| 研究課題/領域番号 |
18K04122
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| 研究機関 | 埼玉大学 |
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研究代表者 |
木村 雄一 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (90334151)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 平面アンテナ / マイクロストリップアンテナ / マルチバンドアンテナ / 周波数可変アンテナ / バラクタダイオード |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的はマルチバンド平面アンテナである多リング形マイクロストリップアンテナの素子上にバラクタダイオードを直接装荷することにより、複数の周波数で利用でき、かつ、電子的な共振周波数の制御を可能とする新しい平面アンテナを提案し、その諸特性を明らかにすることである。
平成30年度は二層構造の誘電体基板を用いたバラクタ装荷周波数可変多リング形マイクロストリップアンテナの周波数制御特性および放射特性について検討を加えた。本アンテナは二層の誘電体基板により構成され、上側の基板にはリング形マイクロストリップアンテナが複数配置され、下側の基板にはリング形素子を励振するためのL字形の給電プローブが設置される。各々のリング形素子上に2個のバラクタダイオードが装荷され、バラクタには地導体背面に配置されたバイアス回路からビアを介して直流の逆バイアス電圧が印加される。バイアス電圧を変化させるとバラクタの容量値が変化するため、リング形素子の共振周波数を制御することができる。
そこで、リング形素子を2素子配置した2周波動作の周波数可変平面アンテナを設計・試作した。設計周波数は4GHz及び5GHz近傍とし、アンテナ素子の供試基板には比誘電率2.6、厚さ1.2mmのテフロングラスファイバー基板を用いた。各リング形素子のバイアス電圧を0～10Vの範囲で変化させたところ、各リング形素子の共振周波数を比帯域約20％の範囲で変化できること、各リング形素子の共振周波数はバイアス電圧によってほぼ独立に制御されることが明らかにされた。また、利得3 dBi以上を示す比帯域幅は約10％であること、周波数によらず放射パターンは安定した単向性が得られることが示された。以上のことから、二層構造の誘電体基板を用いたバラクタ装荷多リング形マイクロストリップアンテナは周波数可変平面アンテナとして良好な特性を示すことが明らかにされた。
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| 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
平成３０年度の研究計画は、二層構造の誘電体基板を用いたバラクタ装荷周波数可変多リング形マイクロストリップアンテナを設計し、その周波数制御特性および放射特性を明らかにすることであった。リング形素子にバラクタダイオードを装荷するとアンテナの入力インピーダンスが変化し、給電線路との整合特性が悪化することが予想されたが、Lプローブの寸法を適切に設定することにより、バラクタダイオードによりリング形素子の共振周波数を変化させた場合においても給電線路との整合特性を良好に保つことが可能となった。その結果、一般に平面アンテナの比帯域は1～2％程度であるが、バラクタダイオードのバイアスを変化させることにより、反射量-10 dB以下かつ利得3 dBi以上の比帯域は約10％が得られることが示された。また、それぞれのリング形素子に印加されたバイアス電圧により、複数のリング形素子の共振周波数をほぼ独立して制御可能であること、共振周波数を変化させても安定した放射パターンが得られることも明らかにされた。これらの特性は周波数制御マルチバンド平面アンテナとして大変良好であり、本年度の研究の進捗状況は当初の目標を達成し、十分な成果が得られた。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進方策は、はじめに二層構造の誘電体基板を用いたバラクタ装荷周波数可変多リング形マイクロストリップアンテナを一層の誘電体基板で実現することである。給電用のLプローブをリング形のアンテナ素子と同一面に設置し、リング形素子とLプローブの整合が得られるように、Lプローブの寸法及びLプローブとリング形素子の間隔を調整する。誘電体基板を一層とすることで構造が簡素となり、加工が容易となる。この誘電体基板を一層とした場合のアンテナの周波数制御特性および放射特性を明らかにする。
次に、アンテナの構成をさらに簡易にするため、バイアス回路の削減について検討する。多リング形マイクロストリップアンテナの各リング形素子にバラクタダイオードを装荷してそれぞれの共振周波数を制御するには、リング形素子の個数に応じてバイアス回路も複数配置する必要がある。バラクタダイオード1個に対して正負の2個のバイアス回路が必要となるが、このうち負極側のバイアス回路をリング形素子と地導体を接続するビアに置き換えて、ビアをリング形素子の零電位面に設置することにより、負極側のバイアス回路を削減することができる。つまり、バイアス回路の個数を半減させることが可能となる。バイアス回路を削減した場合のバラクタ装荷周波数可変多リング形マイクロストリップアンテナの周波数制御特性および放射特性を明らかにする。
さらに、リング形素子と地導体を接続するビアは短絡素子として動作するため、リング形素子の面積を半分に削減することができると考えられる。つまり、リング形素子と地導体を接続するビアによりアンテナの小形化が可能となる。一般にアンテナの小形化は動作帯域の減少や利得の低下が懸念される。そこで、リング形素子の面積を半分としたバラクタ装荷周波数可変多リング形マイクロストリップアンテナの諸特性についても同様に評価する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初は電磁界解析シミュレータAnsys HFSSを新規に導入する予定であったが、次年度により高性能な新バージョンがリリースされることが判明したため、次年度に新規導入することにした。そのために今年度の経費に残額が発生した。なお、今年度は既存の電磁界解析シミュレータを用いて予定された研究を遂行することができたため、研究の進捗状況は順調であった。
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