(57)【要約】【課題】バンドギャップを形成する周波数帯域を変更することなく小型化可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】電磁波を送受信するアンテナ放射素子と、細長形状の複数の第１の誘電体を空隙を設けるように周期配列した層が複数積層されて構成され、隣接する前記層の誘電体同士が互いに直交するように前記層が重ねられている特定の周波数帯の前記電磁波を反射する反射板とを有し、重ねられた前記層における第１の誘電体間の前記空隙に前記第１の誘電体と比べて比誘電率が異なる第２の誘電体が挿入されている。【選択図】図１
2015119362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を送受信するアンテナ放射素子と、
細長形状の複数の第１の誘電体を空隙を設けるように周期配列した層が複数積層されて構成され、隣接する前記層の誘電体同士が互いに直交するように前記層が重ねられている特定の周波数帯の前記電磁波を反射する反射板とを有し、
重ねられた前記層における第１の誘電体間の前記空隙に前記第１の誘電体と比べて比誘電率が異なる第２の誘電体が挿入されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記第２の誘電体は、前記第１の誘電体と比べて比誘電率が低い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】
さらに、前記アンテナ放射素子と前記反射板との間に、前記第１の誘電体と比べて比誘電率が低い第３の誘電体が挿入されていることを特徴とする請求項１又は請求項２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、アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周期配列構造を有しており、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としてメタマテリアル技術が提案されている。メタマテリアルには、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】
非特許文献１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。非特許文献１のアンテナ装置では、反射板として上述のような周期配列構造により形成される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て構成されている。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。
また、特許文献１には、非特許文献１の技術を用いた複数のメタマテリアル反射板を有するアンテナ装置が提案されている。
【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】G. S. Smith, M. P. Kesler, and J. G. Maloney, “Dipole antennas used with all-dielectric, woodpile photonic-bandgap reflectors: gain, field patterns, and input impedance,” 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】
しかしながら、特許文献１に記載のアンテナ装置では、複数の上記メタマテリアル反射板を用いているため、メタマテリアル反射板は構造的に厚みを持ち、アンテナ装置を小型化することができない。単純には角柱状や円柱状の誘電体を小型化することが想定できる。しかしながら、このような誘電体で形成したメタマテリアル反射板を用いたアンテナ装置は、バンドギャップを形成する周波数帯域が変化し、所望周波数帯域においてアンテナ装置として動作しない。
【０００７】
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、バンドギャップを形成する周波数帯域を変更することなく小型化可能なアンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、電磁波を送受信するアンテナ放射素子と、細長形状の複数の第１の誘電体を空隙を設けるように周期配列した層が複数積層されて構成され、隣接する前記層の誘電体同士が互いに直交するように前記層が重ねられている特定の周波数帯の前記電磁波を反射する反射板とを有し、重ねられた前記層における第１の誘電体間の前記空隙に前記第１の誘電体と比べて比誘電率が異なる第２の誘電体が挿入されていることを特徴とするアンテナ装置である。
【０００９】
また、本発明の一態様は、上述したアンテナ装置であって、前記第２の誘電体は、前記第１の誘電体と比べて比誘電率が低い。
【００１０】
また、本発明の一態様は、上述したアンテナ装置であって、さらに、前記アンテナ放射素子と前記反射板との間に、前記第１の誘電体と比べて比誘電率が低い第３の誘電体が挿入されている。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、バンドギャップを形成する周波数帯域を変更することなく、アンテナ装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るアンテナ装置１００を示す図である。
【図２】本実施形態に係る反射板１の１つのエレメントを説明する図である。
【図３】本実施形態に係る誘電体２を挿入したアンテナ装置１００の反射板１のサイズを説明する図である。
【図４】本実施形態に係るアンテナ装置１００の特性を説明する図である。
【図５】本実施形態に係る反射板１の特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本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。
【００１４】
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、アンテナ放射素子５と、を備えている。
図１（ａ）は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の斜視図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の側面図である。
アンテナ放射素子５は、特定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５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特定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。
【００１５】
アンテナ放射素子５は、図１（ｂ）に示すように、後述する反射板１と、離間距離ｓをもって対向するように設置されている。アンテナ放射素子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、本実施形態に係るアンテナ装置１００のアンテナ放射素子５は、図１（ａ）に示すように、ｚ軸に沿って延在したダイポールアンテナとしているが、他の実施形態に係るアンテナ装置１００については、この態様に限定されない。例えば、アンテナ放射素子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。
また、アンテナ放射素子５と反射板１との離間距離ｓは、アンテナ装置１００で送受信する電磁波の周波数に応じて、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１００で送受信する電磁波の波長の整数分の一（例えば１／４）などと設定するのが好ましい。
【００１６】
反射板１は、細長形状の誘電体である誘電体棒（第１の誘電体）を空隙を設けるように周期配列した層が複数積層されて構成されている。また、反射板１は隣接する層の誘電体同士が互いに直交するように層が重ねられている。反射板１は、誘電体棒がアンテナ装置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、周期配列させたメタマテリアル構造をなす基板である。反射板１は、このメタマテリアル構造に基づいて、アンテナ放射素子５から放射される特定の周波数帯域に属する電磁波のみを反射させる特性を有する。
より具体的には、本実施形態に係る反射板１は、格子状に形成された細長形状の誘電体である誘電体棒からなる反射層（後述する第１の反射層１Ａ、第２の反射層１Ｂ）が、２層並べられて配列されてなる。なおこの反射板１は、図１（ａ）に示すように、その板面がｙｚ平面と平行な面となるように配されている。
図１（ａ）に示すように、反射板１は、細長形状の誘電体である誘電体棒が、反射する電磁波の波長より充分に短い距離で等間隔の周期をもって格子状に形成された第１の反射層１Ａ、第２の反射層１Ｂが組み合わされてなる反射板である。第１の反射層１Ａ、第２の反射層１Ｂは、周期配列される複数の誘電体棒が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。正方格子をなす各柱の底面は、いずれも一辺がｗの正方形となっている。
【００１７】
反射板１は、図２に示すように、複数のエレメントから構成されている。図２（ａ）は、反射板１の全体図を示す図である。図２（ｂ）は、反射板１の１エレメントを示す図である。１つのエレメントは、横の長さと高さとがａであり、縦の長さが４ｗであり、全体の体積が４ａ２ｗである。また、１つのエレメントは、底面積ｗ２、高さａである４本の誘電体棒から構成されているため、誘電体の体積が４ａｗ２となる。これより、１つのエレメントの空隙の体積は、４ａ２ｗ−４ａｗ２=４ａｗ（ａ−ｗ）となる。
また、本実施形態に係る反射板１を構成する第１の反射層１Ａ、第２の反射層１Ｂは、いずれも比誘電率εｒｐの誘電体で形成されている。
なお、本実施形態に係る反射板１の誘電体棒は角柱状としているが、他の実施形態に係るアンテナ装置１００については、この態様に限定されない。例えば、誘電体棒は、円柱状等であってもよい。
【００１８】
図１に戻り、誘電体２は、例えばテフロン（登録商標）などの誘電体（第２の誘電体）であり、反射板１と異なる誘電体である。誘電体２は、反射板１よりも比誘電率が低い。誘電体２は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、細長形状の誘電体である誘電体棒のメタマテリアル構造をとる反射板１の空隙、つまり複数の誘電体棒間（第１の誘電体間）の空隙に挿入される。以下、本実施形態において、誘電体２の比誘電率を比誘電率εｒｉとして表す。
【００１９】
ここで、誘電体２を反射板１の空隙に挿入することで、バンドギャップを形成する周波数帯域を変更することなく、反射板１を小型化することができる原理について説明する。
まず、誘電体棒の比誘電率をεｒｐ、反射板１の空隙に挿入する誘電体２の比誘電率をεｒｉとして、誘電体棒と誘電体２の体積の比である式（１）に示す式を構成比と定義する。
【００２０】
【数１】
2015119362.tif 000003
【００２１】
誘電体２を反射板１の空隙に挿入する前の全体の誘電率εは、式（２）より求めることができる。
【００２２】
【数２】
2015119362.tif 000004
【００２３】
なお、ε０は真空の誘電率である。誘電体２を反射板１の空隙に挿入した後の全体の誘電率、つまり誘電体棒と誘電体２との２種類の誘電体全体の平均的な誘電率ε’は、式（３）より求めることができる。
【００２４】
【数３】
2015119362.tif 000005
【００２５】
これより、誘電体２を反射板１の空隙に挿入した後の全体の誘電率をε’＝ｍεとすると、係数ｍは、式（４）により求めることができる。
【００２６】
【数４】
2015119362.tif 000006
【００２７】
なお、係数ｍは、誘電体２を反射板１の空隙に挿入した後の全体の誘電率ε’に対する誘電体２を反射板１の空隙に挿入する前の全体の誘電率εの割合を示す。
【００２８】
ここで、全体の誘電率εaと共振周波数ｆ０は、式（５）の関係を持つ。
【００２９】
【数５】
2015119362.tif 000007
【００３０】
なお、α（＞０）は、反射板１の形状によって決定する係数であり、例えば、αはｎの値によって変化する。式（５）より、誘電体２を挿入することで全体の誘電率が高くなると、共振周波数ｆ０が低くなる。よって、誘電体２を反射板１の空隙に挿入する前と、挿入した後での共振周波数ｆ０を同一にするには、反射板１を構成する誘電体棒などの寸法を全体の誘電率εaの（−０．１７）乗倍とすればよい。
ここで、反射板１は、誘電体棒を格子状に構成することとし、εｒｐ＝９．６、εｒｉ＝２．１とする。
また、式（１）より、誘電体棒と誘電体２の体積の比をｎ：（１−ｎ）としたことにより、上述した１エレメントの誘電体棒の体積４ａｗ２＝ｎである。また、１つのエレメントの空隙の体積４ａｗ（ａ−ｗ）に誘電体２を挿入するため、４ａｗ（ａ−ｗ）＝１−ｎである。よって、ｗ＝ａ／４の場合、ｎ＝１／４となる。本実施形態では、ｎ＝１／４の場合について説明する。
これより、ｎ＝１／４、εｒｐ＝９．６、εｒｉ＝２．１を式（４）に代入すると、ｍ＝１．６６となり、誘電体棒の寸法は、式（６）となる。
【００３１】
【数６】
2015119362.tif 000008
【００３２】
式（６）で求めた柱の寸法から、アンテナ装置１００の体積は、式（７）となる。
【００３３】
【数７】
2015119362.tif 000009
【００３４】
これより、誘電体２を反射板１の空隙に挿入すると、アンテナ装置１００は、バンドギャップを形成する周波数帯域を変更することなく２２％の体積減、つまり小型化が実現できる。
次に、上述した体積を２２％の削減したアンテナ装置１００の反射板１のサイズについて、図３を用いて説明する。図３は、εｒｐ＝９．６、εｒｉ＝２．１の際に誘電体２を挿入したアンテナ装置１００の反射板１のサイズを説明する図である。図３（ａ）は、誘電体２を反射板１の空隙に挿入した後のアンテナ装置を示す図である。図３（ｂ）は、誘電体２を反射板１の空隙に挿入する前のアンテナ装置を示す図である。
例えば、誘電体２を反射板１の空隙に挿入する前のアンテナ装置は、ａ＝４１．００ｍｍ、ｗ＝１０．２５ｍｍである場合、高さが９２ｍｍ、横９２．２５ｍｍ、縦４１ｍｍである。このアンテナ装置１００の共振周波数ｆ０を変更することなく、アンテナ装置１００、つまり反射板１を小型化する場合、誘電体２を反射板１の空隙に挿入することで、ａ＝３８．００ｍｍ、ｗ＝９．５０ｍｍに柱の寸法を短くすることができる。よって、誘電体２を反射板１の空隙に挿入した後のアンテナ装置１００は、高さが８５ｍｍ、横８５ｍｍ、縦３８ｍｍとなり、従来のアンテナ装置を小型化できる。
【００３５】
図４は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の特性を説明する図である。
図４（ａ）、（ｂ）に示す実線のグラフは、反射板１を備えるアンテナ装置１００が放射する電磁波の周波数ｆをそれぞれ（ａ）３．２ＧＨｚ、（ｂ）３．４ＧＨｚＧＨｚとした場合における、アンテナ装置１００の水平面放射パターンを示している。
ここで、図４に示す水平放射パターンの水平面は、ｘｙ平面（図１等を参照）であり、アンテナ装置１００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。なお、図４においては、円の中心から１８０°を向く方角を−ｘ軸方向に一致させている。
また、図４（ａ）、（ｂ）に示す破線のグラフは、誘電体２を反射板１の空隙に挿入したアンテナ装置１００の水平放射パターンを示している。また、実線のグラフは、誘電体２を反射板１の空隙に挿入しない従来のアンテナ装置の水平放射パターンを示している。なお、反射板１は、ａ＝３８．００ｍｍ、ｗ＝９．５０ｍｍ、比誘電率εｒｐ＝９．６、εｒｉ＝２．１としている。一方、従来のアンテナ装置の反射板は、ａ＝４１．００ｍｍ、ｗ＝１０．２５ｍｍ、誘電率εｒｐ＝９．６としている。
【００３６】
ここで、図４（ａ）に示すように、誘電体２を反射板１の空隙に挿入したアンテナ装置１００（実線）は、誘電体２を反射板１の空隙に挿入しない従来のアンテナ装置（破線）と比較して、水平放射パターンがほぼ同一の特性となっている。
一方、図４（ｂ）に示すように、誘電体２を反射板１の空隙に挿入したアンテナ装置１００（実線）は、誘電体２を反射板１の空隙に挿入しない従来アンテナ装置（破線）と比較して、メインローブである０°方向の水平放射パターンがほぼ同一の特性となっている。
【００３７】
図５は、本実施形態に係る反射板の特性を説明する図である。
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は、空隙に誘電体２を挿入した反射板１、及び、その対比である空隙に誘電体２を挿入しない反射板（以下、「従来の反射板」という。）の伝送特性Ｓ２１を示している。ここで、伝送特性Ｓ２１とは、反射板１または従来の反射板の各々に対し、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または従来の反射板を透過するか、を示した数値である。
図５に示すグラフは、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。すなわち、図５に示すグラフは、電磁波の周波数ｆの伝送特性Ｓ２１の依存性を示している。なお、反射板１は、ａ＝３８．００ｍｍ、ｗ＝９．５０ｍｍ、比誘電率εｒｐ＝９．６、εｒｉ＝２．１としている。一方、従来の反射板は、ａ＝４１．００ｍｍ、ｗ＝１０．２５ｍｍ、誘電率εｒｐ＝９．６としている。
【００３８】
ここで、反射板１の伝送特性Ｓ２１が−１０ｄＢ以下となる場合における当該電磁波の周波数帯域を、従来の反射板の「バンドギャップ帯域」と定義する。伝送特性Ｓ２１が−１０ｄＢ以下となる周波数帯域とは、従来の反射板への入射波のうち従来の反射板によって反射される電磁波の比率が９／１０以上となって、従来の反射板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。
図５の実線で示すグラフによれば、従来の反射板のバンドギャップ帯域の中心周波数ｆは、約４．１ＧＨｚとなっている。また、従来の反射板のバンドギャップ帯域は、およそ３．５ＧＨｚ〜４．７ＧＨｚであり、バンドギャップ帯域幅Δｆは、約１．２ＧＨｚとなっている。また、バンドギャップ帯域幅の実効的な大きさを示す比帯域（バンドギャップ帯域の中心周波数ｆに対するバンドギャップ帯域幅Δｆの比率Δｆ／ｆ）は、２９％程度となっている。
これに対し、図５の破線で示すグラフによれば、空隙に誘電体２を挿入した反射板１のバンドギャップ帯域の中心周波数ｆは、約４．１ＧＨｚとなっており、従来の反射板のバンドギャップ帯域の中心周波数とほぼ同等であり、その時の透過電力も従来の反射板とほぼ同等である。。また、反射板１のバンドギャップ帯域幅は３．８ＧＨｚ〜４．４ＧＨｚであり、バンドギャップ帯域幅Δｆは、約０．６ＧＨｚとなっている。また、バンドギャップ帯域幅の実効的な大きさを示す比帯域（バンドギャップ帯域の中心周波数ｆに対するバンドギャップ帯域幅Δｆの比率Δｆ／ｆ）は、１５％程度となっている。
【００３９】
このように、反射板１の空隙に誘電体２を挿入してもバンドギャップ帯域の中心周波数と、そのときの透過電力は、従来の反射板と変化しない。また、反射板１の空隙に誘電体２を挿入することで、バンドギャップ帯域幅Δｆ（及び比帯域）はやや減少する傾向となる。しかしながら、このバンドギャップ帯域幅Δｆの減少分が、このアンテナ装置１００を用いるにあたって許容できる範囲内である場合は、反射板１の空隙に誘電体２を挿入し、誘電体棒の寸法であるａ、ｗを短くすることで、アンテナ装置１００の一層の小型化が可能となる。
【００４０】
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反射する少なくとも一の反射板は、複数の細長形状の誘電体を周期配列させたメタマテリアル構造に形成されている。また、メタマテリアル構造の反射板１の空隙、つまり誘電体棒からな反射層１Ａ、第２の反射層１Ｂの空隙に、誘電体棒と異なる誘電体であり、誘電体棒と比べて比誘電率が低い誘電体２を挿入する。さらに、アンテナ放射素子５と反射板１との間に、誘電体棒と比べて比誘電率が低い誘電体（第３の誘電体）を挿入してもよい。この場合、第３の誘電体は、アンテナ放射素子５から反射板１に送信されたすべての電磁波が通る経路に配置される。
このため、本発明のアンテナ装置では、挿入する誘電体の波長短縮効果により、バンドギャップを形成する周波数帯域を変更することなく、メタマテリアル構造の反射板の寸法やアンテナ放射素子５と反射板との距離を小さくすることができ、アンテナ装置１００の小型化をすることができる。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
１００・・・アンテナ装置
１・・・反射板
１Ａ・・・第１の反射層
１Ｂ・・・第２の反射層
２・・・第２の誘電体
５・・・アンテナ放射素子
【図１】
2015119362.tif 000010
【図２】
2015119362.tif 000011
【図３】
2015119362.tif 000012
【図４】
2015119362.tif 000013
【図５】
2015119362.tif 000014