2022 Fiscal Year Annual Research Report
異種誘電体層の電磁結合によるテラヘルツ波透過性制御とシートＬＡＮ通信への応用
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21H01328
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
枚田 明彦 千葉工業大学, 工学部, 教授 (40500674)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
廣川 二郎 東京工業大学, 工学院, 教授 (00228826)
永妻 忠夫 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (00452417)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | テラヘルツ無線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、異なる微小金属パタンを周期的に配置した2つの機能性誘電体層を近接配置した際に生じる電磁カップリング現象を解明し、異種機能性誘電体層の近接によるテラヘルツ波の透過性制御を可能とすることにより、この機能性誘電体層を利用したテラヘルツ帯超高速LANシート通信を実現することである。
本年度は、導波管―誘電体シート変換部の接続部の形状の改善により、約4dB挿入損失を低減することができた。この変換部の使用により、10dB/m@120GHz 以下の伝送損失を達成する見込みを得た。更なる伝送損失の低減を実現するため、中空導波管の上部の金属面の一部をメタマテリアル集積ガラス基板に置き換えることにより、導波管単体では低損失での伝送を実現し、ガラス基板に異種誘電体層を接触させた場合は、異種誘電体層に導波管内を伝搬する信号の一部を導波可能であり、その異種誘電体層に受信機を接続することにより、10Gbps伝送が可能であることを実証した。石英基板上にサイズの異なる split ring resonator (SRR)を複数実装した試料の透過特性の評価、電磁界解析の実施により、隣接したサイズの異なるSRR間での磁気結合、電気結合のメカニズムを明らかにした。
MIMO 多重伝送に向けて、複数の入出力ポートを有する誘電体層を試作し、各ポートでの伝送特性を計測した。計測した MIMO伝搬チャネル行列よりチャネル伝送容量を算出し、MIMOによる伝送容量向上を確認した。さらに、円筒状の誘電体導波路の断面に複数のアンテナを設置し、各アンテナに所定の位相差の信号を入力することにより、円筒状誘電体導波路の管壁に軌道角運動量（OAM）の異なるモードでの多重伝送が可能であり、各モードに異なるデータ信号を重畳することにより、データ伝送容量の拡大が可能であることをシミュレーションにより実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
導波管―誘電体シート変換部の開口部の形状を誘電体シートをはみ出して伝搬する信号を導波管にガイドするテーパー状に変更することにより、変換部での損失を約1.8dBに低減した。この結果、変換部込みの1m誘電体シートの伝送損失が9.8dB＠120GHzと目標を達成する見込みを得た。導波管の上部をSRR集積ガラス基板に置き換えた中空導波管内に伝搬させ、ガラス基板に異種誘電体層を接触させることで接触した異種誘電体層にRF信号を導波する方法について検討した。SRRのガラス基板上への集積により，中空導波管と端末が接触していないときの中空導波管の損失を2.5dB＠125GHzに抑えることができた。また、ガラス基板に異種誘電体層を接触した場合、-19dBの損失で接触した異種誘電体層に電波を伝搬させることに成功した。その異種誘電体層に受信機を接続することにより、10Gbps伝送が可能であることを実証した。
異なる２つのサイズのSRRで構成される300GHz帯SRRデュアルバンドストップフィルタにおいて、隣接するSRR間で強い電気結合を発生するサイズ、および、セル配置を明らかにした。特に、同じサイズのSRRを電界方向に平行に並べた場合、同じサイズのSRR間の強い電気結合が、異なるサイズのSRR間の磁気結合を引き起こし、ストップバンドは、低周波側に大きくシフトすることを明らかにした。
誘電体を媒体とする通信の多重伝送技術として、誘電体パイプの管壁に沿ったOAM多重伝送を検討した。複数の送信アンテナに入力する信号に位相回転を与えることで、パイプ壁に沿って伝搬するマイクロ波信号にOAMモードを発生可能であること、パイプ長が1mの場合、37.5-43.5dBの範囲内のSINRが得られ、マイクロ波信号がパイプ内を伝搬するシステムに比べ、2.5倍のシステム容量を達成することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和５年度に設計・試作した伝送損失が 10dB/m@120GHzとなる低損失機能性誘電体層を使用し、その低損失機能性誘電体層に異種誘電体層を接触させた際に、異種誘電体層により導波した受信機で10Gbit/sのデータ伝送が可能か検討する。更に、信号が伝搬する誘電体層に近接させる異種誘電体層に、電磁カップリングにより異種誘電体層に信号を導くパタンと信号進行を止めるパタンを形成することにより、異種誘電体層への信号伝送の効率を向上させる手法の検討を行う。
MIMO多重伝送に向けて、複数の入出力ポートを有する誘電体層において、最大のMIMO伝送容量を実現する誘電体シート形状の最適化を実施する。さらに、円筒状の誘電体導波路の断面に複数のアンテナを設置し、各アンテナに所定の位相差の信号を入力することにより、円筒状誘電体導波路の管壁に軌道角運動量（OAM）の異なるモードでの多重伝送が可能であることを、円筒状の誘電体導波路との結合効率が高い平面アンテナの設計・試作を実施し、OAMモード多重伝送であることを実験により実証する。
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