2013 Fiscal Year Annual Research Report
小形メタマテリアル構造によるヘリカルアンテナの性能向上
Publicly Offered Research
| Project Area | Electromagnetic Metamaterials |
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| Project/Area Number |
25109714
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群) |
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Principal Investigator |
道下 尚文 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工, 電気情報学群, 講師 (30535357)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / 小形アンテナ / 積層セラミックコンデンサ |
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| Research Abstract |
小形ダイポールアンテナを負誘電率殻で覆うことで，従来のアンテナの小形化限界を超える性能が得られることを電磁界シミュレーションにより明らかにした．小形化率を定量的に判断するために，同じ体積を有する球状ヘリカルアンテナの性能と比較することで，Q値が大幅に低下することが分かった．また，実現可能性を調査するために，実構造として細線導体とチップインダクタの組み合わせによる負誘電率媒質の設計を行った．この構造は負誘電率を示すが，周波数分散があるため，均質，非分散の理論結果において見られたQ値の大幅な低下は実現不可能であることが分かった．
次に，積層セラミックコンデンサがスプリットリング共振器と同様に，共振周波数付近で負透磁率を示すことから，アンテナのコア材としての利用を考えた．100pF以下の積層セラミックコンデンサを磁流方向に配列することで，小形磁流源として動作することを明らかにした．その放射効率は1%以下と非常に低いため，最適な給電構造と放射抵抗の増加が今後の課題として残った．
上記の積層セラミックコンデンサと負誘電率を示すカットオフ導波管を組み合わせることで，左手系メタマテリアル構造を設計した．積層セラミックコンデンサの内部電極構造に着目した結果，1/32波長の単位セルサイズを実現可能であることを明らかにした．本提案構造を用いれば，小形アンテナのコア材として周期構造を構成することが可能である．また，今後本構造を他のアンテナの性能向上に利用することを考え，素子値と屈折率の関係を電磁界シミュレーションにより求めた．
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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
積層セラミックコンデンサが負透磁率を示す原理とその設計法を明らかにすることに時間を要したが，小形磁流源として利用可能であることを電磁界シミュレーションにより明らかにできた．これにより，次年度に試作評価に移ることができる．また，当初の計画にはなかったが，アンテナ周囲に負誘電率殻を配置することによるアンテナの小形化限界について，その理論的な達成条件を明らかにすることができたため，当初の計画以上の成果が得られていると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度，積層セラミックコンデンサ(MLCC)を磁流方向に配列すると，小形磁流源として動作することを電磁界シミュレーションにより明らかにしたので，今後はまず，本現象の実証を目的としてアンテナの試作を行う．長さ10mm以下の空間に，2mm程度の大きさのMLCCを高精度に配置することが要求されるので，その製作法を検討する．本年度求めた素子値と共振周波数の関係を基に，様々な素子値のMLCCをコア材としたときの，アンテナの共振周波数を測定し，設計法の妥当性を検証する．
次に，本年度課題として残った放射抵抗の増加法について検討する．具体的には，当初の計画通り，ヘリカルアンテナを採用し，小形メタマテリアル構造をコア材として利用した際の，アンテナの諸特性を体系的にまとめる．
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