JP5842731B2 - Metamaterial antenna - Google Patents
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Description
本発明は、メタマテリアルアンテナに関するものである。 The present invention relates to a metamaterial antenna.
従来、基板の一面に導電パターンを形成し、基板の反対面にグランドパターンを形成したパッチアンテナ(マイクロストリップラインアンテナ)が広く普及している。このようなパッチアンテナでは、電波が伝搬する方向に進むに従い位相が回転する。 Conventionally, patch antennas (microstrip line antennas) in which a conductive pattern is formed on one surface of a substrate and a ground pattern is formed on the opposite surface of the substrate have been widely used. In such a patch antenna, the phase rotates as it travels in the direction of propagation of radio waves.
また、基板の一面に導電パターンを形成し、基板の反対面にグランドパターンを形成し、導電パターンとグランドパターン間をスルーホールで導通させるようにして、電波の伝搬方向に進んでも位相が回転しないようにしたメタマテリアルアンテナと呼ばれるパッチアンテナが実用化されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, a conductive pattern is formed on one surface of the substrate, a ground pattern is formed on the opposite surface of the substrate, and the conductive pattern and the ground pattern are electrically connected by a through hole. A patch antenna called a metamaterial antenna has been put into practical use (for example, see Patent Document 1).
従来のメタマテリアルアンテナの構造を図11に示す。この図に示すように、メタマテリアルアンテナは、基板11の一面に導体板11aを形成し、基板11の反対面にグランド板11bを形成し、導体板11aとグランド板11b間をスルーホール11cで導通させるように構成されている。
A structure of a conventional metamaterial antenna is shown in FIG. As shown in this figure, the metamaterial antenna has a
図11に示したメタマテリアルアンテナの等価回路を図12に示す。この図に示すメタマテリアルアンテナにおいて、スルーホール11cによるインダクダンス成分をL、メタマテリアルアンテナの導体板11aとグランド11b板間のキャパシタンス成分をCとすると、メタマテリアルアンテナの動作周波数は、ω=1/√(LC)として表される。また、誘電率をε、導体板11aの面積をS、導体板11aとグランド板11b間の厚さをdとすると、導体板11aとグランド板11b間で形成されるキャパシタンス成分Cは、C=ε・(S/d)として表される。
FIG. 12 shows an equivalent circuit of the metamaterial antenna shown in FIG. In the metamaterial antenna shown in this figure, if the inductance component due to the
このようなメタマテリアルアンテナにおいて、アンテナの占有面積を縮小化したいという要求がある。しかし、アンテナの占有面積の縮小化のため、導体板11aの面積Sを小さくすると、導体板11aとグランド板11b間で形成されるキャパシタンス容量Cが小さくなり、動作周波数ωが高周波側にシフトしてしまうといった問題が生じる。
In such a metamaterial antenna, there is a demand for reducing the area occupied by the antenna. However, if the area S of the
本発明は上記問題に鑑みたもので、動作周波数を変更することなく、導電パターンの専有面積の縮小化を図ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to reduce the area occupied by a conductive pattern without changing the operating frequency.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、一面に導電パターン(11a)が形成され、反対面にグランドパターン(11b)が形成され、導電パターン(11a)とグランドパターン(11b)間を導通させるスルーホール(11c)が形成された絶縁層(11)を有し、給電パターン(12)への給電に応じて、スルーホール(11c)のインダクタンス成分と、導電パターン(11a)とグランドパターン(11b)間のキャパシタンス成分との並列共振により、絶縁層(11)に形成されたグランドパターン(11b)に対して垂直で、かつ、導電パターン上の任意の位置で電界が同一方向を向くような偏波を発生するメタマテリアルアンテナであって、スルーホール(11c)のインダクタンス成分と、導電パターン(11a)とグランドパターン(11b)間のキャパシタンス成分とで構成されるブロックが複数並列に配列された構造となっており、それぞれのブロックにおいて、スルーホール(11c)が形成された絶縁層(11)の第1の領域の周囲に、導電パターン(11a)とグランドパターン(11b)間の厚さが第1の領域よりも薄い第2の領域を形成してそのブロックにおけるキャパシタンス成分を増加させた構成となっている。そして、前記第1の領域から前記第2の領域にかけて前記導電パターン(11a)と前記グランドパターン(11b)間の厚さが傾斜するように変化している。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the conductive pattern (11a) is formed on one surface, the ground pattern (11b) is formed on the opposite surface, and the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) are formed. An insulating layer (11) in which a through hole (11c) is formed to conduct electricity between the inductance component of the through hole (11c) and the conductive pattern (11a) according to the power supply to the power supply pattern (12). Due to the parallel resonance with the capacitance component between the ground patterns (11b), the electric field is perpendicular to the ground pattern (11b) formed in the insulating layer (11) and in the same direction at any position on the conductive pattern. A metamaterial antenna that generates a polarized wave that is directed to an inductance component of a through hole (11c) and a conductive pattern (1 The insulating layer (11) has a structure in which a plurality of blocks composed of a) and a capacitance component between the ground pattern (11b) are arranged in parallel, and through-holes (11c) are formed in each block. A configuration in which a second region in which the thickness between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) is thinner than the first region is formed around the first region to increase the capacitance component in the block. It has become . The thickness between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) changes from the first region to the second region so as to be inclined.
このような構成によれば、スルーホール(11c)が形成された絶縁層(11)の第1の領域の周囲に、当該第1の領域よりも導電パターン(11a)とグランドパターン(11b)間の厚さの薄い第2の領域が形成されており、導電パターンの専有面積を縮小化して導電パターン(11a)とグランドパターン(11b)間のキャパシタンス成分が小さくなっても、スルーホール(11c)によるインダクダンス成分が維持されたまま、第2の領域により、導電パターン(11a)とグランドパターン(11b)間のキャパシタンス成分を大きくすることができるので、動作周波数を変更することなく、導電パターンの専有面積の縮小化を図ることができる。 According to such a configuration, the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) are disposed around the first region of the insulating layer (11) in which the through hole (11c) is formed, rather than the first region. The second region having a small thickness is formed, and even though the area occupied by the conductive pattern is reduced to reduce the capacitance component between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b), the through hole (11c) The capacitance component between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) can be increased by the second region while the inductance component due to is maintained, so that the conductive pattern can be changed without changing the operating frequency. The exclusive area can be reduced.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
本発明の一実施形態に係るメタマテリアルアンテナの構造を図1に示す。また、図1中の矢印A方向からメタマテリアルアンテナを見た様子を図2に示す。また、図1中の矢印B方向からメタマテリアルアンテナを見た様子を図3に示す。 The structure of a metamaterial antenna according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 2 shows a metamaterial antenna viewed from the direction of arrow A in FIG. FIG. 3 shows a metamaterial antenna viewed from the direction of arrow B in FIG.
本メタマテリアルアンテナは、アンテナ体格が大きくなるUHF帯の周波数を使用する車々間通信等のインフラ強調システムに用いられる。なお、本メタマテリアルアンテナは、所謂、左手系メタマテリアル技術を用いて構成されている。 This metamaterial antenna is used in an infrastructure enhancement system such as inter-vehicle communication using a frequency in the UHF band where the antenna size is large. The metamaterial antenna is configured by using a so-called left-handed metamaterial technology.
本メタマテリアルアンテナは、誘電体から成る絶縁層11を有している。絶縁層11の一面(図2中、上面)には導電パターン11aが形成され、絶縁層11の反対面(図2中、下面)にはグランドパターン11bが形成されている。また、導電パターン11aとグランドパターン11bの間には、導電パターン11aとグランドパターン11b間を導通させるスルーホール11cが形成されている。また、導電パターン11aには、給電のための給電パターン12が接続されている。
This metamaterial antenna has an
また、図2に示すように、絶縁層11の一面は、スルーホール11cの周囲が絶縁層11と垂直方向に突出している。換言すると、スルーホール11cが形成された第1の領域の周囲に、当該第1の領域よりも導電パターン11aとグランドパターン11b間の厚さの薄い第2の領域が形成されている。
Further, as shown in FIG. 2, one surface of the
本実施形態において、図3中の1段目、2段目、3段目、4段目に示すように、絶縁層11に形成された1つのスルーホール11cを含む領域を1つのブロックとして説明する。すなわち、本メタマテリアルアンテナは、給電パターン12に近い一方のブロックを1段目とした4段構成となっている。
In the present embodiment, as shown in the first, second, third, and fourth stages in FIG. 3, a region including one through
本メタマテリアルアンテナは、給電パターン12への給電に応じて、スルーホール11cのインダクタンス成分と、導電パターン11aとグランドパターン11b間のキャパシタンス成分との並列共振により、絶縁層11に形成されたグランドパターン11bに対して垂直で、かつ、導電パターン上の任意の位置で電界が同一方向を向くような偏波を発生する。
This metamaterial antenna has a ground pattern formed in the
ここで、図11に示した従来のメタマテリアルアンテナの基本構成について説明する。図11に示した従来のメタマテリアルアンテナは絶縁層11の厚さが全領域で均一となっている。
Here, a basic configuration of the conventional metamaterial antenna shown in FIG. 11 will be described. In the conventional metamaterial antenna shown in FIG. 11, the thickness of the
また、図12に示した従来のメタマテリアルアンテナの等価回路において、図中のインダクタンス成分L11は、各スルーホール11cのインダクタンス成分であり、キャパシタンス成分C1は、導電パターン11aとグランドパターン11b間のキャパシタンス成分である。また、インダクタンス成分L12は、スルーホール11c間の導電パターンのインダクタンス成分である。
In the equivalent circuit of the conventional metamaterial antenna shown in FIG. 12, an inductance component L11 in the figure is an inductance component of each through
メタマテリアルアンテナのスルーホール11cによるインダクダンス成分をL、メタマテリアルアンテナの導電パターン11aとグランドパターン11b間のキャパシタンス成分をCとすると、メタマテリアルアンテナの動作周波数は、ω=1/√(LC)として表される。また、誘電率をε、導電パターン11aの面積をS、導電パターン11aとグランドパターン11b間の厚さをdとすると、導電パターン11aとグランドパターン11b間で形成されるキャパシタンス成分Cは、C=ε・(S/d)として表される。
When the inductance component due to the
このようなメタマテリアルアンテナにおいて、アンテナの占有面積の縮小化のため、導電パターン11aの面積Sを小さくすると、導電パターン11aとグランドパターン11b間で形成されるキャパシタンス容量Cが小さくなり、動作周波数ωが高周波側にシフトしてしまう。
In such a metamaterial antenna, if the area S of the
また、導電パターン11aとグランドパターン11b間の全体の厚さを薄くした場合、動作周波数ωを低周波側にシフトさせることはできるものの、スルーホールにより形成されるインダクダンスLも小さくなるため、アンテナ性能が低下してしまう。
Further, when the overall thickness between the
そこで、本メタマテリアルアンテナは、図4に示すように、スルーホール11cが形成された第1の領域の周囲に、当該第1の領域よりも導電パターン11aとグランドパターン11b間の厚さの薄い第2の領域を形成することで、動作周波数を変更することなく、アンテナの占有面積の縮小化を図っている。
Therefore, as shown in FIG. 4, in the metamaterial antenna, the thickness between the
図4中に示されるメタマテリアルアンテナの導電パターン11aとグランドパターン11b間で形成されるキャパシタンス容量Cは、アンテナの専有面積をS、第1の領域の導電パターン11aの厚さをd、第2の領域の導電パターン11aの厚さをttとした場合、図4中の数式1のように表すことができる。
The capacitance capacitance C formed between the
アンテナの専有面積、すなわち導電パターン11aの専有面積の縮小化により導電パターン11aとグランドパターン11b間で形成されるキャパシタンス成分Cが減少しても、絶縁層11の一面に形成された凸部(第1の領域)の両側の(第2の領域)の厚さdを薄くしてキャパシタンス成分Cを増加させることで、ほぼ同じ動作周波数で動作するようになっている。
Even if the capacitance component C formed between the
次に、図5、図6を参照して、図1に示した本実施形態に係るメタマテリアルアンテナと、図11に示した従来タイプのメタマテリアルアンテナの周波数に対する電圧定在波比(VSWR)の特性について説明する。 Next, referring to FIG. 5 and FIG. 6, the voltage standing wave ratio (VSWR) with respect to the frequency of the metamaterial antenna according to the present embodiment shown in FIG. 1 and the conventional type metamaterial antenna shown in FIG. The characteristics will be described.
図5(a)に、図1に示した本実施形態に係るメタマテリアルアンテナの寸法を示す。図5(b)に、図11に示した従来のメタマテリアルアンテナの寸法を示す。図5(a)に示されているメタマテリアルアンテナの導電パターン11aのサイズは、100mm×50mmとなっており、図5(b)に示されているメタマテリアルアンテナの導電パターン11aのサイズは、120mm×60mmとなっている。つまり、図5(a)に示されているメタマテリアルアンテナの導電パターン11aの専有面積は、図5(b)に示されているメタマテリアルアンテナと比較して約30パーセント(%)少なくなっている。
FIG. 5A shows the dimensions of the metamaterial antenna according to the present embodiment shown in FIG. FIG. 5B shows the dimensions of the conventional metamaterial antenna shown in FIG. The size of the
図6に、図5(a)に示したメタマテリアルアンテナと、図5(b)に示したメタマテリアルアンテナの周波数に対する電圧定在波比(VSWR)の特性を示す。図5(a)に示されているメタマテリアルアンテナは、VSWR=3としたときの帯域が7メガヘルツ(MHz)となっている。また、図5(b)に示されているメタマテリアルアンテナは、VSWR=3としたときの帯域が13メガヘルツ(MHz)となっている。 FIG. 6 shows characteristics of the voltage standing wave ratio (VSWR) with respect to the frequency of the metamaterial antenna shown in FIG. 5A and the metamaterial antenna shown in FIG. The metamaterial antenna shown in FIG. 5A has a bandwidth of 7 megahertz (MHz) when VSWR = 3. Further, the metamaterial antenna shown in FIG. 5B has a bandwidth of 13 megahertz (MHz) when VSWR = 3.
また、図5(a)に示されているメタマテリアルアンテナ、図5(b)に示されているメタマテリアルアンテナともに、動作周波数は730メガヘルツ(MHz)〜755メガヘルツ(MHz)程度となっており、ほぼ同じ動作周波数を実現することができている。 In addition, both the metamaterial antenna shown in FIG. 5A and the metamaterial antenna shown in FIG. 5B have an operating frequency of about 730 megahertz (MHz) to 755 megahertz (MHz). , Almost the same operating frequency can be realized.
参考として、図11に示した従来のメタマテリアルアンテナのように絶縁層11の厚さd(d=6.4mm)を全領域で一定としたまま、図5(a)に示したメタマテリアルアンテナと同様に、導電パターン11aのサイズを100mm×50mmまで縮小した場合の周波数に対する電圧定在波比(VSWR)の特性を図7に示す。
As a reference, the metamaterial antenna shown in FIG. 5 (a) while the thickness d (d = 6.4 mm) of the insulating
このように、従来のメタマテリアルアンテナのように絶縁層11の厚さを全領域で一定としたまま、導電パターン11aのサイズを単純に縮小した場合、専有面積の縮小化により導電パターン11aとグランドパターン11b間のキャパシタンス成分Cが減少するため、図7に示すように、動作周波数が1090メガヘルツ(MHz)帯となり、高周波側に大幅にシフトしてしまう。
In this way, when the size of the
図8に、図5(a)に示したメタマテリアルアンテナの第2の領域の導電パターン11aの厚さttを変化させた場合の動作周波数の特性を示す。この図に示すように、第2の領域の導電パターン11aの厚さttを薄くするほど動作周波数は低くなる。したがって、第2の領域の導電パターン11aの厚さttを最適値に設定することにより、所望の動作周波数を得ることが可能である。
FIG. 8 shows the characteristics of the operating frequency when the thickness tt of the
上記した構成によれば、スルーホール11cが形成された絶縁層11の第1の領域の周囲に、当該第1の領域よりも導電パターン11aとグランドパターン11b間の厚さの薄い第2の領域が形成されており、導電パターンの専有面積を縮小化して導電パターン11aとグランドパターン11b間のキャパシタンス成分Cが小さくなっても、スルーホール11cによるインダクダンス成分Lが維持されたまま、第2の領域により、導電パターン11aとグランドパターン11b間のキャパシタンス成分Cを大きくすることができるので、動作周波数を変更することなく、導電パターンの専有面積の縮小化を図ることができる。
According to the configuration described above, the second region having a smaller thickness between the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々なる形態で実施することができる。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Based on the meaning of this invention, it can implement with a various form.
例えば、上記実施形態では、図2に示したように第1の領域における導電パターン11aとグランドパターン11b間の厚さと第2の領域における導電パターン11aとグランドパターン11b間の厚さを2段階とした構成を示したが、例えば、図9(a)に示すような多段構造、図9(b)に示すようなテーパ構造、図9(c)に示すようなW型構造等とすることもできる。
For example, in the embodiment, as shown in FIG. 2, the thickness between the
図10に、図9(a)〜(c)に示した各構造のメタマテリアルアンテナの電圧定在波比(VSWR)の周波数特性を示す。図10に示されるように、第2の領域の構造により、メタマテリアルアンテナの電圧定在波比(VSWR)の周波数特性を異ならせることができる。 FIG. 10 shows the frequency characteristics of the voltage standing wave ratio (VSWR) of the metamaterial antenna having each structure shown in FIGS. As shown in FIG. 10, the frequency characteristic of the voltage standing wave ratio (VSWR) of the metamaterial antenna can be made different depending on the structure of the second region.
11 絶縁層
11a 導電パターン
11b グランドパターン
11c スルーホール
12 給電パターン
11
Claims (1)
前記スルーホール(11c)のインダクタンス成分と、前記導電パターン(11a)と前記グランドパターン(11b)間のキャパシタンス成分とで構成されるブロックが複数並列に配列された構造となっており、
それぞれの前記ブロックにおいて、前記スルーホール(11c)が形成された前記絶縁層(11)の第1の領域の周囲に、前記導電パターン(11a)と前記グランドパターン(11b)間の厚さが前記第1の領域よりも薄い第2の領域を形成してそのブロックにおける前記キャパシタンス成分を増加させた構成となっており、
前記第1の領域から前記第2の領域にかけて前記導電パターン(11a)と前記グランドパターン(11b)間の厚さが傾斜するように変化していることを特徴とするメタマテリアルアンテナ。 Insulating layer in which a conductive pattern (11a) is formed on one surface, a ground pattern (11b) is formed on the opposite surface, and a through hole (11c) is formed between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b). (11) and in parallel with the inductance component of the through hole (11c) and the capacitance component between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) according to the power supply to the power supply pattern (12). Due to resonance, a meta that generates a polarization that is perpendicular to the ground pattern (11b) formed in the insulating layer (11) and in which an electric field is directed in the same direction at an arbitrary position on the conductive pattern. A material antenna,
A plurality of blocks composed of an inductance component of the through hole (11c) and a capacitance component between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) are arranged in parallel.
In each of the blocks, the thickness between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) is around the first region of the insulating layer (11) where the through hole (11c) is formed. The second region thinner than the first region is formed to increase the capacitance component in the block ,
A metamaterial antenna , wherein a thickness between the conductive pattern (11a) and the ground pattern (11b) is inclined from the first region to the second region .
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