JP4739253B2

JP4739253B2 - Antenna and method for manufacturing antenna

Info

Publication number: JP4739253B2
Application number: JP2007046654A
Authority: JP
Inventors: 宏之新井; 承彬林; 保須田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Yokohama National University NUC
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Yokohama National University NUC
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2008211547A

Description

本発明は、アンテナ技術に関し、特に、アンテナおよびアンテナの製造方法に関する。 The present invention relates to antenna technology, and more particularly to an antenna and a method for manufacturing the antenna.

近年、新たなデバイスとして、左手系の素子が注目されている。左手系の素子は、メタマテリアルとも呼ばれ、回折限界を超えた焦点精度が得られるなど、従来の常識ではあり得ない性質を持った特殊なレンズが作れるほか、アンテナやフィルタなど、従来にない特性を持った各種のアナログ素子が開発可能になるとされている。 In recent years, a left-handed element has attracted attention as a new device. Left-handed elements, also known as metamaterials, can produce special lenses with properties that are not possible with conventional common sense such as focusing accuracy exceeding the diffraction limit. It is said that various analog elements with characteristics can be developed.

たとえば、左手系の線路は、直列に配置されたキャパシタンス成分と並列に配置されたインダクタンス成分とで構成される。これは、直列に配置されたインダクタンス成分と、並列に配置されたキャパシタンス成分とで構成される通常の右手系の線路の構成と逆の構成となる。このような左手系の線路を人工的に作ることで、通常の右手系に対して逆の周波数特性を実現できることが理論的に検証されている。従来、左手系の線路の実現方法として、外部導体と内部導体とで構成される同軸線路において、内部導体を周期的に切断し、互いに離間させることによって、左手系の線路を実現する技術が開示されている（たとえば、非特許文献１参照）。
林承彬、「同軸線路を用いたＣＲＬＨ線路に関する研究」、インターネット＜URL：http://www.arailab.dnj.ynu.ac.jp/thesis/h17/lin.pdf＞ For example, a left-handed line includes a capacitance component arranged in series and an inductance component arranged in parallel. This is a configuration opposite to that of a normal right-handed line composed of an inductance component arranged in series and a capacitance component arranged in parallel. It has been theoretically verified that by making such a left-handed line artificially, a frequency characteristic opposite to that of a normal right-handed system can be realized. Conventionally, as a method for realizing a left-handed line, a technique for realizing a left-handed line by periodically cutting and separating the inner conductors in a coaxial line composed of an outer conductor and an inner conductor is disclosed. (For example, see Non-Patent Document 1).
Shogo Hayashi, “Research on CRLH line using coaxial line”, Internet <URL: http://www.arailab.dnj.ynu.ac.jp/thesis/h17/lin.pdf>

一般的に、アンテナを車両や携帯電話に搭載する場合、アンテナの小型化が望まれる。本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンテナを小型化できる技術を提供することにある。 Generally, when an antenna is mounted on a vehicle or a mobile phone, it is desired to reduce the size of the antenna. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of downsizing an antenna.

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアンテナは、筒状の第１の導体と、第１の導体の内部での一端から他端に向けて、互いに離間しながら直列的に配置された複数の柱状の第２の導体と、複数の第２の導体のそれぞれと、第１の導体の内側とを接続する複数のワイヤ状の第３の導体と、第１の導体の一端を接地するグランドと、複数の第２の導体のいずれかに給電する給電部と、を備える。 In order to solve the above-described problem, an antenna according to an aspect of the present invention is arranged in series while being separated from each other from a cylindrical first conductor toward one end to the other end inside the first conductor. A plurality of wire-like third conductors connecting the plurality of columnar second conductors, each of the plurality of second conductors, and the inside of the first conductor, and one end of the first conductor A ground to be grounded; and a power feeding unit that feeds power to any of the plurality of second conductors.

この態様によると、第１乃至第３の導体は、所定の周波数以下で負となるような等価比誘電率を有するＣＲＬＨ（ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＲｉｇｈｔ／ＬｅｆｔＨａｎｄｅｄ）線路を形成するため、アンテナ長を波長の１／４より短く構成でき、小型化できる。 According to this aspect, the first to third conductors form a CRLH (Composite Light / Left Handed) line having an equivalent relative permittivity that is negative at a predetermined frequency or lower, and therefore the antenna length is set to 1 of the wavelength. Can be configured shorter than / 4 and can be downsized.

第１乃至第３の導体は、所定の周波数以下で負の等価比誘電率を有するＣＲＬＨ（ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＲｉｇｈｔ／ＬｅｆｔＨａｎｄｅｄ）線路を形成し、線路の等価比誘電率の絶対値が少なくとも１より大きくなるように、第２の導体の大きさおよび個数が調整され、等価比誘電率の絶対値が大きくなるにつれて、第１の導体の一端から他端までの長さが低減されてもよい。第２の導体の大きさではなく、第１の導体の大きさや、第３の導体の太さが調整されてもよい。 The first to third conductors form a CRLH (Composite Light / Left Handed) line having a negative equivalent relative dielectric constant below a predetermined frequency, and the absolute value of the equivalent relative dielectric constant of the line is at least greater than 1. As described above, the length from the one end of the first conductor to the other end may be reduced as the size and number of the second conductors are adjusted and the absolute value of the equivalent dielectric constant increases. Instead of the size of the second conductor, the size of the first conductor and the thickness of the third conductor may be adjusted.

ここで、「大きさ」とは、長さを含み、導体が円柱状である場合、直径や高さなどを含む。この態様によると、ＣＲＬＨ線路の等価比誘電率の絶対値が少なくとも１より大きいため、アンテナ長を短縮できる。 Here, the “size” includes a length, and includes a diameter, a height, and the like when the conductor is cylindrical. According to this aspect, since the absolute value of the equivalent relative dielectric constant of the CRLH line is at least larger than 1, the antenna length can be shortened.

本発明の別の態様は、アンテナの製造方法である。この方法は、筒状の第１の導体と、第１の導体の内部での一端から他端に向けて、互いに離間しながら直列的に配置された複数の柱状の第２の導体と、複数の第２の導体のそれぞれと、第１の導体の内側とを接続する複数のワイヤ状の第３の導体と、第１の導体の一端を接地するグランドと、複数の第２の導体のいずれかに給電する給電部と、を備えるアンテナの製造方法であって、所望の送信周波数を決定するステップと、決定するステップにおいて決定された送信周波数において、第１乃至第３の導体から形成されるＣＲＬＨ（ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＲｉｇｈｔ／ＬｅｆｔＨａｎｄｅｄ）線路の等価比誘電率が負の値となるように、第２の導体の大きさおよび個数を調整するステップと、を含む。決定するステップにおいて決定された送信周波数と、等価比誘電率の絶対値の大きさとに応じて、第１の導体の一端から他端までの長さが決定される。等価比誘電率の絶対値は、少なくとも１より大きな値としてもよい。 Another aspect of the present invention is an antenna manufacturing method. The method includes a cylindrical first conductor, a plurality of columnar second conductors arranged in series while being spaced apart from each other from one end to the other end inside the first conductor, A plurality of wire-like third conductors connecting each of the second conductors to the inside of the first conductor, a ground for grounding one end of the first conductor, and any of the plurality of second conductors A method of manufacturing an antenna comprising: a power feeding unit that feeds power; and a step of determining a desired transmission frequency, and a transmission frequency determined in the step of determining, formed from first to third conductors. Adjusting the size and the number of second conductors so that the equivalent relative dielectric constant of a CRLH (Composite Light / Left Handed) line has a negative value. The length from one end of the first conductor to the other end is determined according to the transmission frequency determined in the determining step and the magnitude of the absolute value of the equivalent relative dielectric constant. The absolute value of the equivalent dielectric constant may be a value greater than at least 1.

この態様によると、線路の等価比誘電率の絶対値が１より大きな値となるように、第２の導体の大きさを調整することによって、波長の１／４よりも短いアンテナ長を有するアンテナを製造できる。 According to this aspect, the antenna having an antenna length shorter than ¼ of the wavelength by adjusting the size of the second conductor so that the absolute value of the equivalent relative dielectric constant of the line is larger than 1. Can be manufactured.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation of the present invention converted between a method, an apparatus, a system, etc. are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、アンテナを小型化できる。 According to the present invention, the antenna can be miniaturized.

本発明の実施形態を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施形態は、携帯電話や、自動車などに好適なアンテナに関する。本発明の実施形態にかかるアンテナは、ＣＲＬＨ線路を用いたモノポールアンテナである。ＣＲＬＨ線路とは、近年、新たなデバイスとして注目されているメタマテリアルの一態様である。 Before the embodiments of the present invention are specifically described, an outline is first described. Embodiments described herein relate generally to an antenna suitable for a mobile phone, an automobile, and the like. The antenna according to the embodiment of the present invention is a monopole antenna using a CRLH line. The CRLH line is an aspect of a metamaterial that has attracted attention as a new device in recent years.

近年、無線機器の小形化に伴い、搭載される電子部品の一層の小形化が求められている。しかしながら、アンテナは、空間を伝搬する電磁波の波長により大きさが決定されるため、小型化するのが困難である。波長に対して小さいアンテナを用いると、アンテナ特性の狭帯域化、低放射効率化を伴い、アンテナ性能を維持することが困難になるからである。したがって、アンテナ性能を維持しつつ、小型化する技術が望まれている。 In recent years, with the miniaturization of wireless devices, there is a demand for further miniaturization of electronic components to be mounted. However, since the size of the antenna is determined by the wavelength of the electromagnetic wave propagating in space, it is difficult to reduce the size. This is because using a small antenna with respect to the wavelength makes it difficult to maintain the antenna performance with narrowing of the antenna characteristics and low radiation efficiency. Therefore, a technique for reducing the size while maintaining the antenna performance is desired.

そこで、出願人は、新たなデバイスとして注目されている左手系素子をアンテナに適用することに着目した。左手系素子とは、メタマテリアルとも呼ばれ、人工媒質を伝わる電磁波に対する有効的な誘電率と透磁率の値が共に負で、その結果屈折率も負となる材料のことである。通常の媒質の場合、電気的に、直列にインダクタンス、並列にキャパシタンスが配置された構造になる。しかし、メタマテリアルにおいては、誘電率および透磁率が共に負になるため、直列にキャパシタンス、並列にインダクタンスが接続される構造になる。 Therefore, the applicant paid attention to applying a left-handed element, which is attracting attention as a new device, to the antenna. A left-handed element is also called a metamaterial, and is a material in which both effective dielectric constant and permeability values for electromagnetic waves transmitted through an artificial medium are negative, and as a result, the refractive index is also negative. In the case of a normal medium, the structure is such that an inductance is arranged in series and a capacitance is arranged in parallel. However, the metamaterial has a structure in which both the dielectric constant and the magnetic permeability are negative, so that the capacitance is connected in series and the inductance is connected in parallel.

こうした媒質を利用すると、回折限界を超えた焦点精度が得られるなど「従来の常識ではあり得ない」性質を持った特殊なレンズが作れるほか、アンテナやフィルタなど、従来にない特性を持った各種のアナログ素子が開発可能になるとされている。人工的に左手系を実現するためには、使用する波長に対して十分小さな構造を用いる必要がある。製作上の観点からプリント基板を用いた積層構造のものが中心として検討されている。しかし、構造が複雑であることから、実際に作成された例は少ない。 Using such a medium makes it possible to create special lenses with characteristics that are not possible with conventional common sense, such as focusing accuracy that exceeds the diffraction limit, as well as various characteristics such as antennas and filters that have never existed before. It is said that it will be possible to develop analog elements. In order to artificially realize the left-handed system, it is necessary to use a structure that is sufficiently small with respect to the wavelength to be used. From the viewpoint of production, a laminated structure using a printed circuit board has been studied mainly. However, since the structure is complicated, there are few examples actually created.

そこで、本実施形態においては、同軸線路内に左手系線路を構成するとともに、同軸構造端部を開放することによって、その線路をアンテナに適用する。その際、同軸構造内部の位相伝搬定数、あるいは、等価比誘電率を周期構造で制御することによって、アンテナの性能を維持しながら、アンテナを小型化する。この小型化により、短波帯及び超短波帯の無線通信用アンテナを車両等の移動体に搭載できるようになる。詳細は後述する。 Therefore, in the present embodiment, a left-handed line is formed in the coaxial line, and the end of the coaxial structure is opened to apply the line to the antenna. At that time, the antenna is reduced in size while maintaining the performance of the antenna by controlling the phase propagation constant inside the coaxial structure or the equivalent relative dielectric constant with the periodic structure. By this miniaturization, it becomes possible to mount a radio communication antenna of a short wave band and an ultra short wave band on a moving body such as a vehicle. Details will be described later.

図１は、本発明の実施形態にかかるアンテナ１００の構成例を示す図である。アンテナ１００は、ＣＲＬＨ線路１０と、地導体４０と、給電線５０とを含む。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an antenna 100 according to an embodiment of the present invention. The antenna 100 includes a CRLH line 10, a ground conductor 40, and a feeder line 50.

アンテナ１００は、モノポールアンテナである。ＣＲＬＨ線路１０は、外導体１６と、その内部に同軸状に形成された内導体１２とで構成される。また、ＣＲＬＨ線路１０は、図示するごとく、一端が開放され、他端は地導体４０に接地される。地導体４０は、無限地板である。給電線５０は、同軸ケーブルなどの給電線である。給電線５０は、地導体４０を介して、ＣＲＬＨ線路１０の内部の内導体１２に対して給電する。 The antenna 100 is a monopole antenna. The CRLH line 10 includes an outer conductor 16 and an inner conductor 12 formed coaxially therein. The CRLH line 10 has one end opened and the other end grounded to the ground conductor 40 as shown. The ground conductor 40 is an infinite ground plane. The feed line 50 is a feed line such as a coaxial cable. The feeder 50 feeds power to the inner conductor 12 inside the CRLH line 10 via the ground conductor 40.

図２は、図１のＣＲＬＨ線路１０の内部の構成を模式的に示す図である。ＣＲＬＨ線路１０は、内導体１２で代表される第１内導体１２ａ〜第ｎ内導体１２ｎと、ワイヤ１４で代表される第１ワイヤ１４ａ〜第ｎワイヤ１４ｎと、外導体１６とを含む。 FIG. 2 is a diagram schematically showing an internal configuration of the CRLH line 10 of FIG. The CRLH line 10 includes a first inner conductor 12a to an nth inner conductor 12n represented by an inner conductor 12, a first wire 14a to an nth wire 14n represented by a wire 14, and an outer conductor 16.

外導体１６は、筒状の導体である。筒状であれば、図示するような円柱状でなくともよい。内導体１２は、柱状の導体である。柱状であれば、図示するような円柱状でなくともよい。複数の内導体１２は、外導体１６の内部での一端から他端に向けて、互いに離間しながら直列的に配置される。「一端から他端」における一端、他端とは、外導体１６の長手方向において、給電線５０に近い端や、電波が放射される開口面の端を含む。 The outer conductor 16 is a cylindrical conductor. As long as it is cylindrical, it does not have to be cylindrical as shown. The inner conductor 12 is a columnar conductor. As long as it is columnar, it does not have to be cylindrical as shown. The plurality of inner conductors 12 are arranged in series while being separated from each other from one end to the other end inside the outer conductor 16. One end and the other end in “from one end to the other end” include an end close to the feeder line 50 and an end of an opening surface from which radio waves are radiated in the longitudinal direction of the outer conductor 16.

この態様は、外導体１６と同じ長さの内導体１２を周期的に切断することによって、実現されてもよい。「周期的に切断」とは、一定の距離ごとに切断されることを含む。ワイヤ１４は、複数の内導体１２のそれぞれと、外導体１６の内側とを接続する導体である。 This aspect may be realized by periodically cutting the inner conductor 12 having the same length as the outer conductor 16. “Periodically cut” includes cutting at regular intervals. The wire 14 is a conductor that connects each of the plurality of inner conductors 12 and the inner side of the outer conductor 16.

図３は、図２のＣＲＬＨ線路１０のＡ−Ａ方向の断面図である。ここでは、説明の便宜上、５つの内導体１２について図示したが、５以外の数の内導体１２が備えられていてもよい。このＣＲＬＨ線路１０の特性、特に、等価比誘電率は、外導体１６の直径を示す外導体径３４と、内導体１２の直径を示す内導体径２４と、内導体１２における外導体１６の長手方向の長さを示す内導体長２６と、２つの内導体径２４の間のギャップの長さを示すギャップ長２８と、ワイヤ１４の長さを示すワイヤ長３０と、ワイヤ１４の太さを示すワイヤ径３２と、で示されるそれぞのパラメータを調節することによって、決定される。 3 is a cross-sectional view of the CRLH line 10 in FIG. 2 in the AA direction. Here, for convenience of explanation, the five inner conductors 12 are illustrated, but a number of inner conductors 12 other than five may be provided. The characteristics of the CRLH line 10, particularly the equivalent relative dielectric constant, are the outer conductor diameter 34 indicating the diameter of the outer conductor 16, the inner conductor diameter 24 indicating the diameter of the inner conductor 12, and the length of the outer conductor 16 in the inner conductor 12. The inner conductor length 26 indicating the length in the direction, the gap length 28 indicating the length of the gap between the two inner conductor diameters 24, the wire length 30 indicating the length of the wire 14, and the thickness of the wire 14. This is determined by adjusting the respective parameters indicated by the wire diameter 32 shown.

また、これらの長さの他に、外導体１６の内部に充填される誘電体２２の誘電率も特性を決定するパラメータとなる。詳細は後述するが、これらのパラメータを調節することによって、ＣＲＬＨ線路１０の等価比誘電率を変化させ、もって、アンテナ１００の長さを短縮させる。 In addition to these lengths, the dielectric constant of the dielectric 22 filled in the outer conductor 16 is also a parameter that determines the characteristics. Although details will be described later, by adjusting these parameters, the equivalent relative permittivity of the CRLH line 10 is changed, and thus the length of the antenna 100 is shortened.

図４は、図３のＣＲＬＨ線路１０の一部を拡大した図である。以下においては、破線で示した部分をセル７０と表記する。セル７０は、内導体１２とワイヤ１４と、外導体１６の一部と、内導体１２同士の隙間部分とを含む。図３に示すＣＲＬＨ線路１０は、セル７０を周期的に積み重ねることによって、構成されるとも表現できる。セル７０は、インダクタンスとキャパシタンスを含む等価回路で示すことが出来る。 FIG. 4 is an enlarged view of a part of the CRLH line 10 of FIG. Hereinafter, a portion indicated by a broken line is referred to as a cell 70. The cell 70 includes the inner conductor 12, the wire 14, a part of the outer conductor 16, and a gap portion between the inner conductors 12. The CRLH line 10 shown in FIG. 3 can also be expressed as being configured by periodically stacking cells 70. Cell 70 can be represented by an equivalent circuit including inductance and capacitance.

図５は、図４のセル７０の等価回路１１０の例を示す図である。セル７０の等価回路１１０は、Ｃ_Ｌで示された左手系キャパシタンス６０と、Ｌ_Ｒで示された右手系インダクタンス６２と、Ｃ_Ｒで示された右手系キャパシタンス６４と、Ｌ_Ｌで示された左手系インダクタンス６６とを含む。ここで、図４の内導体１２同士の隙間部分は、図５のＣ_Ｌに相当し、図４の内導体１２は、図５のＬ_Ｒに相当する。また、図４のワイヤ１４は、図５のＬ_Ｌに相当し、外導体１６と内導体１２を挟む区間は、図５のＣ_Ｒに相当する。以上のように、図４のセル７０は、図５に示されるような単位ＣＲＬＨ回路を形成しているといえる。したがって、セル７０を積み重ねて、図３のような態様とすることによって、ＣＲＬＨ線路１０を形成できる。また、ＣＲＬＨ線路１０の特性は、図３に示した各パラメータにより、調節できることとなる。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit 110 of the cell 70 in FIG. Equivalent circuit 110 of the cell 70, a left-handed capacitor 60 shown in _{C L,} and right-handed inductor 62 shown in _{L R,} a right-handed capacitance 64 shown in _{C R,} indicated by _{L L} Left-handed inductance 66. Here, the inner conductor 12 a gap portion between the 4 corresponds to C _L in FIG. 5, the inner conductor 12 of FIG. 4 corresponds to L _R of FIG. Further, the wire 14 in FIG. 4 corresponds to _{L L} of FIG. 5, sections sandwiching the inner conductor 12 and outer conductor 16 corresponds to _{C R} in FIG. As described above, it can be said that the cell 70 of FIG. 4 forms a unit CRLH circuit as shown in FIG. Therefore, the CRLH line 10 can be formed by stacking the cells 70 to obtain the mode as shown in FIG. Further, the characteristics of the CRLH line 10 can be adjusted by the parameters shown in FIG.

ここで、本実施形態のアンテナ１００に適用されるＣＲＬＨ線路１０の設計について説明する。本実施形態にかかるＣＲＬＨ線路１０は、負の等価比誘電率を持つように設計される。具体的には、図３に示したいくつかのパラメータを調節することによって、アンテナの使用周波数において、ＣＲＬＨ線路１０の等価比誘電率が大きな負の値を有するように、設計すればよい。等価比誘電率が大きな負の値を有することによって、波長が短くなり、アンテナ長を短くできるからである。この際、ＣＲＬＨ線路１０を適用するアンテナ１００に求められる使用周波数も考慮される。このように設計することによって、使用周波数領域において良好な特性を維持しつつ、アンテナ長を短縮できることとなる。 Here, the design of the CRLH line 10 applied to the antenna 100 of the present embodiment will be described. The CRLH line 10 according to the present embodiment is designed to have a negative equivalent dielectric constant. Specifically, by adjusting some parameters shown in FIG. 3, the CRLH line 10 may be designed to have a large negative value at the antenna use frequency. This is because when the equivalent relative dielectric constant has a large negative value, the wavelength is shortened and the antenna length can be shortened. At this time, a use frequency required for the antenna 100 to which the CRLH line 10 is applied is also taken into consideration. By designing in this way, the antenna length can be shortened while maintaining good characteristics in the operating frequency range.

図３に示したパラメータの調整は、たとえば、以下の手順で実施すればよい。
（１）所望の周波数を決定する。
（２）アンテナ長を決定する。
（３）（１）で決定したその周波数において、等価比誘電率の絶対値が高くなるように、かつ、その周波数でインピーダンスが整合するように、ＣＲＬＨ線路１０のパラメータを調節して、最適化する。 The adjustment of the parameters shown in FIG. 3 may be performed by the following procedure, for example.
(1) A desired frequency is determined.
(2) Determine the antenna length.
(3) The parameter of the CRLH line 10 is adjusted and optimized so that the absolute value of the equivalent dielectric constant becomes high and the impedance matches at that frequency determined at the frequency determined in (1). To do.

（３）の最適化における制御関数としてのパラメータは、たとえば、内導体１２の個数や、内導体長２６などが好適である。また、（３）における目的関数は、たとえば、インピーダンス整合値であってもよい。 For example, the number of the inner conductors 12 and the inner conductor length 26 are suitable as the parameters as the control function in the optimization of (3). Further, the objective function in (3) may be, for example, an impedance matching value.

また、（３）において最適化処理を容易にするために、複数の内導体１２のそれぞれの大きさは、同一であると仮定してもよい。また、複数のワイヤ１４のワイヤ長３０、ワイヤ径３２は、それぞれ同一であると仮定してもよい。また、内導体長２６や内導体１２の個数を変数とし、他のパラメータを固定値として最適化してもよい。このような態様をとることによって、最適化すべきパラメータを減少できるため、容易に設計できることとなる。 In order to facilitate the optimization process in (3), it may be assumed that the sizes of the plurality of inner conductors 12 are the same. Further, the wire length 30 and the wire diameter 32 of the plurality of wires 14 may be assumed to be the same. Further, the number of inner conductor lengths 26 and the number of inner conductors 12 may be variables, and other parameters may be optimized as fixed values. By adopting such an embodiment, the parameters to be optimized can be reduced, so that it can be easily designed.

出願人は、さまざまなパターンについて、上述した最適化処理を実施した。この経験により、内導体１２の個数は、少なくとも４つ以上とすることにより、所望の特性を維持しつつ、アンテナ長を短くできることが確認できた。 The applicant performed the optimization process described above for various patterns. From this experience, it was confirmed that the antenna length can be shortened while maintaining desired characteristics by setting the number of the inner conductors 12 to at least four or more.

具体例を用いて説明する。ここでは、所望の周波数ｆを４７４ＭＨｚと仮定する。また、アンテナ長ｈを３０ｍｍと仮定する。なお、通常の右手系で設計する場合、以下の式により、アンテナ長ｈは、約１５．８ｃｍ必要となる。
ｈ＝λ／４
＝ｃ₀／４ｆ
＝3.0×10⁸／（4×474×10⁶）
≒１５．８ｃｍ This will be described using a specific example. Here, it is assumed that the desired frequency f is 474 MHz. Further, it is assumed that the antenna length h is 30 mm. When designing with a normal right-handed system, the antenna length h is required to be about 15.8 cm according to the following equation.
h = λ / 4
= C ₀ / 4f
= 3.0 × 10 ⁸ / (4 × 474 × 10 ⁶ )
≒ 15.8cm

しかし、ＣＲＬＨ線路１０をアンテナ１００に適用することによって、アンテナ長を約１／５の３０ｍｍで実現することができる。ここで、前述した（３）の最適化を実際に実行した結果を示す。以下は、最適化の結果として得られたパラメータである。
内導体径２４＝１３ｍｍ
内導体長２６＝４．５ｍｍ
ギャップ長２８＝０．５ｍｍ
ワイヤ長３０＝１８．５ｍｍ
ワイヤ径３２＝０．５ｍｍ
外導体径３４＝内導体径２４＋２×ワイヤ長３０＝５０ｍｍ
内導体１２の個数＝アンテナ長／（内導体長２６＋ギャップ長２８）＝３０／５＝６個 However, by applying the CRLH line 10 to the antenna 100, the antenna length can be realized with about 1/5 of 30 mm. Here, the result of actually executing the optimization of (3) described above is shown. The following are the parameters obtained as a result of optimization.
Inner conductor diameter 24 = 13mm
Inner conductor length 26 = 4.5mm
Gap length 28 = 0.5mm
Wire length 30 = 18.5mm
Wire diameter 32 = 0.5mm
Outer conductor diameter 34 = Inner conductor diameter 24 + 2 × Wire length 30 = 50 mm
Number of inner conductors 12 = antenna length / (inner conductor length 26 + gap length 28) = 30/5 = 6

以上のパラメータに従って、図１に示すアンテナ１００を具現化し、特性を評価した。具現化したアンテナ１００のアンテナ長は、前述したように、波長の１／４よりも、さらに１／５だけ短縮された長さとなっている。図６は、図１のアンテナ１００のインピーダンス特性を示す図である。横軸は、周波数を示し、縦軸は、インピーダンスを示す。実線はインピーダンスの実数成分Ｚｒを示し、破線は虚数成分Ｚｊを示す。すなわち、Ｚ＝Ｚｒ＋ｊＺｊとなる。図示するごとく、波長に対して極めて短いアンテナであっても、中心周波数付近で、Ｚｒが最大の１００Ω強となり、また、Ｚｊが０となるような良好な特性を得られることができた。 According to the above parameters, the antenna 100 shown in FIG. 1 was implemented and the characteristics were evaluated. As described above, the antenna length of the embodied antenna 100 is a length further shortened by ５ than ¼ of the wavelength. FIG. 6 is a diagram illustrating impedance characteristics of the antenna 100 of FIG. The horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the impedance. The solid line indicates the real component Zr of the impedance, and the broken line indicates the imaginary component Zj. That is, Z = Zr + jZj. As shown in the drawing, even with an antenna that is extremely short with respect to the wavelength, it was possible to obtain good characteristics such that Zr was a little over 100Ω and Zj was 0 near the center frequency.

図７は、図１のアンテナ１００の指向性を示す図である。図示するごとく、同軸線路の開放端方向、すなわち、電波の放射方向にヌルが向き、水平方向に無指向性となる指向性が得られた。 FIG. 7 is a diagram showing the directivity of the antenna 100 of FIG. As shown in the drawing, a directivity in which the null is directed in the open end direction of the coaxial line, that is, in the radio wave radiation direction and becomes omnidirectional in the horizontal direction is obtained.

以上により、ＣＲＬＨ線路１０を適用したアンテナ１００は、アンテナ長を短くしても、良好な特性を有するといえる。つぎに、設計したアンテナ１００における等価比誘電率の周波数特性について示す。ここでは、等価比誘電率の代わりに、位相伝搬定数βの周波数特性について示す。ここで、等価比誘電率と位相伝搬定数βの関係は、以下で表される。なお、ｋ_０は波数を示す。
√（等価比誘電率）＝｜β／ｋ_０｜ From the above, it can be said that the antenna 100 to which the CRLH line 10 is applied has good characteristics even when the antenna length is shortened. Next, the frequency characteristic of the equivalent dielectric constant in the designed antenna 100 will be described. Here, the frequency characteristic of the phase propagation constant β is shown instead of the equivalent relative permittivity. Here, the relationship between the equivalent relative dielectric constant and the phase propagation constant β is expressed as follows. Note that k ₀ indicates a wave number.
√ (equivalent relative dielectric constant) = | β / k ₀ |

図８は、図１のアンテナ１００における位相伝搬定数βの周波数特性の例を示す図である。横軸は、周波数を示す。縦軸は、β／ｋ_０を示す。この図は、数値電磁界ソフト会社のＡｎｓｏｆｔ社が提供しているＨＦＳＳ（Ｈｉｇｈ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｔｒｕｃｔｕｒｅＳｉｍｕｌａｔｏｒ）を用いて得たものである。ＨＦＳＳにおいては、基本定理として有限要素法を用いる。有限要素法では、重み付き残差法や変分原理に基づいて微分方程式の問題が解析対象領域に関するもとの問題と等価な積分方程式に変換される。この操作によって対象としている微分方程式の次数を一つ下げることができ、計算負荷を減らすことができる。そして積分範囲を要素と称する三角形や四面体の部分小領域に分割し、要素ごとの積分をすることにより有限要素方程式が得られる。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of the phase propagation constant β in the antenna 100 of FIG. The horizontal axis indicates the frequency. The vertical axis represents β / k ₀ . This figure is obtained using HFSS (High-Frequency Structure Simulator) provided by Ansoft, a numerical electromagnetic field software company. In HFSS, the finite element method is used as a basic theorem. In the finite element method, the differential equation problem is converted into an integral equation equivalent to the original problem related to the analysis target area based on the weighted residual method or the variational principle. By this operation, the order of the differential equation as a target can be lowered by one, and the calculation load can be reduced. Then, the finite element equation can be obtained by dividing the integration range into triangular sub-regions called elements and tetrahedral partial subregions, and performing integration for each element.

図示するごとく、１ＧＨｚから１．５ＧＨｚの間において、β／ｋ_０が負の値となり、周波数が下がるにつれて、β／ｋ_０がさらに小さくなる。また、設定した周波数において、β／ｋ_０は、−５となる。すなわち、等価比誘電率の平方根の値が５となる。ここで、波長は、以下の式により、等価比誘電率の平方根の逆数に比例して短縮される。したがって、前述したように、波長を１／５に短縮したような効果を得ることができ、アンテナ長を１／５に短縮できることとなる。なお、αは、透磁率の平方根を示す。
波長λ ＝ α／√（等価比誘電率） As shown, in between a 1GHz 1.5GHz, β / _{k 0} is a negative value, as the frequency decreases, beta / _{k 0} is further reduced. Further, β / k ₀ is −5 at the set frequency. That is, the value of the square root of the equivalent relative dielectric constant is 5. Here, the wavelength is shortened in proportion to the reciprocal of the square root of the equivalent dielectric constant according to the following equation. Therefore, as described above, the effect of shortening the wavelength to 1/5 can be obtained, and the antenna length can be shortened to 1/5. Α represents the square root of the magnetic permeability.
Wavelength λ = α / √ (equivalent dielectric constant)

図９は、図１のアンテナ１００の変形例２００を示す図である。図１との相違は、ＣＲＬＨ線路１０の上端を地導体４０と同一平面に設けることによって、ＣＲＬＨ線路１０を地導体４０より下に埋設した点である。ここで、ＣＲＬＨ線路１０の下端は導体板で閉じられているものとする。また、図１と同様にＣＲＬＨ線路１０は、導体板を介して接続された同軸コネクタなどの給電線５０により給電される。以上のような構成において、電波は、ＣＲＬＨ線路１０における内導体１２と外導体１６の間から電波が放射される。 FIG. 9 is a diagram illustrating a modification 200 of the antenna 100 of FIG. The difference from FIG. 1 is that the CRLH line 10 is embedded below the ground conductor 40 by providing the upper end of the CRLH line 10 in the same plane as the ground conductor 40. Here, it is assumed that the lower end of the CRLH line 10 is closed by a conductor plate. Similarly to FIG. 1, the CRLH line 10 is fed by a feed line 50 such as a coaxial connector connected via a conductor plate. In the above configuration, radio waves are radiated from between the inner conductor 12 and the outer conductor 16 in the CRLH line 10.

このような態様であっても、前述したような態様で設計することにより、外導体１６の長さを短縮することができる。また、アンテナ１００が地導体４０に対して埋設された形態となるために、突起とならないアンテナとなり、利用用途を拡大できる。 Even in such an embodiment, the length of the outer conductor 16 can be shortened by designing in the manner described above. In addition, since the antenna 100 is embedded in the ground conductor 40, the antenna does not become a protrusion, and the usage application can be expanded.

以上により、本実施形態にかかるＣＲＬＨ線路１０において、内導体１２の個数等を調整することによって、所望の周波数帯において、ＣＲＬＨ線路１０の位相伝搬定数β、すなわち、等価比誘電率の絶対値を大きくできる。そのため、本実施形態にかかるＣＲＬＨ線路１０をアンテナ１００に適用することにより、アンテナの性能を維持したまま、アンテナ長を短くできる。なお、一般的に、同軸線路は、内導体１２の外側から外導体１６の内側までの空間に高次モードが立つ。したがって、図３に示す外導体径３４が小さくなるように、設計されてもよい。 As described above, in the CRLH line 10 according to the present embodiment, by adjusting the number of inner conductors 12 and the like, the phase propagation constant β of the CRLH line 10, that is, the absolute value of the equivalent relative dielectric constant can be obtained in a desired frequency band. Can be big. Therefore, by applying the CRLH line 10 according to the present embodiment to the antenna 100, the antenna length can be shortened while maintaining the performance of the antenna. In general, the coaxial line has a higher-order mode in the space from the outer side of the inner conductor 12 to the inner side of the outer conductor 16. Therefore, the outer conductor diameter 34 shown in FIG. 3 may be designed to be small.

また、図８に示すように、ＣＲＬＨ線路１０は、所望の周波数以下で負の等価比誘電率を有することとなる。また、周波数が下がるほど、等価比誘電率の絶対値を大きくすることができる。いいかえると、通常の右手系において低い周波数を使用するために長いアンテナが必要であったのが、本実施形態のように設計されたＣＲＬＨ線路１０をアンテナに適用することによって、同じアンテナ長でもより低い周波数が使えることとなる。 Further, as shown in FIG. 8, the CRLH line 10 has a negative equivalent dielectric constant below a desired frequency. Further, the absolute value of the equivalent relative permittivity can be increased as the frequency is lowered. In other words, in order to use a low frequency in a normal right-hand system, a long antenna is necessary. By applying the CRLH line 10 designed as in the present embodiment to the antenna, the same antenna length can be obtained. A low frequency can be used.

なお、右手系の線路において、等価比誘電率は負になることはなく、また、所望の周波数帯において１より大きな等価比誘電率を持つ線路を設計することは、アンテナ設計上、難しい。そうすると、右手系に回路においては、本実施形態のように、等価比誘電率を増大させ波長を短縮させるといったアプローチは採用しがたい。したがって、上述したように、左手系の線路であるＣＲＬＨ線路１０を用いることによって、簡易な構成により、良好な特性を維持しつつ、アンテナ長を短縮できることとなる。 In the right-handed line, the equivalent relative dielectric constant does not become negative, and it is difficult to design a line having an equivalent relative dielectric constant greater than 1 in a desired frequency band in terms of antenna design. Then, in a right-handed circuit, it is difficult to adopt an approach of increasing the equivalent dielectric constant and shortening the wavelength as in the present embodiment. Therefore, as described above, by using the CRLH line 10 that is a left-handed line, the antenna length can be shortened while maintaining good characteristics with a simple configuration.

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and such modifications are also within the scope of the present invention. .

本発明の実施形態にかかるアンテナの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the antenna concerning embodiment of this invention. 図１のＣＲＬＨ線路の内部の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure inside the CRLH line | wire of FIG. 図２のＣＲＬＨ線路のＡ−Ａ方向の断面図である。It is sectional drawing of the AA direction of the CRLH line | wire of FIG. 図３のアンテナの一部を拡大した図である。It is the figure which expanded a part of antenna of FIG. 図４のセルの等価回路の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the equivalent circuit of the cell of FIG. 図１のアンテナのインピーダンス特性を示す図である。It is a figure which shows the impedance characteristic of the antenna of FIG. 図１のアンテナの指向性を示す図である。It is a figure which shows the directivity of the antenna of FIG. 図１のアンテナにおける位相伝搬定数βの周波数特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the frequency characteristic of the phase propagation constant (beta) in the antenna of FIG. 図１のアンテナの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the antenna of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０ＣＲＬＨ線路、１２内導体、１４ワイヤ、１６外導体、２２誘電体、２４内導体径、２６内導体長、２８ギャップ長、３０ワイヤ長、３２ワイヤ径、３４外導体径、４０地導体、５０給電線、６０左手系キャパシタンス、６２右手系インダクタンス、６４右手系キャパシタンス、６６左手系インダクタンス、７０セル、１００アンテナ、１１０等価回路。 10 CRLH line, 12 inner conductor, 14 wire, 16 outer conductor, 22 dielectric, 24 inner conductor diameter, 26 inner conductor length, 28 gap length, 30 wire length, 32 wire diameter, 34 outer conductor diameter, 40 ground conductor, 50 Feeding lines, 60 Left-handed system capacitance, 62 Right-handed system inductance, 64 Right-handed system capacitance, 66 Left-handed system inductance, 70 cells, 100 Antenna, 110 Equivalent circuit.

Claims

筒状の第１の導体と、
前記第１の導体の内部での一端から他端に向けて、互いに離間しながら直列的に配置された複数の柱状の第２の導体と、
前記複数の第２の導体のそれぞれと、前記第１の導体の内側とを接続する複数のワイヤ状の第３の導体と、
前記第１の導体の一端を接地するグランドと、
前記複数の第２の導体のいずれかに給電する給電部と、
を備えることを特徴とするアンテナ。 A cylindrical first conductor;
A plurality of columnar second conductors arranged in series while being separated from each other from one end to the other end inside the first conductor;
A plurality of wire-like third conductors connecting each of the plurality of second conductors and the inside of the first conductor;
A ground for grounding one end of the first conductor;
A power feeding unit for feeding power to any of the plurality of second conductors;
An antenna comprising:

前記第１乃至第３の導体は、所定の周波数以下で負の等価比誘電率を有するＣＲＬＨ（ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＲｉｇｈｔ／ＬｅｆｔＨａｎｄｅｄ）線路を形成し、
前記線路の等価比誘電率の絶対値が少なくとも１より大きくなるように、前記第２の導体の大きさおよび個数が調整され、
等価比誘電率の絶対値が大きくなるにつれて、前記第１の導体の一端から他端までの長さが低減されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。 The first to third conductors form a CRLH (Composite Light / Left Handed) line having a negative equivalent dielectric constant below a predetermined frequency,
The size and number of the second conductors are adjusted so that the absolute value of the equivalent relative permittivity of the line is at least greater than 1.
The antenna according to claim 1, wherein the length from one end of the first conductor to the other end is reduced as the absolute value of the equivalent relative permittivity increases.

筒状の第１の導体と、前記第１の導体の内部での一端から他端に向けて、互いに離間しながら直列的に配置された複数の柱状の第２の導体と、前記複数の第２の導体のそれぞれと、前記第１の導体の内側とを接続する複数のワイヤ状の第３の導体と、前記第１の導体の一端を接地するグランドと、前記複数の第２の導体のいずれかに給電する給電部と、を備えるアンテナの製造方法であって、
所望の送信周波数を決定するステップと、
決定するステップにおいて決定された送信周波数において、前記第１乃至第３の導体から形成されるＣＲＬＨ（ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＲｉｇｈｔ／ＬｅｆｔＨａｎｄｅｄ）線路の等価比誘電率が負の値となるように、前記第２の導体の大きさおよび個数を調整するステップと、
を含み、
前記第１の導体の一端から他端までの長さは、決定するステップにおいて決定された送信周波数と、前記等価比誘電率の絶対値の大きさとに応じて決定されることを特徴とするアンテナの製造方法。 A cylindrical first conductor, a plurality of columnar second conductors arranged in series while being separated from each other from one end to the other end inside the first conductor, and the plurality of second conductors A plurality of wire-like third conductors connecting each of the two conductors and the inside of the first conductor, a ground for grounding one end of the first conductor, and the plurality of second conductors. A method of manufacturing an antenna comprising:
Determining a desired transmission frequency;
In the transmission frequency determined in the determining step, the second dielectric constant is adjusted so that an equivalent relative dielectric constant of a CRLH (Composite Light / Left Handed) line formed from the first to third conductors becomes a negative value. Adjusting the size and number of conductors;
Including
The length of the first conductor from one end to the other end is determined according to the transmission frequency determined in the determining step and the magnitude of the absolute value of the equivalent relative dielectric constant. Manufacturing method.