JP2014171095A

JP2014171095A - アンテナ装置

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Publication number: JP2014171095A
Application number: JP2013041840A
Authority: JP
Inventors: Takuya Seki; 卓也関; Keisuke Sato; 啓介佐藤; Ichiro Oshima; 一郎大島
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-04
Also published as: JP5674838B2

Abstract

【課題】単位構造部を低姿勢を維持しながら小型化することが可能な電波反射体を備えるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】グランド板（１１）及びグランド板（１１）に対向する形態で配置された周波数選択板（１２）を備える電波反射体（１０−１）と、電波反射体（１０−１）上に配置されたアンテナ（２０）と、を備える。周波数選択板（１２）は、誘電体（１３）を介して複数の周波数選択層を重ね合わした構成を有する。各周波数選択層は、辺長がＬの正方外周縁をもつ導体（１４ａ，１４ｂ）をギャップｇを介して縦横に周期配列させた構成を有し、隣接した周波数選択層の導体（１４ａ，１４ｂ）は、互いに縦横方向に０〜０．５Ｔ（Ｔ＝Ｌ＋ｇ）だけずれるように位置される。
【選択図】図５

Description

本発明は、入射波を位相を回転させることなく反射することが可能な電波反射体を備えるアンテナ装置に関する。

アンテナの放射ビームに単一方向の指向性を持たせるための手段として反射板が用いられる。一般的にこの反射板は金属板から構成され、それによる反射波は、入射波に対して１８０度位相反転される電気壁特性を有する。従って、使用周波数帯の中心周波数ｆ_０の波長をλ_０、アンテナ高をｈとすると、ｈ≒λ_０／４の場合に利得が最大となり、ｈが低くなるにつれて、１８０度位相反転された反射波の影響により利得の低下を引き起こす。
そこで近年、周波数選択板（FSS : Frequency Selective Surface）を用いた人工磁気壁（AMC : Artificial Magnetic Conductor）によるアンテナの低姿勢化が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。

すなわち、周波数選択板は、本来はある周波数の電波のみを透過あるいは反射する機能を有するものであるが、この周波数選択板を地板から一定の距離をおいて配置することにより、入射波をその位相を回転させることなく反射することが可能となる。そのため、このような構成の人工磁気壁を使用すれば、従来の電気壁ではλ_０／４程度必要であったアンテナと地板との距離を低減することができ、その結果、アンテナの低姿勢化が可能となる。
なお、周波数選択板をビアを介して地板と短絡させるようにした構造でも同様の反射特性を得ることができるので、この構造についても広く研究されている。

Yuki Kawakami, et al. ,"Low-Profile Design of MetasurfaceConsidering FSS Filtering Characteristics". IEICE, Trans. Commun., vol. E95-B, No.2, Feb. 2012.

図１９は、従来から広く検討されている電波反射体の部分拡大平面図である。また、図２０は、図１９のIII−III線による断面図である。この電波反射体は、グランド板（地板）１０１と、該グランド板１０１から高さｈ_ＡＭＣだけ離隔した部位おいてギャップｇ_ＡＭＣを介して縦横方向に周期配列した一辺がＬ_ＡＭＣの正方形状パッチ導体１０２と、これらのパッチ導体１０２をグランド板１０１に接続する金属ビア１０３とを備えている。したがって、この電波反射体は、一点鎖線で囲まれた単位構造部１００を集合した構成を有する。

図２１に、ｈ_ＡＭＣ＝０．０４５λ_０、ｇ_ＡＭＣ＝０．００３λ_０、Ｌ_ＡＭＣ＝０．１２λ_０とした場合における単位構造部１００の反射位相特性を示す。なお、この反射位相特性は、金属ビア１０３を除いたときのものである。この反射位相特性に示すように、使用周波数がｆ_０のときに、反射位相φが０度となる。また、反射位相φが−９０〜＋９０度となる周波数帯域幅は０．２９ｆ_０となる。なお、同様の特性を示す構造パラメータの組合せはこの限りではなく、無数に存在する。

この従来の電波反射体によれば、パッチ導体１０２の一辺の長さＬ_ＡＭＣを小さくして単位構造部１００の面積を小さくすることにより、人工磁気壁構造を有する単位構造部１００の周期配置の自由度を上げることができる。これは、様々なグランド板１０１の形状に適用できるという利便をもたらす。
しかしながら、この電波反射体においては、パッチ導体１０２の一辺の長さＬ_ＡＭＣを小さくするに伴ってｈ_ＡＭＣを高くしていく必要があるため、低姿勢を維持できないことになる。したがって、この電波反射体は、アンテナ装置に適用する上で不利である。

本発明は、このような状況に鑑みなされたものであり、その目的は、単位構造部を低姿勢を維持しながら小型化することが可能な電波反射体を備えるアンテナ装置を提供することにある。

本発明は、グランド板及び該グランド板に対向する形態で配置された周波数選択板（FSS : Frequency Selective Surface）を備える電波反射体と、前記電波反射体上に配置されたアンテナと、を備える。
前記周波数選択板は、誘電体を介して複数の周波数選択層を重ね合わした構成を有し、前記各周波数選択層は、辺長がＬの正方外周縁をもつ導体をギャップｇを介して縦横に周期配列させた構成を有する。
隣接した前記周波数選択層の前記導体は、互いに前記縦横方向に０〜０．５Ｔ（Ｔ＝Ｌ＋ｇ）だけずれるように位置されている。

前記導体として、例えば、正方形状のパッチ導体が使用される。また、前記導体として、前記正方外周縁に沿ったループを有するものを使用しても良い。
前記導体は、誘電体基板にプリント形成することができる。また、前記アンテナとしては、例えば、ダイポールアンテナが使用される。

本発明によれば、従来と同等の反射位相特性を実現しながら、かつ、低姿勢を維持しながら電波反射体における単位構造部を大幅に小型化することが可能である。単位構造部の小型化は、電波反射体の形状の自由度を向上する上で有利である。

本発明に係るアンテナ装置に使用される電波反射体の構成例を示す部分拡大平面図である。図１のI−I線による断面図である。単位構造部の反射位相の周波数特性を示すグラフである。単位構造部を二次元平面状にＮ段周期配列した電波反射体を示す平面図である。本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す断面図である。図５のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示すグラフである。図５のアンテナ装置の中心周波数における電界面及び磁界面の放射パターンをそれぞれ示すグラフである。ループ状導体を用いた電波反射体の構成例を示す部分拡大平面図である。図８のII―II線による断面図である。一方のループ状導体を使用した場合と双方のループ状導体を使用した場合の単位構造部の反射位相特性をそれぞれ示すグラフである。一方のパッチ導体１４ｂを、他方のパッチ導体の位置からｘ，ｙ方向にそれぞれシフトした状態を示す図である。パッチ導体のｘ方向移動量と、反射位相が0度となる周波数との関係を示すグラフである。パッチ導体のｙ方向移動量と、反射位相が0度となる周波数との関係を示すグラフである。三層構造の周波数選択板を用いた解析モデルを示す概念図である。四層構造の周波数選択板を用いた解析モデルを示す概念図である。周波数選択板の層数の増加と、反射位相φが０度となる周波数との関係を示すグラフである。正方形状のグランド板に単位構造部を配列して構成した電波反射体を示す平面図である。円形状のグランド板に単位構造部を配列して構成した電波反射体を示す平面図である。従来の電波反射体の部分拡大平面図である。図１９のIII−III線による断面図である。図１９に示す単位構造部の反射位相特性を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係るアンテナ装置に使用される電波反射体１０−１の部分拡大平面図である。また、図２は、図１のI−I線による断面図である。人工磁気壁（AMC : Artificial Magnetic Conductor）を構成するこの電波反射体１０−１は、グランド板（地板）１１と、該グランド板１１に対向する形態で配置された周波数選択板（FSS : Frequency Selective Surface）１２とを備えている。

周波数選択板１２は、グランド層１１から高さｈ_ｐだけ離隔して位置している。この周波数選択板１２は、誘電体基板１３の一方の面上に辺長がＬ_ｐの正方形状パッチ導体１４ａをギャップｇ_ｐを介して縦横方向（ｘ，ｙ方向）に周期的に配列形成し、また、誘電体基板１３の他方の面上に同形状のパッチ導体１４ｂを同様の形態で配列形成した構成を有する。
この周波数選択板１２において、各パッチ導体１４ａは第１の周波数選択層を、また、各パッチ導体１４ｂは第２の周波数選択層をそれぞれ構成している。

第１の周波数選択層は、第２の周波数選択層よりもｔ_Ｐだけ上方に位置している。また、各パッチ導体１４ｂは、図示のように、該各パッチ導体１４ａに対してｘ，ｙ方向にそれぞれ０．５Ｔ（Ｔ＝Ｌ_ｐ＋ｇ_ｐ）だけずれて位置している。
本実施形態においては、誘電体基板１３として、比誘電率ε_ｒが１以上で誘電正接tanδが０以上のものが使用されている。そして、パッチ導体１４ａ，１４ｂは、エッチング等の手法によってこの誘電体基板１１にプリント形成されている。

電波反射体１０−１は、一点鎖線で示す境界線（PBC : Periodic Boundary Condition）で囲まれた単位構造部１０Ａをｘ，ｙ方向に周期的に配列した構成を有している。
ここで、一例として、図１９に示した従来の電波反射体の単位構造部のパラメータ値を参照し、ｈ_ｐ＝０．０４５λ_０（λ_０は、使用周波数帯の中心周波数ｆ_０の波長）、ｇ_ｐ＝０．００３λ_０、ｔ_ｐ＝０．００２４λ_０、ε_ｒ＝４．３、tanδ＝０．０２、Ｌ_ｐ＝０．０３λ_０とし、単位構造部１０Ａが二次元平面状に無限周期で配列している場合について考察する。

図３は、上記のような条件における単位構造部１０Ａの反射位相φの周波数特性のシミュレーション結果を示す。図から明らかなように、目的の周波数ｆ_０においてφ＝0度となる。また、この特性に基づき、φ＝−９０〜＋９０度となる周波数帯域幅は０．２８４ｆ_０と算出される。つまり、単位構造部１０Ａによれば、図１９に示す従来の電波反射体の単位構造部１００とほぼ同等の特性が得られる。
一方、単位構造部１０Ａによれば、従来の単位構造部１００における金属パッチ１０２の一辺の長さＬ_ＡＭＣ＝０．１２λ_０と比較して、面積比においては９４％の小型化を実現することができる。また、本実施形態では、第１、第２の周波数選択層間の距離ｔ_ｐ＝０．００２４λ_０としたが、この距離ｔ_ｐを０．００２４λ_０よりも小さくすることでさらに小型にすることができる。

図４に、単位構造部１０Ａを二次元平面状にN段周期配列した電波反射体１０−１を示す（Ｎ＝２〜∞）。
図５に、上記構成の電波反射体１０−１上にダイポールアンテナ２０を配置した本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す。このアンテナ装置によれば、グランド板１１からのダイポールアンテナ２０の高さをｈ_ＡＮＴを０．０７５λ_０に設定したときに、図６に示すようなＶＳＷＲ（定在波比）特性が得られる。この特性から、ＶＳＷＲ＜２以下となる周波数帯域は１３％と算出され、これは、低姿勢であっても良好な特性が得られることを示している。

図７は、本実施形態のアンテナ装置の周波数ｆ_０における電界面及び磁界面の放射パターンをそれぞれ実線及び点線で示す。この図から明らかなように、本実施形態のアンテナ装置の利得はピーク値で１０．２ｄＢｉある。これは、電波反射体１０−１が磁気壁として有効に動作していることを示している。なお、ダイポールアンテナ２０とは異なる他のアンテナ、例えば、ループアンテナ、スパイラルアンテナ等を使用した場合でも、同様の特性を得ることができる。

図１のパッチ導体１４ａ，１４ｂに代えて、図８に示すようなループ状導体１５ａ，１５ｂを用いることも可能である。なお、図９は、図８のII―II線による断面図を示す。
図１０には、ループ状導体１５ａ，１５ｂの一方のみを使用した場合の単位構造部の反射位相特性が点線で示され、また、上記ループ状導体１５ａ，１５ｂの双方を用いた単位構造部１０Ｂの反射位相特性が実線で示されている。なお、図１０の横軸は、ループ状導体１５ａのみを使用した場合に反射位相φが0度となる周波数ｆ_ｌによって周波数を規格化している。
この反射位相特性から、ループ状導体１５ａ，１５ｂを用いた単位構造部１０Ｂの共振周波数は、それらの一方のみを用いた場合のそれの０．６２倍となる、これは、ループ状導体１５ａ，１５ｂを用いた単位構造部１０Ｂがそれらの一方を用いた単位構造部よりも小型化できることを示している。

前記したように、図１の単位構造部１０Ａでは、各パッチ導体１４ｂが各パッチ導体１４ａに対してｘ，ｙ方向にそれぞれ０．５Ｔ（Ｔ＝Ｌ_ｐ＋ｇ_ｐ）だけずれて位置している。この関係は、図８の単位構造部１０Ｂでも同様である。
しかし、図１の単位構造部１０Ａは、パッチ導体１４ａ，１４ｂのずれを０．５Ｔよりも小さくした場合（ずれ０の場合も含む）でも、パッチ導体１４ａ，１４ｂの一方のみを用いて構成したものよりは小型化することができる。このことは、図８の単位構造部１０Ｂでも同様である。以下、その理由を説明する。

図１１に、パッチ導体１４ｂを、パッチ導体１４ａの位置からｘ，ｙ方向にそれぞれΔｄｘ, Δｄｙだけシフトしたモデルを示す。Δｄｘ＝Δｄｙ＝０は、パッチ導体１４ａ，１４ｂが同じ位置に配置されている場合であり、Δｄｘ＝Δｄｙ＝０．５Ｔは、図１におけるパッチ導体１４ａ，１４ｂの配置形態と同じになる。
図１２、図１３は、入射波の電界の向きをｘ方向とした場合における、Δｄｘ，Δｄｙの変化と周波数との関係を示す。具体的には、図１２は、Δｄｙ＝０，Δｄｙ＝０．５Ｔにそれぞれ固定した状態でのΔｄｘの変化と反射位相φが0度となる周波数との関係を示す。また、図１３は、Δｄｘ＝０，Δｄｘ＝０．５Ｔにそれぞれ固定した状態でのΔｄｙの変化と反射位相φが0度となる周波数との関係を示す。なお、図１２、１３における縦軸の周波数は、パッチ導体１４ａ、１４Bのいずれか一方のみを使用したときに反射位相φが０度となる周波数ｆ_ＡＭＣで規格化している。

図１２から、パッチ導体１４ａ，１４ｂを電界方向と同じ方向に半周期Ｔ／２だけ相対的にずらしたときに単位構造部１０Ａを最も小型化できることが認識される。また、図１３から、パッチ導体１４ａ，１４ｂを磁界方向に相対的にずらすことは単位構造部１０Ａの小型化に寄与しないことが認識される。そのため、電界方向にずらす距離を変えることでパッチ導体１４ａ，１４ｂの大きさを調整することが可能である。
この結果、扱う偏波が単偏波の場合には、パッチ導体１４ａ，１４ｂを偏波方向に半周期Ｔ／２だけ相対的にずらすのみで単位構造部１０Ａを最も小型化できることになり、また、偏波を共用する場合や円偏波の場合には、パッチ導体１４ａ，１４ｂをｘ，ｙ方向にそれぞれ半周期Ｔ／２だけ相対的にずらすことで単位構造部１０Ａを最も小型化できることになる。
なお、ループ状導体１５ａ，１５ｂを用いた図８に示す単位構造部１０Ｂの場合も同様である。

図１に示した実施形態における周波数選択板１２は、各パッチ導体１４ａを含む第１の周波数選択層と、各パッチ導体１４ｂを含む第２の周波数選択層とを備えている。しかし、このような二層構造の周波数選択板１２に代えて、三層以上の周波数選択層を持つ構造の周波数選択板を使用することができ、これによって、さらなる単位構造部１０Ａの小型化が可能となる。

図１４及び図１５に、三層構造の周波数選択板を用いた解析モデル及び四層構造の周波数選択板を用いた解析モデルをそれぞれ示す。図１４に示すパッチ導体１４ａ，１４ｂ及び１４ｃは、同一のサイズを有し、かつ、それらの上下方向の相互間隔が図２に示すｔ_ｐに設定されている。そして、隣接するパッチ導体１４ａ，１４ｂは互に半周期Ｔ／２ずれて位置され、また、隣接するパッチ導体１４ｂ，１４ｃも互いに半周期Ｔ／２ずれて位置されている。図１５に示すパッチ導体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ及び１４ｄの配置形態等も上記に準じている。

図１６は、周波数選択板の層数の増加（一層から四層）と、反射位相φが０度となる周波数との関係を示す解析結果である。なお、この図１６における縦軸の周波数は、同じサイズのパッチ導体を含む一層構造の周波数選択板が使用されたときに反射位相φが０度となる周波数ｆ_ＡＭＣによって規格化されている。
この図１６から、周波数選択板の層数が増えるにつれて反射位相φが０度となる周波数が下がること、つまり、単位構造部１０Ａのさらなる小型化が可能になることがわかる。さらに層数を増やせば同様に小型化される。層数を増やした周波数選択板の場合においても、隣接する層のパッチ導体相互を電界方向に半周期ずつシフトすることによって単位構造部１０Ａを最も小型化することが可能となる。
ここでは、パッチ導体を用いる場合について述べたが、ループ状導体（図８参照）を用いる場合においても、周波数選択板の層数を増加することによって同様に小型化が可能となる。

上記のように、図１に示す電波反射体１０−１を構成する単位構造部１０Ａは、従来の電波反射体の単位構造部に比して小型化することができる。したがって、例えば、図１７に例示するような正方形状のグランド板１１Ａに単位構造部１０Ａを密に配列して電波反射体１０−２を構成することができ、また、図１８に例示するような円形のグランド板１１Ｂの円弧上周縁部に沿って単位構造部１０Ａを配列して、電波反射体１０−３を構成することができる。すなわち、大きな単位構造部の配置が困難なスペースであっても、小型化された単位構造部１０Ａをそのようなスペースに配列することが可能になる。

なお、図２及び図９に示す実施形態では、パッチ導体１４ａ、１４ｂ間及び１５ａ，１５ｂ間に介在させる誘電体として誘電体基板１３を使用しているが、その誘電体として空気を用いることも可能である。

１０−１，１０−２，１０−３電波反射体
１０Ａ，１０Ｂ単位構造部
１１グランド板
１２周波数選択板
１３誘電体基板
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄパッチ導体
１５ａ，１５ｂループ状導体
２０ダイポールアンテナ

本発明は、グランド板及び該グランド板に対向する形態で配置された周波数選択板（FSS : Frequency Selective Surface）を備える電波反射体と、前記電波反射体上に配置されたアンテナと、を備える。
前記周波数選択板は、誘電体を介して複数の周波数選択層を重ね合わした構成を有し、前記各周波数選択層は、辺長がＬの正方外周縁をもつ導体をギャップｇを介して縦横に周期配列させた構成を有する。
一態様として、隣接した一方及び他方の前記周波数選択層に配列された前記導体は、入射波の電界方向に相対的にずれて位置される。前記導体の前記電界方向への相対的なずれは、前記電界方向が前記導体の辺の方向に一致している場合に、０．５Ｔ（Ｔ＝Ｌ＋ｇ）に設定される。

図１１に、パッチ導体１４ｂを、パッチ導体１４ａの位置からｘ，ｙ方向にそれぞれΔｄｘ, Δｄｙだけシフトしたモデルを示す。Δｄｘ＝Δｄｙ＝０は、パッチ導体１４ａ，１４ｂが同じ位置に配置されている場合であり、Δｄｘ＝Δｄｙ＝０．５Ｔは、図１におけるパッチ導体１４ａ，１４ｂの配置形態と同じになる。
図１２、図１３は、入射波の電界の向きをｘ方向とした場合における、Δｄｘ，Δｄｙの変化と周波数との関係を示す。具体的には、図１２は、Δｄｙ＝０，Δｄｙ＝０．５Ｔにそれぞれ固定した状態でのΔｄｘの変化と反射位相φが0度となる周波数との関係を示す。また、図１３は、Δｄｘ＝０，Δｄｘ＝０．５Ｔにそれぞれ固定した状態でのΔｄｙの変化と反射位相φが0度となる周波数との関係を示す。なお、図１２、１３における縦軸の周波数は、パッチ導体１４ａ、１４ｂのいずれか一方のみを使用したときに反射位相φが０度となる周波数ｆ_ＡＭＣで規格化している。

Claims

グランド板及び該グランド板に対向する形態で配置された周波数選択板（FSS : Frequency Selective Surface）を備える電波反射体と、
前記電波反射体上に配置されたアンテナと、を備え、
前記周波数選択板は、誘電体を介して複数の周波数選択層を重ね合わした構成を有し、
前記各周波数選択層は、辺長がＬの正方外周縁をもつ導体をギャップｇを介して縦横に周期配列させた構成を有し、
隣接した前記周波数選択層の前記導体は、互いに前記縦横方向に０〜０．５Ｔ（Ｔ＝Ｌ＋ｇ）だけずれるように位置されていることを特徴とするアンテナ装置。
前記導体は、正方形状のパッチ導体である請求項１に記載のアンテナ装置。
前記導体は、前記正方外周縁に沿ったループを有するように形成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。
前記導体を誘電体基板にプリント形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記アンテナがダイポールアンテナである請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。