高専研究紹介

香川高等専門学校 通信ネットワーク工学科

草間裕介

v4.8 Jan.2019 1

本科4年生向け卒業研究紹介2018/06/14

研究室キーワードキーワード：マイクロ波，RF (Radio Frequency：FMより上で光波より下の周波数帯)，電磁波，高周波，導波管，伝送線路，マイクロストリップ線路，フィルタ，アンテナ，誘電率，透磁率，電磁界シミュレーション，計算電磁気学，CEM (Computational Electromagnetics)，CAE (Computer Aided Engineering)，CAD (Computer Aided Design)，EMC (Electromagnetic Compatibility)，EMI (Electromagnetic Interference)，教育工学，CAI (Computer Aided Instruction)

2

研究室ウェブ3

http://www.cn.kagawa-nct.ac.jp/~kusama/

http://www.kusamalab.org/

学内用

学外用

電波の名称と周波数帯

EHF（ミリ波）

サブミリ波

SHF（マイクロ波）

AMラジオ

FMラジオ地上波アナログ

地上波デジタル470 – 770 MHz

携帯電話(第３世代) 1920 – 2200 MHz

電子レンジ2450 MHz

無線LAN 2450 MHz, 5000 MHz

BS、CS、レーダ宇宙探査望遠鏡

電波

と呼

べる

範囲

（目

には

見え

ない

）

Rad

io w

ave

visible

4

3 kHz

30 kHz

300 kHz

3 MHz

30 MHz

300 MHz

3 GHz

30 GHz

300 GHz

3 THz

10000 THz

300 Hz

VLF

LF（長波）

MF（中波）

HF（短波）

VHF

UHF

光波赤外線

紫外線

1 mm

10 cm

1 m

10 m

100 m

1 km

10 km

very low

ULFultra low

very high

ultra high

super high

extremely high

1000 km

100 km

0.03μm

0.1 mm

1 cm

300–30 Hz : SLF, 30-3 Hz : ELF, 0 Hz : DC

high

medium

low

0 Hz : DCより上の周波数はすべてAC

宇宙背景放射

W. L. Stutzman and G. A. Thiele, “Antenna Theory and Design 2nd ed.,” p. 427, John Wiley

実験観察

コンピュータシミュレーション

比較検証

比較検証

比較検証

数学的解析

5

CADFDTD

Mesh generation

MoM

スペアナVNA, SGオシロ

微積分

線形代数

微分方程式

フーリエ解析

アンテナプローブ

FEMFDM

GTDPO

誤差解析統計解析

校正

RF部品コネクタ

ケーブル

ベクトル解析

積分方程式

電気回路

電磁気学

電磁波工学

MMM

BEM

Fortran, C, VB

はんだ付け

電子回路

変分法

Java

製作加工

重み付き残差法

グリーン関数

特殊関数

テンソル

材料定数

視点２ 視点３

視点１

PDCAサイクルSTEAM教育

Plan

Do

CheckAct

Learningピラミッド

理論

電磁技術者に必要なツール 専門科目体系（通信系）

基礎工学実験・実習*

本科1年 (2) 本科2年 (4) 本科3年 (8) 本科5年 (16)

創造実験・実習* 基礎工学実験* 通信工学実験Ⅰ* 通信工学実験Ⅱ*

卒業研究*

コンピュータネットⅡコンピュータネットⅠ

論理回路設計

電子回路Ⅱ*

半導体工学

回路網理論

データ通信

電磁気学Ⅱ*

基礎電気工学*

情報処理Ⅰ*

電磁気学Ⅰ*

電気回路Ⅰ* 電気回路Ⅱ*

電子回路Ⅰ*

電気電子計測Ⅰ*

電子工学*ディジタル回路Ⅰ*

情報処理Ⅱ*

応用物理Ⅱ*応用物理Ⅰ*

確率統計*

応用数学*

アンテナ工学

電気通信システムB

情報理論

通信法Ⅱ

電波応用工学

無線通信工学Ⅰ

電気通信システムA

通信法Ⅰ

情報処理Ⅲ

電波伝送工学電磁気・通信系

回路・制御系

言語・IT系

実験・実習系

半導体系

電磁気・回路系

応用物理系

電気電子計測Ⅱ

無線通信工学Ⅱ

無線工学演習

制御工学

本科4年 (15)

画像・信号処理工学

光エレクトロニクス

※高学年で電波・通信系の専門が多くなる。

6

( ) 内は科目数* 付は必修科目

研究発表等（最近５年以内）査読付論文 • • • Reviewd papers[8] 草間裕介, 横井雄亮, ``マイクロストリップライン回路製作実験に関する検討 ‐マイクロ波工学に関する学生実験のために‐,'' 電子情報通信学会論文誌 C, Vol.J99-C, No.12, Page.646-650 (2016.12)[9] Y. Kusama, R. W. Johnston, O. Hashimoto, ``A Study of Waveguide Reactance Element Designs for Introductory Microwave Experiments,'' IEICE Electronics Express, Vol.14 (2017), No.7, pp.20160916 (DOI: 10.1587/elex.14.20160916)[10] 草間裕介, 橋本修, ``導波管定在波実験の実践,‘’ 日本物理学会 大学の物理教育, Vol.xx-x, No.xx, Page.xx-xx (2017.xx) 採録決定査読付国際会議 • • • International Conference[5] Y. Kusama, ``Impedance Measurement with Slotted Line for Experimental Undergraduate Student Program,'' International Symposium on Advances in Technology Education, 2013-ISATE-b2-1, pp.94-99 (2013.9)[6] Y. Kusama, O. Hashimoto, ``A Study on Design of Waveguide Reactance Element for Introductory Microwave Experiment,'' Vth International Symposium on Fusion of Science & Technology, 2016-ISFT-243, pp.268-274 (2016.1)[7] Y. Hosokawa, Y. Kusama, ``A study on the Characteristic Difference of the Tapered Line Impedance Transformer Using an Electromagnetic Field Simulator,'' International Seminar on Nanoscience, Nanotechnology & Nano engineering, NANO-SciTech 2016-O14, pp.27-28 (2016.2)[8] Y. Kusama, R. Johnston, and O. Hashimoto, ``Educational Training Program for Electromagnetic Field Simulation,'' International Symposium on Advances in Technology Education, 2016-ISATE-1407, pp.269-274 (2016.9)研究会 (査読なし) • • • Technical Reports[10] Y. Kusama, O. Hashimoto, ``A Study on Development of Experimental Student Program for RF Engineer Training - High-Frequency Impedance Measurement with Waveguide Standing Wave Method –,'' 電子情報通信学会技術研究報告, ET2014-35, pp.35-40 (2014.9)[11] 細川裕基，石川翔也，草間裕介, ``テーパー線路インピーダンス変換器の製作に関する一検討,'' 電子情報通信学会技術研究報告, EST2015-6, pp.27-32 (2015.5)[12] 草間裕介, 橋本修, ``導波管リアクタンス素子の設計に関する一検討 -マイクロ波導入教育実験のために-,'' 電子情報通信学会技術研究報告, EMCJ2015-66, MW2015-105, EST2015-76, pp.41-46 (2015.10)[13] 横井雄亮, 草間裕介, ``マイクロストリップライン基本回路製作実験に関する検討 -マイクロ波工学に関する学生実験のために-,'' 電子情報通信学会技術研究報告, MW2015-139, pp.35-40 (2015.12)[14] 細川裕基, 草間裕介, ``テーパー線路インピーダンス変換機の特性解析に関する一検討,'' 電子情報通信学会技術研究報告, MW2016-145, pp.73-78 (2016.12)大会予稿集 (査読なし) • • • Domestic Proceedings[15] Y. Kusama, Y. Yokoi, O. Hashimoto, ``RF Impedance Measurement with Slotted Line for Experimental Student Program,'' 電気関係学会四国支部連合大会, 12-35 (2013.9)[16] 草間裕介, 佐藤将之，橋本修, ``導波管リアクタンス素子の製作と特性測定実験, -マイクロ波工学の学部学生実験のために- ,'' 日本工学教育協会第62回年次大会, 3F07, pp.538-539 (2014.8)[17] 草間裕介, 石川翔也, 横井雄亮, ``テーパー線路インピーダンス変換器の設計製作実験に関する一検討,'' 電気関係学会四国支部連合大会, 12-7 (2014.9)[18] 草間裕介, 橋本修, ``導波管リアクタンス素子の設計に関する一検討,'' 電気関係学会四国支部連合大会, 12-9, p.151 (2015.9)[19] 細川裕基, 草間裕介, ``テーパー線路インピーダンス変換器の設計に関する一検討,'' 電気関係学会四国支部連合大会, 12-10, p.152 (2015.9)[20] 草間裕介, 横井雄亮 ``マイクロストリップライン基本回路製作実験に関する一検討,'' 電子情報通信学会総合大会, C-2-47, p.76 (2016.3)[21] 草間裕介, ``ダイポール近傍静電界の誤差解析,'' 日本物理教育学会物理教育研究大会, pp.31-32 (2017.8)[22] 草間裕介, ``導波管定在波パターン測定における誤差解析,'' 電子情報通信学会ソサイエティ大会, C-2-xx, p.xx (2017.9)[23] 草間裕介, ``FDTD法による電磁界シミュレーション教育プログラム,'' 電気関係学会四国支部大会, xx-xx, p.xx (2017.9)

7

就職先：四国計測工業（専）四国電力三菱電機エンジニアリング三菱受配電システムNECネッツエスアイ・エンジニアリングKDDIテクニカルエンジニアリング阪大微生物病研究会佐藤建設工業NHKアイテックケイオプティコム（専）KDDI（専）

進学先：電気通信大学三重大学立命館大学東京理科大学高知工科大学愛媛大学大学院（専）

研究生の進路8

※ 本科生については、個人的な縁故などの極めて稀

なケースは除き、研究室名や卒業研究内容と就職先や進学先の関連はほぼありません。しかし、専攻科から大学院進学する際は、専攻科における学外研究成果が重視されます。

年度 本科5年

専攻1年

専攻2年

合計[人]

H30 1 1 1 3

H29 3 1 0 4

H28 2 0 1 3

H27 1 1 1 3

H26 3 0 0 3

H25 4 0 0 4

H24 2 0 0 2

ReflectionS11

3. Method Fabrication/Measurements Simulations Theoretical analysis

Training kit

Standing Wave Pattern Measuring System

1. Theme Impedance/Power Filters Divider/Couplers Amplifier/Oscillators Antennae Permittivity

2. Structure Waveguides Planar transmission lines Metallic wires

RF Impedance/WaveguidesAntennae/Conductive wires

Filters/Planar circuits

Divider/Couplers/Planar circuits

ReflectionS11

TransmissionS21

電磁波工学教育プログラム9

特性インピーダンスの異なるMSLを組み合わせることでLPF特性を実現しているフィルタのこと。

電磁界シミュレーション

測定理論解析

（設計理論）

ステップドインピーダンスLPF

動作原理を理解するためには最低でも3つの視点が必須

比較検討 比較検討

マイクロ波フィルタの設計例

電磁界シミュレーター ネットワークアナライザ 設計理論藤田，関, ``マイクロストリップラインフィルタの設計に関する一検討,’’ 詫間電波高専卒業研究論文集, H23, H24

10

導波管フィルタの設計

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

6.E+09 7.E+09 8.E+09 9.E+09 1.E+10 1.E+10Frequency [Hz]

Tra

nsm

issio

n [

dB

]

B

C

D

E

理論

6 7 8 9 10 11Frequency [GHz]

B C D E心材 通常 通常 高密度 高密度

不連続部のアルミ箔取り付け方法

のり セロハン セロハン導電性テープ

小西, ``E面導波管フィルタの製作,’’, 詫間電波高専卒業研究論文集, 2007

ab

l

w a=23 mmb=10 mmc=160 mml =15 mmw=10 mm

アルミ箔

発泡スチロールc

E面分岐

Xバンドストレート導波管モデル

SG

SA

11

導波管リアクタンス素子の設計WR-90 standard waveguidea×b = 22.9×10.2 mm

b

a

d

d=4.2 mm (d/a=0.41)

d=18.0 mm (d/a=0.79)

a

d

x

y

z

b

x

y

z

InductiveL

CapacitiveC

Short block

λ/4 lineat 10 GHz

Inductive L

Capacitive C

Mask Pattern

Copper Plate, t = 0.1 mm

80 %

40 %

12

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 1 2 3 4 5

RL [d

B]

Frequency [GHz]

CalculatedMeasuredHFSS

テーパー整合線路の設計

2.4

中心周波数 f0=2.4 GHz目標反射損失 20 dB

石川, ``テーパー線路インピーダンス変換器の特性解析,’’ 詫間電波高専卒業研究論文集, T-2013 (H25)

13

テーパーアンテナの製作a

c

b

SG

SA

a=23 mmb=10 mmc=137 mmd=90 mm

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

7 8 9 10 11 12 13Frequency [GHz]

S11 [

dB]

市販H 市販S 市販M 導波管無反射 反射板 自作

Reflection [

dB

]

10

0

-10

-20

-30

-40

-50

Frequency [GHz]

7 8 9 10 11 12 13

宮井, ``テーパー導波管の製作,’’, 詫間電波高専卒業研究論文集, 2006,

方向性結合器

d

フランジ

テーパー導波管

ストレート導波管

14

アンテナ近傍の電界位相分布測定

RF

RF RF

RF(φ)

IF(DC)

Phase observationarea

Fixed horn antenna

Scanning probe

Signalgenerator8671B

Amplifier8349B

Power divider

LO

RF

Phaseshifter

LNAMulti-meter34401A

Attenuator

f=11 GHz

x [mm]0 5 10 15 20 25 30 35 40

02468

101214161820

Voltage [mvDC]

y [m

m]

Probesupport

Probe

DNG prism

Tx. Horn antenna

横山, 三野, ``ダブルネガティブ材料の屈折・位相測定,’’, 詫間電波高専卒業研究論文集, 2005

15

Sample holder(APC-7)

ab

jig

W

MUT

a

b

t

a

b

Sample holder(X band 8.2-12.4 GHz)

WaveguideCoaxial Line Dielectric Probe

20 mm

MUT

ab

20 rε

Probe position and Crimp strength, N=13

Concentric samples, Number of samples, N=15

Rectangular samples,Number of samples, N=5

6 mm

D T

Sample size : W×D×T100mm×75mm×14.4mm

t

Sample size : a×b×t3mm×7mm×1.6mm

Sample size : a×b×t22.9mm×10.2mm×1.6mm

MUT

Thickness >tanδ>0.05

電磁気材料測定に関する研究２16

内蔵アンテナ

回路基板

プラスチックカバー（筐体）

高周波回路

HEt

EH Et

μ

ε σ

∂∇× = − ∂

∂∇× = + ∂

電磁気材料測定に関する研究１電磁波エネルギーの吸収・放射量の評価

アンテナ設計・回路設計

マクスウェルの方程式を解くには、誘電率・透磁率・導電率の３つの電気材料定数が必要

マクスウェルの方程式

アクティブ・パッシブ

17

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.0E+00 5.0E+09 1.0E+10 1.5E+10 2.0E+10

Rela

tive

perm

ittivi

ty

Re [純水]

Im [純水]

Im [海水]

Re [海水]

Re [氷]Im [氷]

Frequency [GHz]0 5 10 15 20

70

60

50

40

30

20

10

Rel

ativ

e Pe

rmitt

ivity

80

0

比誘電率測定１純水・海水・氷の複素比誘電率の違い

水 氷

プローブ先端分子構造の相転移

前田, ``同軸プローブ法による複素誘電率測定,’’, 詫間電波高専卒業研究論文集, T-2011 (H23) ※仏教では観の転換

18

水素結合

ファンデルワールス力

マイクロ波漏洩防止方法

フランジ厚み

ドア厚み

チョーク

w

d

D

W スリットなし

スリットあり

http://www.cn.kagawa-nct.ac.jp/~kusama/study/doctoral.pdf

斜め方向に漏洩する電波は、空洞を斜めに横切り、見かけ上の波長が長くなってシールド困難になる。

斜め直進

透過

19

電子レンジ内部電磁界分布

http://www.cn.kagawa-nct.ac.jp/~kusama/study/doctoral.pdfhttps://www.youtube.com/watch?v=kAAXpKdQ-mk

LEDを使う方法放電管を使う方法シミュレーションによる方法

20

http://www.microdenshi.co.jp/device/#7

漏洩大 漏洩なし漏洩小

0.1λ 1λ 10λ 100λ1000λ0.1λ 1λ 10λ 100λ1000λ解析対象の大きさ

電磁界シミュレーション手法

積分方程式ベース

電磁界ベース

電流ベース

数値計算手法

時間領域

周波数領域

時間領域

周波数領域

GO/GTD PO/PTDMoMBIM

FDTDTLM

FEMFDM

FIM

W. L. Stutzman and G. A. Thiele, “Antenna Theory and Design 2nd ed.,” p. 428, John Wiley

コンピュータシミュレーション

(CEM)

高周波手法

微分方程式ベース

Numerical methods High frequency methods

解析対象の大きさ

http://ja.wikipedia.org/wiki/電磁場解析

他手法の利点を取り入れた連成解析が主流になりつつある。

21

Method of Moment (MoM)

N. N. Rao, “Elements of Engineering Electromagnetics Sixth ed.,” p. 741, Pearson Prentice Hall

Charge distribution of straight conductive wire L=1m, a=1mm when 1 V voltage is applied.

1.5x10-9

1.0x10-9

0.5x10-9

0

σ [C

/m2 ]

1.2x10-9

1.0x10-9

0.8x10-9

0.6x10-9

0.4x10-9

0.2x10-9

0

σ [C

/m2 ]

N=3 N=20

zdVP(1)

VP(2)VP(3) VP( N )

σ 1σ 2σ 3 σ Na

L V

L L

22

電磁界シミュレーション

23

Parabola Luneberg lens

Cellular phone Microwave oven Shielding

Horn

GapGap

23

アンテナ放射シミュレーション

http://www.kusamalab.org/study/cem/fdtd/fdtd_2dtm/fdtd_2dtm.html

λ/2 λ/2+reflector

λ/2+reflector+director2λ

24

散乱シミュレーション

http://www.kusamalab.org/study/cem/fdtd/fdtd_2dtm/fdtd_2dtm.html

Metallic sphere

Dielectric sphere

2rε = 4rε = 9rε =

rε = ∞ rε = ∞ rε = ∞

25

http://www.kusamalab.org/study/cem/fdtd/fdtd_2dtm/fdtd_2dtm.html

Double slit (LF) Double slit (HF) Waveguide

Aperture (HF) Waveguide arrayAperture (LF)

回折シミュレーション26

プリプロセスGUIの開発27

直方体メッシュを使うFDTD法ソースコードとの相性が良い。

汎用的なグラフ出力ソフト（例えば gnuplot やExcel など）のエンドユーザーとして３次元モデルを簡単に確認できる。

Mathematicaの３DグラフィックスによるCG表示

空気

誘電体柱×５

基板

信号線

グラウンド

入力

草間裕介, 磯崎稜太 ``3次元電磁界シミュレーション用プリプロセスCADの一検討,'' 電気関係学会四国支部連合大会, 12-3, p.112 (2018.9)

(* Mathematica v11.1 *)Graphics3D[{Cuboid[(xs1,ys1,zs1),(xe2,ye2,ze2)],Cuboid[(xs2,ys2,zs2),(xe2,ye2,ze2)],…Cuboid[(xs9,ys9,zs9),(xe9,ye9,ze9)]}]

直方体プリミティブ描画

表示プログラムの一例

環境電磁工学（EMC）28

末武，杉浦，不要電波問題対策協議会編 ``図解 EMC用語早わかり’’ p.2-3, オーム社, 1999 より引用

Electro-Magnetic Compatibility の略：日本語に訳すと電磁的両立性

IEC（国際電気標準会議）の定義：「許容できないような電磁妨害波を如何なるものに対しても与えず，かつその電磁環境において満足に機能するための，機器・装置またはシステムの能力」

要するに・・・「各種の機器・システムが，電磁的に仲良く，ともに生きる」という意味

ストレス耐性（内省）

相手自分外部ストレス

⇒ 調和寛容

努力

相手

機器システム

電磁環境に強くなる

イミュニティ向上

他の機器システム

雷や静電気など

無線局などからの電波

電力設備内燃機関

大電力機器などから

妨害波を抑える

EMI対策

妨害波

妨害波

免疫

電波暗室の壁面構造29

末武，杉浦，不要電波問題対策協議会編 ``図解 EMC用語早わかり’’ p.233, オーム社, 1999 より引用

6060

30

8

[cm]

誘電性吸収体の例

フェライト・タイルの例

10

100.5

周波数の違いを考慮した吸収体の多層化

背面金属板

シールド板

フェライトタイル

黒鉛含有エッジ型誘電性吸収材料

電波暗室の内部壁面構造

LAN及びRS232C接続型/デジタル・アナログＩＯ装置 KaracriBoard-TK0040A (1998) ¥19,800 （エスアイ創房）

ＮＥＷ ＰＩＣ－ＮＩＣキット K-03740 (2010)有限会社トライステート(Tristate) ￥7,800（秋月電子）

USB

Analog IN

Digital LANLAN RS-232C

RS-232C DCplug

DC plug

DC plug

Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏ Ｒｅｖ３ [Arduino Uno Rev3] M-07385 発売日 (2014) Arduino Srl(アルドゥイーノエスアールエル) ￥2,940 （秋月電子）

各種センサシステムの構築

DO

DI/PI

AD変換

DA変換

AO

AIアナログセンサ（温度、湿度、光、電波、音波）

電圧出力（メータ）

リレー出力（モータ制御）

スイッチ

入出力端子リモートI/O装置

数値データ

LAN RS232CUSB

01101010

01001011

11001011

01001011

マイコン

Raspberry Pi3 Model B ボード＆ケースセット 3ple Decker対応(Element14版, Clear)-Physical Computing Lab (2016)

30

Fig. 1: Microwave experiment. Microwave heating of liquid (water, ice and olive-oil), spark discharge of CD-R,and luminescence of fluorescent lamp.

Fig. 2: Scientific experiments of light.Polarizer, diffraction grating with three primary colors, and visualization of infrared by CCD element.

Fig. 5: Experiment of electromagnetism.Motor, reed switch top, and disk of Arago.

Fig. 4: Experiment of the antenna.Coherer used in the wireless communication in the past.

Fig. 6: Experiment with electricity and sound. Paper cup speaker, electromagnetic induction.

Fig. 3: Electromagnetic simulation.Parabola antenna, luneberg antenna, horn antenna, mobile phone, microwave oven, and shielding.

電磁気教育推進実験ソースコード公開

31

配属を希望する学生へ32

1. 色々な学生がいます。目的はそれぞれ違ってもミニマムは求められます。

2. 研究に必要な最低限の準備をするため、配属後1か月間かけて導入教育をします。

3. 月一度のペースで研究の進捗報告会があります。4. 教員が分かっていることはしません。お互いに分から

ないことを調べて明らかにしてゆくことが研究です。5. 可能ならば、学外の学会において研究内容を発表す

ることを目標にします。6. 専攻科を希望する学生は3年間継続という時間を有

効に使ってください。7. 研究するのは学生自身です。（アドバイスはします）