(57)【要約】【課題】ＥＢＧ構造体を構成するＥＢＧ単位セルを低姿勢および広帯域特性を維持しながら小型化して、設計の自由度を向上する。【解決手段】複数のＥＢＧ単位セル（１０）を周期的に配列してなるＥＢＧ構造体と、ＥＢＧ構造体上に配置したアンテナとを備えるアンテナ装置である。ＥＢＧ単位セル（１０）は、所定のギャップ幅δＧをおいて周期的に配置させることが可能な辺長Ｗ１の正多角形状を有し、グランド層（１１）から高さｈＥＢＧだけ隔てて配置された第1の金属パッチ（１２）と、辺長Ｗ２（＜Ｗ１）の正２ｎ（ｎは２，３，４・・・）角形状を有し、隣接する第１の金属パッチ（１２）に対称的に跨るように配置された第２の金属パッチ（１３）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＥＢＧ単位セルを周期的に配列してなるＥＢＧ構造体と、該ＥＢＧ構造体上に配置したアンテナとを備えるアンテナ装置であって、前記ＥＢＧ単位セルが、
所定のギャップ幅δＧをおいて周期的に配置させることが可能な辺長Ｗ１の正多角形状を有し、グランド層から高さｈＥＢＧだけ隔てて配置された第１の金属パッチと、
辺長Ｗ２（＜Ｗ１）の正２ｎ（ｎは２，３，４・・・）角形状を有し、隣接する前記第１の金属パッチに対称的に跨るように配置された第２の金属パッチと、
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記第２の金属パッチを前記第１の金属パッチの高さｈＥＢＧｈＥＧＢよりも高い位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記第１の金属パッチと第２の金属パッチを、それぞれ誘電体基板の一方の面と他方の面に形成したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記第１の金属パッチが正方形状前記第１の金属パッチの高さｈＥＢＧを０．０２λ０以上に設定し、前記第１の金属パッチの辺長Ｗ１を０．２λ０以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記アンテナがダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高インピーダンス表面を有するＥＢＧ構造体を反射面として用いたアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アンテナの放射ビームに単一方向の指向性を持たせるための手段として、反射板が用いられる。一般的に、この反射板は板状の金属から構成され、それによる反射波は入射波に対して１８０度位相反転される電気壁特性を有する。従って、使用周波数帯の中心周波数ｆ０の波長をλ０、アンテナ高をｈとすると、ｈ≒λ０／４の場合に放射効率が最良となり、ｈが低くなるにつれて、１８０度位相反転された反射波の影響により放射効率の低下を引き起こす。
【０００３】
アンテナの低姿勢化による放射効率の低下を抑制するために、反射面にＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap：電磁界バンドギャップ）構造体を採用することが提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。
図１３は従来のＥＢＧ構造体における単位セルの上面図を示し、図１４は図１３のＢ−Ｂ断面図を示す。このＥＢＧ単位セル１００は、金属からなるグランド層１０１からｈEBGだけ離隔した高さ部位に水平に配置された一辺がＷの正方形状金属パッチ１０２と、この金属パッチ１０２をグランド層１０１に接続する金属ピン１０３とを備えている。
【０００４】
ＥＢＧ構造体は、上記ＥＢＧ単位セル１００を縦横に配列することによって構成される。このＥＢＧ構造体においては、各ＥＢＧ単位セル１００の金属パッチ１０２が二次元平面を構成するように周期的に配置され、これによって上記反射面が構成される。なお、隣接する金属パッチ１０２は幅δＧのギャップで隔てられている。
【０００５】
ここで、グランド層１０１と金属パッチ１０２間に発生するキャパシタ成分をＣ１、金属ピン１０３により発生するインダクタ成分をＬ１、隣接する金属パッチ１０２間のギャップδＧから発生するキャパシタ成分をＣ２、金属パッチ２００の縁部によるインダクタ成分をＬ２とすると、図１５に示すＬＣ等価回路を描くことができる。このＬＣ等価回路は、Ｌ、Ｃのパラメータを適切に設定することにより、任意の周波数で共振させることができる。
【０００６】
このようなＥＢＧ単位セル１００を用いて構成されるＥＢＧ構造体の反射面は、高インピーダンスであるため、上記ＬＣ等価回路による共振周波数において同位相の反射波を発生させる。すなわち、理想的には、アンテナ高ｈが０の場合に使用周波数ｆ０において放射効率が最良となる磁気壁特性を有することになる。
なお、構造の簡易化のために金属ピン１０３を省略しても、上記に示した電気的特徴を有することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Fan Yang, etc. ,”Reflection Phase Characterizations of the EBG Ground Plane for Low Profile Wire Antenna Applications”. IEEE, Trans. on Antennas and Prop., vol. 51, No. 10, Oct. 2003.
【特許文献１】特開２００３−３０６１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１６に上記ＥＢＧ単位セル１００の反射位相特性を示す。なお、この反射位相特性は、金属ピン１０３を省略した場合のものである。この反射位相特性に示すように、ｈEBG＝０．０２８λ０、δＧ＝０．００６λ０、Ｗ＝０．３０７λ０の場合には、周波数ｆ０における反射位相φが約０度となる。また、反射位相φが−９０〜＋９０度となる周波数帯域幅は０．１７ｆ０となる。同様の特性を示す構造パラメータ組合せはこの限りではなく、無数に存在する。
【０００９】
ＥＢＧ構造体からなる反射板は、上記のような反射位相特性を実現する構造パラメータを有したＥＢＧ単位セル１００を周期的に配列しなければ、放射効率が最良となる磁気壁特性を得ることができない。
ＥＢＧ単位セル１００の周期配置の自由度は、金属パッチ１０２の一辺の長さＷを小さくすることによって、つまり、ＥＢＧ単位セルの面積を小さくすることによって向上する。そして、この周期配置の自由度が向上すれば、グランド層に種々の形状を持たせることが可能になる。しかし、従来のＥＢＧ構造体は、金属パッチ１０２の一辺の長さＷを小さくしていくのに伴ってｈEBGを高くしていく必要があるので、低姿勢を維持できないという問題を生じる。
【００１０】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであり、その目的は、ＥＢＧ構造体を構成するＥＢＧ単位セルを低姿勢および広帯域特性を維持しながら小型化して、設計の自由度の高い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】
【００１１】
本発明は、複数のＥＢＧ単位セルを周期的に配列してなるＥＢＧ構造体と、該ＥＢＧ構造体上に配置したアンテナとを備えるアンテナ装置であって、前記ＥＢＧ単位セルが、所定のギャップ幅δＧをおいて周期的に配置させることが可能な辺長Ｗ１の正多角形状を有し、グラウンド層から高さｈＥＢＧだけ隔てて配置された第１の金属パッチと、辺長Ｗ２（＜Ｗ１）の正２ｎ（ｎは２，３，４・・・）角形状を有し、隣接する前記第１の金属パッチに対称的に跨るように配置された第２の金属パッチと、を備える。
【００１２】
実施例においては、前記第２の金属パッチが前記第１の金属パッチの高さｈＥＢＧよりも高い位置に配置されている。しかし、前記第２の金属パッチは、前記第１の金属パッチの高さｈＥＢＧよりも低い位置に配置しても良い。
また、実施例においては、前記第１の金属パッチと第２の金属パッチを、それぞれ誘電体基板の一方の面と他方の面に貼着した金属箔によって形成している。
【００１３】
前記第１の金属パッチの高さｈＥＢＧは、例えば０．０２λ０以上に設定することが望ましい。また、前記前記第１の金属パッチの辺長Ｗ１は、例えば０．２λ０以下に設定することが望ましい。
また、前記アンテナには、例えば、ダイポールアンテナが使用される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＥＢＧ構造体を構成するＥＢＧ単位セルが低姿勢および広帯域特性を維持しながら小型化されるので、ＥＢＧ単位セルの周期配置の自由度が向上され、これによって、設計の自由度の高い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】
【００１５】
【図１】本発明に係るＥＢＧ単位セルの一構成例を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線による断面図である。
【図３】ＥＢＧ単位セルの反射位相特性を示すグラフである。
【図４】ＥＢＧ単位セルを二次元平面状にＮ段周期配列してなるＥＢＧ構造体の平面図である。
【図５】ＥＢＧ単位セルの配列段数を変化させた場合の反射位相の周波数特性を示すグラフである。
【図６】ＥＢＧ構造体上にダイポールアンテナを配置して構成した本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す断面図である。
【図７】図6のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示すグラフである。
【図８】正方形状のグランドを使用したＥＢＧ構造体におけるＥＢＧ単位セルの周期配列形態を示す平面図である。
【図９】円形状のグランドを使用したＥＢＧ構造体におけるＥＢＧ単位セルの周期配列形態を示す平面図である。
【図１０】長方形状のグランドを使用したＥＢＧ構造体におけるＥＢＧ単位セルの周期配列形態を示す平面図である。
【図１１】ＥＢＧ単位セルの他の構成を示す平面図である。
【図１２】図２に示す上側の金属パッチと下側の金属パッチを逆に配置したＥＢＧ単位セルの構成を示す断面図である。
【図１３】従来のＥＢＧ単位セルの構成を示す平面図である。
【図１４】図１３のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図１５】従来のＥＢＧ単位セルの等価回路を示す回路図である。
【図１６】従来のＥＢＧ単位セルの反射位相特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明に係るアンテナ装置に使用されるＥＢＧ構造体の単位セルの構成を示す平面図である。また、図２は図１のＡ−Ａ線による断面図である。
ＥＢＧ単位セル１０は、グランド層１１から高さｈEBGだけ隔てられた部位に水平配置された辺長Ｗ１の正方形状の金属パッチ１２と、この金属パッチ１２の各辺部上に位置された辺長Ｗ２（＜Ｗ１）である正方形状の金属パッチ１３と、を備えている。
【００１７】
ＥＢＧ構造体は、このようなＥＢＧ単位セル１０を縦横に周期的に配列することによって、すなわち、２次元平面状に周期配列することによって構成される。このＥＢＧ構造体においては、各単位セル１０の金属パッチ１２がギャップ幅δＧを介して密に配列することになる。
【００１８】
図２に示すように、金属パッチ１２及び金属パッチ１３は、比誘電率εr（≧１）、誘電正接tanδ（≧0)の誘電体基板１４の下面及び上面に貼着された金属箔（例えば銅箔）によってそれぞれ形成されている。このような金属箔からなる金属パッチ１２，１３は、プリント配線パターンの形成手法を用いて形成することができる。なお、図１は誘電体基板１４が透明であると仮定した透視図であるので、金属パッチ１２が実線で表されている。
【００１９】
金属パッチ１３は、隣接する金属パッチ１２に対称的に跨る形態で設けられているので、各ＥＢＧ単位セル１０の境界線（一点鎖線参照）がその中心線上に位置している。この金属パッチ１３は、金属パッチ１２との間に浮遊容量を形成する。後述するように、この浮遊容量はＥＢＧ単位セル１０の金属パッチ１２の小面積化に寄与する。
【００２０】
本実施形態では、前記従来のＥＢＧ単位セルのパラメータ値を参照して、ｈＥＢＧ＝ ０．０２８λ０、δＧ＝０．００６λ０とし、また、εｒ＝１、ｔａｎδ＝0、Ｗ１＝０．１５７λ０、Ｗ２＝ ０．０６７λ０としている。ここで、λ０は使用周波数帯の中心周波数ｆ０の波長である。
ＥＢＧ単位セル１０は、一点鎖線で示す周期的境界条件（ＰＢＣ：Periodic Boundary Condition)下で、すなわち、二次元平面状に無限周期で配列するという条件下でその動作特性が解析される。
【００２１】
図３に、パラメータ値を上記のように設定したＥＢＧ単位セル１０の反射位相特性を示す。この特性図に示すように、使用中心周波数ｆ０における反射位相φがほぼ０度となり、また、反射位相φが−９０〜＋９０度となる周波数帯域幅がほぼ０．１７ｆ０となる。この反射位相特性は、図１６に示した従来のＥＢＧ単位セル１００の反射位相特性と同等である。
【００２２】
上記ＥＢＧ単位セル１０は、金属パッチ１２の辺長Ｗ１が０．１５７λ０であるが、図１３に示した従来のＥＢＧ単位セル１００は、金属パッチ１０２の辺長Ｗが０．３０７λ０である。従って、上記ＥＢＧ単位セル１０によれば、従来のＥＢＧ単位セル１００と同等の高さ（ｈＥＢＧ＝ ０．０２８λ０）及び反射位相特性を有するにもかかわらず、５１％の小型化（面積比においては２６％の小型化。つまり、約１／４の面積になる。）を実現することができる。
このような小型化は、上記金属パッチ１３によって形成される浮遊容量に基づいて実現される。なぜなら、上記浮遊容量は、図１５におけるインダクタ成分Ｌ２の減少、つまり、金属パッチ１２の面積の縮小を可能にするからである。
【００２３】
上記ＥＢＧ単位セル１０における構造パラメータの値は一例であり、同様の特性を示すパラメータ値の組合せは無数にある。しかし、アンテナの低姿勢化と広帯域特性の双方を実現しながらＥＢＧ単位セル１０の小型化を図るには、上記金属パッチ１２の高さｈＥＢＧを０．０２λ０≦ｈＥＢＧ≦０．１λ０の範囲で選定し、金属パッチ１２の辺長Ｗ１を０．２λ０以下に設定することが望ましい。また、ギャップ幅δＧは、自身が発生するキャパシタ成分（図１５のＣ２参照）が小さいほど金属パッチ１２のインダクタ成分（図１５のＬ２参照）を大きくする必要、つまり、金属パッチ１２の面積を大きくする必要があるので、０．０１２λ０以下に設定して、上記キャパシタ成分をできるだけ大きくすることが望ましい。
なお、金属パッチ１３は、相互が重ならないようにしなければならない。このため、上記実施形態では、金属パッチ１３の辺長Ｗ２をＷ２＜（Ｗ１＋δＧ）／２の範囲に設定している。
【００２４】
図４は、上記ＥＢＧ単位セル１０を二次元平面状にＮ段（Ｎ＝２〜∞）周期配列したＥＢＧ構造体の平面図を示す。また、図５は、配列段数Ｎを変化させた場合の反射位相φの周波数特性を示す。
図５に示すように、Ｎ≧１６の場合に無限周期構造とほぼ同様の反射位相特性が得られる。一方、Ｎ＜１６の場合には、Ｎが少なくなるほど反射位相φがφ≒０度となる周波数が高くなる。この場合、使用周波数ｆ０に合わせるように、別途、単位セル１０のパラメータの調整を行う必要がある。
【００２５】
図６に本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す。このアンテナ装置は、上記ＥＢＧ単位セル１０を用いて構成したＥＢＧ構造体上にダイポールアンテナ１５を配置した構成を有する。
このアンテナ装置は、例えばグランド層１１からのダイポールアンテナ１５の高さｈＡが０．０４３λ０に設定されている場合、図７に示すようなＶＳＷＲ（定在波比）特性を示す。
このアンテナ装置によれば、ＶＳＷＲ≦２となる周波数帯域は１３％と算出される。これは、低姿勢な構成にもかかわらず良好な放射特性が得られることを示している。
【００２６】
図８は正方形状のグランド層１１を有するＥＢＧ構造体での単位セル１０の周期配置形態を、図９は円形状のグランド層１１を有するＥＢＧ構造体でのそれを、更に、図１０は長方形状のグランド層１１を有するＥＢＧ構造体でのそれをそれぞれ示している。
小型に構成された上記単位セル１０は、周期配置の自由度が高いことから、グランド層１１が曲線等を含む複雑な形状を有している場合であっても、その形状に対応するように周期配置することができる。したがって、本発明のアンテナ装置は設計の自由度が高い。
【００２７】
本発明は、上記実施形態に限定されず、例えば、以下に示すような種々の変異態様を含み得るものである。
（ａ）図１に示すＥＢＧ単位セル１０では、正方形状の金属パッチ１２を使用しているが、例えば、図１１に示すＥＢＧ単位セル２０のように、正六角形状の金属パッチ２２を使用することも可能である。
なお、上記金属パッチ１２，２２に相当する金属パッチには、上記ギャップ幅δＧをおいて周期的に配置させることが可能であるという条件を満たす正多角形状を有するものが適用される。例えば、正五角形状を有するものは、周期的に配置した場合に、上記ギャップ幅δＧを維持できない箇所が存在することになるので、つまり、上記条件を満たすことができないので適用できない。
（ｂ）図１に示すＥＢＧ単位セル１０では、正四角形状の容量付加用金属パッチ１３を使用している。しかし、この容量付加用金属パッチは、正２ｎ（ｎは２，３，４・・・）角形状のものであれば適用可能である。
（ｃ）図２に示すＥＢＧ単位セル１０では、金属パッチ１２の上方側に金属パッチ１３を配置しているが、図１２に示すように、金属パッチ１２の下方側に金属パッチ１３を配置することも可能である。
（ｄ）図２に示すＥＢＧ単位セル１０では、金属パッチ１２，１３間に誘電体基板１４を介在させているが、この金属パッチ１２，１３間に空気を介在させても良く、また、金属パッチ１２，１３間が真空であっても良い。
（ｅ）上記実施形態では、金属パッチ１２をグランド層１１に接続するための金属ピンを省略しているが、必要に応じてこの金属ピンを設けることも可能である。
（ｆ）ＥＢＧ構造体上に配置するアンテナは、実施形態として示したダイポールアンテナ１５に限定されず、ループアンテナ等の他のアンテナを配置しても良い。
【符号の説明】
【００２８】
１０，２０  ＥＢＧ単位セル１０
１１  グランド層
１２，２２  金属パッチ
１３，２３  金属パッチ
１４  誘電体基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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