2021 Fiscal Year Research-status Report

メタマテリアル測定空間からなる高周波電磁気特性測定系の実現

Research Project

Project/Area Number	20K04512
Research Institution	Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
Principal Investigator	伊藤盛通地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (50712931)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	メタマテリアル / 電磁気特性測定
Outline of Annual Research Achievements	令和３年度は、①CRLHメタマテリアルの電磁界シミュレーションモデルの構築と、②測定系の準備を行った。以下にそれぞれについて説明する。 ①【概要】前年度にバンド構造まで計算した基礎的なモデルを基に、実用化を見据えてより損失が少なくなるように工夫したモデルを作製した。電磁界シミュレータには他機関での報告が多いAnsys HFSSを引き続き使用した。【詳細】金属のパッチとラインパターンを多用して設計した前年度のゼロ次共振器モデルでは、損失による共振の尖鋭度（Ｑ値）が高くなりにくいことが示唆された。これはゼロ次共振器を用いた測定系においては測定精度の低下につながる。この課題について、CRLHメタマテリアルについて研究されている京都工芸繊維大学の上田哲也教授にご相談した結果、誘電体共振器を用いたメタマテリアルの設計をご提案いただいた。誘電体共振器は高誘電率かつ低損失な誘電体を用いることで導電損失を低減させることから、メタマテリアルとして動作した際にも信号が劣化しにくいものと考えられる。そこで、比誘電率38の高誘電率材料を平行平板内部に配置した電磁界シミュレーションモデルを作製し、CRLHメタマテリアルとして機能することを確認した。単位セル、および１次元配列について計算し、伝送係数と反射係数の変化を確認した。 ②昨年度購入したスキャンステージに微小ループアンテナを取り付るとともに、ステージ制御プログラムを作製し、1～6 GHzにおける電磁界分布測定ができるように整備した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 2021年度中にCRLHメタマテリアル測定系として想定していた2モデル（ゼロ次共振器モデル、電磁レンズモデル）について具体的な測定系を設計したうえで試作を開始する予定であった。しかしどちらについても金属部分における導電損失の影響が懸念されたため、誘電体を組み合わせる検討に至り、詳細な設計を行うまでに時間を要した。また、誘電体を組み合わせた構造の電磁界シミュレーションモデルについて京都工芸繊維大学の上田哲也教授と打ち合わせをしながら作製した。しかし、新型コロナウイルス感染拡大防止のため来訪ができず、断片的なオンラインでのミーティングとメールを組み合わせた確認で進めることになった。その結果、シミュレーションモデル改善に遅延が生じた。
Strategy for Future Research Activity	2021年度にシミュレーションモデルを作製した、高誘電率の誘電体を組み合わせるメタマテリアルについて、試作検証を実施する。具体的には以下を考えている。 ①【等価回路設計】伝送線路理論へ落とし込むために等価回路設計を行う。各誘電体セルと平行平板導波路をCRLHの各要素のパラメータに落とし込む。各セル間の結合まで考慮したモデルにすることで、多数のセルを配置した場合や、２次元配列にした場合の特性、ならびに試料挿抜時の影響についての計算ができるため、性能の評価が容易になる。 ②【信号評価】シミュレーションモデル上で、試料挿抜による信号値の変動評価を行う。システム内部における電磁波の伝搬モードを解析し、電界または磁界の強度が高い部分を作る。そのうえで試料の挿抜を行い、信号の変化を確認する。最初は１次元配列、次に２次元配列で電磁レンズを構成することで、より電磁界分布の制御を容易にする。 ③【測定システム試作】高誘電率誘電体と導波路構造を組み合わせ、試料の挿入孔まで含めた誘電率測定系を試作する。 ④【測定システム検証】測定システムを検証する。2021年度に作製したスキャンシステムに、既存設備であるネットワークアナライザおよびループアンテナを組み合わせて、電磁界分布を調べられるようにする。
Causes of Carryover	国内学会（電子情報通信学会ならびに関連研究会）への現地参加を予定していたが、新型コロナウイルス拡大防止のためにオンライン開催となることが多く、旅費に剰余分が生じた。次年度は国際学会への参加と、研究会など情報交換・情報発信の機会を増やすことで使用していく予定である。