2016 Fiscal Year Research-status Report
ミリ波帯超高速ワイヤレス通信用オンチップ型広帯域フィルタリングアンテナの研究開発
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16K18101
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
大平 昌敬 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60463709)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | アンテナ / フィルタ / フィルタリングアンテナ / マイクロ波 / ミリ波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
広帯域フィルタリングアンテナ（フィルテナ）を実現すべく、初年度である平成28年度は、主として結合行列に基づく効率的なフィルテナ設計法とその有効性の検討、ならびに広帯域フィルタの設計開発に注力し、以下の研究実績を上げた。
(I) 結合行列に基づくフィルテナ設計法の検討：近年フィルタ設計で多く利用されている結合行列は共振器間の全ての結合を一つの行列で取り扱えるため、それをフィルテナ設計に応用すれば効率的な設計が期待できる。しかし、フィルテナの場合、アンテナと共振器との結合を評価する必要がある。そこで、アンテナと共振器間の結合係数を評価するための理論式を新たに導出した。
(II) 有極形平面フィルテナの設計開発：フィルテナの特徴は、通過域内でフラットな利得特性と急峻な周波数選択特性を同時に設計できることである。周波数選択特性の急峻化に必要な伝送零点の生成には、従来のフィルテナでは多層構造が用いられていたが、本研究ではアンテナと共振器間の不要結合を積極的に利用し、平面構造で伝送零点を生成することに成功した。その設計の一例として、2.45GHz帯で比帯域5%、帯域内利得4.4dBi、伝送零点2.3GHzと2.6GHzの優れた周波数選択特性を設計及び試作・実験で達成した。
(III) 広帯域バンドパスフィルタの設計開発：広帯域フィルテナを設計開発するために、まず広帯域バンドパスフィルタの回路合成ならびにその設計及び実験的検証を行った。その結果、通過域内において等リプル特性を維持しつつ、比帯域を20%～40%まで設計可能な汎用的フィルタ合成法を確立した。さらに、マイクロストリップ構造で広帯域フィルタを設計し、設計仕様通りの特性が電磁界シミュレーション及び実験の両方で得られたことから有効性を実証した。
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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
本研究課題の最終目標であるミリ波広帯域フィルタリングアンテナの実現に向けて、平成28年度は、フィルテナの広帯域回路合成法の確立とその有効性の検証を初年度の課題として挙げた。進捗状況は以下のとおりである。
(1) フィルテナの広帯域回路合成法の確立：当初の予定通り、広帯域回路合成法の確立に取組み、フィルタにおいてその有効性を実証できた。その研究成果は、電子情報通信学会和文論文誌に掲載されている。さらに、本研究でアンテナと共振器間の結合係数の評価式を初めて導出し、その成果もIEICE Transactions on Electronicsに掲載されている。よって、研究は当初の計画通り順調に進んでいるものと考える。なお、今後この広帯域回路合成法をフィルテナ設計へ応用していく予定である。
(2) 有極形平面フィルテナの設計開発：本研究で提案した設計評価式を用いてマイクロ波帯で有極形平面フィルテナを設計開発した。その設計及び実験結果について、電子情報通信学会マイクロ波研究会及び電子情報通信学会総合大会で発表を行った。あわせて、広帯域フィルテナを設計するには放射Q値を調整する機構が必要であることから、平成28年度にその手法についても提案し、従来法と比較検討した。放射Q値を簡易に調整できることは電磁界シミュレーションによって実証できているが、まだ下限値が所望の値には達していない。よって、平成29年度も放射Q値の調整機構について引き続き検討していく予定である。
研究を通して新たな課題が明らかになったが、上述のとおり研究は当初の計画通りに遂行され、研究成果も得られていることから、平成28年度はおおむね順調に研究は進捗したと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度の研究成果であるフィルテナ設計法の開発が順調に進んでいることを受けて、提案書通り本年度（平成29年度）は広帯域フィルテナの設計を研究課題として掲げる。これは、最終年度（平成30年度）のミリ波帯フィルテナへの実現に向けた重要なステップである。特に、本年度は以下の3点を推進方策とする。
(1) 広帯域フィルテナ設計のための放射Q調整機構の検討：広帯域フィルテナを設計するには、アンテナの放射Q値を所望値に簡易に調整できる機構が必要である。しかしながら、従来の広帯域アンテナを用いると構造の大型化・複雑化を招くとともに、放射Q値を調整できる機構は備わっていない。そこで、単純なアンテナ形状で放射Q値を調整する機構を考案する。
(2) 広帯域フィルテナの設計：上記の機構を用いて、平成28年度に開発した広帯域回路合成法に基づきマイクロ波帯広帯域フィルテナの設計（比帯域20%以上）を行う。従来のフィルタ設計と同様、所望の特性を得るためには構造寸法の最終調整に時間を要することが予想される。この問題点については本研究室で培ってきたフィルタ設計技術を活用して最終調整法を含めた高効率な設計法を確立する。
(3) 広帯域フィルテナの試作実験による検証：実験ではリターンロスの周波数特性、利得最大値の周波数特性ならびに放射パターンの測定を行う。実験と電磁界シミュレーションの両方によって帯域内では利得一定で放射パターンが変化せず、一方の帯域外ではフィルタのように利得が周波数選択特性を有することを確認する。また、複数回の設計・試作・実験を繰り返し、製作上のクリティカルポイントを実験により見出す。
以上の研究指針・計画は、最終年度のミリ波広帯域フィルテナの実現にとって必要不可欠なフェーズである。
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| Causes of Carryover |
当初計画より多くの研究成果が得られたことに伴って旅費が増えたものの、次年度使用額は20,000円以下であるため、おおむね当初計画通り予算を執行した。よって、平成29年度における予算計画に大きな変更はない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度（平成29年度）の研究費は、当初計画の100万円と次年度使用額17,294円の合計額約102万円である。
(1) 実験設備費・試作費（計42万円）：アンテナ測定に必要なミリ波ホーンアンテナ（1個15万円）。フィルテナの試作費（1回6万円、合計3回試作予定）、誘電体基板・高周波部材費（9万円）。(2) 国内外旅費（計40万円）：国内発表では、電子情報通信学会ソサイエティ大会（9月、東京電機大学）と総合大会（3月、東京都市大学）の旅費として1万円、同学会研究会の発表（2回）の旅費として9万円を計上。海外発表では、IEEE MTT-S IMS2017（6月、アメリカ）の渡航旅費に30万円を計上。(3) 謝金・その他（計20万円）：学術雑誌論文掲載費として8万円、国内外の学会発表投稿費として7万円を計上。本研究開発の研究補助に係る謝金として5万円。
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Research Products
(13 results)
