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

用于下一代毫米波传感器的功能梯度材料薄介电透镜的开发研究

• 批准号: 22K04097
• 负责人: 伊藤 桂一
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Akita National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04097/
• 关键词: ミリ波アンテナ; 誘電体レンズ; トポロジー最適化; FDTD法

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。

这项研究旨在开发功能上倾斜的薄电介质透镜，以实现可与毫米波带中的天线密切接触的介电晶状体。通过将功能分级的材料应用于天线的介电晶状体并倾斜介电常数三维，目的是实现两种性能：当天线和介电透镜与透镜般的转化效果相连时，减少波动阻抗中的不匹配，并改善增益。为了设计和原型复杂的梯度材料分布，引入了一种使用拓扑优化的设计方法，允许引入高度灵活的形状设计。使用标准化高斯功能网络（NGNET）的拓扑优化也可以优化多种材料，本研究将评估其设计性能。作为设计模型，提供了厚度约为1/4波长的拓扑优化设计区域，并且最佳地安排了空气和介电区域。在这种情况下，当设计区域和天线处于密切接触时，辐射会变小，因此使用结构进行优化，其中将介电外壳插入它们之间。我们优化了三种材料模型，这些模型结合了三种类型的一种材料模型和介电常数，并确认为这两个模型都实现了镜头样收敛性。平均而言，与单材料模型相比，三材料模型的增益增加了，并且可以确认功能分级材料的有效性。设计区域的厚度和介电外壳的结合导致了大约一半的波长，这表明可以使用高均恒定恒定材料来实现稀疏。为了进一步降低厚度，我们还尝试在没有介电外壳的情况下设计产品，并确认增益得到了改善。

项目成果

高誘電率材料を用いたミリ波アンテナ用薄型誘電体レンズの設計

高介电常数材料毫米波天线薄介质透镜设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Keiichi Itoh;Shun Togase;Junya Satoh;Hideaki Matsuda;Eiko Sugawara;Masaki Tanaka; Hajime Igarashi;伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一;伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一
• 通讯作者: 伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一

トポロジー最適化によるミリ波アンテナ用薄型レンズの設計

毫米波天线薄透镜拓扑优化设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Keiichi Itoh;Shun Togase;Junya Satoh;Hideaki Matsuda;Eiko Sugawara;Masaki Tanaka; Hajime Igarashi;伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一
• 通讯作者: 伊藤桂一，戸賀瀬駿，佐藤潤弥，田中将樹，五十嵐一

Topology Optimization of Thin Lens for Millimeter Wave Antenna Using High Dielectric Constant Material

高介电常数材料毫米波天线薄透镜拓扑优化

• 发表时间: 2023
• 作者: Keiichi Itoh;Shun Togase;Junya Satoh;Hideaki Matsuda;Eiko Sugawara;Masaki Tanaka; Hajime Igarashi
• 通讯作者: Hajime Igarashi