(57)【要約】【課題】広帯域で動作可能な擬似進行波共振器及びアンテナ装置を提供する。【解決手段】擬似進行波共振器１は、＋１次共振又は−１次共振の周波数から０次共振の周波数までの周波数帯において擬似進行波共振器１の反射損失が予め決められたしきい値以下になるように決定された＋１次共振又は−１次共振の周波数を有する。擬似進行波共振器１は、擬似進行波共振器１の分散曲線において、決定された＋１次共振又は−１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋及び逆方向の位相定数β−を有し、単位セル２１の個数Ｍは、＋Ｎ／（２Ｍ）又は−Ｎ／（２Ｍ）がβＢ／βＡに最も近い値を有するように決定される。ここで、Ｎはループの周の長さを非相反伝送線路２０の各単位セル２１の長さで除算した値を示し、βＡは（β＋＋β−）／２を示し、βＢは（β＋−β−）／２を示す、【選択図】図１
2020036096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループに沿って縦続接続された複数の単位セルを含む非相反伝送線路を備える擬似進行波共振器であって、
前記複数の単位セルのそれぞれは、マイクロ波の伝送線路部分と、容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、前記伝送線路部分から分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む並列枝の回路とを備え、
前記各単位セルの伝送線路部分は、前記マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
前記擬似進行波共振器は、＋１次共振又は−１次共振の周波数から０次共振の周波数までの周波数帯において前記擬似進行波共振器の反射損失が予め決められたしきい値以下になるように決定された＋１次共振又は−１次共振の周波数を有し、
前記擬似進行波共振器は、前記擬似進行波共振器の分散曲線において、前記決定された＋１次共振又は−１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋及び逆方向の位相定数β−を有し、
前記単位セルの個数Ｍは、＋Ｎ／（２Ｍ）又は−Ｎ／（２Ｍ）がβＢ／βＡに最も近い値を有するように決定され、
ここで、
Ｎは前記ループの周の長さを前記非相反伝送線路の各単位セルの長さで除算した値を示し、
βＡは（β＋＋β−）／２を示し、
βＢは（β＋−β−）／２を示す、
擬似進行波共振器。
【請求項２】
前記擬似進行波共振器は、前記−１次共振の周波数から前記＋１次共振の周波数までの周波数帯において前記擬似進行波共振器の反射損失が前記予め決められたしきい値以下になるように決定された前記＋１次共振の周波数及び−１次共振の周波数を有し、
前記擬似進行波共振器は、前記擬似進行波共振器の分散曲線において、前記決定された＋１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋（＋１）及び逆方向の位相定数β−（＋１）と、前記決定された−１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋（−１）及び逆方向の位相定数β−（−１）とを有し、
前記単位セルの個数Ｍは、＋Ｎ／（２Ｍ）及び−Ｎ／（２Ｍ）の一方がβＢ（＋１）／βＡ（＋１）に最も近い値を有し、かつ、＋Ｎ／（２Ｍ）及び−Ｎ／（２Ｍ）の他方がβＢ（−１）／βＡ（−１）に最も近い値を有するように決定され、
ここで、
βＡ（＋１）は（β＋（＋１）＋β−（＋１））／２を示し、
βＢ（＋１）は（β＋（＋１）−β−（＋１））／２を示し、
βＡ（−１）は（β＋（−１）＋β−（−１））／２を示し、
βＢ（−１）は（β＋（−１）−β−（−１））／２を示す、
請求項１記載の擬似進行波共振器。
【請求項３】
前記並列枝の回路は、ループ状の前記非相反伝送線路の内周に接続された誘導性スタブ回路である、
請求項１又は２記載の擬似進行波共振器。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの１つに記載の擬似進行波共振器を備えた、
アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非相反移相右手／左手系複合伝送線路を用いた擬似進行波共振器及びアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、順方向と逆方向とで非相反な移相をもたらす、メタマテリアルからなる右手／左手系複合伝送線路（以下、「非相反伝送線路」という）に関する研究がさかんに行われている。非相反伝送線路は、共振周波数を変えることなく共振器のサイズ及び／又は共振器上の位相分布勾配を自由に変更可能である、ある種の伝送線路共振器として動作可能であり、これを「擬似進行波共振器」ともいう。
【０００３】
例えば、特許文献１及び２は、非相反伝送線路をループ状に形成し、ループ状の非相反伝送線路に給電することにより円偏波を生じるアンテナ装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−０５４４５４号公報
【特許文献２】特開２０１７−１５２９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、ループ状の非相反伝送線路を備えた擬似進行波共振器及びアンテナ装置は狭帯域であり、より広帯域で動作することが求められる。
【０００６】
本発明の目的は、ループ状の非相反伝送線路を備えた擬似進行波共振器及びアンテナ装置であって、従来よりも広帯域で動作可能な擬似進行波共振器及びアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、
ループに沿って縦続接続された複数の単位セルを含む非相反伝送線路を備える擬似進行波共振器であって、
前記複数の単位セルのそれぞれは、マイクロ波の伝送線路部分と、容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、前記伝送線路部分から分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む並列枝の回路とを備え、
前記各単位セルの伝送線路部分は、前記マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
前記擬似進行波共振器は、＋１次共振又は−１次共振の周波数から０次共振の周波数までの周波数帯において前記擬似進行波共振器の反射損失が予め決められたしきい値以下になるように決定された＋１次共振又は−１次共振の周波数を有し、
前記擬似進行波共振器は、前記擬似進行波共振器の分散曲線において、前記決定された＋１次共振又は−１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋及び逆方向の位相定数β−を有し、
前記単位セルの個数Ｍは、＋Ｎ／（２Ｍ）又は−Ｎ／（２Ｍ）がβＢ／βＡに最も近い値を有するように決定され、
ここで、
Ｎは前記ループの周の長さを前記非相反伝送線路の各単位セルの長さで除算した値を示し、
βＡは（β＋＋β−）／２を示し、
βＢは（β＋−β−）／２を示す。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、
前記擬似進行波共振器は、前記−１次共振の周波数から前記＋１次共振の周波数までの周波数帯において前記擬似進行波共振器の反射損失が前記予め決められたしきい値以下になるように決定された前記＋１次共振の周波数及び−１次共振の周波数を有し、
前記擬似進行波共振器は、前記擬似進行波共振器の分散曲線において、前記決定された＋１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋（＋１）及び逆方向の位相定数β−（＋１）と、前記決定された−１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋（−１）及び逆方向の位相定数β−（−１）とを有し、
前記単位セルの個数Ｍは、＋Ｎ／（２Ｍ）及び−Ｎ／（２Ｍ）の一方がβＢ（＋１）／βＡ（＋１）に最も近い値を有し、かつ、＋Ｎ／（２Ｍ）及び−Ｎ／（２Ｍ）の他方がβＢ（−１）／βＡ（−１）に最も近い値を有するように決定され、
ここで、
βＡ（＋１）は（β＋（＋１）＋β−（＋１））／２を示し、
βＢ（＋１）は（β＋（＋１）−β−（＋１））／２を示し、
βＡ（−１）は（β＋（−１）＋β−（−１））／２を示し、
βＢ（−１）は（β＋（−１）−β−（−１））／２を示す。
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、
前記並列枝の回路は、ループ状の前記非相反伝送線路の内周に接続された誘導性スタブ回路である。
【００１０】
本発明の第４の態様によれば、
第１〜第３のうちの１つの態様に係る擬似進行波共振器を備えたアンテナ装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、ループ状の非相反伝送線路を備えた擬似進行波共振器及びアンテナ装置であって、従来よりも広帯域で動作可能な擬似進行波共振器及びアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る擬似進行波共振器１を備えたアンテナ装置の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における単位セル２１−１の断面図である。
【図３】図１の擬似進行波共振器１が相反移相右手／左手系複合伝送線路として動作するときの単位セル２１−ｍの等価回路を示す回路図である。
【図４】図１の擬似進行波共振器１が非相反伝送線路として動作するときの単位セル２１−ｍの等価回路を示す回路図である。
【図５】図１の擬似進行波共振器１の＋１次共振、０次共振、及び−１次共振を説明するための分散曲線を示す図である。
【図６】図１の擬似進行波共振器１の動作帯域を説明するための反射損失の周波数特性を示す図である。
【図７】図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの分散曲線を示すグラフである。
【図８】図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの分散曲線を示すグラフである。
【図９】図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの反射損失の周波数特性を示すグラフである。
【図１０】図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの反射損失の周波数特性を示すグラフである。
【図１１】図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの放射利得の周波数特性を示すグラフである。
【図１２】図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの軸比の周波数特性を示すグラフである。
【図１３】図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの放射利得の周波数特性を示すグラフである。
【図１４】図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの軸比の周波数特性を示すグラフである。
【図１５】図１の擬似進行波共振器１に正の自発磁化を印加したときの動作周波数５．２２ＧＨｚにおける指向特性を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１６】図１の擬似進行波共振器１に正の自発磁化を印加したときの動作周波数５．４８ＧＨｚにおける指向特性を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１７】図１の擬似進行波共振器１に正の外部磁界を印加したときの動作周波数５．４６ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。
【図１８】図１の擬似進行波共振器１に正の外部磁界を印加したときの動作周波数５．５９ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。
【図１９】図１の擬似進行波共振器１に負の自発磁化を印加したときの動作周波数５．２２ＧＨｚにおける指向特性を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図２０】図１の擬似進行波共振器１に負の自発磁化を印加したときの動作周波数５．４８ＧＨｚにおける指向特性を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図２１】図１の擬似進行波共振器１に負の外部磁界を印加したときの動作周波数５．４０ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。
【図２２】図１の擬似進行波共振器１に負の外部磁界を印加したときの動作周波数５．５８ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る擬似進行波共振器及びアンテナ装置について説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。
【００１４】
図１は、実施形態に係る擬似進行波共振器１を備えたアンテナ装置の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線における単位セル２１−１の断面図である。擬似進行波共振器１は、ループに沿って縦続接続された複数の単位セル２１−１〜２１−Ｍ（以下、「単位セル２１」ともいう）を含む非相反伝送線路２０を備え、順方向（例えば時計回り）と逆方向（例えば反時計回り）とで非相反な移相をもたらす。
【００１５】
擬似進行波共振器１は、平坦な誘電体基板１０と、誘電体基板１０に埋め込まれた磁性体リング１１とを備える。磁性体リング１１は、例えばフェライトからなる。磁性体リング１１は、その中心線までの半径Ｒ０、外周の半径Ｒ１、及び幅ｗ１を有する。また、図２に示すように、誘電体基板１０及び磁性体リング１１の下面には、接地導体１２が形成される。
【００１６】
各単位セル２１は、磁性体リング１１の中心線に沿って、長さｐの周期で設けられる。各単位セル２１は幅ｗ１を有する。長さｐは、例えば、磁性体リング１１の中心線に沿った周の長さ（すなわち、非相反伝送線路２０のループの周の長さ）２π・Ｒ０を、予め決められた整数Ｎ（Ｎ＞Ｍ）で除算した値を有する。ただし、磁性体リング１１の中心線に沿った周の長さ２π・Ｒ０は、一般に、単位セルの長さｐの整数倍である必要がない。従って、数Ｎ（Ｎ＞Ｍ）は整数値でなくてもよく、磁性体リング１１の中心線に沿った周の長さ２π・Ｒ０を単位セル長さｐで除算した実数値として定義される。
【００１７】
各単位セル２１は、ストリップ導体１３，１４、ビア導体１５、及びキャパシタＣｐを備える。ストリップ導体１３は、磁性体リング１１の上に形成され、接地導体１２とともにマイクロストリップ線路（すなわち、マイクロ波の伝送線路部分）を形成する。マイクロ波は、磁性体リング１１に沿って伝搬する。キャパシタＣｐは、互いに隣接する単位セル２１のストリップ導体１３の間に接続される。ストリップ導体１４は、磁性体リング１１の内側の誘電体基板１０の上に形成され、ストリップ導体１３に接続される。ビア導体１５は、ストリップ導体１４の先端と接地導体１２とを互いに接続するように、誘電体基板１０を貫通して形成される。このように、各単位セル２１は、マイクロ波の伝送線路部分と、容量性素子を等価的に含む直列枝の回路（キャパシタＣｐ）と、伝送線路部分から分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む並列枝の回路（ストリップ導体１４及びビア導体１５）とを備える。並列枝の回路は、ループ状の非相反伝送線路２０の内周に接続された誘導性スタブ回路である。
【００１８】
各単位セル２１の伝送線路部分は、マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化される。磁性体リング１１は、例えば＋Ｚ方向又は−Ｚ方向の自発磁化を有してもよい。代替又は追加として、磁性体リング１１は、図２に示すように、電磁石５０などの外部磁界により、例えば＋Ｚ方向又は−Ｚ方向に磁化されてもよい。本明細書では、＋Ｚ方向の磁界を正の磁界とする。
【００１９】
擬似進行波共振器１は、磁性体リング１１の一部において、単位セル２１を形成しない領域（すなわち、ストリップ導体１３，１４、ビア導体１５、及びキャパシタＣｐを持たない領域）を有してもよい。図１では、このような領域を、仮想セル２２−（Ｍ＋１）〜３０−Ｎ（以下、「仮想セル２２」ともいう）として示す。各仮想セル２２の寸法は、各単位セル２１の寸法と同じであり、長さｐの周期を有する。
【００２０】
非相反伝送線路２０の一端の単位セル２１−１には、キャパシタＣ１を介して反射素子１６が接続され、非相反伝送線路２０の他端の単位セル２１−Ｍには、キャパシタＣ２を介して反射素子１７が接続される。各反射素子１６，１７はストリップ導体からなる。非相反伝送線路２０の両端に反射素子１６，１７を接続することにより、両端は短絡端になる。各反射素子１６，１７の先端をそれぞれポートＰ１１，Ｐ１２という。図１の例では、ポートＰ１１に、ストリップ導体からなる５０Ωの給電線路１８が接続される。給電線路１８はさらに無線通信回路２に接続され、これにより、擬似進行波共振器１はアンテナ装置として動作する。
【００２１】
次に、図３及び図４を参照して、非相反伝送線路２０の動作原理について説明する。
【００２２】
図３は、図１の擬似進行波共振器１が相反移相右手／左手系複合伝送線路として動作するときの単位セル２１−ｍの等価回路を示す回路図である。図３は、図１及び図２の磁性体リング１１が自発磁化及び外部磁界による磁化を持たず、これにより、電力が順方向（右向き）に伝搬する場合と、電力が逆方向（左向き）に伝搬する場合とで、同じ伝搬定数を有する場合を示す。
【００２３】
図３において、単位セル２１−ｍは長さｐの周期で設けられ、その一端には端子Ｔ１，Ｔ２からなるポートＰ１が設けられ、その他端には端子Ｔ３，Ｔ４からなるポートＰ２が設けられる。単位セル２１−ｍは、
（１）キャパシタンスＣＬ及びインダクタンスＬＲの直列共振回路からなる直列枝のインピーダンスＺｓｅと、
（２）キャパシタンスＣＲ及びインダクタンスＬＬの並列共振回路からなる並列枝のアドミタンスＹｓｈと
を有する。
【００２４】
ここで、単位セル２１−ｍの直列共振周波数及び並列共振周波数はそれぞれ、直列枝のインピーダンスＺｓｅ及び並列枝のアドミタンスＹｓｈで決定される。直列に挿入されたキャパシタンスＣＬ及び並列に挿入されたインダクタンスＬＬがそれぞれ、負の透磁率と負の誘電率を実現している。
【００２５】
図４は、図１の擬似進行波共振器１が非相反伝送線路として動作するときの単位セル２１−ｍの等価回路を示す回路図である。図４は、図３の場合とは異なり、磁性体リング１１が自発磁化又は外部磁界による磁化を有し、電力が順方向（右向き）に伝搬する場合と、電力が逆方向（左向き）に伝搬する場合とで、互いに異なる伝搬定数、特に、互いに異なる位相定数を有する非相反な移送をもたらす場合を示す。
【００２６】
図４の例では、図１のストリップ導体１３（等分された２つのストリップ導体１２ａとして示す）の中央に、並列枝のアドミタンスＹを有するストリップ導体１４及びビア導体１５を接続する場合を想定する。図１の各キャパシタＣｐは互いに隣接する単位セル２１の間で共有されるので、図４では、単位セル２１−ｍが容量Ｃｐ／２を有する２つのキャパシタを備えるように示す。擬似進行波共振器１は、非相反伝送線路として動作するとき、順方向のインピーダンスＺ＋及び順方向の位相定数β＋と、逆方向のインピーダンスＺ−及び逆方向の位相定数β−とを有する。
【００２７】
非相反性は、並列枝のアドミタンスＹを有するストリップ導体１４及びビア導体１５を、伝送線路部分に対して非対称に接続することにより発現する。
【００２８】
次に、図５及び図６を参照して、実施形態に係る擬似進行波共振器１の動作原理について説明する。
【００２９】
図５は、図１の擬似進行波共振器１の＋１次共振、０次共振、及び−１次共振を説明するための分散曲線を示す図である。
【００３０】
以下の説明では、順方向の位相定数β＋及び逆方向の位相定数β−に基づく、以下の位相特性値βＡ及びβＢを用いる。
【００３１】
βＡ＝（β＋＋β−）／２      （１）
βＢ＝（β＋−β−）／２      （２）
【００３２】
順方向の位相定数β＋及び逆方向の位相定数β−が互いに等しいとき（βＢ＝０）、擬似進行波共振器１は０次共振器として動作する。電磁界分布が腹及び節を持つ従来の共振器（半波長共振器及び一波長共振器など）に対して、０次共振器は、電磁界分布及び電流分布が至る所で一様となる。０次共振器は、非相反伝送線路２０と、その両端に接続された一対の反射素子１６，１７とで構成することができる。各単位セル２１に含まれる直列枝の共振回路及び並列枝の共振回路は、両端の反射素子１６，１７が実現する条件（短絡または開放）により選択的に動作する。両端の反射素子１６，１７がインピーダンス０（短絡端を意味する）である場合、各単位セル２１の直列枝の共振回路が選択的に動作する。このとき、各単位セル２１の直列枝のインピーダンスＺはほぼ全て０となる。その結果、各単位セル２１の直列枝には、一様な大きさ及び位相を有する大電流が流れる。つまり、両端短絡の場合の０次共振である。一方、両端の反射素子１６，１７のインピーダンスが無限大（開放端を意味する）である場合、各単位セル２１の並列枝の共振回路が選択的に動作する。このとき、各単位セル２１の並列枝のアドミタンスＹはほぼ全て０となる。その結果、各単位セル２１の並列枝の両端には、一様な大きさ及び位相を有する電圧がかかる。つまり、両端開放の場合の０次共振である。０次共振の場合、非相反伝送線路２０に沿って一様な振幅及び位相を有する電磁界分布が得られる。
【００３３】
図５の分散曲線では、周波数ｆ０において、順方向の位相定数β＋及び逆方向の位相定数β−が互いに等しくなり、従って、擬似進行波共振器１は０次共振器として動作する。
【００３４】
マイクロ波が非相反伝送線路２０の全体にわたって伝搬するときの移相量が２πになるとき、擬似進行波共振器１は＋１次共振器として動作する。非相反伝送線路２０の位相勾配は、位相特性値βＢに依存するので、＋１次共振の条件は次式で与えられる。
【００３５】
２βＢ・Ｍ・ｐ＝＋２π      （３）
【００３６】
ここで、Ｍは単位セル２１の個数を示し、ｐは単位セル２１の長さを示す。
【００３７】
図５の分散曲線では、周波数ｆ＋１において、擬似進行波共振器１が式（３）を満たす位相特性値βＢを有し、従って、＋１次共振器として動作するものとする。
【００３８】
マイクロ波が非相反伝送線路２０の全体にわたって伝搬するときの移相量が−２πになるとき、擬似進行波共振器１は−１次共振器として動作する。−１次共振の条件は次式で与えられる。
【００３９】
２βＢ・Ｍ・ｐ＝−２π      （４）
【００４０】
図５の分散曲線では、周波数ｆ−１において、擬似進行波共振器１が式（４）を満たす位相特性値βＢを有し、従って、−１次共振器として動作するものとする。
【００４１】
また、擬似進行波共振器１は、以下の条件を満たすとき、円偏波を生じるアンテナ装置として動作する。
【００４２】
βＡ・Ｎ・ｐ＝２π      （５）
【００４３】
ここで、Ｎは、非相反伝送線路２０のループの周の長さ２π・Ｒ０を、各単位セル２１の長さｐで除算した値を示す。
【００４４】
ただし、ループ状の非相反伝送線路２０の場合、直交する素子間の位相差が９０度であれば、円偏波を生じることができる。従って、円偏波の放射は、単位セルの個数Ｍには依存せず、ループ状の非相反伝送線路２０内の位相勾配、すなわち非相反性の大きさに依存する。
【００４５】
式（３）及び式（５）から次式が得られる。
【００４６】
βＢ／βＡ＝＋Ｎ／（２Ｍ）      （６）
【００４７】
擬似進行波共振器１は、式（６）を満たす場合、＋１次共振の条件を満たし、かつ、円偏波を生じるアンテナ装置として動作する。
【００４８】
また、式（４）及び式（５）から次式が得られる。
【００４９】
βＢ／βＡ＝−Ｎ／（２Ｍ）      （７）
【００５０】
擬似進行波共振器１は、式（７）を満たす場合、−１次共振の条件を満たし、かつ、円偏波を生じるアンテナ装置として動作する。
【００５１】
図６は、図１の擬似進行波共振器１の動作帯域を説明するための反射損失の周波数特性を示す図である。
【００５２】
擬似進行波共振器１が−１次共振器として動作するとき、動作帯域の中心周波数ｆ−１及び３ｄＢ帯域幅Ｂ−１を有する。また、擬似進行波共振器１が０次共振器として動作するとき、動作帯域の中心周波数ｆ０及び３ｄＢ帯域幅Ｂ０を有する。また、擬似進行波共振器１が＋１次共振器として動作するとき、動作帯域の中心周波数ｆ＋１及び３ｄＢ帯域幅Ｂ＋１を有する。
【００５３】
図６に示すように、擬似進行波共振器１が＋１次共振器、０次共振器、及び−１次共振器のいずれかとして動作するとき、動作帯域は狭く、動作帯域の中心周波数から離れるにつれて反射損失が増大する。−１次共振の周波数ｆ−１から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯のうち、その中間の周波数において反射損失が−３ｄＢを超え、また、０次共振の周波数ｆ０から＋１次共振の周波数ｆ＋１までの周波数帯のうち、その中間の周波数において反射損失が−３ｄＢを超える。
【００５４】
図６の周波数特性を考慮すると、−１次共振の周波数ｆ−１を０次共振の周波数ｆ０に十分に近づければ、その中間の周波数において反射損失が−３ｄＢ以下になり、−１次共振の周波数ｆ−１から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯にわたって擬似進行波共振器１を動作させることができると考えられる。従って、−１次共振の周波数ｆ−１を、次式を満たすように決定する。
【００５５】
ｆ０−Ｂ０／２＜ｆ−１＋Ｂ−１／２      （８）
【００５６】
同様に、＋１次共振の周波数ｆ＋１を０次共振の周波数ｆ０に十分に近づければ、その中間の周波数において反射損失が−３ｄＢ以下になり、＋１次共振の周波数ｆ＋１から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯にわたって擬似進行波共振器１を動作させることができると考えられる。従って、＋１次共振の周波数ｆ＋１を、次式を満たすように決定する。
【００５７】
ｆ＋１−Ｂ＋１／２＜ｆ０＋Ｂ０／２      （９）
【００５８】
式（８）及び式（９）の条件は、Ｑ値を用いて次式のように表されてもよい。
【００５９】
【数１】
2020036096.tif 000003
【００６０】
【数２】
2020036096.tif 000004
【００６１】
ここで、Ｑ−１＝ｆ−１／Ｂ−１、Ｑ０＝ｆ０／Ｂ０、Ｑ＋１＝ｆ＋１／Ｂ＋１である。
【００６２】
式（８）又は式（１０）を満たすように−１次共振の周波数ｆ−１を決定することにより、及び／又は、式（８）又は式（１０）を満たすように＋１次共振の周波数ｆ＋１を決定することにより、擬似進行波共振器１は従来よりも広帯域で動作可能になる。
【００６３】
実施形態に係る擬似進行波共振器１は、以下のように構成される。
【００６４】
擬似進行波共振器１の＋１次共振の周波数ｆ−１及び−１次共振の周波数ｆ＋１は、−１次共振の周波数ｆ−１から＋１次共振の周波数ｆ＋１までの周波数帯において擬似進行波共振器１の反射損失が予め決められたしきい値（例えば−３ｄＢ）以下になるように決定される。
【００６５】
次に、図５に示すように、擬似進行波共振器１の分散曲線において、決定された＋１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋（＋１）及び逆方向の位相定数β−（＋１）と、決定された−１次共振の周波数に対応する順方向の位相定数β＋（−１）及び逆方向の位相定数β−（−１）とが決定される。
【００６６】
次に、単位セル２１の個数Ｍが、＋Ｎ／（２Ｍ）及び−Ｎ／（２Ｍ）の一方がβＢ（＋１）／βＡ（＋１）に最も近い値を有し、かつ、＋Ｎ／（２Ｍ）及び−Ｎ／（２Ｍ）の他方がβＢ（−１）／βＡ（−１）に最も近い値を有するように決定される。
【００６７】
ここで、以下の位相特性値βＡ（＋１）、βＢ（＋１）、βＡ（−１）、及びβＢ（−１）を用いる。
【００６８】
βＡ（＋１）＝（β＋（＋１）＋β−（＋１））／２      （１２）
βＢ（＋１）＝（β＋（＋１）−β−（＋１））／２      （１３）
βＡ（−１）＝（β＋（−１）＋β−（−１））／２      （１４）
βＢ（−１）＝（β＋（−１）−β−（−１））／２      （１５）
【００６９】
理想的な場合には、以下の式（１６）及び式（１７）の等式が成り立つか、又は、式（１８）及び式（１９）の等式が成り立つ。
【００７０】
βＢ（＋１）／βＡ（＋１）＝＋Ｎ／（２Ｍ）      （１６）
βＢ（−１）／βＡ（−１）＝−Ｎ／（２Ｍ）      （１７）
【００７１】
βＢ（＋１）／βＡ（＋１）＝−Ｎ／（２Ｍ）      （１８）
βＢ（−１）／βＡ（−１）＝＋Ｎ／（２Ｍ）      （１９）
【００７２】
当然ながら、単位セルの個数Ｍは整数値であるので、式（１６）〜式（１９）の等号は常に成り立つわけではない。ただし、実質的に等号が成り立つ、すなわち、誤差を最小化するように単位セル２１の個数Ｍを決定することにより、−１次共振の周波数ｆ−１から＋１次共振の周波数ｆ＋１までの周波数帯において反射損失をしきい値以下にし、かつ、円偏波を生じるアンテナ装置として擬似進行波共振器１を動作させることができる。
【００７３】
擬似進行波共振器１の動作帯域は、−１次共振の周波数ｆ−１から＋１次共振の周波数ｆ＋１までの周波数帯において反射損失をしきい値以下にすることに限定されない。代替として、＋１次共振の周波数ｆ＋１及び−１次共振の周波数ｆ−１の一方から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯において擬似進行波共振器１の反射損失をしきい値以下にするように、＋１次共振の周波数ｆ＋１又は−１次共振の周波数ｆ−１が設定されてもよい。この場合、次に、擬似進行波共振器１の分散曲線において、決定された＋１次共振の周波数ｆ＋１又は−１次共振の周波数ｆ−１に対応する順方向の位相定数β＋及び逆方向の位相定数β−が決定される。単位セルの個数Ｍは、＋Ｎ／（２Ｍ）又は−Ｎ／（２Ｍ）がβＢ／βＡに最も近い値を有するように決定される。この場合もまた、＋１次共振の周波数ｆ＋１及び−１次共振の周波数ｆ−１の一方から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯において反射損失をしきい値以下にし、かつ、円偏波を生じるアンテナ装置として擬似進行波共振器１を動作させることができる。
【００７４】
従来、単位セルの個数に依存して調整可能な動作帯域を有する非相反伝送線路は知られていなかった。実施形態に係る擬似進行波共振器１によれば、上述の条件を満たすように単位セル２１の個数Ｍを決定することにより、＋１次共振の周波数ｆ＋１及び−１次共振の周波数ｆ−１の少なくとも一方から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯において擬似進行波共振器１の反射損失をしきい値以下にし、従来よりも広帯域の動作を実現することができる。同時に、上述の条件を満たすように単位セル２１の個数Ｍを決定することにより、円偏波を生じるアンテナ装置として擬似進行波共振器１を動作させることができる。
【００７５】
一般に、非相反伝送線路は、例えば、マイクロストリップ線路に対して複数のスタブ導体を周期的に付加することにより形成される。しかしながら、スタブ導体の位置によっては、非相反伝送線路の非相反性が小さくなることがあり、また、非相反伝送線路のサイズが増大することがある。実施形態に係る擬似進行波共振器１は、ループ状の非相反伝送線路２０の内周に並列枝の回路（ストリップ導体１４及びビア導体１５）を接続したことにより、非相反性を損なわず、かつ、小さなサイズを実現することができる。ループ状の非相反伝送線路２０の曲率と、誘導性スタブ回路の非対称な挿入との組み合わせを用いたことにより、構造の非対称性が増強される。
【００７６】
実施形態に係る擬似進行波共振器１を備えたアンテナ装置は、非相反伝送線路２０における入射波の電力と反射波の電力とを放射波に変換することができる。また、このようなアンテナ装置は、電磁石５０などの外部磁界を用いて非相反伝送線路２０に対して外部から印加される直流磁界を反転させることで、円偏波の回転方向を切り換えることができる。
【００７７】
実施形態に係る擬似進行波共振器１は、前述のように、磁性体リング１１の一部において、単位セル２１を形成しない領域を有してもよい。単位セル２１の個数Ｍは上述の条件を満たすように決定される。磁性体リング１１を少なくとも半周するのに十分な個数の単位セル２１を備えていれば、擬似進行波共振器１は動作可能である。
【００７８】
磁性体リング１１及び非相反伝送線路２０は、円形に限定されず、円偏波を生じるのであれば、任意のループ形状を有してもよい。
【実施例】
【００７９】
次に、図７〜図１４を参照して、実施形態に係る擬似進行波共振器の周波数特性のシミュレーション結果について説明する。
【００８０】
シミュレーションでは、以下のパラメータを設定した。
【００８１】
単位セル２１の個数：Ｍ＝１３
仮想セル２２の個数：１（すなわち、Ｎ＝１４）
磁性体リング１１の中心線の半径：Ｒ０＝８ｍｍ
磁性体リング１１の外周の半径：Ｒ１＝１０ｍｍ
磁性体リング１１及び各単位セル２１の幅：ｗ１＝４ｍｍ
各単位セル２１の長さ（周期）：ｐ＝３．５ｍｍ
磁性体リング１１の内側の誘電体基板１０の厚さ：ｔ１＝０．７０ｍｍ
磁性体リング１１の厚さ：ｔ２＝０．８５ｍｍ
ストリップ導体１４の長さ：ａ１＝０．５ｍｍ
反射素子１６，１７の長さ：ａ２＝８．６ｍｍ
キャパシタＣｐの容量：０．６ｐＦ
キャパシタＣ１，Ｃ２の容量：１．２ｐＦ
誘電体基板１０の誘電率：２．６
磁性体リング１１の誘電率：１５
【００８２】
図７は、図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの分散曲線を示すグラフである。図８は、図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの分散曲線を示すグラフである。図７の場合、−１次共振の周波数ｆ−１＝５．２ＧＨｚにおいて、βＢ／βＡ＝−０．５５９になる。また、図８の場合、−１次共振の周波数ｆ−１＝５．２ＧＨｚにおいて、βＢ／βＡ＝−０．５５８になる。Ｍ＝１３かつＮ＝１４のとき、−Ｎ／（２Ｍ）≒−０５３８になる。従って、単位セル２１の個数Ｍ＝１３を決定することにより、擬似進行波共振器１は、正の磁界及び負の磁界のいずれが印加される場合でも、−１次共振の条件を満たし、かつ、円偏波を生じるアンテナ装置として動作する。
【００８３】
図９は、図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの反射損失の周波数特性を示すグラフである。図１０は、図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの反射損失の周波数特性を示すグラフである。図９の場合、磁性体リング１１の自発磁化Ｍｓにより、正の磁界μ０・Ｍｓ＝＋１４５ｍＴが生じる。図１０の場合、磁性体リング１１の自発磁化Ｍｓにより、負の磁界μ０・Ｍｓ＝−１４５ｍＴが生じる。図９及び図１０によれば、−１次共振の周波数ｆ−１から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯において反射損失を約−３ｄＢ以下にし、０次共振の周波数ｆ０から＋１次共振の周波数ｆ＋１までの周波数帯において反射損失を約−３ｄＢ以下にすることができる。
【００８４】
図１１は、図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの放射利得の周波数特性を示すグラフである。図１２は、図１の擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときの軸比の周波数特性を示すグラフである。図１１及び図１２は、擬似進行波共振器１に対して仰角θ＝０度の位置からみた、方位角φ＝０度に沿った偏波面を有する放射波の利得及び軸比を示す。図１１によれば、放射帯域の比帯域幅は１５．４％であった。比帯域幅は、例えば帯域の最低周波数をｆａとし、最高周波数をｆｂとする場合、「（ｆｂ−ｆａ）／（（ｆｂ＋ｆａ）／２）×１００［％］」で定義され、帯域の中心周波数に対する帯域幅を示す。図１２によれば、軸比が３ｄＢ以下になる帯域の比帯域幅は１２．８％であった。
【００８５】
図１３は、図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの放射利得の周波数特性を示すグラフである。図１４は、図１の擬似進行波共振器１に負の磁界を印加したときの軸比の周波数特性を示すグラフである。図１３及び図１４もまた、擬似進行波共振器１に対して仰角θ＝０度の位置からみた、方位角φ＝０度に沿った偏波面を有する放射波の利得及び軸比を示す。図１３によれば、放射帯域の比帯域幅は１４．９％であった。図１４によれば、軸比が３ｄＢ以下になる帯域の比帯域幅は１１．５％であった。
【００８６】
従来の擬似進行波共振器を備えたアンテナ装置は、単一の共振モードのみ（＋１次共振、０次共振、及び−１次共振のうちの１つのみ）を利用していたので、その動作帯域は非常に狭く、２〜３％程度になる。一方、実施形態に係る擬似進行波共振器１を備えたアンテナ装置によれば、＋１次共振の周波数ｆ＋１及び−１次共振の周波数ｆ−１の少なくとも一方から０次共振の周波数ｆ０までの周波数帯において擬似進行波共振器１の反射損失をしきい値以下にし、従来よりも広帯域の動作を実現することができる。
【００８７】
次に、図１５〜図２２を参照して、実施形態に係る擬似進行波共振器の指向特性のシミュレーション結果について説明する。
【００８８】
シミュレーションでは、以下のパラメータを設定した。
【００８９】
単位セル２１の個数：Ｍ＝１９
仮想セル２２の個数：１（すなわち、Ｎ＝２０）
磁性体リング１１の中心線の半径：Ｒ０＝１１ｍｍ
磁性体リング１１の外周の半径：Ｒ１＝１３ｍｍ
各単位セル２１の長さ（周期）：ｐ＝３．４ｍｍ
【００９０】
他のパラメータは、図７〜図１４のシミュレーションと同じである。
【００９１】
図１５は、図１の擬似進行波共振器１に正の自発磁化を印加したときの動作周波数５．２２ＧＨｚにおける指向特性を示すシミュレーション結果のグラフである。図１６は、図１の擬似進行波共振器１に正の自発磁化を印加したときの動作周波数５．４８ＧＨｚにおける指向特性を示すグラフである。
図１５〜図２２において、実線は非相反伝送線路２０における左手系のマイクロ波伝搬に起因する放射波の指向特性を示し、破線は非相反伝送線路２０における右手系のマイクロ波伝搬に起因する放射波の指向特性をシミュレーション結果を示す。図１５及び図１６の場合、磁性体リング１１の自発磁化Ｍｓにより、正の磁界μ０・Ｍｓ＝＋１１５ｍＴが生じる。図１５及び図１６によれば、周波数５．２２ＧＨｚで動作するときも、周波数５．４８ＧＨｚで動作するときも、同様の指向特性を実現できることがわかる。
【００９２】
図１７は、図１の擬似進行波共振器１に正の外部磁界を印加したときの動作周波数５．４６ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。図１８は、図１の擬似進行波共振器１に正の外部磁界を印加したときの動作周波数５．５９ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。図１７及び図１８の場合、電磁石５０などの外部磁界Ｈ０により、正の磁界μ０・Ｈ０＝＋１２１ｍＴが生じる。図１７及び図１８によれば、周波数５．４６ＧＨｚで動作するときも、周波数５．５９ＧＨｚで動作するときも、同様の指向特性を実現できることがわかる。
【００９３】
図１９は、図１の擬似進行波共振器１に負の自発磁化を印加したときの動作周波数５．２２ＧＨｚにおける指向特性を示すシミュレーション結果のグラフである。図２０は、図１の擬似進行波共振器１に負の自発磁化を印加したときの動作周波数５．４８ＧＨｚにおける指向特性を示すシミュレーション結果のグラフである。図１９及び図２０の場合、磁性体リング１１の自発磁化Ｍｓにより、負の磁界μ０・Ｍｓ＝−１１５ｍＴが生じる。図１９及び図２０によれば、周波数５．２２ＧＨｚで動作するときも、周波数５．４８ＧＨｚで動作するときも、同様の指向特性を実現できることがわかる。
【００９４】
図２１は、図１の擬似進行波共振器１に負の外部磁界を印加したときの動作周波数５．４０ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。図２２は、図１の擬似進行波共振器１に負の外部磁界を印加したときの動作周波数５．５８ＧＨｚにおける指向特性を示す実測結果のグラフである。図２１及び図２２の場合、電磁石５０などの外部磁界Ｈ０により、負の磁界μ０・Ｈ０＝−１２７ｍＴが生じる。図２１及び図２２によれば、周波数５．４０ＧＨｚで動作するときも、周波数５．５８ＧＨｚで動作するときも、同様の指向特性を実現できることがわかる。
【００９５】
図７〜図２２によれば、擬似進行波共振器１に正の磁界を印加したときも、負の磁界を印加したときも、同様の特性を実現できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明によれば、ループ状の非相反伝送線路を備えた擬似進行波共振器及びアンテナ装置であって、従来よりも広帯域で動作可能な擬似進行波共振器及びアンテナ装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１…擬似進行波共振器、
２…無線通信回路、
１０…誘電体基板、
１１…磁性体リング、
１２…接地導体、
１３，１４…ストリップ導体、
１５…ビア導体、
１６，１７…反射素子、
１８…給電線路、
２０…非相反伝送線路、
２１−１〜２１−Ｍ…単位セル、
２２−（Ｍ＋１）〜２２−Ｎ…仮想セル、
５０…電磁石、
Ｃｐ，Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ、
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１，Ｐ１２…ポート。
【図１】
2020036096.tif 000005
【図２】
2020036096.tif 000006
【図３】
2020036096.tif 000007
【図４】
2020036096.tif 000008
【図５】
2020036096.tif 000009
【図６】
2020036096.tif 000010
【図７】
2020036096.tif 000011
【図８】
2020036096.tif 000012
【図９】
2020036096.tif 000013
【図１０】
2020036096.tif 000014
【図１１】
2020036096.tif 000015
【図１２】
2020036096.tif 000016
【図１３】
2020036096.tif 000017
【図１４】
2020036096.tif 000018
【図１５】
2020036096.tif 000019
【図１６】
2020036096.tif 000020
【図１７】
2020036096.tif 000021
【図１８】
2020036096.tif 000022
【図１９】
2020036096.tif 000023
【図２０】
2020036096.tif 000024
【図２１】
2020036096.tif 000025
【図２２】
2020036096.tif 000026