My name is Tomasz Walensky and I'm a product manager and a marketing manager at RF elements.

私の名前はトマシュ・ワレンスキーで、RFエレメンツのプロダクトマネージャー兼マーケティングマネージャーです。

And today we'll continue with our series of webinars on antennas 101.

そして今日もアンテナ101のウェビナーシリーズを続けます。

Today about the patch arrays.

今日はパッチアレイについて。

So in the previous webinar, we looked in detail at the horn sectors.

そこで前回のウェビナーでは、ホーン・セクターについて詳しく見てみた。

Today we'll speak about the patch array sectors.

今日はパッチアレイセクターについて話そう。

So where does the name come from?

では、その名前の由来は？

What they're built from?

何から作られているのか？

How do they function?

どのように機能するのか？

And we'll look at their advantages and disadvantages in terms of application and unlicensed five gigahertz risk networks.

そして、アプリケーションと免許不要の5ギガヘルツ・リスク・ネットワークの長所と短所を見ていく。

To begin with, take the word sector.

まず、セクターという言葉を取り上げてみよう。

So why is an antenna called sector?

では、なぜアンテナはセクターと呼ばれるのか？

Because it's beam width in the azimuth plane is not 360 degrees, meaning that it's not an omni, but only a part of the whole circle is covered.

アジマス面のビーム幅が360度ではないので、つまりオムニではなく、全円の一部しかカバーしていない。

And this part is called sector, that's it.

そして、この部分はセクターと呼ばれている。

So sector is not an inherent quality of patch array antennas.

つまり、セクタはパッチアレーアンテナ固有の性質ではないのだ。

It has to do with the beam width in the azimuth plane.

アジマス面でのビーム幅に関係している。

Just a small recap from the previous part about horns.

ホルンについて前編を少し振り返る。

A great sector antenna has plenty of parameters that WISPs would ideally observe in order to choose the best possible antenna for a particular application.

優れたセクターアンテナには、WISPが特定のアプリケーションに最適なアンテナを選択するために理想的に観察するパラメータがたくさんある。

But of course, we understand compromises are inevitable as you move in your daily life.

しかしもちろん、日々の生活の中で妥協が避けられないことは理解している。

But if you happen to have the time to be thorough, definitely look through these parameters and give it a minute to see whether besides gain, beam width or bandwidth, any other parameters might make sense to consider.

しかし、もし時間があれば、これらのパラメータに目を通し、ゲイン、ビーム幅、帯域幅の他に、検討する意味があるパラメータがあるかどうかを確認してください。

And especially the amount of silos when if the noise is what you're battling with in your networks.

特に、ネットワークでノイズと戦っている場合は、サイロの量が多くなる。

So patch arrays and horns are very different types of antennas, which results in fundamental differences in their performance and properties of each of these types of antennas.

つまり、パッチアレイとホーンは全く異なるタイプのアンテナであり、その結果、それぞれの性能や特性に根本的な違いが生じているのです。

So no longer only the price is the major decision factor when choosing between these two.

そのため、この2つのどちらかを選ぶ際には、もはや価格だけが主要な決定要因ではない。

Because of the interference conditions and the flight of all kinds of antennas to the market, one should be really careful about what antenna technology to go with.

干渉条件やあらゆる種類のアンテナが市場に出回っているため、どのようなアンテナ技術を採用するかは本当に注意しなければならない。

In comparing horns and patch arrays, there are differences in many, if not most of the parameters you're looking at.

ホーンとパッチ・アレイを比較する場合、あなたが見ているパラメーターのほとんどとは言わないまでも、その多くに違いがあります。

So if you haven't seen the first part of this webinar series, make sure you check it out.

このウェビナー・シリーズの第1部をまだご覧になっていない方は、ぜひご覧ください。

The part one about horns, so that you have the complete picture of both technologies.

ホーンについてのパート1では、両技術の全体像を把握することができる。

And you can find a recording of the first part about horns on our YouTube channel already.

そして、ホルンについての最初の部分の録音は、すでに私たちのYouTubeチャンネルで見ることができる。

So this was a short intro, and now we can move on to the details of the patch array antennas.

というわけで、短いイントロダクションでしたが、次はパッチ・アレイ・アンテナの詳細に移りましょう。

Why are these antennas called patch arrays?

なぜこれらのアンテナはパッチアレイと呼ばれるのですか？

So the core of this antenna is the printed circuit board with a number of patches stacked in the vertical direction and connected with the feeding lines, which all originate at the coaxial connectors to which you connect the radio.

つまり、このアンテナのコアはプリント基板で、多数のパッチが垂直方向に積み重ねられ、給電線で接続されている。

So while the building unit is a single rectangular patch etched on the surface on the printed circuit board, as soon as you stack two or more patches above each other and feed them with the same signal, they form an antenna array.

つまり、プリント回路基板の表面にエッチングされた1枚の矩形パッチが構成単位であるのに対し、2枚以上のパッチを重ねて同じ信号を送ると、すぐにアンテナ・アレイが形成される。

And this is valid regardless of the shape or size of the patches.

そしてこれは、パッチの形や大きさに関係なく有効である。

Two or more patches makes a patch array or an antenna array.

2つ以上のパッチがパッチアレイまたはアンテナアレイを構成する。

A single patch etched on the surface of a PCB laminate is a resonant type of an antenna.

PCBラミネートの表面にエッチングされたシングルパッチは、共振タイプのアンテナである。

So the resonance is a phenomenon that occurs when the length of the patch is equal to half of the wavelength of the signal that is fed to it, where by wavelength we mean the distance over which the feeding signal repeats its shape.

つまり共振とは、パッチの長さが、そこに供給される信号の波長の半分に等しいときに起こる現象である。

So if this condition is fulfilled, the antenna radiates the signal into free space.

つまり、この条件が満たされれば、アンテナは信号を自由空間に放射する。

How does the resonant frequency change with the size of the patch?

パッチの大きさによって共振周波数はどのように変化しますか？

So as many things in the world of RF engineering, the resonant frequency is inversely proportional to the size of the patch.

つまり、RFエンジニアリングの世界で多くのことがそうであるように、共振周波数はパッチのサイズに反比例する。

As we increase the size of the patch, the resonant frequency is decreasing and vice versa.

パッチのサイズを大きくすると共振周波数は低下し、その逆も同様である。

When we decrease the size of the patch, the resonant frequency is growing.

パッチのサイズを小さくすると、共振周波数は大きくなる。

So the graph is indicating where the resonant frequency, FR, is located.

つまり、グラフは共振周波数FRの位置を示しているのだ。

And the VSWR, or voltage standing wave ratio, is an antenna parameter that tells us how much of the input signal is reflected from the antenna connectors.

そして、VSWR（電圧定在波比）は、入力信号のどれだけがアンテナコネクターから反射されるかを示すアンテナパラメーターです。

So the smaller the VSWR is, the less signal is reflected, which is what we want.

つまり、VSWRが小さければ小さいほど、反射される信号が少なくなり、それが私たちが望んでいることなのです。

So in other words, it is radiated by the antenna.

つまり、アンテナから放射されるのだ。

So eventually you recognize the resonant frequency as a dip in the VSWR graph, as you can see from this animation.

このアニメーションからわかるように、最終的に共振周波数はVSWRグラフのディップとして認識される。

It's not only the size of the patch that influences the properties of patch array antenna, but also the substrate on which it is etched.

パッチ・アレイ・アンテナの特性に影響を与えるのは、パッチの大きさだけでなく、それがエッチングされた基板も同様である。

So it has three main parameters that the patch antenna designers work with.

そのため、パッチアンテナの設計者が扱う主なパラメーターは3つある。

So first is the substrate height, or H, and this one influences the resonant frequency and the amount of unwanted radiation.

まず、基板の高さ（H）だが、これは共振周波数と不要輻射の量に影響する。

Second is their permittivity, epsilon R, which is the property of the material of the substrate and tells us how strongly the substrate material influences the electric fields.

これは基板の材料の特性であり、基板の材料が電界にどれだけ強く影響するかを示している。

And the third one is the loss tangent of the substrate.

そして3つ目は、基板の損失正接である。

This one tells us how much power is dissipated in the material of the substrate, which influences the resulting gain of an antenna.

これは、アンテナの利得に影響する、基板の材料にどれだけ電力が散逸するかを示している。

So naturally, the higher the loss tangent, the more signal is lost, dissipated in the heat inside the substrate.

そのため、当然ながら、損失正接が大きいほど、基板内部の熱に放散され、より多くの信号が失われることになる。

This is how typical substrates look like.

典型的な基板はこんな感じだ。

It's a thin sheet of a semi-rigid material with copper metallization on one, or maybe even both surfaces.

片面、あるいは両面に銅のメタライゼーションが施された半硬質素材の薄いシートだ。

So there are many types of substrates with varying quality and properties, with prices spanning quite a wide range.

そのため、品質や特性の異なる多くの種類の基材があり、価格もかなり幅がある。

So naturally, the very low loss and precise dielectric constant substrates tend to be on the more expensive side.

そのため当然ながら、非常に低損失で正確な誘電率を持つ基板は高価になる傾向がある。

Patch antennas come in many different shapes.

パッチアンテナには様々な形状があります。

These different shapes with various cutouts, as you can see from these images, are another tool in the hands of the antenna designer.

これらの画像からわかるように、さまざまなカットアウトが施されたこれらの異なる形状は、アンテナ設計者が手にするもうひとつのツールである。

They all influence the bandwidth gain, manufacturability, or price of the final product, as well as other parameters like, for example, the stability of the radiation pattern and so on.

これらはすべて、最終製品の帯域幅利得、製造可能性、価格に影響を与えるだけでなく、例えば放射パターンの安定性など、他のパラメータにも影響を与えます。

So the intricacies of the patch array antenna design reside in knowing the effect of these modifications and be aware of the trade-offs that are always present.

そのため、パッチアレーアンテナ設計の複雑さは、これらの変更の効果を知り、常に存在するトレードオフを意識することにあります。

When we change one thing in a desired way, well, something else might go a little bit worse, but it depends on the application what trade-offs are acceptable.

あることを望ましい形で変更すると、他のことが少し悪くなるかもしれないが、どのようなトレードオフが許容されるかはアプリケーション次第だ。

The radiation pattern tells us how well an antenna radiates in any direction, and single patch array antenna has wide radiation pattern in all directions, as you can see.

放射パターンとは、アンテナがどの方向にどれだけ放射されるかを示すもので、シングルパッチアレイアンテナは、ご覧のように全方向に広い放射パターンを持っています。

So sometimes you can also see the 2D version of the radiation pattern.

そのため、放射パターンの2Dバージョンを見ることもできる。

It is important to understand that the 2D radiation pattern gives rather limited information about the antenna behavior because it shows only a single slice of the whole 3D image.

2D放射パターンは、3D画像全体の1スライスしか示していないため、アンテナの挙動に関する情報はかなり限定的であることを理解することが重要です。

Nevertheless, it still depends, of course, on the application, whether you should be interested in the full 3D radiation pattern or the 2D version gives enough information.

とはいえ、完全な3D放射パターンに興味を持つべきか、2Dバージョンで十分な情報が得られるかは、もちろん用途による。

And for WISPs, the 3D radiation pattern definitely makes more sense because the side lobes of the antennas are the root of the interference issues in unlicensed WISP networks.

また、WISPにとっては、アンテナのサイドローブが免許不要のWISPネットワークにおける干渉問題の根源であるため、3D放射パターンは間違いなく理にかなっている。

So the 3D radiation pattern will show you the whole information with all the side lobes, so you have the full image and know if you want to avoid or use the antenna you're looking at.

そのため、3D放射パターンはサイドローブも含めた全情報を表示し、全イメージを把握することで、今見ているアンテナを避けるべきか使うべきかを知ることができる。

The reason why single-patch antenna is not good for sector coverage is that its radiation pattern is wide and fixed, and eventually its gain is also rather low.

シングルパッチアンテナがセクターカバレッジに向かない理由は、その放射パターンが広く固定的で、結局利得もかなり低いからである。

So there are the parameters that are fixed, which is why the single-patch is used in applications where low gain and wide radiation angle are desirable, which is definitely not the WISP networks.

そのため、シングルパッチは、低ゲインと広放射角が望ましいアプリケーションで使用される。

Another problem with the single-patch antennas is their narrow band of operation, which is connected to the narrow band nature of the resonance we mentioned earlier, so typically resulting to around half a gigahertz bandwidth, which would not be enough for unlicensed WISP networks operating in the five gigahertz frequency range, but again, in other types of applications, it might be fine.

シングルパッチアンテナのもう一つの問題点は、動作帯域が狭いことです。これは、先に述べた共振の狭帯域の性質と関係しており、通常、帯域幅は約半分のギガヘルツとなり、5ギガヘルツの周波数帯域で動作する免許不要のWISPネットワークには十分ではありませんが、他の種類のアプリケーションでは問題ないかもしれません。

To improve the shortcomings of a single-patch antenna, we can form an antenna array of two or more patches, and this is the general principle you can apply with any radiating element.

シングル・パッチ・アンテナの欠点を改善するには、2つ以上のパッチからなるアンテナ・アレイを形成すればよい。

Stack two or more of them, and you get an antenna array.

それを2つ以上重ねるとアンテナアレイになる。

Here we show a one-dimensional patch array antenna, and what happens with the radiation pattern as we keep adding more and more patches?

ここでは1次元のパッチアレーアンテナを示しているが、パッチをどんどん増やしていくと、放射パターンはどうなるのだろうか？

So clearly, the more patches in the array, the higher the gain of the antenna will be, and at the same time, the radiation pattern is changing as well.

つまり、アレイ内のパッチ数が多ければ多いほどアンテナの利得が高くなり、同時に放射パターンも変化することは明らかです。

You can see that the bandwidth is shrinking in the elevation plane, so when the patches are stacked in the vertical direction, the bandwidth is shrinking in the elevation plane, while in the azimuth, the pattern keeps the shape of a single-patch antenna, and also the side lobes start to appear as we stack more and more patches, which is the result of the physics of antenna arrays, regardless what is the single or the building block of the radiating element.

仰角面では帯域幅が縮小していることがわかります。垂直方向にパッチを積み重ねると、仰角面では帯域幅が縮小していますが、方位角ではシングルパッチアンテナの形状を保っています。

The array principles work in a similar way for two-dimensional arrays.

配列の原則は2次元配列でも同様に機能する。

So adding more patches, the main bandwidth is shrinking, but now in both azimuth and elevation planes at the same time, because we're adding more patches in horizontal and vertical directions.

そのため、パッチを増やすと主帯域幅は狭くなりますが、水平方向と垂直方向にパッチを増やしているため、方位角と仰角の両方の面で同時に帯域幅が狭くなります。

Same is valid for the side lobes.

サイドローブも同様だ。

These images show results of simulation in an EM simulation software, so it's nicely visible how the side lobes progress as we increase the size of the array.

これらの画像はEMシミュレーションソフトでシミュレーションした結果であり、アレイのサイズを大きくするにつれてサイドローブがどのように進行していくかがよくわかる。

And by now, I'm sure you're getting the intuitive understanding of how the antenna arrays work.

そしてもう、アンテナアレイがどのように機能するか、直感的に理解していただけたと思う。

So if we, for example, stacked patches only along the horizontal direction, the radiation pattern would be getting narrow in the azimuth plane, and elevation would, vice versa, remain the same.

そのため、例えば水平方向にのみパッチを重ねると、放射パターンはアジマス面で狭くなり、仰角はその逆で変わらない。

To align the line of thought with the first part of this webinar about horns you might have watched before, we will start looking at the patch arrays in terms of their side lobes performance.

以前にご覧になったホーンに関するこのウェビナーの最初の部分と考え方を合わせるために、サイドローブの性能という観点からパッチ・アレイを見始めます。

There are two major causes of the side lobes patch arrays suffer from.

パッチアレイがサイドローブに悩まされる原因は、大きく分けて2つある。

So one of them, as we mentioned earlier, is the physics of the antenna arrays.

そのひとつが、先ほども述べたように、アンテナアレイの物理的な問題だ。

And to be a little bit more precise, it's the interference of the waves that are radiated from each and every single patch, or interference, or in this case, addition.

もう少し正確に言うと、それぞれのパッチから放射される波の干渉、つまり干渉、この場合は足し算である。

You can also call it an addition of the waves.

波の追加と言ってもいい。

So here it is nicely visible how the wave from two and more sources add up.

そのため、2つ以上のソースからの波がどのように加算されるかがよくわかる。

In the areas where they add up constructively, there is a maximum, so you get a side lobe.

それらが建設的に加算される部分には最大値があり、サイドローブができる。

Where they add up destructively, there is a minimum, and there is a dip in that radiation pattern.

それらが破壊的に加算されるところに最小値があり、その放射パターンにはディップがある。

So in the symmetry axis of the array is located the main beam, which is the strongest.

そのため、アレイの対称軸には、最も強いメインビームが配置されている。

That's what we're interested in.

それが私たちの関心事だ。

Any other lobes outside that main beam are side lobes, which in the RF engineering lingo, they're called grating lobes, if you will.

メイン・ビームの外側にあるその他のローブはサイド・ローブで、RFエンジニアリング用語ではグレーティング・ローブと呼ばれる。

And these are the side lobes a typical patch array has in the elevation plane.

そしてこれらは、典型的なパッチアレイが仰角面で持つサイドローブである。

So when looking at the antenna from the side.

だから、アンテナを横から見たとき。

Second major cause of the side lobes of patch arrays is parasitic radiation.

パッチアレイのサイドローブの第二の主な原因は寄生輻射である。

And here we look at two components.

そして、ここでは2つの要素に注目している。

First is the radiation of the feeding lines.

まず、給電ラインの放射線である。

So to bring the feeding signal to each patch in the array, a network of feeding lines is used, which is basically symmetrical division of the line until we get as many outputs as possible, I mean, or as needed, as is the number of patches.

アレイの各パッチに給電信号を送るために、給電線のネットワークが使われる。これは基本的に、できるだけ多くの出力が得られるまで、つまりパッチの数に応じて必要に応じて、線を対称に分割する。

In this case, in this example, you can see two.

この例では、2つ見える。

So at the top, there is a vertical line and that's branching to two.

つまり、一番上に縦線があって、それが2つに枝分かれしている。

So we can feed our two patches.

だから、2つのパッチを養うことができる。

So the feeding line is composed of metal strips of varying width and shapes.

そのため、供給ラインは幅や形状の異なる金属ストリップで構成されている。

And these have their own resonances that help on one hand, extend their bandwidth of the whole antenna, which is a good thing, but also makes them radiate part of the energy before it reaches the patches, which is a negative feature for a WISP sector antenna.

また、これらのアンテナには共振があり、アンテナ全体の帯域幅を広げるという良い面もありますが、パッチに到達する前にエネルギーの一部を放射してしまうという、WISPセクターアンテナにとってはマイナス面もあります。

Looking at the patch from the side.

パッチを横から見る。

So a lot more is happening there than we would actually like to.

だから、私たちが実際に望んでいる以上に、そこでは多くのことが起きている。

And main portion of the wave is radiated from the patch itself, which is of course what we want.

そして、波の主要部分はパッチ自体から放射される。

But portion of the energy is traveling inside the substrate as a so-called surface wave, causing lateral radiation and diffraction at the edges of the substrate.

しかし、エネルギーの一部はいわゆる表面波として基板内部を伝わり、基板の端で横方向の放射と回折を引き起こす。

And these parasitic sources of radiation cause additional side lobes in the azimuth plane of a typical patch array sector.

そして、これらの寄生放射源は、典型的なパッチアレイ・セクターの方位角面において、さらなるサイドローブを引き起こす。

In fact, we can actually simulate how the feeding lines themselves radiate in the absence of the patches on the substrate.

実際、基板上にパッチがない場合、給電線自体がどのように放射されるかをシミュレートすることができる。

So here we can see the result of such simulation.

シミュレーションの結果をご覧いただこう。

While the feeding lines are inevitable when designing a patch array, they introduce additional side lobes in the resulting antenna radiation pattern, which is a very common thing with vast majority of patch arrays on the WISP market.

パッチアレイを設計する際、給電線は避けられないが、その結果、アンテナの放射パターンにサイドローブが追加される。

One of the ways manufacturers try to deal with the azimuth side lobes are various shields and shrouds that are attached to the back of the original antenna structure.

メーカーがアジマスサイドローブに対処しようとする方法の一つは、元のアンテナ構造の背面に取り付ける様々なシールドやシュラウドです。

Be it the aftermarket kits or the shielding kits provided by the manufacturer.

アフターマーケットのキットであれ、メーカーが提供するシールドキットであれ。

So what is the effect of these shields on the radiation pattern of patch arrays?

では、これらのシールドはパッチアレイの放射パターンにどのような影響を与えるのだろうか？

While the shield might help improve the front-to-back ratio a little bit, the azimuth side lobes they aim to suppress are actually still strongly present as we can see from these near-field plots.

シールドは前後比を少し改善するのに役立つかもしれないが、これらのニアフィールド・プロットからわかるように、抑制を目的としたアジマスサイドローブは実際にはまだ強く存在している。

On the left side is the generic patch array antenna when we're looking at it from the top.

左側は、一般的なパッチアレーアンテナを上から見たところです。

And a lot of radiation finds its way in the backward direction, causing the side lobes that are harmful to WISP networks.

そして、多くの放射が後方方向へ向かい、WISPネットワークに有害なサイドローブを引き起こす。

And on the right side is the same antenna, but with the shield, which you can see as the two slanted lines at the edge of the antenna body.

右側は同じアンテナだが、アンテナ本体の端にある2本の斜めの線がシールドであることがわかる。

So the difference in the radiation is noticeable, but altogether the desired effect of suppressing the side lobes is practically non-existent.

そのため、放射の違いは目立つが、サイドローブを抑制するという望ましい効果はほとんどない。

The side lobes are merely rearranged slightly, but are equally strong whether a shield is used or not.

サイドローブはわずかにアレンジされているだけだが、シールドを使っても使わなくても同等の強度を持つ。

This slide shows the same comparison, but the far-field radiation patterns.

このスライドは同じ比較だが、遠視野放射パターンを示している。

So on the left is the patch array radiation pattern without the shield.

左はシールドなしのパッチアレイの放射パターン。

And you can see the strong side lobes pointing backwards.

そして、強いサイドローブが後方を向いているのがわかるだろう。

On the right is the patch array radiation pattern with the shield.

右はシールドを使ったパッチアレイの放射パターン。

The change is noticeable.

変化は顕著だ。

I won't be denying that, but as you can see, the strength of the side lobes didn't really change and some got actually even worse.

それを否定するつもりはないが、ご覧のようにサイドローブの強さはあまり変わらず、むしろ悪化しているものもある。

So the conclusion for the shields is that they will really not help you mitigate the side lobes as intuitive as it sounds.

というわけで、シールドの結論は、直感的に聞こえるほどサイドローブの軽減には役立たないということだ。

Like one would think if I put that shield around it, well, surely it must be doing something.

シールドを張れば、きっと何かしているに違いないと思うだろう。

But in this case, this intuitive understanding does not apply.

しかし、この場合、この直感的な理解は当てはまらない。

Like some things in the art of engineering or in physics in general are just weird.

エンジニアリングの技術や物理学全般に言えることだが、奇妙なことがある。

So some are intuitive, some are not, and this one is definitely not.

直感的なものもあれば、そうでないものもある。

But the conclusion here is that the shield, unfortunately, do not help to mitigate the side lobes.

しかし、ここでの結論は、シールドは残念ながらサイドローブの軽減には役立たないということだ。

Here is another viewpoint on how the patch arrays perform with the shields.

パッチアレイがシールドとどのような関係にあるのか、別の視点から見てみよう。

So the colorful images show the coverage pattern, in this case, the MCS zones.

つまり、カラフルな画像はカバレッジパターン、この場合はMCSゾーンを示している。

So the dark blue, for example, says you can have the MCS rates of one or less.

例えば紺色は、MCS率が1以下であることを示している。

Or for example, the green area says that the links can perform with the MCS rate from four to seven and so on.

例えば、緑色のエリアは、リンクが4から7までのMCSレートで機能することを示している。

So instead of the typically expected oval shape of the coverage area, you can see on the left one, for the antenna without the shield, you get this wild flower-like looking area, which is way different from what you expect when you use the shield.