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発見的最適化手法を用いた第5世代移動通信システム用ミリ波高性能素子の開発

Research Project

Project/Area Number 22K04234
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research InstitutionKitami Institute of Technology

Principal Investigator

柏 達也  北見工業大学, 工学部, 教授 (30211155)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 辻 寧英  室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (70285518)
井口 亜希人  室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (00872996)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords発見的最適化手法 / トポロジー最適化 / 第5世代通信システム / ミリ波 / テラヘルツ波
Outline of Research at the Start

5G高速通信を支える基幹技術の一つとなるのが従来に比べ非常に高い周波数帯であるミリ波帯の利用である。高性能ミリ波帯回路素子の設計にはトポロジー最適化法が注目されている。トポロジー最適設計においては様々な手法が提案されているが、現在、最も注目を集めている手法が人工知能の一つである発見的最適化手法である。本手法は、従来の手法よりも高性能な素子を効率的に設計できると期待されるが、未検討な部分が多く、数値解析の効率化および素子性能最適化に関する研究が重要である。本研究の目的は5G時代における発見的最適化手法の開発とそれを用いたミリ波帯の高性能素子開発の可能性について明らかにする事である。

Outline of Annual Research Achievements

5G大容量高速通信システムにおいてはミリ波の利用がキーテクノロジーになる。従って、ミリ波回路素子の小型化、軽量化、高性能化、多機能化は非常に重要な技術となる。本研究の目的は、従来の解析的設計では不可能であった性能を持つミリ波素子のトポロジー最適設計技術による新素子の開発である。
さて、本研究では発見的人工知能型最適化設計手法についてミリ波回路設計時における性能評価及び新技術の導入を行った。ミリ波回路としては最も損失の少ない線路であるNRD線路(非放射型誘電体線路)の設計に注目した。最適化手法としてはベイズ最適化法や共分散行列適応進化型手法を元にした手法を用いた。
結果として、分岐導波路、フィルターなどについてトポロジー最適化手法を用いた解析を行い、その性能を調べるとともに手法に改良を加え、より高性能な設計手法と従来の設計では不可能であった特性を持つNRD線路素子の実現が可能となった。その他、他の進化型最適設計手法の特性把握も行い、将来へ向けたミリ波集積回路のトポロジー最適化手法の有効性を示した。また、ミリ波のみならず6Gで使われるテラヘルツ波回路及び光回路のトポロジー最適設計の応用にも既に着手している。特にテラヘルツ波になると金属部分表面にプラズモンというプラズマ状の媒質が生成され、この事を考慮した解析がミリ波回路解析とは異なり更に複雑になってくる。現在、この部分の定式化とその事を考慮したトポロジー最適化に関する研究を進めている。
今年度は論文一編、国際会議2件の発表を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では発見的人工知能型最適化設計手法について様々な研究を行いミリ波回路設計時における性能評価及び新技術の導入を行った。ミリ波回路としては最も損失の少ない線路であるNRD線路(非放射型誘電体線路)の設計に注目した。
結果として、分岐導波路、フィルターなどについてトポロジー最適化手法を用いた解析を行い、その性能を調べるとともに手法に改良を加え、より高性能な設計手法と従来の設計では不可能であった特性を持つNRD線路素子の実現が可能となった。
上記の内容はほぼ研究計画通りである。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究計画としては研究計画調書に書かれているように、他の新しい機能を持ったミリ波回路の実現を設計面から提案する。
また、この技術を同じく電磁波であり、6Gで使われるテラヘルツ波回路及び光回路のトポロジー最適設計に応用して行く予定である。なお、その一部の結果は既に出ており近日中に発表予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (22 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 14 results,  Invited: 3 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Topology Optimal Design of Optical Device Using Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy and Function Expansion Method2023

    • Author(s)
      丸山 皓貴、井口 亜希人、辻 寧英、柏 達也
    • Volume
      J106-C
    • Issue
      5
    • Pages
      172-179
    • DOI

      10.14923/transelej.2022STP0001

    • ISSN
      1881-0217
    • Year and Date
      2023-05-01
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Function expansion based topology optimization of NRD guide device using hybrid method of harmony search and gradient method2023

    • Author(s)
      Hieda Naoya、Iguchi Akito、Tsuji Yasuhide、Morimoto Keita、Kashiwa Tatsuya
    • Journal Title

      IEICE Electronics Express

      Volume: 20 Issue: 5 Pages: 20230012-20230012

    • DOI

      10.1587/elex.20.20230012

    • ISSN
      1349-2543
    • Year and Date
      2023-03-10
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Topology Optimal Design of NRD Guide Devices Using Function Expansion Method and Evolutionary Approaches2022

    • Author(s)
      HIEDA Naoya、MORIMOTO Keita、IGUCHI Akito、TSUJI Yasuhide、KASHIWA Tatsuya
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Electronics

      Volume: E105.C Issue: 11 Pages: 652-659

    • DOI

      10.1587/transele.2021ESP0005

    • ISSN
      0916-8524, 1745-1353
    • Year and Date
      2022-11-01
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mosaic Based Optimization of NRD Guide Devices Using Binary Evolutionary Approaches and 2D-FVFEM2022

    • Author(s)
      Bashir Tahir、Morimoto Keita、Iguchi Akito、Tsuji Yasuhide、Kashiwa Tatsuya
    • Journal Title

      IEEE Access

      Volume: 10 Pages: 60682-60695

    • DOI

      10.1109/access.2022.3180732

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Optimal design of broadband non-radiative dielectric guide devices using binary genetic algorithm and 2D-FVFEM2022

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa, and S. Nishiwaki
    • Journal Title

      International Journal of Numerical Modeling: Electronic Networks, Devices and Fields

      Volume: - Issue: 4 Pages: 1-14

    • DOI

      10.1002/jnm.2984

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analysis of NRD guide devices using rigorous two‐dimensional full‐vectorial FDTD method2022

    • Author(s)
      Bashir Tahir、Morimoto Keita、Iguchi Akito、Tsuji Yasuhide、Kashiwa Tatsuya
    • Journal Title

      Microwave and Optical Technology Letters

      Volume: 65 Issue: 2 Pages: 447-453

    • DOI

      10.1002/mop.33510

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Function Expansion Based Topology Optimization Utilizing Bayesian Optimization2023

    • Author(s)
      M. I. H. Patwary, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa
    • Organizer
      URSI GASS 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology Optimization of Optical and Millimeter-wave Circuit Devices Using Finite Element Method and Function Expansion Method2023

    • Author(s)
      Y. Tsuji, A. Iguchi, K. Morimoto, T. Kashiwa
    • Organizer
      URSI GASS 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topology Optimal Design of NRD Guide Devices Using Simulated Annealing Like Scheme2022

    • Author(s)
      N. Hieda, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa
    • Organizer
      PIERS
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bayesian Optimization of Three-dimensional Plasmonic Devices2022

    • Author(s)
      H. Maruyama, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa
    • Organizer
      PIERS
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comparative Study of Optimization Method for Design of NRD Guide Devices with Mosaic-like Structure2022

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa
    • Organizer
      PIERS
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology Optimization of Plasmonic Device Using Function Expansion Method and CMA-ES2022

    • Author(s)
      Y. Tsuji, K. Morimoto, A. Iguchi, T. Kashiwa
    • Organizer
      3rd URSI AT-AP-RASC
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topology Optimization of Optical Devices Using Function Expansion Method and CMA-ES2022

    • Author(s)
      H. Maruyama, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa
    • Organizer
      OECC/PSC
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology Optimization of Millimeter-wave to Optical Devices Using Two-Dimensional Full-Vectorial Finite Element Method2022

    • Author(s)
      N. Hieda, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa
    • Organizer
      OECC/PSC
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimal Design of NRD Non-Reciprocal Guide Device for Millimeter-Wave Applications2022

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, and T. Kashiwa
    • Organizer
      CIF2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology Optimization of Millimeter-Wave Band Devices Using Hybrid Scheme of Gradient Method and Evolutionary Algorithm2022

    • Author(s)
      N. Hieda, A. Iguchi, Y. Tsuji, K. Morimoto, T. Kashiwa
    • Organizer
      CIF2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology Optimization of Optical Devices Using CMA-ES2022

    • Author(s)
      H. Maruyama, A. Iguchi, Y. Tsuji, and T. Kashiwa
    • Organizer
      CIF2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Function Expansion Based Topology Optimization of Optical and Millimeter-Wave Circuit Devices2022

    • Author(s)
      Y. Tsuji, A. Iguchi, K. Morimoto, T. Kashiwa
    • Organizer
      APMC2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topology Optimization of NRD Guide Devices Using Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy2022

    • Author(s)
      N. Hieda, A. Iguchi, Y. Tsuji, K. Morimoto, T. Kashiwa
    • Organizer
      APMC2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimal Design of NRD Isolator Using Ni-Zn Ferrite Post for Millimeter-Wave Integrated Circuit Applications2022

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa
    • Organizer
      APMC2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 北見工業大学柏研究室ホームページ

    • URL

      http://kashiwa.weblike.jp

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Remarks] 北見工業大学柏研究室ホームページ

    • URL

      http://kashiwa-lab.net/

    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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