(57)【要約】【課題】特定の周波数帯の電磁波を反射する反射板を備えるアンテナ装置において、反射板のバンドギャップに対応する周波数帯域内でビーム幅を制御する。【解決手段】  少なくとも一つの特定の周波数帯の電磁波を反射する反射板を少なくとも一つ備えるアンテナ装置において、反射板の構造パラメータを調整して反射板のバンドギャップを設計する際に、そのバンドギャップの下限周波数と上限周波数が所望の周波数帯域となる反射板の構造パラメータの範囲を求め、その範囲で反射板の構造パラメータを調整して電磁波のビーム幅を設定する手段を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの特定の周波数帯の電磁波を反射する反射板を少なくとも一つ備えるアンテナ装置において、
前記反射板の構造パラメータを調整して前記反射板のバンドギャップを設計する際に、そのバンドギャップの下限周波数と上限周波数が所望の周波数帯域となる前記反射板の構造パラメータの範囲を求め、その範囲で前記反射板の構造パラメータを調整して前記電磁波のビーム幅を設定する手段を備えた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記反射板は、金属または誘電体の複数の微細素子を周期的に配列した構造のメタマテリアル反射板であり、
前記反射板の構造パラメータの調整は、前記メタマテリアル反射板を形成する微細素子の大きさまたは間隔または材料がもつ比誘電率を調整して行う
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
少なくとも一つの特定の周波数帯の電磁波を反射する反射板を少なくとも一つ備えるアンテナ装置のビーム幅制御方法において、
前記反射板の構造パラメータを調整して前記反射板のバンドギャップを設計する第１のステップと、
前記反射板のバンドギャップの下限周波数と上限周波数が所望の周波数帯域となる前記反射板の構造パラメータの範囲を求める第２のステップと、
前記第２のステップで求めた前記反射板の構造パラメータの範囲で、前記反射板の構造パラメータを調整して前記電磁波のビーム幅を設定する第３のステップと
を有することを特徴とするビーム幅制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載のビーム幅制御方法において、
前記反射板は、金属または誘電体の複数の微細素子を周期的に配列した構造のメタマテリアル反射板であり、
前記第１のステップおよび前記第３のステップにおける前記反射板の構造パラメータの調整は、前記メタマテリアル反射板を形成する微細素子の大きさまたは間隔または材料がもつ比誘電率を調整して行う
ことを特徴とするビーム幅制御方法。
【請求項５】
請求項３に記載のビーム幅制御方法において、
反射する電磁波の周波数帯が異なる複数の反射板がある場合に、低周波数側の反射板から順番に前記第１のステップから前記第３のステップを実行してビーム幅を調整する
ことを特徴とするビーム幅制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタマテリアル反射板を用いた多周波共用アンテナにおいて、各周波数帯の電磁波ごとにビーム幅を制御するアンテナ装置およびビーム幅制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つのアンテナ装置で複数の周波数を共用し、アンテナ設置のスペース効率を向上させたアンテナ装置が開発されている。
【０００３】
図７は、特許文献１に記載のアンテナ装置の構成例を示す。
図７において、(a) はＹ−Ｚ平面図（Ｘ軸方向からみた平面図）、(b) は斜視図、(c) はＸ−Ｙ平面図（Ｚ軸方向からみた平面図）である。本アンテナ装置は、共用する周波数帯域数に相当する複数のメタマテリアル反射板１〜３とアンテナ放射素子４から構成される。アンテナ放射素子４は、共用する複数の周波数帯域で動作する多周波共用または広帯域用として形成されており、複数の周波数帯域における電磁波を送信または受信する。メタマテリアル反射板１〜３は、特定の周波数帯域におけるバンドギャップを形成するために、金属や誘電体などを周期的に配列する構造とする。この特性を、ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）特性とよび、ＥＢＧ特性を持つ構造をＥＢＧ構造とよぶ。ＥＢＧ構造を持つメタマテリアル反射板は、このバンドギャップに対応する周波数帯域では電磁波を反射し、それ以外の周波数帯域では電磁波を透過する。
【０００４】
図７に示すメタマテリアル反射板１〜３は、それぞれの構造に対応した異なる周波数帯域にバンドギャップを持ち、そのバンドギャップの周波数帯域の電磁波を反射する。このような複数のメタマテリアル反射板１〜３を送受信する電磁波の方向に配列する。アンテナ放射素子４から各々の反射板までの距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、反射する周波数帯域の波長比と同一の比率により配置する。各反射板のサイズ（Ｍ１，Ｌ１）、（Ｍ２，Ｌ２）、（Ｍ３，Ｌ３）は、距離と同様に反射する周波数帯域の波長比と同一の比率とする。このようなアンテナ構造により、１つのアンテナ装置で複数の周波数帯域を共用することができ、アンテナ設置のスペース効率を向上することができる。
【０００５】
また、アンテナ装置の用途や仕様を満たすために、ビーム幅を制御する必要がある。特許文献１のアンテナ装置のビーム幅制御方法として、メタマテリアル反射板の大きさ等を変化させる手法が特許文献２および非特許文献１に提案されている。例えば、図８に示すように、メタマテリアル反射板１２０，１３０を形成する誘電体の角柱１２１，１３１の横幅Ｗ１，Ｗ２や厚さを変えることにより、それぞれの周波数帯域のビーム幅を制御する方法が示されている。ここで、角柱の横幅とは、電磁波の方向と直交する方向の角柱の大きさであり、角柱の厚さとは電磁波の方向の角柱の大きさである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２４４１３６号公報
【特許文献２】特開２０１４−０９３５４４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】宗秀哉、安藤篤也、関智弘、川島宗也、杉山隆利、 "Woodpile型メタマテリアルを用いた等ビーム周波数共用アンテナ、" 電子情報通信学会総合大会、 B-1-148、2013年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
メタマテリアル反射板のバンドギャップは、メタマテリアル反射板の構造パラメータにより設計される。たとえば、図８に示すメタマテリアル反射板１２０，１３０では、材料（比誘電率）、角柱１２１，１３１の間隔、横幅Ｗ１，Ｗ２および厚さが構造パラメータにあたる。
【０００９】
特許文献２および非特許文献１で提案されているビーム幅制御法は、メタマテリアル反射板の構造パラメータを変更することにより制御するため、ビーム幅制御を行ったときにメタマテリアル反射板のもつバンドギャップが所望の周波数帯域からずれてしまうことがあった。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決し、特定の周波数帯の電磁波を反射する反射板を備えるアンテナ装置において、反射板のバンドギャップに対応する周波数帯域内でビーム幅を制御することができるアンテナ装置およびビーム幅制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、少なくとも一つの特定の周波数帯の電磁波を反射する反射板を少なくとも一つ備えるアンテナ装置において、反射板の構造パラメータを調整して反射板のバンドギャップを設計する際に、そのバンドギャップの下限周波数と上限周波数が所望の周波数帯域となる反射板の構造パラメータの範囲を求め、その範囲で反射板の構造パラメータを調整して電磁波のビーム幅を設定する手段を備える。
【００１２】
第１の発明のアンテナ装置において、反射板は、金属または誘電体の複数の微細素子を周期的に配列した構造のメタマテリアル反射板であり、反射板の構造パラメータの調整は、メタマテリアル反射板を形成する微細素子の大きさまたは間隔または材料がもつ比誘電率を調整して行う。
【００１３】
第２の発明は、少なくとも一つの特定の周波数帯の電磁波を反射する反射板を少なくとも一つ備えるアンテナ装置のビーム幅制御方法において、反射板の構造パラメータを調整して反射板のバンドギャップを設計する第１のステップと、反射板のバンドギャップの下限周波数と上限周波数が所望の周波数帯域となる反射板の構造パラメータの範囲を求める第２のステップと、第２のステップで求めた反射板の構造パラメータの範囲で、反射板の構造パラメータを調整して電磁波のビーム幅を設定する第３のステップとを有する。
【００１４】
第２の発明のビーム幅制御方法において、反射板は、金属または誘電体の複数の微細素子を周期的に配列した構造のメタマテリアル反射板であり、第１のステップおよび第３のステップにおける反射板の構造パラメータの調整は、メタマテリアル反射板を形成する微細素子の大きさまたは間隔または材料がもつ比誘電率を調整して行う。
【００１５】
さらに、反射する電磁波の周波数帯が異なる複数の反射板がある場合に、低周波数側の反射板から順番に第１のステップから第３のステップを実行してビーム幅を調整してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、メタマテリアル反射板のもつバンドギャップの上限周波数と下限周波数が、所望の周波数帯域内となる構造パラメータの範囲において、構造パラメータを変化させることによるビーム幅調整を実施することにより、メタマテリアル反射板のＥＢＧ特性を維持したまま、ビーム幅調整を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のアンテナ装置で用いるWoodpile型メタマテリアル反射板の構成例を示す図である。
【図２】メタマテリアル反射板の分散特性を示す図である。
【図３】メタマテリアル反射板の角柱のｗに対する上限周波数と下限周波数の関係を示す図である。
【図４】本発明のアンテナ装置の実施例構成を示す
【図５】角柱のｗに対するビーム幅の関係を示す図である。
【図６】本発明のアンテナ装置におけるビーム幅制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】特許文献１に記載のアンテナ装置の構成例を示す図である。
【図８】特許文献２に記載のメタマテリアル反射板の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明のアンテナ装置で用いるWoodpile型メタマテリアル反射板の構成例を示す。
図１において、Woodpile型メタマテリアル反射板は、誘電体の角柱を格子状に配列して構成したものであり、構造パラメータである角柱の横幅および厚さｗ、間隔ａに応じて、そのバンドギャップが変化する。なお、ここでは、角柱の横幅および厚さがｗとなる正四角柱を想定しているが、必ずしも正四角柱である必要はなく、横幅と厚さが異なっていてもよいし、例えば円柱でもよい。
【００１９】
周波数帯域ごとのWoodpile型メタマテリアル反射板のＸ軸方向の分散特性により、バンドギャップを説明する。例えば、比誘電率38の材料を用いて、ａ＝43.0ｍｍ、ｗ＝10.8ｍｍとしたときの、Ｘ軸方向のWoodpile型メタマテリアル反射板の分散特性を図２に示す。図２に示すように、 1.5ＧHzから 2.5ＧHzの間にバンドギャップが得られていることがわかる。
【００２０】
ここで、Woodpile型メタマテリアル反射板の角柱の間隔ａを一定とし、角柱の横幅および厚さｗを変化させたときの上限周波数と下限周波数の関係を図３に示す。図３に示す例では、 2.0ＧHzを所望の周波数とした場合、角柱の横幅および厚さｗを 7.5ｍｍから13.5ｍｍの範囲（Controllable range）で変化させれば、 2.0ＧHzにおけるＥＢＧ特性を担保することができる。ビーム幅を調整する場合には、角柱の横幅および厚さｗをこの範囲で変更すればよいことになる。
【００２１】
図４は、本発明のアンテナ装置の実施例構成を示す。
図４において、アンテナ装置は、アンテナ放射素子（多周波共用アンテナ）１１、メタマテリアル反射板１２、金属を用いた金属反射板１３から構成される。ここでは、メタマテリアル反射板１２における反射周波数を 2.0ＧHzとし、金属反射板１３における反射周波数を 800ＭHzとする。アンテナ放射素子１１とメタマテリアル反射板１２との距離ｓ１を37.5ｍｍとし、アンテナ放射素子１１と金属反射板１３との距離ｓ２を93.8ｍｍとする。金属反射板１３の一辺のサイズＬ２は 375ｍｍの正方形状である。メタマテリアル反射板１２の一辺のサイズＬ１は、 2.0ＧHzの約１波長となるように、角柱の周期を４周期とした。
【００２２】
角柱の横幅および厚さｗを 7.5ｍｍから13.5ｍｍの範囲（Controllable range）で変化させたときの各々の周波数における水平面内ビーム幅の変化を図５に示す。
【００２３】
図５において、角柱の横幅および厚さｗが11.0ｍｍ以下では 2.0ＧHzのビーム幅の変化はほとんどないが、横幅および厚さｗが11.0ｍｍ＜ｗ＜12.5ｍｍの範囲（Real controllable range ）では、 2.0ＧHzのビーム幅を65度から 120度の範囲で調整することができる。また、所望のビーム幅を例えば90度とすると、横幅および厚さｗは12.1ｍｍとすればよいことがわかる。一方、この範囲における 800ＭHzのビーム幅の変化はなく、メタマテリアル反射板１２の角柱の横幅および厚さｗを変化させることによる 800ＭHzへ与える影響はほぼないことがわかる。
【００２４】
以上、メタマテリアル反射板１２の角柱の横幅および厚さｗを変化させる例を示したが、所定のＥＢＧ特性を維持しながらビーム幅を調整するには、メタマテリアル反射板１２の構造パラメータである角柱の間隔または材料（比誘電率）を変えてもよい。また、角柱の横幅と厚さを個別に変えてもよい。
【００２５】
また、角柱を格子状に構成する形状だけでなく、円柱を格子状に配列する構造や面心立法格子構造でも、同様に所望の帯域内となるようなパラメータを求めることで実施することができる。
【００２６】
図６は、本発明のアンテナ装置におけるビーム幅制御手順の一例を示す。
図６において、まず、メタマテリアル反射板のＸ軸方向のＥＢＧ特性を設計する（Ｓ１）。ＥＢＧは、メタマテリアルの構造パラメータ（たとえば、角柱を格子状に配列した構造の場合、用いる材料や角柱の横幅および厚さ、間隔など）を変化させることにより設計する。このＥＢＧ特性の設計を、配置するメタマテリアル反射板の種類（数）分だけ求める。
【００２７】
つぎに、ＥＢＧ特性を満たすメタマテリアル反射板の構造パラメータの範囲を計算する（Ｓ２）。ＥＢＧ特性を満たす構造パラメータの範囲とは、所望の周波数帯域が、バンドギャップの上限周波数と下限周波数内に収まる範囲（図３に示すControllable range）である。この構造パラメータの範囲を、メタマテリアル反射板の種類（数）分だけ求める。
【００２８】
つぎに、図４に示すように金属反射板１３を用いる構成では、金属反射板のサイズを変えることにより、最低周波数のビーム幅の調整を行う（Ｓ３）。最低周波数用に金属反射板を用いない場合は、ステップＳ３を省略する。
【００２９】
最後に、図４に示すメタマテリアル反射板１２において、ＥＢＧ特性を満たす構造パラメータの範囲（図３に示すReal controllable range ）で、構造パラメータ（例えば、角柱の横幅および厚さ）を変えてビーム幅の調整を行う（Ｓ４）。メタマテリアル反射板１２が複数存在する場合、ビーム幅調整は低周波数側より設計を行い、所望のビーム幅となったら、次に低い周波数のビーム幅の調整を行う。順次、ビーム幅を調整し、最高周波数の調整が終了したら、ビーム幅の調整を終える。
【００３０】
また、ビーム幅調整の精度を上げるために、ステップＳ４の終了後にステップ３からもう一度繰り返してもよい。この場合のアンテナ構成は、多周波共用アンテナ、金属反射板、メタマテリアル反射板の構成である。
【符号の説明】
【００３１】
１，２，３，１２  メタマテリアル反射板
４，１１  アンテナ放射素子
１３  金属反射板
１１０  アンテナ放射素子
１２０，１３０  メタマテリアル反射板
１２１，１３１  誘電体の角柱
１４０  金属反射板
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１】
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【図４】
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【図７】
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