Study on the development of thin dielectric lens with functionally graded materials for next-generation millimeter-wave sensors

用于下一代毫米波传感器的功能梯度材料薄介电透镜的开发研究

• 批准号: 22K04097
• 负责人: 伊藤 桂一
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Akita National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04097/
• 关键词: ミリ波アンテナ; 誘電体レンズ; トポロジー最適化; FDTD法

本研究ではミリ波帯においてアンテナに密着して使用可能な誘電体レンズを実現するために傾斜機能薄型誘電体レンズを開発することを目的とする。傾斜機能材料をアンテナ用誘電体レンズに応用し，誘電率を３次元的に傾斜化することにより，アンテナと誘電体レンズを密着したときの波動インピーダンスのミスマッチの緩和と，レンズ的な収束効果による利得改善という２つの性能の両立を実現することを目指している。複雑な傾斜材料分布を設計，試作するために，自由度の高い形状設計が可能なトポロジー最適化を用いた設計法を導入した。正規化ガウス関数ネットワーク(NGnet)を用いたトポロジー最適化は複数材料の最適化も可能であり，本研究ではその設計性能の評価を行う。設計モデルとして波長の1/4程度の厚みを持つトポロジー最適化の設計領域を設け，空気領域と誘電体領域を最適に配置する。その際，設計領域とアンテナが密着していると放射が小さくなるため，誘電体の囲いを間に挿入した構造で最適化を行った。1材料モデルと誘電率を3通り組み合わせた3材料モデルについて最適化を行い，どちらのモデル共にレンズ的な収束性が得られることを確認した。平均すると3材料モデルの利得が1材料モデルと比較しても大きくなり，傾斜機能材料の有効性を確認することができた。設計領域と誘電体の囲いの厚さを合わせると約半波長となり，高誘電率材料を用いた薄型化が可能であることを示すことができた。さらなる薄型化を目指して誘電体の囲いがない状態での設計も試みたところ，利得の改善を確認した。

本研究的目的是开发一种功能梯度薄介电透镜，以实现可与毫米波频段天线紧密接触使用的介电透镜。通过将功能梯度材料应用于天线介电透镜并在三维上梯度介电常数，可以减轻天线和介电透镜紧密接触时的波阻抗失配，并实现类似透镜的会聚效果。目标是实现两个性能提升：获得改进。为了设计和原型复杂的梯度材料分布，我们引入了一种使用拓扑优化的设计方法，允许高自由度的形状设计。使用归一化高斯函数网络（NGnet）的拓扑优化还可以优化多种材料，本研究评估了其设计性能。作为设计模型，建立厚度约为1/4波长的拓扑优化设计区域，并对空气区域和介质区域进行优化布置。这时，如果设计区域和天线紧密接触，辐射就会减少，所以我们通过在它们之间插入介电外壳来优化结构。对单材料模型和具有三种介电常数组合的三材料模型进行了优化，并证实这两种模型都实现了类透镜收敛。平均而言，三种材料模型的增益大于一种材料模型的增益，证实了功能梯度材料的有效性。设计面积和介电外壳的厚度加起来约为半个波长，表明可以通过使用高介电常数材料使器件变得更薄。为了使器件变得更薄，我们还尝试了一种没有电介质外壳的设计，结果发现增益有所提高。

项目成果

高誘電率材料を用いたミリ波アンテナ用薄型誘電体レンズの設計

高介电常数材料毫米波天线薄介质透镜设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Keiichi Itoh;Shun Togase;Junya Satoh;Hideaki Matsuda;Eiko Sugawara;Masaki Tanaka; Hajime Igarashi;伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一;伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一
• 通讯作者: 伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一

トポロジー最適化によるミリ波アンテナ用薄型レンズの設計

毫米波天线薄透镜拓扑优化设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Keiichi Itoh;Shun Togase;Junya Satoh;Hideaki Matsuda;Eiko Sugawara;Masaki Tanaka; Hajime Igarashi;伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一
• 通讯作者: 伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一

Topology Optimization of Thin Lens for Millimeter Wave Antenna Using High Dielectric Constant Material

高介电常数材料毫米波天线薄透镜拓扑优化

• 发表时间: 2023
• 作者: Keiichi Itoh;Shun Togase;Junya Satoh;Hideaki Matsuda;Eiko Sugawara;Masaki Tanaka; Hajime Igarashi
• 通讯作者: Hajime Igarashi