(57)【要約】【課題】バンドギャップ帯域が広帯域化される反射板及びアンテナ装置を提供する。【解決手段】特定のバンドギャップ帯域に属する電磁波を反射させる特性を有する反射板１は、柱状の誘電体からなる柱状素子１０ａ〜１０ｄが、同一平面上において平行かつ等間隔に周期配列されて成る複数の反射層１Ａ〜１Ｄを備えるとともに、複数の反射層１Ａ〜１Ｄが、各々を構成する柱状素子１０ａ〜１０ｄ同士が互いに直交するように配されながら積層されて成るとともに、柱状素子１０ａ〜１０ｄの各々の底面の大きさｗ、及び、柱状素子１０ａ〜１０ｄの周期配列される間隔（周期幅ａ）が、上記バンドギャップ帯域の中心周波数に対する当該バンドギャップ帯域幅の比率を示す比帯域が２０％以上となる条件を満たすように定められる。【選択図】図２
2014217031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のバンドギャップ帯域に属する電磁波を反射する特性を有する反射板であって、
柱状の誘電体からなる柱状素子が、同一平面上において平行かつ等間隔に周期配列されて成る複数の反射層を備え、
前記複数の反射層が、各々を構成する前記柱状素子同士が互いに直交するように配されながら積層されて成るとともに、前記柱状素子の各々の底面の大きさ、及び、前記柱状素子の周期配列される間隔が、前記バンドギャップ帯域の比帯域が反射板を備える機器に用いられる電磁波の周波数帯域の比帯域以上となるように構成されている
ことを特徴とする反射板。
【請求項２】
柱状の誘電体からなる第一柱状素子が、同一平面上において平行かつ等間隔に周期配列されて成る第一の反射層と、
柱状の誘電体からなる複数の第二柱状素子が、複数の前記第一柱状素子と同一の間隔で同一平面上に周期配列されるとともに、複数の前記第一柱状素子と直交して接するように配されて成る第二の反射層と、
柱状の誘電体からなる複数の第三柱状素子が、複数の前記第一柱状素子と平行、かつ、複数の前記第一柱状素子と同一の間隔でこれらと半周期分ずれるようにして同一平面上に周期配列されるとともに、前記第二の反射層を、前記第一の反射層とともに挟み込むように配されて成る第三の反射層と、
柱状の誘電体からなる複数の第四柱状素子が、複数の前記第二柱状素子と平行、かつ、複数の前記第二柱状素子と同一の間隔でこれらと半周期分ずれるようにして同一平面上に周期配列されるとともに、前記第三の反射層を、前記第二の反射層とともに挟み込むように配されて成る第四の反射層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の反射板。
【請求項３】
前記第一柱状素子、前記第二柱状素子、前記第三柱状素子、前記第四柱状素子の各々全てが、等しい大きさの正方形の底面を有する角柱状を成すとともに、複数の前記第一柱状素子の間隔（ａ［ｍｍ］）と、前記正方形の一辺の長さ（ｗ［ｍｍ］）が、３．４ｗ≦ａ≦４．９ｗの関係を満たす
ことを特徴とする請求項２に記載の反射板。
【請求項４】
前記第一柱状素子、前記第二柱状素子、前記第三柱状素子、前記第四柱状素子の各々全てが、等しい大きさの円形の底面を有する円柱状を成すとともに、複数の前記第一柱状素子の間隔（ａ［ｍｍ］）と、前記円形の直径（ｒ［ｍｍ］）が、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒの関係を満たす
ことを特徴とする請求項２に記載の反射板。
【請求項５】
前記第一柱状素子、前記第二柱状素子、前記第三柱状素子、前記第四柱状素子の各々全てが、等しい形状の多角形の底面を有する多角柱状を成すとともに、複数の前記第一柱状素子の間隔（ａ［ｍｍ］）と、前記多角形の外接円の直径（ｒ［ｍｍ］）が、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒの関係を満たす
ことを特徴とする請求項２に記載の反射板。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の反射板と、
所定の周波数帯域の電磁波を放射する放射素子と、
を備え、
複数の前記柱状素子の間隔は、前記電磁波の波長よりも短い
ことを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の周波数の電磁波を反射する反射板及びこれを用いたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周期配列構造を有することで当該構造中を伝搬する電磁波の伝播特性を人工的に制御する技術（メタマテリアル技術）が提案されている。メタマテリアルは、その周期配列構造に応じて、入射される電磁波のうち特定の周波数帯域に属する電磁波のみを反射（遮断）する特性を有するものが存在する。
【０００３】
ここで文献には、上述のような周期配列構造をなす反射板を備えたアンテナ装置が開示されている（たとえば、特許文献１、非特許文献１）。特許文献１のアンテナ装置では、上述のような周期配列構造により形成される反射板（メタマテリアル反射板）が用いられる。この周期配列構造は、角柱状や円柱状の線材などからなる微細な柱状素子を、反射する電磁波の波長より充分に小さな距離で等間隔に格子状に組み合わせた、周期配列構造をなしている。このようなメタマテリアル反射板は、人工的な周期構造により負の誘電率を有しており、その格子状の配列構造の周期間隔に対応したバンドギャップ帯域を有している。ここでバンドギャップ帯域とは、当該メタマテリアル反射板に入射する電磁波が所定の比率以上で反射する場合における当該電磁波の周波数帯域のことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２４４１３６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】"Dipole antennas used with all-dielectric, woodpile photonic-bandgap reflectors : gain, field patterns, and input impedance" G.S.Smith, M.P.Kesler,and J.G.Maloney, Microwave and Opt.Tech.Lett., Vol.21,no.3, pp.191-196, May 1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のメタマテリアル反射板における反射可能な周波数帯域は、そのメタマテリアル反射板の周期配列構造に基づいて一意に決定される。特に、その周期配列をなす一柱状素子の太さと、当該柱状素子の周期配列の配置間隔と、の比率を一致させながらこれらを選択することで、所望の周波数帯域を反射させることが可能である。
【０００７】
しかしながら、特許文献１、非特許文献１では、上述のバンドギャップ帯域の帯域幅を制御する手法については明示されていない。よって、メタマテリアル反射板を備えるアンテナ装置を種々の電子機器に適用する場合において、バンドギャップ帯域の広帯域化が求められていた。
【０００８】
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる反射板及びアンテナ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決すべくなされたもので、特定のバンドギャップ帯域に属する電磁波を反射する特性を有する反射板であって、柱状の誘電体からなる柱状素子が、同一平面上において平行かつ等間隔に周期配列されて成る複数の反射層を備え、前記複数の反射層が、各々を構成する前記柱状素子同士が互いに直交するように配されながら積層されて成るとともに、前記柱状素子の各々の底面の大きさ、及び、前記柱状素子の周期配列される間隔が、前記バンドギャップ帯域の比帯域が反射板を備える機器に用いられる電磁波の周波数帯域の比帯域以上となるように構成されていることを特徴とする反射板である。
【００１０】
また本発明は、上述の反射板において、柱状の誘電体からなる第一柱状素子が、同一平面上において平行かつ等間隔に周期配列されて成る第一の反射層と、柱状の誘電体からなる複数の第二柱状素子が、複数の前記第一柱状素子と同一の間隔で同一平面上に周期配列されるとともに、複数の前記第一柱状素子と直交して接するように配されて成る第二の反射層と、柱状の誘電体からなる複数の第三柱状素子が、複数の前記第一柱状素子と平行、かつ、複数の前記第一柱状素子と同一の間隔でこれらと半周期分ずれるようにして同一平面上に周期配列されるとともに、前記第二の反射層を、前記第一の反射層とともに挟み込むように配されて成る第三の反射層と、柱状の誘電体からなる複数の第四柱状素子が、複数の前記第二柱状素子と平行、かつ、複数の前記第二柱状素子と同一の間隔でこれらと半周期分ずれるようにして同一平面上に周期配列されるとともに、前記第三の反射層を、前記第二の反射層とともに挟み込むように配されて成る第四の反射層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、上述の反射板において、前記第一柱状素子、前記第二柱状素子、前記第三柱状素子、前記第四柱状素子の各々全てが、等しい大きさの正方形の底面を有する角柱状を成すとともに、複数の前記第一柱状素子の間隔（ａ［ｍｍ］）と、前記正方形の一辺の長さ（ｗ［ｍｍ］）が、３．４ｗ≦ａ≦４．９ｗの関係を満たすことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、上述の反射板において、前記第一柱状素子、前記第二柱状素子、前記第三柱状素子、前記第四柱状素子の各々全てが、等しい大きさの円形の底面を有する円柱状を成すとともに、複数の前記第一柱状素子の間隔（ａ［ｍｍ］）と、前記円形の直径（ｒ［ｍｍ］）が、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒの関係を満たすことを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、上述の反射板において、前記第一柱状素子、前記第二柱状素子、前記第三柱状素子、前記第四柱状素子の各々全てが、等しい形状の多角形の底面を有する多角柱状を成すとともに、複数の前記第一柱状素子の間隔（ａ［ｍｍ］）と、前記多角形の外接円の直径（ｒ［ｍｍ］）が、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒの関係を満たすことを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、上述の反射板と、所定の周波数帯域の電磁波を放射する放射素子と、を備え、複数の前記第一柱状素子の間隔は、前記電磁波の波長よりも短いことを特徴とするアンテナ装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、反射板のバンドギャップ帯域を広帯域化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る反射板の斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る反射板の平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性を示す第１の図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性を示す第２の図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性をまとめた第１の図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性をまとめた第２の図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性をまとめたグラフ図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る反射板の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る反射板の平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る反射板の特性を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る反射板の特性をまとめた図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る反射板の斜視図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る反射板の平面図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る反射板の特性を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る反射板の特性をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜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を示す図である。この図において、符号１００はアンテナ装置である。なお以降の説明に用いる各図面においては、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。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、反射板１と、放射素子５と、を備えている。
放射素子５は、特定の周波数帯域の電磁波の大気中への放射を行う機能部である。放射素子５には、図示しない高周波電源が接続されている。放射素子５は、当該高周波電源から入力する特定の周波数帯域の高周波信号を大気中へ放射する。ここで、放射素子５は、大気中を伝搬する特定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。放射素子５は、図１に示すように後述する反射板１に対向するように設置されている。放射素子５から放射される電磁波がその周波数に応じて反射板１による反射の影響を受けることで、アンテナ装置１００は所望する指向性を得る仕組みとなっている。なお図１に示す放射素子５は、例としてダイポールアンテナの形状としているが、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、この態様に限定されない。例えば、放射素子５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。
【００１９】
反射板１は、柱状の誘電体からなる柱状素子を、反射する電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。反射板１は、この周期配列構造に基づいて、放射素子５から放射される特定の周波数帯域に属する電磁波を反射させる特性を有する。以下、反射板１に入射する電磁波が所定の比率以上で反射する場合における当該電磁波の周波数帯域を「バンドギャップ帯域」と定義する（「所定の比率」についてはさらに後述する）。
本実施形態に係る反射板１は、柱状の誘電体からなる柱状素子（後述）が、同一平面上において平行かつ等間隔に周期配列されて成る複数の反射層を備えている。そして、当該複数の反射層が、各々を構成する柱状素子同士が互いに直交するように配されながら積層されて形成される。なおこの反射板１は、図１に示すように、その板面がｘｚ平面と平行な面となるように配されている。また本実施形態に係る反射板１を構成する全ての上記柱状素子は、比誘電率εｒが９．６の誘電体で形成されている。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の斜視図である。また図３は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の平面図である。ここで図３（ａ）は、反射板１の板面（ｘｚ平面に平行な面）の平面図であり、図３（ｂ）は、反射板１の側面（ｙｚ平面に平行な面）の平面図である。
反射板１は、図２、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、角柱状の誘電体からなる柱状素子を、反射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。反射板１は、ｘｚ平面に平行な面を有する反射層がｙ軸方向に４層に重なった構造を有している。具体的には、反射板１は、図２に示すように、第一の反射層１Ａ、第二の反射層１Ｂ、第三の反射層１Ｃ及び第四の反射層１Ｄの４つの層が積層されてなる構造を有している。
【００２１】
まず、第一の反射層１Ａは、角柱状の誘電体からなる第一柱状素子１０ａが、同一平面上（ｘｚ平面上）において平行かつ等間隔（周期幅ａ）に周期配列されて成る層である。なお周期配列される複数の第一柱状素子１０ａが延在する方向は、ｚ軸に平行な方向である（図２、図３（ａ））。第一の反射層１Ａを構成する第一柱状素子１０ａは、図２、図３（ａ）に示すように、間隔ａで等間隔に周期配列される。第一柱状素子１０ａの各々は、その底面が、一辺の長さがｗの正方形からなる角柱状を成している（図３（ａ）、（ｂ））。
【００２２】
同様に、第二の反射層１Ｂは、角柱状の誘電体からなる第二柱状素子１０ｂが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る。ここで、複数の第二柱状素子１０ｂは、複数の第一柱状素子１０ａと等間隔、すなわち周期幅ａで周期配列される。また周期配列される複数の第二柱状素子１０ｂの延在方向は、ｘ軸に平行な方向である（図２、図３（ａ））。したがって、複数の第二柱状素子１０ｂは、複数の第一柱状素子１０ａと直交して、互いの一の側面（第一柱状素子１０ａ、第二柱状素子１０ｂそれぞれがその延在方向に有する面）同士が接するようにして配され、第一柱状素子１０ａとともに格子状を成している。本実施形態に係る第二柱状素子１０ｂも、第一柱状素子１０ａと同様に、その底面が、一辺の長さがｗの正方形からなる角柱状を成している。（図３（ａ）、（ｂ））。
【００２３】
同様に、第三の反射層１Ｃは、角柱状の誘電体からなる第三柱状素子１０ｃが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る層である。ここで、複数の第三柱状素子１０ｃは、第一の反射層１Ａの第一柱状素子１０ａと平行（第三柱状素子１０ｃの延在方向が、ｚ軸に平行な方向）となるように配される。また、各第三柱状素子１０ｃの間隔（周期幅）は、第一柱状素子１０ａ及び第二柱状素子１０ｂと同様の周期幅ａである。ただし、図２及び図３（ａ）に示すように、これら複数の第三柱状素子１０ｃは、第一柱状素子１０ａと半周期（ａ／２）分ずれるようにして配される。つまり、図３（ａ）に示すように、反射板１の板面を正面から見た場合（図３（ａ））、各第三柱状素子１０ｃと第一柱状素子１０ａは、ｘ軸に沿って各々が周期幅ａ／２ごとに交互に現れるように配されることとなる。さらに、図３（ｂ）に示すように、第三の反射層１Ｃは、第二の反射層１Ｂを、第一の反射層１Ａとともに挟み込むように、第二の反射層１Ｂと接して配される。したがって、複数の第三柱状素子１０ｃは、複数の第二柱状素子１０ｂと直交して、互いの一の側面同士が接するようにして配される。なお全ての第三柱状素子１０ｃは、第一柱状素子１０ａ、第二柱状素子１０ｂと同様に、その底面が、一辺の長さがｗの正方形からなる角柱状を成している（図３（ａ）、（ｂ））。
【００２４】
そして第四の反射層１Ｄは、角柱状の誘電体からなる第四柱状素子１０ｄが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る層である。ここで、複数の第四柱状素子１０ｄは、第二の反射層１Ｂの第二柱状素子１０ｂと平行（第四柱状素子１０ｄの延在方向が、ｘ軸に平行な方向）となるように配される。また、各第四柱状素子１０ｄの間隔（周期幅）は、第一柱状素子１０ａ、第二柱状素子１０ｂ及び第三柱状素子１０ｃと同様の周期幅ａである。ただし、図２及び図３（ａ）に示すように、これら複数の第四柱状素子１０ｄは、第二柱状素子１０ｂと半周期（ａ／２）分ずれるようにして配される。つまり、図３（ａ）に示すように、反射板１をｙ軸矢印方向に見た場合、各第四柱状素子１０ｄと第二柱状素子１０ｂは、ｚ軸に沿って各々が周期幅ａ／２ごとに交互に現れるように配されることとなる。さらに、図３（ｂ）に示すように、第四の反射層１Ｄは、第三の反射層１Ｃを、第二の反射層１Ｂとともに挟み込むように、第三の反射層１Ｃと接して配される。したがって、複数の第四柱状素子１０ｄは、複数の第三柱状素子１０ｃと直交して、互いの一の側面同士が接するようにして配される。なお全ての第四柱状素子１０ｄは、第一柱状素子１０ａ、第二柱状素子１０ｂ及び第三柱状素子１０ｃと同様に、その底面が、一辺の長さがｗの正方形からなる角柱状を成している（図３（ａ）、（ｂ））。
【００２５】
このように、本実施形態に係る反射板１は、第一の反射層１Ａ〜第四の反射層１Ｄがｙ軸方向に積層されて、厚さ４ｗの板状の層となる（図３（ｂ））。なお図２及び図３（ａ）、（ｂ）には、反射板１のうちの一領域のみ（２周期分の幅のみ）しか記載していないが、反射板１は、実際には、図２及び図３（ａ）、（ｂ）に示した構造が、ｘ軸方向及びｚ軸方向に繰り返し配されてｘｚ平面上に広がった構造となっている。また上述したように、本実施形態に係る反射板１を構成する第一柱状素子１０ａ〜第四柱状素子１０ｄは、全て比誘電率εｒが９．６の誘電体で形成されている。
【００２６】
ところで本実施形態に係る反射板１（アンテナ装置１００）は、無線通信を行うための所定の機器（例えば携帯電話用無線基地局の通信機器等）に備えられる。この場合、反射板１は、当該機器に用いられる電磁波の周波数帯域全域において同等の反射特性を有することが求められる。したがって本実施形態に係る反射板１は、そのバンドギャップ帯域の比帯域が、反射板１を備える上記機器に用いられる電磁波の周波数帯域の比帯域以上となるように構成される。なお「（周波数帯域の）比帯域」とは、その周波数帯域の中心周波数ｆ０に対する周波数帯域幅Δｆの比率（Δｆ／ｆ０）のことをいう。ここで、法律により携帯電話向けに割り当てられている周波数帯域の比帯域は概ね２０％程度であるから、本実施形態に係る反射板１は、バンドギャップ帯域の比帯域が２０％以上となる条件を満たすように構成される。すなわち本実施形態に係る反射板１は、第一柱状素子１０ａ、第二柱状素子１０ｂ、第三柱状素子１０ｃ、第四柱状素子１０ｄの各々の底面の大きさ（正方形の一辺の長さｗ）と、複数の第一柱状素子１０ａ〜第四柱状素子１０ｄの間隔（周期幅ａ）とが、バンドギャップ帯域の比帯域が２０％以上となる条件を満たすように定められる。以下、本実施形態に係る反射板１についてのｗとａについて具体的に定められる値について説明する。
【００２７】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性を説明する図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性を示す第１の図である。また、図６は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性を示す第２の図である。
次に、本実施形態に係る反射板１の特性について説明する。図５、図６は、上述の構造（図２、図３（ａ）、（ｂ））からなる反射板１に対し、特定の強度の電磁波を入射した場合において、どの程度の強度の電磁波が反射板１を透過するか（反射板１の伝送特性Ｓ２１）を示している。図５、図６に示すグラフ図は、横軸に電磁波の周波数ｆ（ＧＨｚ）を、縦軸に伝送特性Ｓ２１（ｄＢ）を示している。なお図５、図６に示すグラフ図は、図４に示すようなシミュレーションモデルに基づいて算出された、電磁界シミュレータによるシミュレーション結果である。つまり図５、図６に示すグラフ図の縦軸に示す伝送特性Ｓ２１は、反射板１の板面（ｘｚ平面と平行な面）に対して垂直な方向に送出された周波数ｆの平面波（入射波）に対する、入射波のうち反射板１を透過する電磁波（透過波）の強度比を表したものである。なお図４のシミュレーションモデルにおける反射板１は、実際にはｘｚ平面上に無限遠に広がっている。
なお以下の説明において、反射板１の伝送特性Ｓ２１が１／１０以下（−１０ｄＢ以下）となる場合における当該電磁波の周波数帯域を「バンドギャップ帯域」と定義する。
ここで伝送特性Ｓ２１が１／１０以下となる周波数帯域とは、入射波のうち反射板１によって反射する電磁波の比率が９／１０以上となって、反射板１を透過する透過波の電磁波の強度が入射波の１／１０以下となる周波数帯域である。またバンドギャップ帯域の中心周波数に対するバンドギャップ帯域幅の比率を比帯域［％］で表し、バンドギャップ帯域幅の実効的な大きさを示す指標とする。
【００２８】
図５及び図６には、シミュレーション実行時において、周期幅ａのパラメータに対してそれぞれ異なる値を設定した場合における各伝送特性Ｓ２１がＡ１〜Ｄ１（図５）及びＡ２〜Ｄ２（図６）で示されている。ここで、本実施形態に係る反射板１は、ｗ＝９．４ｍｍで固定とする。図５に示す複数のグラフのうち、例えば実線Ａで示すグラフは、周期幅ａをａ＝３．４ｗ（＝３２ｍｍ）と設定した場合における反射板１の伝送特性である。このグラフによると、伝送特性Ｓ２１が−１０ｄＢ以下となる周波数は、約４．２ＧＨｚ〜５．３ＧＨｚの間であるから、バンドギャップ帯域幅は、１．１ＧＨｚとなる。またバンドギャップ帯域幅の中心周波数は、４．７５ＧＨｚであるから、比帯域は１．１／４．７５≒０．２３（２３％）となる。
【００２９】
図７は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性をまとめた第１の図である。また、図８は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性をまとめた第２の図である。
図７、図８には、周期幅ａごとの反射板１についてのバンドギャップ帯域幅及び比帯域についてまとめている。図７の各行に示す周期幅ａ及び比帯域は、図５に示すＡ１〜Ｄ１の各グラフに対応しており、図８の各行に示す数値は、図６に示すＡ２〜Ｄ２の各グラフに対応している。図７に示す周期幅ａごとの反射板１は、ａ＝３．４ｗ（＝３２．０ｍｍ）で比帯域２３％、ａ＝３．８ｗ（＝３５．７ｍｍ）で比帯域３２％、ａ＝４．２ｗ（＝３９．５ｍｍ）で比帯域２８％、ａ＝４．９ｗ（＝４６．１ｍｍ）で比帯域２１％と、いずれも２０％以上の比帯域を実現している。一方、図８に示す周期幅ａごとの反射板１は、ａ＝３．２ｗ（＝３０．０ｍｍ）で比帯域２３％、ａ＝４．０ｗ（＝３７．５ｍｍ）で比帯域３２％、ａ＝４．８ｗ（＝４５．０ｍｍ）で比帯域２１％となるが、ａ＝５．６ｗ（＝５２．５ｍｍ）で比帯域１５％となり２０％を下回っている。またａ＝２．４ｗ（＝２２．５ｍｍ）ではバンドギャップ帯域が現れない。
【００３０】
図９は、本発明の第１の実施形態に係る反射板の特性をまとめたグラフ図である。
図９に示すグラフは、横軸に周期幅ａ［ｍｍ］を、縦軸に比帯域［％］をとり、反射板１の周期幅ａとその場合における比帯域の関係を示している。図９に示すグラフの各プロットは、図７及び図８で示した各周期幅ａ［ｍｍ］及び比帯域［％］に対応している。ここで上述した比帯域の所定値として２０％を選択する。そうすると、図９に示すグラフによると、比帯域が２０％以上となる領域は、３２．０ｍｍ≦ａ≦４６．１ｍｍ、すなわち３．４ｗ≦ａ≦４．９ｗとなる条件を満たす場合であることが読み取れる。したがって、本実施形態に係る反射板１は、３．４ｗ≦ａ≦４．９ｗとなる条件を満たすことで比帯域が２０％以上となり、バンドギャップ幅の広帯域化を実現することができる。
以上、本発明の第１の実施形態によれば、バンドギャップ帯域が比帯域２０％以上に広帯域化される反射板及びアンテナ装置を提供することができる。なお、第１の実施形態に係る反射板及びアンテナ装置の他、以下の実施形態に係る反射板及びアンテナ装置も、同様の効果を得ることができる。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置を、図面を参照して説明する。
第２の実施形態に係るアンテナ装置１００は、第１の実施形態に係る反射板１の代わりに、以下に説明する反射板２を備えている。なお本実施形態に係るアンテナ装置１００は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００と同一の構成（図１）を有している。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る反射板の斜視図である。また図１１は、本発明の第２の実施形態に係る反射板の平面図である。ここで図１１（ａ）は、反射板２をｙ軸の矢印方向から見た場合の平面図であり、図１１（ｂ）は、反射板２を、ｘ軸の矢印の逆方向から見た場合の平面図である。
反射板２は、図１０、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、円柱状の誘電体からなる柱状素子を、反射する電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。第１の実施形態に係る反射板１と同様に、反射板２は、ｘｚ平面に平行な面を有する反射層がｙ軸方向に４層に重なった構造を有している。具体的には、反射板２は、図１０に示すように、第一の反射層２Ａ、第二の反射層２Ｂ、第三の反射層２Ｃ及び第四の反射層２Ｄの４つの層が積層されてなる構造を有している。
【００３２】
まず、第一の反射層２Ａは、円柱状の誘電体からなる第一柱状素子２０ａが、同一平面上（ｘｚ平面上）において平行かつ等間隔（周期幅ａ）に周期配列されて成る層である。なお周期配列される複数の第一柱状素子２０ａの延在方向は、ｚ軸に平行な方向である（図１０、図１１（ａ））。第一の反射層２Ａを構成する第一柱状素子２０ａは、図１０、図１１（ａ）に示すように、間隔ａで等間隔に周期配列される。第一柱状素子２０ａの各々は、その底面が、直径ｒの円形からなる円柱状を成している（図１１（ａ）、（ｂ））。
【００３３】
同様に、第二の反射層２Ｂは、円柱状の誘電体からなる第二柱状素子２０ｂが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る。ここで、複数の第二柱状素子２０ｂは、複数の第一柱状素子２０ａと等間隔、すなわち周期幅ａで周期配列される。また周期配列される複数の第二柱状素子２０ｂの延在方向は、ｘ軸に平行な方向である（図１０、図１１（ａ））。したがって、複数の第二柱状素子２０ｂは、複数の第一柱状素子２０ａと直交して、互いの側面（曲面）同士が一点で接するようにして配され、第一柱状素子２０ａとともに格子状を成している。本実施形態に係る第二柱状素子２０ｂも、第一柱状素子２０ａと同様に、その底面が、直径ｒの円形からなる円柱状を成している。（図１１（ａ）、（ｂ））。
【００３４】
同様に、第三の反射層２Ｃは、円柱状の誘電体からなる第三柱状素子２０ｃが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る層である。ここで、複数の第三柱状素子２０ｃは、第一の反射層２Ａの第一柱状素子２０ａと平行（第三柱状素子２０ｃの延在方向が、ｚ軸に平行な方向）となるように配される。また、各第三柱状素子２０ｃの間隔（周期幅）は、第一柱状素子２０ａ及び第二柱状素子２０ｂと同様の周期幅ａである。ただし、図１０及び図１１（ａ）に示すように、これら複数の第三柱状素子２０ｃは、第一柱状素子２０ａと半周期（ａ／２）分ずれるようにして配される。さらに、図１１（ｂ）に示すように、第三の反射層２Ｃは、第二の反射層２Ｂを、第一の反射層２Ａとともに挟み込むように、第二の反射層２Ｂと接して配される。したがって、複数の第三柱状素子２０ｃは、複数の第二柱状素子２０ｂと直交して、互いの側面（曲面）同士が一点で接するようにして配される。なお全ての第三柱状素子１０ｃは、第一柱状素子２０ａ、第二柱状素子２０ｂと同様に、その底面が、直径ｒの円形からなる円柱状を成している（図１１（ａ）、（ｂ））。
【００３５】
そして第四の反射層２Ｄは、円柱状の誘電体からなる第四柱状素子２０ｄが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る層である。ここで、複数の第四柱状素子２０ｄは、第二の反射層２Ｂの第二柱状素子２０ｂと平行（第四柱状素子２０ｄの延在方向が、ｘ軸に平行な方向）となるように配される。また、各第四柱状素子２０ｄの間隔（周期幅）は、第一柱状素子２０ａ、第二柱状素子２０ｂ及び第三柱状素子２０ｃと同様の周期幅ａである。ただし、図１０及び図１１（ａ）に示すように、これら複数の第四柱状素子２０ｄは、第二柱状素子２０ｂと半周期（ａ／２）分ずれるようにして配される。さらに、図１１（ｂ）に示すように、第四の反射層２Ｄは、第三の反射層２Ｃを、第二の反射層２Ｂとともに挟み込むように、第三の反射層２Ｃと接して配される。したがって、複数の第四柱状素子２０ｄは、複数の第三柱状素子２０ｃと直交して、互いの側面（曲面）が一点で接するようにして配される。なお全ての第四柱状素子２０ｄは、第一柱状素子２０ａ、第二柱状素子２０ｂ及び第三柱状素子２０ｃと同様に、その底面が、直径ｒの円形からなる円柱状を成している（図１１（ａ）、（ｂ））。
【００３６】
このように、本実施形態に係る反射板２は、第一の反射層２Ａ〜第四の反射層２Ｄがｙ軸方向に積層されて、厚さ４ｒの板状の層となる（図１１（ｂ））。なお図１０及び図１１（ａ）、（ｂ）には、反射板２のうちの一領域のみ（２周期分の幅のみ）しか記載していないが、反射板２は、実際には、図１０及び図１１（ａ）、（ｂ）に示した構造が、ｘ軸方向及びｚ軸方向に繰り返し配されてｘｚ平面上に広がった構造となっている。また上述したように、本実施形態に係る反射板２を構成する第一柱状素子２０ａ〜第四柱状素子２０ｄは、全て比誘電率ε０が９．６の誘電体で形成されている。
【００３７】
なお本実施形態に係る反射板２は、第一柱状素子２０ａ、第二柱状素子２０ｂ、第三柱状素子２０ｃ、第四柱状素子２０ｄの各々の底面の大きさ（直径ｒ）と、複数の第一柱状素子２０ａ〜第四柱状素子２０ｄの間隔（周期幅ａ）とが、「比帯域」が２０％以上となる条件を満たすように定められる。
【００３８】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る反射板の特性を示す図である。
図１２には、シミュレーション実行時において、周期幅ａのパラメータに対してそれぞれ異なる値を設定した場合における各伝送特性Ｓ２１がＡ３〜Ｄ３で示されている。ここで、図１２に示すグラフは、第１の実施形態に係る反射板１の伝送特性Ｓ２１を示した図５、図６のグラフと同様、電磁界シミュレータに基づくシミュレーション結果である。また、このシミュレーション結果は、第１の実施形態に係る反射板１の特性を示した図５、図６のグラフの算出時と同等のシミュレーションモデル（図４）を用いて算出されたものである。なお本実施形態に係る反射板２は、ｒ＝９．４ｍｍで固定とする。図１２に示す複数のグラフのうち、例えば実線Ａ３で示すグラフは、周期幅ａをａ＝４．０ｒ（３７．５ｍｍ）と設定した場合における反射板２の伝送特性である。このグラフによると、伝送特性Ｓ２１が−１０ｄＢ以下となる周波数帯域は、約４．０ＧＨｚ〜５．４ＧＨｚの間であるから、バンドギャップ帯域幅は、１．４ＧＨｚとなる。またバンドギャップ帯域幅の中心周波数は、４．７ＧＨｚであるから、比帯域は１．４／４．７≒０．３０（３０％）となる。
【００３９】
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る反射板の特性をまとめた図である。
図１３には、周期幅ａごとの反射板２についてのバンドギャップ帯域幅及び比帯域についてまとめている。図１３の各行に示す周期幅ａ及び比帯域は、図１２に示すＡ３〜Ｄ３の各グラフに対応している。図１３に示す周期幅ａごとの反射板２は、ａ＝２．９ｒ（＝２７．３ｍｍ）で比帯域２３％、ａ＝４．０ｒ（＝３７．５ｍｍ）で比帯域３０％、ａ＝４．６ｒ（＝４３．１ｍｍ）で比帯域２１％と、いずれも２０％以上の比帯域を実現している。
【００４０】
図１３より、本実施形態に係る反射板２において比帯域が２０％以上となるためには、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒとなる条件を満たす場合であることが読み取れる。したがって、本実施形態に係る反射板２は、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒとなる条件を満たすことで比帯域が２０％以上となり、バンドギャップ幅の広帯域化を実現することができる。
以上、本発明の第２の実施形態によれば、バンドギャップ帯域が比帯域２０％以上に広帯域化される反射板及びアンテナ装置を提供することができる。
【００４１】
＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置を、図面を参照して説明する。
第３の実施形態に係るアンテナ装置１００は、第１の実施形態に係る反射板１の代わりに、以下に説明する反射板３を備えている。なお本実施形態に係るアンテナ装置１００は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００と同一の構成（図１）を有している。
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る反射板の斜視図である。また図１６は、本発明の第３の実施形態に係る反射板の平面図である。ここで図１６（ａ）は、反射板３をｙ軸の矢印方向から見た場合の平面図であり、図１６（ｂ）は、反射板３を、ｘ軸の矢印の逆方向から見た場合の平面図である。
反射板３は、図１５、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、六角柱状の誘電体からなる柱状素子を、反射する電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。第１の実施形態または第２の実施形態に係る反射板１，２と同様に、反射板３は、ｘｚ平面に平行な面を有する反射層がｙ軸方向に４層に重なった構造を有している。具体的には、反射板３は、図１５に示すように、第一の反射層３Ａ、第二の反射層３Ｂ、第三の反射層３Ｃ及び第四の反射層３Ｄの４つの層が積層されてなる構造を有している。
【００４２】
まず、第一の反射層３Ａは、六角柱状の誘電体からなる第一柱状素子３０ａが、同一平面上（ｘｚ平面上）において平行かつ等間隔（周期幅ａ）に周期配列されて成る層である。なお周期配列される複数の第一柱状素子３０ａの延在方向は、ｚ軸に平行な方向である（図１５、図１６（ａ））。第一の反射層３Ａを構成する第一柱状素子３０ａは、図１５、図１６（ａ）に示すように、間隔ａで等間隔に周期配列される。第一柱状素子３０ａの各々は、その底面が、直径ｒの円に内接する正六角形からなる六角柱状を成している（図１６（ａ）、（ｂ））。
【００４３】
同様に、第二の反射層３Ｂは、六角柱状の誘電体からなる第二柱状素子３０ｂが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る。ここで、複数の第二柱状素子３０ｂは、複数の第一柱状素子３０ａと等間隔、すなわち周期幅ａで周期配列される。また周期配列される複数の第二柱状素子３０ｂの延在方向は、ｘ軸に平行な方向である（図１５、図１６（ａ））。したがって、複数の第二柱状素子３０ｂは、複数の第一柱状素子３０ａと直交して、互いの側面の一辺同士が一点で接するようにして配され、第一柱状素子３０ａとともに格子状を成している。本実施形態に係る第二柱状素子３０ｂも、第一柱状素子３０ａと同様に、その底面が、直径ｒの円に内接する正六角形からなる六角柱状を成している。（図１６（ａ）、（ｂ））。
【００４４】
同様に、第三の反射層３Ｃは、六角柱状の誘電体からなる第三柱状素子３０ｃが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る層である。ここで、複数の第三柱状素子３０ｃは、第一の反射層３Ａの第一柱状素子３０ａと平行（第三柱状素子３０ｃの延在方向が、ｚ軸に平行な方向）となるように配される。また、各第三柱状素子３０ｃの間隔（周期幅）は、第一柱状素子３０ａ及び第二柱状素子３０ｂと同様の周期幅ａである。ただし、図１５及び図１６（ａ）に示すように、これら複数の第三柱状素子３０ｃは、第一柱状素子３０ａと半周期（ａ／２）分ずれるようにして配される。さらに、図１６（ｂ）に示すように、第三の反射層３Ｃは、第二の反射層３Ｂを、第一の反射層３Ａとともに挟み込むように、第二の反射層３Ｂと接して配される。したがって、複数の第三柱状素子３０ｃは、複数の第二柱状素子３０ｂと直交して、互いの側面の一辺同士が一点で接するようにして配される。なお全ての第三柱状素子３０ｃは、第一柱状素子３０ａ、第二柱状素子３０ｂと同様に、その底面が、直径ｒの円に内接する正六角形からなる六角柱状を成している（図１６（ａ）、（ｂ））。
【００４５】
そして第四の反射層３Ｄは、六角柱状の誘電体からなる第四柱状素子３０ｄが、同一平面上（ｘｚ平面上）において並行かつ等間隔に周期配列されて成る層である。ここで、複数の第四柱状素子３０ｄは、第二の反射層３Ｂの第二柱状素子３０ｂと平行（第四柱状素子３０ｄの延在方向が、ｘ軸に平行な方向）となるように配される。また、各第四柱状素子３０ｄの間隔（周期幅）は、第一柱状素子３０ａ、第二柱状素子３０ｂ及び第三柱状素子３０ｃと同様の周期幅ａである。ただし、図１５及び図１６（ａ）に示すように、これら複数の第四柱状素子３０ｄは、第二柱状素子３０ｂと半周期（ａ／２）分ずれるようにして配される。さらに、図１６（ｂ）に示すように、第四の反射層３Ｄは、第三の反射層３Ｃを、第二の反射層３Ｂとともに挟み込むように、第三の反射層３Ｃと接して配される。したがって、複数の第四柱状素子３０ｄは、複数の第三柱状素子３０ｃと直交して、互いの側面の一辺同士が一点で接するようにして配される。なお全ての第四柱状素子３０ｄは、第一柱状素子３０ａ、第二柱状素子３０ｂ及び第三柱状素子３０ｃと同様に、その底面が、直径ｒの円に内接する正六角形からなる六角柱状を成している（図１６（ａ）、（ｂ））。
【００４６】
このように、本実施形態に係る反射板３は、第一の反射層３Ａ〜第四の反射層３Ｄがｙ軸方向に積層されて、厚さ４ｒの板状の層となる（図１６（ｂ））。なお図１５及び図１６（ａ）、（ｂ）には、反射板３のうちの一領域のみ（２周期分の幅のみ）しか記載していないが、反射板３は、実際には、図１５及び図１６（ａ）、（ｂ）に示した構造が、ｘ軸方向及びｚ軸方向に繰り返し配されてｘｚ平面上に広がった構造となっている。また上述したように、本実施形態に係る反射板３を構成する第一柱状素子３０ａ〜第四柱状素子３０ｄは、全て比誘電率ε０が９．６の誘電体で形成されている。
【００４７】
なお本実施形態に係る反射板３は、第一柱状素子３０ａ、第二柱状素子３０ｂ、第三柱状素子３０ｃ、第四柱状素子３０ｄの各々の底面の大きさ（正六角形の外接円の直径ｒ）と、複数の第一柱状素子３０ａ〜第四柱状素子３０ｄの間隔（周期幅ａ）とが、「比帯域」が２０％以上となる条件を満たすように定められる。
【００４８】
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る反射板の特性を示す図である。
図１６には、シミュレーション実行時において、周期幅ａのパラメータに対してそれぞれ異なる値を設定した場合における各伝送特性Ｓ２１がＡ４〜Ｄ４で示されている。ここで、図１６に示すグラフは、第１の実施形態に係る反射板１の特性を示した図５、図６のグラフと同様、電磁界シミュレータに基づくシミュレーション結果である。また、このシミュレーション結果は、第１の実施形態に係る反射板１の特性を示した図５、図６のグラフの算出時と同等のシミュレーションモデル（図４）を用いて算出されたものである。なお本実施形態に係る反射板３は、ｒ＝９．４ｍｍで固定とする。図１６に示す複数のグラフのうち、例えば実線Ａ４で示すグラフは、周期幅ａをａ＝４．０ｒ（３７．５ｍｍ）と設定した場合における反射板３の伝送特性である。このグラフによると、伝送特性Ｓ２１が−１０ｄＢ以下となる周波数帯域は、約４．０ＧＨｚ〜５．４ＧＨｚの間であるから、バンドギャップ帯域幅は、１．４ＧＨｚとなる。またバンドギャップ帯域幅の中心周波数は、４．７ＧＨｚであるから、比帯域は１．４／４．７≒０．３０（３０％）となる。
【００４９】
図１７は、本発明の第３の実施形態に係る反射板の特性をまとめた図である。
図１７には、周期幅ａごとの反射板３についてのバンドギャップ帯域幅及び比帯域についてまとめている。図１７の各行に示す数値は、図１７に示す各グラフに対応している。図１７に示す周期幅ａごとの反射板３は、ａ＝２．９ｒ（＝２７．３ｍｍ）で比帯域２３％、ａ＝４．０ｒ（＝３７．５ｍｍ）で比帯域３０％、ａ＝４．６ｒ（＝４３．１ｍｍ）で比帯域２１％と、いずれも２０％以上の比帯域を実現している。
【００５０】
したがって、本実施形態に係る反射板３において比帯域が２０％以上となるためには、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒとなる条件を満たす場合であることが読み取れる。したがって、本実施形態に係る反射板３は、柱状素子の断面を六角形とした場合であっても、円柱の場合（第２の実施形態）と同様に、２．９ｒ≦ａ≦４．６ｒとなる条件を満たすことで比帯域が２０％以上となり、バンドギャップ幅の広帯域化を実現することができる。
以上、本発明の第３の実施形態によれば、バンドギャップ帯域が比帯域２０％以上に広帯域化される反射板及びアンテナ装置を提供することができる。
【００５１】
なお本実施形態においては、柱状素子３０ａ〜３０ｄの底面を、直径ｒの円に内接する正六角形としたが、本発明の他の実施形態においては、この態様に限定されることはない。つまり、当該他の実施形態に係る反射板は、柱状素子の底面を、直径ｒの円に内接する六角形以上の多角形とし、柱状素子３０ａ〜３０ｄ全てが多角柱状となる構成であってもよい。このような場合であっても、第２の実施形態で説明した反射板２と同等の特性を得ることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１００・・・アンテナ装置
１、２、３、４・・・反射板
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ・・・第一の反射層
１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ・・・第二の反射層
１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ・・・第三の反射層
１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ、４Ｄ・・・第四の反射層
１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ・・・第一柱状素子
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ・・・第二柱状素子
１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ、４０ｃ・・・第三柱状素子
１０ｄ、２０ｄ、３０ｄ、４０ｄ・・・第四柱状素子
５・・・放射素子
【図１】
2014217031.tif 000003
【図２】
2014217031.tif 000004
【図３】
2014217031.tif 000005
【図４】
2014217031.tif 000006
【図５】
2014217031.tif 000007
【図６】
2014217031.tif 000008
【図７】
2014217031.tif 000009
【図８】
2014217031.tif 000010
【図９】
2014217031.tif 000011
【図１０】
2014217031.tif 000012
【図１１】
2014217031.tif 000013
【図１２】
2014217031.tif 000014
【図１３】
2014217031.tif 000015
【図１４】
2014217031.tif 000016
【図１５】
2014217031.tif 000017
【図１６】
2014217031.tif 000018
【図１７】
2014217031.tif 000019