波形選択メタサーフェスの低電力化と無線 LAN システムへの応用
Development of Low-Power Waveform-Selective Metasurfaces and Its Application to Wireless LANsystems

本研究では信号の時間波形に応じて電磁波の吸収特性や透過特性を変化させる人工電磁材料であるメタサーフェス*1(以下，波形選択メタサーフェス)に着目する[1-3]．この波形選択メタサーフェスは信号の時間波形により特性が変化するため，同一周波数上での電磁干渉問題の新たな解決手法の 1 つとして考えられる．

安在 大祐 ( Daisuke Anzai, Ph. D.)

これまでに報告されている波形選択メタサーフェスで名古屋工業大学 大学院工学研究科 准教授

は，波形選択性を得るための条件として，非常に大き(Associate Professor, Graduate School of Engineering, Nagoya
Institute of Technology)なレベルでの受信電力が必要となり，実用化における課題となっていた．そこで，本研究は波形選択メタサ

電子情報通信学会 IEEE 他
受賞：愛知県若手研究者イノベーション創出奨励事業「第 13 回わかしゃち賞」
優秀賞 (2019 年) 電気通信普及財団テレコム技術賞奨励賞 (2017 年)
高柳健次郎財団研究奨励賞 (2017 年) IEEE MTT Society Japan Young
Engineer Award (2015 年) 他ーフェスの低電力化に取り組み，加えて，利用の多い
周 波 数 帯 と し て ISM (Industrial, Scientific andMedical) 2.4GHz 帯に対応した波形選択メタサーフ
ェ ス開発 し，そ の基本的な 電磁特 性を評 価する ．

研究専門分野：無線通信工学

2.4GHz 帯 の 利 用 ケ ー ス と し て WLAN (WirelessLocal Area Network) 信 号 を 用 い た 評 価 を 行 い ，あらまし2.4GHz 帯という同一周波数帯の電波(例：Bluetooth，WLAN) においてもパルス幅に応じて通信に不要な携帯電話，スマートフォン，タブレットなどの無線電波を吸収することによって電磁干渉問題の低減を目

通信機器は公共の場を含めた様々な場所で利用されて指す．以上より，同一周波数における電磁干渉問題のおり，無線周波数帯における電磁干渉問題は解決すべ

解決手段の 1 つとして，波形選択メタサーフェスの有き重要な課題の 1 つとなっている．電磁干渉が同一周効性を示すことが本研究の目的である．

波数で生じる場合，主要な解決手法として用いられてきた電磁波シールドや電波吸収体は所望波と干渉波を２．研究の背景識別することができず，問題解決はより困難となる．
本研究は，同一周波数帯においても信号の時間波形に現代において携帯電話，スマートフォン，WLAN な応じて吸収・透過特性を操作可能な波形選択メタサー

どの無線通信機器は我々の生活に欠かすことのできなフェスに着目し，2.4GHz 帯の電磁干渉問題の解決をい役割を果たし，公共の場を含めた様々な場所で利用図る．これまでの波形選択メタサーフェスの課題であされている．このため，他機器などから発生する干渉った無線通信で想定される低い受信電力での動作，及波または外部電磁界雑音によって通信や電子機器の動び 2.4GHz 帯無線変調波による動作検証に対して，本作に影響を及ぼす，いわゆる電磁干渉問題は現代にお研究は検討を行った．本検討結果から，実無線通信環ける重要課題の 1 つである．なお，この問題は通信用境における受信電力での波形選択性の実現可能性が示

電波と電磁ノイズが同一周波数となる場合，一層解決され，WLAN 信号においても有効に動作する波形選択が困難となる．これまで電磁干渉問題の主要な解決手メタサーフェスを実現できた．これらの結果より，波法として用いられてきた電磁波シールドや電波吸収体形選択メタサーフェスによる 2.4GHz 帯の電磁干渉問は電波の持つ周波数成分の違い応じて，それぞれに対題解決に対する可能性が示された．

する振る舞いを変化させることができた．すなわち，同一周波数上では選別することができないことにも起１．研究の目的因している．とりわけ，ISM 帯においては，広く産業，
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systems
科学，医療分野でも利用できることから，電磁界干渉め，その成分に対してキャパシタやインダクタの時間問題は一層深刻な状況にある．例えば，ISM 帯の 1 つ領域応答を組み合わせることで波形選択性が実現されである 2.4GHz 帯の電波は WLAN や Bluetooth だける．具体的にキャパシタまたはインダクタから構成さでなく，電子レンジを含む通信用途以外の機器などにれる波形選択メタサーフェスを図 2 に例として示す．

も利用されている．さらには今後，IoT (Internet ofThings) の普及により，通信の機会が大幅に増えることから ISM 帯の電磁干渉問題はより一層懸念されると考えられる．以上より，同一周波数上における電磁干渉問題に対する新たな技術が必要とされている．
図 2. (a)キャパシタおよび(b)インダクタ型波形選択メ３．研究の方法と結果

タサーフェスの構成例
本研究で用いられる波形選択メタサーフェスは，誘電体基板上に周期的に配置された金属パッチから構成

まず，この波形選択メタサーフェスの低電力化につされ，金属パッチ間のギャップ部分にはダイオード，いて検討する．波形選択性はダイオードブリッジによキャパシタ，インダクタ，抵抗等の回路素子が接続さる全波整流作用を利用することで得ることができる．

れている．図 1 は波形選択メタサーフェスの概形を示

そのため，金属パッチ間のギャップ部に現れる電位差す．その回路素子の組み合わせによって, 短いパルスによってダイオードの立ち上がり電圧以上の電圧が印

幅の電波(以下，パルス波)，連続波等，任意のパルス幅加されない場合，波形選択性の効果を得ることはできに対する吸収率を同一周波数においても制御可能であない．

る．

図 1. 波形選択メタサーフェス

図 3. ダイオードの V-I 特性の例

次に，波形選択メタサーフェスの動作原理について例として，図 3 に Broadcom 社の HSMS-2863 の説明する．波形選択メタサーフェスに電波が照射されV-I 特性を示す[4]．横軸はダイオードに対して順方向

ると，誘電体基板上の金属パッチ表面に電荷が誘起さに印加した電圧の大きさを表し，縦軸は印加した電圧れる．誘起された電荷は設計した動作周波数において値において流れる電流の大きさを表す．この図より，強く共振し，金属パッチ間のギャップ部に接続されたV-I 特性の線形部分における近似直線（図中点線）か回路素子へと流れ込む．その後，流入電荷は 4 つのダら立ち上がり電圧 V0 を約 0.3V と求めることができイオードから構成されたダイオード・ブリッジによっる．波形選択メタサーフェスの動作には金属パッチ間て全波整流される．その結果，入射波は非線形効果ののダイオードに立ち上がり電圧以上の電圧を印加する

影響により複数の周波数成分へ変換される．ここで，ことのできる誘導電荷が必要であり，これに相当する周波数変換されたエネルギーは直流成分に集中するた入射電力が，メタサーフェスによって波形選択性を得
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ることのできる最小電力となる．本研究では，波形選択メタサーフェスに理想ダイオード回路を用いることで，低電力下での動作実現を目指す．
有限要素法に基づいた電磁界解析により理想ダイオード回路を用いることによる波形選択メタサーフェスの低電力化の効果検証を行った．また，動作周波数については今回評価対象とした理想ダイオード回路の周波数特性を考慮し，基礎検討としてメタサーフェスの共振周波数を含む 20MHz から 50MHz までを 1MHzステップごとに解析を行った．入射電力については理想ダイオード回路に 40dB の利得を持つオペアンプを用いたため，より小さい動作電力で波形選択メタサーフェスが動作することを考慮し-50dBm から 0dBm までを 10dB ステップごとに解析を行った．

図 5. 理想ダイオード回路を用いた波形選択メタサー
フェスの吸収特性（キャパシタ型）
本電磁界解析と回路解析によって得られた，従来のダイオードを用いた場合のキャパシタ型の波形選択メタサーフェスの吸収特性を図 4 に，理想ダイオード回路を用いた場合のキャパシタ型の波形選択メタサーフ
ェスの吸収特性を図 5 に示す．ここで，Pulse は 5usの短パルスを照射した場合を表し，CW (ContinuousWave)は連続波を照射した場合を表している．従来のダイオードを用いた場合，キャパシタ型波形選択メタサーフェスは，入射電力 0dBm の短パルス波によって誘起された電荷をキャパシタへと蓄積した後，抵抗によって消散することで強い吸収率を示した．一方，連図 4. 従来のダイオードを用いた波形選択メタサーフ

続波ではキャパシタが完全に充電されるため，限定的ェスの吸収特性（キャパシタ型）な吸収率となった．このことから，従来のダイオードを用いた波形選択メタサーフェスにおいては 0dBm の入射強度を用いることで共振周波数付近において波形選択性が得られることが分かった．しかしながら，入射電力が-10dBm 以下の場合ではダイオードブリッ
ジに印加される電圧がダイオードの立ち上がり電圧を下回ることから効率的な全波整流作用を得られないた
め，吸収率とともに波形選択性の効果も低下することが分かった．
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一方，ダイオードの代わりに理想ダイオード回路を択メタサーフェスによる吸収率を評価した．また，プ用いた場合は，低電力の電波が照射された場合においログラミング言語 Python を用いて WLAN の送信時ても整流作用を得ることができ，電荷が内部回路へ流間を制御することでパルス幅の調整を可能とした．本入するため強い吸収特性が表れる．特に，キャパシタ測定ではランダムな送信系列を利用することにより型における短パルス波とインダクタ型における連続波

Wi-Fi 信号は毎回波形が異なるため，10 回測定した値

は入射電力 0dBm から-30dBm において 90%以上吸の平均値を評価した．

収された．なお，ここで理想ダイオード回路に用いたオペアンプの利得は 40dB であった．そのため，従来のダイオードを用いた場合，入射電力 0dBm において波形選択性を得られていたことから，理想ダイオード回路を用いることで動作電力を-40dBm まで低下できることを見込んでいたものの，実際には-30dBm 程度となった．これは，理想ダイオード回路内の抵抗の大きさによって立ち上がり電圧が理論値よりも大きくなったことが原因の 1 つとして考えられる．
最後に，波形選択メタサーフェスにおいて 2.4GHz
帯 WLAN 信号を用いた評価を行った．WLAN 信号は

図 7. 2.4GHz 帯 WLAN 信号に対するキャパシタ型波トランスポート層の制御によりおおよその 50μs の送信波(以下，50μs パルス) を短パルスとして，連続波

図 7 は測定した吸収率を示す．また，比較のためにとともにキャパシタ型波形選択メタサーフェスの吸収

2.4GHz 単純正弦波（無変調波）による 50μs パルス率について評価した．このパルス長の変化量に合わせまたは連続波を照射した場合の吸収率も同じグラフにて時定数の調整として，1μF のキャパシタを用いた．

示す．キャパシタ型波形選択メタサーフェスに対して用いた実験系を図 6 に示す．

約 50μs 長のパルス幅の WLAN 信号を照射した場合，約 0dBm の入射強度では-4.7dB の吸収率を示したが，12dBm 程度の入射強度を用いることによって-15.5dBの吸収特性を示した．一方，連続波を照射した場合は入射強度によらず短パルスを照射した際と比較して3dB～-6dB 程度の限定的な吸収率となることが分かった．また，2.4GHz の電波を照射した場合の結果と比較すると，吸収特性や透過減衰量の傾向は定性的に似ているものの，定量的には違いがある．これは，正図 6. WLAN 信号による評価実験系

弦波は単一の周波数成分を含むのに対して，WLAN 信号は帯域幅を持ため，WLAN 信号を照射した場合，そPC1 に接続された WLAN アダプタから出力されるの帯域幅を構成する全ての周波数成分を考慮した値と信号は，アダプタ直後に配置されたカップラーによっなるため，正弦波を照射した場合と結果が異なる．以て WLAN アンテナへと分配される．分配された信号上より，約 12dBm 程度の電力を持つ Wi-Fi 信号を用はアンテナから放射し，ルーター (BUFFALO 社，いることで最大で約 10dB の吸収率の差が確認され，WXR-1750DHP)を介して PC2 と通信が行われる．こ

周波数と振幅が一定な正弦波に対してだけではなく，の PC1，2 間で行われる通信の信号を導波管内部へと無線変調信号である WLAN 信号に対しても波形選択照射されるように接続することで，配置された波形選メタサーフェスは有用であることが示された．
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ForbiddenFrequency

Band,”

IEEETrans.

Microwave Theory Tech., vol. 47, pp. 2059-2074,

４．将来展望1999.
本研究による評価結果から，実使用環境における波[2] H. Wakatsuchi, D. Anzai, J. J. Rushton, F. Gao,

形選択メタサーフェスの有用性が明らかになった．今S. Kim, and D. F. Sievenpiper, “Waveform

後の展望として，他の周波数帯や変調方式での波形選

Selectivity at the Same Frequency,” Sci. Rep., vol.

択メタサーフェスの有効性検証やさらなる低動作電力

5, p. 9639, 2015.
[3] H. Wakatsuchi, S. Kim, J. J. Rushton, and D. F.

への検討が挙げられる．

Sievenpiper, “Waveform-Dependent Absorbing
Metasurfaces,” Phys. Rev. Lett., vol. 111, p.

おわりに245501, 2013.
[4] HSMS-2863 - Broadcom Limited |Connecting

本研究により，これまでの波形選択メタサーフェスの課題であった無線通信で想定される受信電力での動Everything"https://jp.broadcom.com/products/

作，及び実際の 2.4GHz 帯の無線変調信号による動作

wireless/diodes/schottky/hsms-2863.

検証に対して検討を行った．低電力化の検討においては，理想ダイオード機構を取り入れることで大幅な動関連文献

作電力の低減を実現し，実環境における無線通信での[1] D. Ushikoshi, M. Tanikawa, K. Asano, K. Sanji,

波形選択性の可能性を示した．さらに，単純な正弦波

M. Ikeda, D. Anzai, and H. Wakatsuchi,

信号（無変調信号）ではなく 2.4GHz 帯 WLAN 信号“Experimentalを用いることにより，無線変調された信号に対して波selective

形選択メタサーフェスが動作するかについて実験的に

communication characteristics at the same

検証を行った．実験結果より，無変調の単純な正弦波

frequency band of 2.4 GHz,” IET Electronics

だけでなく WLAN 信号においても有意な波形選択性

Letters, vol. 56, no. 3, pp. 160-162, Feb. 2020.

demonstration

metasurface

ofwaveform-varying

wireless[2] 谷川瑞紀，三治健一郎，池田正和，安在大祐，若土が確認された．

弘樹，“低電力波形選択メタサーフェスの数値解析評価,” 電子情報通信学会ソサイエティ, C-2-51,謝辞

2019 年 9 月.

本研究遂行にあたり，名古屋工業大学 若土弘樹准教授，牛越大樹氏，谷川瑞紀氏におかれましては多岐に渡りご支援をいただきました．ここに深く御礼を申し上げます．

この研究は、平成２７年度ＳＣＡＴ研究助成の対象と用語解説して採用され、平成２８～３０年度に実施されたもの*1 メタサーフェス：ユニットセルと呼ばれる構造をです。

繰り返し的に（周期的に）配列することにより構成される人工材料の一種．
参考文献[1] D. F. Sievenpiper, L. Zhang, R. F. Jimenez Broas,
N. G .Alexopolous, and E. Yablonovitch, “HighImpedance Electromagnetic Surfaces with a
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