JP2002534882A - アンテナ装置 - Google Patents

アンテナ装置

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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
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Abstract

(57)【要約】 マイクロ波周波数で誘電率εが１より小さいファインワイヤー誘電体材料(16)を組込むことにより、マイクロ波アンテナの性能が改善される。誘電体材料(16)の効果は、マイクロ波(20)を屈折させ、アンテナ(14)がその物理的な大きさより大きいアパーチャを有するように見えることである。更に、誘電体材料の透過カットオフ周波数を選択することにより、異なる周波数帯域で作動する2つのアンテナ要素を一方を他方の後ろに取り付けることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の属する技術的分野） 本発明は、アンテナ装置に関し、特にマイクロ波アンテナ装置に関する。
【０００２】 本発明によれば、マイクロ波アンテナ装置は、マイクロ波アンテナ構造を備え
、前記マイクロ波アンテナ構造の前にファインワイヤー誘電体が位置し、前記ア
ンテナ構造により送信又は受信されるマイクロ波が前記誘電体を通過するように
なっていて、該誘電体は、誘電率がマイクロ波の周波数で１より小さく、プラズ
マ周波数が前記マイクロ波の周波数より低い。
【０００３】 （従来技術） ファインワイヤー誘電体という言葉は、薄く細長い電導体のアレーで、プラズ
マ周波数より下で誘電率が１より小さいものを意味する。ファインワイヤー誘電
体は、ＧＨｚ範囲のプラズマ周波数で、非常に重く荷電された粒子の低密度プラ
ズマのようにふるまうことが示された。J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J.Robbins an
d W.J.Stewartによる"Low frequency plasmos in thinwire structures", J Phy
s: Condensed Matter 10(1998)4785-4809を参照。
【０００４】 （発明の概要） ファインワイヤー誘電体とアンテナ構造の組み合わせにより、アンテナの作動
と性能を色々に変えることが出来る。アンテナ構造の作動周波数帯で誘電率が０
と１の間になるように調節することにより、送信又は受信アンテナ要素の見かけ
の大きさ即ちアパーチャが増加し、それにより物理的により狭い放射ビームを生
じ、その結果性能が良くなる。
【０００５】 ファインワイヤー誘電体は、色々の形を取ることが出来る。容易に製造出来る
ように、複数の間隔をおいた平面からなり、平行なファインワイヤーが各平面に
あり、ワイヤーの方向を次の面で90°変えるようにする。又は、ファインワイヤ
ーは、メッシュからなり、２組の平行なワイヤーが共通の平面にあり、交差点で
相互に連結するようになっていても良い。さらに、ファインワイヤー誘電体は、
これら２組の平面に直角にワイヤーのアレーを設け、３次元構造形をとり、３次
元格子形成することも出来る。その代わりに、誘電体は、誘電体の平面に直角の
短い個々のワイヤーを備え、「ヘアブラシ」状の構造とすることも出来る。
【０００６】 本発明を使用することにより、アンテナ構造が、物理的に重なり合う異なる作
動周波数を有するように、アンテナ装置を構成することが出来る。例えば、外側
の低い周波数のアンテナ構造は、その後ろに取付けられた高周波数アンテナによ
り送受信される高い周波数を透過することが出来る。この場合、誘電率は、低周
波数帯で負の値を有するようにされ、誘電体が低周波数を透過しないようにされ
る。
【０００７】 （好適な実施例の説明） 本発明の実施例をさらに添付図面を参照して説明する。 図１に、２次元ファインワイヤー誘電体構造（以下、構造化誘電材料という）
2で、複数のポリスチレンの積み重ねたシート4を備えるものの概略図を示す。各
シート4上に、直径30ミクロンの金めっきしたタングステン（Ａｕ−Ｗ）ワイヤ
ー6の平行な列が設けられ、列の間隔は5ｍｍである。次のシートでワイヤー6が
相互に直角の方向になるように、シート4が積み重ねられる。この結果、構造2が
誘電体の性質を示す。
【０００８】 この例では、各シート4の大きさは、200ｍｍかける200ｍｍで、シートの間の
間隔は6ｍｍで、図１のｚ方向の構造全体の厚さは120ｍｍである。 ワイヤー6は、直径20〜30ミクロンのオーダーの細さ（ファイン）であり、ま
たシート4内のワイヤー6の間の間隔が、構造化誘電材料2を使用する放射の波長
と比較して小さいことが重要である。このような構造は、金属特性を示す微細構
造誘電体として作用し、そのプラズマ周波数ωpは、紫外線でなく、マイクロ波
即ちＧＨｚの範囲である。公知のように、材料のプラズマ周波数ωpは、材料の
誘電率が０になる周波数である。
【０００９】 弱く結合し自由に動ける電子の「ガス」に、正イオンが囲まれている金属を考
えることにより、プラズマ周波数の簡単な図を得ることが出来る。電界がなけれ
ば、システムは電気的に中性である。外部電界がかけられるとき、そのとき変位
した負の電子と正イオンの間の対向する電界により、電子ガスが停止されるまで
ドリフトする。低周波数ＡＣ電界をかけると、電子ガスは応答して、電界の位相
と共に前後に振動する。システムは被駆動調和振動子のように作用する。このよ
うに、振動の共振周波数即ち自然周波数を有し、これはプラズマ周波数ωpとい
われる。プラズマ周波数ωpより上の周波数では、電子はかけられた電界に十分
迅速に応答することが出来ず、誘電率はイオンの電荷と関連付けられたバックグ
ラウンド値で飽和する。典型的な金属では、プラズマ周波数ωpは紫外線領域で
ある。
【００１０】 周期的媒体でのマックスウェルの式の直接の解と比較することにより、またＡ
ｕ−Ｗワイヤーに基づく太いワイヤー構造の測定と比較することにより、細いワ
イヤー格子のプラズマ周波数ωpは、次式により、ワイヤーの自己インダクタン
スを電子の有効質量ｍ*に寄与すると扱うことにより、極めて正確に与えられる
。 式(1)
【００１１】 ここに、ｒはワイヤーの半径、ａはワイヤーの間隔、ｅは電荷、ｎは電子密度、
ｌｎは自然対数である。プラズマ周波数ωpは、次式のようになる。 式(2)
【００１２】 ここに、εは誘電率である。式(1)を式(2)に代入することにより、次式が得られ
る。 式(3)
【００１３】 誘電構造の誘電関数ε（ω）は、周波数による誘電率の変化であり、通常の金
属と同じであり、次式で与えられる。 式(4) ここに、γはワイヤーの抵抗による減衰であり、ｉ＝√−１である。
【００１４】 図２に、図１の構造化誘電体材料2の透過特性を周波数の関数として示す。こ
の図から分かるように、構造のプラズマ周波数ωpは、9.2ＧＨｚである。この周
波数より下では誘電率は負であり、構造は透過しない。この周波数より上では誘
電率は正であり、周波数が増加するにつれて１に向かって増加し、構造は実質的
な減衰なしに殆ど透過させるようになる。図２において、測定した応答を実線8
で示し、計算した応答を点線10で示す。図から明らかなように、測定した応答と
計算した応答は良い一致を示す。
【００１５】 図３に、本発明の第１実施例のマイクロ波周波数で作動するアンテナ装置12を
示す。マイクロ波のアンテナ装置12は、ダイポール要素のアレー等のマイクロ波
アンテナ構造14を備え、これは図1に示すようなファインワイヤー誘電体構造16
の後ろに取り付けられる。構造化誘電体材料16は、アンテナ構造14作動周波数帯
で、誘電率εが１より小さくなるように構成されている。ここに、空気の誘電率
は１である。アンテナ構造14は、図示するようにある物理的大きさを有するが、
構造化誘電体材料16の効果は、図３の両向きの矢印18で示すように、アンテナの
アパーチャを増加させることである。
【００１６】 アンテナ構造14により発信された放射20は、構造化誘電体材料16で屈折し、マ
イクロ波アンテナ構造14の有効寸法即ちアパーチャを増加させる。 広い周波数範囲で作動するように設計されたアンテナのアレーの性能の共通の
問題は、低い周波数では、放射ビームの角度の広がりが非常に大きいことである
。本発明の構造化誘電材料をこのような場合に使用して、アンテナ装置から出て
くる放射ビームの角度範囲を制限することが出来る。特に、構造化誘電材料が、
そのプラズマ周波数がアンテナ構造を作動させる最も低い周波数より下になるよ
うに構成されていれば、構造化誘電材料は、最も低い周波数の角度の広がりを強
く制限し、高い周波数のそれを弱く制限するように作用する。この結果、周波数
の関数として、より均一な角度の広がりになる。
【００１７】 この効果を図４に示し、図３のアンテナ装置12で、周波数(a)9.5ＧＨｚと(b)10.
5ＧＨｚで作動するときの、角度と送信出力の図である。図４(a)と図４(b)で、
構造化誘電体材料16を含むアンテナ装置の性能を線22で示し、誘電体構造のない
ときのアンテナ構造14の性能を線24で示す。線22と24を比較すると、構造化誘電
体材料16即ちフィルターを含ませることの効果が分かる。
【００１８】 従来は、角度ビーム幅を制限するには、大きなアンテナが必要であった。逆に
、大きなアンテナは、より指向性の狭いビームを与えた。アンテナ構造14を構造
化誘電体材料16の後ろに置くことにより、アンテナ装置12の有効アパーチャが増
す。構造化誘電体材料に直角から有限の角度でアンテナ構造14を離れる放射は、
屈折して直角から遠ざかり、大きい源から放射されたかのごとく、構造化誘電体
材料の遠い側の上に現れる。
【００１９】 アンテナのアパーチャのこの有効な拡大は、アンテナ構造14の個々のダイポー
ル要素にも適用され、明らかに大きく拡大され、構造化誘電体材料のアンテナ構
造から遠い側である前面から見ると重なり合うように見える。誘電体構造の透過
関数の態様は、等方性の小さい源がこのプロセスでほぼガウス分布の形状になる
。結果としての重なり合うガウス形サブアレーは、サイドドローブが最小の理想
的なアンテナアレーを表し、これは他の公知の方法では、実現することが出来な
い。臨界角より大きい角度で構造化誘電体材料に当たるアンテナ構造14からの放
射は、反射される。このような放射の不所望の反射による、アンテナ構造の損傷
又は性能劣化を防ぐため、源又はアンテナの要素を構造化誘電体内に埋め込み、
及び／又は、構造化誘電体材料の後面上又はアンテナ要素の間の空間にマイクロ
波吸収体を設けるのが好ましい。
【００２０】 アンテナ装置内の重なり合うように見える要素の効果により、物理的に重なり
合わないが、構造化誘電体材料の遠い側から見ると重なり合うように見えるアン
テナを作ることが出来、アンテナ装置の性能を改善することが出来る。 構造化誘電体材料を使用して、非常に広い帯域の複合アンテナ装置を構成する
ことが出来る。公知の広帯域のアンテナ（例えば、螺旋アンテナ）は、一般に帯
域幅が１又は２オクターブに制限される。本発明の広帯域複合アンテナ装置の構
造化誘電体材料を使用することにより、帯域幅を２倍にすることが出来る。
【００２１】 図５に、本発明の第２実施例の広帯域複合アンテナ装置を示し、これは従来の
基板28上に設けられたアンテナ要素26のアレーで出来た高周波数広帯域アンテナ
を備える。この周波数アンテナの上に、低周波数で作動するように設計された第
２のアンテナが重ねられる。低周波数アンテナの要素30は、構造化誘電体材料セ
グメントで構成され、そのプラズマ周波数は低と高周波数アンテナの重なり合う
ポイントになるように選択されている。図示するように、低周波数アンテナは、
フェーズドアレーを構成する複数のアンテナセグメントを備える（３つのみを示
す）。
【００２２】 動作において、高周波数アンテナは通常の方法で駆動され、低周波数アンテナ
は、各要素30の構造化誘電体材料である導電ワイヤーを経由して駆動される。こ
のアンテナ装置で、構造化誘電体材料の誘電体機能と、材料内のワイヤーの存在
との両方を使用し、導電経路を提供し、また低周波数アンテナ構造のダイポール
要素を構成する。低周波数アンテナの性能を改善するため、構造化誘電体材料の
要素30内のファインワイヤーのパターンは適当に改変されている。
【００２３】 従来の太いワイヤーの構造を使用すると、放射を散乱し吸収するので、このよ
うな広帯域アンテナ装置は出来ない。他方で、本発明によるファインワイヤーの
構造化材料は、均一に見え、プラズマ周波数より上で高い透過を示す。
【００２４】 図６は、図５の低周波数アンテナの透過特性を示す。従って、プラズマ周波数
ωpより下の低周波数では、アンテナの要素は透過せず、高周波数アンテナがそ
の帯域で放射しても寄与することはない。高周波数アンテナは、プラズマ周波数
より上の周波数で作動し、この帯域では低周波数アンテナの要素は透過し、放射
されたエネルギーを殆ど減衰させないで通過させる。
【００２５】 本発明のどの実施例でも、構造化誘電体材料は、導電性ワイヤーの織った即ち
編んだメッシュから構成することが出来る。特に、通常の静電遮蔽に使用する編
んだ銅のメッシュを使用することが出来る。メッシュは、典型的には太さ50μｍ
のワイヤーで作られる。これは本発明の目的には太すぎるが、ワイヤーが20〜30
μｍになるまで銅メッシュをエッチングすることにより、構造化誘電体材料を製
造するのに使用することが出来る。エッチングしたメッシュを次に必要な厚さ典
型的には2ｍｍのマイクロ波透過フォーム上にラミネートし、これらの積層体を
所望の厚さの材料に組込む。
【００２６】 銅ワイヤーの所望の太さを得る他のアプローチは、ガラスコーティングしたア
モルファス微細ワイヤーを使用することであり、これはA.N.Antonenko, E.Sorki
ne,A.rubshtein,V.S.Larin,V.Manovの"High Frequency Properties of Glass-Co
ated Microwire", J.Appl.Phys.(1983)83,6587-9に記載されている。このプロセ
スを使用して、ガラスコーティングにより30μｍより細い導電性ワイヤーを作る
ことが出来、これは織り即ち編みのプロセスに耐えるだけの強さがある。
【００２７】 メッシュのワイヤーは、フェライト等の非線形磁性材料でコーティングするこ
とが出来る。外部手段（ＤＣ磁界をかける）又は入射電磁放射の効果により、コ
ーティングの透磁率を変えることにより、構造化誘電体材料のプラズマ周波数を
変えることが出来る。この手段により、切換可能又は制御可能なエッジ周波数を
達成することが出来、それは例えば無線周波数リミッターとして使用することが
出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 負の誘電率を示すことのできる誘電体構造の概略図である。
【図２】 図１の誘電体構造の透過と周波数の関係を表す図である。
【図３】 本発明の第１実施例のアンテナ装置の概略図である。
【図４(a)】 図３のアンテナ装置で、周波数9.5ＧＨｚにおける角度と送信
電力の図である。
【図４(b)】 図３のアンテナ装置で、周波数10.5ＧＨｚにおける角度と送
信電力の図である。
【図５】 本発明の第２実施例の広帯域アンテナ装置の概略図である。
【図６】 図５の低周波数アンテナの透過と周波数の関係を表す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチュワート ウィリアム ジェームズ イギリス ノーザンプトンシャー エヌエ ヌ12 ８アールイー ブレイクスリー ハ イ ストリート （番地なし） マナー ハウス (72)発明者 ウィルシャー マイケル チャールズ キ ーオー イギリス バッキンガムシャー エイチピ ー11 １イービー ハイ ウィーカム ザ ブラッケンズ ３ (72)発明者 ペンドリー ジョン ブライアン イギリス サリー ケイティー11 ２ピー イー コーバム ニップ ヒル メッチェ リー （番地なし) Ｆターム(参考） 5J020 AA01 AA02 BB03 DA03 DA08

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロ波アンテナ装置において、 マイクロ波アンテナ構造を備え、前記マイクロ波アンテナ構造の前にファイン
    ワイヤー誘電体が位置し、前記アンテナ構造により送信又は受信されるマイクロ
    波が前記誘電体を通過するようになっていて、該誘電体は、誘電率がマイクロ波
    の周波数で１より小さく、プラズマ周波数が前記マイクロ波の周波数より低いこ
    とを特徴とするマイクロ波アンテナ装置。
  2. 【請求項２】 前記ファインワイヤー誘電体は、ファインワイヤーの複数の
    重なり合った平面を含み、ある平面での前記ワイヤーは相互に平行であることを
    特徴とする請求の範囲第１項に記載のマイクロ波アンテナ装置。
  3. 【請求項３】 各平面は、ファインワイヤーが隣接する平面のワイヤーと直
    角になるように装置されたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載のマイクロ
    波アンテナ装置。
  4. 【請求項４】 ファインワイヤーの各平面は、ポリスチレンのシートにより
    支持される請求の範囲第２項又は第３項に記載のマイクロ波アンテナ装置。
  5. 【請求項５】 前記ファインワイヤー誘電体の前記プラズマ周波数は、前記
    アンテナ構造の作動周波数の下であり、前記誘電体の効果は、前記マイクロ波ア
    ンテナ構造の見かけのアパーチャを増加させることである請求の範囲第１項乃至
    第４項の何れか１項に記載のマイクロ波アンテナ装置。
  6. 【請求項６】 前記ファインワイヤー誘電体は、前記マイクロ波アンテナ構
    造より低周波数で動作可能な低周波数アンテナ構造を含み、前記誘電体の前記プ
    ラズマ周波数は、前記マイクロ波アンテナ構造と前記低周波数アンテナ構造の作
    動周波数の間になるようにされた請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項に記
    載のマイクロ波アンテナ装置。
  7. 【請求項７】 前記ファインワイヤー誘電体のワイヤーは、非線形磁性材料
    でコーティングされている請求の範囲第１項乃至第６項の何れか１項に記載のマ
    イクロ波アンテナ装置。
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