JP2006311421A

JP2006311421A - Polarization converter and antenna device using the same

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Publication number: JP2006311421A
Application number: JP2005134063A
Authority: JP
Inventors: Takao Kuki; 孝夫九鬼; Kazuo Imai; 一夫今井
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2006-11-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarization converter having effects for reducing manufacturing costs compared with the conventional one, and an antenna device using the same. <P>SOLUTION: The polarization converter 10 is provided with a plurality of laminated dielectric substrates 11, and a plurality of rectangular metal pieces 12 arrayed on each dielectric substrate 11 at prescribed intervals. A plurality of the metal pieces 12 are arrayed at a pitch Py in the Y-axis direction, and also, arrayed at a pitch Px in the X-axis direction on one face of the dielectric substrate 11 so that the long side and the short side are respectively along the Y-axis direction and the X-axis direction. An input radio wave inputted to the polarization converter 10 is set so as to be inputted at an angle of 45° formed by its electric field direction and the Y-axis direction along the Z-axis direction. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば直線偏波の電波を円偏波の電波に変換する偏波変換器及びそれを用いたアンテナ装置に関する。 The present invention relates to a polarization converter that converts, for example, linearly polarized radio waves into circularly polarized radio waves, and an antenna device using the same.

従来の偏波変換器としては、例えば図４及び図５に示すようなものが知られている。 As conventional polarization converters, for example, those shown in FIGS. 4 and 5 are known.

まず、図４において、円筒状に形成されたＴＥ１１モードの円形導波管中に薄い誘電体が挿入されたものが図４（ａ）に示され、ＴＥ１１モードの円形導波管中に適当な長さの金属板が軸方向に平行かつ壁面上に垂直に装荷されたものが図４（ｂ）に示されている。図４に示された従来の偏波変換器は、誘電体又は金属板の長さが適度に調節されており、導波管中心の電界Ｅの方向が、誘電体板又は金属板と４５度の角度をなすよう直線偏波の電波が励振されることによって、入力された直線偏波の電波を円偏波の電波に変換して出力するようになっている（例えば、非特許文献１参照。）。 First, in FIG. 4, a thin dielectric inserted in a cylindrical TE11 mode circular waveguide is shown in FIG. 4A, and is suitable for a TE11 mode circular waveguide. FIG. 4B shows a metal plate having a length loaded in parallel to the axial direction and perpendicular to the wall surface. In the conventional polarization converter shown in FIG. 4, the length of the dielectric or metal plate is appropriately adjusted, and the direction of the electric field E at the center of the waveguide is 45 degrees with respect to the dielectric plate or metal plate. The linearly polarized radio wave is excited so as to form an angle, and the input linearly polarized radio wave is converted into a circularly polarized radio wave and output (for example, see Non-Patent Document 1). .)

次に、図５において、誘電体シートに金属のメアンダーライン（ジグザグ状の細線）を周期的に配置したメアンダーラインシートが積層されたものが図５（ａ）に示されている。図５（ａ）に示された従来の偏波変換器は、図５（ｂ）に示すように、電界Ｅの方向がメアンダーラインに対して４５度の角度をなすような直線偏波の電波が入力されると、この直線偏波の電波を円偏波の電波に変換して出力するようになっている（例えば、非特許文献２参照。）。 Next, in FIG. 5, a laminate in which a meander line sheet in which metal meander lines (zigzag fine lines) are periodically arranged is laminated on a dielectric sheet is shown in FIG. As shown in FIG. 5B, the conventional polarization converter shown in FIG. 5A has a linear polarization in which the direction of the electric field E forms an angle of 45 degrees with respect to the meander line. When a radio wave is input, the linearly polarized radio wave is converted into a circularly polarized radio wave and output (for example, see Non-Patent Document 2).

なお、偏波変換後に出力される円偏波又は直線偏波の電波に応じて、偏波変換器は円偏波発生器又は直線偏波発生器と呼ばれたり、或いはこれらは単に偏波発生器と呼ばれたりすることがあるが、本明細書においてはこれらを単に偏波変換器と称する。 Depending on the circularly polarized wave or linearly polarized radio wave output after polarization conversion, the polarization converter is called a circularly polarized wave generator or a linearly polarized wave generator, or these are simply polarized wave generators. In the present specification, these are simply referred to as polarization converters.

小西良弘著「マイクロ波回路の基礎とその応用−基礎知識から新しい応用まで−」総合電子出版，１９９０年発行，ｐｐ．２１６−２１８Yoshihiro Konishi, “Basics and Applications of Microwave Circuits: From Basic Knowledge to New Applications”, General Electronic Publishing, 1990, pp. 216-218 牧野滋他著「３層メアンダーライン円偏波発生器の設計」信学論（Ｂ），ｖｏｌ．Ｊ７１−Ｂ，ｎｏ．１１，１９８８年１１月発行，ｐｐ．１３５８−１３６４Makino Shigeru et al., “Design of 3-layer meanderline circularly polarized wave generator”, Theory of Science (B), vol. J71-B, no. 11, published in November 1988, pp. 1358-1364

しかしながら、自由空間を伝搬する電波の偏波を変換することを考慮すると、図４に示された従来の偏波変換器では、新たに、入力電波を導波管に導くためのアンテナや、出力電波を空間に放射するためのアンテナ等が必要になるので、複雑な構成となって製造コストが高くなるという問題があった。 However, considering the conversion of the polarization of the radio wave propagating in free space, the conventional polarization converter shown in FIG. 4 has a new antenna for guiding the input radio wave to the waveguide, and an output. Since an antenna or the like for radiating radio waves into the space is required, there is a problem that the manufacturing cost becomes high due to a complicated configuration.

一方、図５に示された従来の偏波変換器では、前述のアンテナを用いることなく、所望の空間に設置するだけで偏波の変換を実現できるが、比較的大きな面積の誘電体基板に、印刷やフォトリソグラフィ等の技術を用いて、メアンダーラインを断線することなく形成するには相当の製造技術を要し、製造歩留が低下し易く製造コストが高くなるという問題があった。 On the other hand, the conventional polarization converter shown in FIG. 5 can realize polarization conversion by simply installing it in a desired space without using the antenna described above. In order to form the meander line without breaking using a technique such as printing or photolithography, a considerable manufacturing technique is required, and there is a problem that the manufacturing yield tends to decrease and the manufacturing cost increases.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも製造コストを低減することができる偏波変換器及びそれを用いたアンテナ装置を提供するものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a polarization converter capable of reducing the manufacturing cost as compared with the conventional one and an antenna device using the polarization converter.

本発明の偏波変換器は、複数の金属片が配列され、電波を入力する誘電体基板を備え、前記複数の金属片は、それぞれ、第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向とにおいて互いに異なる誘電率を有し、前記電波の電界方向と前記第１の方向とが所定の角度をなす構成を有している。 The polarization converter of the present invention includes a dielectric substrate on which a plurality of metal pieces are arranged and inputs radio waves, and the plurality of metal pieces are first orthogonal to the first direction and the first direction, respectively. The electric field direction of the radio wave and the first direction form a predetermined angle.

この構成により、本発明の偏波変換器は、複数の金属片が配列された誘電体基板が人工誘電体として作用し、従来のものよりも簡単な構造で自由空間を伝搬する電波の偏波を変換することができるので、従来のものよりも製造コストを低減することができる。 With this configuration, the polarization converter according to the present invention has a dielectric substrate in which a plurality of metal pieces are arranged to act as an artificial dielectric, and the polarization of a radio wave propagating in free space with a simpler structure than the conventional one. Therefore, the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional one.

また、本発明の偏波変換器は、前記誘電体基板が、前記電波を入力する第１の面と、この第１の面と対向する第２の面とを含み、前記複数の金属片は、前記第１の面及び前記第２の面の少なくとも一方の面上に配列された構成を有している。 In the polarization converter of the present invention, the dielectric substrate includes a first surface that inputs the radio wave, and a second surface that faces the first surface, and the plurality of metal pieces include , And a structure arranged on at least one of the first surface and the second surface.

この構成により、本発明の偏波変換器は、誘電体基板の少なくとも一方の面上に複数の金属片が配列された簡単な構造で偏波変換を行うことができるので、従来のものよりも製造コストを低減することができる。 With this configuration, the polarization converter of the present invention can perform polarization conversion with a simple structure in which a plurality of metal pieces are arranged on at least one surface of a dielectric substrate. Manufacturing cost can be reduced.

さらに、本発明の偏波変換器は、前記複数の金属片のうちの少なくとも１つが、前記誘電体基板の内部に含まれる構成を有している。 Furthermore, the polarization converter of the present invention has a configuration in which at least one of the plurality of metal pieces is included in the dielectric substrate.

この構成により、本発明の偏波変換器は、複数の金属片のうちの少なくとも１つが誘電体基板の内部に含まれて配列された簡単な構造で偏波変換を行うことができるので、従来のものよりも製造コストを低減することができる。 With this configuration, the polarization converter of the present invention can perform polarization conversion with a simple structure in which at least one of the plurality of metal pieces is included and arranged inside the dielectric substrate. The manufacturing cost can be reduced as compared with the above.

さらに、本発明の偏波変換器は、前記複数の金属片が、それぞれ、略長方形状を有する構成を有している。 Furthermore, the polarization converter of the present invention has a configuration in which each of the plurality of metal pieces has a substantially rectangular shape.

この構成により、本発明の偏波変換器は、複数の金属片が、それぞれ、第１の方向と第１の方向に直交する第２の方向とにおいて互いに異なる誘電率を有するので、人工誘電体として作用し、偏波変換を行うことができる。 With this configuration, in the polarization converter of the present invention, the plurality of metal pieces have dielectric constants different from each other in the first direction and the second direction orthogonal to the first direction. And can perform polarization conversion.

さらに、本発明の偏波変換器は、前記誘電体基板が、略円筒形状を有する構成を有している。 Furthermore, the polarization converter of the present invention has a configuration in which the dielectric substrate has a substantially cylindrical shape.

この構成により、本発明の偏波変換器は、直線偏波の電波を出力するアンテナを円筒の中心に設置することにより、水平面３６０度の範囲にわたって円偏波の電波を出力することができる。 With this configuration, the polarization converter of the present invention can output circularly polarized radio waves over a horizontal plane of 360 degrees by installing an antenna that outputs linearly polarized radio waves at the center of the cylinder.

さらに、本発明の偏波変換器は、前記電波の電界方向と前記第１の方向とが略４５度の角度をなす構成を有している。 Furthermore, the polarization converter of the present invention has a configuration in which the electric field direction of the radio wave and the first direction form an angle of approximately 45 degrees.

この構成により、本発明の偏波変換器は、直線偏波の電波を円偏波の電波に変換することができる。 With this configuration, the polarization converter of the present invention can convert linearly polarized radio waves into circularly polarized radio waves.

さらに、本発明の偏波変換器は、偏波変換器を前記電波の進行方向に沿って複数重ねた構成を有している。 Furthermore, the polarization converter of the present invention has a configuration in which a plurality of polarization converters are stacked along the traveling direction of the radio wave.

この構成により、本発明の偏波変換器は、入力電波が人工誘電体の誘電率の影響を受ける距離を任意に設定することができ、直線偏波の電波を円偏波の電波に変換したり、直線偏波の偏波面の角度を変更したりすることができる。 With this configuration, the polarization converter of the present invention can arbitrarily set the distance that the input radio wave is affected by the dielectric constant of the artificial dielectric, and converts the linearly polarized radio wave into a circularly polarized radio wave. Or the angle of the polarization plane of the linearly polarized wave can be changed.

本発明のアンテナ装置は、偏波変換器と、この偏波変換器に電波を出力するアンテナとを備えた構成を有している。 The antenna device of the present invention has a configuration including a polarization converter and an antenna that outputs radio waves to the polarization converter.

この構成により、本発明のアンテナ装置は、従来のものよりも簡単な構造で直線偏波や円偏波の電波を出力することができる。 With this configuration, the antenna device of the present invention can output linearly polarized waves and circularly polarized radio waves with a simpler structure than the conventional one.

本発明は、従来のものよりも製造コストを低減することができるという効果を有する偏波変換器及びそれを用いたアンテナ装置を提供することができるものである。 The present invention can provide a polarization converter having an effect that the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional one and an antenna device using the polarization converter.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態の偏波変換器の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る偏波変換器の構成を示す概略斜視図である。なお、本実施の形態の偏波変換器が、アンテナ放射素子からマイクロ波帯やミリ波帯の直線偏波の電波を入力して円偏波の電波を出力する例を挙げて説明する。 (First embodiment)
First, the configuration of the polarization converter according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of the polarization converter according to the present embodiment. Note that an example will be described in which the polarization converter of the present embodiment inputs a linearly polarized radio wave in the microwave band or the millimeter wave band from the antenna radiating element and outputs a circularly polarized radio wave.

図１に示すように、本実施の形態の偏波変換器１０は、積層された複数の誘電体基板１１と、各誘電体基板１１上に所定の間隔で配列された複数の長方形状の金属片１２とを備えている。誘電体基板１１の一方の面上において、複数の金属片１２は、それぞれ、長方形状に形成されており、長辺及び短辺がそれぞれＹ軸方向及びＸ軸方向に沿うよう、Ｙ軸方向にピッチＰｙで、Ｘ軸方向にピッチＰｘで配列されている。また、偏波変換器１０に入力される入力電波は、図示のように、Ｚ軸方向に沿って、その電界方向がＹ軸方向と４５度をなす角度で入力されるようになっている。 As shown in FIG. 1, the polarization converter 10 of the present embodiment includes a plurality of stacked dielectric substrates 11 and a plurality of rectangular metals arranged on the respective dielectric substrates 11 at a predetermined interval. And a piece 12. On one surface of the dielectric substrate 11, the plurality of metal pieces 12 are each formed in a rectangular shape, and in the Y-axis direction, the long side and the short side are along the Y-axis direction and the X-axis direction, respectively. They are arranged at a pitch Py and at a pitch Px in the X-axis direction. Further, as shown in the figure, the input radio wave input to the polarization converter 10 is input along the Z-axis direction at an angle that the electric field direction forms 45 degrees with the Y-axis direction.

誘電体基板１１は、例えば、１枚あたりの厚さｔが１００μｍ程度で比誘電率が１．５程度の誘電体で構成され、接着剤によって互いに固定され所定枚数だけ積層されている。誘電体基板１１のＸ軸方向及びＹ軸方向の外形寸法は、偏波変換器１０が使用されるアンテナ放射素子の開口面と同等な寸法又は開口面よりも大きな寸法となるよう設定される。 The dielectric substrate 11 is made of, for example, a dielectric having a thickness t of about 100 μm and a relative dielectric constant of about 1.5, and is fixed to each other by an adhesive and laminated in a predetermined number. The external dimensions of the dielectric substrate 11 in the X-axis direction and the Y-axis direction are set to be equal to or larger than the opening surface of the antenna radiating element in which the polarization converter 10 is used.

複数の金属片１２は、それぞれ、例えば長辺が０．８ｍｍ程度、短辺が０．１ｍｍ程度の長方形状を有し、例えば厚さが１μｍ程度の銅薄膜や金薄膜がエッチングや印刷等によって誘電体基板１１上に形成れた構成となっている。偏波変換器１０に入力される入力電波は例えばマイクロ波やミリ波帯の電波であり、入力電波の周波数を２１．７ＧＨｚとすると、その波長１３．８ｍｍに対して金属片１２の大きさは十分に小さいものとなっている。 Each of the plurality of metal pieces 12 has a rectangular shape having a long side of about 0.8 mm and a short side of about 0.1 mm. For example, a copper thin film or a gold thin film having a thickness of about 1 μm is etched or printed. The structure is formed on the dielectric substrate 11. The input radio wave input to the polarization converter 10 is, for example, a radio wave in the microwave or millimeter wave band. If the frequency of the input radio wave is 21.7 GHz, the size of the metal piece 12 with respect to the wavelength of 13.8 mm is as follows. It is small enough.

前述のように、入力電波の波長に対して十分に小さな微小金属である複数の金属片１２は、いわゆる人工誘電体を形成し、入力電波に対して誘電体として動作することとなる。通常の誘電体は、その誘電率が材料定数によって一意的に決まるのに対し、人工誘電体の誘電率は、例えば微小金属の配列によって人工的に調節できることが、文献「Ｒ．Ｅ．Ｃｏｌｌｉｎ，ＦｉｅｌｄＴｈｅｏｒｙｏｆＧｕｉｄｅｄＷａｖｅｓ，Ｃｈａｐｔｅｒ１２，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６０」に記載されている。なお、人工誘電体の誘電率とは、入力電波が影響を受ける等価的な誘電率をいい、以下「等価誘電率」と呼ぶ。 As described above, the plurality of metal pieces 12 which are fine metals sufficiently small with respect to the wavelength of the input radio wave form a so-called artificial dielectric and operate as a dielectric for the input radio wave. While the dielectric constant of a normal dielectric is uniquely determined by the material constant, the dielectric constant of an artificial dielectric can be artificially adjusted by, for example, the arrangement of micrometals, which is described in the document “RE Collin, Field Theory of Guided Waves, Chapter 12, McGraw-Hill, 1960 ". The dielectric constant of an artificial dielectric means an equivalent dielectric constant that is affected by input radio waves, and is hereinafter referred to as “equivalent dielectric constant”.

さらに、最近の研究によれば、例えば文献「Ｈ．Ｋｕｂｏ，Ｔ．Ｉｒｉｂｅ，Ａ．Ｓａｎａｄａ，ａｎｄｉ．Ａｗａｉ， "Ａｎａｒｔｉｆｉｃｉａｌｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｉｐｓａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ"，Ｄｉｇｅｓｔｏｆ２００２Ａｓｉａ−ＰａｃｉｆｉｃＭｉｃｒｏｗａｖｅＣｏｎｆ．，ｐｐ．１５８８−１５９１，２００２」において、誘電体基板上に金属片を並べ、金属片の大きさ、配列間隔及び積層間隔を変化させることによって、等価誘電率を変化させることができることが報告されている。また、金属片の形状を長方形状にすることにより、金属片の長辺方向と短辺方向とにおける等価誘電率に異方性が生じることが示されている。図６は、誘電体基板上に金属片を並べて誘電体基板を積層したとき、金属片の配列のイメージを示す図であり、前述の金属片の大きさはｈ及びｗ、配列間隔はａ及びｂ、積層間隔はｄでそれぞれ表される。 Furthermore, according to a recent study, for example, the document “H. Kubo, T. Iribe, A. Sanada, and i. Awai,“ An artificially-districted of the materials strips and evaluations of the 200 ”. In Microwave Conf., Pp. 1588-1591, 2002, the equivalent dielectric constant can be changed by arranging metal pieces on a dielectric substrate and changing the size, arrangement interval and stacking interval of the metal pieces. Has been reported. Moreover, it is shown that anisotropy occurs in the equivalent dielectric constant in the long side direction and the short side direction of the metal piece by making the shape of the metal piece rectangular. FIG. 6 is a diagram showing an image of arrangement of metal pieces when metal pieces are arranged on a dielectric substrate and laminated, and the size of the metal pieces is h and w, and the arrangement interval is a and b and the stacking interval are represented by d.

本発明は、人工誘電体の等価誘電率の異方性に着目し、これを利用して偏波の変換を実現するものである。以下、図１を用いて偏波変換の原理を説明する。 The present invention pays attention to the anisotropy of the equivalent dielectric constant of an artificial dielectric and uses this to realize polarization conversion. Hereinafter, the principle of polarization conversion will be described with reference to FIG.

図１に示すように、長方形状の複数の金属片１２が誘電体基板１１上に配列された平板状の人工誘電体としての偏波変換器１０は、誘電体基板１１の面方向にＸ軸方向及びＹ軸方向の等価誘電率の異方性を有し、それぞれの軸方向の等価誘電率をε_ｘ及びε_ｙとする。誘電体基板１１の法線方向、すなわちＺ軸方向に沿って所望の直線偏波の電波が入力されることとし、その電界方向は、図中に示されたθが４５度となる角度、すなわちＸ軸方向又はＹ軸方向と４５度をなす角度であるとする。 As shown in FIG. 1, a polarization converter 10 as a flat artificial dielectric in which a plurality of rectangular metal pieces 12 are arranged on a dielectric substrate 11 has an X axis in the plane direction of the dielectric substrate 11. Direction and Y-axis direction equivalent dielectric anisotropy, and the equivalent dielectric constants in the respective axial directions are ε _x and ε _y . A desired linearly polarized radio wave is input along the normal direction of the dielectric substrate 11, that is, the Z-axis direction, and the electric field direction is an angle at which θ shown in the figure is 45 degrees, that is, It is assumed that the angle is 45 degrees with the X-axis direction or the Y-axis direction.

入射電波は、Ｘ軸方向の成分とＹ軸方向の成分との電波に分けて考えることができ、それぞれの電波はそれぞれの誘電率の影響を受けて、すなわちＸ軸方向の電界ベクトルＥｘはＸ軸方向の誘電率ε_ｘに、Ｙ軸方向の電界ベクトルＥｙはＹ軸方向の誘電率ε_ｙに影響されて人工誘電体を伝搬する。このとき、人工誘電体の厚さをｄとすれば、電波が影響を受ける人工誘電体の電気長はＸ軸方向とＹ軸方向とで異なり、その差は式（１）で与えられる。

The incident radio wave can be divided into X-axis direction component and Y-axis direction component. Each radio wave is influenced by the dielectric constant, that is, the X-axis direction electric field vector Ex is X in the axial direction of the dielectric constant epsilon _x, the electric field vector Ey in the Y-axis direction is propagated through the artificial dielectric is affected by the dielectric constant epsilon _y in the Y-axis direction. At this time, if the thickness of the artificial dielectric is d, the electrical length of the artificial dielectric affected by the radio wave differs between the X-axis direction and the Y-axis direction, and the difference is given by Equation (1).

そこで、入力電波の自由空間波長をλ_０としたとき、式（２）となるよう等価誘電率と厚さｄとを調節することにより、円偏波の出力電波を得ることができる。

Therefore, when the free space wavelength of the input radio wave is λ ₀ , the circularly polarized output radio wave can be obtained by adjusting the equivalent dielectric constant and the thickness d so as to satisfy Equation (2).

次に、一例として、周波数が２１．７ＧＨｚの直線偏波の電波を円偏波の電波に変換する際の偏波変換器１０の構成について、シミュレーション結果に基づいて説明する。シミュレーションの条件としては、図１において、誘電体基板１１の厚さを１００μｍ、比誘電率を１．５とした。また、金属片１２の長辺を０．８ｍｍ、短辺を０．１ｍｍ、厚さを１μｍ、傾きθを４５度、電気抵抗を０Ω、ピッチＰｘ及びＰｙをそれぞれ０．３ｍｍ及び１ｍｍとした。 Next, as an example, the configuration of the polarization converter 10 when converting linearly polarized radio waves having a frequency of 21.7 GHz into circularly polarized radio waves will be described based on simulation results. As simulation conditions, in FIG. 1, the thickness of the dielectric substrate 11 was set to 100 μm, and the relative dielectric constant was set to 1.5. The long side of the metal piece 12 was 0.8 mm, the short side was 0.1 mm, the thickness was 1 μm, the inclination θ was 45 degrees, the electrical resistance was 0Ω, and the pitches Px and Py were 0.3 mm and 1 mm, respectively.

人工誘電体の誘電特性を電磁界シミュレータにより計算した結果、周波数２１．７ＧＨｚのとき、金属片１２の長辺方向の比等価誘電率は５．１８、金属片１２の短辺方向の比等価誘電率は１．８４となり、等価誘電率の異方性が得られることが確認できた。この結果から、偏波変換器１０の出力側から円偏波が出力されるような厚さｄを式（２）より算出すると、ｄ＝３．７ｍｍとなる。したがって、複数の金属片１２が配列された厚さ１００μｍの誘電体基板１１を３７枚積層することによって、本実施の形態の偏波変換器１０は、直線偏波の電波を円偏波の電波に変換することができる。 As a result of calculating the dielectric characteristics of the artificial dielectric by the electromagnetic field simulator, the relative equivalent dielectric constant in the long side direction of the metal piece 12 is 5.18 and the relative equivalent dielectric in the short side direction of the metal piece 12 when the frequency is 21.7 GHz. The coefficient was 1.84, and it was confirmed that anisotropy of equivalent dielectric constant was obtained. From this result, when the thickness d such that the circularly polarized wave is output from the output side of the polarization converter 10 is calculated from the equation (2), d = 3.7 mm. Therefore, by laminating 37 dielectric substrates 11 each having a thickness of 100 μm on which a plurality of metal pieces 12 are arranged, the polarization converter 10 of the present embodiment converts a linearly polarized radio wave into a circularly polarized radio wave. Can be converted to

次に、本実施の形態に係る偏波変換器１０の応用例として、直線偏波の電波を出力するアンテナと組み合わせて、円偏波の電波を出力するアンテナ装置を構成する例を挙げ、図２を用いて説明する。なお、図２（ａ）は、本実施の形態に係る偏波変換器１０を用いたアンテナ装置の概略斜視図、図２（ｂ）は、円偏波の電波を出力する従来のアンテナ装置の概略斜視図である。 Next, as an application example of the polarization converter 10 according to the present embodiment, an example in which an antenna device that outputs circularly polarized radio waves is combined with an antenna that outputs linearly polarized radio waves is shown. 2 will be described. 2A is a schematic perspective view of an antenna device using the polarization converter 10 according to the present embodiment, and FIG. 2B is a diagram of a conventional antenna device that outputs circularly polarized radio waves. It is a schematic perspective view.

以下の説明において、アンテナとして２１ＧＨｚ帯衛星搭載用フェーズドアレーアンテナを例に挙げる。フェーズドアレーアンテナとは、複数のアンテナ放射素子で構成され、電波の流れを示すビームの指向性を機械的ではなく電子的に走査することができるアンテナであり、例えば文献「田中祥次他著"２１ＧＨｚ帯衛星搭載用フェーズドアレーアンテナ"，ＮＨＫ技研Ｒ＆Ｄ，ｎｏ．８５，ｐｐ．５０−５５，２００４年５月」に解説されている。 In the following description, a 21 GHz band satellite-mounted phased array antenna is taken as an example as an antenna. A phased array antenna is an antenna that consists of a plurality of antenna radiating elements and can scan the directivity of a beam indicating the flow of radio waves electronically rather than mechanically. 21 GHz band satellite mounted phased array antenna ", NHK STRL R & D, no. 85, pp. 50-55, May 2004".

図２（ａ）において、本実施の形態に係るアンテナ装置は、偏波変換器１０と、直線偏波の電波を放射するフェーズドアレーアンテナ１５とを備えている。フェーズドアレーアンテナ１５は、複数のアンテナ放射素子１５ａで構成され、各アンテナ放射素子１５ａは、直線偏波の電波を偏波変換器１０に向かって出力するよう配列されている。前述のように、偏波変換器１０は、入力された直線偏波の電波を円偏波の電波に変換するので、本実施形態に係るアンテナ装置は、フェーズドアレーアンテナ１５の電波放射面側に偏波変換器１０を１個備えるという極めて簡単な構成で、自由空間において偏波変換を行って円偏波の電波を出力することができる。 2A, the antenna device according to the present embodiment includes a polarization converter 10 and a phased array antenna 15 that radiates linearly polarized radio waves. The phased array antenna 15 includes a plurality of antenna radiating elements 15 a, and each antenna radiating element 15 a is arranged to output linearly polarized radio waves toward the polarization converter 10. As described above, the polarization converter 10 converts the input linearly polarized radio wave into a circularly polarized radio wave. Therefore, the antenna device according to this embodiment is arranged on the radio wave radiation surface side of the phased array antenna 15. It is possible to output circularly polarized radio waves by performing polarization conversion in free space with a very simple configuration including one polarization converter 10.

これに対して従来のアンテナ装置は、図２（ｂ）に示すように、複数のアンテナ放射素子１６ａと、それぞれのアンテナ放射素子１６ａに取り付けられた円偏波発生器１６ｂとを含むフェーズドアレーアンテナ１６で構成され円偏波を出力するものなので、多数の円偏波発生器１６ｂを要し、製造コストが高くなるものであった。 On the other hand, as shown in FIG. 2B, the conventional antenna device includes a phased array antenna including a plurality of antenna radiating elements 16a and a circularly polarized wave generator 16b attached to each of the antenna radiating elements 16a. Therefore, a large number of circularly polarized wave generators 16b are required, and the manufacturing cost is high.

したがって、本実施の形態に係る偏波変換器１０を用いることにより、従来のアンテナ装置よりも極めて低い製造コストで製造できるアンテナ装置を提供することができる。なお、図２においては、直線偏波の電波を円偏波の電波に変換する例を示したが、円偏波の電波を直線偏波の電波に変換するアンテナ装置においても、本実施の形態に係る偏波変換器１０を用いることにより同様の効果が得られる。 Therefore, by using the polarization converter 10 according to the present embodiment, it is possible to provide an antenna device that can be manufactured at a manufacturing cost much lower than that of the conventional antenna device. 2 shows an example in which linearly polarized radio waves are converted into circularly polarized radio waves, this embodiment also applies to an antenna device that converts circularly polarized radio waves into linearly polarized radio waves. The same effect can be obtained by using the polarization converter 10 according to the above.

以上のように、本実施の形態の偏波変換器１０によれば、誘電体基板１１と、入力電波の波長に対して十分に小さな微小金属である複数の金属片１２とで、いわゆる人工誘電体を形成する構成としたので、従来のものよりも簡単な構造で自由空間を伝搬する電波の偏波を変換することができ、従来のものよりも製造コストを低減することができる。 As described above, according to the polarization converter 10 of the present embodiment, the dielectric substrate 11 and the plurality of metal pieces 12 which are fine metals sufficiently small with respect to the wavelength of the input radio wave, are so-called artificial dielectrics. Since the body is formed, the polarization of the radio wave propagating in free space can be converted with a simpler structure than the conventional one, and the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional one.

また、本実施の形態の偏波変換器１０とアンテナとを備えたアンテナ装置は、従来のものよりも簡単な構造で直線偏波や円偏波の電波を出力することができるので、従来のものよりも製造コストを低減することができる。 In addition, the antenna device including the polarization converter 10 and the antenna of the present embodiment can output linearly polarized waves and circularly polarized radio waves with a simpler structure than the conventional one. The manufacturing cost can be reduced as compared with the manufacturing method.

なお、本実施の形態において、金属片１２が長方形状で構成される例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ異なる誘電率を有する金属片であればよく、例えば金属片１２を楕円形状としても同様の効果が得られる。なお、長方形状や楕円形状という文言は、完全な長方形や楕円形を限定して意味するものではない。 In the present embodiment, the example in which the metal piece 12 is formed in a rectangular shape has been described. However, the present invention is not limited to this, and the dielectric constants are different in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. For example, the same effect can be obtained even if the metal piece 12 has an elliptical shape. Note that the terms “rectangular shape” and “elliptical shape” do not mean a complete rectangular shape or an elliptical shape.

また、本実施の形態において、偏波変換器１０が、直線偏波の電波を円偏波の電波に変換する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、偏波変換器１０は円偏波の電波を直線偏波の電波に変換することもでき、この場合でも同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the example in which the polarization converter 10 converts linearly polarized radio waves into circularly polarized radio waves has been described. However, the present invention is not limited to this, and the polarization converter 10 is not limited thereto. The wave converter 10 can also convert circularly polarized radio waves into linearly polarized radio waves, and the same effect can be obtained in this case.

また、本実施の形態において、偏波変換器１０が、直線偏波の電波を円偏波の電波に変換する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば誘電体基板１１の単体での厚みや積層枚数、金属片１２の各寸法、入力電波の電界方向等を偏向することにより、直線偏波の偏波面の角度を所望の角度に変更することもできる。 In the present embodiment, the polarization converter 10 has been described with reference to an example in which a linearly polarized radio wave is converted into a circularly polarized radio wave. However, the present invention is not limited to this, for example, The angle of the plane of polarization of the linearly polarized wave can be changed to a desired angle by deflecting the thickness of the dielectric substrate 11 as a single unit, the number of stacked layers, the dimensions of the metal pieces 12, the electric field direction of the input radio wave, and the like. .

また、本実施の形態において、誘電体基板１１を３７枚積層して偏波変換器１０を構成する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、人工誘電体として所望の特性が得られる構成であれば、例えば、誘電体基板１１を１枚や１０枚積層で構成してもよい。また、誘電体基板１１を複数枚積層して構成する場合に、互いに異なる厚さの誘電体基板１１で構成するものでもよい。 Further, in the present embodiment, an example in which the polarization converter 10 is configured by laminating 37 dielectric substrates 11 has been described, but the present invention is not limited to this, and as an artificial dielectric, For example, the dielectric substrate 11 may be composed of one or ten layers as long as desired characteristics can be obtained. In addition, when a plurality of dielectric substrates 11 are stacked, the dielectric substrates 11 may be formed of different thicknesses.

また、本実施の形態において、複数の金属片１２を誘電体基板１１の一方の面上に配列する構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、複数の金属片１２を誘電体基板１１の両方の面上に配列する構成や、複数の金属片１２の一部又は全部を１枚又は複数の誘電体基板１１の内部に埋め込んで配列する構成としてもよい。 In the present embodiment, the configuration in which the plurality of metal pieces 12 are arranged on one surface of the dielectric substrate 11 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, for example, A configuration in which a plurality of metal pieces 12 are arranged on both surfaces of the dielectric substrate 11, or a configuration in which a part or all of the plurality of metal pieces 12 are embedded in one or a plurality of dielectric substrates 11. Also good.

（第２の実施の形態）
まず、本発明の第２の実施の形態の偏波変換器の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る偏波変換器の構成を示す概略斜視図である。なお、本発明の第１の実施の形態の偏波変換器１０と重複する説明は省略する。 (Second Embodiment)
First, the configuration of the polarization converter according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic perspective view showing the configuration of the polarization converter according to the present embodiment. In addition, the description which overlaps with the polarization converter 10 of the 1st Embodiment of this invention is abbreviate | omitted.

図３に示すように、本実施の形態の偏波変換器２０は、円筒形状に形成された複数の誘電体基板２１と、各誘電体基板２１上に所定の間隔で配列された複数の長方形状の金属片２２とを備えている。なお、図３においては、図示を簡略化するため誘電体基板２１を１枚ものとして描いている。また、円筒形状という文言は、完全な円筒形を限定して意味するものではない。 As shown in FIG. 3, the polarization converter 20 of the present embodiment includes a plurality of dielectric substrates 21 formed in a cylindrical shape and a plurality of rectangles arranged on the dielectric substrates 21 at predetermined intervals. Shaped metal piece 22. In FIG. 3, the dielectric substrate 21 is drawn as a single sheet for the sake of simplicity. Further, the term cylindrical shape does not mean a complete cylindrical shape.

誘電体基板２１の一方の面上において、複数の金属片２２は、それぞれ、長方形状に形成されており、その長手方向と円筒の軸方向との角度θが４５度となるよう各誘電体基板２１上に配列されている。ここで、複数の金属片２２の材質及び寸法は、本発明の第１の実施の形態の偏波変換器１０と同様に構成される。 On one surface of the dielectric substrate 21, each of the plurality of metal pieces 22 is formed in a rectangular shape, and each dielectric substrate has an angle θ between its longitudinal direction and the axial direction of the cylinder of 45 degrees. 21 are arranged. Here, the materials and dimensions of the plurality of metal pieces 22 are configured similarly to the polarization converter 10 of the first embodiment of the present invention.

誘電体基板２１は、例えば、プラスチックフィルムのようなフレキシブルな材料で構成され、所定枚数重ねて接着されて円筒形状に形成される。誘電体基板２１の総厚さｄは、本発明の第１の実施の形態の偏波変換器１０と同様に式（２）に基づいて決定される。 The dielectric substrate 21 is made of, for example, a flexible material such as a plastic film, and is formed in a cylindrical shape by being bonded in a predetermined number. The total thickness d of the dielectric substrate 21 is determined based on the equation (2) as in the case of the polarization converter 10 of the first embodiment of the present invention.

本実施の形態の偏波変換器２０は、前述のように構成されているので、例えば垂直偏波ダイポールアンテナが円筒の中心に設置されたとき、垂直偏波ダイポールアンテナから放射された電波を、水平面３６０度の範囲で偏波変換を行うことができる。なお、垂直偏波とは、直線偏波の偏波面が地面に対して垂直になっているものをいう。 Since the polarization converter 20 of the present embodiment is configured as described above, for example, when a vertically polarized dipole antenna is installed at the center of a cylinder, radio waves radiated from the vertically polarized dipole antenna are Polarization conversion can be performed in the range of 360 degrees on the horizontal plane. In addition, the vertical polarization means that the plane of polarization of the linear polarization is perpendicular to the ground.

次に、本実施の形態に係る偏波変換器２０の応用例として、水平面で３６０度にわたって電波を放射することができるオムニディレクショナルアンテナと組み合わせたアンテナ装置について説明する。オムニディレクショナルアンテナは、一般に、垂直偏波の電波を放射することは容易であるが、円偏波の電波を放射することは容易ではなく、円偏波の電波を放射するには例えばスロットアンテナのような特殊なアンテナを必要とする。しかしながら、本実施の形態に係る偏波変換器２０を用いれば、電波の放射源として従来の直線偏波オムニディレクショナルアンテナを利用して、円偏波の電波を放射するアンテナ装置を低コストで容易に作製することができる。 Next, as an application example of the polarization converter 20 according to the present embodiment, an antenna device combined with an omnidirectional antenna capable of radiating radio waves over 360 degrees on a horizontal plane will be described. An omnidirectional antenna is generally easy to radiate vertically polarized radio waves, but it is not easy to radiate circularly polarized radio waves. Requires a special antenna. However, if the polarization converter 20 according to the present embodiment is used, a conventional linearly polarized omnidirectional antenna is used as a radio wave radiation source, and an antenna device that radiates circularly polarized radio waves can be manufactured at low cost. It can be easily manufactured.

以上のように、本実施の形態の偏波変換器２０によれば、円筒形状に形成された複数の誘電体基板２１と、各誘電体基板２１上に所定の間隔で配列された複数の長方形状の金属片２２とを備える構成としたので、直線偏波の電波を出力するアンテナを円筒の中心に設置することにより、水平面３６０度の範囲にわたって円偏波の電波を出力することができる。 As described above, according to the polarization converter 20 of the present embodiment, a plurality of dielectric substrates 21 formed in a cylindrical shape, and a plurality of rectangles arranged on the dielectric substrates 21 at predetermined intervals. Therefore, by installing an antenna that outputs linearly polarized radio waves at the center of the cylinder, circularly polarized radio waves can be output over a range of 360 degrees in the horizontal plane.

本発明の第１の実施の形態に係る偏波変換器の概略斜視図1 is a schematic perspective view of a polarization converter according to a first embodiment of the present invention. （ａ）本発明の第１の実施の形態に係る偏波変換器１０を用いたアンテナ装置の概略斜視図（ｂ）従来のアンテナ装置の概略斜視図(A) Schematic perspective view of an antenna device using the polarization converter 10 according to the first embodiment of the present invention (b) Schematic perspective view of a conventional antenna device 本発明の第２の実施の形態に係る偏波変換器の概略斜視図Schematic perspective view of a polarization converter according to a second embodiment of the present invention （ａ）円筒状に形成されたＴＥ１１モードの円形導波管中に薄い誘電体が挿入された従来の偏波変換器の概略斜視図（ｂ）ＴＥ１１モードの円形導波管中に適当な長さの金属板が軸方向に平行かつ壁面上に垂直に装荷された従来の偏波変換器の概略斜視図(A) Schematic perspective view of a conventional polarization converter in which a thin dielectric is inserted into a cylindrical TE11 mode circular waveguide. (B) An appropriate length in a TE11 mode circular waveguide. Schematic perspective view of a conventional polarization converter in which a metal plate is loaded parallel to the axial direction and perpendicular to the wall surface （ａ）誘電体板に金属のメアンダーラインが周期的に配置された従来の偏波変換器の概略斜視図（ｂ）従来の偏波変換器における電波の電界方向の説明図(A) Schematic perspective view of a conventional polarization converter in which metal meander lines are periodically arranged on a dielectric plate (b) An explanatory view of the electric field direction of a radio wave in the conventional polarization converter 金属片の配列のイメージを示す図Figure showing an image of the arrangement of metal pieces

Explanation of symbols

１０、２０偏波変換器
１１、２１誘電体基板
１２、２２金属片
１５フェーズドアレーアンテナ
１５ａアンテナ放射素子
１６従来のフェーズドアレーアンテナ
１６ａ従来のアンテナ放射素子
１６ｂ従来の円偏波発生器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 Polarization converter 11, 21 Dielectric substrate 12, 22 Metal piece 15 Phased array antenna 15a Antenna radiation element 16 Conventional phased array antenna 16a Conventional antenna radiation element 16b Conventional circular polarization generator

Claims

A plurality of metal pieces are arranged and provided with a dielectric substrate for inputting radio waves, and the plurality of metal pieces have different dielectric constants in a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, respectively. A polarization converter characterized in that the electric field direction of the radio wave and the first direction form a predetermined angle.

The dielectric substrate includes a first surface for inputting the radio wave and a second surface opposite to the first surface, and the plurality of metal pieces include the first surface and the second surface. The polarization converter according to claim 1, wherein the polarization converter is arranged on at least one of the surfaces.

The polarization converter according to claim 1, wherein at least one of the plurality of metal pieces is included in the dielectric substrate.

The polarization converter according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the plurality of metal pieces has a substantially rectangular shape.

The polarization converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the dielectric substrate has a substantially cylindrical shape.

The polarization converter according to any one of claims 1 to 5, wherein the electric field direction of the radio wave and the first direction form an angle of about 45 degrees.

A polarization converter, wherein a plurality of the polarization converters according to any one of claims 1 to 6 are stacked along a traveling direction of the radio wave.

An antenna device comprising: the polarization converter according to any one of claims 1 to 7; and an antenna that outputs a radio wave to the polarization converter.