JP6194263B2 - Antenna device - Google Patents

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Description

本発明は、複数の周波数帯域を同時に送受信することが可能なアンテナ装置に関する。   The present invention relates to an antenna device capable of simultaneously transmitting and receiving a plurality of frequency bands.

従来のアンテナ装置は、単一の周波数帯域の電磁波を送受信する。よって、複数の周波数帯域の電磁波を送受信するためには、それぞれの周波数帯域に対応したアンテナ装置が必要である。また、使用される電磁波の周波数帯域が新たに増加すると、新たに増加した周波数帯域の電磁波を送受信するアンテナ装置が必要になる。よって、広いアンテナ装置の設置場所が必要になる。この問題を解決するために、複数の周波数帯域を共用できるアンテナ装置が提案されている（非特許文献１参照）。   Conventional antenna devices transmit and receive electromagnetic waves in a single frequency band. Therefore, in order to transmit and receive electromagnetic waves in a plurality of frequency bands, an antenna device corresponding to each frequency band is necessary. Further, when the frequency band of electromagnetic waves to be used is newly increased, an antenna device that transmits and receives electromagnetic waves in the newly increased frequency band is required. Therefore, a large installation place for the antenna device is required. In order to solve this problem, an antenna device that can share a plurality of frequency bands has been proposed (see Non-Patent Document 1).

図１０は、従来のアンテナ装置１００の構成例を示す図である。図１０において、従来のアンテナ装置１００は、電磁波を反射する金属反射板１１０と、複数の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子１２０とを有する。図１１は、従来のアンテナ装置１００の水平面の放射パターンを示す図である。   FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional antenna device 100. In FIG. 10, a conventional antenna device 100 includes a metal reflector 110 that reflects electromagnetic waves and an antenna radiating element 120 that radiates electromagnetic waves in a plurality of frequency bands. FIG. 11 is a diagram illustrating a radiation pattern on a horizontal plane of the conventional antenna device 100.

アンテナ放射素子１２０と金属反射板１１０との間の距離（以下、「距離ｓ」という。）は、アンテナ装置１で送受信する電磁波の波長λの整数分の一に設定される。例えば、波長がλ１（周波数帯域がｆ１）の電磁波を受信する場合、距離ｓはλ１／ｎ（ｎは整数）に設定される。図１１（ａ）には、アンテナ放射素子１２０から放射される電磁波の周波数帯域がｆ１のときの水平放射パターンが示されている。   The distance between the antenna radiating element 120 and the metal reflector 110 (hereinafter referred to as “distance s”) is set to an integral fraction of the wavelength λ of the electromagnetic wave transmitted and received by the antenna device 1. For example, when receiving an electromagnetic wave having a wavelength of λ1 (frequency band is f1), the distance s is set to λ1 / n (n is an integer). FIG. 11A shows a horizontal radiation pattern when the frequency band of the electromagnetic wave radiated from the antenna radiating element 120 is f1.

長 敬三、山口 良、蒋 恵玲、次世代移動通信システム実現に向けた基地局・端末アンテナ技術、信学論B、vol.J91-B、no.9、pp.886-900、2008年9月Keizo Naga, Ryo Yamaguchi, Keigo Tsuji, Base Station / Terminal Antenna Technology for Realization of Next Generation Mobile Communication Systems, Science B, vol.J91-B, no.9, pp.886-900, September 2008

しかしながら、周波数帯域がｆ２（ｆ２＝２×ｆ１）の電磁波を受信する場合、距離ｓは、λ１／（２×ｎ）に設定される必要がある。よって、距離ｓがλ１／ｎに設定されたアンテナ装置１００が周波数帯域ｆ２の電磁波を送信する場合、周波数帯域ｆ２の電磁波は左右に割れてしまう（図１１（ｂ））。その結果、アンテナ装置１００は、複数の周波数帯域の電磁波を略同一方向に放射することができないおそれがある。   However, when receiving an electromagnetic wave having a frequency band of f2 (f2 = 2 × f1), the distance s needs to be set to λ1 / (2 × n). Therefore, when the antenna device 100 in which the distance s is set to λ1 / n transmits an electromagnetic wave in the frequency band f2, the electromagnetic wave in the frequency band f2 is broken left and right (FIG. 11B). As a result, the antenna device 100 may not be able to radiate electromagnetic waves in a plurality of frequency bands in substantially the same direction.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の周波数帯域の電磁波を共用できるアンテナ装置であって、複数の周波数帯域の電磁波を略同一方向に放射することができるアンテナ装置を提供することである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is an antenna device that can share electromagnetic waves in a plurality of frequency bands, and can radiate electromagnetic waves in a plurality of frequency bands in substantially the same direction. It is providing the antenna apparatus which can be performed.

本発明の一態様は、複数の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子と、前記複数の周波数帯域における第１の周波数帯域の電磁波を反射する反射板と、前記反射板の板面と平行に配置されたメタマテリアルと、を備え、前記メタマテリアルが前記反射板の板面に対して垂直方向にレンズ特性を有するアンテナ装置である。   One embodiment of the present invention includes an antenna radiating element that radiates electromagnetic waves in a plurality of frequency bands, a reflecting plate that reflects electromagnetic waves in a first frequency band in the plurality of frequency bands, and parallel to a plate surface of the reflecting plate. A metamaterial disposed in the antenna device, wherein the metamaterial has lens characteristics in a direction perpendicular to a plate surface of the reflector.

本発明の一態様は、上述したアンテナ装置であって、前記メタマテリアルは複数設けられ、前記メタマテリアルのそれぞれが異なる周波数帯域にレンズ特性を有する。   One embodiment of the present invention is the antenna device described above, in which a plurality of the metamaterials are provided, and each of the metamaterials has lens characteristics in different frequency bands.

本発明の一態様は、上述したアンテナ装置であって、前記反射板と前記アンテナ放射素子との間に、前記複数の周波数帯域且つ前記第１の周波数帯域とは異なる周波数帯域を反射するメタマテリアル反射板が前記アンテナ放射素子と対向して配置される。   One aspect of the present invention is the above-described antenna device, wherein the metamaterial reflects a plurality of frequency bands and a frequency band different from the first frequency band between the reflector and the antenna radiating element. A reflector is disposed to face the antenna radiating element.

以上説明したように、本発明によれば、複数の周波数帯域の電磁波を共用できるアンテナ装置であって、複数の周波数帯域の電磁波を略同一方向に放射することができるアンテナ装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide an antenna device that can share electromagnetic waves in a plurality of frequency bands, and can radiate electromagnetic waves in a plurality of frequency bands in substantially the same direction. it can.

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の構成例の斜視図である。It is a perspective view of the example of composition of antenna device 1 concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の構成例の側面図である。It is a side view of the example of composition of antenna device 1 concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１のメタマテリアル４に入射した電磁波の屈折方向を示した図である。It is the figure which showed the refraction | bending direction of the electromagnetic wave which injected into the metamaterial 4 of the antenna device 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の実施例の構成の斜視図である。It is a perspective view of a structure of the Example of the antenna apparatus 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の実施例の構成の側面図である。It is a side view of the structure of the Example of the antenna apparatus 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態の実施例に係るメタマテリアル４の寸法を示す図である。It is a figure which shows the dimension of the metamaterial 4 which concerns on the Example of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の実施例の水平放射パターンを示す図である。It is a figure which shows the horizontal radiation pattern of the Example of the antenna apparatus 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係るメタマテリアル４の周期構造が無限周期である場合と有限周期である場合とでの周波数帯域における透過電力を示す図であるIt is a figure which shows the transmitted electric power in the frequency band in the case where the periodic structure of the metamaterial 4 which concerns on the 1st Embodiment of this invention is an infinite period, and the case where it is a finite period. 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置１Ａの構成の斜視図である。It is a perspective view of the structure of 1 A of antenna apparatuses which concern on the 2nd Embodiment of this invention. 従来のアンテナ装置１００の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional antenna apparatus 100. FIG. 従来のアンテナ装置１００の水平面の放射パターンを示す図である。It is a figure which shows the radiation pattern of the horizontal surface of the conventional antenna apparatus 100. FIG.

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の構成例の斜視図である。この図１において、符号１はアンテナ装置を示す。なお以降の説明に用いる各図面には、それぞれの図に図示した空間において互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向を規定して説明する。 <First Embodiment>
Hereinafter, an antenna device 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view of a configuration example of an antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an antenna device. In the drawings used in the following description, the directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other in the space illustrated in each figure are defined and described.

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１は、金属反射板２、アンテナ放射素子３、メタマテリアル４とを備えている。
金属反射板２は、板面が導体からなる板である。したがって、金属反射板２は、あらゆる周波数帯域の電磁波を反射し、所定の周波数帯域ｆ３（第１の周波数帯域）に属する電磁波のみを透過する特性は有さない。なお、金属反射板２は、後述するように、アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、例えば最も低い周波数帯域（ｆ３＝８００ＭＨｚ）の電磁波のみを反射するように構成されている。 As shown in FIG. 1, the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention includes a metal reflector 2, an antenna radiating element 3, and a metamaterial 4.
The metal reflecting plate 2 is a plate whose plate surface is made of a conductor. Therefore, the metal reflector 2 does not have a characteristic of reflecting electromagnetic waves in all frequency bands and transmitting only electromagnetic waves belonging to the predetermined frequency band f3 (first frequency band). As will be described later, the metal reflector 2 is configured to reflect only the electromagnetic wave in the lowest frequency band (f3 = 800 MHz), for example, among the electromagnetic waves radiated from the antenna radiating element 3.

アンテナ放射素子３は、アンテナ装置１の電磁波の放射方向（以下、「放射方向」という。）である＋Ｘ方向に離間距離ｓをもって金属反射板２と対向するように配置されている。
アンテナ放射素子３は、複数の周波数帯域の電磁波を大気中に放射する機能部である。アンテナ放射素子３には、図示しない高周波電源が接続されており、当該高周波電源から入力する複数の周波数帯域の高周波信号を大気中へ放射する。なおアンテナ放射素子３は、大気中を伝搬する複数の周波数帯域の電磁波信号を吸収して受信する受信素子として機能してもよい。 The antenna radiating element 3 is disposed so as to face the metal reflector 2 with a separation distance s in the + X direction, which is the radiating direction of electromagnetic waves of the antenna device 1 (hereinafter referred to as “radiating direction”).
The antenna radiating element 3 is a functional unit that radiates electromagnetic waves in a plurality of frequency bands to the atmosphere. The antenna radiating element 3 is connected to a high-frequency power source (not shown), and radiates high-frequency signals in a plurality of frequency bands input from the high-frequency power source to the atmosphere. The antenna radiating element 3 may function as a receiving element that absorbs and receives electromagnetic wave signals in a plurality of frequency bands propagating in the atmosphere.

また、アンテナ放射素子３から放射される複数の周波数帯域の電磁波が、その周波数帯域に応じて金属反射板２による反射の影響を受けることで、アンテナ装置１は所望する指向性を得る仕組みとなっている。アンテナ放射素子３と金属反射板２との離間距離ｓは、アンテナ装置１で送受信する電磁波の周波数帯域に応じて、所望する指向性が得られるように選択する。具体的には、アンテナ装置１で送受信する電磁波の波長λの整数分の一（例えばλ／４）などと設定するのが好ましい。   In addition, the electromagnetic wave of a plurality of frequency bands radiated from the antenna radiating element 3 is affected by reflection by the metal reflector 2 according to the frequency band, so that the antenna device 1 obtains a desired directivity. ing. The separation distance s between the antenna radiating element 3 and the metal reflector 2 is selected so as to obtain a desired directivity according to the frequency band of the electromagnetic wave transmitted and received by the antenna device 1. Specifically, it is preferably set to be an integral fraction of the wavelength λ of the electromagnetic wave transmitted and received by the antenna device 1 (for example, λ / 4).

メタマテリアル４は、電磁波の放射方向に離間距離Ｄをもってアンテナ放射素子３と対向するように配置されている。
メタマテリアル４は、放射方向、つまり反射板の板面に対して垂直方向にレンズ特性を持ち、人工的な周期構造を有する。メタマテリアル４は、誘電率ε及び透磁率μが共に負の値を有している。メタマテリアル４は、特定の周波数帯域ｆ４において屈折率が負となり、パーフェクトレンズとなる。 The metamaterial 4 is disposed so as to face the antenna radiation element 3 with a separation distance D in the electromagnetic wave radiation direction.
The metamaterial 4 has lens characteristics in the radiation direction, that is, in the direction perpendicular to the plate surface of the reflector, and has an artificial periodic structure. The metamaterial 4 has negative values for both the dielectric constant ε and the magnetic permeability μ. The metamaterial 4 has a negative refractive index in a specific frequency band f4 and becomes a perfect lens.

図２は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の構成例の側面図である。図１、図２に示すように、金属反射板２及びメタマテリアル４は、アンテナ放射素子３と、それぞれ一定の離間距離をもち、かつアンテナ放射素子３を挟むようにして対向配置される。金属反射板２は、アンテナ放射素子３から離間距離ｓだけ−Ｘ方向に離間された位置に配置されている。一方、メタマテリアル４は、アンテナ放射素子３から離間距離Ｄだけ＋Ｘ方向に離間された位置に配置されている。   FIG. 2 is a side view of a configuration example of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the metal reflector 2 and the metamaterial 4 are arranged to face the antenna radiating element 3 so as to have a certain separation distance and sandwich the antenna radiating element 3. The metal reflector 2 is disposed at a position separated from the antenna radiating element 3 by a separation distance s in the −X direction. On the other hand, the metamaterial 4 is disposed at a position separated from the antenna radiating element 3 in the + X direction by a separation distance D.

また、金属反射板２及びメタマテリアル４は、いずれもその板面が互いに平行になるように配置されている。つまり、金属反射板２及びメタマテリアル４は、アンテナ放射素子３から所定距離だけ離間されながら、それぞれの板面が平行となる。また、金属反射板２及びメタマテリアル４は、各板面の法線の向きが平行となり、かつアンテナ放射素子３を挟むようにして対向配置される。   In addition, the metal reflector 2 and the metamaterial 4 are both arranged so that their plate surfaces are parallel to each other. That is, the metal reflecting plate 2 and the metamaterial 4 are parallel to each other while being separated from the antenna radiating element 3 by a predetermined distance. Further, the metal reflector 2 and the metamaterial 4 are disposed to face each other so that the normal directions of the respective plate surfaces are parallel to each other and the antenna radiating element 3 is sandwiched therebetween.

次の本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の動作について説明する。
アンテナ放射素子３は、周波数帯域がｆ３とｆ４（ｆ４＞ｆ３）の電磁波を放射する。
金属反射板２には、アンテナ放射素子３が放射する周波数帯域ｆ３と周波数帯域ｆ４との各々の電磁波を放射する。金属反射板２は、アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域ｆ３の電磁波のみを放射方向である＋Ｘ方向に反射する。 Next, the operation of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described.
The antenna radiating element 3 radiates electromagnetic waves having frequency bands of f3 and f4 (f4> f3).
The metal reflector 2 radiates electromagnetic waves in the frequency band f3 and the frequency band f4 radiated by the antenna radiating element 3. The metal reflector 2 reflects only the electromagnetic wave in the frequency band f3 among the electromagnetic waves radiated by the antenna radiating element 3 in the + X direction that is the radiation direction.

図３は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１のメタマテリアル４に入射した電磁波の屈折方向を示した図である。図３（ａ）は、メタマテリアル４に入射した周波数帯域ｆ３の電磁波の屈折方向を示す。図３（ｂ）は、メタマテリアル４に入射した周波数帯域ｆ４の電磁波の屈折方向を示す。
メタマテリアル４は、アンテナ放射素子３が放射する周波数帯域ｆ３と周波数帯域ｆ４との電磁波が放射される。
アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域ｆ４以外の電磁波がメタマテリアル４に入射する場合、メタマテリアル４の屈折率は正となる。このため、周波数帯域ｆ３の電磁波は、図３（ａ）に示す行路を通り、界面４２から放射される。 FIG. 3 is a diagram illustrating the refraction direction of the electromagnetic wave incident on the metamaterial 4 of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3A shows the refraction direction of the electromagnetic wave in the frequency band f <b> 3 incident on the metamaterial 4. FIG. 3B shows the refraction direction of the electromagnetic wave in the frequency band f4 incident on the metamaterial 4.
The metamaterial 4 radiates electromagnetic waves in the frequency band f3 and the frequency band f4 radiated by the antenna radiating element 3.
When electromagnetic waves other than the frequency band f4 enter the metamaterial 4 among the electromagnetic waves radiated from the antenna radiation element 3, the refractive index of the metamaterial 4 becomes positive. For this reason, the electromagnetic wave of the frequency band f3 is radiated | emitted from the interface 42 through the path shown to Fig.3 (a).

アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域ｆ４の電磁波がメタマテリアル４に入射する場合、メタマテリアル４の屈折率は負となる。このため、周波数帯域ｆ３の電磁波は、図３（ｂ）に示すとおり、界面４１で電磁波の進行方向が屈折する。屈折した電磁波は、焦点４３を通り、再び界面４２でくの字型に折れ曲がる。周波数帯域ｆ４の電磁波は、界面４２で屈折し、焦点４４に向かいながら放射方向である＋Ｘ方向にむかう。   Of the electromagnetic waves radiated from the antenna radiating element 3, when an electromagnetic wave in the frequency band f4 is incident on the metamaterial 4, the refractive index of the metamaterial 4 is negative. For this reason, the traveling direction of the electromagnetic wave in the frequency band f3 is refracted at the interface 41 as shown in FIG. The refracted electromagnetic wave passes through the focal point 43 and bends again in a dogleg shape at the interface 42. The electromagnetic wave in the frequency band f4 is refracted at the interface 42 and travels toward the + X direction, which is the radiation direction, toward the focal point 44.

上述したように、本実施形態によれば、複数の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子３と金属反射板２からなるアンテナ装置１に、金属反射板２が反射する電磁波の周波数帯域ｆ３以外の特定の周波数帯域ｆ４において屈折率が負となるメタマテリアル４を放射方向に配置する。これにより、メタマテリアル４は、上記特定の周波数帯域ｆ４の電磁波を放射方向である＋Ｘ方向に集めることが可能となる。よって、アンテナ放射素子３が放射する周波数帯域ｆ４とｆ３との電磁波を略同一方向に放射することができる。   As described above, according to the present embodiment, the antenna device 1 including the antenna radiating element 3 that radiates electromagnetic waves in a plurality of frequency bands and the metal reflector 2 is applied to the antenna device 1 other than the frequency band f3 of the electromagnetic waves reflected by the metal reflector 2. The metamaterial 4 having a negative refractive index in the specific frequency band f4 is arranged in the radial direction. Thereby, the metamaterial 4 can collect the electromagnetic waves of the specific frequency band f4 in the + X direction that is the radiation direction. Therefore, electromagnetic waves in the frequency bands f4 and f3 radiated by the antenna radiating element 3 can be radiated in substantially the same direction.

なお、上述の本実施形態では、アンテナ放射素子３の＋Ｘ方向にメタマテリアル４を１つ配置したが、本実施形態は、これに限られるものではない。例えば、メタマテリアル４とは別の周波数帯域にレンズ特性を持つメタマテリアルを多段構成、つまりメタマテリアル４とアンテナ放射素子３との間に追加設置することで、アンテナ装置１の共用周波数帯域を増やすことが可能でき、すべての周波数帯域の電磁波をアンテナ装置１の放射方向にすることができる。   In the present embodiment described above, one metamaterial 4 is arranged in the + X direction of the antenna radiating element 3, but the present embodiment is not limited to this. For example, by adding a metamaterial having lens characteristics in a frequency band different from that of the metamaterial 4 in a multistage configuration, that is, between the metamaterial 4 and the antenna radiating element 3, the shared frequency band of the antenna device 1 is increased. The electromagnetic wave of all frequency bands can be made the radiation direction of the antenna device 1.

＜実施例＞
以下に、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の具体例を実施例として示す。
図４は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の実施例の構成の斜視図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の実施例の構成の側面図である。
金属反射板２は、周波数帯域が８００ＭＨｚ（ｆ３＝８００ＭＨｚ）の電磁波を反射する。金属反射板２は、アンテナ放射素子３から離間距離ｓとして９３．８ｍｍだけ−Ｘ方向に離間された位置に配置されている。なお、離間距離ｓは、周波数帯域８００ＭＨｚの電磁波の波長の１／４である。
アンテナ放射素子３は、８００ＭＨｚと１．６ＧＨｚとを共用するアンテナ素子である。 <Example>
Hereinafter, specific examples of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention will be shown as examples.
FIG. 4 is a perspective view of the configuration of an example of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a side view of the configuration of an example of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention.
The metal reflector 2 reflects electromagnetic waves having a frequency band of 800 MHz (f3 = 800 MHz). The metal reflector 2 is disposed at a position separated from the antenna radiating element 3 in the −X direction by a distance of s of 93.8 mm. The separation distance s is ¼ of the wavelength of the electromagnetic wave in the frequency band 800 MHz.
The antenna radiating element 3 is an antenna element sharing both 800 MHz and 1.6 GHz.

メタマテリアル４は、電磁波の周波数帯域が１．６ＧＨｚ（ｆ４＝１．６ＧＨｚ）において、屈折率が負となり、パーフェクトレンズとなる。メタマテリアル４は、アンテナ放射素子３から離間距離Ｄとして３３．８ｍｍだけ＋Ｘ方向に離間された位置に配置されている。   The metamaterial 4 has a negative refractive index when the frequency band of electromagnetic waves is 1.6 GHz (f4 = 1.6 GHz), and is a perfect lens. The metamaterial 4 is disposed at a position separated from the antenna radiating element 3 by 33.8 mm as the separation distance D in the + X direction.

図６は、本発明の第１の実施形態の実施例に係るメタマテリアル４の寸法を示す図である。
メタマテリアル４は、誘電体材料からなる柱（線材）を、アンテナ装置１００で送受信する電磁波の波長より充分に短い距離で等間隔に格子状に組み合わせた、周期配列構造をなす基板である。
より具体的には、メタマテリアル４は、格子状に形成された誘電体材料からなる反射層Ａと反射層Ｂが、２層並べられて配置されている。また、反射層Ａ、反射層Ｂは、周期配列される複数の角柱がＹ軸方向、Ｚ軸方向に延在しながら互いに直交することで格子状に形成されている。また、その格子をなす各角柱の配列周期の間隔は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向ともに等しい間隔幅（幅ａ）となっている。よって、反射層Ａ、Ｂは、ともに、正方形の空隙が縦横に配列された正方格子状に形成されている。 FIG. 6 is a diagram showing dimensions of the metamaterial 4 according to the example of the first embodiment of the present invention.
The metamaterial 4 is a substrate having a periodic arrangement structure in which pillars (wires) made of a dielectric material are combined in a lattice shape at equal intervals at a distance sufficiently shorter than the wavelength of electromagnetic waves transmitted and received by the antenna device 100.
More specifically, in the metamaterial 4, two reflective layers A and B made of a dielectric material formed in a lattice shape are arranged side by side. In addition, the reflective layer A and the reflective layer B are formed in a lattice shape in which a plurality of periodically arranged prisms are orthogonal to each other while extending in the Y-axis direction and the Z-axis direction. In addition, the intervals of the arrangement periods of the prisms forming the lattice are the same interval width (width a) in both the Y-axis direction and the Z-axis direction. Therefore, both of the reflective layers A and B are formed in a square lattice shape in which square voids are arranged vertically and horizontally.

メタマテリアル４の角柱は、Ｘ軸方向の太さがＷ１である。また、メタマテリアル４の角柱は、Ｙ軸及びＺ軸方向の太さがＷ２である。つまり、メタマテリアル４は、Ｗ１×Ｗ２の底面を持つ角柱が格子状に形成されている。
なお、本発明の第１の実施形態に係るメタマテリアル４の寸法として、厚さｗ１と厚さｗ２が５．４ｍｍ、幅ａが２１．５ｍｍである。 The prism in the metamaterial 4 has a thickness W1 in the X-axis direction. Further, the prism of the metamaterial 4 has a thickness W2 in the Y-axis and Z-axis directions. That is, in the metamaterial 4, prisms having a bottom surface of W1 × W2 are formed in a lattice shape.
In addition, as a dimension of the metamaterial 4 which concerns on the 1st Embodiment of this invention, thickness w1 and thickness w2 are 5.4 mm, and the width | variety a is 21.5 mm.

このように、メタマテリアル４は、反射層Ａ、反射層Ｂは、反射層Ａの格子をなす角柱の配列周期（幅ａ）と、反射層Ｂの反射層の格子をなす角柱の配列周期（幅ａ）とが、縦横（Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）それぞれにおいて半周期（ａ／２）ずれるように配置されている。   As described above, the metamaterial 4 includes the reflection layer A and the reflection layer B, the arrangement period (width a) of the prisms forming the lattice of the reflection layer A, and the arrangement period of the prisms forming the lattice of the reflection layer of the reflection layer B ( Width a) is arranged so as to be shifted by a half cycle (a / 2) in each of the vertical and horizontal directions (Y-axis direction and Z-axis direction).

図７は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の実施例の水平放射パターンを示す図である。図７（ａ）に、放射する電磁波の周波数帯域が８００ＭＨｚ帯であるアンテナ装置１の水平放射パターンを示す。図７（ｂ）に、放射する電磁波の周波数帯域が１．６ＧＨｚ帯であるアンテナ装置１の水平放射パターンを示す。   FIG. 7 is a diagram showing a horizontal radiation pattern of an example of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7A shows a horizontal radiation pattern of the antenna device 1 in which the frequency band of the radiated electromagnetic wave is the 800 MHz band. FIG. 7B shows a horizontal radiation pattern of the antenna device 1 in which the frequency band of the radiated electromagnetic wave is 1.6 GHz.

ここで、図７に示す水平放射パターンの水平面は、ＸＹ平面であり、本発明の実施例に係るアンテナ装置が配された位置を中心として、その水平面（ＸＹ平面）に沿った全方位についての電磁波の放射強度を図示したものである。
図７に示すように、本発明の実施例に係るアンテナ装置１は、８００ＭＨｚ帯と１．６ＧＨｚ帯との２つの周波数帯域の電磁波を放射方向（＋Ｘ方向）に放射していることがわかる。 Here, the horizontal plane of the horizontal radiation pattern shown in FIG. 7 is the XY plane, and the azimuth along the horizontal plane (XY plane) is centered on the position where the antenna device according to the embodiment of the present invention is arranged. The radiation intensity of electromagnetic waves is illustrated.
As shown in FIG. 7, it can be seen that the antenna device 1 according to the embodiment of the present invention radiates electromagnetic waves in two frequency bands, 800 MHz band and 1.6 GHz band, in the radiation direction (+ X direction).

図８は、本発明の第１の実施形態に係るメタマテリアル４の周期構造が無限周期である場合と有限周期である場合とでの周波数帯域における透過電力を示す図である。なお、図８に示すグラフは、所定の電磁界シミュレータによりシミュレーション結果である。図８の示す破線は、メタマテリアル４の周期構造が有限周期、例えば図５で示した寸法である場合の透過電力を示す。また、図８の示す実線は、メタマテリアル４の周期構造が無限周期である場合の透過電力を示す。なお、横軸が周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸が透過電力（ｄＢ）を示す。透過電力は、メタマテリアル４を透過する電力である。なお、ホーンアンテナ対を対向させ、メタマテリアル４を設置しない、つまりホーンアンテナのみのときの電力を０ｄＢとする。
図８に示すうように、メタマテリアル４の周期構造が有限周期の場合、メタマテリアル４の透過電力は、１．５ＧＨｚから１．６ＧＨｚにおいて０ｄＢを超えているため、１．５ＧＨｚから１．６ＧＨｚの電磁波がメタマテリアル４を透過すると、その周波数帯域の電磁波の電力が増幅することがわかる。 FIG. 8 is a diagram showing transmitted power in the frequency band when the periodic structure of the metamaterial 4 according to the first embodiment of the present invention is an infinite period and when it is a finite period. In addition, the graph shown in FIG. 8 is a simulation result by a predetermined electromagnetic field simulator. The broken line shown in FIG. 8 indicates the transmitted power when the periodic structure of the metamaterial 4 has a finite period, for example, the dimensions shown in FIG. Moreover, the continuous line shown in FIG. 8 shows the transmitted power when the periodic structure of the metamaterial 4 has an infinite period. In addition, a horizontal axis shows a frequency (GHz) and a vertical axis | shaft shows transmitted electric power (dB). The transmitted power is power that passes through the metamaterial 4. Note that the power when the horn antenna pair is opposed and the metamaterial 4 is not installed, that is, only the horn antenna is 0 dB.
As shown in FIG. 8, when the periodic structure of the metamaterial 4 is a finite period, the transmitted power of the metamaterial 4 exceeds 0 dB at 1.5 GHz to 1.6 GHz, and thus 1.5 GHz to 1.6 GHz. When the electromagnetic wave passes through the metamaterial 4, it can be seen that the power of the electromagnetic wave in that frequency band is amplified.

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置１Ａについて説明する。
図９、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置１Ａの構成の斜視図である。図９に示すように、金属反射板２とアンテナ放射素子３Ａの間に、特定の周波数帯域を反射するメタマテリアル反射板１０及びメタマテリアル反射板２０を配置している。なお、第１の実施形態と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。 <Second Embodiment>
Next, an antenna device 1A according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a perspective view of the configuration of an antenna device 1A according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, a metamaterial reflector 10 and a metamaterial reflector 20 that reflect a specific frequency band are arranged between the metal reflector 2 and the antenna radiating element 3A. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図９に示すように、メタマテリアル反射板１０、２０及び金属反射板２は、アンテナ放射素子３Ａと、それぞれ一定の離間距離をもって、アンテナ放射素子３Ａに対して−Ｘ方向に設置されている。また、メタマテリアル反射板１０、２０及び金属反射板２は、いずれもその板面が互いに平行になるように配置されている。   As shown in FIG. 9, the metamaterial reflectors 10 and 20 and the metal reflector 2 are installed in the −X direction with respect to the antenna radiating element 3 </ b> A with a certain distance from the antenna radiating element 3 </ b> A. Further, the metamaterial reflectors 10 and 20 and the metal reflector 2 are all arranged so that their plate surfaces are parallel to each other.

アンテナ放射素子３Ａは、例えば、ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６の４つの異なる周波数帯域からなる電磁波を大気中へ放射する。   The antenna radiating element 3A radiates, for example, electromagnetic waves having four different frequency bands f3, f4, f5, and f6 to the atmosphere.

メタマテリアル反射板１０及びメタマテリアル反射板２０は、電磁波を送受信する方向（＋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。
メタマテリアル反射板１０は、アンテナ放射素子３Ａが放射する電磁波のうち、互いに異なる一の周波数帯域の電磁波のみを反射し、それ以外の周波数帯域の電磁波を透過する。例えば、メタマテリアル反射板１０は、アンテナ放射素子３Ａが放射する電磁波（ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６）のうち、ｆ５の電磁波のみを反射し、それ以外のｆ３、ｆ４、ｆ６の電磁波を透過する。 The metamaterial reflector 10 and the metamaterial reflector 20 are provided in parallel to a plane (YZ plane) perpendicular to the direction (+ X axis direction) in which electromagnetic waves are transmitted and received.
The metamaterial reflector 10 reflects only electromagnetic waves in one different frequency band among the electromagnetic waves radiated by the antenna radiating element 3A, and transmits electromagnetic waves in other frequency bands. For example, the metamaterial reflector 10 reflects only the f5 electromagnetic wave among the electromagnetic waves (f3, f4, f5, f6) radiated by the antenna radiating element 3A, and transmits the other f3, f4, f6 electromagnetic waves. .

メタマテリアル反射板２０は、アンテナ放射素子３Ａが放射する電磁波のうち、互いに異なる一の周波数帯域の電磁波のみを反射し、それ以外の周波数帯域の電磁波を透過する。例えば、メタマテリアル反射板１０は、アンテナ放射素子３Ａが放射する電磁波（ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６）のうち、ｆ６の電磁波のみを反射し、それ以外のｆ３、ｆ４、ｆ５の電磁波を透過する。   The metamaterial reflector 20 reflects only electromagnetic waves in one different frequency band among the electromagnetic waves radiated by the antenna radiating element 3A, and transmits electromagnetic waves in other frequency bands. For example, the metamaterial reflector 10 reflects only the f6 electromagnetic wave among the electromagnetic waves (f3, f4, f5, f6) emitted by the antenna radiating element 3A, and transmits the other f3, f4, f5 electromagnetic waves. .

次に本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置１Ａの動作について説明する。
アンテナ放射素子３Ａは、ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６の４つの異なる周波数帯域からなる電磁波を大気中へ放射する。
メタマテリアル反射板１０は、アンテナ放射素子３が放射する全ての周波数帯域（ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６）を含む電磁波が放射される。メタマテリアル反射板１０は、アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域がｆ５の電磁波のみを放射方向である＋Ｘ方向に反射する。 Next, the operation of the antenna device 1A according to the second embodiment of the present invention will be described.
The antenna radiating element 3A radiates electromagnetic waves composed of four different frequency bands f3, f4, f5, and f6 into the atmosphere.
The metamaterial reflector 10 emits electromagnetic waves including all frequency bands (f3, f4, f5, f6) radiated by the antenna radiating element 3. The metamaterial reflector 10 reflects only the electromagnetic wave having the frequency band f5 among the electromagnetic waves radiated by the antenna radiating element 3 in the + X direction that is the radiation direction.

メタマテリアル反射板２０は、アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、メタマテリアル反射板１０が反射するｆ５の電磁波が放射されず、アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、メタマテリアル反射板１０が透過するｆ３、ｆ４、ｆ６の電磁波のみが放射される。メタマテリアル反射板２０は、アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域がｆ６の電磁波のみを放射方向である＋Ｘ方向に反射する。   The metamaterial reflector 20 does not emit the f5 electromagnetic wave reflected by the metamaterial reflector 10 among the electromagnetic waves emitted by the antenna radiating element 3, and the metamaterial reflector 10 among the electromagnetic waves radiated by the antenna radiating element 3. Only the electromagnetic waves of f3, f4, and f6 that pass through are emitted. The metamaterial reflector 20 reflects only the electromagnetic wave having the frequency band f6 among the electromagnetic waves radiated by the antenna radiating element 3 in the + X direction that is the radiation direction.

金属反射板２は、メタマテリアル反射板１０、２０が反射する周波数帯域がｆ５及びｆ６の電磁波が放射されず、メタマテリアル反射板１０、２０がともに透過する周波数帯域がｆ３、ｆ４の電磁波のみが放射されることとなる。したがって、金属反射板２は、アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域がｆ３の電磁波のみを反射する反射板として機能する。   The metal reflector 2 does not radiate the electromagnetic waves having the frequency bands f5 and f6 reflected by the metamaterial reflectors 10 and 20, but only the electromagnetic waves having the frequency bands f3 and f4 that both the metamaterial reflectors 10 and 20 transmit. Will be emitted. Therefore, the metal reflector 2 functions as a reflector that reflects only the electromagnetic wave having the frequency band f3 among the electromagnetic waves radiated by the antenna radiating element 3.

メタマテリアル４は、アンテナ放射素子３が放射する全ての周波数帯域（ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６）を含む電磁波が放射される。
アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域ｆ４以外の電磁波がメタマテリアル４に入射する場合、メタマテリアル４の屈折率は正となる。このため、周波数帯域がｆ３、ｆ５、ｆ６の電磁波は、上述したように、図３（ａ）に示す行路を通り、界面４２から放射される。 The metamaterial 4 radiates electromagnetic waves including all frequency bands (f3, f4, f5, f6) radiated by the antenna radiating element 3.
When electromagnetic waves other than the frequency band f4 enter the metamaterial 4 among the electromagnetic waves radiated from the antenna radiation element 3, the refractive index of the metamaterial 4 becomes positive. For this reason, the electromagnetic waves having the frequency bands of f3, f5, and f6 are radiated from the interface 42 through the path shown in FIG.

アンテナ放射素子３が放射する電磁波のうち、周波数帯域ｆ４の電磁波がメタマテリアル４に入射する場合、メタマテリアル４の屈折率は負となる。このため、周波数帯域ｆ３の電磁波は、図３（ｂ）に示すとおり、界面４１で電磁波の進行方向が、くの字型に折れ曲がる。折れ曲がった電磁波は、焦点４３を通り、再び界面４２でくの字型に折れ曲がる。界面４２から折れ曲がった周波数帯域ｆ４の電磁波は、焦点４４に向かいながら放射方向である＋Ｘ方向にむかう。   Of the electromagnetic waves radiated from the antenna radiating element 3, when an electromagnetic wave in the frequency band f4 is incident on the metamaterial 4, the refractive index of the metamaterial 4 is negative. For this reason, as shown in FIG. 3B, the traveling direction of the electromagnetic wave in the frequency band f3 is bent in a dogleg shape at the interface 41. The bent electromagnetic wave passes through the focal point 43 and again bends into a square shape at the interface 42. The electromagnetic wave in the frequency band f4 bent from the interface 42 is directed to the + X direction, which is the radiation direction, while facing the focal point 44.

上述したように、本実施形態によれば、複数の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子３と金属反射板２からなるアンテナ装置１に、金属反射板２が反射する電磁波の周波数帯域ｆ３以外の特定の周波数帯域ｆ４において屈折率が負となるメタマテリアル４を放射方向に配置する。また、金属反射板２とアンテナ放射素子３の間に、周波数帯域ｆ３とｆ４以外の特定の周波数帯域を反射するメタマテリアルを配置する。これにより、第１の実施形態よりもアンテナ装置の共用周波数帯域を増やし、すべての周波数帯域の電磁波を略同一方向に放射することができる。   As described above, according to the present embodiment, the antenna device 1 including the antenna radiating element 3 that radiates electromagnetic waves in a plurality of frequency bands and the metal reflector 2 is applied to the antenna device 1 other than the frequency band f3 of the electromagnetic waves reflected by the metal reflector 2. The metamaterial 4 having a negative refractive index in the specific frequency band f4 is arranged in the radial direction. Further, a metamaterial that reflects a specific frequency band other than the frequency bands f3 and f4 is disposed between the metal reflector 2 and the antenna radiating element 3. Thereby, the shared frequency band of the antenna device can be increased as compared with the first embodiment, and electromagnetic waves in all frequency bands can be radiated in substantially the same direction.

なお、上述の本実施形態では、アンテナ放射素子３の＋Ｘ方向にメタマテリアル４を１つ配置したが、本実施形態は、これに限られるものではない。例えば、メタマテリアル４、１０、２０とは別の周波数帯域にレンズ特性を持つメタマテリアルを多段構成、つまりメタマテリアル４とアンテナ放射素子３との間に追加設置することで、アンテナ装置１Ａの共用周波数帯域をさらに増やすことができ、すべての周波数帯域の電磁波を略同一方向に放射することができる。   In the present embodiment described above, one metamaterial 4 is arranged in the + X direction of the antenna radiating element 3, but the present embodiment is not limited to this. For example, it is possible to share the antenna device 1A by adding a metamaterial having lens characteristics in a frequency band different from that of the metamaterials 4, 10, and 20 in a multistage configuration, that is, between the metamaterial 4 and the antenna radiation element 3. The frequency band can be further increased, and electromagnetic waves in all frequency bands can be radiated in substantially the same direction.

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like that do not depart from the gist of the present invention.

本実施形態に係るアンテナ装置１、１Ａのアンテナ放射素子３、３Ａは、±Ｚ軸に沿って延在したダイポールアンテナとして図示しているが、他の実施形態に係るアンテナ装置１、１Ａによっては、このような態様に限定されない。例えば、アンテナ放射素子３、３Ａは、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、またはホーンアンテナ等であってもよい。   Although the antenna radiating elements 3 and 3A of the antenna devices 1 and 1A according to the present embodiment are illustrated as dipole antennas extending along the ± Z axis, depending on the antenna devices 1 and 1A according to other embodiments, However, the present invention is not limited to such an embodiment. For example, the antenna radiating elements 3 and 3A may be a monopole antenna, a patch antenna, a horn antenna, or the like.

本実施形態に係るアンテナ装置１、１Ａのアンテナ放射素子３、３Ａは、複数の周波数帯域毎に電磁波を放射する周波数帯域共用アンテナ放射素子であるが、他の実施形態に係るアンテナ装置１、１Ａによっては、このような態様に限定されない。例えば、アンテナ放射素子３、３Ａは、複数の周波数帯域を有する広帯域の周波数帯域の電磁波を放射する広帯域アンテナ放射素子であってもよい。   The antenna radiating elements 3 and 3A of the antenna devices 1 and 1A according to the present embodiment are frequency band shared antenna radiating elements that radiate electromagnetic waves for each of a plurality of frequency bands, but the antenna devices 1 and 1A according to other embodiments. However, the present invention is not limited to such an embodiment. For example, the antenna radiating elements 3 and 3A may be broadband antenna radiating elements that radiate electromagnetic waves in a wide frequency band having a plurality of frequency bands.

１、１Ａ、１００ アンテナ装置
２、１１０ 金属反射板
３、３Ａ、１２０ アンテナ放射素子
４ メタマテリアル
１０、２０ メタマテリアル反射板 1, 1A, 100 Antenna device 2, 110 Metal reflector 3, 3A, 120 Antenna radiating element 4 Metamaterial 10, 20 Metamaterial reflector

Claims (2)

互いに異なる第１、第２、第３の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子と、
前記第１の周波数帯域の電磁波を反射する反射板と、
前記アンテナ放射素子と前記反射板との間に前記反射板の板面と平行に配置され、前記第２の周波数帯域の電磁波を反射するメタマテリアル反射板と、
前記アンテナ放射素子を挟んで前記反射板とは反対側に前記反射板の板面と平行に配置されたメタマテリアルと、
を備え、
前記メタマテリアルは、誘電体材料からなる単位構造を周期配列した構造を有する基板であり、前記第３の周波数帯域に前記反射板の板面に対して垂直方向にレンズ特性を有するアンテナ装置。 An antenna radiating element that radiates electromagnetic waves in different first, second, and third frequency bands;
A reflector that reflects electromagnetic waves in the first frequency band;
A metamaterial reflector that is disposed between the antenna radiating element and the reflector in parallel with the plate surface of the reflector and reflects electromagnetic waves in the second frequency band;
A metamaterial disposed parallel to the plate surface of the reflector on the opposite side of the reflector across the antenna radiating element;
With
The metamaterial is a substrate having a structure in which unit structures made of a dielectric material are periodically arranged, and has a lens characteristic in a direction perpendicular to a plate surface of the reflector in the third frequency band. 前記メタマテリアルは複数設けられ、前記メタマテリアルのそれぞれが異なる周波数帯域にレンズ特性を有する請求項１に記載のアンテナ装置。   The antenna device according to claim 1, wherein a plurality of the metamaterials are provided, and each of the metamaterials has lens characteristics in different frequency bands.
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