JP2015043526A - Antenna apparatus and electromagnetic wave energy recovery apparatus - Google Patents

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鴨田 浩和
Hirokazu Kamoda
浩和 鴨田
北沢 祥一
Shoichi Kitazawa
祥一 北沢
伴 弘司
Koji Ban
弘司 伴
久々津 直哉
Naoya Kukutsu
直哉 久々津
小林 聖
Kiyoshi Kobayashi
聖 小林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an antenna apparatus capable of simultaneously receiving and transmitting electromagnetic waves of different polarization and different frequencies.SOLUTION: An antenna apparatus 1000 includes: a reflection plate 100 of an EBG structure; a rectangular loop antenna 11 for a horizontal polarization; and a rectangular loop antenna 12 for a vertical polarization. The reflection plate 100 of an EBG structure is constituted of a metal ground plate 102 and rectangular metal patches 104 periodically arranged at a predetermined height from the ground plate.

Description

本発明は、複数種類の電波の送受信を行うためのアンテナ装置およびそれを用いた電磁波エネルギー回収装置の構成に関する。   The present invention relates to an antenna device for transmitting and receiving a plurality of types of radio waves and a configuration of an electromagnetic wave energy recovery device using the antenna device.

近年、生活空間に存在する電波のエネルギー(たとえば、テレビ放送電波、携帯電話基地局電波など)を回収して、直流電力に変換して再利用とするシステムが提案されている(たとえば、特許文献1,非特許文献1,非特許文献2)。このようなシステムは、「エナジーハーベスタ」とも呼ばれる。   In recent years, a system has been proposed in which radio wave energy existing in a living space (for example, TV broadcast radio wave, mobile phone base station radio wave, etc.) is collected and converted into DC power for reuse (for example, Patent Documents). 1, Non-patent document 1, Non-patent document 2). Such a system is also called an “energy harvester”.

回収できる電力は、太陽光、風力など、他のエネルギー源に比較すると微弱である、昼夜・天候を問わず比較的安定した電力源となる可能性があり、センサーネットワークにおけるノードのバッテリーレス化などに貢献できると考えられる。   Recoverable power is weak compared to other energy sources such as sunlight and wind power, and may be a relatively stable power source regardless of day or night, weather, etc. It is thought that it can contribute to.

一般の生活空間に存在する電波のエネルギーは微弱であることから、できるだけ大きな電力を得るために複数の周波数の電波を同時にとらえて直流電力に合成することが求められている。特に、地上デジタルテレビ放送電波と携帯電話基地局電波は、有力な回収対象周波数である。なお、地上デジタルテレビ放送電波は主に水平偏波で、携帯電話基地局電波は主に垂直偏波である。   Since the energy of radio waves existing in a general living space is very weak, in order to obtain as much power as possible, it is required to simultaneously capture radio waves of a plurality of frequencies and combine them with DC power. In particular, terrestrial digital television broadcast radio waves and mobile phone base station radio waves are powerful collection target frequencies. Digital terrestrial television broadcast radio waves are mainly horizontally polarized waves, and mobile phone base station radio waves are mainly vertically polarized waves.

一方で、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+0°(同相反射)となる性質を有している。また、この共振周波数では、EBG構造を電磁波が伝搬しなくなるため、このEBG構造を反射板として用いた低姿勢でかつ後方への輻射を抑制したアンテナが、従来から提案されている(特許文献2)。   On the other hand, an artificial structure called an electromagnetic band-gap (EBG) is known. The EBG has a structure in which unit structures smaller than the wavelength are periodically arranged. In the unit structure, a metal patch is formed on the surface of the substrate, a ground plane is formed on the back surface of the substrate, and a short-circuit pin that short-circuits the patch and the ground plane is provided through the substrate. An EBG having such a structure resonates at a specific frequency, and has a property that the reflected wave phase is + 0 ° (in-phase reflection) at the resonance frequency. In addition, since electromagnetic waves do not propagate through the EBG structure at this resonance frequency, an antenna that uses this EBG structure as a reflector and suppresses backward radiation has been proposed (Patent Document 2). ).

また、EBG構造の反射板を利用したアンテナは、狭帯域となってしまうことから、EBG構造中の隣り合うパッチの間に可変バリキャップ等を設けることにより、EBG構造の共振周波数を変更可能としたものが特許文献3に提案されている。   In addition, since an antenna using a reflector having an EBG structure becomes a narrow band, it is possible to change the resonance frequency of the EBG structure by providing a variable varicap between adjacent patches in the EBG structure. This is proposed in Patent Document 3.

図16は、特許文献3に開示されたEBG構造の反射板を利用したアンテナの構造を示す図である。   FIG. 16 is a diagram showing the structure of an antenna using a reflector having an EBG structure disclosed in Patent Document 3. As shown in FIG.

特許文献3に開示されたアンテナは、円偏波の広帯域スパイラルアンテナで、EBG構造中のバリキャップへの印加電圧を変化させることにより、EBG構造の共振周波数を変更し、様々な周波数の電波(たとえば地上デジタルテレビ、携帯電話、GPS)に必要に応じて対応することが可能となる。   The antenna disclosed in Patent Document 3 is a circularly polarized broadband spiral antenna, and by changing the voltage applied to the varicap in the EBG structure, the resonance frequency of the EBG structure is changed, and radio waves of various frequencies ( For example, it becomes possible to cope with digital terrestrial television, mobile phone, GPS) as necessary.

図17は、図16に示したEBG構造の単位構造を示す図である。   FIG. 17 is a diagram showing a unit structure of the EBG structure shown in FIG.

単位構造を図21に示すような長方形にすることにより偏波依存性をもつEBG構造とすることができる。これにより、ある偏波方向には反射位相が0°となるがそれと直交する偏波方向では反射位相が0°から大きく離れ、スパイラルアンテナから送信される円偏波のうち、反射位相が0°となる方向の直線偏波のみが実質的に送信される。バリキャップの容量を変化させることで、直交する偏波のみを送信することもできる(相反定理により送信と受信は可逆であるので、受信アンテナとしても同様に動作する)。   By making the unit structure a rectangle as shown in FIG. 21, an EBG structure having polarization dependency can be obtained. As a result, the reflection phase is 0 ° in a certain polarization direction, but the reflection phase is far away from 0 ° in the polarization direction orthogonal thereto, and the reflection phase is 0 ° in the circular polarization transmitted from the spiral antenna. Only the linearly polarized wave in the direction is transmitted. By changing the capacity of the varicap, it is possible to transmit only orthogonal polarized waves (transmission and reception are reversible according to the reciprocity theorem, and thus operate similarly as a reception antenna).

特表2008−544730号Special table 2008-544730 特開2009−100445号JP 2009-100445 A 特開2009−033324号JP 2009-033324 A

北沢祥一, 鴨田浩和, 花澤理宏, 阿野進, 伴弘司, 小林聖,“放送,通信の電波を対象とした電磁波エネルギー回収の検討,” 信学技報, MW2012-143, pp.5−10, 2013.Shoichi Kitazawa, Hirokazu Kamoda, Norihiro Hanazawa, Susumu Ano, Koji Ban, Kiyoshi Kobayashi, “Examination of electromagnetic energy recovery for broadcasting and communication radio waves,” IEICE Tech. Bulletin, MW2012-143, pp.5− 10, 2013. 鴨田浩和, 花澤理宏, 北沢祥一, 伴弘司, 小林聖,“相互結合を考慮した電磁波エネルギー回収用レクテナアレー構成の基礎検討,” 信学技報, MW2013-20, pp.59−64, 2013.Hirokazu Kamoda, Norihiro Hanazawa, Shoichi Kitazawa, Hiroshi Ban, Kiyoshi Kobayashi, “Fundamental study of rectenna array configuration for electromagnetic energy recovery considering mutual coupling,” IEICE Tech. Bulletin, MW2013-20, pp.59-64, 2013.

このようなEBG構造を反射板として用いたアンテナ装置を、上述したエナジーハーベスタに応用しようとする場合、以下のような問題がある。   When an antenna device using such an EBG structure as a reflector is to be applied to the above-described energy harvester, there are the following problems.

すなわち、特許文献3に開示のアンテナ装置は、複数の種類(周波数、偏波)の電波の送受信を可変的に行うことが可能だが、同時には2種類以上の電波を受信(送信)することはできない。例えば、特許文献3のアンテナを2つ並べるか、あるいは異なる偏波、周波数で動作する2種類のアンテナを隣り合わせに配置すれば、2種類の電波を同時に受信(送信)することができるが、これらの場合はアンテナ全体が大きくなり、大きな設置スペースが必要となってしまう。電波のエネルギー回収の面からみれば、単位面積あたりの回収電力が小さくなってしまう。   That is, the antenna device disclosed in Patent Document 3 can variably perform transmission / reception of a plurality of types (frequency, polarization) of radio waves, but at the same time receive (transmit) two or more types of radio waves. Can not. For example, if two antennas of Patent Document 3 are arranged side by side or two types of antennas operating at different polarizations and frequencies are arranged next to each other, two types of radio waves can be received (transmitted) simultaneously. In this case, the entire antenna becomes large and a large installation space is required. From the aspect of radio wave energy recovery, the recovered power per unit area is reduced.

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、異なる偏波の異なる周波数の電波を同時に受信(送信)することができるアンテナ装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an antenna device that can simultaneously receive (transmit) radio waves of different frequencies with different polarizations. is there.

また、この発明の他の目的は、低姿勢かつアンテナの物理面積の小さいアンテナ装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an antenna device having a low attitude and a small physical area of the antenna.

この発明の他の目的は、異なる偏波の異なる周波数の電波を同時に受信してエネルギーを回収することが可能な電磁波エネルギー回収装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an electromagnetic wave energy recovery device capable of simultaneously receiving radio waves of different frequencies with different polarizations and recovering energy.

この発明の他の目的は、低姿勢かつアンテナの物理面積の小さいアンテナ装置を用いて、設置のためのスペースをコンパクトにすることが可能な電磁波エネルギー回収装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an electromagnetic wave energy recovery device capable of making a space for installation compact by using an antenna device having a low attitude and a small physical area of the antenna.

この発明の1つの局面に従うと、アンテナ装置であって、水平偏波用の第1のアンテナ素子と、第1のアンテナ素子とは中心位置を共有するように配置され、垂直偏波用の第2のアンテナ素子と、第1および第2のアンテナ素子の背面側に設けられる、電磁バンドギャップ構造の反射板とを備え、反射板は、導電性のグランド層と、グランド層から所定の高さに周期的に並べられた、複数の長方形の導電性パッチとを含む。   According to one aspect of the present invention, in the antenna device, the first antenna element for horizontal polarization and the first antenna element are arranged so as to share a central position, and the first antenna element for vertical polarization is used. Two antenna elements and a reflector having an electromagnetic bandgap structure provided on the back side of the first and second antenna elements, the reflector having a predetermined height from the conductive ground layer and the ground layer. And a plurality of rectangular conductive patches arranged periodically.

好ましくは、第1のアンテナ素子の少なくとも一部は、長方形の短辺および長辺のいずれか一方と平行であり、第2のアンテナ素子の少なくとも一部は、長方形の短辺および長辺の他方と平行である。   Preferably, at least a part of the first antenna element is parallel to one of the short side and the long side of the rectangle, and at least a part of the second antenna element is the other of the short side and the long side of the rectangle. And parallel.

好ましくは、各長方形の導電性パッチの水平方向の寸法は、対象となる電磁波の水平偏波の周波数に対応して設定され、各長方形の導電性パッチの垂直方向の寸法は、対象となる電磁波の垂直偏波の周波数に対応して設定される。   Preferably, the horizontal dimension of each rectangular conductive patch is set in accordance with the frequency of the horizontally polarized wave of the target electromagnetic wave, and the vertical dimension of each rectangular conductive patch is the target electromagnetic wave. Is set corresponding to the frequency of the vertically polarized wave.

好ましくは、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子とは、同心状に配置された、互いに寸法の異なる方形ループアンテナである。   Preferably, the first antenna element and the second antenna element are rectangular loop antennas arranged concentrically and having different dimensions.

好ましくは、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子とは、共通の中心に対して直交するように配置された、互いに寸法の異なるダイポールアンテナである。   Preferably, the first antenna element and the second antenna element are dipole antennas that are arranged to be orthogonal to a common center and have different dimensions.

この発明の他の局面に従うと、電磁波エネルギー回収装置であって、複数のアンテナ装置を備え、アンテナ装置は、水平偏波用の第1のアンテナ素子と、第1のアンテナ素子とは中心位置を共有するように配置され、垂直偏波用の第2のアンテナ素子と、第1および第2のアンテナ素子の背面に設けられる、電磁バンドギャップ構造の反射板とを含み、反射板は、導電性のグランド層と、グランド層から所定の高さに周期的に並べられた、複数の長方形の導電性パッチとを有し、各アンテナ装置からの電力を合成するための電力合成装置とを備える。   According to another aspect of the present invention, there is provided an electromagnetic wave energy recovery device comprising a plurality of antenna devices, wherein the antenna device has a center position between the first antenna element for horizontal polarization and the first antenna element. A second antenna element for vertical polarization and a reflector having an electromagnetic bandgap structure provided on the back surfaces of the first and second antenna elements, the reflector being conductive And a plurality of rectangular conductive patches periodically arranged at a predetermined height from the ground layer, and a power combining device for combining the power from each antenna device.

好ましくは、電力合成装置は、第1のアンテナ素子の給電部に設けられる第1の整流回路と、第2のアンテナ素子の給電部に設けられる第2の整流回路と、第1および第2の整流回路からの直流電力を合成する直流合成回路とを含む。   Preferably, the power combiner includes a first rectifier circuit provided in the power feeding unit of the first antenna element, a second rectifier circuit provided in the power feeding unit of the second antenna element, and the first and second And a direct current combining circuit for combining direct current power from the rectifier circuit.

好ましくは、反射板は、複数の第1のアンテナ素子および複数の第2のアンテナ素子に共通に設けられている。   Preferably, the reflecting plate is provided in common to the plurality of first antenna elements and the plurality of second antenna elements.

本発明のアンテナ装置によれば、偏波が異なる二つの周波数の電波を同時に送信(受信)できる。このため、これを利用した電磁波エネルギー回収装置では、より効率的に電力を回収できる。   According to the antenna device of the present invention, radio waves having two frequencies with different polarizations can be transmitted (received) simultaneously. For this reason, in the electromagnetic wave energy recovery apparatus using this, electric power can be recovered more efficiently.

また、本発明のアンテナ装置によれば、従来よりも小さい面積でアンテナを実現することができる。このため、これを利用した電磁波エネルギー回収装置では、同じ面積であれば、従来のシステムより多くの電力を回収できる。   Moreover, according to the antenna device of the present invention, an antenna can be realized with a smaller area than in the prior art. For this reason, in the electromagnetic wave energy recovery apparatus using this, if it is the same area, more electric power can be collect | recovered than the conventional system.

実施の形態1のアンテナ装置1000の立面での斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the antenna device 1000 according to the first embodiment on an elevation surface. アンテナ装置1000の側面からの斜視図である。It is a perspective view from the side of antenna device 1000. アンテナ装置1000の上面図および側面図である。It is the upper side figure and side view of the antenna apparatus 1000. EBG構造の反射板を設けない場合のアンテナの利得を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the gain of the antenna when not providing the reflecting plate of an EBG structure. エナジーハーベスタ(電磁波エネルギー回収装置)2000の構成を説明するための機能ブロック図である。2 is a functional block diagram for explaining a configuration of an energy harvester (electromagnetic energy recovery device) 2000. FIG. EBG反射板の層構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the layer structure of an EBG reflector. EBGの単位構造を示す図である。It is a figure which shows the unit structure of EBG. EBGの単位構造の寸法での反射位相の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the reflection phase in the dimension of the unit structure of EBG. 方形ループアンテナ11,12の寸法を示す図である。It is a figure which shows the dimension of the square loop antennas 11 and 12. FIG. アンテナ反射係数を示す図である。It is a figure which shows an antenna reflection coefficient. ループアンテナ11(水平偏波:500MHz)の放射パターンを示す図である。It is a figure which shows the radiation pattern of the loop antenna 11 (horizontal polarization: 500 MHz). ループアンテナ12(垂直偏波:840MHz)の放射パターンを示す図である。It is a figure which shows the radiation pattern of the loop antenna 12 (vertically polarized wave: 840 MHz). 本発明の実施の形態2のアンテナ装置1000´の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of antenna apparatus 1000 'of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3のアンテナ装置1000´´の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of antenna apparatus 1000 '' of Embodiment 3 of this invention. ダイポールアンテナを用いる場合のアンテナ装置1002の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the antenna apparatus 1002 in the case of using a dipole antenna. 特許文献3に開示されたEBG構造の反射板を利用したアンテナの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the antenna using the reflecting plate of the EBG structure disclosed by patent document 3. FIG. 図16に示したEBG構造の単位構造を示す図である。It is a figure which shows the unit structure of the EBG structure shown in FIG.

以下、本発明の実施の形態のアンテナ装置について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。   Hereinafter, an antenna device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, components and processing steps given the same reference numerals are the same or equivalent, and the description thereof will not be repeated unless necessary.

以下に説明するとおり、本実施の形態のアンテナ装置は、電磁バンドギャップ構造の反射板を備え、異なる偏波でかつ異なる周波数の複数の電波を送受信する。   As described below, the antenna device according to the present embodiment includes a reflector having an electromagnetic bandgap structure, and transmits and receives a plurality of radio waves having different polarizations and different frequencies.

以下では、本実施の形態のアンテナ装置をエナジーハーベスタとして使用する場合を例として説明する。ただし、アンテナ装置は、エナジーハーベスタとして使用する場合のような受信だけでなく、送信に使用することも可能である。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1のアンテナ装置1000の立面での斜視図である。
Below, the case where the antenna apparatus of this Embodiment is used as an energy harvester is demonstrated as an example. However, the antenna device can be used not only for reception as in the case of use as an energy harvester but also for transmission.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of the antenna device 1000 according to Embodiment 1 in an elevational view.

図2は、アンテナ装置1000の側面からの斜視図である。   FIG. 2 is a perspective view from the side of the antenna device 1000.

図3は、アンテナ装置1000の上面図および側面図であり、図3(a)は上面図であり、図3(b)は、側面の断面図である。   3 is a top view and a side view of the antenna device 1000, FIG. 3 (a) is a top view, and FIG. 3 (b) is a side sectional view.

アンテナ装置1000をネナジーハーベスタとして使用する場合、たとえば、建物の側壁面、屋内の部屋の側壁面などへ設置されることになる。   When the antenna device 1000 is used as a energy harvester, for example, it is installed on a side wall surface of a building, a side wall surface of an indoor room, or the like.

図1および図2を参照して、アンテナ装置1000は、EBG構造の反射板100と、その前面側に配置された、水平偏波用の方形ループアンテナ11、垂直偏波用の方形ループアンテナ12とを備える。   Referring to FIGS. 1 and 2, an antenna device 1000 includes a reflector 100 having an EBG structure, a horizontally polarized square loop antenna 11 and a vertically polarized square loop antenna 12 arranged on the front side thereof. With.

なお、実際には、反射板100と方形ループアンテナ11および方形ループアンテナ12との間には、方形ループアンテナ11および方形ループアンテナ12を物理的に支持するための誘電体スペーサ板が設けられる。ただし、図中では、構造を見やすくする等の説明の簡単のために、このような誘電体スペーサ板については、図示省略している。   In practice, a dielectric spacer plate for physically supporting the square loop antenna 11 and the square loop antenna 12 is provided between the reflector 100 and the square loop antenna 11 and the square loop antenna 12. However, in the drawing, such a dielectric spacer plate is not shown in order to simplify explanation such as making the structure easy to see.

誘電体スペーサ板としては、非導電性で、対象となる電波の周波数などにより規定される所定の誘電率の材料を用いることになるが、一般には、誘電率は小さい方が望ましく、たとえば、発泡スチロールなどを使用してもよい。   As the dielectric spacer plate, a non-conductive material having a predetermined dielectric constant defined by the frequency of the target radio wave is used. In general, it is desirable that the dielectric constant is small, for example, polystyrene foam. Etc. may be used.

図3を参照して、EBG構造の反射板100は、導電性材料(たとえば、金属)のグランド板102と、グランド板から所定の高さに周期的に並べられた、導電性材料のパッチ104(以下、例として、いわゆる金属で形成されている場合を考えることとし、金属パッチと呼ぶ。複数の金属パッチ104.1〜104.nを総称するときは、「金属パッチ104」と称する)で構成される。また、各金属パッチ104.1〜104.nは、上面からみて長方形の形状を有する。   Referring to FIG. 3, a reflector 100 having an EBG structure includes a ground plate 102 made of a conductive material (for example, metal), and patches 104 of the conductive material periodically arranged at a predetermined height from the ground plate. (Hereinafter, as an example, let us consider the case of being formed of so-called metal, which is referred to as a metal patch. When a plurality of metal patches 104.1 to 104.n are collectively referred to as “metal patch 104”) Composed. Moreover, each metal patch 104.1-104. n has a rectangular shape when viewed from above.

一般的にはEBG構造は、1枚のプリント基板106を用いて、裏側にグランド板102、表側に金属パッチ104を設けることで、製造できる。そして、このEBG反射板の上に、水平偏波用の方形ループアンテナ11、垂直偏波用の方形ループアンテナ12が配置されている。2つのループアンテナは同心状に配置されている。   In general, an EBG structure can be manufactured by using a single printed board 106 and providing a ground plate 102 on the back side and a metal patch 104 on the front side. On the EBG reflector, a horizontally polarized square loop antenna 11 and a vertically polarized square loop antenna 12 are arranged. The two loop antennas are arranged concentrically.

方形ループアンテナや金属パッチは、プリント基板で形成でき、その基板は、高周波特性などを考慮すると、たとえば、テフロン(登録商標)基板、アルミナ(セラミックス)基板、低温同時焼成セラミックス基板などを用いることができる。なお、金属のグランド板102としては、上述したように、一例として、金属パッチを形成するプリント基板の裏面のグランド層を用いることができるが、これに限られず、両面銅張基板のプリント基板を用いる以外の方法で、EBG構造を作成する場合には、たとえば、アルミ板などのような金属板をグランド板として用いることもできる。   A square loop antenna or a metal patch can be formed of a printed circuit board. In consideration of high-frequency characteristics, for example, a Teflon (registered trademark) substrate, an alumina (ceramics) substrate, a low-temperature co-fired ceramic substrate, or the like is used. it can. As described above, as the metal ground plate 102, as an example, a ground layer on the back surface of the printed board on which the metal patch is formed can be used. When an EBG structure is created by a method other than the method used, for example, a metal plate such as an aluminum plate can be used as the ground plate.

EBG反射板の周期構造の周期は、波長より十分小さく設定されている。たとえば、この周期は、1/10波長程度の大きさである。方形ループアンテナ11、12のパッチ面からの配置高さは、1/4波長よりも十分小さい、例えば、2/100波長程度である。   The period of the periodic structure of the EBG reflector is set to be sufficiently smaller than the wavelength. For example, this period is about 1/10 wavelength. The arrangement height of the square loop antennas 11 and 12 from the patch surface is sufficiently smaller than a quarter wavelength, for example, about 2/100 wavelengths.

長方形金属パッチ104.1〜104.nの水平方向(x方向)の寸法は、受信(送信)しようとする水平偏波の周波数によって決定され、垂直方向(y方向)の寸法は、受信(送信)しようとする垂直偏波の周波数によって決定される。言い換えれば、長方形金属パッチ104.1〜104.nが長方形であることにより、短辺方向と長辺方向では、異なる周波数特性を有する構成とできるので、水平偏波と垂直偏波について、それぞれ、異なる周波数の電磁波を同時に受信するアンテナ装置とすることが可能となる。   Rectangular metal patch 104.1-104. The dimension of n in the horizontal direction (x direction) is determined by the frequency of horizontal polarization to be received (transmitted), and the dimension in the vertical direction (y direction) is the frequency of vertical polarization to be received (transmitted). Determined by. In other words, rectangular metal patches 104.1-104. Since n has a rectangular shape, it can be configured to have different frequency characteristics in the short side direction and the long side direction. Therefore, an antenna device that simultaneously receives electromagnetic waves having different frequencies for horizontal polarization and vertical polarization respectively. It becomes possible.

なお、マイクロ波のエネルギーを直流電流に整流変換するアンテナのことは、レクテナ(rectenna:rectifying antenna)とも呼ばれる。
(EBG構造の反射板を設ける理由)
図4は、EBG構造の反射板を設けない場合のアンテナの利得を説明するための図である。
An antenna that rectifies and converts microwave energy into a direct current is also called a rectenna (rectifying antenna).
(Reason for providing a reflector with an EBG structure)
FIG. 4 is a diagram for explaining the gain of the antenna when a reflector having an EBG structure is not provided.

エナジーハーベスタとしてループアンテナを使用する場合を考える。   Consider a case where a loop antenna is used as an energy harvester.

複数の異なる受信周波数のループアンテナを同一の誘電体基板上に配置し、薄型でありながら、同じ空間内の複数周波数を効率よく受信できるようにアンテナを構成したものは、「レクテナアレーパネル」と呼ぶ。   A rectenna array panel is a rectenna array panel that has a plurality of loop antennas with different reception frequencies arranged on the same dielectric substrate, and is configured to receive multiple frequencies in the same space efficiently while being thin. Call.

ループアンテナは、地上デジタル放送波や携帯電話基地局電波などの比較的低い周波数の送受信に適している。しかし、単純にループアンテナやそれを用いたレクテナアレーパネルを用いるのみでは、金属やコンクリート壁の近傍に配置した場合、整合状態の変化や壁材料の損失などの影響で、効率的に電力を回収できないことが予想される。   The loop antenna is suitable for transmission / reception of a relatively low frequency such as terrestrial digital broadcast waves and mobile phone base station radio waves. However, simply using a loop antenna or a rectenna array panel using the loop antenna, when placed near a metal or concrete wall, power can be efficiently recovered due to the effects of changes in alignment and loss of wall materials. It is expected not to be possible.

図4(a)は、ループアンテナ11を金属またはコンクリート壁10の近傍に設置した状態を示し、図4(b)は、500MHzにおけるループアンテナの動作利得(E面)を示したものである。   4A shows a state where the loop antenna 11 is installed in the vicinity of the metal or concrete wall 10, and FIG. 4B shows the operating gain (E surface) of the loop antenna at 500 MHz.

ループアンテナ11を自由空間に配置した場合に比べて、最大利得の低下は、コンクリートが近接した場合は3dB、金属板の場合は4.6dBと大きい。効率もそれぞれ33%、7%に低下している。アンテナから壁側に1/4波長離した位置に導体反射板を配置することで、壁の影響を排除することができるが、1/4波長分の厚みが必要となるほか、複数の周波数に対応することは、困難である。   Compared with the case where the loop antenna 11 is arranged in free space, the decrease in the maximum gain is as large as 3 dB when the concrete is close and 4.6 dB when the metal plate is used. Efficiency has also decreased to 33% and 7%, respectively. The effect of the wall can be eliminated by placing the conductor reflector at a position that is 1/4 wavelength away from the antenna on the wall side. However, a thickness corresponding to 1/4 wavelength is required, and multiple frequencies can be used. It is difficult to respond.

そこで、上述のとおり、本実施の形態では、ループアンテナの背面に、EBG構造の反射板を設ける構造としている。
(エナジーハーベスタの構成)
図5は、エナジーハーベスタ(電磁波エネルギー回収装置)2000の構成を説明するための機能ブロック図である。
Therefore, as described above, in the present embodiment, a reflector having an EBG structure is provided on the back surface of the loop antenna.
(Configuration of energy harvester)
FIG. 5 is a functional block diagram for explaining the configuration of the energy harvester (electromagnetic energy recovery device) 2000.

図5を参照して、本発明の実施の形態に係る電磁波エネルギー回収装置2000は、複数のアンテナ200、複数の整流部202、合成部204、及び出力部206を備えている。複数のアンテナ200は所定位置に配列されて、アレイアンテナを構成する。アレイアンテナとしては、レクテナアンテナを、個別に壁面上に設置したものであってもよいし、上述したような一体構造を有するレクテナアレーパネルでもよい。   Referring to FIG. 5, the electromagnetic energy recovery apparatus 2000 according to the embodiment of the present invention includes a plurality of antennas 200, a plurality of rectifying units 202, a combining unit 204, and an output unit 206. The plurality of antennas 200 are arranged at predetermined positions to constitute an array antenna. As the array antenna, a rectenna antenna may be individually installed on a wall surface, or a rectenna array panel having an integral structure as described above.

複数のアンテナ200の各々は、上述したループアンテナ11または12に相当する。すなわち、電磁波エネルギー回収装置2000には、ループアンテナ11および12が複数組設けられる。   Each of the plurality of antennas 200 corresponds to the loop antenna 11 or 12 described above. That is, the electromagnetic wave energy recovery apparatus 2000 is provided with a plurality of sets of loop antennas 11 and 12.

各整流部202は、各アンテナ200の近傍に接続され、アンテナ200と電磁波との相互作用によって発生する交流電圧を直流電圧に変換(整流)する。整流には公知技術を使用すればよく、整流部は公知回路により実現することができる。   Each rectification unit 202 is connected in the vicinity of each antenna 200 and converts (rectifies) an alternating voltage generated by the interaction between the antenna 200 and the electromagnetic wave into a direct voltage. A known technique may be used for the rectification, and the rectification unit can be realized by a known circuit.

合成部204は、整流部202から出力される直流電力(直流電圧又は直流電流)を合成する。複数の整流部202の相互接続は、直列接続であっても、並列接続であっても、さらには、直列接続と並列接続とを混在させた接続であってもよい。交流の場合(特に高周波である場合)には、配線パターンによる影響を受けるが、整流部202の出力は直流であるので、配線パターンの影響をほとんど受けず、任意の配線が可能である。   The combining unit 204 combines the DC power (DC voltage or DC current) output from the rectifying unit 202. The interconnection of the plurality of rectifying units 202 may be a series connection, a parallel connection, or a connection in which a series connection and a parallel connection are mixed. In the case of alternating current (especially in the case of high frequency), it is affected by the wiring pattern, but since the output of the rectifier 202 is direct current, it is hardly affected by the wiring pattern and arbitrary wiring is possible.

出力部206は、合成部204の出力電力を、目的の負荷208に応じた電圧又は電流に変換して負荷208に供給する。出力部206は、目的の負荷208に応じた電圧及び電流を供給するための回路であればよく、公知の電圧変換回路及び電流変換回路によって構成すればよい。出力部206は、コンデンサ又は2次電池等の蓄電装置を備えてもよい。
(アンテナ装置の設計手順)
(EBG単位構造の設計)
具体的なEBGの単位構造の決定の手順を以下説明する。
The output unit 206 converts the output power of the combining unit 204 into a voltage or current corresponding to the target load 208 and supplies the converted voltage or current to the load 208. The output unit 206 may be a circuit for supplying a voltage and current according to the target load 208, and may be configured by a known voltage conversion circuit and current conversion circuit. The output unit 206 may include a power storage device such as a capacitor or a secondary battery.
(Design procedure for antenna device)
(Design of EBG unit structure)
A specific procedure for determining the unit structure of EBG will be described below.

1)まず、単位構造の計算機モデルを作り、反射位相の周波数特性をx方向の偏波とy方向の偏波についてそれぞれ電磁界シミュレーション等で求める(この手法は当業者には周知であるので省略する)。このときの基板の比誘電率は実際に用いる材料の比誘電率を設定する。   1) First, a computer model of the unit structure is created, and the frequency characteristic of the reflection phase is obtained for each of the polarization in the x direction and the polarization in the y direction (this method is well known to those skilled in the art and is omitted). To do). At this time, the relative dielectric constant of the material actually used is set as the relative dielectric constant of the substrate.

2)それぞれの偏波において所望の周波数で反射位相が所定の値となるように基板の厚み、金属パッチの大きさ、周期を決定する。ここで、所定の値としては、たとえば、30°とすることができる。この値をいくらに設定するかは、たとえば、電磁界シミュレーションによるパラメトリックな解析で見出すことができる。なお、長方形パッチの大きさが大きいほど、周期が大きいほど、また厚みが厚いほどEBG構造の共振周波数(反射位相が0°となる周波数)が低くなる。   2) The thickness of the substrate, the size of the metal patch, and the period are determined so that the reflection phase has a predetermined value at a desired frequency in each polarization. Here, the predetermined value may be 30 °, for example. How much this value is set can be found by, for example, parametric analysis by electromagnetic field simulation. Note that the greater the size of the rectangular patch, the greater the period, and the greater the thickness, the lower the resonance frequency of the EBG structure (the frequency at which the reflection phase becomes 0 °).

(方形ループアンテナの設計)
方形ループアンテナの寸法の決定方法を以下に説明する。
(Design of square loop antenna)
A method for determining the dimensions of the rectangular loop antenna will be described below.

1)ループアンテナの幅を、例えば1/100波長くらいとする。ループ1辺の長さを所望の周波数の波長の1/4前後と仮決めする。   1) The width of the loop antenna is, for example, about 1/100 wavelength. The length of one side of the loop is provisionally determined to be around 1/4 of the wavelength of the desired frequency.

2)まずループアンテナ11のみを配置して、図3の構造を計算機上にモデリングする。水平偏波であるので、給電点はx軸に平行な辺の中央にする。電磁界シミュレーションによって、給電点でのアンテナ反射係数の周波数特性を求める。ループ1辺の長さを変えながら、アンテナ反射係数の周波数特性を求める。そして、水平偏波についての設計周波数で、アンテナ反射係数が最小となったときのループ1辺の長さを、ループアンテナ11のループ1辺の長さとして決定する。   2) First, only the loop antenna 11 is arranged, and the structure of FIG. 3 is modeled on a computer. Since it is horizontally polarized, the feeding point is at the center of the side parallel to the x-axis. The frequency characteristic of the antenna reflection coefficient at the feeding point is obtained by electromagnetic field simulation. The frequency characteristic of the antenna reflection coefficient is obtained while changing the length of one side of the loop. Then, the length of one side of the loop when the antenna reflection coefficient is minimized at the design frequency for the horizontally polarized wave is determined as the length of one side of the loop of the loop antenna 11.

3)次に、ループアンテナ12を加えて、垂直偏波についての設計周波数で、アンテナ反射係数が最小となるようにループアンテナ12の1辺の長さを決定する。なお、ループアンテナ12は垂直偏波であるので、給電点はy軸に平行な辺の中央に設ける。   3) Next, the loop antenna 12 is added, and the length of one side of the loop antenna 12 is determined so that the antenna reflection coefficient is minimized at the design frequency for vertical polarization. Since the loop antenna 12 is vertically polarized, the feeding point is provided at the center of the side parallel to the y axis.

(設計の具体例)
より具体的に、設計周波数を、水平偏波は500MHzで、垂直偏波は840MHzとしたときの、本アンテナの設計の具体例を以下に示す。
(Specific examples of design)
More specifically, a specific example of the design of this antenna when the design frequency is 500 MHz for horizontal polarization and 840 MHz for vertical polarization is shown below.

まず、図6は、EBG反射板の層構造を説明するための図である。   First, FIG. 6 is a diagram for explaining the layer structure of the EBG reflector.

図6を参照して、EBG反射板の層構成においては、厚みを確保するために比誘電率がほぼ1.0の誘電体スペーサを用いて、片面に長方形の金属パッチをもつ比誘電率9.8のプリント基板を支える。さらにその上に、比誘電率がほぼ1.0の誘電体スペーサを用いて、ループアンテナ11、12をもつ比誘電率が3.7のプリント基板を支える。   Referring to FIG. 6, in the layer structure of the EBG reflector, a dielectric spacer having a relative dielectric constant of approximately 1.0 is used to ensure thickness, and a relative dielectric constant of 9 having a rectangular metal patch on one side. Supports 8 printed circuit boards. Furthermore, a dielectric substrate having a relative dielectric constant of approximately 1.0 is used to support a printed circuit board having a relative dielectric constant of 3.7 having the loop antennas 11 and 12.

図7は、EBGの単位構造を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing a unit structure of EBG.

図7(a)は上面図であり、図7(b)は側面の断面図である。   FIG. 7A is a top view, and FIG. 7B is a side sectional view.

図8は、図7に示したEBGの単位構造の寸法での反射位相の周波数特性を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing the frequency characteristics of the reflection phase at the dimensions of the unit structure of the EBG shown in FIG.

水平偏波では周波数500MHzで、垂直偏波では840MHzで、反射位相が約30°である。この単位構造を水平方向(x方向)に10単位、垂直方向(y方向)に25単位を並べてEBG構造の反射板とした。   The horizontal polarization has a frequency of 500 MHz, the vertical polarization has a frequency of 840 MHz, and the reflection phase is about 30 °. This unit structure was arranged in a unit of 10 units in the horizontal direction (x direction) and 25 units in the vertical direction (y direction) to form an EBG structure reflector.

図9は、方形ループアンテナ11,12の寸法を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing the dimensions of the square loop antennas 11 and 12.

ループアンテナ11では、水平偏波を考慮して、給電部がx軸に平行な辺に設けられ、アンテナの太さは5mm、一辺の長さは120mmである。   In the loop antenna 11, in consideration of horizontal polarization, the power feeding unit is provided on a side parallel to the x axis, the thickness of the antenna is 5 mm, and the length of one side is 120 mm.

ループアンテナ12では、垂直偏波を考慮して、給電部がy軸に平行な辺に設けられ、アンテナの太さは5mm、一辺の長さは80mmである。   In the loop antenna 12, in consideration of vertical polarization, the power feeding unit is provided on a side parallel to the y axis, the thickness of the antenna is 5 mm, and the length of one side is 80 mm.

図10は、以上の構成での、アンテナ反射係数を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the antenna reflection coefficient in the above configuration.

図10より、所望の周波数で反射係数が−10dB以下に小さくなっており、効率よく受信(送信)できることがわかる。   FIG. 10 shows that the reflection coefficient is reduced to −10 dB or less at a desired frequency, so that reception (transmission) can be performed efficiently.

図11は、ループアンテナ11(水平偏波:500MHz)の放射パターンを示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing a radiation pattern of the loop antenna 11 (horizontal polarization: 500 MHz).

図12は、ループアンテナ12(垂直偏波:840MHz)の放射パターンを示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing a radiation pattern of the loop antenna 12 (vertically polarized wave: 840 MHz).

図11および図12により、最大利得がそれぞれ8.9dBi、10.6dBiと、EBG構造を用いない単体のループアンテナの利得約3dBiと比べて高くなっており、パターンも乱れることなく最大利得方向がほぼ正面方向(+z方向)に保たれていることがわかる。   11 and 12, the maximum gain is 8.9 dBi and 10.6 dBi, respectively, which is higher than the gain of about 3 dBi of a single loop antenna that does not use the EBG structure, and the maximum gain direction is not disturbed. It can be seen that it is maintained almost in the front direction (+ z direction).

以上から、それぞれの偏波(周波数)の電波を、同時に効率よく受信(送信)できる低姿勢のアンテナが実現できることがわかる。また、二つのループアンテナを同心状に配置していることから、アンテナ全体の大きさを小さく保つことができる。
(実施の形態2)
図13は、本発明の実施の形態2のアンテナ装置1000´の構成を説明するための図である。
From the above, it can be seen that a low-profile antenna capable of efficiently receiving (transmitting) each polarized wave (frequency) simultaneously can be realized. In addition, since the two loop antennas are arranged concentrically, the size of the entire antenna can be kept small.
(Embodiment 2)
FIG. 13 is a diagram for explaining the configuration of the antenna device 1000 ′ according to the second embodiment of the present invention.

実施の形態2のアンテナ装置1000´では、実施の形態1のアンテナ装置1000の構造とは、受信した電波を直流に変換するための整流回路202Hおよび202Vを、誘電体スペーサ板上であってアンテナを形成する基板(たとえば、プリント基板)上の給電点の位置に設ける構成とした点で異なる。   The antenna device 1000 ′ of the second embodiment is different from the structure of the antenna device 1000 of the first embodiment in that rectifier circuits 202H and 202V for converting received radio waves into direct current are provided on a dielectric spacer plate and are antennas. It differs in the point which set it as the structure provided in the position of the electric power feeding point on the board | substrate (for example, printed circuit board) which forms.

すなわち、図13に示すように、方形ループアンテナ11の給電部に整流回路202Hを設け、方形ループアンテナ12の給電部に整流回路202Vを設ける。整流回路202Hおよび202Vを設けることにより、それぞれの受信周波数に合わせて効率よく直流電流に変換することが可能となる。ここで、整流回路については、その構造は周知であるので、説明は省略する。   That is, as shown in FIG. 13, a rectifier circuit 202 </ b> H is provided in the power feeding part of the square loop antenna 11, and a rectifier circuit 202 </ b> V is provided in the power feeding part of the square loop antenna 12. By providing the rectifier circuits 202H and 202V, it becomes possible to efficiently convert to a direct current in accordance with the respective reception frequencies. Here, since the structure of the rectifier circuit is well known, description thereof is omitted.

各整流回路202Hおよび202Vで整流された直流電力は、直流合成回路204で合成されて、一つの直流合成出力端子から出力される。直流合成回路204は、2つの整流回路を直列に接続する回路構成をもったものでもよいし、並列に接続する回路構成を持ったものでもよい。そして、直流合成出力を出力部206(図示せず)を介して負荷回路に接続することにより、負荷回路を駆動することができる。   The DC power rectified by the rectifier circuits 202H and 202V is synthesized by the DC synthesis circuit 204 and output from one DC synthesis output terminal. The DC synthesis circuit 204 may have a circuit configuration in which two rectifier circuits are connected in series, or may have a circuit configuration in which the rectifier circuits are connected in parallel. The load circuit can be driven by connecting the DC composite output to the load circuit via the output unit 206 (not shown).

実施の形態2の構成により、小さいスペースで2種類の電波を同時にとらえて、それぞれ直流電力に変換し合成することができるので、従来よりも大きな直流電力が得られる。
(実施の形態3)
図14は、本発明の実施の形態3のアンテナ装置1000´´の構成を説明するための図である。
With the configuration of the second embodiment, two types of radio waves can be simultaneously captured in a small space, and each can be converted into DC power and combined, so that DC power greater than that in the past can be obtained.
(Embodiment 3)
FIG. 14 is a diagram for explaining the configuration of the antenna device 1000 ″ according to the third embodiment of the present invention.

実施の形態3のアンテナ装置1000´´では、実施の形態2における同心状の二つのループアンテナを複数組並べてアレー化する。EBG反射板はそれに合わせて大きくし、このような複数組のループアンテナに対して共通に設けられる構成とする。   In the antenna device 1000 ″ of the third embodiment, a plurality of sets of two concentric loop antennas in the second embodiment are arranged and arrayed. The EBG reflector is increased in size, and is configured to be provided in common for a plurality of sets of loop antennas.

各整流回路202V,202Hから直流合成回路への配線は省いている。直流合成回路204は、二つの整流回路を直列に接続する回路構成をもったものでもよいし、並列に接続する回路構成を持ったものでもよい。さらには、直列と並列を組み合わせた合成回路でもよい。   Wiring from the rectifier circuits 202V and 202H to the DC synthesis circuit is omitted. The DC synthesis circuit 204 may have a circuit configuration in which two rectifier circuits are connected in series or may have a circuit configuration in which the rectifier circuits are connected in parallel. Further, it may be a combined circuit combining series and parallel.

EBG反射板は、面内方向への電波の伝搬を抑える効果があるので、隣り合うループアンテナのペアとの相互結合が小さくなり、効率低下が抑えられる効果もある。   Since the EBG reflector has an effect of suppressing propagation of radio waves in the in-plane direction, mutual coupling with adjacent pairs of loop antennas is reduced, and there is also an effect of suppressing a reduction in efficiency.

この構成により、同じ面積内で2種類の電波を同時に受信することができるので、従来よりも単位面積当たりの回収電力が大きくなる。
(実施の形態4)
なお、以上の実施の形態1〜3においては、ループアンテナを用いるものとして説明したが、アンテナは、ダイポールアンテナを用いることとしてもよい。
With this configuration, two types of radio waves can be received simultaneously within the same area, so that the recovered power per unit area is greater than in the past.
(Embodiment 4)
In Embodiments 1 to 3 described above, the loop antenna is used. However, the antenna may be a dipole antenna.

図15は、ダイポールアンテナを用いる場合のアンテナ装置1002の構成を説明するための図である。   FIG. 15 is a diagram for explaining the configuration of the antenna device 1002 when a dipole antenna is used.

図15(a)は上面図であり、図15(b)は、側面の断面図である。   FIG. 15A is a top view, and FIG. 15B is a side sectional view.

ダイポールアンテナ21は、水平偏波用であって、長方形パッチ104の長辺に平行にダイポールの向きを一致させる。ダイポールアンテナ22は、垂直偏波用であって、長方形パッチ104の短辺に平行にダイポールの向きを一致させる。ここで、ダイポールアンテナ21の各素子をつなぐ配線と、ダイポールアンテナ22の各素子をつなぐ配線とがショートしないように、たとえば、ダイポールアンテナ21の各素子をつなぐ配線は、アンテナを形成する基板(たとえばプリント基板)の表側に配線し、ダイポールアンテナ22の各素子をつなぐ配線は、アンテナを形成する基板の裏側に配線する構造とする。   The dipole antenna 21 is for horizontally polarized waves, and matches the direction of the dipole parallel to the long side of the rectangular patch 104. The dipole antenna 22 is for vertically polarized waves, and matches the direction of the dipole parallel to the short side of the rectangular patch 104. Here, in order not to short-circuit the wiring connecting each element of the dipole antenna 21 and the wiring connecting each element of the dipole antenna 22, for example, the wiring connecting each element of the dipole antenna 21 is a substrate (for example, The wiring that connects to the front side of the printed circuit board and connects each element of the dipole antenna 22 is configured to be wired on the back side of the substrate on which the antenna is formed.

アンテナ装置1002においては、EBG構造反射板の構成については、実施の形態1〜3と同様である。方形ループアンテナをダイポールアンテナとすることで、以下の相違がある。   In antenna device 1002, the configuration of the EBG structure reflector is the same as in the first to third embodiments. By using a square loop antenna as a dipole antenna, there are the following differences.

ダイポールアンテナの寸法の決定方法を以下に説明する。   A method for determining the dimensions of the dipole antenna will be described below.

ダイポールアンテナの幅を、例えば、1/100波長くらいとする。ダイポール全長を所望の周波数の波長の1/2前後と仮決めする。   The width of the dipole antenna is, for example, about 1/100 wavelength. The total length of the dipole is provisionally determined to be about ½ of the desired frequency wavelength.

まずダイポールアンテナ21のみをEBG反射板の上に配置して計算機上にモデリングする。水平偏波であるので、長方形パッチの長辺に平行にダイポールの向きを一致させる。電磁界シミュレーションによって、給電点でのアンテナ反射係数の周波数特性を求める。ダイポールの長さを変えながら、アンテナ反射係数の周波数特性を求める。そして、水平偏波についての設計周波数で、アンテナ反射係数が最小となったときのダイポール長を、ダイポールアンテナの長さとして決定する。   First, only the dipole antenna 21 is placed on the EBG reflector and modeled on the computer. Since it is horizontally polarized, the direction of the dipole is made parallel to the long side of the rectangular patch. The frequency characteristic of the antenna reflection coefficient at the feeding point is obtained by electromagnetic field simulation. The frequency characteristic of the antenna reflection coefficient is obtained while changing the length of the dipole. Then, the dipole length when the antenna reflection coefficient is minimized at the design frequency for the horizontally polarized wave is determined as the length of the dipole antenna.

次に、ダイポールアンテナ22を加えて、垂直偏波についての設計周波数で、アンテナ反射係数が最小となるようにダイポールアンテナ22の長さを決定する。なお、ダイポールアンテナ22は垂直偏波であるので、長方形パッチの短辺に平行にダイポールの向きを一致させる。   Next, the dipole antenna 22 is added, and the length of the dipole antenna 22 is determined so that the antenna reflection coefficient is minimized at the design frequency for vertical polarization. Since the dipole antenna 22 is vertically polarized, the direction of the dipole is made to coincide with the short side of the rectangular patch.

たとえば、円偏波を送受信するのであれば、長方形パッチの水平方向の長さと垂直方向の長さは、円偏波を発生しようとする一つの周波数において、水平偏波の反射位相が90°(−90°)、垂直偏波の反射位相が−90°(90°)となるように決定する。これに対して、本実施の形態では、各偏波方向に対して、独立に、反射係数が所望の周波数において極小となるように設計がされることになる。   For example, if circularly polarized waves are transmitted / received, the horizontal length and the vertical length of the rectangular patch are such that the reflection phase of the horizontally polarized wave is 90 ° at one frequency at which circularly polarized waves are to be generated ( −90 °), and the reflection phase of the vertically polarized wave is determined to be −90 ° (90 °). On the other hand, in the present embodiment, the reflection coefficient is designed to be minimal at a desired frequency independently for each polarization direction.

以上のような構成でも、実施の形態1〜3と同様の効果を奏することが可能である。   Even with the configuration as described above, it is possible to achieve the same effects as in the first to third embodiments.

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。   Embodiment disclosed this time is an illustration of the structure for implementing this invention concretely, Comprising: The technical scope of this invention is not restrict | limited. The technical scope of the present invention is shown not by the description of the embodiment but by the scope of the claims, and includes modifications within the wording and equivalent meanings of the scope of the claims. Is intended.

11,12 方形ループアンテナ、21,22 ダイポールアンテナ、100 EBG構造反射板、102 グランド、104 長方形金属パッチ、106 基板、200 アンテナ、202 整流部、204 合成部、206 出力部、208 負荷、1000,1000´,1000´´,1002 アンテナ装置。   11,12 square loop antenna, 21,22 dipole antenna, 100 EBG structure reflector, 102 ground, 104 rectangular metal patch, 106 substrate, 200 antenna, 202 rectifier, 204 synthesizer, 206 output, 208 load, 1000, 1000 ′, 1000 ″, 1002 Antenna device.

Claims (8)

水平偏波用の第1のアンテナ素子と、
前記第1のアンテナ素子とは中心位置を共有するように配置され、垂直偏波用の第2のアンテナ素子と、
前記第1および第2のアンテナ素子の背面側に設けられる、電磁バンドギャップ構造の反射板とを備え、
前記反射板は、
導電性のグランド層と、
前記グランド層から所定の高さに周期的に並べられた、複数の長方形の導電性パッチとを含む、アンテナ装置。
A first antenna element for horizontal polarization;
The first antenna element is arranged so as to share a central position, and a second antenna element for vertical polarization,
A reflector having an electromagnetic bandgap structure provided on the back side of the first and second antenna elements;
The reflector is
A conductive ground layer;
An antenna device comprising a plurality of rectangular conductive patches periodically arranged at a predetermined height from the ground layer.
前記第1のアンテナ素子の少なくとも一部は、前記長方形の短辺および長辺のいずれか一方と平行であり、
前記第2のアンテナ素子の少なくとも一部は、前記長方形の短辺および長辺の他方と平行である、請求項1記載のアンテナ装置。
At least a part of the first antenna element is parallel to one of the short side and the long side of the rectangle,
The antenna device according to claim 1, wherein at least a part of the second antenna element is parallel to the other of the short side and the long side of the rectangle.
各前記長方形の導電性パッチの水平方向の寸法は、対象となる電磁波の水平偏波の周波数に対応して設定され、各前記長方形の導電性パッチの垂直方向の寸法は、前記対象となる電磁波の垂直偏波の周波数に対応して設定される、請求項2記載のアンテナ装置。   The horizontal dimension of each rectangular conductive patch is set corresponding to the frequency of horizontal polarization of the target electromagnetic wave, and the vertical dimension of each rectangular conductive patch is the target electromagnetic wave. The antenna device according to claim 2, wherein the antenna device is set corresponding to a frequency of vertically polarized waves. 前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子とは、同心状に配置された、互いに寸法の異なる方形ループアンテナである、請求項1〜3記載のアンテナ装置。   The antenna device according to claim 1, wherein the first antenna element and the second antenna element are rectangular loop antennas arranged concentrically and having different dimensions. 前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子とは、共通の中心に対して直交するように配置された、互いに寸法の異なるダイポールアンテナである、請求項1〜3記載のアンテナ装置。   The antenna device according to claim 1, wherein the first antenna element and the second antenna element are dipole antennas that are arranged to be orthogonal to a common center and have different dimensions. 電磁波エネルギー回収装置であって、
複数のアンテナ装置を備え、前記アンテナ装置は、
水平偏波用の第1のアンテナ素子と、
前記第1のアンテナ素子とは中心位置を共有するように配置され、垂直偏波用の第2のアンテナ素子と、
前記第1および第2のアンテナ素子の背面に設けられる、電磁バンドギャップ構造の反射板とを含み、
前記反射板は、
導電性のグランド層と、
前記グランド層から所定の高さに周期的に並べられた、複数の長方形の導電性パッチとを有し、
各前記アンテナ装置からの電力を合成するための電力合成装置とを備える、電磁波エネルギー回収装置。
An electromagnetic energy recovery device,
A plurality of antenna devices, the antenna device is
A first antenna element for horizontal polarization;
The first antenna element is arranged so as to share a central position, and a second antenna element for vertical polarization,
A reflector having an electromagnetic bandgap structure provided on the back surface of the first and second antenna elements;
The reflector is
A conductive ground layer;
A plurality of rectangular conductive patches periodically arranged at a predetermined height from the ground layer;
An electromagnetic wave energy recovery device comprising: a power combiner for combining power from each of the antenna devices.
前記電力合成装置は、
前記第1のアンテナ素子の給電部に設けられる第1の整流回路と、
前記第2のアンテナ素子の給電部に設けられる第2の整流回路と、
前記第1および第2の整流回路からの直流電力を合成する直流合成回路とを含む、請求項6記載の電磁波エネルギー回収装置。
The power combiner is
A first rectifier circuit provided in a feeding portion of the first antenna element;
A second rectifier circuit provided in a feeding portion of the second antenna element;
The electromagnetic wave energy recovery apparatus according to claim 6, further comprising: a direct current combining circuit that combines direct current power from the first and second rectifier circuits.
前記反射板は、複数の前記第1のアンテナ素子および複数の前記第2のアンテナ素子に共通に設けられている、請求項7記載の電磁波エネルギー回収装置。   The electromagnetic wave energy recovery apparatus according to claim 7, wherein the reflection plate is provided in common to the plurality of first antenna elements and the plurality of second antenna elements.
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