2015 Fiscal Year Research-status Report
メタマテリアルアンテナ設計のための電磁界シミュレーション法の開発
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15K06052
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
宇野 亨 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80176718)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
有馬 卓司 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20361743)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / アンテナ / 電磁界 / シミュレーション / FDTD法 / 無限周期 / 伝送線路近似 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，メタマテリアルアンテナ設計のための電磁界シミュレーション法を開発することである．特に従来のシミュレータでは計算が不可能であった構造に対しても，計算精度を保ちながら計算機に過度の負荷を与えない方法を開発するために，FDTD法(finite difference time domain method)をベースとして（１）メタマテリアルベースアンテナの設計法の開発と有効性の検証，（２）メタマテリアルインスパイアードアンテナの設計法の開発と有効性の検証，の２点に焦点を絞って検討している．
本年度の実施計画は，（１）に関しては異方性や非線形性を有する媒質に対する電磁界シミュレーション法を開発することであったが，異方性媒質に対する検討を優先し，申請者らが提案しいるPML(perfectly matching layer）吸収境界条件を異方性に拡張する方法を開発した．（２）に関しては，無限周期媒質中の非周期アンテナの解析法として，厳密な手法と近似手法の開発を行うことした．前者に関しては，計算機負荷が非常に大きくなることが分かったため，今年度は後者の近似手法の開発と精度検証を中心に検討をおここなった．その結果，周期構造を伝送線路近似に基づいてインピーダンス壁で置き換える新たな手法を開発し，広い周波数帯域にわたってきわめて高精度の計算が可能であることが分かった．これにより，計算機の負荷を大幅に軽減できると予想される．また，また，計算負荷を軽減するための収束改善手法についても検討を加え，新たな知見を得た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（１）メタマテリアルベースアンテナ設計のための特殊媒質中の電界解析法の開発
特殊媒質の代表的な物である異方性媒質中の電磁界を数値計算するための方法としてFDTD法を取り上げ，従来よりも精度よく計算するための方法について検討した．解析空間の計算精度を確保するためには，それを囲む高精度の吸収境界条件が必要となるが，本研究では申請者らが検討しているPML吸収境界を異方性媒質に拡張するための方法を見出し，その計算精度を検討した．本年度は2次元の問題に留まったが，多くの数値計算より，特別な条件を除けば高精度の解析ができることが分かった．
（２）メタマテリアルアンテナの設計法の確立
（２－１）計算法の高速化 ：本研究では，広範囲の問題に適用できることを目的に，FDTD法をベースとしたアンテナおよび電磁界解析法を中心として検討を行っているが，メタマテリアルアンテナなどの比較的狭帯域のアンテナでは，繰り返し計算の収束がきわめて遅くなる場合がある．そこで，本研究では信号処理の分野でよく用いられるARMA(auto-regressive moving average, 自己回帰移動平均）法を利用したFDTD法を開発し，計算時間を大幅に削減できることを明らかにした．（２－２）メタマテリアルの等価媒質表現とその精度検証 ：メタマテリアルインスパイアードアンテナにおいては，無限周構造を考えて設計することが多いが，その時，無限周期構造を等価的な媒質に置き換えることができれば，計算機負荷を軽減できる．本年度は，伝送線路近似に基づいて周期構想表面を等価的なインピーダンスに置き換える手法を検討した．その精度を検証した結果，きわめて高精度で，しかも広い帯域にわたって適用できることが明らかとなった．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究課題の推進方策・研究計画の大幅な変更はない．次年度も研究計画通りに進めてゆく予定であるが，（１）のメタマテリアルベースアンテナ設計のための特殊媒質中の電界解析法の開発における，異方性媒質中の電磁界解析手法については，２次元問題がおおむね解決できたので，次年度は３次元に拡張する予定である．（２）の２）メタマテリアルインスパイアードアンテナの設計法の開発に関しは，ARMA/FDTD法が計算の高速化に関して有効であることが分かったので，引き続き検討を加えてゆく予定である．また，メタマテリアルを高精度な鏡面インピーダンスで置き換えることができることが明らかとなったことから，周期構造上に基本的なアンテナ素子を置いた場合の解析法について検討を加える予定である．精度検証にあたっては，FDTD法だけではなく，モーメント法なども使う予定である．
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