ミリ波帯における非回折波生成用アンテナシステムの開発
Antenna system for diffraction free beam in millimeter wave

非回折波に着目し、第 6 世代（6G）無線通信で使用が検討されている 100GHz 帯で、遠距離通信が可能となる非回折波生成用アンテナシステムの開発を行う。設計したアンテナから放射される電波の伝搬特性（電界強度分布と伝搬距離）をシミュレーションにより調査し、ミリ波帯における非回折波の特性評価を行うことを目的とする。

藤本 孝文 (Takafumi FUJIMOTO, Dr. Eng.)
長崎大学 大学院工学研究科 准教授

２．研究の背景(Associate Professor, Nagasaki University, Graduate school ofEngineering)2020 年に第 5 世代（5G）無線通信の利用が開始さ

電子情報通信学会 映像情報メディア学会 IEEE 学会 アメリカ光学会（OSA）れたばかりではあるが、10 年後を見据えた 6G 無線通受賞：電子情報通信学会アンテナ伝播研究会フレッシュ

5G の通信速度は数 GHz 帯を使用する 4G の約 100 倍、

マ ン セ ッ シ ョ ン 優 秀 賞 (1998 年 ) ， IEEE Antennas &100GHz 帯を想定した 6G は 5G の少なくとも 10 倍以信の検討はすでに始まっている。28GHz 帯を使用する

Propagation Society Japan Chapter Young Engineer上になると見込まれている。しかし電波は周波数が高Award(19 99 年 )くなると伝搬距離が短くなる問題がある。100GHz 帯

研究専門分野：アンテナ工学 電波工学の電波は大容量通信に向いているものの遠距離通信には適さず、目的を達成するためには多くの基地局・中継器が必要となる。この問題はすでに 5G 通信網にも起きており、新たな基地局設置が 5G 通信の普及を遅あらましらせている大きな原因の一つである。無線通信の重要

ミリ波帯*1 の電波は伝搬距離が短いことが無線通信なデバイスとしてアンテナがあるが、現在提案されて利用の実用化を困難なものとしている。本研究ではそいる 100GHz 帯のアンテナは、ホーンアンテナをの解決策として、光工学分野における非回折波*2 に着100GHz 帯にチューニングしただけのものである。6G

目し、100GHz 帯で非回折波を生成するアンテナシス向けの遠距離通信を目的としたアンテナの研究開発はテムの開発を行う。本報告では、研究の第 1 段階とし行われていないようである。てシミュレーションによりミリ波帯の非回折波生成の可能性について評価を行っている。提案するシステム
は一次放射器用アンテナ、円環状の電界分布を生成するための円環スリット付き電波吸収体、および薄肉誘電体レンズからなる。シミュレーションにより各素子を設計し、レンズ透過後の電界強度分布と伝搬距離の関係を調査した。使用する計算機の RAM*3 により、計算可能な電波吸収体およびレンズの大きさに制限があったが、提案するアンテナシステムにより、光工学で図 1 光領域での非回折波生成システムの非回折波と同様な伝搬特性が得られ、ミリ波帯での非回折波が生成可能であることを明らかにした。

著者はこれまでに、光工学分野での非回折波の研究を行ってきた[1][2]。非回折波とは、J.Durnin[3]によ１．研究の目的って波動方程式*4 の 1 つの解として発見された波動で本研究では、光工学の領域で研究が進められてきたあり、図 1 に示すように 1 次放射器、円環スリット、
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薄肉レンズを組み合わせた装置によって生成される。

非回折波に関する研究事例は光工学領域には数多く

通常の電磁波が距離の 2 乗に比例して強度が減衰するあるものの、電波工学領域ではその数は非常に少ない。のに対し、非回折波は円環スリットの幅が無限小（円電波工学領域での文献[5]-[7]ではレンズのみを用いた環スリットの遮蔽率が無限大）の場合、距離による減非 回 折 波 生 成 法 が 提 案 さ れ て い る 。 文 献 [5] で は衰は生じない。つまり、非回折波は理論上無限遠方ま27GHz-29GHz（5G 帯）で近傍領域での非回折波につで伝搬可能な波動である。Tanaka ら[4]は円環スリッいて、文献[6][7]では 100GHz 帯（6G 帯）で遠方領域ト幅が有限の場合について調査し、ある一定距離までの非回折波について検討されている。いずれもレンズ非回折波が伝搬可能であることを明らかにしている。

形状が複雑である。6G の普及拡大を考えると、簡単な形状・構造で非回折波を生成できるアンテナが必要と<非回折波A>・遮蔽率=0.9・レンズ半径=10倍・準フレネル数=50<非回折波B>・遮蔽率=0.99・レンズ半径=20倍・準フレネル数=10なる。

<非回折波C>・遮蔽率=0.99・レンズ半径=30倍・準フレネル数=10３．提案アンテナの構造および研究の方法

伝送電力強度 [dB]-10光工学での非回折波生成は実験的にも証明されており、「1 次放射器として He-Ne レーザー」、「白黒のフ-20ィルムで作成された円環スリット」、「薄肉ガラスレン-30ズ」の 3 つの素子で構成される。この光工学での生成-40

装置を参考にした場合、電波領域では 1 次放射器には通常の光波-50「ホーンアンテナ」、ガラスレンズには「誘電体レンズ」を利用すれば良い。しかし、白黒フィルムの円環スリ-6005101520253035ットに代替するものはない。これは円環スリットの役

伝播距離 [f] f:レンズの焦点距離割が、「円環状に強度が一様かつ向きが一方向の電界を作り、円環部以外は電界を遮蔽すること」であり、こ図 2 光領域での非回折波のシミュレーション結果のような円環状電界分布を生成する素子は電波領域に（電力強度分布）は存在しないためである。通常、電波の遮蔽には金属板が使用されるが、金属板に円環状のスリットを設け図 2 に著者が行った光領域での非回折波の数値シミ電波を照射しても、電界の金属板に対する境界条件にュレーション結果を示す。非回折波生成装置は図 1 により理論上目的とする電界分布を作ることはできない。

示すものである。非回折波が生じる伝搬領域は、円環

著者は、電波領域での円環状電界分布生成素子として、スリットの径・幅、薄肉レンズの大きさ・焦点距離に直方体の電波吸収体に円環状のスリットを設けた素子よって決まる。先にも述べたように、通常の光波が距を提案する。

離と共に単調減少するのに対し、非回折波はある距離まで電力強度を一定に保ち伝搬していることがわかる。
非回折波は円環スリットを通すため、レンズ透過直後の電力強度は通常の光波より弱い。しかし、ある距離を通過するとその強度が逆転する。図 2 に示す非回折波 C の場合、伝搬距離が 2f～30f（f はレンズの焦点距離）の遠方領域で通常の光波より電力強度が強くなっていることがわかる。この非回折波を 100GHz のミリ波帯で生成できれば、6G での遠距離無線通信が可能となる。
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４．結果および考察

図 4 導波管アンテナ放射後の電界分布のシミュレーション
結果(Zs=3mm)

図 4 に導波管アンテナ開口部から Zs=3mm での電界分布のシミュレーション結果を示す。導波管アンテ

図 3 提案アンテナシステム

ナのサイズは Wg=1.67mm、Lg=1.27mm、Dg=3.0mm（電波領域での非回折波生成システム）である。電界強度は一定であり、また電界ベクトルの向きも上向き（y 軸方向）に一様である。

図 3 に提案する非回折波生成用アンテナシステムの構成図を示す。今後の実験を想定すると 1 次放射器と

図 5(a)、(b)に円環スリット透過後の電界強度分布おしてはホーンアンテナを使用すべきであるが、計算用よび電界ベクトル分布を示す。電波吸収体は Zs=3mmワークステーションの RAM 使用量をおさえるためにの位置に 設置さ れている 。電波吸 収体の サイズ は導波管のみを利用したアンテナを設計した（本稿ではWa=20.0mm、Da=10.0mm であり、比誘電率は r =1、導波管アンテナと呼ぶ）。導波管アンテナの放射開口部

導電率はの大きさは Wg×Lg、導波管の長さは Dg である。導波

b=1.0mm、内径 a=0.9mm である。図(a)より円環状に管アンテナの開口から Zs の位置に円環スリット付き強度が一定であり、またスリット部と電波吸収体部で電波吸収体を設置する。電波吸収体全体の大きさは表約 25dB の強度差ができていることがわかる。同図(b)面が Wa×Wa、厚さは Da である。またスリットを構成よりベクトルの向きも円環スリット状で一様であるこする円環の外径を b、内径を a としている。この円環とが確認できる。

である。また円環スリットの外径は図中に示している表面と同様に裏面にも同じ寸法のスリットを設け、それぞれのスリットを繋ぐように電波吸収体内部にも空隙を設けている。また電波吸収体の比誘電率は r、導電率は [S/m]である。円環スリッ
ト付き電波吸収体の放射面からレンズの焦点距離 f の位置に薄肉誘電体レンズを設置する。レンズの大きさは半径 HL、厚み DL である。
本研究でのシミュレーションは、高速多重極モーメント法に基づく電磁界シミュレーションソフトウィア
FEKO およびワークステーション（Windows 10、IntelXeon Silver 2.4GHz、RAM748GB）により行っている。

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ミリ波帯における非回折波生成用アンテナシステムの開発
Antenna system for diffraction free beam in millimeter waveの検討では使用したワークステーションの RAM の性能に限界があり、径の大きな円環スリットおよび誘電体レンズのシミュレーションができなかった。そのため、誘電体レンズをシミュレーションが可能となる(HL, DL)=(20.0mm, 3.082mm)、(25.0mm, 4.832mm)の 2 つのレンズを設計した。共に比誘電率 r =49、誘電正接 tan =0.0041 であり、焦点距離は 10.88mm である。

(a) 電界強度分布(a) 提案アンテナシステムにより生成された非回折波(b)

電界ベクトル分布

図 5 円環スリット開口表面の電界分布のシミュレーション結果

円環スリット付き電波吸収体の出射面から焦点距離の位置に薄肉誘電体レンズを装荷し、レンズ透過後の電界強度分布について調査した。光学分野において回折の程度を示すパラメータとしてフレネルナンバーN(b) 光領域での非回折波が使用される。文献[1][2][4]では、フレネルナンバーN

図 6 レンズ透過後の電界強度分布のシミュレーション結果

より準フレネルナンバーF (=2 N )を定義し、円環スリットの準フレネルナンバーF と光領域での非回折波の図 6(a)に提案アンテナシステムの薄肉レンズ透過後関係を検討している。F は波長λ、レンズの焦点距離の電界強度分布を示す。b =1.0mm、(HL, DL)=(20.0mm,f、円環スリットの外径 b を用いて F＝2 N=2b2/λf3.082mm) と

b=2.0mm 、 (HL, DL)= (25.0mm,と表すことができる。光工学でのスカラー波動理論に4.832mm)の 2 つの場合の計算結果である。共に波長より得られた非回折波の計算結果によると、準フレネ

λ=3mm（周波数=100GHz）であり、円環リングの遮ルナンバーF は 5 以上、レンズの半径 HL が円環スリ

蔽率は a/b=0.9 である。また、b =1.0mm では F =0.19ットの外径 b の約 20 倍以上で遠距離伝搬が可能な非であり、b =2.0mm の場合は F =0.77 となる。同図(b)回折波の性質が確認されている[1][2][4]。しかし今回には比較のため光領域でのスカラー波動理論を用いた
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場合の非回折波分布も示している。準フレネルナンバ

おわりにーは図(a)と同様に F =0.19、遮蔽率 0.9 である。図 6

本研究では提案する非回折波生成用のアンテナシスの横軸の下側メモリは焦点距離 f で規格化した値であテムを 100GHz のミリ波帯で設計し、その伝搬特性をり、上側は波長λで規格化した値である。図 6(b)の光シミュレーションにより検証した。その結果、提案す領域でのシミュレーションより、焦点距離 f =5 まではるアンテナシステムで、ミリ波帯非回折波が生成可能-64dBV/m～-78dBV/m の約 15dB 内で大きさがほぼであることを明らかにした。

一定で伝搬し、この区間では減衰しておらず非回折波であることが確認できる。同図(a)の F =0.19 の場合で用語解説

は振動幅は約 20dB となり光非回折波に比べ振幅幅は*1 周波数が 30GHz～300GHz の電波大きいが、f =4 までの減衰は小さく非回折波の特性を*2 理論上減衰せずに無限遠方まで伝搬する電磁波示していることが確認できる。

*3 計算機（ワークステーションやパーソナルコンピ

図 2 に示したように光領域での非回折波のシミュレュータ）の短期的にデータを保管する場所。RAMーションよりＦを大きく、またレンズの径 HL を大きの大きさにより、シミュレーションできるモデルのくすると非回折波としての伝搬距離が長くなることが大きさが決まる。

明かになっている。図 6(a)のＦ=0.77 でのシミュレー*4 電磁波の波動現象を記述する方程式

ション結果は f =6 あたりまで振幅が一定で伝搬しており、Ｆ=0.19 に比べ伝搬距離が長くなっていること

参考文献が確認できる。f =6 は約 66mm であり、約 22 波長に[1] 馬渡, 荒巻, 藤本, 電子情報通信学会総合大会総合大会, C-3-99, 2012相当する。このようにアンテナから十分遠方まで非回[2] T. Fujimoto, Y. Maemura, “Design of Optical Lens

折波が伝搬していることがわかる。

for Quasi-diffraction-free beam using Particle
Swarm Optimization”, Computer and Computing

４．将来展望本研究では 100GHz 帯の非回折波生成用アンテナ

Science, Vol. 111, pp.246-250, Oct. 2015.

システムの設計をシミュレーションを中心に行ったが、[3] J. Durnin, “Exact solutions for nondiffracting

今後は測定実験により非回折波生成の可能性を検証すbeams. I. The scalar theory”, Optical Society ofる。測定実験の場合、シミュレーション時に生じたス

America, Vol. 4, No. 4, pp. 651-654, April 1987.

リット付き電波吸収体およびレンズの大きさの制約が[4] K. Tanaka et al., “Quasi-diffraction-free beams”,ないため、目標とする準フレネルナンバーF =5 以上のJ. Opt. Soc. Am. A/ Vol. 18, No. 7, pp. 1644-1649,

非回折波生成の検証が可能となる。測定実験では、各July 2001.

素子の取り扱いの容易さから 28GHz 帯（5G）用非回折波生成用アンテナを先行して行う予定である。
非回折波は図 1 に示すように円環スリットの遮蔽率、レンズの径によりその伝搬距離を制御できる。これは、必要な距離だけ強い電波を送信できることを意味し、無線信号の傍受を防ぐことを可能とする。つまり、非回折波の利点は 5G、6G の遠距離通信だけでなく情報セキュリティにも大きく貢献できる波動である。また、電力伝送効率が高いので、無線電力伝送用としての検討も進める予定である。

5[5] Y. C. Zhong et al., “Generating and Steering
Quasi-Nondiffractive Beam by Near-Field
Planar Risley Prisms”, IEEE Trans.
Antennas and Propagationf Vol. 68, No. 12,
pp. 7767-7776, Dec. 2020.
[6] Y. Z. Yu et al., “Properties of Approximate
Bessel Beams at Millimeter Wavelengths
Generated by Fractal Conical Lens”
Progress In Electromagnetics Research,
PIER 87, pp. 105-115, 2008.
[7] W. Dou et al., “Diffraction-Free Bessel
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Beams at mm- and Submm-Wavebands”,
IEICE Trans. Electron., Vol. E92-C, No. 9,
pp.1130-1136, Sep. 2009.
この研究は、平成３０年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、令和元年～３年度に実施されたものです。

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