人体検査用広帯域五角形パッチアンテナ
平野
拓一
†a)吉川
公麿
††広川
二郎
†安藤
真
†Wideband Pentagonal Patch Antenna for Body Diagnostic
Takuichi HIRANO
†a), Takamaro KIKKAWA
††, Jiro HIROKAWA
†, and Makoto ANDO
†あらまし 乳癌診断用 UWB (Ultra-Wideband) レーダや BAN（Body Area Network; 人体通信網）などの 応用では，人体に密着した状態でアンテナを設計する必要がある．著者らは過去に人体内部診断用アンテナを設 計するための人体組織の簡易な電磁界モデリングについて検討した．本論文では乳癌診断用 UWB レーダの開発 に向けて五角形パッチアンテナを提案した．人体密着状態において，反射係数は UWB 周波数帯域 3∼10 GHz において−8 dB 以下となった．シミュレーションにおいて，放射電界強度も広帯域に変化が小さいことを確認し た．4 × 4 アレーアンテナにおいても反射係数の周波数特性の計算と実験はよく一致することを確認した．UWB 周波数帯域内で群遅延の変化が小さいことを確認した． キーワード 乳癌診断，UWB，人体，電磁界解析，五角形パッチアンテナ
1.
ま え が き
乳癌の早期発見のために，
UWB (Ultra-Wideband)
レーダを用いた診断が検討されている
[1]
∼
[6]
．従来，
乳房に密着させないアンテナ
[2]
が提案されているが，
皮膚表面の反射波を低減するために乳房とアンテナの
間を液体で浸すなどの必要があり，簡易な診断はでき
ない．また，乳房に密着させるアンテナも提案されて
いるが，乳房の形状にアンテナ素子は配置した場合
[4]
には，校正のための各アンテナ素子の位置の検出が問
題となる．そこで，
[5], [6]
において，平面アレーアンテ
ナが提案されている．ただし，
[5], [6]
では，人体と反対
側に反射板がないため，不要放射の問題がある．本論
文ではこれらの問題を解決するために，人体反対側へ
の不要放射を抑圧する平面アレーアンテナを提案する．
乳癌検出用
UWB
レーダや
BAN
（
Body Area
Net-work;
人体通信網）などの応用では，人体に密着した状
態でアンテナを設計する必要がある．著者らは過去に
†東京工業大学理工学研究科，東京都
Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 2–1–S3–19 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo, 152–8552 Japan
††広島大学ナノデバイス・バイオ融合科学研究所，東広島市
Interdisciplinary Research on Integration of Semicon-ductor and Biotechnology, Hiroshima University, 1–4–2 Kagamiyama, Higashihiroshima-shi, 739–8511 Japan a) E-mail: [email protected]
人体内部診断用アンテナを設計するための基礎として，
人体に円形パッチアンテナを密着させたモデルを用い
て人体組織の簡易な電磁界モデリングについて検討し
た．乳房などの脂肪を多く含む部位においては，皮膚及
び脂肪をモデル化することで反射係数の周波数特性の
実験値と解析値はよく一致することを確認した
[7], [8]
．
著者らを含む研究グループでは，量産時に安価な
CMOS
プロセスを用いた
Gaussian monocycle pulse
生成回路を提案している
[6]
．パルス波形を歪なく送受
信するために，アンテナには広帯域かつ群遅延一定の
特性が要求される．そこで，著者らは一定の群遅延を
得るための人体診断用五角形パッチアンテナ
[9]
を提
案した．
本論文では人体診断用五角形パッチアンテナの実測
による特性確認を行った．また，
4
× 4
アレーアンテ
ナにおいて，散乱行列の群遅延が一定となることをシ
ミュレーション及び実測で確認した．
2.
検討モデル
2. 1
人体診断用五角形パッチアンテナ
図
1
に人体診断用五角形パッチアンテナ
[9]
の構造
を示す．群遅延に関しても広帯域特性が要求されるの
で，アンテナの設計指針としては，図
2
に示すように，
広帯域なバイコニカルアンテナからボウタイアンテナ
へと変形し，更に小型化するために鏡像の原理を用い
図 1 人体診断用五角形パッチアンテナ Fig. 1 Pentagonal patch antenna for body
diagnos-tic.
てモノポール型とした
[10]
．逆
L
アンテナと同様の原
理を用いてボウタイアンテナの三角形を折り曲げて低
姿勢化し
[10]
，三角形の角を削って五角形パッチアン
テナとした．アンテナは整合が広帯域にとれるだけで
なく，群遅延が一定かつ指向性が周波数に依存しては
ならない．そのような特徴をもつアンテナは小型，か
つ放射原理がシンプルでなければならない（よく広帯
域アンテナの設計で用いられる多重共振を用いると，
群遅延は一定にならない）
．五角形パッチアンテナの形
状はこのような要求を満たすものである．パッチアン
テナは人体に密着して使用することを想定しているの
で，図
1 (c)
に示すように厚さ
2 mm
の皮膚，その奥
には脂肪（シミュレーションでは
38 mm
の厚さで端部
図 2 五角形形状の意味Fig. 2 Meaning of pentagonal shape.
は吸収境界壁とした）があるモデルを用いた．
5 GHz
における皮膚の比誘電率
39.1
，導電率
5 S/m
及び脂
肪の比誘電率
6.1
，導電率
0.5 S/m [1]
を媒質定数とし
て用いた
[7]
．試作には厚さ
1.6 mm
の
FR-4
基板（ガ
ラスエポキシ銅張積層板
;
パナソニック電工
R-1705
）
を用いた．基板パラメータを固定し，図
1 (a)
中の角
度
α
a，長さ
l
a及び幅
w
aを変化させて，中心周波数
6.5 GHz (3
∼
10 GHz)
において反射係数が小さくなる
ようにパラメータを変化させて設計した．各パラメー
タの特性への影響については
3.2
で説明する．
設計には，有限要素法解析に基づく電磁界シミュ
レータ
Ansys HFSS Ver.11
を用いた．電磁界解析モ
デルを図
3
に示す．電磁界シミュレーションにおいて
図
1 (c)
のように皮膚及び脂肪をモデル化した．皮膚
及び脂肪は分散性を有する
[11], [12]
が，アンテナ設
計においては中心周波数の値を用いても良い近似であ
ることは文献
[7], [8]
で確認されている．周囲境界では
無反射条件とするために全
6
面を吸収境界条件とし
た．
FR-4
基板の誘電体は一般にマイクロ波帯で分散
性をもつと言われているが，比誘電率
4.3
，誘電正接
0.015
で十分良くモデル化できることが確認されてい
る
[7], [8]
．
SMA
コネクタの電磁界解析モデルについ
ては文献
[13], [14]
に従った．
図
4
に人体診断用五角形パッチアンテナの試作モデ
ルの写真を示す．
2. 2
人体診断用
4 × 4
五角形パッチアレーアン
テナ
乳癌診断応用にはアレーアンテナを用いた共焦点に
よる信号処理を考えているため，図
5
に示すような
図 3 人体診断用五角形パッチアンテナの解析モデル (An-sys HFSS Ver.11)
Fig. 3 Analysis model of a pentagonal patch antenna for body diagnostic (Ansys HFSS Ver.11).
図 4 人体診断用五角形パッチアンテナの試作モデル
Fig. 4 Prototype of a pentagonal patch antenna for body diagnostic.
図 5 人体診断用 4× 4 五角形パッチアレーアンテナ
Fig. 5 4× 4 Pentagonal patch antenna arrays for body diagnostic.
図 6 人体診断用 4× 4 五角形パッチアレーアンテナの試
作モデル
Fig. 6 Prototype of a 4× 4 pentagonal patch antenna
arrays for body diagnostic.
20 mm
間隔で周期的に並べた
4
× 4
五角形パッチア
レーアンテナの特性について検討を行う．小型化のた
めにはアレー素子間隔は短いほど良いが，素子間相互
結合により特性が大きく変わらないように素子間隔を
20 mm
とした．また，診断の対象は乳房なので，大き
さが
10 cm
角程度となるように
4
× 4
アレーとした．
図
6
に人体診断用
4
× 4
五角形パッチアレーアンテナ
の試作モデルの写真を示す．
形解析においては時間領域解析と周波数の広帯域解析
で有効であると考えらえる有限積分法の精度を確認す
るため，更に解析手法の異なる二つのシミュレータの
値を比較して信頼性を確認することを目的としている．
測定値及び計算値はよく一致している．図
1
のように
人体密着状態において反射が小さくなるように設計し
たので，空気中に置いた場合は反射が大きい．
3. 2
人体に密着した五角形パッチアンテナ
図
8
に人体に密着した五角形パッチアンテナの反射
係数の周波数特性を示す．実験においては，皮膚の下
図 7 空気中に置かれた五角形パッチアンテナの反射係数 の周波数特性Fig. 7 Frequency characteristic of reflection coeffi-cient for a pentagonal patch antenna in the air.
の値を用いた．
l
a及び
w
aは大きいほど低周波でも反
射が落ちるがアンテナの小型化を考慮してパラメータ
を決定した．反射係数のみでなく，周波数特性のアン
テナから放射される電磁波の指向性も広帯域で変化が
少ないことが望ましい．
UWB
レーダ応用では近傍の
電磁界強度が重要であるので，図
12
に
1 W
入力時の
図
3 (a)
の
Line 1, Line 2
上の電界強度分布の周波数
による違いを示す．
Line 1, Line 2
はアンテナと皮膚
の境界を
z = 0 mm
としたとき，
z = 40 mm
の位置
図 8 人体に密着した五角形パッチアンテナの反射係数の
周波数特性
Fig. 8 Frequency characteristic of reflection coeffi-cient for a pentagonal patch antenna attached to the body.
図 9 人体に密着した五角形パッチアンテナの反射係数の
周波数特性の角度αa依存性（計算値）
Fig. 9 Frequency characteristic of reflection coeffi-cient for a pentagonal patch antenna attached to the body for four different values of αa. (Calculated)
図 10 人体に密着した五角形パッチアンテナの反射係数
の周波数特性の長さla依存性（計算値）
Fig. 10 Frequency characteristic of reflection coef-ficient for a pentagonal patch antenna at-tached to the body for three different values ofla. (Calculated)
図 11 人体に密着した五角形パッチアンテナの反射係数
の周波数特性の幅wa依存性（計算値）
Fig. 11 Frequency characteristic of reflection coef-ficient for a pentagonal patch antenna at-tached to the body for three different values ofwa. (Calculated)
図 12 1 W入力時の電界強度分布の計算値（図 3 (a) の
Line 1, Line 2上）の周波数による違い Fig. 12 Frequency dependence of calculated electric
field distribution (along line 1 and line 2 in Fig. 3 (a)) with 1 W Input power.
にある観測線である．
Line 1
上では
4.4 GHz
のとき，
−25 mm
付近において分布形状が他の周波数と異なる
が，他の位置では他の周波数とおおむね同じ値となっ
ている．
Line 2
上では全周波数においておおむね同じ
値となっており，放射電界強度分布も広帯域に変化が
小さいことが確認できた．
3. 3
人体に密着した
4 × 4
五角形パッチアレーア
ンテナ
図
5
に示す
4
× 4
五角形パッチアレーアンテナを人
体に密着させた場合の反射係数の周波数特性を図
13
に示す．ポート数は
4
× 4 = 16
個と多いので，代表
的なポート
j
からポート
i
への散乱係数
S(
i, j)
を示
している．実線は測定値，点線は
HFSS
による計算値
である．傾向はよく一致している．また，
S(2
, 1)
及び
S(5
, 1)
は測定用ケーブルのコネクタが大きいため，測
定できなかったが，図
13 (a)
中には隣接素子間アイソ
レーションの参考のために
S(2
, 1), S(5, 1)
の計算値を
示している．隣接素子間アイソレーションは約
−20 dB
図 13 人体に密着した 4× 4 五角形パッチアレーアンテ ナの反射係数の周波数特性（実線：測定値，点線：
HFSSによる計算値）
Fig. 13 Frequency characteristic of reflection coef-ficient for a 4× 4 pentagonal patch
an-tenna arrays attached to the body (Solid Line: Measured, Broken Line: Calculated by HFSS).
である．図
13 (b)
に示すように，位相特性は周波数に
対してほぼ線形となっている．このため，群遅延はほ
ぼ一定値となり，波形のひずみは抑えられる．
図
14
に人体に密着した
4
× 4
五角形パッチアレー
アンテナの群遅延の周波数特性を示す．実線は測定値，
点線は
HFSS
による計算値である．実験では信号対雑
音
(S/N)
比の劣化のため，特に散乱係数の値が小さい
ときにリップルが大きいが，傾向は一致している．また
周波数特性も平坦であり，波形のひずみは抑制できる
ことがわかる．共振を利用した広帯域アンテナでは共
振周波数付近において位相特性が急激な変化をし，そ
れによって群遅延も大きく変わってしまうが，本提案
アンテナの位相特性は線形なので，群遅延も平坦となっ
ている．図
14
ではアレーアンテナ素子間の結合により
出力された波の群遅延
τ(i, j) = −∂ arg(S(i, j))/∂ω
図 14 人体に密着した 4× 4 五角形パッチアレーアンテ ナの群遅延の周波数特性（実線：測定値，点線： HFSSによる計算値）Fig. 14 Frequency characteristic of group delay for a 4× 4 pentagonal patch antenna arrays at-tached to the body (Solid Line: Measured, Broken Line: Calculated by HFSS).
を求めているが，実際の応用では人体内部の散乱体
（癌腫瘍）からの反射を測定することとなる．今回の
人体組織の解析モデルは分散性を無視して中心周波数
6.5 GHz
の値を用いているので，群遅延の周波数変化
は小さい．実際の人体組織は分散性を有するので，そ
の影響を調べることは今後の課題である．
4.
む す び
乳癌診断用
UWB
レーダの開発に向けて五角形パッ
チアンテナを提案した．人体密着状態において，反射
係数は
UWB
周波数帯域
3
∼
10 GHz
において
−8 dB
以下となった．シミュレーションにおいて，放射電界強
度分布も広帯域に変化が小さいことを確認した．
4
× 4
アレーアンテナにおいても反射係数の周波数特性の計
算と実験はよく一致することを確認した．
UWB
周波
数帯域内で群遅延の変化が小さいことを確認した．
今後の課題としては実際に散乱体から反射する波形
を検出すること，また，高精度な乳癌診断に向けてア
レー校正技術を確立することがあげられる．
文
献
[1] T.K.K. Tsang and M.N. El-Gamal, “Ultra-wideband (UWB) communications systems: an overview,” The 3rd International IEEE-NEWCAS Conference, pp.381–386, June 2005.
[2] E.C. Fear, P.M. Meaney, and M.A. Stuchly, “Mi-crowaves for breast cancer detection?,” IEEE Poten-tials, vol.22, no.1, pp.12–18, Feb./March 2003. [3] E.J. Bond, X. Li, S.C. Hagness, and B.D. Van Veen,
“Microwave imaging via space-time beamforming for early detection of breast cancer,” IEEE Trans.
Anten-nas Propag., vol.51, no.8, pp.1690–1705, Aug. 2003. [4] M. Klemm, J. Leendertz, D. Gibbins, I.J. Craddock,
A. Preece, and R. Benjamin, “Towards contrast enhanced breast imaging using ultra-wideband mi-crowave radar system,” IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), pp.516–519, New Orleans, LA, 2010.
[5] T. Sugitani, S. Kubota, A. Toya, X. Xiao, and T. Kikkawa, “A Compact 4× 4 Planar UWB Antenna
Array for 3-D Breast Cancer Detection,” IEEE An-tennas Wireless Propag. Lett., vol.12, pp.733–736, 2013.
[6] T. Sugitani, S. Kubota, M. Hafiz, X. Xiao, and T. Kikkawa, “Three-dimensional confocal imaging for breast cancer detection using CMOS Gaussian mono-cycle pulse transmitter and 4× 4 ultra wideband an-tenna array with impedance matching layer,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.53, 04EL03, 2014.
[7] 平野拓一，広川二郎，安藤 真，吉川公麿，“人体密着
2.45 GHz帯円形パッチアンテナの電磁界シミュレーショ
ン，”信学技報，EST2014-73, Oct. 2014.
[8] 平野拓一，吉川公麿，広川二郎，安藤 真，“人体内部診断
用アンテナ設計のための皮膚および脂肪の電磁界モデリン グ，”信学論（C），vol.J98-C, no.12, pp.456–458, Dec. 2015.
[9] 平野拓一，広川二郎，安藤 真，吉川公麿，“人体密着広帯
域五角形パッチアンテナの設計，”信学技報，EST2015-42,
July 2015.
[10] C.A. Balanis, “Gain Measurements” in Antenna The-ory: Analysis and Design, 2nd Ed., pp.865–870, John Wiley & Sons, New York, 1997.
[11] T. Sugitani, S. Kubota, S. Kuroki, K. Sogo, K. Arihiro, M. Okada, T. Kadoya, M. Hide, M. Oda, and T. Kikkawa, “Complex permittivities of breast tumor tissues obtained from cancer surgeries,” Appl. Phys. Lett., vol.104, 253702, doi: 10.1063/1.4885087, 2014.
[12] C. Gabriel, S. Gabriely, and E. Corthout, “The di-electric properties of biological tissues: II. Measure-ments in the frequency range 10 Hz to 20 GHz,” Phys. Med. Biol., vol.41, no.11, pp.2251–2269, Nov. 1996.
[13] 平野拓一，広川二郎，安藤 真，“マイクロ波測定におけ
る SMA コネクタの影響およびディエンベディング手法，”
信学技報，EST2014-56, Sept. 2014.
[14] T. Hirano, J. Hirokawa, and M. Ando, “Influence of the SMA Connector and Its Modeling on Electromag-netic Simulation,” Microwave and Optical Technol-ogy Letters (MOP), vol.57, no.9, pp.2168–2171, Sept. 2015. （平成 27 年 12 月 22 日受付，28 年 3 月 22 日再受付， 7月 14 日公開）
平野 拓一 （正員：シニア会員）
1998年 名 古 屋 工 業 大 学 電 気 情 報 工 学 科卒．2000 年東京工業大学大学院電気電 子工学専攻修士課程了．2002 年∼2007 年東京工業大学大学院国際開発工学専攻 助手．2007 年 4 月より東京工業大学大学 院国際開発工学専攻助教．工学博士（東工 大，2008 年）．電磁界解析，アンテナ工学，導波管スロットア レーアンテナ，マイクロ波・ミリ波工学の研究に従事．電気学 会会員，IEEE シニア会員．吉川 公麿 （正員）
昭 51 静岡大大学院電子工学専攻修士 課程了．同年 NEC 入社．昭 58–59 マサ チューセッツ工科大客員研究員．平 6 東工 大工博．NECULSI デバイス開発研究所部 長を経て，平 10 広島大教授．現在，広島 大評議員，ナノデバイス・バイオ融合科学 研究所長．IEEE フェロー．応用物理学会フェロー．広川 二郎 （正員：フェロー）
昭 63 東工大・工・電気・電子卒．平 2 同大大学院修士課程了．平 2 東工大・工・ 助手，平 8 同大助教授，平 19 同大准教授， 平 27 同大教授，現在に至る．平 6–7 ス ウェーデン・シャルマー工大にて博士研究 員．導波管スロットアレーアンテナ，ミリ 波アンテナの研究に従事．平 3 IEEE AP-S Tokyo Chapter Young Engineer Award，平 8 本会学術奨励賞，平 15 東工大 挑戦的研究賞，平 17 文部科学大臣表彰若手科学者賞，平 19 本 会通ソ論文賞，平 21 本会通ソレター賞，平 23, 24, 25 APMC Best Paper Awards，平 27 EuCAP Best Paper Awards 受 賞．IEEE フェロー（平 24）．博士（工学）（平 6，東工大）．賞，情報化促進貢献に対し総務大臣表彰，電子情報通信学会 功績賞 (2014)．著書「電磁波問題の基礎解析法（分担）」，訳 書「アンテナ入門」．電子情報通信学会エレクトロニクスソサ イエテイ電磁界理論研究専門委員会委員長，電子情報通信学会 通信ソサイエテイアンテナ伝播研究専門委員会委員長，IEEE AP-Society AdCom，EU ACE Scientific Council 電子情報 通信学会エレクトロニクスソサイエテイ会長，URSI Commis-sion B Chair (2002–2005)，IEEE AP-Society 会長 (2009)， URSI副会長 (2011–)，電子情報通信学会副会長 (2013–) を歴 任．IEEE Fellow，電子情報通信学会 Fellow．
