2021 Fiscal Year Annual Research Report
メタサーフェスを用いた近傍界制御によるアレーアンテナの小型化及び高精度化
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21J20684
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
田村 成 横浜国立大学, 理工学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | アレーアンテナ / メタサーフェス / ビーム走査 / ヌル走査 / 位置推定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，特異な電磁界制御を引き起こすメタサーフェスをアレーアンテナ近傍に配置してアンテナの小型化と高精度化を同時に実現させる近傍界制御手法を提案し，高機能アンテナの設計に関する新たな基盤を創り出す．研究開始時点から掲げるように，本研究では動作原理・設計手法に関する基礎研究と，応用・実用化に関する研究を遂行する．
当該年度は，基礎研究において，メタサーフェスの一種として知られているHigh Impedance Surfaceに着眼したアレーアンテナの小型化及び高精度化に関する研究に取り組んだ．適切に設計したHigh Impedance Surfaceをアンテナ直下に配置することで，従来の反射板アンテナに対して70%程度の低姿勢化を行った．更に，アンテナの極近傍にメタサーフェスが配置される本構造を利用して，アンテナから表面波を励起させることによる放射指向性の高精度化に成功した．これにより，電波を放射しない，または受信しないヌル点を角度依存なく安定して走査できる小型・高精度アレーアンテナを見出した．
応用・実用化においては，提案アンテナの良好なヌル走査特性を利用した方向探知及び位置推定の高精度化に関する研究に取り組んだ．その具体的内容として(1)アレー構成及び給電回路の検討及び製作，(2)ヌルの高精度化による位置推定精度改善効果の検討，(3)予備実験による精度改善の確認を行なった．各研究成果に(1) 給電回路上の損失変動は0.5 dB以内の必要がある，（2）改善されたヌル走査特性によって120 cmの推定誤差を30 cmにまで高精度化できる，(3)，指向性の改善によって推定精度が確実に改善されることを確認した．(1)にある損失変動が0.5 dB 以下となる給電回路に関する研究は2022年度の研究の一部に追加して行い，その後にメタサーフェスアンテナと統合した推定実証を行う．
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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
基礎検討においては，メタサーフェスによる近傍界制御手法を独自に発案し，それによるアレーアンテナの小型化・高精度化の効果を実験結果より確認することができた．また，その改善原理を含めて研究成果をIEEE Transactions on Antennas and Propagationに発表済みであることは評価できる．一方，提案構造は製作が煩雑であることが解決課題として挙げられ，実用性を踏まえると一層の検討の余地がある．
応用・実用化においては，提案手法を用いた高精度方向探知・位置推定の実証に向けて順調に進展している．年度前半で方向探知アンテナの新構想を提案し，給電回路を含めた製作評価を完了した．この成果は国際学会International Symposium on Antennas and PropagationでBest Paper Award を受賞し，研究内容に関して世界から高い評価を得ている．年度後半はアンテナの高精度化による推定誤差の改善効果を定量的に明らかにした．この成果は今夏の国際学会で発表予定である．最新の研究進捗では，メタサーフェスアンテナとは別に提案してきたダイポールアレーアンテナを予備実験に利用して，アンテナシステムが及ぼす推定精度への影響を明らかにしている．これらの研究成果は実際にメタサーフェスアンテナを推定システムとして実用化することが可能であることを裏付ける．従って，今後研究を効率的に進めるうえで非常に有意義な研究成果である．
以上の観点より，基礎検討・応用の両側面が着実に進行していて，バランスよく研究が進展できていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は，独自手法の拡張と応用・実用化に向けて研究を推進する．
独自手法の拡張については2つの観点で推進することを考えている．1つは，パッチアンテナを用いたアレーアンテナの小型化・高精度化の実現である．2021年度に提案した構造は低姿勢化及び高精度化を果たす一方で，製作の煩雑化が課題となった．そこで，元来低姿勢なアレーアンテナを構築するパッチアンテナに，初年度で培ったメタサーフェスによる高精度化を試みる．ここで，パッチアンテナは使用可能な帯域幅が狭い特徴がある．そこで，メタサーフェスの近傍界制御による広帯域化及び指向性改善の同時実現を研究のねらいに定め，提案手法を拡張する方針である．もう1つは，メタサーフェスによるビーム走査の高精度化である．提案手法はヌル走査に限定した方法である．一方でビーム走査はアレーアンテナの代表的な使用手法であり汎用性が高い．そこで，走査性能を改善でき，更にアンテナシステムを小型化できるようなメタサーフェスの使い方を模索する．
応用・実用化においては2021年度に続き，高精度位置推定の実証を推進する．始めに，これまでの研究成果で得られてきた，低損失給電回路の設計を行う．低損失給電回路の完成は最小限のシステム構成で高精度な方向探知を可能にするアンテナシステムの完成を意味する．給電回路の設計後は，実際にメタサーフェスアンテナを組み合わせ，これまでに得られている結果との妥当性を確認する．
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