AMC 動作基板上の誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる 5.8 GHz 帯大電力レクテナ

電子情報通信学会論文誌 C

Published On 2023/8/1

本論文では薄形レクテナを地導体上に配置するために,AMC(Artificial Magnetic Conductor)動作基板上に配置した誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる5.8 GHz帯大電力レクテナの設計,試作結果を示す.ここではAMCから想起され,同様の動作をするグリッド導体を有する薄形基板であるAMC動作基板を用いることにより,地導体から2 mmの高さでモノポールアンテナを実現する.これを誘導性かつ高インピーダンス動作するよう設計し,整流用ダイオードとして用いる0.5 μm GaAs E-pHEMTによるGated Anode Diode(GAD)と共役整合する.整合回路を不要とすることで,高効率化を図っている.試作したレクテナの大きさは15 mm × 17.2 mm × 2.1 mmであり,地導体・金属上に実装可能である.測定の結果,整流器への入力電力31.8 dBm(1.51 W)に対し整流効率84.4%,出力電圧37.7 Vの良好な結果が得られている.

Journal

電子情報通信学会論文誌 C

Published On

2023/8/1

Volume

106

Issue

8

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316-324

Authors

Naoki Sakai

Naoki Sakai

Kanazawa Institute of Technology

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8

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Microwave circuit

Wireless power transfer

Rectifier

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An Integrated Planar Guanella Balun with the Quasi-Coaxial Structure on GaAs Substrate

This paper proposes a planar Guanella balun with the quasi-coaxial structure. This is the first report of the Guanella balun fabricated on a GaAs substrate. The quasi-coaxial structure is configured with metal layers on three thin dielectric layers of a few micrometers thickness. These layers are laminated on the GaAs substrate. The metal on the second layer (the second metal) is an inner conductor, which is surrounded by the first and third metals correspond to an outer conductor. The first and third metals are split lines to widen the inner conductor. The fabricated Guanella balun has a spiral shape, and its size is by . The fabricated Guanella balun shows less than of amplitude imbalance and 7.3 degrees of phase imbalance from 5 GHz to 15GHz. The fabricated Guanella balun is realized with half elements of a Marchand balun and achieves good performance with small size.

Naoki Sakai

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IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters

Graded Index Fiber-Inspired 3-D Printed Surface Focusing Porous Dielectric Structure With GaAs MMIC Rectenna Towards Millimeter Wave Wireless Power Transfer Application

Borrowing the idea of the graded-index (GRIN) fiber, we propose an all-dielectric porous structure with a unique surface focusing feature to improve the performance of the rectenna for millimeter-wave (mm-Wave) wireless power transfer (WPT) applications in this letter. The on- and off-axis focusing properties of the proposed structure are analyzed by the full-wave electromagnetic simulation. Moreover, benefitting from the low-cost 3-D printing technique, the designed GRIN structure prototype with different pore densities of the polylactic acid material is fabricated. The near-field phase transform experiment at 28 GHz was carried out to verify the excellent focusing performance of the fabricated structure prototype. Besides, the characteristics of multifocal spots on the surface of the proposed structure are further confirmed by the mm-Wave WPT experiments with a GaAs monolithic microwave integrated circuit rectenna …

Naoki Sakai

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高効率・大電力レクテナ

本報告では,金沢工業大学における高効率・大電力レクテナの研究状況について述べる.ドローンなどのUAVへの無線給電を行う場合,限られた受電面積から所望の直流電力を取り出すために,レクテナの大電力化,高効率化が必要となる.本稿ではその手法を述べる.

Naoki Sakai

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GaAs E-pHEMT gated anode diode を用いた 5.75 GHz 帯 1W レクテナ

空間伝送型ワイヤレス電力伝送の法制度化が進み,実用化に向けた開発が行われている.その中で,金沢工大ではダイポールアンテナとE-pHEMT gate anode diode(GAD)による整流素子を直接整合し,整合回路の損失を抑制した高効率レクテナを報告している[1].本報告は,レクテナを低姿勢化させる上で有利なパッチアンテナ用い,[1]と同様の直接整合構成の1Wレクテナを開発したので,その結果を報告する.[1] N. Sakai, K. Itoh et.al, "5.8GHz Band 10W Rectenna with GaAs E-pHEMT Gated Anode Diode on the Aluminum Nitride Antenna for Thermal Dispersion," IEEE MTT-S IMS2023, pp.1003 – 1005, 2023-8.

Naoki Sakai

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塗布型カーボンナノチューブ薄膜トランジスタによる Gated anode diode を用いる 920MHz 帯レクテナ

本報告では薄形で安価な塗布プロセスが適用可能なカーボンナノチューブ薄膜トランジスタ (carbon nanotube thin –film transistor: CNT-TFT) による920MHz帯レクテナについて述べる.ここでは高い移動度が得られるCNT-TFTによりgated anode diode (GAD)を構成し,整流素子としている.このCNT-TFT GADは強い周波数分散特性を有するため,直流特性と高周波特性を用いモデル化している.このCNT-TFT GADにより倍電圧整流器を構成し,さらに高利得特性を有するデュアルループアンテナと接続し,レクテナを構成している.試作した920MHz帯レクテナの大きさは46mm x 92mmであり,基準アンテナへの受電電力0dBmの条件で0.41Vの出力電圧を確認した.これはEIRP 2Wの送信機から1.48m離れた場所での受電に相当する測定条件である.

Naoki Sakai

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倍電圧整流器 IC の高調波輻射量の評価結果

本報告では,倍電圧整流器ICの高調波輻射量の評価結果を報告する.一般的な倍電圧整流器の等価回路をもとにしたレイアウト(Layout A)と平滑用MIMキャパシタの配置を変え,対称構造にしたレイアウト(Layout B)を比較する.その結果として,Layout Aは入力電力25.6dBmのとき,整流効率67.2%,出力電圧8.6Vを得ている.Layout Bも同等である.また,2倍波電力への変換損の測定値は,Layout Aでは-38.5dBc@Pin = 25.6dBm,Layout Bでは-41.3dBc@Pin = 25.6dBmである.レイアウトを対称とすることにより2倍波の高調波輻射レベルが2.8dB抑制することができる.

Naoki Sakai

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量子ビット駆動用 X 帯偶高調波リングミクサ MMIC の特性

量子ビット駆動用マイクロ波信号源では,演算の判定誤りを抑制するため低スプリアス特性が要求される.これに適用するため,アンチパラレルダイオードペア(APDP)を用いる偶高調波ミクサを検討している.ここでは X帯偶高調波リングミクサMMICの評価結果を示す.

Naoki Sakai

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インピーダンス変成微小ループアンテナを用いる 28GHz 帯 GaAs 高感度レクテナ MMIC

Beyond 5Gに向け,ミリ波における通信と無線電力伝送(WPT)の融合システムを検討している. WPTのサービスエリア拡大のためには高感度レクテナが必要となる.本報告では,小形に高インピーダンス特性を実現できる微小ループアンテナ(SLA)を適用した28GHz帯GaAs高感度レクテナMMICの試作結果を示す.

Naoki Sakai

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整合回路付き高周波倍電圧整流回路の整流効率の理論式

本報告は整合回路を含む高効率倍電圧整流回路の設計に向けて,整合回路を装荷した倍電流整流回路の整流効率の理論式を導出する.

Naoki Sakai

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準同軸構造グァネラバラン GaAs IC の試作結果

平衡-不平衡変換を行う高周波回路としてマーチャントバランが良く用いられている.ただし,2つのλ/4結合線路で構成されるため小型化の課題がある.ここではバランの小型化に向けて,1つのλ/4同軸伝送線路で構成可能なグァネラバランを準同軸構造によりGaAs IC上に形成した.試作の結果,4~15GHzで,3dBの分配損とI/O パッドの損失を含む挿入損失は6.3±1.4 dB,振幅インバランスは0.7dB以下,位相インバランスは10.9度以下が得られた.I/O パッドを除くグァネラバランのコアサイズは425μm×345μmである.併せて作製したマーチャントバランと比較して同等の性能で22.2%の小型化が図れた.

Naoki Sakai

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Novel Energy Harvesting and SWIPT System at 28 GHz with a Simple Phased Array

The realization of future radiative wireless power transfer products necessitates a simple and low-cost phased array with higher frequency to increase the beam efficiency. Further, simultaneous wireless power and information transfer (SWIPT) are also expected. This study developed a simple phased array at 28 GHz while considering energy harvesting from 5G radio waves. The number of antenna elements in the phased array with parasitic elements were reduced and novel, simple, and low-cost phase shifters were employed. Consequently, beam steering and SWIPT experiments were conducted using the developed phased array. This study expanded upon the developed phased array and the experimental results in Japan.

Naoki Sakai

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920 MHz band rectenna with the CNT-TFT GAD

This paper presents the first demonstration of rectification with the carbon nanotube thin film transistor (CNT-TFT) for wireless power transfer (WPT) in the 920 MHz band. The CNT-TFT that is a coated TFT using semiconducting single-walled carbon nanotubes has advantage of low-cost fabrication and planner integration with an antenna on a thin film. On the other, reported frequency ranges were within HF bands due to their wider channel size. For applying the CNT-TFT to GHz-order rectification, the gated anode diode (GAD) is employed and is characterized for its modeling. As the results, practical operations of 920 MHz band rectenna with the CNT-TFT GAD and the dual loop antenna can be confirmed in experimental investigations.

Naoki Sakai

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電子情報通信学会論文誌 C

AMC 動作基板上の誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる 5.8 GHz 帯大電力レクテナ

本論文では薄形レクテナを地導体上に配置するために,AMC(Artificial Magnetic Conductor)動作基板上に配置した誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる5.8 GHz帯大電力レクテナの設計,試作結果を示す.ここではAMCから想起され,同様の動作をするグリッド導体を有する薄形基板であるAMC動作基板を用いることにより,地導体から2 mmの高さでモノポールアンテナを実現する.これを誘導性かつ高インピーダンス動作するよう設計し,整流用ダイオードとして用いる0.5 μm GaAs E-pHEMTによるGated Anode Diode(GAD)と共役整合する.整合回路を不要とすることで,高効率化を図っている.試作したレクテナの大きさは15 mm × 17.2 mm × 2.1 mmであり,地導体・金属上に実装可能である.測定の結果,整流器への入力電力31.8 dBm(1.51 W)に対し整流効率84.4%,出力電圧37.7 Vの良好な結果が得られている.

Naoki Sakai

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5.8 GHz band 10 W rectenna with GaAs E-pHEMT gated anode diode on the aluminum nitride antenna for thermal dispersion

In this paper, the 5.8 GHz band 10 W rectenna is demonstrated. The GaAs bridge rectifier IC with GaAs E-pHEMT gated anode diodes (GADs) is employed to obtain input power of 10 W. The IC is directly connected with the inductive high-impedance antenna to reduce circuits’ loss. Furthermore, the antenna is implemented on the aluminum nitride (AlN) substrate for thermal dispersion. With migrated circuit functionalities, simulated radiation efficiency of the antenna is 99.2 %. Measured rectification efficiency of the rectifier is 83.7 % at input power of 10 W. This is the top performance among 10 W class rectifies

Naoki Sakai

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Kanazawa Institute of Technology

IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep.

5.8 GHz band 10 W rectenna on the aluminum nitride antenna for thermal dispersion

(in English) This paper presents the 5.8 GHz band 10W rectenna with GaAs E-pHEMT gated anode diode (GAD) on the aluminum nitride (AlN) antenna. The rectifier IC on the prototyped AlN antenna achieved a rectification efficiency of 83.7% at an input power of 10.5 W while maintaining a GAD junction temperature of 48 degrees. These results demonstrate that the rectenna can continuously receive RF power of 10 W with high rectification efficiency. Furthermore, we demonstrate a 3x3 rectenna array with the prototyped rectenna in a microwave power transfer (MPT) system. The MPT system with the rectenna array could transmit a DC power of 43.4 W, allowing a drone to fly continuously for ten minutes.

Naoki Sakai

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GaAs E-pHEMT GAD を用いる準ミリ波帯 1W 整流器 MMIC

GaAs E-pHEMT Gated anode diode を用いて26GHz帯1W倍電圧整流器MMICを設計した.測定結果は,26GHzにおいて入力電力29.5dBmのとき整流効率62.2%,出力電圧31.1Vである.GADにより準ミリ波帯において大電力・高効率整流が可能であることを示した.

Naoki Sakai

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5.8 GHz 帯 10W 級倍電圧整流器 MMIC

マイクロ波での無線電力伝送(MPT)が法制化され,その実用化が進められている.筆者らは,MPT用レクテナの大電力化のため,GaAs E-pHEMTによるGated anode diode (GAD)を用いる大電力レクテナの検討を行っている.本報告では5.8GHz帯10W級倍電圧整流器MMICの評価結果を示す.

Naoki Sakai

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Kanazawa Institute of Technology

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ダイオードの閾値と降伏電圧を考慮した倍電流整流回路の解析

無線電力伝送システムにおいて,整流回路は受電した高周波電力を直流に変換し負荷へ給電するために欠かせない回路である.倍電流整流回路はモーターや電池などの低電圧・大電流で動作する負荷へ直流電力を供給するのに向いている.過去の発表ではダイオードを理想的なスイッチと仮定し,倍電流整流回路の動作および理論効率をまとめている.本稿では閾値電圧ならびにブレイクダウン(降伏)電圧を含んだダイオードモデルを用い,倍電流整流回路の動作について報告する.

Naoki Sakai

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Kanazawa Institute of Technology

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GaAs E-pHEMT gated anode diode を用いる 5.8 GHz 帯 5W レクテナ

大電力化に適するGaAs E-pHEMTによるgated anode diode(GAD)を用いる5.8GHz帯5Wレクテナの試作結果を示す.入力電力Pin=37dBm(5W)のときに整流効率=85.2%,出力電圧Vout=35.8Vである.

Naoki Sakai

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Kanazawa Institute of Technology

IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep.

Quasi millimeter wave high-power rectifier with GaAs E-pHEMT GADs

(in English) In this report, quasi-millimeter wave 1 W-class double-voltage rectifier MMIC with 0.18 μm GaAs E-PHEMT gated anode diodes (GADs) is presented. At first, high current characteristic of the 0.18 μm GaAs E-PHEMT GAD is indicated in its characterization, compared with the GaAs SBD. As the result, terminal capacitance of the GAD is made lower than that of the GaAs SBD, matching loss can be reduced especially in high-power rectification. In the experimental investigation of the developed double voltage rectifier MMIC, rectification efficiency of 62% and output voltage of 32.9 V are obtained at an input power of 30 dBm. This is the highest input power in reported rectifiers from 20 to 40 GHz band. And measured rectification efficiency is extreme higher than the reported efficiency trend versus input power. The reported circuit technique with the GaAs E-PHEMT GAD indicates good possibility for future …

Other articles from 電子情報通信学会論文誌 C journal

Jun Shibayama (柴山 純)

Jun Shibayama (柴山 純)

Hosei University

電子情報通信学会論文誌 C

3 次元半陰的 FDTD 法による TM 透過型 THz 導波路偏光子の解析

3次元半陰的有限差分時間領域(FDTD)法を用いてInAsによる半導体層を利用したTM透過/TE除去THz導波路偏光子を効率良く解析する.はじめに,半導体の周波数分散性を考慮するため,台形則に基づく帰納的畳み込み法を新たに導入した3次元半陰的FDTD法の開発を行う.本研究では小さな空間刻み幅を必要とする偏光子の厚み方向のみに陰解法を導入する.次に,開発した半陰的FDTD法を用いてTHz導波路偏光子を解析する.界分布,導波モードパワー,消光比を陽的FDTD法の結果と比較する.時間刻み幅を陽的FDTD法より大きく選んでも計算結果のよく一致することを見出す.取り得る最大の時間刻み幅(14倍)を選んだ場合に,計算時間を陽的FDTD法の約22%に短縮可能であることを明示する.

Tatsuya Kashiwa (柏 達也)

Tatsuya Kashiwa (柏 達也)

Kitami Institute of Technology

電子情報通信学会論文誌 C

ベイズ最適化を用いた NRD ガイドスタブ型フィルタの設計

現在,ミリ波応用に関する研究が盛んに行われている.ミリ波集積回路のプラットホームとして,低損失な非放射伝送路である非放射誘電体線路(NRDガイド)は有望な候補の一つであり,回路の構成要素となる様々な高性能なNRDガイド素子を効率的に設計することが求められている.そのためには,計算機シミュレーションを用いた自動最適設計法が有用であり,トポロジー最適設計法やモザイク状素子の最適化により素子の最適設計が実現されている.一方で,こうした手法は構造が複雑化しやすいという課題もある.本検討では,基本構造としてスタブ型のNRDガイド素子を考え,目標の特性を実現する素子の寸法最適化を行う.最適化では大域的な解探索をいかに効率的に行えるかが重要であり,過去の探索点から特性が改善される可能性の高い点を効率的に推定できるベイズ最適化を採用する.

Takuya Sakamoto

Takuya Sakamoto

Kyoto University

電子情報通信学会論文誌 C

エレクトロニクス分野におけるシミュレーション技術の進展論文特集の発行にあたって

数年にわたり続いた対面活動の制約もようやく緩和され, 社会に活気が戻ってきた. ただ, コロナ前と完全に同じ状態に戻ったわけではなさそうである. たとえば, コロナ禍の間に世界中で広く導入されたオンライン教育やテレワークはすでに社会に根付き, もはや当然のように使われている. また, ChatGPT に代表される生成系 AI の活用も爆発的に進んでおり, 今後は専門家でなくとも, 機械学習を生活の幅広い場面で賢く使うためのスキルが必須となるであろう. 更に, 遠隔医療やスマートヘルスケアなどで用いられる非接触センシング技術の発展も目覚ましい. このように, コロナ禍を経た今, これまで以上に通信技術・情報科学・計測技術の重要性は高まっており, それらを応用した製品やサービスを支えるエレクトロニクス及びシミュレーション技術は, これからの社会を推進する原動力として高い期待を集めている. 本特集は 2012 年より毎年継続され, 今回で 12 回目となった. 編集委員会において厳正に審議した結果, 今回は光波の異常透過を利用した偏波変換板の広帯域化, テラヘルツ帯の導波 …

Takashi Hikage

Takashi Hikage

Hokkaido University

電子情報通信学会論文誌 C

携帯電話周波数帯電波ばく露時の医療用埋込金属プレートに起因した温度上昇と局所 SAR 空間平均寸法の相関検討

医療用金属プレートを埋め込んだ人体に電波をばく露したときの生体組織内の温度上昇を評価した.FDTD法に基づく数値解析を行い,携帯電話周波数帯の電波を照射したときの,埋込金属プレートによる共振現象に起因した局所的なSAR上昇を計算し,それを熱源とする生体熱輸送方程式を解くことで,定常状態における生体組織内の温度分布を推定した.均質媒質を及び数値人体モデルを用いて推定したSAR分布及び温度分布から,特定の条件において埋込金属プレートに起因し上昇する局所SARの最大値と温度上昇の最大値はそれぞれ異なる位置で観測されること,及びSAR上昇は金属プレート近傍の微小な領域に集中することを述べた.次に10 g,1 g,0.1 g等の質量で平均化したSARを算出し,10 gのような大きい質量で平均化したSARでは,金属プレート近傍で生じる局所的な温度上昇との相関が低いことを明らかにした.そのうえで,医療用埋込金属プレート近傍で生じる温度上昇と相関が高い局所SARの平均寸法を検討した.

Naoki Sakai

Naoki Sakai

Kanazawa Institute of Technology

電子情報通信学会論文誌 C

AMC 動作基板上の誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる 5.8 GHz 帯大電力レクテナ

本論文では薄形レクテナを地導体上に配置するために,AMC(Artificial Magnetic Conductor)動作基板上に配置した誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる5.8 GHz帯大電力レクテナの設計,試作結果を示す.ここではAMCから想起され,同様の動作をするグリッド導体を有する薄形基板であるAMC動作基板を用いることにより,地導体から2 mmの高さでモノポールアンテナを実現する.これを誘導性かつ高インピーダンス動作するよう設計し,整流用ダイオードとして用いる0.5 μm GaAs E-pHEMTによるGated Anode Diode(GAD)と共役整合する.整合回路を不要とすることで,高効率化を図っている.試作したレクテナの大きさは15 mm × 17.2 mm × 2.1 mmであり,地導体・金属上に実装可能である.測定の結果,整流器への入力電力31.8 dBm(1.51 W)に対し整流効率84.4%,出力電圧37.7 Vの良好な結果が得られている.

Takashi Hikage

Takashi Hikage

Hokkaido University

電子情報通信学会論文誌 C

FDTD 解析を用いた携帯電話周波数帯におけるスクリューホール付医療用金属プレート埋込による SAR 上昇評価

医療用金属機器を体内に埋め込んでいる場合,指針値以下の電波ばく露でも局所的な比吸収率上昇の可能性が示唆されている.本論文では,顔面骨骨折の中でも特に下顎骨治療を目的とした埋め込み金属プレートを対象としており,人体を模擬したファントムモデルに2枚のプレートを埋め込んだ数値モデルを作製し,数値シミュレーションにより,平面波ばく露条件下において,電磁界結合によりプレート間の空隙部で生じる局所SAR上昇について検討した.はじめに,直方体の単純な形状である平板金属プレートに対して平面波をばく露した際の空隙部の電界及び局所SAR分布をFDTD解析により評価し,局所SAR上昇の発生機序に加えて,偏波特性や周波数特性などの基本特性を明らかにした.次に,実際の下顎骨治療に用いられているプレート形状を再現したスクリューホール付きプレートモデルを用いた場合においても,SARの上昇機序を敷衍して議論することが可能であること示した.更に,2枚の金属プレートのスクリューホールが接近する領域で,平板金属プレートに比べてSARが増大すること,固定 …

Yuki Yamanashi

Yuki Yamanashi

Yokohama National University

電子情報通信学会論文誌 C

超伝導回路によるイジングモデルに基づいた論理ゲートの設計

イジングモデル中のスピンを超伝導磁束量子パラメトロンの安定2状態で実現した回路を提案した.イジングモデル中の相互作用は磁束量子パラメトロン同士の磁気結合で実現した.回路のエネルギーが小さくなるように状態が時間発展する性質を用いて,イジングモデル中のパラメータを調整することによってさまざまな論理ゲートを実現した.回路シミュレーションと実験によって,論理ゲートの正しい動作と,その論理可逆性を示した.

Tatsuya Kashiwa (柏 達也)

Tatsuya Kashiwa (柏 達也)

Kitami Institute of Technology

電子情報通信学会論文誌 C

共分散行列適応進化戦略と関数展開法を用いた光デバイスのトポロジー最適設計

高性能な光デバイスの開発のため,全く新しい素子構造を見出すことのできるトポロジー最適設計法が注目されているが,設計変数に対して目的関数が多峰的である場合には大域的最適構造を効率的に求めることは一般に容易ではない.また,導体を含む場合には勾配法を適用する際の感度解析も容易ではない.本論文では,設計領域内の構造表現に関数展開法,設計変数の最適化に共分散行列適応進化戦略を用いた最適化の有用性について検討を行っている.トポロジー最適設計では過度に構造が複雑化する場合があるが,構造に制約を課すことでこうした問題を避けるため,新たにメタボールを用いた構造表現の検討も行っている.

Noriharu Suematsu

Noriharu Suematsu

Tohoku University

電子情報通信学会論文誌 C

リアルタイムスペクトラムモニタ用ダイレクト RF アンダーサンプリング受信機における簡易スペクトラム復元法

無線IoTの普及に伴い,920 MHz帯から5 GHz帯にわたるマルチバンドで,かつミリ秒級で発生する様々な無線システムの通信信号を監視できるリアルタイムスペクトラムモニタが求められている.本論文ではこれを実現するために,監視帯域の合計帯域幅の2倍以下のサンプリング周波数が異なるADCを複数並列に構成してアンダーサンプリングし,それらのパワースペクトラムに対して単純なデータ配列の転写と最小値演算を行うことによる,簡易スペクトラム復元法を提案する.提案手法は従来の圧縮センシングを用いた復元法よりも少ない演算量で済むため,ミリ秒級のリアルタイムでのスペクトラムモニタリングが従来よりも容易に実現できると考えられる.実験ではアンダーサンプリングによる折り返し後の白色雑音を上回るスペクトラムは原信号と一致し,それ以外は折り返し後の白色雑音相当となり,入力信号のスペクトラムが提案手法により簡易的に復元できることを示す.

Naoki Takeuchi

Naoki Takeuchi

Yokohama National University

電子情報通信学会論文誌 C

超低電力コンピューティングのための断熱磁束量子パラメトロンのパラメータ設計法

断熱磁束量子パラメトロン(AQFP: Adiabatic quantum-flux-parametron)は,低電力超伝導論理デバイスであり,エネルギー効率の優れたスイッチ過程である断熱スイッチにより,超低エネルギー動作を実現する.しかしながら,断熱スイッチでは様々な回路パラメータにより複合的に消費エネルギーの大きさが決まるため,初学者にとって適切なパラメータセットを選択することが困難である.そこで本論文は,AQFPの各パラメータがどのような物理的背景で消費エネルギーに影響を与えるのかを議論し,適切なパラメータセットを導く.これにより,材料やプロセスを問わず適用可能な,AQFP回路のパラメータ設計法を確立する.

nakazawa masataka

nakazawa masataka

Tohoku University

電子情報通信学会論文誌 C

次世代 RAN の実現に向けたフルコヒーレントアクセスシステム

本論文では次世代RAN (Radio Access Network)の実現に向けて我々が提案してきているフルコヒーレントアクセスシステムについて述べる.最初に2010年代の4Gから2020年代の5G更に2030年代の6Gに向けての大きな変革としてD-RAN (Distributed RAN)からC-RAN (Centralized RAN)への進化について述べた後,それとともに今まで開発されてきた各種モバイルフロントホール(MFH: Mobile Fronthaul)について説明する.その中で将来に向けてのフルコヒーレント伝送の重要性を浮かび上がらせ,我々が実験を行ってきている無線・光融合型フルコヒーレント伝送方式について述べている.この方式は光信号と無線信号をIF (Intermediate Frequency)が異なる一つの電磁波伝送として捉えるものであり,構成が簡単でありかつ高性能を実現できる興味深い手法である.光と無線を一体として捉えることにより,光伝送部分で発生する誤りを無線のFEC (Forward Error Correction)で補正できるなど今まで考えられなかった特徴がある.更に,その実現のために重要な技術として,注入同期による …

加藤和利

加藤和利

Kyushu University

電子情報通信学会論文誌 C

高速波長可変レーザを用いたテラヘルツ波生成システムの提案と実証

単一の波長可変レーザと光遅延器を用いて発生した実効的な二光波から,フォトミキシングによりテラヘルツ波を生成する方法を考案した.高速波長可変レーザを用いた実験により,本手法での300GHzのテラヘルツ波の生成を実証した.

Kohei Akimoto

Kohei Akimoto

Tohoku University

電子情報通信学会論文誌 C

リアルタイムスペクトラムモニタ用ダイレクト RF アンダーサンプリング受信機における簡易スペクトラム復元法

無線IoTの普及に伴い,920 MHz帯から5 GHz帯にわたるマルチバンドで,かつミリ秒級で発生する様々な無線システムの通信信号を監視できるリアルタイムスペクトラムモニタが求められている.本論文ではこれを実現するために,監視帯域の合計帯域幅の2倍以下のサンプリング周波数が異なるADCを複数並列に構成してアンダーサンプリングし,それらのパワースペクトラムに対して単純なデータ配列の転写と最小値演算を行うことによる,簡易スペクトラム復元法を提案する.提案手法は従来の圧縮センシングを用いた復元法よりも少ない演算量で済むため,ミリ秒級のリアルタイムでのスペクトラムモニタリングが従来よりも容易に実現できると考えられる.実験ではアンダーサンプリングによる折り返し後の白色雑音を上回るスペクトラムは原信号と一致し,それ以外は折り返し後の白色雑音相当となり,入力信号のスペクトラムが提案手法により簡易的に復元できることを示す.

Suguru Kameda

Suguru Kameda

Tohoku University

電子情報通信学会論文誌 C

リアルタイムスペクトラムモニタ用ダイレクト RF アンダーサンプリング受信機における簡易スペクトラム復元法

無線IoTの普及に伴い,920 MHz帯から5 GHz帯にわたるマルチバンドで,かつミリ秒級で発生する様々な無線システムの通信信号を監視できるリアルタイムスペクトラムモニタが求められている.本論文ではこれを実現するために,監視帯域の合計帯域幅の2倍以下のサンプリング周波数が異なるADCを複数並列に構成してアンダーサンプリングし,それらのパワースペクトラムに対して単純なデータ配列の転写と最小値演算を行うことによる,簡易スペクトラム復元法を提案する.提案手法は従来の圧縮センシングを用いた復元法よりも少ない演算量で済むため,ミリ秒級のリアルタイムでのスペクトラムモニタリングが従来よりも容易に実現できると考えられる.実験ではアンダーサンプリングによる折り返し後の白色雑音を上回るスペクトラムは原信号と一致し,それ以外は折り返し後の白色雑音相当となり,入力信号のスペクトラムが提案手法により簡易的に復元できることを示す.

Jun Shibayama (柴山 純)

Jun Shibayama (柴山 純)

Hosei University

電子情報通信学会論文誌 C

Drude-Lorentz モデルに対する複数の周波数分散性 FDTD スキームにおける反射係数の数値精度の比較

周波数分散性媒質に対するFDTD法として提案されている,帰納的畳込み(Recursive convolution: RC)法,補助微分方程式(Auxiliary differential equation: ADE)法,Z変換法を1次元のFDTD法に組み込み,Drude-Lorentzモデルに基づく金における反射をシミュレーションした.これまでに,これらの手法において,反射係数の精度を定量的に示し,誤差評価を行ったものはない.本論文ではこれらの手法における反射係数の誤差を定量的に評価し比較を行った.一般的なRC法とその他の手法の精度には大きな差があることを明らかにし,空間離散間隔に対して一般的なRC法は1次精度,台形則を用いたRC法,区間線形近似を用いたRC法,ADE法は2次精度で反射係数が計算されることを示した.解析時間についても比較を行い,1次元における実装ではZ変換法の解析時間が最も短いことを明らかにした.

Noriharu Suematsu

Noriharu Suematsu

Tohoku University

電子情報通信学会論文誌 C

Wi-Fi バックスキャッタを用いた 5GHz 帯簡易ビームフォーミング無線 IoT 通信

Society5.0やIndustry4.0では無線Internet of Things (IoT) 技術の適用によるスマートファクトリーの実現が唱えられている.工場内では,可動する工作機械や無人搬送車(Automated Guided Vehicle, AGV),移動する工作物(製品)との間での大量の通信が必要となる一方,無線Local Area Network (LAN)をはじめとする工場でIoTに使われている無線通信システムの周波数資源は限られている.このため,指向性ビームの適用により,隣接する同種システム間干渉を抑圧し,空間利用効率を向上させることが有効だと考えられる.本論文では,移動あるいは回転する工作機械の可動アーム自身あるいは,アームの先にとりつけられた物体のセンサノード(Sensor Node, SN)と,工作機械の基部に設置されたアクセスポイント(Access Point, AP)間の5 GHz帯の無線LANをベースにした無線IoT通信を,AP側の簡易的なビームフォーミングにより行うシステムとその送受信機ハードウェアを述べる.AP側を,4素子(2×2配列)のアレーアンテナにより,四つのビームを切り替える構成とし,各々のビーム内に存在す …

Tomohiko Asai

Tomohiko Asai

Nihon University

電子情報通信学会論文誌 C

マイクロ波 CT マンモグラフィの開発

あらまし 24 個の固定ダイポールアンテナを用いて三次元マイクロ波 CT 実験を行い, スーパーコンピュータを用いて Forward-Backward Time Stepping (FBTS) 法による CT 計算を行った. その結果得られた知見は, FBTS 法が雑音に強いこと, 及び計算の初期設定やキャリブレーション設定が精度向上に重要なことである. また計算モデル化が容易な広帯域平面アンテナの開発も行った. これらの知見を生かし, FBTS 法マイクロ波 CT マンモグラフィ装置の概念設計を行った.

Takashi Hikage

Takashi Hikage

Hokkaido University

電子情報通信学会論文誌 C

第 5 世代移動通信システム Sub-6 GHz 周波数帯における電界型及び磁界型アンテナ近傍での植込み型医療機器干渉誘起電圧推定

各種電波利用機器に対する植込み型医療機器(植込み型心臓ペースメーカ/植え込み型除細動器)の電磁干渉(EMI:Electromagnetic Interference)特性について,電磁界シミュレーションを用いた評価法の構築を目的として検討を行っている.本論文では,EMI評価試験で用いられる疑似人体に組み込んだペースメーカ数値モデルを用い,第5世代移動通信システムSub-6 GHz周波数帯(3.7 GHz, 4.5 GHz)において,ペースメーカコネクタ部への電界結合及び磁界結合に着目し,ダイポールアンテナ近傍における干渉誘起電圧についてシミュレーションを用いて評価する.有限要素法に基づく干渉誘起電圧のシミュレーション結果について,磁界型アンテナであるスロットアンテナの場合と比較して電界と磁界のどちらが干渉誘起電圧に支配的に作用するか議論する.また,ペースメーカ実機を用いた電波ばく露及び干渉誘起電圧測定を行い,シミュレーション結果の妥当性検証を行う.

Jun Shibayama (柴山 純)

Jun Shibayama (柴山 純)

Hosei University

電子情報通信学会論文誌 C

陰的及び半陰的 FDTD 法による TM 透過/TE 除去 THz 導波路偏光子の解析

陰的及び半陰的有限差分時間領域(FDTD)法を用いてTM透過/TE除去THz導波路偏光子を効率良く解析する.はじめに,局所的一次元法に基づく陰的FDTD法を用いて導波路偏光子を透過するTMモードを解析し,従来の陽的FDTD法の結果と比較する.時間刻み幅を陽的FDTD法の55倍に選んだ場合,導波モードパワーの最大誤差率が10%程度となることを許容すれば,計算時間を陽的FDTD法の10%に短縮できることを見出す.次に,新たに台形則畳み込み積分を導入した半陰的FDTD法を開発し,導波路偏光子を解析する.本研究では小さな空間刻み幅を必要とする偏光子の厚み方向にのみ陰解法を適用する.2方向の空間刻み幅の比を1:16とした場合,最大誤差率が0.81%の精度で,計算時間を陽的FDTD法の約36%に短縮可能であることを明示する.最後に半陰的FDTD法を用いてTEモード伝搬を解析し,偏光子の消光比特性を明らかにする.

加藤和利

加藤和利

Kyushu University

電子情報通信学会論文誌 C

二データ間のアンド演算を用いた高セキュリティ無線通信システムの評価

我々は異なる場所から放射した二つのデータを用いて伝送する,無線通信の物理層セキュリティ向上法を提案している.このシステムで受信器は二つのデータ間のアンド演算を実行し,元データを復号する.今回二つのデータの強度比と位相ずれが受信品質に及ぼす影響を評価し,提案システムの実現性を検証した.