Abstract

The current situation of terrorism rises up the security issue in public places such as train station, airport and so on. Millimeter-wave (MMW) imaging is one of the solutions to screen the harzardous objects like liquid bombs under clothes of passengers. MMW imaging has merits in scanning human body since it is harmless to human cells compared to conventional X-ray imaging system. The operation of MMW imaging system is classified into two categories, passive and active modes. It is true that the passive mode requires no MMW source to illuminate objects whereas the active mode does. However, the active mode has a higher sensitivity and contrast. An MMW imaging system uses single or array of MMW antennas to transmit and receive MMW signal. Its key element is the MMW antennas.

In this dissertation, we propose a novel MMW antenna, called bulk linearly tapered slot antenna (Bulk LTSA) of which impedance is controllable by changing on its metallic fin thickness suitable for the active MMW security imaging system under consideration. Utilizing the impedance controllability of the bulk LTSA, we can realize the direct connection between the antenna and the following circuit by choosing the suitable fin thickness. We prefer to connect the antenna directly to the detection circuit without any impedance matching circuit because the matching circuit is complicated and lossy in high frequency band. We use the bulk LTSA with an envelope detector in the front-end of the MMW imaging system.

The contents of this dissertation are arranged as follows: Chapter 1 introduces the backgrounds of MMW imaging. We aim to fabricate an active MMW imaging system that scans the passengers using quick acquisition at the Shinkansen ticket gate. Our active MMW imaging system is called Envelope phase detection (EPD) system which illuminates the target with amplitude modulated (AM) wave and extract its envelope. By processing the envelope signal in much lower frequency band, the system cost is drastically reduced.

Chapter 2 discusses the proposed bulk LTSA and its application in low-loss MMW EPD front-end. We analyze the impedance controllability numerically. We find that its impedance depends on not only the fin thickness but also the feeding gap size as we fix other design parameters. Due to the limitation of fabrication machine, the smallest gap size is 0.2mm. We decide to fabricate the bulk LTSA with 1mm fin thickness to connect it directly to 50 Ωdetection circuit. In addition, the antenna with matched thickness has ultra-wideband characteristic over 20-110 GHz. We perform the experiment to compare the detected power from the bulk LTSAs with matched thickness (1mm) and conventional thickness (60 μm) to confirm our impedance analysis. The results indicate that the detected power from 1mm-thick bulk LTSA has 22 dB higher than that from conventional one. This result convinces us that the impedance of 1mm-thick bulk LTSA is much closer to 50 Ωthan the 60 μm-thick case. We measure power dependence on angle to plot the radiation patterns. The measured patterns agree well with the calculated ones. Bulk LTSA has high directivity with half power beamwidth (HPBW) smaller than 30 degree.

Chapter 3 analyzes the direct coupling which is the major issue in the array of 1mm-thick bulk LTSAs formed to realize quick acquisition in imaging. Two array configurations, coplanar and stacked, are considered. Our analysis shows that the direct coupling in both models is very low, less than -20 dB in stacked and less than -30 dB in coplanar, due to the high directivity of antenna pattern. We also measure the detected power in array environment. The experimental results show that there is less influence of coupling on the detected power in coplanar array even for an element spacing of 1mm. This fact suggests that we can configure low coupling coplanar array of bulk LTSAs to realize high-density acquisition.

Chapter 4 focuses on the performance of our active MMW imaging system. To solve glaring and speckle noise in an active MMW imaging, we propose complex-valued self-organizing map (CSOM) using complex inner product to classify the object from the surroundings. We test this classification scheme on Polyethylene (PET) bottle filled with water which is assumed as liquid bomb in two situations, mechanical scanning with single Tx/Rx and quick acquisition with array of bulk LTSAs. In the first case, after processing by CSOM, the target object is represented with single cluster instead of three as in conventional Eucledian metric. Furthermore, the target object is clearly distinguished from the surroundings with low glaring and speckle noise. CSOM using complex inner product is proved to be more effective to identify the object than the conventional CSOM. As for the second case, we replace single Rx with the array of eight MMW EPD front-ends. We illuminate the target with AM wave and extract the envelope of the scattering wave simultaneously. By using the array of the front-ends, we can extremely shorten scanning time.

Chapter 5 proposes the microstrip-to-slot transition with two via holes for feeding the bulk LTSA. This balun structure enables the bulk LTSA to work as the ultra-wideband transmitter with a fractional bandwidth (FB) of 0.4. We demonstrate that the structure with two suitable via-hole positions can improve FB as compared to the structures with one via-hole. We optimize its reflection characteristic by adjusting the microstrip-line width. We find that a structure with the line width larger than 2.8mm has ultra-wideband characteristic.

Chapter 6 summarizes all the details concerning to the proposed bulk LTSA for an active MMW imaging. Achievement of this dissertation will provide benefit as a guideline for the design of the antenna applied for active MMW imaging systems.

本論文は、"Impedance-controlled Bulk Linearly Tapered Slot Antenna for Millimeter-wave Security Imaging (ミリ波セキュリティ・イメージングのためのインピーダンス制御バルク直線テーパスロットアンテナ)"と題し、セキュリティ応用のミリ波イメージング・システムの構築のために必要となる新しいアンテナを提案するとともに、それに基づくフロントエンドの構成方法を示し、また適応的信号処理を高性能化する方式を提示して、その理論解析、実験結果と性能検討結果について述べるものであり、英文で執筆され、6章からなる。

近年、公共交通機関等の安全確保の技術が広く深く望まれるようになり、旅客のスクリーニングのために高速なミリ波(Millimeter wave: MMW)近距離イメージングの実現が期待されている。実現のための重要な要素は、画像取得と処理の高速性、廉価性、およびプライバシー保護性である。本論文の提案の中核であるbulk linearly tapered slot antenna (Bulk LTSA)は、前者2つを実現するためのものであり、また適応的信号処理方式はプライバシー保護の実現を目指すものである。

第1章は、"Introduction"であり、背景と従来技術について述べている。

第2章は、"Bulk linearly tapered slot antenna (Bulk LTSA) and high-sensitivity MMW front-end"と題し、LTSAの厚さを新たなアンテナ設計パラメータとすることを提案している。このアンテナをBulk LTSAと名付けている。これによってアンテナのインピーダンスを適切に選ぶことが可能となり、特にギャップサイズを現実的な値に保ったままで50Ωなどの低いインピーダンスをインピーダンス変換することなく実現できることを示している。これをミリ波イメージングに利用する際の具体例として、ミリ波引き回しの損失などを抑える効果的なシステム方式である包絡位相検波(Envelope phase detection: EPD)方式のためのフロントエンドへの利用を考え、従来のLTSAの使用では難しかった高い信号電圧の取得が、可能であることを数値解析と実験により実証している。また、その空間的な感度パターンを計測してビーム半値全幅で約30度を得て、開口合成によらない高速な短距離イメージングに好適な特性を得ることに成功したことを報告している。

第3章は、"Array of bulk LTSAs"と題し、短距離イメージングを高速に行うために欠かせないアレイを実現するにあたり、重要な特性となる直接結合について数値計算による評価を行っている。その結果、coplanar型のアレイとすることにより、6mm幅のアンテナ・エレメントの間隔を1mmまで縮めても-40dB以下の、またアンテナ・インターバルとして9mm以上で-60dB以下の、高いアイソレーションが得られることを示した。また実験によって、coplanar型アレイのほうが受信感度のアンテナ間隔依存性が少ないことを確認している。これによって、coplanar型を採用することにより、高密度の1次元アレイを実現できることを示している。

第4章は、"MMW imaging using an array of bulk LTSAs"と題し、イメージングのための適応的な信号処理方式について述べている。特に、解像度が中庸であっても対象物体を区分可能でプライバシー保護の性能が高い、複素自己組織化マップ(Complex-valued self-organizing map: CSOM)を採用することとし、そこで複素画像の局所的なテクスチャ適応分類を行う際に、その勝者決定のメトリックとして複素内積を採用することを提案している。これによって、従来のユークリッド距離を用いる方式に比べて分類性能が向上することを実験的に示している。

第5章は、"Microstrip-to-slot transition for ultra-wideband bulk LTSA"と題し、Bulk LTSAを、上記受信フロントエンドの場合の検波回路と直接に結合せずに、そのままミリ波の送受信に使用する場合に必要となる、マイクロストリップ線路Bulk LTSAとを結合する変換器の新たな構造を提案している。非平衡なマイクロストリップ線路と平衡型アンテナを接続するにはバランが必要となる。従来はLTSAのインピーダンスが高かったため、インピーダンス変換も兼ねた複雑で損失も高い回路が利用されてきた。Bulk LTSAの提案によりインピーダンス整合の問題は解決されたため、LTSAの超広帯域性をそのまま生かしたバラン機能のみを持つ変換を実現することを目指して、2つのビアホールを持つ構造の変換器を提案した。数値解析によりその構造の最適化を行い、比帯域0.4の広帯域性が実現できることを示している。

第6章は、"Conclusion"であり、本研究の成果をまとめている。

以上これを要するに、本論文は高速で低廉なミリ波近距離イメージングシステムを実現するために好適なアンテナ・エレメントとしてBulk LTSAを提案してその基本特性を解析と実験によって明らかにするとともに、これを利用したフロントエンドの構成を提示して動作を解析し それが優れた性能を持つことを確認し、さらに適応的イメージング情報処理に関する基礎実験を行ってその特長を実証したものであり、電気電子工学、特にワイヤレス・エレクトロニクスへの貢献が少なくない。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。