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放射・散乱制御のための給電系および放射系の多周波数帯共用化に関する研究

Research Project

Project/Area Number 20K04475
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
Research InstitutionDoshisha University

Principal Investigator

出口 博之  同志社大学, 理工学部, 教授 (80329953)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Keywordsマルチモードホーン / マルチビームアンテナ / 多周波数共用1次放射器 / 多周波数共用開口面アンテナ / リフレクトアレー / トランスミットアレー / 多周波数共用 / 最適化 / 直交偏波共用 / ホーンアンテナ / 反射鏡アンテナ / リフレクトアレーアンテナ / トランスミットアレーアンテナ / 周波数選択膜 / 周期境界条件 / 周波数特性 / 放射特性 / 伝搬特性 / 散乱波 / アンテナ
Outline of Research at the Start

給電系においては大きく離れた複数の周波数帯の共用化,放射系においてはマルチビームなどのビーム共用化のための検討を行うとともに,多周波数共用ならびに指向性制御のための電磁的表面・スクリーンの開発を行っていく.そして,アンテナの多モード制御による多周波数共用技術の開発,リフ レクトアレーやトランスミットアレーを構成する素子の開発とアンテナへの応用,さらに電波伝搬の高度な制御のための電磁クローキングを開発し,衛星搭載機器や地上電波用設備の多機能化を図っていくとともに,電波応用システムの性能向上を目指していく.

Outline of Annual Research Achievements

反射鏡アンテナの1次ホーンの多周波数共用化の検討として、宇宙用の計測および通信で用いられている20/30 GHz帯、7.1/8.5 GHz帯の両方で交差偏波成分を低くして回転対称な主ビームを得るため、スプラインテーパと同軸グルーブを巧みに融合した構造の多モードホーンを設計している。本研究では、広帯域化の限界を越えてさらに大きく周波数帯が離れている場合の設計法として、帯域毎に最適化された構造を組み合わせることを考え、喉元側のスプラインテーパと、開口側のリング装荷同軸グルーブによってホーンを構成し、低域側ではスプラインテーパと同軸グルーブが高次モードを制御してホーン開口面から軸対称ビームが放射され、高域側ではホーンの若干内部に位置するスプラインテーパ出力部から軸対称ビームを空間に放射するようにホーン全体構造を最適化している。そして、設計したホーンの開口面分布および放射特性の主偏波・交差偏波成分の広帯域な評価によって提案するアンテナの有効性を検証している。
また、リフレクトアレーの多周波数帯共用化の検討として、直交偏波共用単層リフレクトアレーを2帯域で独立に制御して設計するため、位相誤差や交差偏波成分を引き起こす相合結合の低減ならびに不要共振の抑圧を検討している。本研究では,2つの帯域の設計領域の形や大きさの最適化を行い、動作周波数帯域以外の特性についても考慮した評価関数を検討している。そして,低域側素子領域を単位セルの中央の十字の範囲に制限し、一方、この単位セルを4つの正方形領域に分割して高域側の単位セルとして扱い、各々の中央の小さな十字の範囲を高域側素子領域とみなし、その範囲で各々、任意形状素子の最適化設計を行う方法を提案している。設計例として、低域側を14 GHz、高域側を28 GHzとしたときのリフレクトアレーの放射特性を示し、提案する方法の妥当性を検証している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ホーンアンテナの検討においては、所定の方向のブロードなエリアをカバーする広帯域な電波センサ用アンテナの小型化も試みている.円形およびだ円形の開口面分布を有する同軸グルーブ構造を基本とするホーンアンテナを考えており,広帯域に一定のビーム幅特性と低交差偏波特性を目指している.まず,円形領域の照射に関しては,低域側の周波数帯では円形開口の同軸グルーブホーンの開口面付近でカットオフの高次モードを励振し,高域側の周波数帯では喉元にステップあるいはフレア構造の変化によって伝搬する高次モードを励振して各々,開口面分布を制御することによって広帯域にわたり所定の放射特性が得られるようにホーンの構造寸法を最適化し,小型で広帯域な特性が得られ,研究は概ね順調に進展している.
また,直交偏波共用トランスミットアレーを用いたレンズアンテナの検討においては、開口結合パッチ素子からなる単位セルの最適形状について求めている.レンズ媒質として誘電体を用いると電波領域ではレンズが厚くなるため重量の問題が生じるが,トランスミットアレーを用いると薄型で平面のレンズを構成できる.本研究で取り上げるトランスミットアレーは,1次放射器からの入射波をパッチアレーアンテナで受信し,電磁結合した他方の面のパッチアレーアンテナによって放射させるもので,入射波に応じて異なる所定の帯域通過フィルタ特性を持たせることが重要となる.そのため,素子寸法の最適化による位相変化を利用した開口結合パッチ素子を設計している.そして,得られた素子を基に2次元配列したトランスミットアレーは,22-25 GHzにおいて45%以上の開口能率が得られ,研究は概ね順調に進展している.

Strategy for Future Research Activity

送受信システムあるいは異なるシステムなど離れた2周波数帯を共用する直交偏波反射鏡アンテナの高能率化ならびに交差偏波成分の低減を達成するため,一次放射器として軸対称でビーム幅を一定とするアンテナを検討する.本研究では、周波数が高くなると伝搬するモード数が増加することに着目し,多モードにより異なる周波数帯のビーム幅を一定にすることを考えていく.まず低域側において多モードの合成比を求め,このときのビーム幅と等しくなるように高域側の多モードの合成比を決定する.もちろん,両帯域ともに,低交差偏波で軸対称な放射特性を実現することができる励振モード係数である.ここでは,多数の階段状ステップから構成された構造を考え,各部の不連続部においてモード変換を利用していく.そこで,境界条件を満足するようにモード整合法によって解析し,得られた散乱行列を均一導波管の散乱行列と縦続接続し,アンテナ開口面において所望のモード係数が得られるように最適化していく.
また,マイクロ波・ミリ波領域における物体の不可視化を行う電磁クローキングの中でも,平面板上においた物体をカバーして不可視化するカーペット・クローキング技術を取り上げ,周波数特性改善のため,Ω型共振素子を用いて構成したリフレクトアレー・カーペットクロークの2周波数共用化を検討していく.ここでは,大きく離れた周波数でも動作させるため,複数の直線ストリップ共振素子を加えた単位セルを考え,2倍から3倍離れた周波数における反射位相の制御を試みていく.そして,直交偏波共用化においては,先にスパイラル型共振素子を用いて検討されているが,この形状では複数周波数帯への拡張は難しい.これに対して,本研究では,直交する向きの直線ストリップ素子を配置して,直交する偏波に対してほぼ独立に設計することを検討していく.

Report

(4 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (38 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (13 results) (of which Peer Reviewed: 10 results) Presentation (25 results) (of which Invited: 1 results)

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    • Author(s)
      出口 博之、辻 幹男
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      同志社大学ハリス理化学研究報告

      Volume: 64 Issue: 4 Pages: 165-174

    • DOI

      10.14988/0002000179

    • ISSN
      21895937
    • URL

      https://doshisha.repo.nii.ac.jp/records/2000179

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      Volume: 1 Pages: 377-378

    • DOI

      10.1109/usnc-ursi52151.2023.10237946

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      Proceedings of International Symposium on IEEE Antennas and Propagation

      Volume: 1 Pages: 1331-1332

    • DOI

      10.1109/usnc-ursi52151.2023.10238300

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      出口 博之、辻 幹男
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      同志社大学ハリス理化学研究報告

      Volume: 64 Issue: 3 Pages: 133-144

    • DOI

      10.14988/0002000049

    • ISSN
      21895937
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      Volume: 1 Pages: 1774-1775

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      Volume: 61 Issue: 2 Pages: 79-89

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      10.14988/00027351

    • NAID

      120006879186

    • ISSN
      21895937
    • URL

      https://doshisha.repo.nii.ac.jp/records/27359

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      2020-07-31
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      Volume: 1 Pages: 93-94

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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