Developments of meta-material based phased-array antenna for millimeter-wave Doppler radar

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K18773
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 徳沢 季彦 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90311208)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2020-03-31
• Keywords: メタマテリアル / ドップラーレーダ / フェーズドアレイ / 周波数コム / プラズマ計測

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、核融合を目指す高温プラズマ中でその電子密度揺動や流速を計測することが可能なミリ波を用いたドップラーレーダを高性能化するため、照射ミリ波ビームを同時に任意の方向へ放射できるアンテナを開発し、これによりプラズマ流速を多次元測定することを目的としている。このアンテナには、高温プラズマ計測のために、（1）広帯域性能（広い周波数領域にわたりプラズマ照射が可能であること）（２）高速スキャン（短い時間で照射スキャンが可能であること）（３）耐超高真空仕様（真空容器内に設置しての運用が可能であること）が求められるため、ミリ波周波数コムを用いた多周波数同時発生技術とメタマテリアルを用いた位相制御技術を融合することにより、革新的なフェーズドアレイアンテナシステムを構築するものである。目的達成のため、三年間の研究期間を通じて、プラズマ計測に最適化したフェーズドアレイアンテナシステムを製作し、性能試験を経て、プラズマ実験でその機能実証を行うという計画であった。
最終年度である本年度は、以下のような成果を得た。
１．走査時間の無いフェーズドアレイシステム：同時に複数の周波数を用いることで、ビームを多方向へ同時に照射できることを実証するため、本年度は、周波数コムによる同時周波数発振を用いることにより、異なる周波数によるビーム照射掃引が可能であることを実証した。
２．メタマテリアルを用いた広帯域位相器：フェーズドアレイアンテナとして動作させるためには、アンテナ毎に正確な位相差を付与する位相器が必要である。特にプラズマ計測では広い周波数領域に亘るミリ波を用いるため、位相器にも広帯域性が求められる。製作したメタマテリアルを反射型移相器としての性能を評価し、その広帯域性を確認した。
3．プラズマ実験への適用：単体アンテナ試験によりトーラスプラズマのポロイダル・トロイダル流速計測が可能であることを実証した。

Research Products

• [Journal Article] NON-CONTACT AND NON-INVASIVE DRIVER'S MONITOR USING MICROWAVE REFLECTOMETER (2020)
  • Author(s): Mase Atsushi、Kogi Yuichiro、Maruyama Toru、Tokuzawa Tokihiko、Kunugita Masaki、Koike Tatsuya、Hasegawa Hiroyasu
  • Journal Title: Progress In Electromagnetics Research M Volume: 90 Pages: 81～88
  • DOI: 10.2528/PIERM20010103
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-contact and real-time measurement of heart rate and heart rate variability using microwave reflectometry (2020)
  • Author(s): Mase A.、Kogi Y.、Maruyama T.、Tokuzawa T.、Sakai F.、Kunugita M.、Koike T.、Hasegawa H.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 91 Pages: 014704～014704
  • DOI: 10.1063/1.5128959
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isotope effects on energy, particle transport and turbulence in electron cyclotron resonant heating plasma of the Large Helical Device (2019)
  • Author(s): Tanaka K.、Ohtani Y.、Nakata M.、Warmer F.、Tsujimura T.、Takemura Y.、Kinoshita T.、Takahashi H.、Yokoyama M.、Seki R.、Igami H.、Yoshimura Y.、Kubo S.、Shimozuma T.、Tokuzawa T.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 126040～126040
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab4237
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isotope Effect on Energy Confinement Time and Thermal Transport in Neutral-Beam-Heated Stellarator-Heliotron Plasmas (2019)
  • Author(s): Yamada H.、Tanaka K.、Seki R.、Suzuki C.、Ida K.、Fujii K.、Goto M.、Murakami S.、Osakabe M.、Tokuzawa T.、Yokoyama M.、Yoshinuma M.、Group LHD Experiment
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Pages: 185001-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.185001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Erratum: Impact of a resonant magnetic perturbation field on impurity radiation, divertor footprint, and core plasma transport in attached and detached plasmas in the Large Helical Device (2019 Nucl. Fusion 59 096009) (2019)
  • Author(s): Kobayashi M.、Seki R.、Masuzaki S.、Morita S.、Zhang H.M.、Narushima Y.、Tanaka H.、Tanaka K.、Tokuzawa T.、Yokoyama M.、Ido T.、Yamada I.、the LHD Experimental Group
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 109601～109601
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab3a13
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial structure of low-frequency fluctuations throughout the transition of poloidal flow velocity in edge plasmas of LHD (2019)
  • Author(s): Moon C.、Kobayashi T.、Ida K.、Tokuzawa T.、Hidalgo C.、Yoshinuma M.、Ogawa K.、Itoh K.、Fujisawa A.、LHD Experiment Group
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 26 Pages: 092302～092302
  • DOI: 10.1063/1.5098954
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 流れベクトル量測定のためのマイクロ波センシング技術の開発 (2020)
  • Author(s): 徳沢季彦
  • Organizer: 応用力学研究所研究集会“波・流れ・乱流のセンシング・マイニング・モデリング”
• [Presentation] Dual-Comb Microwave Doppler Reflectometer System in LHD and Feasibility Study for a JT-60SA Doppler Reflectometer (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, S. Inagaki, A. Ejiri, H. Idei, R. Imazawa, N. Oyama, M. Yoshida, K. Tanaka1, H. Tsuchiya, K. Ida, K. Y. Watanabe, and H. Yamada
  • Organizer: 14th International Reflectometry Workshop (IRW14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility study of Doppler Reflectometry (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, S. Inagaki, H. Idei, A. Ejiri, R. Imazawa, N. Oyama, M. Yoshida, H. Tsuchiya, and K. Tanaka
  • Organizer: 8th JT-60SA Research Coordination Meeting (RCM-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of isotope effects from the viewpoint of turbulence observation in LHD (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 22nd International Stellarator & Heliotron Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of turbulence response in detach transition and similarity to H-mode transition in LHD (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Inagaki, K. Ida, H. Tsuchiya, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 17th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ乱流計測から見た水素同位体効果検証実験 (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] ミリ波後方散乱計測によるLHDプラズマ微視的乱流揺動計測 (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa、K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 閉じ込め輸送研究会2019