電磁波デバイス開発への応用

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2. 電磁波デバイス開発への応用

地中レーダシミュレーションへの応用

地震・台風など自然災害による河川堤防の決壊・崩壊河川堤防の危険度把握や被害軽減対策

⇒

地中レーダによる非破壊探査が有効

地中レーダ探査の実際（左：古墳探査，右：地雷探査）

研究背景

地中レーダ

GPR (Ground Penetrating Radar)

地中へ入射した電磁波の反射波から地中情報取得地中媒質の不均質性から不要反射波が観測

不要反射波除去のための信号処理や現象把握が必要

FDTD

法による地中レーダシミュレーション

時間領域解析，任意形状や媒質のモデル化が容易順・逆解析が

1990

年代から国内外で盛んに研究

FDTD

法の計算コストの問題（計算時間）

スパコン，クラスタ，

FPGA

_，

Cell/B.E.

_{による高速化}

⇒

探査現場で使用できるほどの高速化は困難

FDTD

法のリアルタイム化による検出精度向上の期待

解析モデル（ 2D/3D _）

O y x J _y z

0.1 m

1.0 m

0.1 m

air

ground

ε _r = 4.0

σ = 0.001 S/m

ε _r = 1.0

σ = 0.0 S/m

cylinder

解析パラメータ

2D 3D

problem size 1024 x 1024 256 x 256 x 256 source line current point current

pulse Gaussian (– 3dB width:0.5 ns)

scan range ^−2.5 x +2.5 −1.0 x/y +1.0 ( _Δx _{= 0.05} m) ( _Δx _{= Δy} _{= 0.1} m)

# of scannings 100 400

ground _ε _r _{= 4.0} , _σ _{= 0.001} S/m cylinder _ε _r _{= 1.0} , _σ _{= 0.0} S/m

increments _{Δ = 0.01} m, _Δs _{= 0.01} _× ₁₀ ⁻ ⁶ s

# of time steps 3000

ABC 1st. Mur

compiler CUDA 4.0 (gcc 4.4.5 -O3)

使用する GPU _クラスタ

Geforce GTX 580

10

枚（

PC 1

台に

2

枚搭載）

リモートシェルで各

GPU

_{に解析モデルを投入} モデル

10

個を自動で同時に計算可能

3 _{次元問題：解析結果}

3 _{次元問題：計算時間}

各

CPU/GPU

による計算時間

フラクタル構造による電磁波デバイス

メタマテリアル・フォトニック結晶による電波・光の制御多くが周期的な誘電体の配列（周期構造）

自己相似性をもつフラクタル構造

実現容易な一次元構造（カントール構造）の電波伝搬解析高精度な

FDTD

法による数値シミュレーション

伝送線理論による解析解

光学・マイクロ波実験による検証

カントール構造を応用した電磁・光デバイス

カントール構造中の電磁波

⇒

^{Ｑ値大，ピーク値大} 反射・透過特性を利用：電波遮蔽板，光・

X

_線導波路共振特性を利用：高利得アンテナ，共振器

カントール構造

x x x

L L L

0 0 0

ε 1 , μ 1

ε 1 , μ 1 ε 2 , μ 2

d ⁰ = L

d ¹

d ²

0th stage

1st stage

2nd stage

カントール構造の透過特性

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Transmission coefficient (dB)

d / λ

1st 2nd 3rd

カントール構造

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Transmission coefficient (dB)

d / λ

3 layers 7 layers 15 layers

周期構造

ε ² /ε ¹ = 4.0

^{，無損失，非磁性体}

カントール構造の透過特性

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

1 2 3

0 5 10 15

Minimum transmission (dB) Q value

peak

Q

カントール構造中央部の共振特性

0 5 10 15 20

1 2 3

10 100 1000

Maximum resonance (dB) Q value

stage number Peak

Q

カントール多層薄膜の作製と透過特性

SiO2-TiO2

によるカントール多層薄膜（第

2

_{ステージ）}

可視光

400

_〜

800 nm

における透過特性の測定

カントール薄膜の作製と透過特性

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24

Transmission

d ₂ / λ

measured FDTD

実験と計算の比較（第

2

_{ステージの透過係数）}

多層板カントール構造の透過係数の測定

1

〜

6 GHz

で

S21

を測定し透過係数の周波数特性石膏ボードによる多層板カントール構造の作製

FDTD

_{計算（平面波）と比較}

カントール構造とビバルディアンテナ

石膏ボード：安価，比誘電率

ε _r = 2.25

ビバルディアンテナ：アンテナ自体からの反射波低減

実験と FDTD _{の比較（第} 2 _{ステージ）}

-8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0

1 2 3 4 5 6

Transmission coefficient (dB)

Frequency (GHz)

measured

ドキュメント内 2ndD3.eps (ページ 55-72)

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2. 電磁波デバイス開発への応用

地中レーダシミュレーションへの応用

⇒

研究背景

GPR (Ground Penetrating Radar)

FDTD

1990

FDTD

FPGA

Cell/B.E.

⇒

FDTD

解析モデル（ 2D/3D ）

O y x J y z

0.1 m

1.0 m

0.1 m

air

ground

ε r = 4.0

σ = 0.001 S/m

ε r = 1.0

σ = 0.0 S/m

cylinder

解析パラメータ

2D 3D

problem size 1024 x 1024 256 x 256 x 256 source line current point current

pulse Gaussian (– 3dB width:0.5 ns)

scan range −2.5 x +2.5 −1.0 x/y +1.0 ( Δx = 0.05 m) ( Δx = Δy = 0.1 m)

# of scannings 100 400

ground ε r = 4.0 , σ = 0.001 S/m cylinder ε r = 1.0 , σ = 0.0 S/m

increments Δ = 0.01 m, Δs = 0.01 × 10 − 6 s

# of time steps 3000

ABC 1st. Mur

compiler CUDA 4.0 (gcc 4.4.5 -O3)

使用する GPU クラスタ

Geforce GTX 580

10

PC 1

2

GPU

10

3 次元問題：解析結果

3 次元問題：計算時間

CPU/GPU

フラクタル構造による電磁波デバイス

FDTD

⇒

X

カントール構造

x x x

L L L

0 0 0

ε 1 , μ 1

ε 1 , μ 1 ε 2 , μ 2

d 0 = L

d 1

d 2

0th stage

1st stage

2nd stage

カントール構造の透過特性

ε 2 /ε 1 = 4.0

カントール構造の透過特性

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

1 2 3

0 5 10 15

Minimum transmission (dB) Q value

peak

Q

カントール構造中央部の共振特性

0 5 10 15 20

1 2 3

10 100 1000

Maximum resonance (dB) Q value

stage number Peak

Q

カントール多層薄膜の作製と透過特性

解析モデル（ 2D/3D _）

O y x J _y z

ε _r = 4.0

ε _r = 1.0

scan range ^−2.5 x +2.5 −1.0 x/y +1.0 ( _Δx _{= 0.05} m) ( _Δx _{= Δy} _{= 0.1} m)

ground _ε _r _{= 4.0} , _σ _{= 0.001} S/m cylinder _ε _r _{= 1.0} , _σ _{= 0.0} S/m

increments _{Δ = 0.01} m, _Δs _{= 0.01} _× ₁₀ ⁻ ⁶ s

使用する GPU _クラスタ

3 _{次元問題：解析結果}

3 _{次元問題：計算時間}

d ⁰ = L

d ¹

d ²

ε ² /ε ¹ = 4.0

d ₂ / λ

ε _r = 2.25

実験と FDTD _{の比較（第} 2 _{ステージ）}