宇宙太陽発電
Vol.1 (2016), pp. 59-61－シンポジウム論文－

レトロディレクティブ用多層デュアルバンドアンテナの開発†
Dual-band Antenna on Multi-layer substrate for Retrodirective
長谷 川 直 輝*1‡・ 篠 原 真 毅*1・川 崎 繁 男*2
Naoki HASEGAWA*1, Naoki SHINOHARA*1, Shigeo KAWASAKI*2

本研究ではレトロディレクティブ用小型軽量なアンテナシステムのために，多層基板上にデュアルバンドアンテナを試作した．試作した 2×2 アンテナのゲイン測定の結果，8.49 dBi（@ 7.11 GH z）及び 9.61 dBi（@ 8.29GHz）のアンテナ利得を確認した．また，アンテナの各ポート後段にバンドパスフィルタを導入することで，-49.5 dB（@ 7.11 GHz）及び-52.8 dB（@ 8.29 GHz）のアイソレーション特性を確認した．ミキサと試作した 1×2 アンテナを用いたビーム方向制御試験では，アンテナ間位相差から導出される放射角の理論値と測定値を比較した．
In this work, the dual-band antenna on a multi-layer substrate for retrodirective is fabricated. The gain of 8.49 dBi at
7.11 GHz and 9.61 dBi at 8.29 dBi is observed in the measurement of the fabricated 2x2 antenna. The isolation
characteristic of the antenna is improved to -49.5 dB at 7.11 GHz and -52.8 dB at 8.29 GHz by BPFs, respectively. Finallythe radiation beam angle calculated from phase difference between antenna elements and measurement results arecompered for evaluating of beam control accuracy. In this examination, the 1x2 antenna with mixers is used.
Keywords：Retrodirective, Dual-band Antenna, Multi-layer.
1. 研究背景・目的
超長距離通信やマイクロ波無線電力伝送のために，効率よく対象方向に電波を送信・送電する必要性が高まりつつある．そのため，レトロディレクティブに代表されるビーム方向制御技術は必須の技術である．
近年，高効率なビーム方向制御のためのレトロディレク
ティブに関する研究が多くなされている 1, 2)．しかし，従来のシステムではアンテナの周波数帯域の問題により，到来波と放射波の周波数が離れている場合，周波数ごとにアンテナを用意する必要があった．本研究では多層基板を用いたデュアルバンドアンテナを設計し，7.1 GHz／8.4 GHz の離れた周波数帯で使用可能な小型軽量なアンテナシステムを目指す．

第 1 図 H/W レトロディレクティブシステムの概要

ミキサから構成される．各アンテナエレメントで受信したRF 信号はミキサにより LO 信号とミキシングされた後，フィルタにより IF 信号として差周波成分のみが取り出される．IF 信号は RF 信号に対して位相共役関係となるため，到来するパイロット信号と同方向に折り返してビームを再放射する．

2. レトロディレクティブシステム概要
第 1 図に H/W レトロディレクティブシステムの概要を示
す．本システムは送受信用アンテナ，BPF (Band Pass Filter)，† 第 1 回宇宙太陽発電シンポジウム，2015 年 12 月 15-16 日，
東京にて発表‡ Corresponding author: Naoki HASEGAWA. E-mail: naoki_hasegawa@rish.kyoto-u.ac.jp＊1
京都大学生存圏研究所 〒611-0011 京都府宇治市五ケ庄,
Kyoto Univ., Gokasho, Uji, Kyoto 611-0011, Japan＊2
宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 〒252-5210 神
奈川県相模原市中央区由野台 3-1-1,
JAXA/ISAS, Yuinodai, Chuoh, Sagamihara, Kanagawa 252-5210,
Japan

3. デュアルバンドアンテナ
3.1 多層基板を用いたアンテナ設計 多層基板は 2 種の誘電体基板 Duroid 5880（H=127 μm）及び GenClad 280（H=84 μm）を貼り合わせて 3 レイヤを構成した．第 2 図にアンテナ概要と断面図を示す．また，第 3 図（a）に試作した 2×2 アンテナを示す．
一般に，H/W レトロディレクティブシステムでは到来波( 59 )

レトロディレクティブ用多層デュアルバンドアンテナの開発（長谷川直輝・篠原真毅・川崎繁男）

（a）

（b）

第 2 図 （a）多層基板を用いたデュアルバンドアンテナ（b）アンテ
ナ断面
第 4 図 試作物の S パラメータ測定結果

（a）

（b）

（c）

第 3 図 （a）2×2 アンテナの試作（b）7GHz BPF（c） 8GHz BPF（a）と放射波の電力差が大きく各ポート間のアイソレーション特性を強化する必要がある．そこで，アンテナ後段に第 3 図（b），（c）に示す BPF を挿入した．第 4 図に素子アンテナ，BPF，及び BPF 実装時のアンテナ S パラメータを示す．第 4 図より，素子アンテナの反射率は 7.11 GHz及び 8.4 GHz において-20 dB 以下となることを確認した．
また，BPF の阻止帯域における減衰量は 7.11 GHz 及び 8.4
GHz において-30 dB 以下であった．素子アンテナ後段にBPF を実装した場合，各ポート間のアイソレーション特性は 7.11 GHz 及び 8.4 GHz において-49.5 dB 及び-52.8 dB に改善された．

第 5 図 アンテナ絶対利得測定結果 （a）8.29 GHz, phi=0 deg.（b）7.11 GHz. phi=90 deg.

λλin

sin θ out =－ out sin θin

ビーム方向制御試験

第 1 表 ビーム方向制御試験結果

入射角
放射角(Ideal)
放射角(Meas.)

4.1 放射角の導出 アンテナ正面方向を 0 deg. とし，パイロット信号の入射角 θin を変化させたとき，RF 信号とIF 信号のアンテナ間位相差 Δφin と Δφout は共役関係である
ため式（1）を得る．ただし，d はアンテナ間距離，λin 及びλout は到来波及び放射波の自由空間波長である．式（1）を放射角 θout についてまとめると式（2）となる．

∆ϕin =－∆ϕout =2π d sin θin

λin=－2π d sin θ outλout(2)

4.2 測定値との比較 1×2 アンテナの後段にミキサを挿入したレトロディレクティブシステムに対してビーム方向制御試験を行った．入射波と放射波の周波数はそれぞれ7.11 GHz と 8.29 GHz である．入射角を 0 deg. から 30 deg.
まで変化させたとき，式（2）より導出される放射角の理論値と測定値を第 1 表に示す．ただし，測定値はビーム半値幅の中心を放射角とした．
第 1 表より入射角に対して放射角は理論値・実測値ともに差が大きい結果となった．式（2）より，入射角と放射角の原因は到来波と放射波間の自由空間波長の差によるものと考えられる．一方，放射角の理論値と測定値を比較すると概ね近い値となった．

3.2 アンテナゲインの測定 2 アンテナ法を用いたシングルアンテナ及び 2×2 アンテナの絶対利得測定結果を
第 5 図に示す．7.11 GHz 及び 8.29 GHz での正面方向ゲイン測定結果は，シングルアンテナにおいて 3.91 dBi 及び3.57 dBi，2×2 アンテナにおいては 8.49 dBi 及び 9.61 dBi であった．これらの値は，FEM シミュレータ（CST, MWStudio）による電磁界解析結果を概ね再現するものであった．
4.

（b）0 deg.
0 deg.
0 deg.
5.

15 deg.
12.6 deg.
12.5 deg.

30 deg.
25.0 deg.
21.5 deg.

まとめ

レトロディレクティブ用の多層基板を用いたデュアルバンドアンテナを試作し，7.11 GHz および 8.29 GHz で絶対利得を測定した．また，送受信間の電力差に対応するために BPF を用いてアンテナの高アイソレーション化を行っ(1)( 60 )

レトロディレクティブ用多層デュアルバンドアンテナの開発（長谷川直輝・篠原真毅・川崎繁男）
た．最後にミキサと組み合わせたビーム方向制御試験を行い放射角の理論値と測定値の比較を行った．

1)

Pon, C. Y.: Retrodirective Array Using the Heterodyne Technique,IEEE Trans. Antennas Propag., AP-12 (1964), pp.176-180.
2) 篠原真毅, 國見真志, 三浦健史, 松本紘, 藤原暉雄: 目標自動追尾式マイクロ波送電器のデモンストレーション公開実験,
信学論B, J81-B-2 (1998), pp. 657-661.

参 考 文 献(2015.12.25 受付)( 61 )