「科学レポート」：3D プリントにより、ミリ波用のマッチング層を備えた平面レンズが製造されます。

この投稿は Coco Bear によって 2022-3-13 09:22 に最後に編集されました。

アンタークティックベアは、2022年3月にマドリード・カルロス3世大学信号理論・通信学部の研究者がScientific Reportsに新たな研究を発表したことを知りました。彼らは3Dプリントを使用して、Kaバンドで使用できる広帯域でコスト効率の高いフラットレンズアンテナを作成し、元のレンズ設計に適合層を追加しました。結果として得られるレンズは、すべて誘電体で低コスト、完全に 3D プリントされた平面レンズであり、Ka バンド全体にわたって高ゲイン特性を備えているため、5G テクノロジーなどの新しい通信システムに適しています。
△3Dプリントで製作した平面レンズアンテナ。 (A) 上面図 (B) 直交図
●Kaバンド：電磁スペクトルのマイクロ波帯の一部です。Kaバンドの周波数範囲は26.5〜40GHzです。 Ka 帯域は 30/20 GHz 帯域とも呼ばれ、衛星通信によく使用されます。 ●レンズアンテナ：点源または線源からの球面波または円筒波を電磁波によって平面波に変換し、鉛筆状、扇状などの形状のビームを得ることができるアンテナ。
研究背景:
新世代の通信システムは、電磁スペクトルのより高い部分、つまりミリ波に徐々に拡大しています。周波数の上方シフトの主な問題は伝播損失の増加であるため、この問題を解決するには高利得アンテナが必要です。従来のソリューションは、パッチアレイとして印刷技術を使用して高ゲインを実現することですが、これには複雑で高価な給電ネットワークが必要であり、誘電損失と導電損失の影響も受けます。したがって、レンズアンテナは上記の問題を解決するための好ましいソリューションとなっています。
レンズアンテナの利点は、高価で複雑な給電ネットワークを必要としないことです。ただし、レンズアンテナは、形状が複雑で材料の入手が難しいため、標準の製造方法で特定の屈折率を実現するのは困難です。近年、高周波構造の製造に使用されている技術の 1 つが 3D プリンティングです。
本研究では、研究者らは、形状変更を回避し、レンズの各領域で異なる比誘電率を持つフィールド変換法を使用して設計し、レンズの片側に入射する球面波を出口で平面波に変換する、Kaバンドで動作する平面誘電体レンズアンテナを提案しました。
研究内容：
1. レンズアンテナの設計とシミュレーション△屈折率分布型平面レンズの模式図。
△3Dプリントされた平面レンズの27GHz、34GHz、40Hzでのシミュレーション結果を分析しました。上: 電界の大きさ。下: ゲイン放射パターン。
2. 平面レンズを製造するための 3D プリント<br /> 設計が完了し、シミュレーションによって検証された後、研究者らは平面レンズを製造しました。設計プロセスにおいて各リングの特定の誘電率値を取得する必要があるためです。この目的のために、レンズは、異なる比誘電率値を持つPREPERM誘電体フィラメントを使用した3Dプリント積層製造技術を使用して製造されました。
3. 一致するレイヤーを追加する
空気からレンズへの移行部における誘電率の差は、特に中央リングでは大きく、大きな反射を引き起こす可能性があります。この影響を軽減するために、マッチングレイヤーがよく使用されます。研究者らは、レンズの入射波側からの空気とレンズのコントラスト（ML前の場合）、レンズ外側のレンズリングから空気への遷移（ML後の場合）、および2つのケースの組み合わせとしてマッチング層を追加する（ML前の場合とML後の場合）という3つのケースでマッチング層を評価しました。 △ マッチング層なし、レンズの前にマッチング層がある（Pre-ML）、レンズの後ろにマッチング層がある（Post-ML）、レンズの両側にマッチング層がある（Pre-ML）34 GHzで3Dプリントされたフラットレンズのシミュレーション結果。上: 電界の大きさ。下: ゲイン放射パターン。
4. レンズとマッチング層の組み合わせ△レンズとマッチング層の分解図、各部品に必要な等価誘電率値、各部品に使用する印刷材料。
△製作した整合層とレンズアンテナの写真。 (A) マッチング層の上面図。 (B) マッチング層付きレンズアンテナ。
5. 製造したレンズアンテナの測定△Kaバンドでマッチング層ありとなしの3DプリントレンズのE面とH面の利得放射パターンを3つの周波数で測定した。 (A) 28GHz (B) 34GHz (C) 40GHz
△提案されたレンズを文献に記載されているミリ波帯で動作する他の平面レンズと比較すると、実験データにより、マッチング層を使用したレンズの性能が向上し、より高いレベルの最大ゲインが達成されることを証明できます。他の製造方法で製造されたレンズアンテナと比較して、 3D プリントで製造されたレンズアンテナは、性能が優れ、動作帯域幅が広くなります。
注：この記事の内容は若干調整されています。必要に応じて原文をご覧ください。出典： Poyanco, JM.、Pizarro, F.、Rajo- Iglesias , E. ミリ波アプリケーション向けのコスト効率の高い広帯域誘電体平面レンズアンテナ。SciRep 12, 4204 (2022)。DOI : https://doi-org-443.webvpn.las.ac.cn/10.1038/s41598-022-07911-z

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