Dispersion Engineering of Nonreciprocal Metamaterials and Its Application to Beam Scanning Antennas

• Project/Area Number: 20H02152
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: Ueda Tetsuya 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (90293985)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小寺 敏郎 明星大学, 理工学部, 教授 (90340603) ; 黒澤 裕之 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 助教 (20708367)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2020: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: メタマテリアル / 非相反回路 / 漏れ波アンテナ / ビーム走査アンテナ / デュアルバンド動作 / ビームスクイント低減 / 非相反性

Outline of Research at the Start

次世代高速無線通信システムに用いられるアンテナには、低消費電力かつ低遅延のビーム走査性が不可欠となっているが、小型移動体端末には、サイズが大きくシステム負荷の大きな従来のフェーズドアレーアンテナ技術の適用は困難である。本研究では、非相反メタマテリアルを用いた擬似進行波共振に基づく、コンパクトサイズで高放射効率、かつビームスクイントがゼロの特徴を併せ持つ漏れ波ビーム走査アンテナに注目し、搭載実現の可能性を探る。

Outline of Final Research Achievements

We have proposed dual-band composite right/left-handed transmission lines with nonreciprocal phase shift proportional to the operational frequencies and designed and fabricated the prototype circuits to demonstrate the transmission characteristics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

二周波で電磁界分布の位相勾配がほぼ同じでかつ周波数変動に対して堅牢な非相反メタマテリアル線路構造の設計法を確立し、その位相勾配も一元的に動的操作可能であることを数値計算及び実験により示した。この線路は無線通信システムにおいて、非常に簡素な構成でビーム走査可能なアンテナに応用することができる。従来技術のビーム走査アンテナであるフェーズドアレーアンテナと比較すると、給電構造、制御システムが大幅に簡素化される可能性を有していることから、将来の研究進展により社会貢献するものと期待される。

Research Products

• [Journal Article] Electronic control of structural asymmetry for tunable nonreciprocal phase shift in CRLH transmission lines (2024)
  • Author(s): Yasuda Hidefumi、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: to be published in the 2024 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonreciprocal Metamaterial Coupled Line for Leaky Wave Antennas in Full-Duplex Communication Systems (2023)
  • Author(s): Ideguchi Takumu、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: Proceedings of the 2023 Asia-Pacific Microwave Conference Volume: - Pages: 488-490
  • DOI: 10.1109/apmc57107.2023.10439703
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement Phase-shifting Nonreciprocity by Asymmetry Series Interdigital Capacitors in Normally Magnetized Ferrite Microstrip Lines (2023)
  • Author(s): Nakanishi Yusuke、Kurosawa Hiroyuki、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: Proceedings of the 2023 Asia-Pacific Microwave Conference Volume: - Pages: 704-706
  • DOI: 10.1109/apmc57107.2023.10439734
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Demonstration of Enhanced Nonreciprocal Phase Shift in Curved Metamaterial Lines by Using Corrugation Structures (2023)
  • Author(s): Oshima Mikiya、Kobayashi Hiroto、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: Proceedings of the 2023 Asia-Pacific Microwave Conference Volume: - Pages: 721-723
  • DOI: 10.1109/apmc57107.2023.10439687
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement of Phase Shifting Nonreciprocity in Composite Right/Left-Handed Metamaterial Transmission Lines with U-Shaped Microstrip Resonators (2023)
  • Author(s): Ueno Yutaro、Ideguchi Takumu、Kurosawa Hiroyuki、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: Proceedings of the 2023 Asia-Pacific Microwave Conference Volume: - Pages: 781-783
  • DOI: 10.1109/apmc57107.2023.10439912
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Passive-Circuit-Based Nonreciprocal Metamaterials: Controlling the Phase Gradient of Fields in Resonators and Antennas (2022)
  • Author(s): Ueda Tetsuya
  • Journal Title: IEEE Microwave Magazine Volume: 23 Issue: 11 Pages: 64-81
  • DOI: 10.1109/mmm.2022.3196413
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual-band composite right/left-handed metamaterial lines with dynamically controllable nonreciprocal phase shift proportional to operating frequency (2022)
  • Author(s): Kaneda Takumi、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: Nanophotonics Volume: 11 Issue: 9 Pages: 2097-2106
  • DOI: 10.1515/nanoph-2021-0783
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancement of Nonreciprocal Phase Shift in Curved Composite Right/Left-Handed Metamaterial Lines by Using Corrugation Structures (2022)
  • Author(s): Oshima Mikiya、Kondo Takumi、Ideguchi Takumu、Kurosawa Hiroyuki、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: Proceedings of the 2022 Asia-Pacific Microwave Conference Volume: 1 Pages: 818-820
  • DOI: 10.23919/apmc55665.2022.10000048
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-Degree-of-Freedom Control of Field Distribution on Nonreciprocal Metamaterial-Line Resonators and Its Applications to Polarization-Plane-Rotation and Beam- Scanning Leaky-Wave Antennas (2022)
  • Author(s): Ueda Tetsuya、Kamino Masaki、Kondo Takumi、Itoh Tatsuo
  • Journal Title: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Volume: 70 Issue: 1 Pages: 50-61
  • DOI: 10.1109/tmtt.2021.3124249
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Composite right/left-handed metamaterial lines with phase-shifting nonreciprocity enhanced by spoof surface plasmon mode propagation (2022)
  • Author(s): K. Okamoto, T. Ueda, Takumi Kondo, and T. Itoh
  • Journal Title: Abstract of 2022 Joint MMM-Intermag Conference Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent Progress on Microwave Applications of Nonreciprocal Metamaterials using Yttrium Iron Garnet Ferrites (2021)
  • Author(s): Ueda Tetsuya
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials Volume: 141 Issue: 5 Pages: 289-294
  • DOI: 10.1541/ieejfms.141.289
  • NAID: 130008033206
  • ISSN: 0385-4205, 1347-5533
  • Year and Date: 2021-05-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonreciprocal CRLH Transmission Line Using Active Circuit-Loaded Ring Resonators (2021)
  • Author(s): Yasuda Hidefumi、Uedas Tetsuya、Kodera Toshiro
  • Journal Title: 2021 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference Volume: - Pages: 262-263
  • DOI: 10.1109/apmc52720.2021.9661722
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Equivalent Circuit Model of Nonreciprocal Composite Right/Left-Handed Coupled Line (2021)
  • Author(s): Ideguchi Takumu、Ueda Tetsuya
  • Journal Title: 2021 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference Volume: - Pages: 259-261
  • DOI: 10.1109/apmc52720.2021.9661685
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] メタマテリアルによる漏れ波ビーム走査アンテナのビームスクイント低減化 (2021)
  • Author(s): 上田哲也
  • Journal Title: 月刊EMC Volume: 400 Pages: 75-85
  • NAID: 40022725013
• [Journal Article] Polarization Plane Controllable Beam Scanning Leaky Wave Antenna based on Pseudo-Traveling-Wave Resonance Using Nonreciprocal Metamaterials (2020)
  • Author(s): Kamino Masaki、Ueda Tetsuya、Itoh Tatsuo
  • Journal Title: 2020 Asia Pacific Microwave Conference (APMC2020) Volume: - Pages: 131-133
  • DOI: 10.1109/apmc47863.2020.9331515
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 二次元非相反メタマテリアルからの漏れ波放射とビーム走査 (2024)
  • Author(s): 島田翔悟, 大島幹矢, 安田秀史, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会, C-2B-02
• [Presentation] 非相反メタマテリアル線路の電子制御と非相反性増大 (2024)
  • Author(s): 安田秀史, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会, C-2B-03
• [Presentation] Passive-Circuit-based Nonreciprocal Metamaterials and Their Applications (2023)
  • Author(s): Tetsuya Ueda
  • Organizer: 2023 Asian Workshop on Antennas and Propagation (AWAP2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nonreciprocal metamaterial line resonators and their application to polarization plane rotation and beam scanning leaky wave antennas (2023)
  • Author(s): Tetsuya Ueda
  • Organizer: The 7th A3 Metamaterials Forum 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] CRLHメタマテリアル線路における非相反性の電子制御 (2023)
  • Author(s): 安田秀史, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告書 マイクロ波研究会, vol. 123, no. 35, MW2023-19, pp. 55-59
• [Presentation] 不均一インターディジタルキャパシタ装荷メタマテリアル線路の非相反性 (2023)
  • Author(s): 中西悠介, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-30
• [Presentation] 曲率を持つコルゲーション装荷メタマテリアル線路の非相反性増大の実験的検証 (2023)
  • Author(s): 大島幹矢, 小林央人, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-31
• [Presentation] 半波長共振器を装荷した非相反右手/左手系複合伝送線路 (2023)
  • Author(s): 上野祐太郎, 井手口拓夢, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-32
• [Presentation] 終端反射素子の電子制御による非相反CRLH線路ビーム走査漏れ波アンテナの偏波面回転 (2023)
  • Author(s): 安田秀史, 近藤 巧, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-33
• [Presentation] 非対称なインターディジタルキャパシタを装荷した非相反メタマテリアル線路 (2023)
  • Author(s): 中西悠介,上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告書, 電磁界理論研究会, vol. 123, no. 251, EMT2023-71, pp. 47-51
• [Presentation] 非相反メタマテリアル線路ビーム走査アンテナにおける偏波面回転の電子制御 (2023)
  • Author(s): 安田秀史, 近藤 巧, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告書, 電磁界理論研究会, vol. 123, no. 251, EMT2023-72, pp. 52-57
• [Presentation] コルゲーション構造による曲率を持つメタマテリアル線路の非相反性増大の実験的検証 (2023)
  • Author(s): 大島幹矢, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告書, マイクロ波研究会, vol. 123, no. 268, MW2023-131, pp. 27-32
• [Presentation] 曲率を持つCRLHメタマテリアル線路のコルゲーション構造による非相反性の増大 (2023)
  • Author(s): 大島幹矢, 近藤 巧, 井手口拓夢, 黒澤裕之, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 電磁界理論研究会技術報告, vol. 122, no. 351, EMT2022-71, pp. 12-16, 2023年1月.
• [Presentation] CRLH伝送線路における非相反性の電子制御 (2023)
  • Author(s): 安田秀史, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会, C-2-50, 2023年3月
• [Presentation] [招待講演]非相反右手/左手系複合メタマテリアル線路の周波数分散設計 (2022)
  • Author(s): 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会マイクロ波研究会技術報告, vol. 122, no. 35, MW2022-15, pp. 3-7, 2022年5月
  • Invited
• [Presentation] (Invited) Design of Nonreciprocal Phase Shift in Composite Right/Left-Handed Metamaterials and Their Applications (2022)
  • Author(s): Tetsuya Ueda
  • Organizer: Abstract of URSI-JRSM 2022, Tokyo, Sept. 2022.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 曲率を持つCRLH線路のコルゲーション構造による非相反性増大 (2022)
  • Author(s): 大島幹矢, 近藤 巧, 井手口拓夢, 黒澤裕之, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-17, 2022年9月
• [Presentation] 分布定数線路を用いた非相反メタマテリアル結合線路の等価回路モデル (2022)
  • Author(s): 井手口拓夢, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 電磁界理論研究会技術報告, vol. 122, no. 256, EMT2022-61, pp. 93-98, 2022年11月.
• [Presentation] 2次元非相反メタマテリアルの等価回路 (2022)
  • Author(s): 安田秀史, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 電磁界理論研究会技術報告, vol. 122, no. 256, EMT2022-62, pp. 99-104, 2022年11月.
• [Presentation] 非相反CRLHメタマテリアル線路の誘導性スタブからの放射利得改善 (2022)
  • Author(s): 近藤 巧, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会, B-1-134
• [Presentation] 非相反CRLH結合線路によるデュアルバンド 4 ポートサーキュレータ (2022)
  • Author(s): 山田健太, 上田哲也, 山上航平, 黒澤裕之, 伊藤龍男
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会, C-2-23
• [Presentation] Dispersion engineering of non-reciprocal composite right-left-handed metamaterials and their applications (2021)
  • Author(s): T. Ueda and T. Itoh
  • Organizer: 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nonreciprocal metamaterials and their antenna applications (2021)
  • Author(s): T. Ueda
  • Organizer: The 5th A3 Metamaterials Forum, Virtual Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ［チュートリアル講演］電磁メタマテリアル共振器とアンテナ応用 (2021)
  • Author(s): 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告, アンテナ伝播研究会, AP2021-59, pp. 14-17
• [Presentation] 能動素子装荷リング共振器を用いた非相反CRLH線路 (2021)
  • Author(s): 安田秀史, 上田哲也, 小寺敏郎
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-48
• [Presentation] コルゲーション装荷金属ストリップを用いた右手/左手系複合伝送線路の等価回路モデル (2021)
  • Author(s): 近藤 巧, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-49
• [Presentation] 非相反右手/左手系複合結合線路の等価回路モデル (2021)
  • Author(s): 井手口拓夢, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-50
• [Presentation] 垂直磁化フェライト基板非相反右手/左手系複合結合線路の等価回路モデル (2021)
  • Author(s): 井手口拓夢, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告, 電磁界理論研究会, EMT2021-39, pp. 56-61
• [Presentation] 非磁性素子を用いた非相反右手/左手系複合線路 (2021)
  • Author(s): 安田秀史, 上田哲也, 小寺敏郎
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告, 電磁界理論研究会, EMT2021-40, pp. 62-66
• [Presentation] コルゲーション装荷金属ストリップを用いた非相反メタマテリアル伝送線路 (2021)
  • Author(s): 近藤 巧, 上田哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告, マイクロ波研究会, MW2021-98, pp. 79-84
• [Presentation] 非相反メタマテリアルからなる擬似進行波共振ビーム走査アンテナの偏波回転制御の実験 (2021)
  • Author(s): 神野雅喜, 上田哲也, 黒澤裕之, 伊藤龍男
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-34
• [Presentation] 擬似進行波共振による偏波面回転制御ビーム走査アンテナ (2021)
  • Author(s): 神野雅喜, 上田哲也, 黒澤裕之, 伊藤龍男
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告 電磁界理論研究会, EMT2020-43, pp. 86-91
• [Presentation] 非相反メタマテリアル結合線路を用いた4ポートサーキュレータ (2021)
  • Author(s): 山田健太, 山上航平, 上田哲也，黒澤裕之, 伊藤龍男
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告 電磁界理論研究会, EMT2020-42, pp. 81-85
• [Book] メタマテリアルの設計、作製と新材料、デバイス開発への応用 (2022)
  • Author(s): 執筆者：54名、技術情報協会
  • Total Pages: 508
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861048760
• [Book] Nanomagnetic Materials Fabrication, Characterization and Application (2021)
  • Author(s): Editors: Akinobu Yamaguchi, Atsufumi Hirohata, Bethanie Stadler
  • Total Pages: 812
  • Publisher: Elsevier
  • ISBN: 9780128223499
• [Remarks] 京都工芸繊維大学 電気電子工学系 先進電磁波動工学研究室
  • URL: http://www.cis.kit.ac.jp/~ueda/