博 士 （ 工 学 ） 伊 藤 桂 一
学 位 論 文 題 名
誘電体レンズ装荷導波管スロットアンテナの電磁界解析 および設計法に関する研究
(Study on Electromagnetic Field Analysis and Design Method of Dielectric Lens Loaded Waveguide Slot Antennas)
学位論文内容の要旨
導 波管 にスロット 穴を開けて放 射素子として 利用するアンテ ナを導波管ス ロットアンテ ナといい，マ ルチス ロット化 ，またはアレー 化することに より指向性アンテナとして利用される．周波数が高くなるほど導波管は小 型化され るため，導波管 スロットアン テナはミリ波 帯における移 動体通信システム向けの可搬用アンテナとし ての応用 が期待されてい る，
また，ア ンテナの放射特 性を改善する ために誘電体レンズを装荷する方法がある．これはレンズアンテナと呼ば れ，波長 より大きい延長 半球状のレン ズが利用される場合が多い．レンズアンテナでは小さいアンテナ開口面で もピーム を集中させ，指 向性アンテナ として利用す ることが可能 である，
以上述べ た導波管スロッ トアンテナと 誘電体レンズ の長所を組み 合わせて可搬可能を小型指向性アンテナを開 発するこ とが本研究の目 的である，そ こで，小型球形の誘電体レンズをスロットに装荷することによルアンテナ の放射特 性を改善するこ とを提案する ．提案している誘電体レンズは波艮よりも小さく，一般的なレンズアンテ ナと比較 しても小型かつ 軽量であり， 高い可搬性が 期待できる，
球形，か つ波長よりも小 さい誘電体レ ンズを導波管スロットアンテナに装荷した場合，どの程度の収束効果が得 られるの か未知数である ．しかし，提 案している誘電体レンズ装荷導波管スロットアンテナは小さいアンテナ開
□面積で も高利得を指向 性アンテナと して利用できる可能性があり，スロット数を増やしてアレーアンテナ，平 面 アン テナへの適 用も容易であ る，そして， 発展的にミリ波 帯移動体通信 アンテナへの 応用も期待さ れる．
本 研究 では 提 案し て いる 小 型球 形誘 電 体レ ン ズの性能を明 らかにするた めに，導波管 スロットアン テナお よ び導 波管スロッ トアレーアン テナの試作と 測定および電磁 界解析を行っ た，測定はマ イクロ波帯の 測定環 境 が整 備さ れ てい る こと か ら】2GHzを 対象 周 波数 と して 行 い， アン テ ナの 電 磁界 解 析にはFDTD法(Fimte DiffrenceTimeDom茄nmethod：有限差 分時間領域法） を用いた，
最初に1ス ロット導波管 スロットアン テナを試作して ，遠方界放射パターンの測定および解析を行った，測定結 果より， レンズ非装荷時 に対するレン ズ装荷時の放 射電カの増加 量は5．8dBであり，−3dBピーム幅はH面にお いて80．4degから61．7degと狭くをっ た，すなわち，誘電体レンズの収束効果によルピームが収束し，正面方向 の放射電 カが増大するこ とを明らかに した，また，FDTD法による 数値計算の結果は測定結果と良好に一致して おり，シ ミュレーション の妥当性を確 認することが できた，
解析結果 より，レンズの 収束効果をレ ンズ収束量として定量的に表わすことを試みた．レンズ収束量はレンズ非 装荷時と 装荷時のスロッ ト電カおよび 放射電カにより算出される，得られたレンズ収束量は比誘電率Er 1．8〜 7．0の範 囲で5土1dBでほ ば一定である ことを明らか にした．
また，延 長半球レンズと の比較を行い ，球形レンズ 装荷時のスロット共振長は10．5mm，延長半球レンズ装荷時 では10．Ommとをり，ど ちらもレンズ 非装荷時と比べ て短くをることを示した，また，レンズ共振長におけるレ ンズ収束 量の比較では， 球形レンズで は4．85dB，延 長半球レンズ では4．03dBとなり，球形レンズが優位であ ることを 明らかにした，
次に8スロ ット導波管ス ロットアレー アンテナの試作 を行い，アレ ー化した場合 の小型球形誘 電体レンズの収 束効果に ついて検討した ，遠方界放射 パターンの測定結果より，アレーアンテナにおいてもレンズ装荷時に放射 が増大す ることを明らか にした，また ，測定結果とFDTD法による 計算結果はほば一致しており，アレーアンテ ナ にお いてもFDTD解析が可能で あることを示 した．また，球 形誘電体レン ズの収束効果 は延長半球レ ンズと 比較して も同等以上であ ることを明ら かにした．
また，誘 電体レンズ装荷 時にはスロッ トから放射されるビームの幅が狭くをることから，グレーティングロープ 抑制効果 も期待される， そこで，グレ ーティングローブが発生する条件で測定および解析を行った結果，提案し ているレ ンズ装荷時では グレーティン グローブが7．6dB低滅する ことを示した，をお，グレーティングローブ
― 356 ―
が抑 制された結果 ，その一部が 放射電カの増加 に寄与すると考えられ，レンズ非装荷時と比較して放射電カは約 6 dB増大した，
さら に，アレーア ンテナの収束 効果について解 析的に検討した．非共振アレーアンテナを構成し，スロット数を 変 え た場 合の 放 射電 カ およ び ス口 ット電カの変 化についてFDTD法による計 算を行った，E面およびH面の ￣3 dBビ ーム幅より， アレーアンテ ナにおける収束 効果はほぼE面によって得ら れていること を明らかにし た，ま た ， アレ ーア ンテナ におけるレン ズ収束量は4ス ロット以上で は214土0.3 dBでほぼ一定で あることを明 らか にし た．
誘電 体レンズ装荷 導波管スロッ トアレーアンテ ナの設計は， レンズ装荷に よルスロットアドミタンスの理論式 が未 知であること ，レンズ寸法 が制約条件とし て追加されること，などの理由から困難が予想される，提案して いる 誘電体レンズ を用いたアン テナの設計には ，より汎用性が高い新しい設計法が必要である，本研究では進化 型 計 算手 法の ー つで あ るp‑GA(Genetic Algorithm:遺伝的アル ゴリズム）と 目的関数の評 価にFDTD法を 利用 し た 最 適 化 手 法 を 新 し い ア ン テ ナ 設 計 法 と し て 提 案 し ， そ の 性 能 に つ い て 検 証 し た ． 本研 究では8ス口ッ ト導波管スロ ットアレーア ンテナを設計 対象とした，アンテナは無反射終端とし，ス口ット 間隔 を16.5 mmで固 定し，各スロ ットのスロッ ト長とスロッ トオフセットを設計パラメータとした，また，本研 究で はピット型の 遺伝子で倣を く，実数型の遺 伝子を採用し た，
本 設 計 法 に よ り ， ア ン テ ナ の 開 口 面 分 布 の 最 適 化 と 低 サ イ ド ロ ー ブ 設 計 の2つ の 設 計 を 行 っ た ， ア ン テナ の開 口面分 布の最適化設 計では一様分 布になるよう設 計を行った， 最適化された アンテナをFDTD法 によ り計算した結 果，近傍界電 界分布のばらっ きを抑制することができ，サイドローブレベルもメインローブに 対し て―13 dB以下 に抑制されて いることを示 した．
また ，低サイドロ ープ設計では 導波管スロット アレーアンテナを線状アレーアンテナとみなし，アレーファクタ か ら 得ら れる サイド ロープ比を目 的関数とした ，アレーファク タに必要社各 スロットの振 幅と位相はFDTD法 によ り算出した． サイドロープ 比‑20 dBの条件 で最適化設計 を行った結果 ，FDTD法による計算では設定通りの 性能 が得られてい ることを示し た，
以上 より，波長よ り小さい球形 の誘電体レンズ でも1スロッ トおよびアレー 化した導波管 スロットアン テナに おい て収束効果が 得られること を明らかにする とともに，そ の性能をレン ズ収束量として定量的に明らかにし た， また，提案し た設計法は誘 電体レンズ装荷 導波管スロットアレーアンテナの設計が十分に可能であり，高い 汎用 性と設計性能 があることを 明らかにした，
― 357―
学位論文審査の要旨 主 査 教 授 五 十 嵐 副査 教授 小笠原悟司 副 査 教 授 北 裕幸
学 位 論 文 題 名
誘電体レンズ装荷導波管スロットアンテナの電磁界解析 および設計法に関する研究
(Study on Electromagnetic Field Analysis and Design Method of Dielectric Lens Loaded Waveguide Slot Antennas)
本学 位論文 では ，可搬 性に優 れた小 型指向性アンテナの開発を目的として，小型球形の誘電体レンズ を導 波管ス ロッ トアン テナに 装荷す ること を提 案して いる． 提案し てい る誘電 体レンズは真空中の 電磁 波長よ りも 小さく ，一般 的をレ ンズアンテナと比較しても小型かつ軽量である，レンズの収束効 果に より放 射特 性が改 善され るだけ ではをく，高い可搬性も期待できる，本研究では提案している小 型球 形誘電 体レ ンズの 性能を 明らか にする ため に，導 波管ス ロット アン テナお よび導波管スロット アレ ーアン テナ の試作 と測定 および 電磁界 解析 を行っ ている ，誘電 体レ ンズの 直径は20mmであり，
比 誘 電 率は2.2であ る ． 測 定 はマイ クロ波 帯の 測定環 境が整 備れて いるこ とか ら12GHzを対象 周波 数と して行 い， アンテ ナの電 磁界解 析にはFDTD法(Finite Difference Time Domain method:有限差 分時 間領域 法1を用い てい る．
本論 文の 第1章 では 研究背 景，研 究目的 につ いて述 べてい る．第2章 では， 導波管 スロットアンテ ナ の 概 要 と ， 電 磁 界 解 析 に 用 い た FDTD法 の 基 礎 事 項 に つ い て 述 べ て い る ． 第3章 で は ．1ス ロ ッ ト 導 波管 ス口ッ トアン テナの 実験 結果お よび解 析結果 につい て詳 細に論 じ てい る．著 者は1スロ ット アンテ ナを試 作して ，遠方 界放 射パターンの測定および解析を行った，測 定 結 果 より， レンズ 非装荷 時に対 する レンズ 装荷時 の放射 電カ の増加 量は5.8dBであ り，‑3dBビー ム 幅 はH面に おい て80.4degから61.7degと 狭く なるこ とがわ かった ．レン ズ装 荷時の 放射電 カは，
誘電 体レン ズの 収束効 果とス ロット 電カの 変化 の両方 に依存 するこ とを 解析結 果より明らかにして いる ．また 。FDTD法 による 数値 計算の 結果は 測定結 果と 良好に 一致し ており ，シミ ュレーションの 妥当 性を確 認す ること ができ た，さ らに， 小型 球形レ ンズの 収束効 果を レンズ 収束量として定量的 に 評 価 した ． 得 ら れ たレ ン ズ 収 束 量は 比 誘 電 率 が1.6〜8.5の 範 囲 にお い て5土ldBでほ ば一 定で あ り ， 一般 的 を 延 長 半球 レ ン ズ と 比較 し て も レ ンズ 収 束 量 が 大 きい こ と を明 らかに してい る，
第4章 で は ，8ス ロ ッ ト 導 波管 スロッ トアレ ーアン テナ の実験 結果と 解析結 果につ いて 述べて い る ． 本 アレー アンテ ナにつ いての 遠方 界放射 パター ンを測 定し ，レー アンテ ナにお いても1ス ロツ トの 場合と 同様 にレン ズ装荷 時に放 射が増 大す ること を明ら かにし てい る，ま た，グレーティング ロー ブが発 生す る条件 で測定 および 解析を 行っ た結果 ，提案 してい るレ ンズ装 荷時ではグレーティ
―358−
