JP2014003436A - Antenna device using ebg structure - Google Patents
Antenna device using ebg structure Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014003436A JP2014003436A JP2012136890A JP2012136890A JP2014003436A JP 2014003436 A JP2014003436 A JP 2014003436A JP 2012136890 A JP2012136890 A JP 2012136890A JP 2012136890 A JP2012136890 A JP 2012136890A JP 2014003436 A JP2014003436 A JP 2014003436A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ebg
- metal patch
- metal
- unit cell
- antenna
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
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。 The present invention relates to an antenna device using an EBG structure having a high impedance surface as a reflecting surface.
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。 A reflector is used as a means for giving the antenna radiation beam directivity in a single direction. Generally, this reflecting plate is made of a plate-like metal, and the reflected wave thereby has an electric wall characteristic in which the phase is inverted 180 degrees with respect to the incident wave. Thus, 0 the wavelength of the center frequency f 0 of the frequency band used lambda, when the antenna height and h, the radiation efficiency is the best in the case of h ≒ lambda 0/4, as h is decreased, which is 180 degrees out of phase inversion Radiation efficiency decreases due to the influence of reflected waves.
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。
In order to suppress a decrease in radiation efficiency due to the low attitude of the antenna, it has been proposed to employ an EBG (Electromagnetic Band Gap) structure on the reflecting surface (for example, Non-Patent
FIG. 13 is a top view of a unit cell in a conventional EBG structure, and FIG. 14 is a sectional view taken along line BB in FIG. The EBG
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。
The EBG structure is configured by arranging the
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。
Here, the capacitor component generated between the
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。
Since the reflection surface of the EBG structure configured using such an
Even if the
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。
FIG. 16 shows the reflection phase characteristics of the
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。
If the
The degree of freedom of periodic arrangement of the EBG
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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to reduce the size of an EBG unit cell constituting an EBG structure while maintaining a low attitude and wideband characteristics, and to provide an antenna having a high degree of freedom in design. To provide an apparatus.
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。 The present invention is an antenna device comprising an EBG structure formed by periodically arranging a plurality of EBG unit cells, and an antenna disposed on the EBG structure, wherein the EBG unit cell has a predetermined gap width. has a [delta] G a dude periodically arranged so it is possible regular polygon of side length W1, a first metal patches spaced by a height h EBG from ground layer, the side length W2 (< W1) having a positive 2n (n is 2, 3, 4...) Square shape, and a second metal patch disposed so as to symmetrically straddle the adjacent first metal patch. .
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。
In an embodiment, the second metal patch is disposed at a position higher than the height h EBG of the first metal patch. However, the second metal patch may be disposed at a position lower than the height h EBG of the first metal patch.
In the embodiment, the first metal patch and the second metal patch are formed by metal foils adhered to one surface and the other surface of the dielectric substrate, respectively.
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。
The height h EBG of the first metal patches, it is desirable to set, for example, 0.02 [lambda] 0 or more. Further, side length W1 of the first metal patch, for example, it is desirable to set the 0.2? 0 or less.
In addition, for example, a dipole antenna is used as the antenna.
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。 According to the present invention, since the EBG unit cells constituting the EBG structure are reduced in size while maintaining a low profile and wideband characteristics, the degree of freedom of periodic arrangement of the EBG unit cells is improved, thereby allowing freedom of design. An antenna device having a high degree can be provided.
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。
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a unit cell of an EBG structure used in an antenna device according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
The EBG
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。
The EBG structure is configured by periodically arranging such
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
Since the
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。
In this embodiment, referring to the parameter values of the conventional EBG unit cell, h EBG = 0.028λ 0 , δ G = 0.006λ 0, and ε r = 1, tan δ = 0, W1 = 0 .157λ 0 and W 2 = 0.067λ 0 . Here, λ 0 is the wavelength of the center frequency f 0 of the used frequency band.
The operation characteristics of the
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。
FIG. 3 shows the reflection phase characteristics of the
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。
The
Such miniaturization is realized based on the stray capacitance formed by the
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。
The value of the structural parameter in the
Note that the
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。
FIG. 4 is a plan view of an EBG structure in which the
As shown in FIG. 5, when N ≧ 16, substantially the same reflection phase characteristic as that of the infinite periodic structure is obtained. On the other hand, when N <16, the frequency at which the reflection phase φ becomes φ≈0 degrees increases as N decreases. In this case, to match the operating frequency f 0, it is necessary to perform an additional adjustment of the parameters of the
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。
FIG. 6 shows an embodiment of an antenna device according to the present invention. This antenna device has a configuration in which a
The antenna apparatus, for example when the height h A of the
According to this antenna device, the frequency band where VSWR ≦ 2 is calculated as 13%. This indicates that good radiation characteristics can be obtained despite the low-profile configuration.
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。
8 shows a periodic arrangement of
Since the
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。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and may include various variations as shown below, for example.
(A) In the
In addition, what has the regular polygon shape which satisfy | fills the metal patch equivalent to the said
(B) The
(C) In the
(D) In the
(E) Although the metal pin for connecting the
(F) The antenna arranged on the EBG structure is not limited to the
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
10,20
Claims (5)
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。 An antenna device comprising an EBG structure formed by periodically arranging a plurality of EBG unit cells, and an antenna disposed on the EBG structure, wherein the EBG unit cell comprises:
Has a regular polygonal shape with a predetermined gap width [delta] G capable of periodically spaced side length W1, a first metal patches spaced by a height h EBG from the ground layer,
A second metal having a positive 2n (n is 2, 3, 4...) Square shape having a side length W2 (<W1) and symmetrically straddling the adjacent first metal patch. Patches,
An antenna device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012136890A JP2014003436A (en) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | Antenna device using ebg structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012136890A JP2014003436A (en) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | Antenna device using ebg structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014003436A true JP2014003436A (en) | 2014-01-09 |
Family
ID=50036224
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012136890A Pending JP2014003436A (en) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | Antenna device using ebg structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014003436A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114552211A (en) * | 2022-03-04 | 2022-05-27 | 电子科技大学 | High-gain multi-beam periodic impedance modulation surface antenna loaded with EBG structure |
CN116706532A (en) * | 2023-08-08 | 2023-09-05 | 安徽大学 | High front-to-back ratio ultrahigh frequency radio frequency identification reader antenna |
WO2024070207A1 (en) * | 2022-09-28 | 2024-04-04 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Radio wave reflection device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008236027A (en) * | 2007-03-16 | 2008-10-02 | Nec Corp | Common mode current suppression ebg filter |
JP2009188895A (en) * | 2008-02-08 | 2009-08-20 | Mitsubishi Electric Corp | Antenna device |
JP2009218971A (en) * | 2008-03-11 | 2009-09-24 | Nec Tokin Corp | Antenna system and rfid tag |
-
2012
- 2012-06-18 JP JP2012136890A patent/JP2014003436A/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008236027A (en) * | 2007-03-16 | 2008-10-02 | Nec Corp | Common mode current suppression ebg filter |
JP2009188895A (en) * | 2008-02-08 | 2009-08-20 | Mitsubishi Electric Corp | Antenna device |
JP2009218971A (en) * | 2008-03-11 | 2009-09-24 | Nec Tokin Corp | Antenna system and rfid tag |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114552211A (en) * | 2022-03-04 | 2022-05-27 | 电子科技大学 | High-gain multi-beam periodic impedance modulation surface antenna loaded with EBG structure |
CN114552211B (en) * | 2022-03-04 | 2023-04-18 | 电子科技大学 | High-gain multi-beam periodic impedance modulation surface antenna loaded with EBG structure |
WO2024070207A1 (en) * | 2022-09-28 | 2024-04-04 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Radio wave reflection device |
CN116706532A (en) * | 2023-08-08 | 2023-09-05 | 安徽大学 | High front-to-back ratio ultrahigh frequency radio frequency identification reader antenna |
CN116706532B (en) * | 2023-08-08 | 2023-10-03 | 安徽大学 | High front-to-back ratio ultrahigh frequency radio frequency identification reader antenna |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9825369B2 (en) | Antenna device | |
WO2016155393A1 (en) | Dielectric resonator antenna element | |
US6828947B2 (en) | Nested cavity embedded loop mode antenna | |
US11197366B2 (en) | Electromagnetic band gap structutre for antenna array | |
US8648762B2 (en) | Loop array antenna system and electronic apparatus having the same | |
JP6397563B2 (en) | Leaky wave antenna | |
JP5674838B2 (en) | Antenna device | |
US20210320409A1 (en) | Multi-Band Antenna Structure | |
US10826188B2 (en) | Electromagnetically reflective plate with a metamaterial structure and miniature antenna device including such a plate | |
JP2014003436A (en) | Antenna device using ebg structure | |
JP4503459B2 (en) | Multi-frequency antenna | |
JP2007060082A (en) | Multifrequency shared antenna | |
JP5336874B2 (en) | Antenna device and RFID tag | |
JP5054174B2 (en) | antenna | |
Dong et al. | Miniaturized zeroth order resonance antenna over a reactive impedance surface | |
JP2011087241A (en) | Antenna, and array antenna | |
JP5473737B2 (en) | Planar antenna | |
JP5858844B2 (en) | Antenna device | |
JP5520989B2 (en) | Antenna and base station antenna | |
WO2020021594A1 (en) | Antenna device | |
JP5698394B2 (en) | Planar antenna | |
JP5050084B2 (en) | antenna | |
JP6721352B2 (en) | Waveguide/transmission line converter and antenna device | |
JP5435507B2 (en) | Omnidirectional antenna | |
KR102315385B1 (en) | Resonant cavity antenna |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131203 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140328 |