(57)【要約】【課題】  ＥＢＧ構造の反射板を用いるアンテナにおいて複数の周波数帯において動作させる。【解決手段】  アンテナ１Ａは、反射板であるＥＢＧ１を備え、ＥＢＧ１の上の高さｈの位置にアンテナ素子１５が配置されて構成されている。ＥＢＧ１は、正方形状の基板１０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ１１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板１０の裏面にはグランドプレーン１３が形成されている。パッチ１１は，図示する例では５行×５列の２５個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ５−４，Ｐ５−５が設けられており、各パッチ間には可変容量ダイオードであるバリキャップ１２が接続されている。各パッチ１１に印加する電圧＋Ｖの値を制御することでバリキャップ１２の容量値を変更することにより、ＥＧＢ１の共振周波数を変更する。【選択図】  図１
2009033324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁バンドギャップ構造の反射板と、該反射板上に密着するまで近接して配置することが可能なアンテナ素子とを備えるアンテナであって、
前記反射板における電磁バンドギャップ構造の容量成分あるいはインダクタ成分を可変することにより、前記電磁ギャップ構造が使用周波数においてほぼ共振状態となるように制御する制御手段を備えていることを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記複数のパッチ間を可変容量ダイオードで接続し、該可変容量ダイオードに印加する電圧の大きさを制御することにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
【請求項３】
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記複数のパッチを、同数の前記パッチが含まれる複数のグループにグループ分けし、該グループに属する前記パッチ間をスイッチングダイオードで接続し、前記各パッチに電圧を印加するかしないかを制御することで、前記複数のパッチを、個々のパッチあるいは前記グループ内の前記パッチが電気的に接続されたパッチとして動作させることにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分およびインダクタ成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
【請求項４】
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記複数のパッチ間を順方向と逆方向のスイッチングダイオードを並列にして接続し、前記各パッチに供給する電圧の極性および印加するかしないかを制御することで、前記複数のパッチを、個々のパッチあるいは任意の数の前記パッチが電気的に接続されたパッチとして動作させることにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分およびインダクタ成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
【請求項５】
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記基板上に配置され、前記各パッチ間の間隙上に位置する導電性の小片が形成されている制御基板を有し、該制御基板と前記基板との間隔を可変することにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
【請求項６】
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる矩形状とされた基板の表面にマトリクス状に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏側に離隔されて配置されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記マトリクスの各行を構成する各パッチ間の間隙上に位置する導電性の小片が形成され前記基板上に配置される第１の制御基板と、前記マトリクスの各列を構成する各パッチ間の間隙上に位置する導電性の小片が形成され前記基板と前記グランドプレーンとの間に配置される第２の制御基板とを有し、前記第１の制御基板と前記基板との間隔を可変すること、または、前記第２の制御基板と前記基板との間隔を可変することにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁バンドギャップ構造の反射板を備える低姿勢のアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：Electromagnetic band-gap）という人工的な構造が知られている。ＥＢＧとは波長より小さい単位構造を周期的に配列した構造とされている。単位構造は、基板の表面に金属製のパッチが形成され、基板の裏面にグランドプレーンが形成されていると共に、パッチとグランドプレーンを短絡する短絡ピンが基板を貫通して設けられている。このような構造のＥＢＧは、特定周波数で共振するようになり、共振周波数において反射波位相が＋１（同相反射）となり、表面電流が流れにくいなどの性質を有している。このＥＢＧ構造とされた地板の表面波伝播阻止特性を利用したアンテナが、従来提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３０４１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のＥＢＧ１００の構成を示す立体的な斜視図を図２８に示し、ＥＢＧ１００の構成を示す側面図を図３０に示す。これらの図に示すＥＢＧ１００は、方形の基板１１０の表面に矩形状のパッチ１１１がマトリクス状に周期的に配列されて形成されており、基板１１０の裏面にはグランドプレーン１１３が全面に形成されている。基板１１０は、所定の誘電率を有している。ＥＢＧ１００は、波長より小さい単位構造１００−１を周期的に配列した構造とされており、単位構造１００−１の１つを図２８に拡大して示している。単位構造１００−１は、基板１１０の表面に形成された矩形状のパッチ１１１のほぼ中心が、基板１１０の裏面に形成されたグランドプレーン１１３に基板１１０を貫通して設けられている短絡ピン１１４により短絡されている。このような単位構造１００−１が周期的に配列されているＥＢＧ１００においては、隣接する単位構造１００−１のパッチ１１１のパターン間に容量成分が生じると共に、パッチ１１１の長さに応じてインダクタ成分が生じる。さらに、パッチ１１１のパターンとグランドプレーン１１３間に容量成分が生じると共に、短絡ピン１１４によりインダクタ成分が生じる。
【０００４】
このようなＥＢＧ１００における単位構造１００−１の等価回路を図２９に示す。図２９に示す等価回路において、容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、パッチ１１１のパターンとパターンとの間隙により生じる容量成分であり、容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に直列に接続されているインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、パッチ１１１のパターン片長により生じるインダクタ成分であり、容量Ｃ５はパッチ１１１のパターンとグランドプレーン１３３間の容量成分であり、容量Ｃ５に並列に接続されているインダクタＬ５は短絡ピン１１４のインダクタ成分である。図２９に示す等価回路の単位構造１００−１を周期的に配列した構造とされているＥＢＧ１００においては、各単位構造１００−１に生じた容量成分とインダクタ成分によるＬＣ共振回路が連続したものと考えられ、所定の周波数に並列共振するようになる。共振周波数においては、ＥＢＧ１００はハイインピーダンス表面となり、表面電流が流れにくくなって、同相で反射するようになる。
【０００５】
このことを図３１により説明すると、図３１（ａ）は金属板等の完全導体（ＰＥＣ：Perfect Electric Conductor）２０１からなる反射板上にエレメント２００を配置した場合を示している。この場合、ＰＥＣ２０１の反射係数は−１となり逆相で反射されるため、ＰＥＣ２０１から１／４波長の高さｈにエレメント２００を設置しないと放射方向での位相がずれ、放射特性が劣化するようになる。また、図３１（ｂ）は上述したＥＢＧ１００からなる反射板上にエレメント２００を配置した場合を示している。この場合、ＥＢＧ１００の反射係数は＋１となり同相で反射されるため、ＥＢＧ１００からのエレメント２００の高さｈをほぼゼロとすることができる。このように、ＥＢＧ１００を反射板として用いると逆相のイメージ電流が反射板に発生しないため、放射効率が劣化しないようになる。また、エレメント２００を反射板に密接させても同相放射となるため放射特性が劣化することがなく、アンテナを低姿勢化することができる。
【０００６】
次に、ＥＢＧ構造の反射板を用いるアンテナの構成例の立体的な斜視図を図３２に、このアンテナの構成例の構成を示す側面図を図３３に示す。
図３２に示すアンテナ１００Ａは、ＥＢＧ１００上に角形スパイラルのエレメント１２０を密着して配置している。ＥＢＧ１００は、前記したように所定の誘電率を有している方形の基板１１０の表面に矩形状のパッチ１１１がマトリクス状に周期的に配列され、裏面にグランドプレーン１１３が全面に形成されている。例えば、アンテナ１００Ａの設計周波数を約０．６ＧＨｚとすると、ＥＢＧ１００の共振周波数が約０．６ＧＨｚになるように設計される。ここで、共振周波数０．６ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、パッチ１１１は正方形パターン形状とされた一辺が約０．２λとされ、パッチ１１１間の間隙は約０．０２λとされる。また、パッチ１１１は短絡ピン１１４によりグランドプレーン１１３に短絡されており、基板１１０は誘電率εｒが約２．２のテフロン基板とされ、基板厚が約０．０４λとされる。また、エレメント１２０は金属板上に約０．２５波長の高さで配置した時、軸方向に円偏波を放射する第一モード動作の角形スパイラルアンテナとされ、その動作周波数は約０．６ＧＨｚとされる。
【０００７】
上記ＥＢＧ１００の反射位相の周波数特性を図３４に示す。図３４を参照すると、周波数が高くなるにつれて反射位相が約１８０°から０°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−１８０°に変化していく。このとき、約０．６ＧＨｚにおいて反射位相が０°になっている。
また、上記ＥＢＧ１００を備えるアンテナ１００Ａにおいて、ＥＢＧ１００板上に約０．０１λの高さでエレメント１２０を配置した際の軸比（ＡＲ）の周波数特性を、金属板上に約０．２５λの高さで同じエレメント１２０を配置した場合の軸比と対比して図３５に示す。図３５を参照すると、破線で示す金属板上にエレメント１２０が配置されたときの軸比特性と比べて、アンテナ１００Ａの軸比の周波数特性においては円偏波放射帯域が狭くなっている事が分かる。これは、ＥＢＧ構造が共振構造であり、狭帯域の特性を示すことが原因である。この場合、ＥＢＧ構造は共振している周波数帯域以外では金属板として振舞う。そのため、共振している周波数以外ではアンテナ１００Ａは金属板上に低姿勢でエレメント１２０を配置した場合と同様に放射特性が劣化することになる。
【０００８】
さらに、上記ＥＢＧ１００を備えるアンテナ１００Ａにおいて、ＥＢＧ１００板上に約０．０１λの高さでエレメント１２０を配置した際のＶＳＷＲ（電圧定在波比）の周波数特性を、金属板上に約０．２５λの高さで同じエレメント１２０を配置した場合のＶＳＷＲ特性と対比して図３６に示す。図３６を参照すると、アンテナ１００Ａにおいては約０．５４ＧＨｚ以上の帯域では良好なＶＳＷＲが得られており、この帯域において良好な円偏波が放射されている、破線で示す金属板状にエレメント１２０が配置された場合のＶＳＷＲ特性より低域において劣化している。これは、前述したように、ＥＢＧ構造が共振構造であり狭帯域の特性を示すことが原因である。さらに、上記ＥＢＧ１００を備えるアンテナ１００Ａにおいて、ＥＢＧ１００板上に約０．０１λの高さでエレメント１２０を配置した際の軸比最良点におけるＸ−Ｚ面の指向特性を図３７に、Ｙ−Ｚ面の指向特性を図３８に示す。図３７および図３８を参照すると、良好な円偏波が放射されており、軸比の最良点においてはＥＢＧ構造が共振状態となって表面波の伝搬抑止効果があることから、後方放射が抑制されていることがわかる。
【０００９】
ところで、近年の携帯電話機に内蔵するアンテナや車両搭載アンテナは小型化の傾向にあるが、ＡＭ・ＦＭ・地上デジタル・ＧＰＳ等々の帯域において動作させる多機能性や広帯域性（地上デジタルＴＶやＦＭ）がアンテナに求められる場合がある。特に、ソフトウェア無線（コグニティブ無線）など複数の無線システムを利用する場合においては、アンテナには複数周波数帯における動作、その無線システムに適した偏波（円偏波、水平、垂直）に対応する機能を備えることが求められている。
しかしながら、ＥＢＧ構造の反射板を用いるアンテナにおいては低姿勢とすることはできるものの、動作帯域が狭帯域になってしまうというという問題点があった。
そこで、本発明は、ＥＢＧ構造の反射板を用いるアンテナにおいて低姿勢化することができると共に、複数の周波数帯において動作させることができるアンテナ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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のアンテナは、反射板における電磁バンドギャップ構造の容量成分あるいはインダクタ成分を可変することにより、前記電磁ギャップ構造が使用周波数においてほぼ共振状態となるように制御することを最も主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反射板における電磁バンドギャップ構造の容量成分あるいはインダクタ成分を可変することにより、電磁ギャップ構造が使用周波数においてほぼ共振状態となるように制御することから、電磁バンドギャップ構造の反射板の共振周波数を可変することができるようになり、複数の周波数帯において良好に動作するアンテナを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１実施例のアンテナの構成を示す平面図と単位構造の構成を立体的に示す斜視図を図１に示し、第１実施例の構成を示す側面図を図２に示す。
これらの図に示すアンテナ１Ａは、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造の反射板であるＥＢＧ１を備え、ＥＢＧ１の上の高さｈの位置にアンテナ素子１５が配置されて構成されている。ＥＢＧ１は、正方形状の基板１０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ１１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板１０の裏面にはグランドプレーン１３が形成されている。パッチ１１は，図示する例では５行×５列の２５個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ５−４，Ｐ５−５が設けられており、各パッチ間には可変容量ダイオードであるバリキャップ１２が図示する極性で接続されている。各パッチ１１のほぼ中央は基板１０を貫通して設けられている短絡ピン１４により、それぞれグランドプレーン１３に短絡されている。ＥＢＧ１は、波長より小さい単位構造１−１を周期的に配列した構造とされており、単位構造１−１の１つを図１に拡大して示している。単位構造１−１は、基板１０の表面に形成された正方形状のパッチ１１のほぼ中心が、基板１０の裏面に形成されたグランドプレーン１３に基板１０を貫通して設けられている短絡ピン１４により短絡されている。
【００１３】
このような単位構造１−１が周期的に配列されているＥＢＧ１においては、隣接する単位構造１−１のパッチ１１のパターン間に容量成分が生じると共に、パッチ１１の長さに応じてインダクタ成分が生じる。さらに、パッチ１１のパターンとグランドプレーン１３間に容量成分が生じると共に、短絡ピン１４によりインダクタ成分が生じる。このようなＥＢＧ１における単位構造１−１の等価回路は図２９に示す等価回路と同様になる。なお、基板１０は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。アンテナ素子１５は、完全導体（ＰＥＣ）とされる金属板上に使用波長の約０．２５波長の高さで配置した時、軸方向に円偏波を放射する第一モード動作の角形スパイラルアンテナとされている。
【００１４】
図１に示すＥＢＧ１において、５行×５列の２５個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ５−４，Ｐ５−５のうちの中央に黒丸が付されたパッチＰ１−１，Ｐ１−３，Ｐ１−５，Ｐ２−２，Ｐ２−４，Ｐ３−１，Ｐ３−３，Ｐ３−５，Ｐ４−２，Ｐ４−４，Ｐ５−１，Ｐ５−３，Ｐ５−５の合計１３個のパッチ１１には正の制御電圧＋Ｖが印加されており、残るＰ１−２，Ｐ１−４，Ｐ２−１，Ｐ２−３，Ｐ２−５，Ｐ３−２，Ｐ３−４，Ｐ４−１，Ｐ４−３，Ｐ４−５，Ｐ５−２，Ｐ５−４の合計１２個のパッチ１１はグランドと同電位とされている。そして、各パッチ１１間に接続されているバリキャップ１２のカソードが制御電圧＋Ｖが印加されるパッチ１１に接続され、アノードがグランドと同電位とされているため、各バリキャップ１２には逆電圧が印加されるようになる。そして、バリキャップ１２の容量は逆電圧が大きくなるほど小さな容量となることから、制御電圧＋Ｖの電圧値を変更することにより各バリキャップ１２の容量値を制御することができる。なお、各パッチ１１はグランドプレーン１３に短絡ピン１４により短絡されていることから、図示していないが制御電圧＋Ｖが印加されるパッチ１１が短絡されるグランドプレーン１３ａと、グランドと同電位とされるパッチ１１が短絡されるグランドプレーン１３ｂとに直流的に分離されており、グランドプレーン１３ａとグランドプレーン１３ｂとは使用周波数において低インピーダンスとなるコンデンサで高周波的に接続されている。
【００１５】
ここで、例えばアンテナ１Ａの設計周波数を約０．６ＧＨｚとして、ＥＢＧ１の共振周波数が約０．６ＧＨｚになるように設計したとする。この場合、共振周波数０．６ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、正方形パターン形状のパッチ１１の一辺が約０．２λとされ、パッチ１１間の間隙は約０．０２λとされる。また、例えば誘電率εｒが約２．２のテフロン基板が基板１０とされ、基板１０の厚さが約０．０４λとされる。また、角形スパイラルアンテナとされているアンテナ素子１５の動作周波数が約０．６ＧＨｚとされ、ＥＢＧ１上の高さｈは約０．０１λとされる。この条件とされたアンテナ１Ａにおいて、制御電圧＋Ｖの電圧値を変更して各バリキャップ１２の容量を約１ｐＦ、約２ｐＦ、約３ｐＦとした際のアンテナ１ＡのＸ方向偏波とＹ方向偏波の反射位相の周波数特性を図３に、アンテナ１Ａの軸比（ＡＲ）の周波数特性を図４に、アンテナ１Ａのゲインの周波数特性を図５に、アンテナ１ＡのＶＳＷＲの周波数特性を図６に示す。図３に示す反射位相特性を参照すると、周波数が高くなるにつれて反射位相が約１８０°から０°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−１８０°に向かって変化していく。そして、バリキャップ１２の容量値が約１ｐＦの時は共振周波数が約０．５８ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約２ｐＦの時は共振周波数が約０．５０５ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約３ｐＦの時は共振周波数が約０．４４５ＧＨｚとなる。このように、制御電圧＋Ｖの電圧値を下げてバリキャップ１２の容量を増やすと低周波側に共振点をシフトすることができ、制御電圧＋Ｖの電圧値を上げてバリキャップ１２の容量を減らすと高周波側に共振点をシフトすることができる。このように、バリキャップ１２の容量値に応じて共振周波数が変化するのは、ＥＢＧ１を構成する単位構造１−１の等価回路が図２９に示す等価回路で表されるからである。また、反射位相はＸ方向偏波とＹ方向偏波とでは変化しない。これは、各パッチ１１が正方形状とされて、Ｘ方向とＹ方向の電気的特性が同様とされているからである。
【００１６】
また、図４に示すアンテナ１Ａの軸比（ＡＲ）の周波数特性を参照すると、バリキャップ１２の容量値が約１ｐＦの時は軸比最良点が約０．５８ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約２ｐＦの時は軸比最良点が約０．５０５ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約３ｐＦの時は軸比最良点が約０．４４５ＧＨｚとなる。このように、制御電圧＋Ｖの電圧値に応じて軸比最良点が移動するようになる。
さらに、図５に示すアンテナ１Ａのゲインの周波数特性を参照すると、バリキャップ１２の容量値が約１ｐＦの時はゲインのピーク点が約０．５８ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約２ｐＦの時はゲインのピーク点が約０．５ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約３ｐＦの時はゲインのピーク点が約０．４４ＧＨｚとなる。このように、制御電圧＋Ｖの電圧値に応じてアンテナ１Ａのゲインのピーク点を可変することができるようになる。
さらにまた、図６に示すアンテナ１ＡのＶＳＷＲの周波数特性を参照すると、ＶＳＷＲが約３以下となる周波数は、バリキャップ１２の容量値が約１ｐＦの時は約０．５３５ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約２ｐＦの時は約０．４６５ＧＨｚとなり、バリキャップ１２の容量値が約３ｐＦの時は約０．４２ＧＨｚとなる。このように、制御電圧＋Ｖの電圧値に応じてアンテナ１Ａの動作周波数を示す指標とされるインピーダンスを可変することができるようになる。
【００１７】
上述したように、ＥＢＧ１を反射板として備えるアンテナ１Ａにおいては、バリキャップ１２に印加する電圧を連続的に変化することで、アンテナ１Ａの動作周波数を連続的に変化することができる。この場合、反射板であるＥＢＧ１に誘起される電圧はアンテナ素子１５に誘起される電圧よりも数十ｄＢ低い値となる。そのため、例えばアンテナにバリキャップを装荷して動作周波数を可変する従来の可変アンテナでは、誘起される電圧が数十ｄＢ強くなりバリキャップが歪んで動作しなくなるおそれがあるが、本発明の第１実施例のアンテナ１Ａにおいては確実に動作するようになる。また、バリキャップ１２を各パッチ１１間に接続するとＥＢＧ１の容量が増加して、ＥＢＧ１の共振周波数が低域へシフトすることになる。そこで、ＥＢＧ１における単位構造１−１の辺の長さを短くしたり高さを低くしてインダクタ成分を小さくすることで共振周波数を補正することができる。このようにすると、付随的にＥＢＧ１が小型化されてアンテナ１Ａを小型化することもできる。
【００１８】
ところで、円偏波とは垂直偏波と水平偏波が同振幅で位相が９０°ずれた状態とされている。また、ＥＢＧ１の構造はＸ方向とＹ方向の構造がＺ軸に対して回転対称とされているため、図３に示す反射位相特性のようにＥＢＧ１の構造に偏波依存性はない。このため、ＥＢＧ１の共振状態においては、アンテナ素子１５が放射する円偏波の振幅・位相を乱すことなくＥＢＧ１が同相反射することにより、アンテナ１Ａの低姿勢化が実現されている。
次に、図７に反射位相の周波数特性に偏波依存性が生じるようにした単位構造２−１の構成を示す。本発明にかかる図示しない第２実施例のアンテナは、図７に示す複数の単位構造２−１を周期的に配列した構成の図示しない電磁バンドギャップ構造（ＥＢＧ）を反射板として備えている。単位構造２−１は、テフロン基板等の基板２０の表面にＹ方向の長さよりＸ方向の長さが長くされた矩形状のパッチ２１が形成されており、基板２０の裏面にはグランドプレーン２３が形成されている。パッチ２１のほぼ中心は、基板２０を貫通して設けられた短絡ピン２４によりグランドプレーン２３に短絡されている。
【００１９】
このように、Ｘ方向とＹ方向が非対称の形状とされた複数の図７に示す単位構造２−１が周期的に配列されているＥＢＧを反射板とする第２実施例のアンテナにおける反射位相の周波数特性を図８に示す。図８を参照すると、パッチ２１の片長が長いＸ方向の共振周波数が、Ｙ方向の共振周波数より低くなっている。これは、Ｘ方向のインダクタ成分が増加したためである。すなわち、Ｘ方向偏波の反射位相は約０．５ＧＨｚ近傍において約０°（共振している）となっているのに対して、０．５ＧＨｚ近傍においてはＹ方向偏波の反射位相は約１５０°であり、単位構造２−１からなるＥＢＧは金属板とほぼ同じ振る舞いをする。従って、単位構造２−１からなるＥＢＧ上の近傍にアンテナ素子を設置した場合、約０．５ＧＨｚの周波数においてＸ方向成分は放射されるが、Ｙ方向成分は放射されないことから、Ｘ方向成分のみの直線偏波が放射されるようになる。また、Ｙ方向偏波の反射位相は約０．６８ＧＨｚ近傍において約０°（共振している）となっているのに対して、０．６８ＧＨｚ近傍においてはＸ方向偏波の反射位相は約−１５０°となっている。従って、単位構造２−１からなるＥＢＧ上の近傍にアンテナ素子を設置した場合、約０．６８ＧＨｚの周波数においてＹ方向成分は放射されるが、Ｘ方向成分は放射されないことから、Ｙ方向成分のみの直線偏波が放射されるようになる。このように、Ｘ方向とＹ方向が非対称の形状とされた単位構造２−１からなるＥＢＧを反射板とする第２実施例のアンテナにおいては偏波依存性が生じるようになる。
【００２０】
次に、第２実施例のアンテナにおける偏波依存性の原理を利用する第３実施例のアンテナの構成を示す平面図を図９に示す。
図９に示す本発明にかかる第３実施例のアンテナ３Ａは、第１実施例のアンテナ１Ａの構成と同様とされており、各パッチに印加する電圧の極性が変更されている。すなわち、第３実施例のアンテナ３Ａは、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造の反射板であるＥＢＧ３を備え、ＥＢＧ３の上の高さｈの位置に角形スパイラルアンテナとされたアンテナ素子３５が配置されて構成されている。ＥＢＧ３は、正方形状の基板３０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ３１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板３０の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ３１は、図示する例では５行×５列の２５個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ５−４，Ｐ５−５が設けられており、各パッチ間には可変容量ダイオードであるバリキャップ３２が図示する極性で接続されている。各パッチ３１のほぼ中央は基板３０を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、ＥＢＧ３は、図１に示す単位構造１−１と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板３０は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
【００２１】
図９に示す第３実施例のアンテナ３Ａにおいて、５行×５列の２５個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ５−４，Ｐ５−５のうちの中央に黒丸が付されたパッチＰ１−１〜Ｐ１−５，Ｐ３−１〜Ｐ３−５，Ｐ５−１〜Ｐ５−５の合計１５個のパッチ３１には正の制御電圧＋Ｖが印加されており、残るＰ２−１〜Ｐ２−５，Ｐ４−１〜Ｐ４−５の合計１０個のパッチ３１はグランドと同電位とされている。これにより、パッチＰ１−１〜Ｐ１−５の５個のパッチ３１が同電位となるため、これらのパッチ３１間を接続するバリキャップ３２は高周波的に短絡状態となり、電気的に短絡したものと見なすことができる。また、パッチＰ３−１〜Ｐ３−５の５個のパッチ３１と、パッチＰ５−１〜Ｐ５−５の５個のパッチ３１も同様であり、電気的に短絡したものと見なすことができる。
【００２２】
ここで、各パッチ３１に印加する電圧の極性の条件を除いて第３実施例のアンテナ３Ａの条件を第１実施例のアンテナ１Ａの条件と同じ条件とした際のアンテナ３ＡのＸ方向偏波とＹ方向偏波の反射位相の周波数特性を図１０に示す。この場合、ＥＢＧ３上のアンテナ素子３５の高さは約０．０１λとされる。
図１０に示す反射位相特性を参照すると、Ｙ方向偏波については周波数が０．２ＧＨｚから１ＧＨｚまで変化しても反射位相は約１８０°から約１５０°までしか変化せず、Ｙ方向偏波については共振していない。このように、ＥＢＧ３はＹ方向偏波に対しては金属板とほぼ同様に振る舞っていることが分かる。また、Ｘ方向偏波については周波数が高くなるにつれて反射位相が約１８０°から０°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−１８０°に向かって変化していく。そして、正電圧＋Ｖの電圧値を制御してバリキャップ３２の容量値が約１ｐＦになっている時は共振周波数が約０．５８ＧＨｚとなり、バリキャップ３２の容量値が約２ｐＦとなっている時は共振周波数が約０．４９ＧＨｚとなり、バリキャップ３２の容量値が約３ｐＦとなっている時は共振周波数が約０．４３ＧＨｚとなる。このように、制御電圧＋Ｖの電圧値を下げてバリキャップ３２の容量を増やすと低周波側に共振点をシフトさせられることは、第１実施例のアンテナ１Ａと同様になる。
【００２３】
また、第３実施例のアンテナ３Ａにおいてバリキャップ３２の容量値が約１ｐＦになっていると共に周波数を０．６ＧＨｚとした際のＸ−Ｚ面の指向特性を図１１に、Ｙ−Ｚ面の指向特性を図１２に示す。図１１を参照すると、Ｘ方向偏波については良好に放射されていることが分かる。そして、図１２を参照すると、Ｙ方向偏波は放射されていないことが分かる。さらに、図１３に第３実施例のアンテナ３Ａにおいてバリキャップ３２の容量値が約１ｐＦになっている際のＶＳＷＲの周波数特性を、第１実施例のアンテナ１Ａにおいてバリキャップ１２の容量値が約１ｐＦになっている際のＶＳＷＲの周波数特性と対比して示す。図１３を参照すると、Ｙ方向偏波が放射されない影響で低域において入力インピーダンスが乱れるが、ＥＢＧ３の共振周波数付近での影響は少ないことが分かる。このように、第３実施例のアンテナ３Ａにおいては、各パッチ３１に印加する電圧の極性を図示する極性とすることにより、Ｙ方向偏波を放射させることなくＸ方向の直線偏波のみを放射する偏波依存性のアンテナ３Ａとすることができる。
なお、各パッチ３１はグランドプレーンに短絡ピンにより短絡されていることから、図示していないが制御電圧＋Ｖが印加されるパッチ３１が短絡されるグランドプレーンと、グランドと同電位とされるパッチ３１が短絡されるグランドプレーンとに直流的に分離されており、両グランドプレーンは使用周波数において低インピーダンスとなるコンデンサで高周波的に接続されている。
【００２４】
次に、第２実施例のアンテナにおける偏波依存性の原理を利用する第４実施例のアンテナの構成を示す平面図を図１４に示す。
図１４に示す本発明にかかる第４実施例のアンテナ４Ａは、第３実施例のアンテナ３Ａの構成と同様とされており、パッチに印加する電圧の極性を変更するようにしている。すなわち、第４実施例のアンテナ４Ａは、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造の反射板であるＥＢＧ４を備え、ＥＢＧ４の上の高さｈの位置に角形スパイラルアンテナとされたアンテナ素子４５が配置されて構成されている。ＥＢＧ４は、正方形状の基板４０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ４１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板４０の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ４１は，図示する例では５行×５列の２５個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ５−４，Ｐ５−５が設けられており、各パッチ間には可変容量ダイオードであるバリキャップ４２が図示する極性で接続されている。各パッチ４１のほぼ中央は基板４０を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、ＥＢＧ４は、図１に示す単位構造１−１と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板４０は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
【００２５】
図１４に示す第４実施例のアンテナ４Ａにおいて、５行×５列の２５個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ５−４，Ｐ５−５のうちの中央に黒丸が付されたパッチＰ１−１，Ｐ１−３，Ｐ１−５，Ｐ２−１，Ｐ２−３，Ｐ２−５，Ｐ３−１，Ｐ３−３，Ｐ３−５，Ｐ４−１，Ｐ４−３，Ｐ４−５，Ｐ５−１，Ｐ５−３，Ｐ５−５の合計１５個のパッチ４１には正の制御電圧＋Ｖが印加されており、残るＰ１−２，Ｐ１−４，Ｐ２−２，Ｐ２−４，Ｐ３−２，Ｐ３−４，Ｐ４−２，Ｐ４−４，Ｐ５−２，Ｐ５−４の合計１０個のパッチ４１はグランドと同電位とされている。これにより、第１列のパッチＰ１−１，Ｐ２−１，・・・，Ｐ５−１の５個のパッチ４１が同電位となるため、これらのパッチ４１間を接続するバリキャップ４２は高周波的に短絡状態となり、電気的に短絡したものと見なすことができる。また、第３列、第５列の５個のパッチ４１も同様であり、電気的に短絡したものと見なすことができる。
【００２６】
ここで、各パッチ４１に印加する電圧の極性の条件を除いて第４実施例のアンテナ４Ａの条件を第１実施例のアンテナ１Ａの条件と同じ条件とした際のアンテナ４ＡのＸ方向偏波とＹ方向偏波の反射位相の周波数特性を図１５に示す。この場合、ＥＢＧ４上のアンテナ素子４５の高さは約０．０１λとされる。
図１５に示す反射位相特性を参照すると、Ｘ方向偏波については周波数が０．２ＧＨｚから１ＧＨｚまで変化しても反射位相は約１８０°から約１５０°までしか変化せず、Ｘ方向偏波については共振していない。このように、ＥＢＧ４はＸ方向偏波に対しては金属板とほぼ同様に振る舞っていることが分かる。また、Ｙ方向偏波については周波数が高くなるにつれて反射位相が約１８０°から０°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−１８０°に向かって変化していく。そして、正電圧＋Ｖの電圧値を制御してバリキャップ４２の容量値が約１ｐＦになっている時は共振周波数が約０．５８ＧＨｚとなり、バリキャップ４２の容量値が約２ｐＦとなっている時は共振周波数が約０．４９ＧＨｚとなり、バリキャップ４２の容量値が約３ｐＦとなっている時は共振周波数が約０．４３ＧＨｚとなる。このように、制御電圧＋Ｖの電圧値を下げてバリキャップ４２の容量を増やすと低周波側に共振点をシフトさせられることは、第１実施例のアンテナ１Ａと同様になる。
【００２７】
また、第４実施例のアンテナ４Ａにおいてバリキャップ４２の容量値が約１ｐＦになっていると共に周波数を０．６ＧＨｚとした際のＸ−Ｚ面の指向特性を図１６に、Ｙ−Ｚ面の指向特性を図１７に示す。図１６を参照すると、Ｘ方向偏波は放射されていないことが分かり、図１７を参照すると、Ｙ方向偏波については良好に放射されていることが分かる。このように、第４実施例のアンテナ４Ａにおいては、各パッチ４１に印加する電圧の極性を図示する極性とすることにより、Ｘ方向偏波を放射させることなくＹ方向の直線偏波のみを放射することができる偏波依存性のアンテナ４Ａとすることができる。
なお、各パッチ４１はグランドプレーンに短絡ピンにより短絡されていることから、図示していないが制御電圧＋Ｖが印加されるパッチ４１が短絡されるグランドプレーンと、グランドと同電位とされるパッチ４１が短絡されるグランドプレーンとに直流的に分離されており、両グランドプレーンは使用周波数において低インピーダンスとなるコンデンサで高周波的に接続されている。
ところで、第１実施例のアンテナ３Ａにおいて、第３実施例のアンテナ３Ａおよび第４実施例のアンテナ４Ａのように各パッチに印加できる電圧の極性を切り換えられるように構成すると、必要に応じてＸ方向偏波からＹ方向偏波に切り換えられるアンテナとすることができる。この場合、アンテナ素子１５は円偏波を放射できるアンテナが必要となる。
【００２８】
上記した本発明にかかる第１実施例ないし第４実施例のアンテナ１Ａ〜４Ａにおけるパッチ１１〜４１は、短絡ピンを有する四角形のパッチ形状としたが、本発明はこれに限るものではない。そこで、図１８にＥＢＧの表面に形成されるパッチの種々の形状を示す。
図１８（ａ）に示すパッチ１０ａは六角形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン１４ａが接続されている。図１８（ｂ）に示すパッチ１０ｂは円形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン１４ｂが接続されている。図１８（ｃ）に示すパッチ１０ｃは十字状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン１４ｃが接続されている。図１８（ｄ）に示すパッチ１０ｄは４角と中央部を小さな正方形状として十字状の形状と組み合わせた形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン１４ｄが接続されている。図１８（ｅ）に示すパッチ１０ｅは三角形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン１４ｅが接続されている。
本発明にかかるアンテナにおけるＥＢＧのパッチの形状は、四角形に替えて図１８（ａ）〜図１８（ｅ）のいずれとすることができ、この場合に、短絡ピンを無くすようにしても良い。また、チップインダクタやキャパシタ等の集中定数回路によりＥＢＧにおける単位構造を置き換えても同じ動作を得ることができる。また、ＥＢＧの反射板上に配置するアンテナ素子は、必要とする偏波を放射するものであればいかなる形状であってもよい。すなわち、円偏波の放射を必要とする場合や偏波を切り換える場合は円偏波アンテナとされ、直線偏波の放射のみ必要とする場合は直線偏波のアンテナとされる。
【００２９】
また、共振周波数や偏波特性を機械的に制御するようにしても良い。そこで、共振周波数や偏波特性を機械的に制御できる本発明にかかる第５実施例のアンテナ５Ａの構成を示す平面図を図１９に、その構成を示す側面図を図２０に示す。
これらの図に示す第５実施例のアンテナ５Ａは、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造の反射板であるＥＢＧ５を備え、ＥＢＧ５の上の高さｈの位置に角形スパイラルアンテナとされたアンテナ素子５６が配置されて構成されている。ＥＢＧ５は、四角形状の基板５０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ５１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板５０の上には、各パッチ５１間の間隙の位置に対応し列方向に周期的に導電性の第１小片５４が形成された第１制御基板５２が配置されており、基板５０の下には各パッチ５１間の間隙の位置に対応し行方向に周期的に導電性の第２小片５５が形成された第２制御基板５３が配置されている。さらに、第２制御基板５３の下にはグランドプレーン５７が配置されている。基板５０、第１制御基板５２および第２制御基板５３は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
【００３０】
第１制御基板５２は、基板５０に対して機械的に上下に移動することができ、第１制御基板５２を基板５０に近づけると両者の間隙が狭くなって第１小片５４の作用によりＹ方向の容量を増加させてＹ方向の共振周波数を低くすることができ、第１制御基板５２を基板５０から遠ざけると両者の間隙が広くなって第１小片５４の作用によりＹ方向の容量を減少させてＹ方向の共振周波数を高くすることができる。また、第２制御基板５３も、基板５０に対して機械的に上下に移動することができ、第２制御基板５３を基板５０に近づけると両者の間隙が狭くなって第２小片５５の作用によりＸ方向の容量を増加させてＸ方向の共振周波数を低くすることができ、第２制御基板５３を基板５０から遠ざけると両者の間隙が広くなって第２小片５５の作用によりＸ方向の容量を減少させてＸ方向の共振周波数を高くすることができる。これにより、Ｘ方向の偏波とＹ方向の偏波とを独立して制御することができるようになる。このように、第５実施例のアンテナ５ＡにおいてはＸ方向とＹ方向の共振周波数の制御を独立して行うことができ、偏波依存性のアンテナ５Ａとすることができる。
なお、円偏波の動作周波数制御のみを行う場合は、第１小片５４および第２小片５５を１枚の制御基板上に形成することができる。
【００３１】
また、本発明のアンテナにおいて共振周波数を機械的に制御する他の例の構成を図２１に示す。図２１に示す側面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造のＥＢＧ６の構成を示す。
図２１に示すＥＢＧ６上には前面を覆うように誘電体基板６２が上下に移動できるように設けられている。誘電体基板６２上の高さｈの位置に図示しない円偏波あるいは直線偏波を放射するアンテナ素子が配置されている。ＥＢＧ６は、四角形状の基板６０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ６１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板６０の裏面にはグランドプレーン６３が形成されている。各パッチ６１のほぼ中心は、基板６０を貫通して設けられた短絡ピン６４によりグランドプレーン６３に短絡されている。基板６０は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
誘電体基板６２は、基板６０に対して機械的に上下に移動することができ、誘電体基板６２を基板６０に近づけると両者の間隙が狭くなってインダクタ成分が増加するようになってＥＢＧ６の共振周波数を低くすることができ、誘電体基板６２を基板６０から遠ざけると両者の間隙が広くなってインダクタ成分が減少するようになってＥＢＧ６の共振周波数を高くすることができる。
【００３２】
次に、本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する構成を図２２に示す。図２２に示す平面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造のＥＢＧ７の構成を示す。
図２２に示すＥＢＧ７の上の高さｈの位置に図示しない円偏波を放射できるアンテナ素子が配置される。ＥＢＧ７は、正方形状の基板７０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ７１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板７０の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ７１は，図示する例では４行×４列の１６個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ４−３，Ｐ４−４が設けられており、隣り合う４個ずつのパッチ７１からなるグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４にグループ分けされている。各グループＧ１〜Ｇ４に属するパッチ７１間にはスイッチングダイオードであるＰＩＮダイオード７２が図示する極性で接続されているが、グループが異なるパッチ７１間にはＰＩＮダイオード７２は接続されていない。各パッチ７１のほぼ中央は基板７０を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、ＥＢＧ７は、図１に示す単位構造１−１と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板７０は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
【００３３】
図２２に示すＥＢＧ７において、４行×４列の１６個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ４−３，Ｐ４−４において、グループＧ１に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ１−１，Ｐ２−２、グループＧ２に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ１−３，Ｐ２−４、グループＧ３に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ３−１，Ｐ４−２、グループＧ４に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ３−３，Ｐ４−４のパッチ７１には正電圧＋Ｖあるいは０Ｖの電圧が印加され、残るパッチ７１はグランドと同電位の０Ｖとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに正電圧+Ｖを印加するとＰＩＮダイオード７２が導通して各グループＧ１〜Ｇ４にそれぞれ属している４個のパッチが電気的に接続されて等価的に１つのパッチとして動作するようになる。これにより、ＥＢＧ７の容量成分とインダクタ成分が増加して共振周波数は低くなる。また、中央に黒丸が付されたパッチに０Ｖを印加した場合は、ＰＩＮダイオード７２は非道通となり各パッチ７１がＥＢＧ７の単位構造として動作することから、ＥＢＧ７の共振周波数は本来の共振周波数となる。
【００３４】
ＥＢＧ７の反射位相の周波数特性を図２３に示す。この場合、ＥＢＧ７の共振周波数が約０．６ＧＨｚになるように設計されており、共振周波数０．６ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、パッチ７１の一辺が約０．２λとされ、パッチ７１間の間隙は約０．０２λとされる。また、例えばテフロン基板とされた基板７０の誘電率εｒが約２．２とされ、基板７０の厚さが約０．０４λとされる。
図２３を参照すると、ＰＩＮダイオード７２に０Ｖを印加してＰＩＮダイオード７２を非道通としたときの共振周波数は約０．６ＧＨｚとなり、中央に黒丸が付されたパッチ７１に正電圧＋Ｖを印加してＰＩＮダイオード７２を道通させたときの共振周波数は約０．４ＧＨｚとなることが分かる。
【００３５】
次に、本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する他の構成を図２４に示す。図２４に示す平面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造のＥＢＧ８の構成を示す。
図２４に示すＥＢＧ８の上の高さｈの位置に図示しない円偏波を放射できるアンテナ素子が配置される。ＥＢＧ８は、正方形状の基板８０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ８１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板８０の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ８１は，図示する例では６行×６列の３６個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ６−５，Ｐ６−６が設けられており、隣り合う９個ずつのパッチ８１からなるグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４にグループ分けされている。各グループＧ１〜Ｇ４に属するパッチ８１間にはスイッチングダイオードであるＰＩＮダイオード８２が図示する極性で接続されているが、グループが異なるパッチ８１間にはＰＩＮダイオード８２は接続されていない。各パッチ８１のほぼ中央は基板８０を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、ＥＢＧ８は、図１に示す単位構造１−１と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板８０は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
【００３６】
図２４に示すＥＢＧ８において、６行×６列の３６個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ６−５，Ｐ６−６において、グループＧ１に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ１−２，Ｐ２−１，Ｐ２−３，Ｐ３−２、グループＧ２に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ１−５，Ｐ２−４，Ｐ２−６，Ｐ３−５、グループＧ３に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ４−２，Ｐ５−１，Ｐ５−３，Ｐ６−２、グループＧ４に属する中央に黒丸が付されたパッチＰ４−５，Ｐ５−４，Ｐ５−６，Ｐ６−５のパッチ７１には正電圧＋Ｖあるいは０Ｖの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ８１はグランドと同電位の０Ｖとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに正電圧+Ｖを印加するとＰＩＮダイオード８２が導通して各グループＧ１〜Ｇ４にそれぞれ属している９個のパッチが電気的に接続されて等価的に１つのパッチとして動作するようになる。これにより、ＥＢＧ８の容量成分およびインダクタ成分が増加して共振周波数を低周波側にシフトすることができる。また、中央に黒丸が付されたパッチに０Ｖを印加した場合は、ＰＩＮダイオード８２は非道通となり各パッチ８１がＥＢＧ８の単位構造として動作するようになることから、ＥＢＧ８の共振周波数は本来の共振周波数となる。
【００３７】
以上説明した本発明のアンテナにおけるスイッチングにより共振周波数を制御する構成においては、各パッチをＥＢＧの単位構造として動作させた１×１パッチの共振か、予めＰＩＮダイオードを接続したＮ×Ｎパッチからなるグループの共振の２通りの共振しか得られない。そこで、１×１，２×２，・・・，Ｎ×Ｎパッチのグループの全ての共振を得ることができる構成を図２５に示す。図２５に示す平面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造のＥＢＧ９の構成を示している。
図２５に示すＥＢＧ９の上の高さｈの位置に図示しない円偏波を放射できるアンテナ素子が配置される。ＥＢＧ９は、正方形状の基板９０の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ９１がマトリクス状に周期的に配列されており、基板９０の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ９１は，図示する例では６行×６列の３６個のパッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ６−５，Ｐ６−６が設けられており、隣り合うパッチ９１間には互いに逆極性で２本のＰＩＮダイオード９２が並列接続されている。各パッチ９１のほぼ中央は基板９０を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、ＥＢＧ９は、図１に示す単位構造１−１と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板９０は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
【００３８】
図２５に示すＥＢＧ９の構成において、中央に黒丸が付されたパッチ９１には正電圧＋Ｖあるいは０Ｖの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ９１はグランドと同電位の０Ｖとされている。この場合、中央に黒丸が付されたパッチに０Ｖを印加した場合は、隣り合うパッチ９１の電位差が０Ｖとなりその間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２は２本とも導通しないため隣り合うパッチ９１は開放状態となることから、ＥＢＧ９の共振周波数は本来の共振周波数となる。また、中央に黒丸が付されたパッチ９１に正電圧＋Ｖを印加すると、隣り合うパッチ９１の電位差がＰＩＮダイオード９２の動作電圧以上となって、その間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２のうちの順方向に接続されたＰＩＮダイオード９２が導通し隣り合うパッチ９１は短絡状態となる。従って、パッチＰ１−１，Ｐ１−２，・・・，Ｐ６−５，Ｐ６−６の全てが短絡状態となり６×６の３６個のパッチ９１からなる単位構造となって、ＥＢＧ９の共振周波数を最も低周波側にシフトすることができるようになる。
【００３９】
次に、図２５に示すＥＢＧ９の構成において、各パッチ９１に印加する電圧の印加態様を異ならせた構成を図２６に示す。図２６に示すＥＢＧ９においては、中央に黒丸が付されたパッチ９１には正電圧＋Ｖあるいは０Ｖの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ９１はグランドと同電位の０Ｖとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに０Ｖを印加した場合は、隣り合うパッチ９１の電位差が０Ｖとなりその間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２は２本とも導通しないため隣り合うパッチ９１は開放状態となることから、ＥＢＧ９の共振周波数は本来の共振周波数となる。また、中央に黒丸が付されたパッチ９１に正電圧＋Ｖを印加すると、隣り合うパッチ９１の電位差がＰＩＮダイオード９２の動作電圧以上となったパッチ９１については、その間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２のうちの順方向に接続されたＰＩＮダイオード９２が導通し隣り合うパッチ９１は短絡状態となる。
【００４０】
すなわち、図２６に示す構成においては、パッチＰ１−１と隣り合うパッチＰ１−２，Ｐ２−１とは短絡状態になると共にパッチＰ２−２と隣り合うパッチＰ１−２，Ｐ２−１とが短絡状態になることから、パッチＰ１−１，Ｐ１−２，Ｐ２−１，Ｐ２−２の４つのパッチが短絡されて２×２の４つのパッチ９１からなるグループＧ１が単位構造となる。この場合、パッチＰ１−２とパッチＰ１−３，パッチＰ２−２とパッチＰ２−３、パッチＰ２−１とパッチＰ３−１、パッチＰ２−２とパッチＰ３−２とは同電位となることから、その間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２は２本とも非道通となりパッチ間は開放状態となる。他のパッチ９１についても同様となることから、それぞれ４個のパッチからなる図示するグループＧ１〜Ｇ９の９個のグループとしてＥＢＧ９は動作するようになり、ＥＢＧ９の共振周波数を低周波側にシフトすることができるようになる。
【００４１】
さらに、図２５に示すＥＢＧ９の構成において、各パッチ９１に印加する電圧の印加態様を異ならせた他の構成を図２７に示す。図２７に示すＥＢＧ９においては、中央に黒丸が付されたパッチ９１には正電圧＋Ｖあるいは０Ｖの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ９１はグランドと同電位の０Ｖとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに０Ｖを印加した場合は、隣り合うパッチ９１の電位差が０Ｖとなりその間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２は２本とも導通しないため隣り合うパッチ９１は開放状態となることから、ＥＢＧ９の共振周波数は本来の共振周波数となる。また、中央に黒丸が付されたパッチ９１に正電圧＋Ｖを印加すると、隣り合うパッチ９１の電位差がＰＩＮダイオード９２の動作電圧以上となったパッチ９１については、その間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２のうちの順方向に接続されたＰＩＮダイオード９２が導通し隣り合うパッチ９１は短絡状態となる。
【００４２】
すなわち、図２７に示す構成においては、パッチＰ１−１と隣り合うパッチＰ１−２，Ｐ２−１とが短絡状態になると共にパッチＰ２−２と隣り合うパッチＰ１−２，Ｐ２−１，Ｐ２−３，Ｐ３−２とが短絡状態になる。さらに、パッチＰ１−３と隣り合うパッチＰ１−２，Ｐ２−３、パッチＰ３−１と隣り合うパッチＰ２−１，Ｐ３−２、パッチＰ３−３と隣り合うパッチＰ２−３，Ｐ３−２とが短絡状態になることから、パッチＰ１−１〜Ｐ１−３，Ｐ２−１〜Ｐ２−３、Ｐ３−１〜Ｐ３−３の９つのパッチが短絡されて３×３の９つのパッチ９１からなるグループＧ１が単位構造となる。この場合、パッチＰ１−３とパッチＰ１−４，パッチＰ２−３とパッチＰ２−４、パッチＰ３−１とパッチＰ４−１、パッチＰ３−２とパッチＰ４−２、パッチＰ３−３とパッチＰ４−３とは同電位となることから、その間に接続されている並列接続されているＰＩＮダイオード９２は２本とも非道通となりパッチ間は開放状態となる。他のパッチ９１についても同様となることから、それぞれ９個のパッチからなる図示するグループＧ１〜Ｇ４の４個のグループとしてＥＢＧ９は動作するようになり、ＥＢＧ９の共振周波数を低周波側にシフトすることができるようになる。
このように、図２５に示すＥＢＧ９の構成においては、各パッチ９１に印加する電圧の印加態様を切り換えることにより、ＥＢＧ９の共振周波数を制御することができる。この各パッチ９１に印加する電圧の印加態様を拡張していくことにより１×１〜Ｎ×Ｎまで、電圧の印加態様を切り換えることで自由にＥＢＧ単位構造を切り替え、共振周波数を制御する事ができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上説明した本発明にかかるアンテナにおいては、ＥＢＧは５行×５列等として説明したが、それに限ることはなく任意の行数と列数に配置されたパッチを有するＥＢＧとすることができる。
また、本発明にかかる各実施例のアンテナにおいて、使用周波数の波長をλとしたときに正方形状のパッチの一辺の長さは約０．０４λ〜約０．３λとすることができ、パッチ間の間隙は約０．００１λ〜約０．０４λとすることができる。さらに、ＥＢＧの厚さは約０．００１λ〜約０．０６λとすることができ、ＥＢＧ上に配置するアンテナ素子の高さｈは約０．１λ〜約０．２０λとすることができるが、理論的には高さｈは限りなく低くすることができる。さらにまた、ＥＢＧが有するパッチの数は２×２以上あれば本発明にかかるアンテナは動作するようになるが、実用的には６×６以上必要とされ、パッチ数を多くするほどアンテナの電気的特性は安定になる。このＥＢＧの辺の長さはアンテナ素子の辺の長さより長くする必要がある。上記の説明においてアンテナ素子は角形スパイラルアンテナとしたが、円偏波を放射するアンテナ素子が必要な場合は、円形スパイラルアンテナやループアンテナ、クロスダイポールアンテナとすることができる。また、アンテナ素子が直線偏波を放射すればよい場合は、ダイポールアンテナ等とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施例のアンテナの構成を示す平面図と単位構造の構成を立体的に示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例のアンテナの構成を示す側面図である。
【図３】本発明の第１実施例のアンテナにおけるＸ方向偏波とＹ方向偏波の反射位相の周波数特性を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例のアンテナにおける軸比（ＡＲ）の周波数特性を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例のアンテナにおけるゲインの周波数特性を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例のアンテナにおけるＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例のアンテナの単位構造の構成を立体的に示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施例のアンテナにおけるＸ方向偏波とＹ方向偏波の反射位相の周波数特性を示す図である。
【図９】本発明の第３実施例のアンテナの構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の第３実施例のアンテナにおけるＸ方向偏波とＹ方向偏波の反射位相の周波数特性を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施例のアンテナにおけるＸ−Ｚ面の指向特性を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例のアンテナにおけるＹ−Ｚ面の指向特性を示す図である。
【図１３】本発明の第３実施例のアンテナにおけるＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。
【図１４】本発明の第４実施例のアンテナの構成を示す平面図である。
【図１５】本発明の第４実施例のアンテナにおけるＸ方向偏波とＹ方向偏波の反射位相の周波数特性を示す図である。
【図１６】本発明の第４実施例のアンテナにおけるＸ−Ｚ面の指向特性を示す図である。
【図１７】本発明の第４実施例のアンテナにおけるＹ−Ｚ面の指向特性を示す図である。
【図１８】本発明の各実施例のアンテナにおける種々のパッチの形状を示す図である。
【図１９】共振周波数や偏波特性を機械的に制御できる本発明にかかる第５実施例のアンテナの構成を示す平面図である。
【図２０】本発明にかかる第５実施例のアンテナの構成を示す側面図である。
【図２１】本発明のアンテナにおいて共振周波数を機械的に制御する他の例の構成を示す図である。
【図２２】本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する構成を示す平面図である。
【図２３】図２２に示す構成における反射位相の周波数特性を示す図である。
【図２４】本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する他の構成を示す平面図である。
【図２５】本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御するさらに他の構成を示す平面図である。
【図２６】本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御するさらに他の構成において、各パッチに印加する電圧の印加態様を異ならせた構成を示す平面図である。
【図２７】本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御するさらに他の構成において、各パッチに印加する電圧の印加態様を異ならせた構成を示す平面図である。
【図２８】従来のＥＢＧの構成を示す立体的な斜視図である。
【図２９】従来のＥＢＧを構成する単位構造の等価回路を示す図である。
【図３０】従来のＥＢＧの構成を示す側面図である。
【図３１】完全導体による反射とＥＢＧによる反射を説明するための図である。
【図３２】ＥＢＧを用いる従来のアンテナの構成を示す立体的な斜視図である。
【図３３】ＥＢＧを用いる従来のアンテナの構成を示す側面図である。
【図３４】従来のアンテナにおける反射位相の周波数特性を示す図である。
【図３５】従来のアンテナにおける軸比の周波数特性を示す図である。
【図３６】従来のアンテナにおけるＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。
【図３７】従来のアンテナにおけるＸ−Ｚ面の指向特性を示す図である。
【図３８】従来のアンテナにおけるＹ−Ｚ面の指向特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ＥＢＧ、１−１  単位構造、１Ａ  アンテナ、２−１  単位構造、３  ＥＢＧ、３Ａ  アンテナ、４  ＥＢＧ、４Ａ  アンテナ、５  ＥＢＧ、５Ａ  アンテナ、６  ＥＢＧ、７  ＥＢＧ、８  ＥＢＧ、９  ＥＢＧ、１０  基板、１０ａ  パッチ、１０ｂ  パッチ、１０ｃ  パッチ、１０ｄ  パッチ、１０ｅ  パッチ、１１  パッチ、１２  バリキャップ、１３  グランドプレーン、１４  短絡ピン、１４ａ  短絡ピン、１４ｂ  短絡ピン、１４ｃ  短絡ピン、１４ｄ  短絡ピン、１４ｅ  短絡ピン、１５  アンテナ素子、２０  基板、２１  パッチ、２３  グランドプレーン、２４  短絡ピン、３０  基板、３１  パッチ、３２  バリキャップ、３５  アンテナ素子、４０  基板、４１  パッチ、４２  バリキャップ、４５  アンテナ素子、５０  基板、５１  パッチ、５２  第１制御基板、５３  第２制御基板、５４  第１小片、５５  第２小片、５６  アンテナ素子、５７  グランドプレーン、６０  基板、６１  パッチ、６２  誘電体基板、６３  グランドプレーン、６４  短絡ピン、７０  基板、７１  パッチ、７２  ＰＩＮダイオード、８０  基板、８１  パッチ、８２  ＰＩＮダイオード、９０  基板、９１  パッチ、９２  ＰＩＮダイオード、１００  ＥＢＧ、１００−１  単位構造、１００Ａ  アンテナ、１１０  基板、１１１  パッチ、１１３  グランドプレーン、１１４  短絡ピン、１２０  エレメント、１３３  グランドプレーン、２００  エレメント
【図１】
2009033324.tif 000003
【図２】
2009033324.tif 000004
【図３】
2009033324.tif 000005
【図４】
2009033324.tif 000006
【図５】
2009033324.tif 000007
【図６】
2009033324.tif 000008
【図７】
2009033324.tif 000009
【図８】
2009033324.tif 000010
【図９】
2009033324.tif 000011
【図１０】
2009033324.tif 000012
【図１１】
2009033324.tif 000013
【図１２】
2009033324.tif 000014
【図１３】
2009033324.tif 000015
【図１４】
2009033324.tif 000016
【図１５】
2009033324.tif 000017
【図１６】
2009033324.tif 000018
【図１７】
2009033324.tif 000019
【図１８】
2009033324.tif 000020
【図１９】
2009033324.tif 000021
【図２０】
2009033324.tif 000022
【図２１】
2009033324.tif 000023
【図２２】
2009033324.tif 000024
【図２３】
2009033324.tif 000025
【図２４】
2009033324.tif 000026
【図２５】
2009033324.tif 000027
【図２６】
2009033324.tif 000028
【図２７】
2009033324.tif 000029
【図２８】
2009033324.tif 000030
【図２９】
2009033324.tif 000031
【図３０】
2009033324.tif 000032
【図３１】
2009033324.tif 000033
【図３２】
2009033324.tif 000034
【図３３】
2009033324.tif 000035
【図３４】
2009033324.tif 000036
【図３５】
2009033324.tif 000037
【図３６】
2009033324.tif 000038
【図３７】
2009033324.tif 000039
【図３８】
2009033324.tif 000040