ・アンテナと逆FアンテナのSonnet Lite用レイアウト・ファイルや$S$パラメータ・ファイルを提供します．

講演の目標

べクトル・ネットワーク・アナライザ（VNA）の測定に関する基礎知識の理解
$S$パラメータの基礎知識の習得
3GHz帯NanoVNAV2(SAAV2)の扱い方の習S得
Nanovna Saver の使用法の習得
2.4GHz帯パッチ・アンテナと逆Fアンテナ(IFA)のレイアウト作成
電磁界シミュミレータSonnet Liteの使用法

受講対象

ベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA)の測定を体験したい方
$S$パラメータの基礎知識を理解したい方
2.4GHz帯パッチ・アンテナと逆Fアンテナ(IFA)のレイアウト作成とシミュレーションを体験したい方
電磁界シミュミレータSonnet Liteを体験してみたい方
Sonnet Liteの機能制限のため，アンテナの3D放射電界分布，ゲインなどを扱うことはできません．また解析メモリ・サイズは64MB以下なので，高精細なレイアウトは作成できません．アンテナ設計はレイアウト作成・シミュレーションまでで，基板作製法は含まれていません．

実習に必要なパソコン＆ソフトウェア

パソコン(Windows10またはWindows11)
2.5GHz，4コア，8GB程度の演算環境をベースに進めますが，それ以下の環境でもシミュレーション時間を気にしなければ問題ありません．
電磁界シミュレータSonnet Liteとアプリケーション・ソフトウェアNanovna Saver

本製品を購入された方へ「講義ビデオと講義テキストの視聴方法」

下記リンク先(青字)をクリックし，本製品同梱の説明書に書かれたパスワードを入力してください．

講義ビデオ(著作権保護のためパスワードがかけられています)

「3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計」講義ビデオ.mp4(5時間11分46秒)

0:00:10 自己紹介
0:02:00 セミナの概要
0:06:17 (1)$S$パラメータの基礎
0:07:10 　$S$パラメータの基本方程式
0:16:16 　AC解析特性をSパラメータで表す
0:25:15 　スミス・チャート
0:36:40 　イミタンス・チャート
0:43:32 　$S$パラメータ・ファイル
0:47:57 (2)電磁界シミュレータSonnet Liteによるパッチ・アンテナ設計
0:49:02 　Sonnet Liteのダウンロードとインストール
0:51:15 　電磁界シミュレータとは
0:57:28 　Sonnet LiteのProject作成
0:59:05 　Projectの登録と単位設定
1:02:25 　アンテナ基板の金属材料/シミュレーション空間/メッシュ・サイズ/誘電体情報/金属パターンの設定
1:17:55 　アンテナのPort(給電点)接続
1:19:11 　アンテナ・パターンの3D表示
1:20:23 　シミュレーション・レイアウトのメッシュ表示
1:22:40 　Sonnet Liteによるシミュレーションの実演①
1:39:47 　周波数範囲の設定とシミュレーションの実行
1:46:20 　シミュレーション結果の表示と$S$パラメータ・ファイルの保存
1:53:17 　$VSWR$のグラフ表示
1:56:17 　スミス・チャート表示
2:02:50 　Sonnet Liteによるシミュレーションの実演②
2:28:02 　マイクロストリップ・ラインの設計
2:35:05 (3)逆Fアンテナの設計
2:35:37 　シミュレーション条件の設定
2:38:18 　レイアウト・パターン作成
2:47:28 　レイアウトの3D表示
2:48:40 　シミュレーション実行と$S_{11}$グラフ作成，電流密度分布表示
2:52:10 　レイアウト・パターン寸法のスイープ
2:55:19 　パラメータ・スイープのシミュレーションと結果
2:57:29 　アンテナ幅のスイープ
2:59:36 　Sonnet Liteによるシミュレーションの実演③
3:20:40 (4)NanoVNAV2で学ぶSパラメータ測定入門
3:24:22 　NanoVNAV2の主な機能
3:27:38 　測定セットの確認
3:31:23 　校正用SMA端子(SOLT)の確認
3:32:12 　ベクトル・ネットワーク・アナライザとは
3:37:17 　Nanovna Saverのダウンロード
3:39:20 　校正時の同軸ケーブルの取り扱い
3:40:43 　Nanovna Saverの起動とNanoVNAV2の測定条件設定
3:44:09 　NanoNVAV2の校正とファイルの保存
3:47:42 　表示グラフの設定
3:49:10 　測定データの保存
3:50:36 　Load端子(50Ωの測定)
3:51:39 　50Ω端子の$S_{11}$測定のスミス・チャート表示
3:52:16 　マーカによる解析
3:53:34 　NanoVNAV2と2.4GHz帯パッチ・アンテナの測定
4:36:06 　スミス・チャートによるインピーダンス計算例
4:38:28 　NanoVNAV2による測定値グラフの表示
4:46:54 　IFAの測定値とSonnet Liteのシミュレーション値
5:00:10 　IFAの測定値とシミュレーション値の差異の考察
5:03:16 　Sonnet Liteによる2D電流密度分布シミュレーション
5:06:05 　パッチアンテナの電流密度・放射電界強度分布ほか
5:07:45 　まとめ

講義テキスト(著作権保護のためパスワードがかけられています)

antenna_seminar.zip

実習を行う場合，事前準備/pdfを参照して電磁界シミュレータSonnet Liteとアプリケーション・ソフトウェアNanovna Saverのダウンロードとセットアップを済ませてください．

教材ファイル

sem_data.zip

紹介動画


本セミナで学ぶこと


Sonnet Liteで逆Fアンテナのパラメータ・スイープを実行する


NanoVNAV2とアプリケーション・ソフトウェアNanoVNA-Saverによる$S$パラメータ測定

講師紹介

略歴

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）

主な著書

［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
［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．
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．
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．
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．
FR-4基板でつくる2.5GHz帯アンテナの設計・製作，トランジスタ技術2021年2～3月号，CQ出版社．
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
高電子移動度トランジスタでつくる1G～3GHz帯低雑音アンプの設計・制作，トランジスタ技術2021年6～12月号連載，CQ出版社．

百聞は一見に如かず！パーツキットと講義動画でプロの技術を1日習得
スピードマスタ・シリーズ

電子回路・基板設計からプログラミングまで，エンジニアがマスタすべき技術は多岐にわたり，開発期間も短くなっています．多くの書物を読み漁ったり，玉石混交のネット情報に振り回されたりしている暇はありません．

本シリーズには，各分野の一線で活躍する技術者が厳選したパーツセット，設計の要点を効率よく解説するセミナ動画，講義テキスト，お手本ソースコードなどが同梱されています．百戦錬磨の技を一見することで，未経験の技術が驚くほど短時間で身につくだけでなく，信頼性の高いシステム開発に必要なプロの眼が養われます．