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2019 年度 実施状況報告書

5G無線通信を支えるマルチバンドとミリ波デバイスの理論設計による迅速開発

研究課題

研究課題/領域番号 16K06320
研究機関神奈川大学

研究代表者

陳 春平  神奈川大学, 工学部, 准教授 (20440266)

研究分担者 穴田 哲夫  神奈川大学, 付置研究所, 名誉教授 (20260987)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2021-03-31
キーワードマルチバンド・ミリ波デバイス / 金属フォトニック結晶 / 金属PhCデバイス
研究実績の概要

本研究は第5世代移動通信システムの本格的な普及・展開に向けて,従来のマイクロ波帯に加え,ミリ波帯,さらにテラヘルツ帯までを含めた高周波受動回路の理論設計および無線通信システム用キーコンポーネントとしての超広帯域バンドパスフィルタ・マルチバンド広帯域フィルタなどの機能デバイスの迅速な開発を目指している.
このような超広帯域・高周波帯における高性能なデバイスを開発するために,新たな低損失誘電率材料の開発や受動回路のみならず,能動素子をフレキシブルに組み込める基板回路技術が要求されている.5G,IoT及び車載レーダ技術などの進展に伴い,超高速・超広帯域・超高周波回路技術の開発はさらに加速し,基本的デバイスとしての伝送線路も方形導波管(WG),マイクロストリップ線路(MSL)以外に, SIW(Substrate Integrated Waveguide)もしくはPWW(Post Wall Waveguide)の導波路構造は,比較的容易なPCB加工プロセスと良好なQ値の共振素子を実現できることから盛んに研究されている.一方,金属フォトニック結晶構造(MPhC:Metallic Photonic Crystal)は,バンドギャップ (光領域ではPBG,電磁波領域ではEBGとも言う)や特異分散の性質を持ち,ミリ波・テラヘルツ波領域において,将来の電磁波回路技術の限界を克服する有望な選択肢の一つとして,高Q電磁波回路の開発・応用が期待されている.本研究のミリ波フィルタの開発において,金属フォトニック結晶構造の利用を検討し,それに基づいた共振器・フィルタ構造の提案と順次最適化手法に基づいた新理論合成方法の開発との2つの方面から研究を進めている.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1. 金属フォトニック結晶構造を用いたミリ波/サブミリ波デバイスの設計・合成理論の研究について,フィルタの各共振素子を順次追加するごとに結合行列をあらたに算出するとともに,電磁界シミュレータを援用し,結合行列に基づく所望特性を満足するように構造パラメータを調整する合理的設計法を提案した.このように共振器を一つの単位として順次最適化することにより,所望のフィルタ特性を実現する設計技法は,全構造パラメータに対する大域的最適化を必要とせずに合理的にフィルタ設計を行うことができる.
2. 第5世代無線通信用ミリ波/サブミリ波デバイスフィルタの開発について,前年度の仕事を引き継ぎ,提案した新しい設計理論を用いて,25GHz帯および28GHz帯のミリ波金属フォトニック結晶構造バンドパスフィルタを設計し,試作した.
3. 本基盤研究では5G無線通信用マルチバンドの設計とミリ波デバイスの実現を予定しているが,研究に関係する日本の5G用周波数の割当が公表されたのが平成31年4月と想定より遅かったため,研究計画に影響が生じ,回路の作製や学術会議での成果の公表,論文投稿等に遅れが生じている.

今後の研究の推進方策

5G無線通信用マイクロ波・ミリ波・サブミリ波フィルタなどの機能デバイスの設計に関して,効率的な理論設計手法の開発および5G無線通信システムの仕様を満たすデバイスの設計・応用の両面から研究を推進する.
1. 2019年度までは,新しく提案したフィルタの合成理論で飛び越し結合を持たない直接結合形金属フォトニック結晶(PhC)構造を用いたミリ波フィルタを設計し,理論の妥当性を確認したが,この設計理論は飛び越し結合を有するフィルタの設計ができない.一方,飛び越し結合の導入により,減衰極を持つフィルタの設計,そして,小型フィルタの実現が可能のため,2020年度は前年度の研究を引き続き,飛び越し結合を有するフィルタの新しい合成理論の研究を行う予定である.
2. 5G無線通信システム用機能デバイスの開発について,平成31年4月に日本の5G用周波数の割当が公表されたため,2020年度では日本の5G無線通信システムの仕様を完全に満たす高性能小型バンドパスフィルタの開発を実施する.具体的には,2019年度の研究を引き続き,多段金属フォトニック結晶(PhC)バンドパスフィルタ構造に基づいて,日本の5G無線通信システム用フィルタを理論設計し,開発する.
3. なお,2020年度は研究成果のまとめと成果報告とする.また電子情報通信学会総合大会,ソサイエティ大会,マイクロ波研究会,エレクトロニクスシミュ レーション研究会等での研究発表を含めて, EuMW,APMCのマイクロ波・ミリ波国際会議での発表,企業との連携による実装技術の確立,さらに合理的設計理論などを公開する.

次年度使用額が生じた理由

平成31年4月に日本の5G用周波数の割当が公表されたため、研究に一部遅れが生じている。2020年度に研究を加速するために、シミュレーション専用多CPU・高性能GPU搭載型パソコンを購入する予定であり、費用が発生する。また、設計した回路を作製するために費用も必要である。さらに、研究成果を公開するために、電子情報通信学会への論文投稿や,EuMW, APMCなどの国際会議での研究成果の発表を予定している。それゆえ、論文掲載費、国内・国際会議への参加旅費などが発生する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 9件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Synthesis Theory of Ultra-Wideband Bandpass Transformer and its Wilkinson Power Divider Application With Perfect in-Band Reflection/Isolation2019

    • 著者名/発表者名
      Wang Xiaolong、Ma Zhewang、Xie Taiyang、Ohira Masataka、Chen Chun-Ping、Lu Geyu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques

      巻: 67 ページ: 3377~3390

    • DOI

      10.1109/TMTT.2019.2918539

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 5G準ミリ波帯における非対称金属ポスト窓を用いた金属フォトニック結晶帯域通過フィルタの設計手法2020

    • 著者名/発表者名
      勝野絵梨香, 陳 春平, 穴田哲夫, 土屋健伸, 渡邉騎通
    • 学会等名
      電子情報通信学会研究会
  • [学会発表] Study on Silicon-based Polarization Rotator Using Asymmetric Slot Waveguides2019

    • 著者名/発表者名
      Z. Zhang, Y. Tsuji, M. Eguchi, and C.-P. Chen
    • 学会等名
      PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Theoretical Design of RF Filtering Switch Using Short-circuited Stubs and Coupled-lines2019

    • 著者名/発表者名
      Hang Sun, Chun-Ping Chen, Zejun Zhang, Tetsuo Anada
    • 学会等名
      PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Metallic Photonic Crystal Structure with Air-Gap and Its Applications in Resonator and Filter Design2019

    • 著者名/発表者名
      Katsuno Erika、Chen Chun-Pinz、Anada Tetsuo、Zhang Zejun
    • 学会等名
      2019 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC)
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-isolation Resistors in Coupled Line Section for Wilkinson Power Divider and Its Optimization2019

    • 著者名/発表者名
      Wang Xiaolong、Ma Zhewang、Ohira Masataka、Chen Chun-Ping
    • 学会等名
      2019 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC)
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of a Dual-Band Power Divider using Single Ring Structure2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Bin、Wu Bin、Wang Qingfeng、Wang Xiaolong、Ma Zhewang、Chen Chun-Ping
    • 学会等名
      2019 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC)
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of Metallic PhC Band-Pass Filter in Quasi-Millimeter-Wave Band2019

    • 著者名/発表者名
      Chun-Ping Chen, Tetsuo Anada, Zejun Zhang
    • 学会等名
      2019 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Novel Bandpass Filter Using Metallic Photonic Crystal Structure2019

    • 著者名/発表者名
      Chen Chun-Ping、Anada Tetsuo、Wang Xiaolong
    • 学会等名
      2019 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Design Approach of Single-/Dual-Band Wilkinson Power Dividers with Single/Two Section Transmission Line Transformers2019

    • 著者名/発表者名
      Wang Xiaolong、Wu Bin、Wang Qingfeng、Ma Zhewang、Chen Chun-Ping
    • 学会等名
      2019 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Design of Polarization Rotator Based on Asymmetric Slot-Waveguide2019

    • 著者名/発表者名
      Z. Zhang, Y. Tsuji, E. Masashi, C. Chen and T. Anada
    • 学会等名
      2019 Asia Communications and Photonics Conference (ACP)
    • 国際学会
  • [学会発表] 非対称誘導性金属円柱共振器型準ミリ波帯MPhC狭帯域帯域通過フィルタの設計法2019

    • 著者名/発表者名
      勝野絵梨香, 陳 春平, 佐藤知正, 張 沢君, 穴田哲夫
    • 学会等名
      電子情報通信学会研究会
  • [学会発表] 結合行列に基づく非対称誘導性ポストMPhC4段BPFの設計2019

    • 著者名/発表者名
      勝野絵梨香, 陳 春平, 張 沢君, 穴田哲夫, 武田重喜
    • 学会等名
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] スミスチャートと多次元の図式解釈2019

    • 著者名/発表者名
      武田重喜, 穴田哲夫, 陳 春平
    • 学会等名
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 28GHz帯導波管BPFで2倍波を抑制する一手法2019

    • 著者名/発表者名
      久保田倫代, 中嶋政幸, 武田重喜, 陳 春平
    • 学会等名
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] Design of Compact Polarization Rotator Based on Slot Waveguide2019

    • 著者名/発表者名
      Zejun Zhang, Yasuhide Tsuji, Masashi Eguchi, Chun-ping Chen
    • 学会等名
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 結合行列に基づくK帯金属フォトニック結晶BPFの合理的設計2019

    • 著者名/発表者名
      勝野絵梨香, 陳 春平, 佐藤知正, 張 沢君, 穴田哲夫
    • 学会等名
      電子情報通信学会研究会
  • [学会発表] 非対称スロットシリコン導波路を用いた偏光変換素子の設計2019

    • 著者名/発表者名
      張 沢君, 辻 寧英, 江口真史, 陳 春平
    • 学会等名
      電子情報通信学会研究会

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公開日: 2021-01-27  

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