等価回路同定手法

本研究では、先行研究における課題を踏まえ前節の3点の項をフィッティングする ため、1)インピーダンス・アドミタンス特性ともに表現可能かつ第二共振点以降もカ バーできるボウタイアンテナの等価回路モデリングを行うこと、2)半導体メサ部分を 物理的解釈込みの表現を行う、3)出力線路を入力・出力のどちらから見ても同じ特性 を持つような等価回路表現を行う。以上の3点を目的としてより厳密な等価回路モデ ルを構築する。

具体的なアプローチとしては電磁界解析により図5.1に示すような(a)集積デバイ ス、(b)ボウタイアンテナ単体、(c)^{半導体メサ単体、}(d)出力線路単体のそれぞれに ついてインピーダンス・アドミタンス周波数特性及び(a)、(d)についての伝送特性解 析を行い、それぞれのデータ全てに対してフィッティングを行うことで等価回路トポ ロジーとそのパラメータの同定を行う。フィッティングの手法に関しては粒子群最適

化(PSO)手法を用いて等価回路の同定を行う。なお本論文中ではテラヘルツ検波レク

テナに対する等価回路について主に述べる。

5.2.3 ボウタイアンテナの等価回路モデリング

図5.2にダイポールアンテナの等価回路と、ダイポールアンテナの電磁界解析にお ける入力アドミタンス計算例を示す。ボウタイアンテナは変形ダイポールアンテナで あり、基本的には等価回路も似たような構造になると考えられる。ダイポールアンテ ナにおいては波長がアンテナ長の半分になるときにアドミタンスで共振点をとり、等 価回路のRLC 直列回路がその共振を表現していることがわかる。波長λ に対しアン

テナ長が3λ/2,5λ/2. . . となる時にアドミタンスは共振点をとるが、これは同じRLC

直列回路を並列に足し合わせることによって表現できると考えられる。

ボウタイアンテナにおいては3で述べたように高周波で一定のインピーダンスに収 束する自己補対アンテナの定インピーダンス性の特徴を持つ。そのため、高周波で一 定のインピーダンスになるようにRCの直列ブランチを回路に足し合わせる必要が ある。

(a)メサ部を除いた集積レクテナ (b) アンテナ

(c) メサ領域

(d) 出力線路 図5.1 等価回路モデリングを行う解析モデルの概念図

Antenna

Ra di a ti on

(a) 等価回路

0 2 4 6 8 10

Frequency [GHz]

-0.01 0 0.01 0.02 0.03

Admittance [S]

real imag

(b) アドミタンス解析例 図5.2 ダイポールアンテナの等価回路と入力アドミタンス

図5.3 テラヘルツ帯検波レクテナにおける新たに構築したアンテナの等価回路

図5.3に示されるようなRC直列ブランチを並列に足し合わせフィッティングを行 なった等価回路のインピーダンスとアドミタンスの理論解析結果を図5.4に示す。表 5.1に同定した等価回路パラメータを示す。

0 200 400 600 800 1000

Frequency [GHz]

-1500 -1000 -500 0 500

Impedance []

Imaginary part Real part

EM Simulation Analytical experssion

(a) インピーダンス

0 200 400 600 800 1000

Frequency [GHz]

-0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15

Admittance [S]

EM Simulation Analytical experssion

(b) アドミタンス

図5.4 テラヘルツ帯検波レクテナにおけるアンテナ等価回路のフィッティング

表5.1 テラヘルツ帯検波レクテナにおけるアンテナ等価回路のパラメータ R1 L1 C1 R2 L2 C2 R3 L3 C3

4.7Ω 75pH 11fF 50Ω 134pH 0.74fF 48Ω 321pH 20fF R_self C_self

188Ω 2.0 fF