シミュレーションによるテレビスポーツイベントのモバイル録画用アンテナのプロトタイピング

Radiotelevisione Italiana (RAI)の研究者は, マルチフィジックスシミュレーション の助けを借りて, スポーツの生中継を記録するための新しい円偏波アンテナを設計お よび最適化しています.

Dixita Patel著
2020 9月

イタリア(およびその近隣諸国)では毎年, 何十万人ものファンが最も有名なサイクリングイベントの1つであるジロデイタリア(イタリアツアーとも呼ばれる)を取り囲んでいます. この多段階の自転車レースは, ツールドフランスとブエルタアエスパーニャを含む, 世界の3つの壮大なサイクリングツアーの1つです. イタリアの全国公共放送協会であるRAIのおかげで, レースのファンに加えて, 何百万人もの視聴者が自宅から参加することができます.

移動中のスポーツの生中継を記録することは, 何十年もRAIの伝統的な活動であり続けます. そのために, 通常8台のモーターサイクルには, ラジオカメラ, コメンテー ター用のオーディオラジオリンク, 地理的位置特定手段など, さまざまな設備が備 わっています(図1). 生放送のテレビを放送配信に伝達するには, 2機の記録ヘリコプターと2機の航空機が信号をリモートの中継(OB)バンに中継するなどの複雑なインフラストラクチャが必要です. この枠組みの中で, 研究・技術革新・実験センター(RAI-CRITS)は, このテレビ制作セグメントで技術サポートを提供してきました.

最近, オートバイからヘリコプターへの解説無線リンクに関する問題が, 特定の調査を必要としました. RAIの研究者であるAssunta DeVita氏, Alessandro Lucco Castello氏, およびBruno Sacco氏は, 問題を特定し, 薄型の円偏波(CP)アンテナの 設計に基づいた解決策を提案しました. 提案された放射システムは COMSOL Multiphysics®ソフトウェアでモデル化およびシミュレーションされています. 結果は実験室での測定とフィールドテストによってプロトタイプで確認されています.

図1. ジロデイタリア (イタリアツアーのサイクリングイベント) に使用されるオート バイ.

ライブスポーツイベントのテレビ撮影:デジタルへの移行

近年, 移動中のスポーツの生中継の記録は徐々にデジタル化されています. RAIに とって, ジロ・デ・イタリアの撮影に関しては, レース期間中, 解説を効果的に調整 することが重要です. ライブイベント中, オートバイには, レーサーと一緒にライブ撮影するコメンテーター用のビデオカメラとオーディオラジオが装備されています. レースの上空では, 3機のヘリコプターと1機の飛行機が飛んでいます. 2つはビデオ撮影用で, もう1つは「ブリッジ」として機能し, オートバイから受信した信号をフィニッシュラインのOBバンに中継します. そこで, 技術者はオートバイ, ヘリコプター, スチルカメラ, モバイルインタビューチームのカメラ, および解説からの信号を混合します.

場合によっては, チームは散発的な信号の中断などの問題に遭遇します. 「オートバイとヘリコプターの間の無線リンクの切断を経験したことがあります. 私たちの調査では, 偏波のずれの問題が特定されました. これは, 航空機搭載無線アプリケーションの既知の側面です」とSacco氏は述べています. 通信リンクを改善するために, RAIは, 円偏波(CP)に基づいてアンテナを設計し, 任意の相互方向からの正しい受信を可能にすることで解決しました.

この新しいアンテナ設計は, デュアルバンド, 超短波/極超短波(VHF/UHF)構成で動 作できるようにする必要がありました. アンテナはまた, オートバイのトップケースに入れるのに十分コンパクトである必要がありました. ただし, トップケースで利用できる限られたスペース(約40cm x 20 cm) は, 多少大きな寸法を必要とするVHF操作と競合していました. これらの厳しい要件により, 研究者は, インピーダンス整合, 実現ゲイン, および軸比の観点から, 対象の周波数帯域で多くのアンテナ設計をモデル化およびテストしました.

数値モデリングによるコンパクトアンテナソリューションのプロトタイピング

必要な要件を満たすコンパクトなアンテナソリューションを設計するために, 研究者は, RFおよび最適化モジュールとともに COMSOL Multiphysics® を使用してさまざまなアンテナプロトタイプを実装しました. 彼らは, アルキメデスのスパイラルCPアンテナやデュアルクロス, ダブルフォールドダイポール(DCDFD)アンテナなど, 対象の周波数範囲で最高のパフォーマンスが得られるようにいくつかの構成をテストしました. リフレクターの導入によるゲインの向上と帯域幅および偏光純度への影響 も研究しました.

最初の試みは, 従来の2アームアルキメデススパイラル構造に基づく円偏波アンテナ設計でした. スパイラルアンテナのみをシミュレートした後, 結果は500~600 MHzのUHF帯域で良好なCPパフォーマンスを示しましたが, サイズ制限のために 230MHzでは同じような結果は見られませんでした. 「アンテナは両方の帯域で同 時に動作する必要がありました. UHFではうまく機能しましたが, VHF帯域で適切に機能するには, サイズが限られているため大変難しかったです」とSacco氏は述べています. 受信機に向けて伝達されるRFエネルギーを最大化するには, 多くの場合, 導電性平面反射器の採用が望まれます. アンテナ性能に対する幾何学的および電気的パラメータの影響を推定するために, 「パラメトリックスイープ」機能が使用されました. 特に, 遠方場放射パターンと軸比に対する反射器距離の影響を調査しました.予想通り, リフレクターはアンテナゲインを改善しますが, 軸比を悪化させ(図3), さらに最適化する必要を作ってしまいます.

図2で示しているように, 半径方向の摂動を伴う2アームのアルキメデススパイラル周辺の蛇行線を使用して, 全体のサイズを大きくすることなく, 動作周波数範囲を下方に拡張しようと試みました. このために, COMSOL® ソフトウェア内でスパイラル形状をパラメーター化しました. 「ジオメトリが複雑なため, 「パラメトリックカーブ」機能を採用しました」とDeVita氏は言います. この場合, シミュレーションでは, 使用可能な最小周波数が実際にはVHF範囲に向かって拡張されていることが示されましたが, 230 MHzの目標は, 使用可能なアンテナ直径内でまだ完全には達成されていませんでした.

図2. メアンダスパイラルUHF CPアンテナのワークプレーン.
図3. アンテナゲイン(左)と軸比(右)を示す放射パターンプロット.

次の試みは, 230 MHzの目的のVHFに調整された2つの誘導性負荷ダイポール(図4) のフラットスパイラルへの追加でした. 著者らは, 複数回の反復により, 230 MHz帯域と低UHF帯域の両方で, アンテナゲインと軸比(図5)のVHF帯域でこの新しいモデルの設計パラメータを最適化しました. 「軸比機能は, 円偏光の品質を評価するための優れたツール です」とSacco氏は述べます.

図4. 2アームのアルキメデススパイラルと2つの誘導負荷ダイポールを備えたデュア ルバンドVHF/UHF CPアンテナ.
図5. 600 MHzでのアンテナゲイン(左)と軸比(右)を示す放射パターンプロット.

プロトタイプアンテナは, 非常に近接場のスキャナーEMscan RFX2を使用して実験室で測定されました(図6). シミュレートされた遠方界アンテナの性能は, このような実験室での測定とフィールドテストによって確認されています.   

2番目のフェーズでは, 動作周波数が再割り当てされ, VHF要件が削除されたため, 新しい周波数(UHF, 500および600 MHz)の別の設計セッションが開始されました. 「アンテナの分析を続け, 4相給電ネットワークが必要な, もう少し複雑な別の種類 のプロトタイプを作成しました」とSacco氏は述べています.

図6. 実際のシステム環境であるモーターサイクルのトップケースへの展開.

新しい設計は, デュアルクロス, ダブルフォールドダイポール(DCDFD)アンテナでした(図7). このアプ ローチは, 反射空洞の存在下で公正なインピーダンスを実現します. シミュレーショ ン分析では, 良好な軸比, アンテナゲイン, およびインピーダンス整合が見られました. (図8). 現在, 帯域幅パフォーマンスの最適化と4フェーズ給電ネットワークの設計を評価するためのさらなるテストが進行中です.

図7. DCDFD円偏波UHFアンテナのジオメトリ.
図8. 600MHzでのDCDFD CP UHFアンテナの実現ゲイン(左)と軸比(右)の3Dプ ロット.

モバイルテレビの未来

今後の研究として, RAIは, スマートフォン, タブレット, その他のモバイルデバイス 向けのモバイルTVサービスを受信できるアンテナを研究するプロジェクトを進行中です. 「モバイルデバイスにTVサービスを提供するチャンスがありますが, このサービスを可能にするためには多くの問題を解決する必要があります」とDeVita氏は述べています. 実際, UHF帯域の下部にあるモバイル端末へアンテナが統合された場合, アンテナ設計者にとって大きな課題となります. これは, モバイルデバイスの限 られた寸法が達成可能な帯域幅の上限を物理的に設定し, 期待されるパフォーマンスに基本的な制限をかけてしまうからです.

また, モバイル機器の場合, アンテナの動作も人間の手に持ったときに影響を受けるため, RAIの研究者にとっては克服すべき問題です. 「この次の作業は, 移動中の撮影をいくらか補完します. 撮影はプロのアプリケーションであるため, アンテナが可能な限り良好で信頼できるものであることを確認する必要があります」とSacco氏は言います.

RAIによると, シミュレーション結果は非常に有望であり, 研究をさらに改善し続けるのに役立つと思われます.

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