JP2008523676A - フォトニックバンドギャップアンテナの最適化 - Google Patents

Abstract

本発明は、フォトニックバンドギャップアンテナに関する。このアンテナは、xy平面において、放射線源10、及び、平行な金属棒によって構成されるフォトニックバンドギャップ構造を有する。その棒は、x方向ではn_x回繰り返し、y方向ではn_y回繰り返す。放射線源から見て、棒の高さは増大する。
本発明は垂直平面でのアンテナの放射パターンを制御することができる。

Description

本発明はフォトニックバンドギャップアンテナに関する。

フォトニックバンドギャップ構造（PBG構造として知られている）は、ある周波数帯域での波の伝播を禁じる周期構造である。その構造は最初に光学領域において用いられ、最近では、その応用は他の周波数範囲にまで拡張されてきた。フォトニックバンドギャップ構造はとりわけ、フィルタ、アンテナ又は同様の素子のようなマイクロ波素子で利用されている。

フォトニックバンドギャップ構造には、金属からなる素子の周期的配置を用いた金属構造があり、他には誘電体からなる素子の周期的配置を用いたもの、又は金属-誘電体構造がある。
リン・キエン(Lin Qien)、フー・ジャン(FU-Jian)、ヘー・サイリン(HE Sai-Ling)、ツァン・ジャン-ウー(Zhang Jian-Wu)、Chinese Physics Letters誌、第19巻、pp.804、2002年

本発明は、金属からなる素子を用いたフォトニックバンドギャップ構造に関し、より詳細には完全な導体で、かつ周期的に配置されている平行棒に関する。

たとえば平行な金属棒のような金属からなる素子を用いたフォトニックバンドギャップ構造についてはすでに研究されている。従って非特許文献1は、Z方向に無限に長い平行な金属棒によって形成される金属フォトニックバンドギャップ(MPBG)共振構造について研究している。

より詳細には、非特許文献1は、共振アンテナ(MPBG)のある周波数範囲についての指向性及び放射抵抗について研究している。そのアンテナは、直線の放射源アンテナ及び、平行な金属棒によって形成された金属フォトニック構造内に構築された共振器を有する。その共振器は、線源アンテナ周辺に存在する複数の金属棒を除去することによって得られる。この型のフォトニックバンドギャップアンテナに関する研究は、無限長の、又は無限長と仮定された金属棒で行われる。

本発明は、有限長さの金属棒によって実現されるフォトニックバンドギャップ(PBG)アンテナに関する。放射源を受け取る基板に対する棒の高さが制御されることで、垂直面内でのアンテナの放射パターンが制御される。

本発明は、xy平面に、放射線源、及び、平行な金属棒によって構成されるフォトニックバンドギャップ構造を有するフォトニックバンドギャップ構造に関する。当該アンテナはxy平面に垂直で、直径dの棒はx方向について周期a_xをn_x回繰り返し、y方向について周期a_yをn_y回繰り返す。当該アンテナでは、放射線源から見た棒の高さが増大する。

好適実施例に従うと、線源と最も外側にある棒との間に存在する棒の高さは、kh/nよりも高い値に選択される。ここで、nは線源から見える棒の数に等しく、hは最も外側にある棒の高さで、kは1からnの間で変化する整数である。

線源から見える第1金属棒の高さは、3×lよりも高い値に選択されることが好ましい。ここで、lは放射線源の高さである。この値では、MPBG効果が得られ、特に、所与の周波数での周期に依存する帯域及びバンドギャップが得られる。

線源と最も外側にある棒との間に存在する棒の高さは単調増加関数に従うことが好ましい。x又はyの各方向について、棒の数は同一である。棒の数はn≧3となるように選ばれる。しかし線源から見た棒の数は異なって良いので、棒の数n_x及びn_yは異なる値を有するように与えられる。

本発明の好適態様に従うと、x方向及びy方向について金属棒が複製される周期a_x及びa_yは同一になるように選ばれる。しかしこれらの周期a_x及びa_yは異なっていて良い。

本発明の実施例に従うと、棒は、たとえば銅(5.9×10⁷[S/m])、銀(4.1×10⁷[S/m])、アルミニウム(3.5×10⁷[S/m])などのように10⁷[S/m]よりも大きな電気伝導性を有する金属材料で作られる。

他方で、線源は双極子又は接地面を形成する基板に固定された垂直方向の単極子によって形成される。前記線源は1本の金属棒の代わりに設けられるか、又は金属棒間に設けられる。

本発明に係る他の態様及び利点は、異なる好適実施例に関する説明を読むことで明らかになる。この説明は添付の図を参照しながらなされる。

以降で説明される例は非限定的な図示された実施例である。これらの実施例は、本発明の実現可能性及び本発明に従った構造によって得られた結果を検証するのに用いられた。しかし実際の実施例では、双極子よりもむしろ、棒自体をも接地面に固定した状態で、単極子を接地面上で用いることが好ましい。

図1は、フォトニックバンドギャップ(PBG)構造の中間に位置し、有限な高さの金属棒11によって形成される双極子10によって構成されるアンテナ1を図示している（MPBGとして参照される）。金属棒は、たとえば銅、銀、アルミニウムなどのような、10⁷[S/m]よりも大きな電気伝導性を有する材料で作られる。

図1に図示されているように、金属棒11は、7つの基本構成要素からなる列が7列に並んだ状態で配置される。列及び構成要素は互いに距離aだけ離れて設けられている。距離aは、フォトニックバンドギャップ構造のステップすなわち周期を与える。

図1に図示された実施例では、MPBG構造は正方形パターンの形態を有する。ここでn_x=n_y=7、周期a_x=a_y=aはともにx方向及びy方向について同一である。しかし当業者にとっては、x方向及びy方向について数n_xとn_yとが異なっている、かつ周期a_xとa_yとが異なっているMPBG構造も、本発明の技術的範囲内で考えられうることは明らかである。

図1Aに図示されたアンテナは、周波数f0=5.25GHzで動作するような大きさである。この場合、構造の中心に位置する放射線素子すなわち放射線源から見える棒の数nは3に等しい。その一方で、周期は17.5mmに等しく、金属棒は1mmの直径を有し、かつ高さhは8×lで、lはワイヤ線源、特に双極子の高さである。

図1Bは、アンテナが放射する放射線の固有表面を3次元的に図示している。その一方で、図2A及び図2Bは、双極子単独の放射パターンと、たとえば図1Aに図示されたようなMPBG構造の中央部に位置する双極子の放射パターンを、θ=90°の面及びφ=0°で切った面について図示している。しかしこのMPBG構造の金属棒の高さhは、h=4.5×lである。ここでlは線源の高さである。

放射パターンは、双極子によって形成されるアンテナの放射パターンへの、MPBG構造によって得られる効果を示している。特に金属PBG構造の存在により、動作周波数において、0°、90°、180°及び270°で放射線の好適方向が現れ、45°、135°、225°及び315°で放射線は最小となる。

図3は、金属PBGの周期aについて、線源から見えるn=3の金属棒によって構成される金属フォトニックバンドギャップ構造に係るバンドパターンを図示している。この種類の図は、動作周波数において、必要な放射線を得るのに用いられなければならない周期aの値を決定するのに用いられる。

従って、図3に示されているダイヤグラムを用いることによって、動作周波数f0=5.25GHzでは、周期aが、a=17.5mmであることが分かる。よって、7×7に配置された棒で形成される金属PBG構造の中心に設けられた線源は、バンドのバンド特性に従って、0°、90°、180°及び270°の方向で放射極大を有する。これは、図1B及び図2の放射パターンによって図示されている。

図4及び図5を参照しながら、図1Bで図示された構造の放射パターンを改善することが可能な構造を有する、金属フォトニックバンドギャップアンテナについてここで説明する。より詳細には、仰角でのパターン（φ=0°の面）での放射パターンについて説明する。図4Aの斜視図、及び図4Bの上面図でそれぞれ図示されているように、図1Aの金属棒の高さは、線源から離れてゆくのに従って棒の高さが増大するように調節される。

以降で説明するように、可変の高さを有する棒を利用することで、方位方向について同一パターンを保持しながら、仰角の放射パターンが制御可能となる。

図5では、線源10から、高さがhで、有限かつ同一である3本の金属棒が見えるフォトニックバンドギャップアンテナが図示されている。この場合、図5Aに図示されているように、仰角の放射パターンは、考えられる方向での明らかな周期についてのフォトニックバンドギャップ構造の透過又は遮断振る舞いに起因して、複数の極小を有する。この図は図2Bの図と類似している。しかも、３Ｄ放射パターンは、z軸について放射極大を示す。特に、棒が同一の高さhであるときには、放射パターンは、xy平面で保持されるが、xz平面ではhの関数として変化する。この場合では、図1Bのパターンはh=8×lについて与えられ（lは線源の高さである。）、図2の2D表現(h=4.5×l)とは厳密に対応しない。

本発明に従い、かつ図5Bに図示されているように、線源10から見た3本の金属棒の高さはそれぞれ異なり、かつ一の棒から他の棒へ向かって、H3<H2<H1となるように増大する。この場合では、仰角パターン上では、金属PBG構造の振る舞いに起因して、3Dパターンでも見える第2の極大が弱くなることに注意すべきである。上述したように、高さH3、H2及びH1は単調増加関数を有して良い。線源と最も外側にある棒(H1)との間での棒の高さH3、H2及びH1は、kH1/nよりも大きくなるように選ばれる。ここでnは線源から見える棒の数で（図示されている実施例では3である。）、H1は最も外側にある棒の高さで、かつkは1からnの間を変化する整数である。他方で、PBG効果を得るには、高さH3は少なくとも3×lに等しくなければならない。ここでlは放射線源の高さである。

本発明に従った別な構造が図5のCに図示されている。この場合、線源10は、線源から最も外側に存在する棒H’3に向かって高さが増大する3本の金属棒を有する。ここで、H’3> H’2> H’1である。この実施例では、金属棒の大きさは上で与えた方程式に注目に値するほどに従う。この場合、図5Cの仰角パターンは、金属PBGの特別な構造に起因して、第2極大の顕著な減少を示す。これは3Dパターンでも見られる。

本発明は、線源が金属PBG構造の中心部にある金属棒の代わりに設けられているアンテナを参照することによって説明された。しかし、棒の間に線源を設けることも可能である。しかも線源は、金属フォトニックバンドギャップ構造の中心部から外れても良い。上述の実施例で用いられた線源は双極子である。しかし実際の実施例では、線源は、MPBG構造の金属棒も固定される接地面を形成する基板に固定された垂直方向の単極子である。x方向での棒の数は、x方向での棒の数と同一でも良いし、又は異なっても良い。しかも、x方向又はy方向での棒間の周期a_x及びa_yは、図示された実施例のように同一であって良いし、又は異なっていても良い。

Aでは、棒が同一の高さh（h=8lで、lは線源の高さである。）を有するフォトニックバンドギャップアンテナを概略的に図示している。Bでは、3軸x,y,zに沿った放射パターンを概略的に図示している。 たとえば図1に図示されているようなフォトニックバンドギャップアンテナのθ=90°の面(a)及びφ=0°の面(b)での放射パターンを単一双極子の放射パターンと比較して表している。金属棒の高さhは、h=4.5lである。ここでlは線源の高さである。 フォトニックバンドギャップアンテナのバンド幅及びバンドギャップを動作周波数及び周期の関数として表す図である。 Aでは、本発明の実施例に従ったフォトニックバンドギャップアンテナの3D図を概略的に示している。Bでは、本発明の実施例に従ったフォトニックバンドギャップアンテナの上面図を概略的に示している。 各構成について、仰角での放射パターン及び3D放射パターンの図に基づいて、それぞれが異なる高さの金属棒を有するフォトニックバンドギャップアンテナに係る3つの構成を図示している。

Claims (10)

1. xy平面において、放射線源、及び、前記平面に垂直でかつ互いに平行な金属棒で構成されるフォトニックバンドギャップ構造、を有するフォトニックバンドギャップ(PBG)アンテナであって、
   直径dを有する前記棒は、x方向ではn_x回繰り返し、y方向ではn_y回繰り返し、
   前記放射線源から見ると、前記棒の高さが増大する、
   アンテナ。
2. 前記線源と最も外側にある棒との間にある前記棒の高さがkh/nよりも大きくなるように選ばれ、
   nは前記線源から見た棒の数で、hは前記最も外側にある棒の高さで、kは1からnの間を変化する整数である、
   ことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。
3. 前記線源と最も外側にある棒との間にある前記棒の高さが単調増加関数に従うことを特徴とする、請求項1又は2に記載のアンテナ。
4. x方向の棒の数n_xとy方向の棒の数n_yとが同一であることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1つに記載のアンテナ。
5. 前記線源から見える棒の数nがn≧3となるように選ばれることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1つに記載のアンテナ。
6. x方向の周期a_xとy方向の周期a_yとが同一であることを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1つに記載のアンテナ。
7. 前記棒が、たとえば銅、銀、アルミニウムのような、10⁷[S/m]よりも大きな電気伝導性を示す金属材料で作られる、請求項1から6までのいずれか1つに記載のアンテナ。
8. 前記線源から見える第1棒の高さが3×l以上になるように選択され、
   lは前記放射線源の高さである、
   ことを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1つに記載のアンテナ。
9. 前記線源が、前記基板の上に設けられる双極子又は垂直方向の単極子によって構成されることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1つに記載のアンテナ。
10. 前記線源が1本の棒に代わって設けられる、又は前記棒の間に設けられることを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1つに記載のアンテナ。

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