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

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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。