JP2011244136A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのアンテナ装置で複数の周波数を共用し、アンテナ設置のスペース効率を向上させる。
【解決手段】アンテナ装置は、メタマテリアルの構造を有する誘電体板１、２、３、及び、複数の周波数帯域で動作する多周波数共用アンテナ、又は広帯域アンテナ４を備えている。第１〜第３の誘電体板１〜３は、３つの周波数帯域においてバンドギャップが形成されるように、３つの周波数帯域の数の相当数設置される。誘電体板１〜３の寸法（Ｗ１〜Ｗ３、Ｌ１〜Ｌ３）、及び誘電体板１〜３とアンテナ４との距離（Ｄ１〜Ｄ３）は、各々の周波数帯域の中心周波数において波長比でほぼ同一となるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の周波数帯で水平面内ビーム幅が同一の放射パターンで同一の無線ゾーンをカバーする陸上移動無線通信用の基地局に適用可能なアンテナ装置に関する。

図６、及び図７は、従来のアンテナ装置の構造例を示す模式図である。図６（ａ）〜（ｃ）において、９は金属からなる反射板、１０は複数の周波数帯域で動作する多周波数共用、又は広帯域のアンテナである。図７（ａ）〜（ｃ）において、１１は金属からなる反射板（コーナレフレクタ）、１２は複数の周波数帯域で動作する多周波数共用、又は広帯域のアンテナである。ここで説明する従来技術は、非特許文献１に述べられている反射板付ダイポールアンテナ（図６）、及びアンテナ（図７）の例である。

金属からなる反射板９、１１の寸法（Ｗ９×Ｌ９、Ｗ１１×Ｌ１１）、反射板９、１１とアンテナ１０、１２との距離（Ｄ９、Ｄ１１）、及びコーナレフレクタの頂角（α９）は、非特許文献１にあるように、利得や、ビーム幅等の設計条件によって決定される。

図８は、従来技術によるアンテナ装置の３つの異なる周波数帯域における水平面内放射パターンを示す概念図である。３つの異なる周波数帯域Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３における水平面内放射パターンを示す。従来技術による反射板付ダイポールアンテナ（図６）や、コーナレフレクタアンテナ（図７）においては、単一の周波数帯域において、所望の利得や、ビーム幅が得られるように、金属からなる反射板９や、コーナレフレクタ１１の構造パラメータを設定していた。

アンテナ工学ハンドブック（第２版）、 第４章、 pp. 145-146、 オーム社、 2008年

上述したように、従来技術による反射板付ダイポールアンテナや、コーナレフレクタアンテナにおいては、単一の周波数帯域において、所望の利得や、ビーム幅が得られるように、金属反射板や、コーナレフレクタの構造パラメータを設定していたため、励振素子を複数の周波数帯域で動作する多周波数共用アンテナや、広帯域アンテナを用いて、複数の周波数帯域において動作させた場合には、利得や、ビーム幅を、複数の周波数帯域に渡って一定にすることができない。

ゆえに、複数の周波数帯で水平面内ビーム幅が同一の放射パターンで同一の無線ゾーンをカバーする陸上移動無線通信用の従来の基地局アンテナ構成としては、所望の周波数帯域の各々に対して、反射板付ダイポールアンテナや、コーナレフレクタアンテナを設計し、周波数帯域の数に相当するアンテナを個別に設置しなければならず、アンテナ設置スペース効率が悪くなる欠点があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、所望の周波数帯域の各々に対して、反射板付ダイポールアンテナやコーナレフレクタアンテナを設計することなく、１つのアンテナ装置で複数の周波数を共用することができ、アンテナ設置のスペース効率を向上させることができるアンテナ装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、メタマテリアルからなる複数の誘電体板と、複数の周波数帯域で動作する多周波数共用、又は広帯域のアンテナとを具備し、前記複数の誘電体板を、前記複数の周波数帯域においてバンドギャップが形成されるように、前記複数の周波数帯域の数の相当数設置することを特徴とするアンテナ装置である。

本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板それぞれは、矩形形状を有し、前記矩形形状の一辺と、該一辺に直交する異なる辺とそれぞれの長さが、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数における波長換算で同一であり、前記アンテナとの距離が、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数にける波長換算で同一の距離となる位置に、前記複数の誘電体板が互いに平行に配置されていることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板それぞれは、矩形形状の平面板を該平面板の一辺に平行な折り曲げ軸に沿って、同一の角度で２つに折り曲げられたＶ字形状を有し、前記矩形形状の一辺と、該一辺に直交する異なる辺とそれぞれの長さが、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数における波長換算で同一であり、前記アンテナとの距離が、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数にける波長換算で同一の距離となる位置に配置され、前記複数の誘電体板の前記折り曲げ軸が、同一平面上にあることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板のうち最も大きい誘電体板を金属からなる反射板により置き換えたことを特徴とする。
本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板は、誘電体を周期構造となるように配列したメタマテリアルの構造を有することを特徴とする。
本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板は、円柱形状の誘電体が、それぞれの円柱形状の中心軸を平行してマトリクス状に配列されたメタマテリアルの構造を有することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板は、角柱形状の誘電体が、第１の平面において平行かつ等間隔に配置され、該第１の平面と平行な異なる第２の平面において該第１の平面に配置された誘電体と直行して等間隔に配置された格子形状を該第１の平面及び該第２の平面に対して垂直方向に繰り返したメタマテリアルの構造を有することを特徴とする。
本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板は、板状の誘電体に互いの中心軸が平行な円柱状の孔をマトリックス状に設けられているメタマテリアルの構造を有することを特徴とする。
本発明は、上記の発明において、前記複数の誘電体板は、複数の球状の誘電体が面心立方格子状に配列されたメタマテリアルの構造を有することを特徴とする。

この発明によれば、所望の周波数帯域の各々に対して、反射板付ダイポールアンテナやコーナレフレクタアンテナを設計することなく、１つのアンテナ装置で複数の周波数を共用することができ、アンテナ設置のスペース効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態によるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナ装置のメタマテリアルからなる誘電体板の構造例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナ装置の第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板の透過係数を示す概念図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナ装置の水平面内放射パターンを示す概念図である。 本発明の第２実施形態によるアンテナ装置の構成を示す模式図である。 従来技術によるアンテナ装置の構成例を示す模式図である。 従来技術によるアンテナ装置の構成例を示す模式図である。 従来技術によるアンテナ装置の水平面内放射パターンを示す概念図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

Ａ．第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態によるアンテナ装置の構成を示す模式図である。なお、以下の説明においては、同図に示すようにＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。図１（ａ）は、Ｘ軸方向における本実施形態のアンテナ装置の平面視した形状を示す図である。図１（ｂ）は、アンテナ装置の斜視図である。図１（ｃ）は、Ｚ軸方向におけるアンテナ装置の平面視した形状を示す図である。
図１において、１は第１のメタマテリアルからなる誘電体板、２は第２のメタマテリアルからなる誘電体板、３は第３のメタマテリアルからなる誘電体板、４は複数の周波数帯域で動作する多周波数共用、又は広帯域のアンテナである。また、誘電体板１〜３は、信号を送受信する方向（Ｘ軸方向）に垂直な平面（ＹＺ平面）に対して平行に設けられている。ここで、メタマテリアルは、非特許文献１（１４頁）にも記載されているように、自然界に存在しない性質を有する人工的な周期構造を有する物質であり、誘電率ε及び透磁率μが共に負の値を有し、負屈折率物質ともいわれる。

また、第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板１〜３の寸法（Ｗ１〜Ｗ３、Ｌ１〜Ｌ３）は、各々の周波数帯域の中心周波数において波長比でほぼ同一となるように設定されている。すなわち、第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板１〜３の寸法（Ｗ１〜Ｗ３、Ｌ１〜Ｌ３）は、各々の周波数帯域の中心周波数における波長換算で同一である。

また、第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板１〜３と、アンテナ４とのそれぞれの距離（Ｄ１〜Ｄ３）は、各々の周波数帯域の中心周波数において波長比でほぼ同一となるように設定されている。すなわち、誘電体板１〜３は、信号を送信する方向（Ｘ軸方向）において、アンテナ４から近い順に誘電体板３、誘電体板２、誘電体板１の順に配置されている（距離Ｄ３＜Ｄ２＜Ｄ１）。

また、誘電体板１〜３の寸法（Ｗ１〜Ｗ３、Ｌ１〜Ｌ３）は、反射する周波数が低い順に、大きくなる。ここで、誘電体板１〜３それぞれの寸法（Ｗ１〜Ｗ３、Ｌ１〜Ｌ３）、及びアンテナ４との距離（Ｄ１〜Ｄ３）は、送受信する信号の中心周波数に応じたシミュレーションの結果や実測値などに基づいて、定められる。

図２は、第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板１〜３の構造例を示す模式図である。第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板１〜３は、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、誘電体を周期構造となるように配列している。図２（ａ）〜（ｄ）において、示すＸＹＺ直交座標系は、図１において示したＸＹＺ直交座標系と同じであり、図２（ａ）〜（ｄ）に示すメタマテリアルは、ＹＺ平面と平行な誘電体板１〜３の構造を示している。

図２（ａ）は、円柱形状の誘電体がＸＹ平面においてマトリクス状に等間隔に配列され、各円柱形状の中心軸が信号の送信方向（Ｘ軸方向）に対して垂直に、かつ、互いの中心軸が平行になるように配置されている誘電体による構造を示している。
図２（ｂ）は、角柱形状の誘電体がＹＺ平面と平行な第１の平面において第１の軸方向（Ｚ軸方向）に対して平行に等間隔に配置され、角柱形状の誘電体が厚さ方向（Ｘ軸方向）に異なるＹＺ平面と平行な第２の平面において第１の軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に対して平行に等間隔に配置された格子形状を厚さ方向に周期的に繰り返した構造を示している。また、第１の平面に配置された角柱形状の誘電体と、第２の平面に配置された角柱形状の誘電体とは、接して配置されている。

図２（ｃ）は、板状の誘電体に、信号の送信方向（Ｘ軸方向）に対して垂直な方向を中心軸にし、互いの中心軸が平行な円柱状の孔をＸＹ平面において等間隔にマトリックス状に設けた構造を示している。
図２（ｄ）は、複数の球体形状の誘電体が面心立方格子構造をなし、誘電体板を構成する構造を示している。
なお、図２（ａ）〜（ｃ）それぞれの構造における誘電体の間隔は、反射する周波数帯域の中心周波数に応じて定められる。また、図２（ｄ）の構造における誘電体の球体形状の半径は、反射する周波数帯域の中心周波数に応じて定められる。また、誘電体板１〜３を構成する誘電体は、反射する周波数帯域の中心周波数に応じて定められる誘電率εを有する誘電体が選択される。

図３は、本第１実施形態によるアンテナ装置の第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板１〜３の透過係数を示す概念図である。−１０ｄＢで評価したとき、３つのバンドギャップ（電波が透過しない帯域）が形成されている。中心周波数Ｆ１の帯域において第１のメタマテリアルからなる誘電体板１の透過係数が小さくなるように設計している。

このため、この帯域内では、電磁波は、誘電体板１で反射し、バンドギャップ帯域以外の周波数において、誘電体板１を透過することができる。すなわち、誘電体板１は、バンドギャップ帯域において、金属製の反射板と等価に動作する。同様に、第２、及び第３の誘電体板２、３は、中心周波数Ｆ２、及びＦ３の帯域において、バンドギャップを形成し、各々の帯域において金属製の反射板と等価に動作する。

図４は、本第１実施形態によるアンテナ装置の水平面内放射パターンを示す概念図である。第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板１〜３の寸法、及び誘電体板１〜３とアンテナ４との距離は、各々のバンドギャップ周波数帯域の中心周波数において波長比でほぼ同一となるように設定されているため、３つの周波数帯域において同一の水平面内放射パターン、及びビーム幅を実現することができる。

なお、上述した第１実施形態においては、３つの周波数帯域において同一の水平面内放射パターン、及びビーム幅を有する場合、すなわち３周波数共用アンテナ装置の場合の例について説明したが、４周波数以上の周波数共用アンテナ素子に対しても、メタマテリアルからなる誘電体板を付加することにより、全く同様に適用可能である。メタマテリアルからなる誘電体板の構造例は、図２に示したものに限定されるものではなく、種々の構造、その組合せが考えられる。

また、第１実施形態においては、３周波数共用アンテナ装置を例にして、３つのメタマテリアルからなる誘電体板を用いた場合を例に説明したが、最大寸法となるメタマテリアルからなる誘電体板（図１では誘電体板１）を、通常の金属反射板で置き換えても、同一の水平面内放射パターン、及びビーム幅が得られるようにしてもよい。

Ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図５は、本第２実施形態によるアンテナ装置の構成を示す模式図である。本第２実施形態によるアンテナ装置は、コーナレフレクタアンテナへの適用例である。図５（ａ）は、Ｘ軸方向における本実施形態のアンテナ装置の平面視した形状を示す図である。図５（ｂ）は、アンテナ装置の斜視図である。図５（ｃ）は、Ｚ軸方向におけるアンテナ装置の平面視した形状を示す図である。
図５において、５は第１のメタマテリアルからなる誘電体板、６は第２のメタマテリアルからなる誘電体板、７は第３のメタマテリアルからなる誘電体板、８は複数の周波数帯域で動作する多周波数共用アンテナ、又は広帯域アンテナである。

第１〜第３のメタマテリアルからなる誘電体板５〜７は、矩形形状の平面板を当該矩形形状の一辺に平行な折り曲げ軸（Ｚ軸）に沿って、２つに折り曲げられたＶ字形状を有している。また、誘電体板５〜７を折り曲げることにより形成される２つの面それぞれの幅と長さ（Ｗ５〜Ｗ７、Ｌ５〜Ｌ７）、及び誘電体板５〜７とアンテナ８との距離（Ｄ５〜Ｄ７）、は、距離が各々の周波数帯域の中心周波数において波長比でほぼ同一となるように設定されている。すなわち、誘電体板５〜７を折り曲げることにより形成される２つの面それぞれの幅と長さ（Ｗ５〜Ｗ７、Ｌ５〜Ｌ７）は、それぞれの誘電体板５〜７が反射する周波数帯域の中心周波数における波長換算で同一の寸法を有する。

また、誘電体板５〜７を折り曲げることにより形成される２つの面は、折り曲げ軸に対して対称になるように折り曲げられている。また、コーナレフレクタの頂角（α５〜α７）は、同一の開き角度となるように設定されている。
ここで、誘電体板５〜７それぞれの寸法（Ｗ５〜Ｗ７、Ｌ５〜Ｌ７）、コーナレフレクタの頂角（α５〜α７）、及びアンテナ４との距離（Ｄ５〜Ｄ７）は、送受信する信号の中心周波数に応じたシミュレーションの結果や実測値などに基づいて、定められる。

このように、コーナレフレクタアンテナへの適用した場合においても、図３と同様、３つのバンドギャップ（電波が透過しない帯域）特性が得られ、各々の帯域内では、電磁波は、誘電体板５〜７で反射し、バンドギャップ帯域以外の周波数において、電磁波は、誘電体板５〜７を透過することができる。このため、図４に示した放射パターンと同様に、３つの周波数帯域において同一の水平面内放射パターン、及びビーム幅を実現することができる。

上述した第１、第２実施形態のアンテナ装置によれば、従来技術の反射板付ダイポールアンテナや、コーナレフレクタアンテナの金属の反射板に替わり、メタマテリアルの構造を有する誘電体板を、複数の所望周波数帯域において、バンドギャップ（電波が透過しない帯域）が形成されるように、所望の周波数帯域の数の相当数設置することによって、各々の帯域において、メタマテリアルの構造を有する誘電体板を、金属製の反射板と等価に動作させることが可能となる。

これにより、複数の周波数帯域において、同一の水平面内放射パターン、及びビーム幅を実現することができるので、各々の所望の周波数帯域に対して、反射板付ダイポールアンテナや、コーナレフレクタアンテナを設計する必要がなく、１つのアンテナ装置で複数の周波数を共用することができ、アンテナ設置スペース効率を向上させることができる。

１，２，３，５，６，７…誘電体板
４，８…アンテナ

Claims (9)

1. メタマテリアルからなる複数の誘電体板と、
   複数の周波数帯域で動作する多周波数共用、又は広帯域のアンテナと
   を具備し、
   前記複数の誘電体板を、前記複数の周波数帯域においてバンドギャップが形成されるように、前記複数の周波数帯域の数の相当数設置する
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記複数の誘電体板それぞれは、
   矩形形状を有し、
   前記矩形形状の一辺と、該一辺に直交する異なる辺とそれぞれの長さが、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数における波長換算で同一であり、
   前記アンテナとの距離が、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数にける波長換算で同一の距離となる位置に、前記複数の誘電体板が互いに平行に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記複数の誘電体板それぞれは、
   矩形形状の平面板を該平面板の一辺に平行な折り曲げ軸に沿って、同一の角度で２つに折り曲げられたＶ字形状を有し、
   前記矩形形状の一辺と、該一辺に直交する異なる辺とそれぞれの長さが、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数における波長換算で同一であり、
   前記アンテナとの距離が、前記複数の周波数帯域のうち反射する周波数帯域の中心周波数にける波長換算で同一の距離となる位置に配置され、
   前記複数の誘電体板の前記折り曲げ軸が、同一平面上にある
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記複数の誘電体板のうち最も大きい誘電体板を金属からなる反射板により置き換えたことを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記複数の誘電体板は、誘電体を周期構造となるように配列したメタマテリアルの構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記複数の誘電体板は、円柱形状の誘電体が、それぞれの円柱形状の中心軸を平行してマトリクス状に配列されたメタマテリアルの構造を有することを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記複数の誘電体板は、角柱形状の誘電体が、第１の平面において平行かつ等間隔に配置され、該第１の平面と平行な異なる第２の平面において該第１の平面に配置された誘電体と直行して等間隔に配置された格子形状を該第１の平面及び該第２の平面に対して垂直方向に繰り返したメタマテリアルの構造を有することを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
8. 前記複数の誘電体板は、板状の誘電体に互いの中心軸が平行な円柱状の孔をマトリックス状に設けられているメタマテリアルの構造を有することを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
9. 前記複数の誘電体板は、複数の球状の誘電体が面心立方格子状に配列されたメタマテリアルの構造を有することを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。

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