| 研究課題/領域番号 |
18K13736
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
今野 佳祐 東北大学, 工学研究科, 助教 (20633374)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | フェーズドアレー / リフレクトアレー / レーダー |
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| 研究実績の概要 |
電磁波に対する不可視性とビーム走査能力を両立したアンテナは実現し得るのか、という学術上の疑問に対し、非同一素子から成る周期的アレーアンテナを提案してそれを実現した。提案アレーアンテナは忍者アレーアンテナと呼ばれ、後方散乱が小さいので、広帯域パルス電磁波を用いたモノスタティックレーダーに不可視である。
後方散乱が小さく、広帯域パルス電磁波を用いたモノスタティックレーダーに不可視な性質を有するアレーアンテナの実現は、セキュリティ上の観点から重要な意義を持つ。アレーアンテナは、空港のボディスキャナーや航空・気象レーダーに用いられることが多く、その性能は最高機密に属する。その一方で、このようなアレーアンテナは周期構造を持つので、後方散乱が大きくなり、広帯域パルス電磁波を用いたモノスタティックレーダーに捕捉されてしまう。このような、アレーアンテナが持つセキュリティ脆弱性は長年問題になっていたが、有効な解決策はこれまでに提案されていなかった。本研究で提案する忍者アレーアンテナが実現されれば、後方散乱の小さいフェーズドアレーが実現され、レーダーとしての機能を損なうことなく、セキュリティの脆弱性を解消することができる。したがって、本研究の果たす社会的意義は大きい。
今年度は、忍者アレーアンテナの設計法を確立し、その有効性を数値的に明らかにした。また、関連技術としてアレーアンテナの電磁界数値解析法や、電流分布推定法に関する研究を行い、応用技術として無線充電の基礎検討を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初の研究計画では、本年度の研究予定は以下の通りであった。まず、モノスタティックレーダーに不可視な(=後方散乱の小さい)忍者アレーアンテナの設計法・ビーム走査法を構築し、その有効性を解明する。設計にはリフレクトアレーの設計法を応用し、ビーム走査法はモーメント法によって数値的に求めたインピーダンス行列(Z 行列)と最小二乗法を組み合わせて構築する。忍者アレーアンテナの後方散乱が、その動作帯域内で小さいこと、および所望の方向に主ビームが出ていることを数値シミュレーションで示す。
本年度は、基本的にはこの計画に基づいて研究を進めた。まず、リフレクトアレーの設計法を応用し、非同一素子の大きさは散乱電界が所望の方向で強め合うように決定した。次に、このような非同一素子から成るフェーズドアレーアンテナの給電法は、アレーエレメントパターンを用いて構築した。アレーエレメントパターンには、素子形状の違いや素子間相互結合の情報が含まれるので、非同一素子から成るフェーズドアレーであっても、ビーム走査が実現できる。最後に、このようなフェーズドアレーの低後方散乱性能とビーム走査性能を電磁界数値シミュレーションによって数値的に明らかにした。八木-宇田アレー素子を用いた忍者アレーアンテナを構築し、同一素子から成るアレーアンテナと比較して、その後方散乱断面積が8 dBほど小さいことを明らかにした。また、対数周期ダイポールアレー素子を用いた忍者アレーアンテナも構築し、低後方散乱性能とビーム走査性能を明らかにした。
また、アレーアンテナの電磁界数値解析法や電流分布推定法の研究、および無線充電の基礎検討も関連・応用研究として行った。これらの研究は、当初の計画にはなかったものの、忍者アレーアンテナとの関連が深いので遂行したものである。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究では、モノスタティックレーダーに不可視な(=後方散乱の小さい)忍者アレーアンテナの試作を行い、その有効性を実験的に明らかにすることを主な目標とする。電波無響室で実験を行うことのできる小規模なサイズのアレーアンテナを試作し、その後方散乱特性とアレーエレメントパターンを実測する。フェーズドアレーアンテナとしてのビーム走査性能は、測定したアレーエレメントパターンに適切な重みを乗じて合成することで明らかにする。以上のような試作・実験を通して、忍者アレーアンテナの実現が可能であることを実験的に明らかにすることを目指す予定である。
また、関連研究として、今年度に遂行したアレーアンテナの高速な電磁界数値解析法や、アレーアンテナの近傍界からその電流分布を推定する技術の確立にも注力する。高速な電磁界数値解析法は、アレーアンテナの設計を効率化する技術であり、忍者アレーアンテナの設計及び特性解明を加速させるものである。また、アレーアンテナの電流分布推定技術は、忍者アレーアンテナの故障素子を特定し、修復を効率化するための技術として実用上重要である。当初予定に加え、これらの周辺技術を研究することで、研究計画を発展・加速させる予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初予定よりも研究の進捗が順調であり、少ない消耗品で研究が進んだこと、海外出張が当初予定よりも少なくなったことの2点が次年度使用額が生じた理由として挙げられる。次年度使用額として繰り越した金額は、順調に得られた研究成果の外部への公表や、周辺技術の研究のための消耗品等に充てる予定である。
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