JP2009033324A - Antenna - Google Patents

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Masakazu Ikeda
正和 池田
Hisamatsu Nakano
久松 中野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable an antenna using a reflector of an EBG (Electromagnetic band-gap) structure to operate in a plurality of frequency bands. <P>SOLUTION: The antenna 1A includes the EBG 1 being a reflector and is configured to arrange an antenna element 15 at a position having height H over the EBG 1. In the EBG 1, square patches 11 smaller than a used wavelength are periodically arranged on the surface of a square device board 10 in a matrix shape, and a ground plane 13 is formed on the rear surface of the device board 10. In the patches 11, in an illustrated example, 25 patches P1-1, P1-2, ..., P5-4 and P5-5 are provided in 5 rows ×5 columns, and a varicap 12 being a variable capacity diode is connected between respective patches. The capacity value of the varicap 12 is changed by controlling the value of voltage +V to be applied to each patch 11, thereby changing the resonance frequency of the EBG 1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電磁バンドギャップ構造の反射板を備える低姿勢のアンテナに関する。   The present invention relates to a low-profile antenna including a reflector having an electromagnetic bandgap structure.

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+1(同相反射)となり、表面電流が流れにくいなどの性質を有している。このEBG構造とされた地板の表面波伝播阻止特性を利用したアンテナが、従来提案されている。
特開2003−304113号公報
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, has a property such that the reflected wave phase becomes +1 (in-phase reflection) at the resonance frequency, and the surface current hardly flows. An antenna using the surface wave propagation blocking characteristics of the ground plane having the EBG structure has been proposed.
JP 2003-304113 A

従来のEBG100の構成を示す立体的な斜視図を図28に示し、EBG100の構成を示す側面図を図30に示す。これらの図に示すEBG100は、方形の基板110の表面に矩形状のパッチ111がマトリクス状に周期的に配列されて形成されており、基板110の裏面にはグランドプレーン113が全面に形成されている。基板110は、所定の誘電率を有している。EBG100は、波長より小さい単位構造100−1を周期的に配列した構造とされており、単位構造100−1の1つを図28に拡大して示している。単位構造100−1は、基板110の表面に形成された矩形状のパッチ111のほぼ中心が、基板110の裏面に形成されたグランドプレーン113に基板110を貫通して設けられている短絡ピン114により短絡されている。このような単位構造100−1が周期的に配列されているEBG100においては、隣接する単位構造100−1のパッチ111のパターン間に容量成分が生じると共に、パッチ111の長さに応じてインダクタ成分が生じる。さらに、パッチ111のパターンとグランドプレーン113間に容量成分が生じると共に、短絡ピン114によりインダクタ成分が生じる。   A three-dimensional perspective view showing the structure of the conventional EBG 100 is shown in FIG. 28, and a side view showing the structure of the EBG 100 is shown in FIG. The EBG 100 shown in these figures has rectangular patches 111 periodically arranged in a matrix on the surface of a rectangular substrate 110, and a ground plane 113 is formed on the entire back surface of the substrate 110. Yes. The substrate 110 has a predetermined dielectric constant. The EBG 100 has a structure in which unit structures 100-1 smaller than the wavelength are periodically arranged, and one of the unit structures 100-1 is enlarged and shown in FIG. In the unit structure 100-1, a short pin 114 is provided in which a substantially center of a rectangular patch 111 formed on the surface of the substrate 110 is provided through the substrate 110 in a ground plane 113 formed on the back surface of the substrate 110. Is short-circuited. In the EBG 100 in which the unit structures 100-1 are periodically arranged, a capacitance component is generated between the patterns of the patches 111 of the adjacent unit structures 100-1, and an inductor component is generated according to the length of the patch 111. Occurs. Further, a capacitance component is generated between the pattern of the patch 111 and the ground plane 113, and an inductor component is generated by the short-circuit pin 114.

このようなEBG100における単位構造100−1の等価回路を図29に示す。図29に示す等価回路において、容量C1,C2,C3,C4は、パッチ111のパターンとパターンとの間隙により生じる容量成分であり、容量C1,C2,C3,C4に直列に接続されているインダクタL1,L2,L3,L4は、パッチ111のパターン片長により生じるインダクタ成分であり、容量C5はパッチ111のパターンとグランドプレーン133間の容量成分であり、容量C5に並列に接続されているインダクタL5は短絡ピン114のインダクタ成分である。図29に示す等価回路の単位構造100−1を周期的に配列した構造とされているEBG100においては、各単位構造100−1に生じた容量成分とインダクタ成分によるLC共振回路が連続したものと考えられ、所定の周波数に並列共振するようになる。共振周波数においては、EBG100はハイインピーダンス表面となり、表面電流が流れにくくなって、同相で反射するようになる。   An equivalent circuit of the unit structure 100-1 in such an EBG 100 is shown in FIG. In the equivalent circuit shown in FIG. 29, capacitors C1, C2, C3, and C4 are capacitance components generated by the gap between the patterns of the patch 111, and are inductors connected in series to the capacitors C1, C2, C3, and C4. L1, L2, L3, and L4 are inductor components generated by the pattern piece length of the patch 111, and the capacitor C5 is a capacitor component between the pattern of the patch 111 and the ground plane 133, and the inductor L5 connected in parallel to the capacitor C5. Is an inductor component of the short-circuit pin 114. In the EBG 100 having a structure in which the unit structures 100-1 of the equivalent circuit shown in FIG. 29 are periodically arranged, the LC resonance circuit by the capacitance component and the inductor component generated in each unit structure 100-1 is continuous. It is conceivable and comes to parallel resonance at a predetermined frequency. At the resonance frequency, the EBG 100 becomes a high-impedance surface, the surface current hardly flows, and it is reflected in the same phase.

このことを図31により説明すると、図31(a)は金属板等の完全導体(PEC:Perfect Electric Conductor)201からなる反射板上にエレメント200を配置した場合を示している。この場合、PEC201の反射係数は−1となり逆相で反射されるため、PEC201から1/4波長の高さhにエレメント200を設置しないと放射方向での位相がずれ、放射特性が劣化するようになる。また、図31(b)は上述したEBG100からなる反射板上にエレメント200を配置した場合を示している。この場合、EBG100の反射係数は+1となり同相で反射されるため、EBG100からのエレメント200の高さhをほぼゼロとすることができる。このように、EBG100を反射板として用いると逆相のイメージ電流が反射板に発生しないため、放射効率が劣化しないようになる。また、エレメント200を反射板に密接させても同相放射となるため放射特性が劣化することがなく、アンテナを低姿勢化することができる。   This will be described with reference to FIG. 31. FIG. 31A shows a case where the element 200 is arranged on a reflection plate made of a perfect conductor (PEC: Perfect Electric Conductor) 201 such as a metal plate. In this case, since the reflection coefficient of the PEC 201 is −1 and reflected in the opposite phase, if the element 200 is not installed at the height h of ¼ wavelength from the PEC 201, the phase in the radiation direction is shifted and the radiation characteristic is deteriorated. become. FIG. 31B shows a case where the element 200 is disposed on the reflector made of the EBG 100 described above. In this case, since the reflection coefficient of the EBG 100 is +1 and reflected in the same phase, the height h of the element 200 from the EBG 100 can be made substantially zero. As described above, when the EBG 100 is used as a reflecting plate, an image current having a reverse phase is not generated in the reflecting plate, so that the radiation efficiency does not deteriorate. Further, even if the element 200 is brought into close contact with the reflector, in-phase radiation is generated, so that radiation characteristics are not deteriorated, and the antenna can be lowered.

次に、EBG構造の反射板を用いるアンテナの構成例の立体的な斜視図を図32に、このアンテナの構成例の構成を示す側面図を図33に示す。
図32に示すアンテナ100Aは、EBG100上に角形スパイラルのエレメント120を密着して配置している。EBG100は、前記したように所定の誘電率を有している方形の基板110の表面に矩形状のパッチ111がマトリクス状に周期的に配列され、裏面にグランドプレーン113が全面に形成されている。例えば、アンテナ100Aの設計周波数を約0.6GHzとすると、EBG100の共振周波数が約0.6GHzになるように設計される。ここで、共振周波数0.6GHzの自由空間波長をλとすると、パッチ111は正方形パターン形状とされた一辺が約0.2λとされ、パッチ111間の間隙は約0.02λとされる。また、パッチ111は短絡ピン114によりグランドプレーン113に短絡されており、基板110は誘電率εrが約2.2のテフロン基板とされ、基板厚が約0.04λとされる。また、エレメント120は金属板上に約0.25波長の高さで配置した時、軸方向に円偏波を放射する第一モード動作の角形スパイラルアンテナとされ、その動作周波数は約0.6GHzとされる。
Next, FIG. 32 shows a three-dimensional perspective view of a configuration example of an antenna using a reflector having an EBG structure, and FIG. 33 shows a side view showing the configuration of this antenna configuration example.
In the antenna 100A shown in FIG. 32, a square spiral element 120 is disposed in close contact with the EBG 100. In the EBG 100, as described above, the rectangular patches 111 are periodically arranged in a matrix on the surface of the rectangular substrate 110 having a predetermined dielectric constant, and the ground plane 113 is formed on the entire back surface. . For example, when the design frequency of the antenna 100A is about 0.6 GHz, the resonance frequency of the EBG 100 is designed to be about 0.6 GHz. Here, when the free space wavelength of the resonance frequency of 0.6 GHz is λ, the patch 111 has a square pattern with one side of about 0.2λ, and the gap between the patches 111 is about 0.02λ. The patch 111 is short-circuited to the ground plane 113 by a short-circuit pin 114, and the substrate 110 is a Teflon substrate having a dielectric constant εr of about 2.2, and the substrate thickness is about 0.04λ. In addition, when the element 120 is arranged on a metal plate at a height of about 0.25 wavelength, it is a square spiral antenna for first mode operation that radiates circularly polarized waves in the axial direction, and the operating frequency is about 0.6 GHz. It is said.

上記EBG100の反射位相の周波数特性を図34に示す。図34を参照すると、周波数が高くなるにつれて反射位相が約180°から0°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−180°に変化していく。このとき、約0.6GHzにおいて反射位相が0°になっている。
また、上記EBG100を備えるアンテナ100Aにおいて、EBG100板上に約0.01λの高さでエレメント120を配置した際の軸比(AR)の周波数特性を、金属板上に約0.25λの高さで同じエレメント120を配置した場合の軸比と対比して図35に示す。図35を参照すると、破線で示す金属板上にエレメント120が配置されたときの軸比特性と比べて、アンテナ100Aの軸比の周波数特性においては円偏波放射帯域が狭くなっている事が分かる。これは、EBG構造が共振構造であり、狭帯域の特性を示すことが原因である。この場合、EBG構造は共振している周波数帯域以外では金属板として振舞う。そのため、共振している周波数以外ではアンテナ100Aは金属板上に低姿勢でエレメント120を配置した場合と同様に放射特性が劣化することになる。
The frequency characteristics of the reflection phase of the EBG 100 are shown in FIG. Referring to FIG. 34, the reflection phase goes from about 180 ° to 0 ° as the frequency becomes higher, and changes to about −180 ° as the frequency becomes higher. At this time, the reflection phase is 0 ° at about 0.6 GHz.
Further, in the antenna 100A provided with the EBG 100, the frequency characteristics of the axial ratio (AR) when the element 120 is arranged at a height of about 0.01λ on the EBG 100 plate, the height characteristic of about 0.25λ on the metal plate. FIG. 35 shows a comparison with the axial ratio when the same element 120 is disposed. Referring to FIG. 35, the circularly polarized radiation band is narrower in the frequency characteristic of the axial ratio of the antenna 100A than in the axial ratio characteristic when the element 120 is arranged on the metal plate indicated by the broken line. I understand. This is because the EBG structure is a resonance structure and exhibits narrow band characteristics. In this case, the EBG structure behaves as a metal plate outside the resonating frequency band. Therefore, the radiation characteristics of the antenna 100 </ b> A deteriorate at a frequency other than the resonating frequency, as in the case where the element 120 is disposed in a low posture on the metal plate.

さらに、上記EBG100を備えるアンテナ100Aにおいて、EBG100板上に約0.01λの高さでエレメント120を配置した際のVSWR(電圧定在波比)の周波数特性を、金属板上に約0.25λの高さで同じエレメント120を配置した場合のVSWR特性と対比して図36に示す。図36を参照すると、アンテナ100Aにおいては約0.54GHz以上の帯域では良好なVSWRが得られており、この帯域において良好な円偏波が放射されている、破線で示す金属板状にエレメント120が配置された場合のVSWR特性より低域において劣化している。これは、前述したように、EBG構造が共振構造であり狭帯域の特性を示すことが原因である。さらに、上記EBG100を備えるアンテナ100Aにおいて、EBG100板上に約0.01λの高さでエレメント120を配置した際の軸比最良点におけるX−Z面の指向特性を図37に、Y−Z面の指向特性を図38に示す。図37および図38を参照すると、良好な円偏波が放射されており、軸比の最良点においてはEBG構造が共振状態となって表面波の伝搬抑止効果があることから、後方放射が抑制されていることがわかる。   Further, in the antenna 100A including the EBG 100, the frequency characteristic of the VSWR (voltage standing wave ratio) when the element 120 is arranged at a height of about 0.01λ on the EBG 100 plate is about 0.25λ on the metal plate. FIG. 36 shows a comparison with the VSWR characteristic in the case where the same element 120 is arranged at the height of. Referring to FIG. 36, in the antenna 100A, a good VSWR is obtained in a band of about 0.54 GHz or more, and a good circularly polarized wave is radiated in this band. Is deteriorated in a lower frequency range than the VSWR characteristic in the case where is arranged. As described above, this is because the EBG structure is a resonance structure and exhibits narrow band characteristics. Furthermore, in the antenna 100A provided with the EBG 100, the directivity characteristics of the XZ plane at the best axial ratio when the element 120 is arranged on the EBG 100 plate at a height of about 0.01λ are shown in FIG. The directivity characteristics are shown in FIG. Referring to FIGS. 37 and 38, good circularly polarized waves are radiated, and at the best point of the axial ratio, the EBG structure is in a resonance state and has the effect of suppressing the propagation of surface waves, so that the backward radiation is suppressed. You can see that

ところで、近年の携帯電話機に内蔵するアンテナや車両搭載アンテナは小型化の傾向にあるが、AM・FM・地上デジタル・GPS等々の帯域において動作させる多機能性や広帯域性(地上デジタルTVやFM)がアンテナに求められる場合がある。特に、ソフトウェア無線(コグニティブ無線)など複数の無線システムを利用する場合においては、アンテナには複数周波数帯における動作、その無線システムに適した偏波(円偏波、水平、垂直)に対応する機能を備えることが求められている。
しかしながら、EBG構造の反射板を用いるアンテナにおいては低姿勢とすることはできるものの、動作帯域が狭帯域になってしまうというという問題点があった。
そこで、本発明は、EBG構造の反射板を用いるアンテナにおいて低姿勢化することができると共に、複数の周波数帯において動作させることができるアンテナを提供することを目的としている。
By the way, although antennas built in mobile phones and antennas mounted on vehicles in recent years tend to be miniaturized, they are multifunctional and broadband to operate in bands such as AM, FM, terrestrial digital, and GPS (terrestrial digital TV and FM). May be required for the antenna. In particular, when using multiple radio systems such as software defined radio (cognitive radio), the antenna functions in multiple frequency bands and functions that support polarization (circular polarization, horizontal, vertical) suitable for the radio system. Is required.
However, an antenna using a reflector having an EBG structure has a problem that the operating band becomes narrow, although the attitude can be lowered.
Therefore, an object of the present invention is to provide an antenna that can be lowered in an antenna using a reflector having an EBG structure and can be operated in a plurality of frequency bands.

上記目的を達成するために、本発明のアンテナは、反射板における電磁バンドギャップ構造の容量成分あるいはインダクタ成分を可変することにより、前記電磁ギャップ構造が使用周波数においてほぼ共振状態となるように制御することを最も主要な特徴としている。   In order to achieve the above object, the antenna of the present invention controls the electromagnetic gap structure to be in a substantially resonant state at the operating frequency by varying the capacitance component or the inductor component of the electromagnetic band gap structure in the reflector. This is the main feature.

本発明によれば、反射板における電磁バンドギャップ構造の容量成分あるいはインダクタ成分を可変することにより、電磁ギャップ構造が使用周波数においてほぼ共振状態となるように制御することから、電磁バンドギャップ構造の反射板の共振周波数を可変することができるようになり、複数の周波数帯において良好に動作するアンテナを得ることができる。   According to the present invention, since the electromagnetic gap structure is controlled so as to be substantially in a resonance state at the operating frequency by changing the capacitance component or the inductor component of the electromagnetic band gap structure in the reflector, the reflection of the electromagnetic band gap structure is controlled. The resonance frequency of the plate can be varied, and an antenna that operates well in a plurality of frequency bands can be obtained.

本発明の第1実施例のアンテナの構成を示す平面図と単位構造の構成を立体的に示す斜視図を図1に示し、第1実施例の構成を示す側面図を図2に示す。
これらの図に示すアンテナ1Aは、電磁バンドギャップ(EBG)構造の反射板であるEBG1を備え、EBG1の上の高さhの位置にアンテナ素子15が配置されて構成されている。EBG1は、正方形状の基板10の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ11がマトリクス状に周期的に配列されており、基板10の裏面にはグランドプレーン13が形成されている。パッチ11は,図示する例では5行×5列の25個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P5−4,P5−5が設けられており、各パッチ間には可変容量ダイオードであるバリキャップ12が図示する極性で接続されている。各パッチ11のほぼ中央は基板10を貫通して設けられている短絡ピン14により、それぞれグランドプレーン13に短絡されている。EBG1は、波長より小さい単位構造1−1を周期的に配列した構造とされており、単位構造1−1の1つを図1に拡大して示している。単位構造1−1は、基板10の表面に形成された正方形状のパッチ11のほぼ中心が、基板10の裏面に形成されたグランドプレーン13に基板10を貫通して設けられている短絡ピン14により短絡されている。
FIG. 1 shows a plan view showing the configuration of the antenna according to the first embodiment of the present invention and a perspective view showing the configuration of the unit structure in three dimensions, and FIG. 2 shows a side view showing the configuration of the first embodiment.
The antenna 1A shown in these drawings includes an EBG1 that is a reflector having an electromagnetic bandgap (EBG) structure, and an antenna element 15 is disposed at a height h above the EBG1. In the EBG 1, square patches 11, which are smaller than the used wavelength, are periodically arranged in a matrix on the surface of the square substrate 10, and a ground plane 13 is formed on the back surface of the substrate 10. Yes. In the illustrated example, the patch 11 includes 25 patches P1-1, P1-2,..., P5-4, P5-5 of 5 rows × 5 columns, and a variable capacitance is provided between the patches. A varicap 12 as a diode is connected with the polarity shown in the figure. Nearly the center of each patch 11 is short-circuited to the ground plane 13 by a short-circuit pin 14 provided through the substrate 10. The EBG 1 has a structure in which unit structures 1-1 smaller than the wavelength are periodically arranged, and one of the unit structures 1-1 is enlarged and shown in FIG. The unit structure 1-1 includes a short-circuit pin 14 in which a substantially center of a square patch 11 formed on the surface of the substrate 10 is provided through the substrate 10 in a ground plane 13 formed on the back surface of the substrate 10. Is short-circuited.

このような単位構造1−1が周期的に配列されているEBG1においては、隣接する単位構造1−1のパッチ11のパターン間に容量成分が生じると共に、パッチ11の長さに応じてインダクタ成分が生じる。さらに、パッチ11のパターンとグランドプレーン13間に容量成分が生じると共に、短絡ピン14によりインダクタ成分が生じる。このようなEBG1における単位構造1−1の等価回路は図29に示す等価回路と同様になる。なお、基板10は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。アンテナ素子15は、完全導体(PEC)とされる金属板上に使用波長の約0.25波長の高さで配置した時、軸方向に円偏波を放射する第一モード動作の角形スパイラルアンテナとされている。   In the EBG 1 in which such unit structures 1-1 are periodically arranged, a capacitance component is generated between the patterns of the patches 11 of the adjacent unit structures 1-1, and an inductor component according to the length of the patch 11. Occurs. Further, a capacitance component is generated between the pattern of the patch 11 and the ground plane 13, and an inductor component is generated by the short-circuit pin 14. The equivalent circuit of the unit structure 1-1 in the EBG 1 is the same as the equivalent circuit shown in FIG. The substrate 10 is a Teflon substrate having good high frequency characteristics, and has a predetermined dielectric constant. The antenna element 15 is a square spiral antenna of a first mode operation that radiates circularly polarized waves in the axial direction when arranged at a height of about 0.25 wavelength of the used wavelength on a metal plate that is a perfect conductor (PEC). It is said that.

図1に示すEBG1において、5行×5列の25個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P5−4,P5−5のうちの中央に黒丸が付されたパッチP1−1,P1−3,P1−5,P2−2,P2−4,P3−1,P3−3,P3−5,P4−2,P4−4,P5−1,P5−3,P5−5の合計13個のパッチ11には正の制御電圧+Vが印加されており、残るP1−2,P1−4,P2−1,P2−3,P2−5,P3−2,P3−4,P4−1,P4−3,P4−5,P5−2,P5−4の合計12個のパッチ11はグランドと同電位とされている。そして、各パッチ11間に接続されているバリキャップ12のカソードが制御電圧+Vが印加されるパッチ11に接続され、アノードがグランドと同電位とされているため、各バリキャップ12には逆電圧が印加されるようになる。そして、バリキャップ12の容量は逆電圧が大きくなるほど小さな容量となることから、制御電圧+Vの電圧値を変更することにより各バリキャップ12の容量値を制御することができる。なお、各パッチ11はグランドプレーン13に短絡ピン14により短絡されていることから、図示していないが制御電圧+Vが印加されるパッチ11が短絡されるグランドプレーン13aと、グランドと同電位とされるパッチ11が短絡されるグランドプレーン13bとに直流的に分離されており、グランドプレーン13aとグランドプレーン13bとは使用周波数において低インピーダンスとなるコンデンサで高周波的に接続されている。   In the EBG1 shown in FIG. 1, a patch P1-1 in which a black circle is added to the center among 25 patches P1-1, P1-2,..., P5-4, P5-5 of 5 rows × 5 columns. , P1-3, P1-5, P2-2, P2-4, P3-1, P3-3, P3-5, P4-2, P4-4, P5-1, P5-3, P5-5 A positive control voltage + V is applied to the 13 patches 11, and the remaining P1-2, P1-4, P2-1, P2-3, P2-5, P3-2, P3-4, P4-1. , P4-3, P4-5, P5-2, and P5-4, a total of 12 patches 11 have the same potential as the ground. Since the cathode of the varicap 12 connected between the patches 11 is connected to the patch 11 to which the control voltage + V is applied and the anode is set to the same potential as the ground, a reverse voltage is applied to each varicap 12. Is applied. Since the capacity of the varicap 12 becomes smaller as the reverse voltage increases, the capacity value of each varicap 12 can be controlled by changing the voltage value of the control voltage + V. Since each patch 11 is short-circuited to the ground plane 13 by a short-circuit pin 14, although not shown, the ground plane 13a to which the patch 11 to which the control voltage + V is applied is short-circuited is set to the same potential as the ground. The patch 11 is galvanically separated from the ground plane 13b to be short-circuited, and the ground plane 13a and the ground plane 13b are connected in high frequency with a capacitor having a low impedance at the operating frequency.

ここで、例えばアンテナ1Aの設計周波数を約0.6GHzとして、EBG1の共振周波数が約0.6GHzになるように設計したとする。この場合、共振周波数0.6GHzの自由空間波長をλとすると、正方形パターン形状のパッチ11の一辺が約0.2λとされ、パッチ11間の間隙は約0.02λとされる。また、例えば誘電率εrが約2.2のテフロン基板が基板10とされ、基板10の厚さが約0.04λとされる。また、角形スパイラルアンテナとされているアンテナ素子15の動作周波数が約0.6GHzとされ、EBG1上の高さhは約0.01λとされる。この条件とされたアンテナ1Aにおいて、制御電圧+Vの電圧値を変更して各バリキャップ12の容量を約1pF、約2pF、約3pFとした際のアンテナ1AのX方向偏波とY方向偏波の反射位相の周波数特性を図3に、アンテナ1Aの軸比(AR)の周波数特性を図4に、アンテナ1Aのゲインの周波数特性を図5に、アンテナ1AのVSWRの周波数特性を図6に示す。図3に示す反射位相特性を参照すると、周波数が高くなるにつれて反射位相が約180°から0°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−180°に向かって変化していく。そして、バリキャップ12の容量値が約1pFの時は共振周波数が約0.58GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約2pFの時は共振周波数が約0.505GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約3pFの時は共振周波数が約0.445GHzとなる。このように、制御電圧+Vの電圧値を下げてバリキャップ12の容量を増やすと低周波側に共振点をシフトすることができ、制御電圧+Vの電圧値を上げてバリキャップ12の容量を減らすと高周波側に共振点をシフトすることができる。このように、バリキャップ12の容量値に応じて共振周波数が変化するのは、EBG1を構成する単位構造1−1の等価回路が図29に示す等価回路で表されるからである。また、反射位相はX方向偏波とY方向偏波とでは変化しない。これは、各パッチ11が正方形状とされて、X方向とY方向の電気的特性が同様とされているからである。   Here, for example, it is assumed that the design frequency of the antenna 1A is about 0.6 GHz and the resonance frequency of the EBG 1 is designed to be about 0.6 GHz. In this case, if the free space wavelength of the resonance frequency of 0.6 GHz is λ, one side of the patch 11 having a square pattern is about 0.2λ, and the gap between the patches 11 is about 0.02λ. For example, a Teflon substrate having a dielectric constant εr of about 2.2 is used as the substrate 10 and the thickness of the substrate 10 is set to about 0.04λ. The operating frequency of the antenna element 15 that is a square spiral antenna is about 0.6 GHz, and the height h on the EBG 1 is about 0.01λ. In the antenna 1A under these conditions, the X-direction polarization and Y-direction polarization of the antenna 1A when the voltage value of the control voltage + V is changed to set the capacitance of each varicap 12 to about 1 pF, about 2 pF, and about 3 pF. FIG. 3 shows the frequency characteristic of the reflection phase of FIG. 3, FIG. 4 shows the frequency characteristic of the axial ratio (AR) of the antenna 1A, FIG. 5 shows the frequency characteristic of the gain of the antenna 1A, and FIG. Show. Referring to the reflection phase characteristics shown in FIG. 3, the reflection phase changes from about 180 ° to 0 ° as the frequency increases, and further changes toward about −180 ° as the frequency increases. When the capacitance value of the varicap 12 is about 1 pF, the resonance frequency is about 0.58 GHz. When the capacitance value of the varicap 12 is about 2 pF, the resonance frequency is about 0.505 GHz. Is about 3 pF, the resonance frequency is about 0.445 GHz. Thus, if the voltage value of the control voltage + V is lowered to increase the capacity of the varicap 12, the resonance point can be shifted to the low frequency side, and the voltage value of the control voltage + V is increased to reduce the capacity of the varicap 12. The resonance point can be shifted to the high frequency side. The reason why the resonance frequency changes in accordance with the capacitance value of the varicap 12 is that the equivalent circuit of the unit structure 1-1 constituting the EBG 1 is represented by the equivalent circuit shown in FIG. Further, the reflection phase does not change between the X-direction polarization and the Y-direction polarization. This is because each patch 11 has a square shape and the electrical characteristics in the X and Y directions are the same.

また、図4に示すアンテナ1Aの軸比(AR)の周波数特性を参照すると、バリキャップ12の容量値が約1pFの時は軸比最良点が約0.58GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約2pFの時は軸比最良点が約0.505GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約3pFの時は軸比最良点が約0.445GHzとなる。このように、制御電圧+Vの電圧値に応じて軸比最良点が移動するようになる。
さらに、図5に示すアンテナ1Aのゲインの周波数特性を参照すると、バリキャップ12の容量値が約1pFの時はゲインのピーク点が約0.58GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約2pFの時はゲインのピーク点が約0.5GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約3pFの時はゲインのピーク点が約0.44GHzとなる。このように、制御電圧+Vの電圧値に応じてアンテナ1Aのゲインのピーク点を可変することができるようになる。
さらにまた、図6に示すアンテナ1AのVSWRの周波数特性を参照すると、VSWRが約3以下となる周波数は、バリキャップ12の容量値が約1pFの時は約0.535GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約2pFの時は約0.465GHzとなり、バリキャップ12の容量値が約3pFの時は約0.42GHzとなる。このように、制御電圧+Vの電圧値に応じてアンテナ1Aの動作周波数を示す指標とされるインピーダンスを可変することができるようになる。
Further, referring to the frequency characteristic of the axial ratio (AR) of the antenna 1A shown in FIG. 4, when the capacitance value of the varicap 12 is about 1 pF, the best axial ratio is about 0.58 GHz. Is about 2505, the best axial ratio is about 0.505 GHz. When the capacitance of the varicap 12 is about 3 pF, the best axial ratio is about 0.445 GHz. Thus, the best axial ratio point moves according to the voltage value of the control voltage + V.
Further, referring to the frequency characteristics of the gain of the antenna 1A shown in FIG. 5, when the capacitance value of the varicap 12 is about 1 pF, the peak point of the gain is about 0.58 GHz, and the capacitance value of the varicap 12 is about 2 pF. At that time, the gain peak point is about 0.5 GHz, and when the capacitance value of the varicap 12 is about 3 pF, the gain peak point is about 0.44 GHz. Thus, the peak point of the gain of the antenna 1A can be varied according to the voltage value of the control voltage + V.
Furthermore, referring to the frequency characteristics of the VSWR of the antenna 1A shown in FIG. 6, the frequency at which the VSWR is about 3 or less is about 0.535 GHz when the capacitance value of the varicap 12 is about 1 pF. When the capacitance value is about 2 pF, it becomes about 0.465 GHz, and when the capacitance value of the varicap 12 is about 3 pF, it becomes about 0.42 GHz. In this way, the impedance used as an index indicating the operating frequency of the antenna 1A can be varied according to the voltage value of the control voltage + V.

上述したように、EBG1を反射板として備えるアンテナ1Aにおいては、バリキャップ12に印加する電圧を連続的に変化することで、アンテナ1Aの動作周波数を連続的に変化することができる。この場合、反射板であるEBG1に誘起される電圧はアンテナ素子15に誘起される電圧よりも数十dB低い値となる。そのため、例えばアンテナにバリキャップを装荷して動作周波数を可変する従来の可変アンテナでは、誘起される電圧が数十dB強くなりバリキャップが歪んで動作しなくなるおそれがあるが、本発明の第1実施例のアンテナ1Aにおいては確実に動作するようになる。また、バリキャップ12を各パッチ11間に接続するとEBG1の容量が増加して、EBG1の共振周波数が低域へシフトすることになる。そこで、EBG1における単位構造1−1の辺の長さを短くしたり高さを低くしてインダクタ成分を小さくすることで共振周波数を補正することができる。このようにすると、付随的にEBG1が小型化されてアンテナ1Aを小型化することもできる。   As described above, in the antenna 1A including the EBG 1 as a reflector, the operating frequency of the antenna 1A can be continuously changed by continuously changing the voltage applied to the varicap 12. In this case, the voltage induced in the EBG 1 that is the reflector is a value tens of dB lower than the voltage induced in the antenna element 15. Therefore, for example, in a conventional variable antenna in which a varicap is mounted on the antenna and the operating frequency is varied, the induced voltage may be increased by several tens of dB, and the varicap may be distorted and may not operate. The antenna 1A according to the embodiment operates reliably. Further, when the varicap 12 is connected between the patches 11, the capacity of the EBG1 increases, and the resonance frequency of the EBG1 shifts to a low band. Therefore, the resonance frequency can be corrected by reducing the length of the side of the unit structure 1-1 in the EBG 1 or reducing the height to reduce the inductor component. In this way, the EBG 1 can be reduced in size and the antenna 1A can be reduced in size.

ところで、円偏波とは垂直偏波と水平偏波が同振幅で位相が90°ずれた状態とされている。また、EBG1の構造はX方向とY方向の構造がZ軸に対して回転対称とされているため、図3に示す反射位相特性のようにEBG1の構造に偏波依存性はない。このため、EBG1の共振状態においては、アンテナ素子15が放射する円偏波の振幅・位相を乱すことなくEBG1が同相反射することにより、アンテナ1Aの低姿勢化が実現されている。
次に、図7に反射位相の周波数特性に偏波依存性が生じるようにした単位構造2−1の構成を示す。本発明にかかる図示しない第2実施例のアンテナは、図7に示す複数の単位構造2−1を周期的に配列した構成の図示しない電磁バンドギャップ構造(EBG)を反射板として備えている。単位構造2−1は、テフロン基板等の基板20の表面にY方向の長さよりX方向の長さが長くされた矩形状のパッチ21が形成されており、基板20の裏面にはグランドプレーン23が形成されている。パッチ21のほぼ中心は、基板20を貫通して設けられた短絡ピン24によりグランドプレーン23に短絡されている。
By the way, the circularly polarized wave is a state in which the vertically polarized wave and the horizontally polarized wave have the same amplitude and the phase is shifted by 90 °. Further, since the structure of the EBG1 is rotationally symmetric with respect to the Z axis in the X direction and the Y direction, the structure of the EBG1 has no polarization dependency like the reflection phase characteristic shown in FIG. For this reason, in the resonance state of the EBG 1, the EBG 1 is reflected in the same phase without disturbing the amplitude and phase of the circularly polarized wave radiated from the antenna element 15, thereby realizing a low attitude of the antenna 1 A.
Next, FIG. 7 shows a configuration of the unit structure 2-1 in which the polarization dependence occurs in the frequency characteristic of the reflection phase. The antenna of the second embodiment (not shown) according to the present invention includes an electromagnetic band gap structure (EBG) (not shown) having a configuration in which a plurality of unit structures 2-1 shown in FIG. In the unit structure 2-1, a rectangular patch 21 whose length in the X direction is longer than the length in the Y direction is formed on the surface of the substrate 20 such as a Teflon substrate, and the ground plane 23 is formed on the back surface of the substrate 20. Is formed. Nearly the center of the patch 21 is short-circuited to the ground plane 23 by a short-circuit pin 24 provided through the substrate 20.

このように、X方向とY方向が非対称の形状とされた複数の図7に示す単位構造2−1が周期的に配列されているEBGを反射板とする第2実施例のアンテナにおける反射位相の周波数特性を図8に示す。図8を参照すると、パッチ21の片長が長いX方向の共振周波数が、Y方向の共振周波数より低くなっている。これは、X方向のインダクタ成分が増加したためである。すなわち、X方向偏波の反射位相は約0.5GHz近傍において約0°(共振している)となっているのに対して、0.5GHz近傍においてはY方向偏波の反射位相は約150°であり、単位構造2−1からなるEBGは金属板とほぼ同じ振る舞いをする。従って、単位構造2−1からなるEBG上の近傍にアンテナ素子を設置した場合、約0.5GHzの周波数においてX方向成分は放射されるが、Y方向成分は放射されないことから、X方向成分のみの直線偏波が放射されるようになる。また、Y方向偏波の反射位相は約0.68GHz近傍において約0°(共振している)となっているのに対して、0.68GHz近傍においてはX方向偏波の反射位相は約−150°となっている。従って、単位構造2−1からなるEBG上の近傍にアンテナ素子を設置した場合、約0.68GHzの周波数においてY方向成分は放射されるが、X方向成分は放射されないことから、Y方向成分のみの直線偏波が放射されるようになる。このように、X方向とY方向が非対称の形状とされた単位構造2−1からなるEBGを反射板とする第2実施例のアンテナにおいては偏波依存性が生じるようになる。   As described above, the reflection phase in the antenna of the second embodiment using the EBG in which the plurality of unit structures 2-1 shown in FIG. 7 having an asymmetric shape in the X direction and the Y direction are periodically arranged as reflectors. The frequency characteristics are shown in FIG. Referring to FIG. 8, the resonance frequency in the X direction where the length of the patch 21 is long is lower than the resonance frequency in the Y direction. This is because the inductor component in the X direction has increased. That is, the reflection phase of the X direction polarization is about 0 ° (resonates) in the vicinity of about 0.5 GHz, whereas the reflection phase of the Y direction polarization is about 150 in the vicinity of 0.5 GHz. The EBG composed of the unit structure 2-1 behaves almost the same as the metal plate. Therefore, when an antenna element is installed in the vicinity of the EBG composed of the unit structure 2-1, an X direction component is radiated at a frequency of about 0.5 GHz, but a Y direction component is not radiated. The linearly polarized wave is emitted. The reflection phase of the Y-direction polarization is about 0 ° (resonates) in the vicinity of about 0.68 GHz, whereas the reflection phase of the X-direction polarization is about −8 in the vicinity of 0.68 GHz. It is 150 °. Therefore, when the antenna element is installed in the vicinity of the EBG composed of the unit structure 2-1, the Y direction component is radiated at the frequency of about 0.68 GHz, but the X direction component is not radiated. The linearly polarized wave is emitted. As described above, in the antenna of the second embodiment in which the EBG composed of the unit structure 2-1 having an asymmetric shape in the X direction and the Y direction is used as a reflector, polarization dependency occurs.

次に、第2実施例のアンテナにおける偏波依存性の原理を利用する第3実施例のアンテナの構成を示す平面図を図9に示す。
図9に示す本発明にかかる第3実施例のアンテナ3Aは、第1実施例のアンテナ1Aの構成と同様とされており、各パッチに印加する電圧の極性が変更されている。すなわち、第3実施例のアンテナ3Aは、電磁バンドギャップ(EBG)構造の反射板であるEBG3を備え、EBG3の上の高さhの位置に角形スパイラルアンテナとされたアンテナ素子35が配置されて構成されている。EBG3は、正方形状の基板30の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ31がマトリクス状に周期的に配列されており、基板30の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ31は、図示する例では5行×5列の25個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P5−4,P5−5が設けられており、各パッチ間には可変容量ダイオードであるバリキャップ32が図示する極性で接続されている。各パッチ31のほぼ中央は基板30を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、EBG3は、図1に示す単位構造1−1と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板30は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
Next, FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the antenna of the third embodiment that utilizes the principle of polarization dependence in the antenna of the second embodiment.
The antenna 3A of the third embodiment according to the present invention shown in FIG. 9 has the same configuration as that of the antenna 1A of the first embodiment, and the polarity of the voltage applied to each patch is changed. That is, the antenna 3A of the third embodiment includes an EBG3 that is a reflector having an electromagnetic band gap (EBG) structure, and an antenna element 35 that is a square spiral antenna is disposed at a height h above the EBG3. It is configured. In the EBG 3, square patches 31 that are smaller than the wavelength used are periodically arranged in a matrix on the surface of the square substrate 30, and a ground plane (not shown) is formed on the back surface of the substrate 30. ing. In the illustrated example, the patch 31 is provided with 25 patches P1-1, P1-2,..., P5-4, P5-5 of 5 rows × 5 columns, and a variable capacitance is provided between the patches. A varicap 32 as a diode is connected with the polarity shown in the figure. Nearly the center of each patch 31 is short-circuited to the ground plane by a short-circuit pin provided through the substrate 30. In this way, the EBG 3 is configured by periodically arranging unit structures similar to the unit structure 1-1 shown in FIG. The substrate 30 is a Teflon substrate or the like having good high frequency characteristics, and has a predetermined dielectric constant.

図9に示す第3実施例のアンテナ3Aにおいて、5行×5列の25個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P5−4,P5−5のうちの中央に黒丸が付されたパッチP1−1〜P1−5,P3−1〜P3−5,P5−1〜P5−5の合計15個のパッチ31には正の制御電圧+Vが印加されており、残るP2−1〜P2−5,P4−1〜P4−5の合計10個のパッチ31はグランドと同電位とされている。これにより、パッチP1−1〜P1−5の5個のパッチ31が同電位となるため、これらのパッチ31間を接続するバリキャップ32は高周波的に短絡状態となり、電気的に短絡したものと見なすことができる。また、パッチP3−1〜P3−5の5個のパッチ31と、パッチP5−1〜P5−5の5個のパッチ31も同様であり、電気的に短絡したものと見なすことができる。   In the antenna 3A of the third embodiment shown in FIG. 9, a black circle is attached to the center of 25 patches P1-1, P1-2,..., P5-4, P5-5 of 5 rows × 5 columns. A positive control voltage + V is applied to a total of 15 patches 31 of the patches P1-1 to P1-5, P3-1 to P3-5, and P5-1 to P5-5, and the remaining P2-1 A total of ten patches 31 to P2-5, P4-1 to P4-5 are set to the same potential as the ground. Thereby, since the five patches 31 of the patches P1-1 to P1-5 have the same potential, the varicaps 32 connecting the patches 31 are short-circuited in terms of high frequency and electrically short-circuited. Can be considered. Further, the five patches 31 of the patches P3-1 to P3-5 and the five patches 31 of the patches P5-1 to P5-5 are the same, and can be regarded as being electrically short-circuited.

ここで、各パッチ31に印加する電圧の極性の条件を除いて第3実施例のアンテナ3Aの条件を第1実施例のアンテナ1Aの条件と同じ条件とした際のアンテナ3AのX方向偏波とY方向偏波の反射位相の周波数特性を図10に示す。この場合、EBG3上のアンテナ素子35の高さは約0.01λとされる。
図10に示す反射位相特性を参照すると、Y方向偏波については周波数が0.2GHzから1GHzまで変化しても反射位相は約180°から約150°までしか変化せず、Y方向偏波については共振していない。このように、EBG3はY方向偏波に対しては金属板とほぼ同様に振る舞っていることが分かる。また、X方向偏波については周波数が高くなるにつれて反射位相が約180°から0°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−180°に向かって変化していく。そして、正電圧+Vの電圧値を制御してバリキャップ32の容量値が約1pFになっている時は共振周波数が約0.58GHzとなり、バリキャップ32の容量値が約2pFとなっている時は共振周波数が約0.49GHzとなり、バリキャップ32の容量値が約3pFとなっている時は共振周波数が約0.43GHzとなる。このように、制御電圧+Vの電圧値を下げてバリキャップ32の容量を増やすと低周波側に共振点をシフトさせられることは、第1実施例のアンテナ1Aと同様になる。
Here, the X direction polarization of the antenna 3A when the condition of the antenna 3A of the third embodiment is the same as the condition of the antenna 1A of the first embodiment except for the condition of the polarity of the voltage applied to each patch 31. FIG. 10 shows frequency characteristics of the reflection phase of the Y-direction polarization. In this case, the height of the antenna element 35 on the EBG 3 is about 0.01λ.
Referring to the reflection phase characteristics shown in FIG. 10, for the Y-direction polarization, the reflection phase only changes from about 180 ° to about 150 ° even if the frequency changes from 0.2 GHz to 1 GHz. Is not resonant. Thus, it can be seen that the EBG 3 behaves almost the same as the metal plate with respect to the Y-direction polarization. As for the X-direction polarization, the reflection phase changes from about 180 ° to 0 ° as the frequency increases, and changes toward about −180 ° as the frequency increases. When the positive voltage + V voltage value is controlled and the capacitance value of the varicap 32 is about 1 pF, the resonance frequency is about 0.58 GHz, and the capacitance value of the varicap 32 is about 2 pF. The resonance frequency is about 0.49 GHz, and when the capacitance value of the varicap 32 is about 3 pF, the resonance frequency is about 0.43 GHz. As described above, when the voltage value of the control voltage + V is lowered to increase the capacitance of the varicap 32, the resonance point can be shifted to the low frequency side, similarly to the antenna 1A of the first embodiment.

また、第3実施例のアンテナ3Aにおいてバリキャップ32の容量値が約1pFになっていると共に周波数を0.6GHzとした際のX−Z面の指向特性を図11に、Y−Z面の指向特性を図12に示す。図11を参照すると、X方向偏波については良好に放射されていることが分かる。そして、図12を参照すると、Y方向偏波は放射されていないことが分かる。さらに、図13に第3実施例のアンテナ3Aにおいてバリキャップ32の容量値が約1pFになっている際のVSWRの周波数特性を、第1実施例のアンテナ1Aにおいてバリキャップ12の容量値が約1pFになっている際のVSWRの周波数特性と対比して示す。図13を参照すると、Y方向偏波が放射されない影響で低域において入力インピーダンスが乱れるが、EBG3の共振周波数付近での影響は少ないことが分かる。このように、第3実施例のアンテナ3Aにおいては、各パッチ31に印加する電圧の極性を図示する極性とすることにより、Y方向偏波を放射させることなくX方向の直線偏波のみを放射する偏波依存性のアンテナ3Aとすることができる。
なお、各パッチ31はグランドプレーンに短絡ピンにより短絡されていることから、図示していないが制御電圧+Vが印加されるパッチ31が短絡されるグランドプレーンと、グランドと同電位とされるパッチ31が短絡されるグランドプレーンとに直流的に分離されており、両グランドプレーンは使用周波数において低インピーダンスとなるコンデンサで高周波的に接続されている。
Further, in the antenna 3A of the third embodiment, the directional characteristics of the XZ plane when the capacitance value of the varicap 32 is about 1 pF and the frequency is 0.6 GHz are shown in FIG. The directivity characteristics are shown in FIG. Referring to FIG. 11, it can be seen that X-direction polarization is radiated well. Then, referring to FIG. 12, it can be seen that the Y-direction polarization is not radiated. Further, FIG. 13 shows the frequency characteristics of the VSWR when the capacitance value of the varicap 32 is about 1 pF in the antenna 3A of the third embodiment, and the capacitance value of the varicap 12 in the antenna 1A of the first embodiment is about. It is shown in comparison with the frequency characteristic of VSWR when it is 1 pF. Referring to FIG. 13, it can be seen that the input impedance is disturbed in the low band due to the effect that the Y-direction polarization is not radiated, but the influence in the vicinity of the resonance frequency of the EBG 3 is small. As described above, in the antenna 3A of the third embodiment, by setting the polarity of the voltage applied to each patch 31 to the polarity shown in the figure, only the X-direction linearly polarized wave is radiated without radiating the Y-direction polarized wave. The polarization-dependent antenna 3A can be obtained.
Since each patch 31 is short-circuited to the ground plane by a short-circuit pin, although not shown, the ground plane to which the patch 31 to which the control voltage + V is applied is short-circuited, and the patch 31 having the same potential as the ground. Are separated in a direct current manner from a ground plane to be short-circuited, and both ground planes are connected in high frequency by a capacitor having a low impedance at the operating frequency.

次に、第2実施例のアンテナにおける偏波依存性の原理を利用する第4実施例のアンテナの構成を示す平面図を図14に示す。
図14に示す本発明にかかる第4実施例のアンテナ4Aは、第3実施例のアンテナ3Aの構成と同様とされており、パッチに印加する電圧の極性を変更するようにしている。すなわち、第4実施例のアンテナ4Aは、電磁バンドギャップ(EBG)構造の反射板であるEBG4を備え、EBG4の上の高さhの位置に角形スパイラルアンテナとされたアンテナ素子45が配置されて構成されている。EBG4は、正方形状の基板40の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ41がマトリクス状に周期的に配列されており、基板40の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ41は,図示する例では5行×5列の25個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P5−4,P5−5が設けられており、各パッチ間には可変容量ダイオードであるバリキャップ42が図示する極性で接続されている。各パッチ41のほぼ中央は基板40を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、EBG4は、図1に示す単位構造1−1と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板40は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
Next, FIG. 14 is a plan view showing the configuration of the antenna of the fourth embodiment that utilizes the principle of polarization dependence in the antenna of the second embodiment.
The antenna 4A of the fourth embodiment according to the present invention shown in FIG. 14 has the same configuration as the antenna 3A of the third embodiment, and changes the polarity of the voltage applied to the patch. That is, the antenna 4A of the fourth embodiment includes an EBG4 that is a reflector having an electromagnetic band gap (EBG) structure, and an antenna element 45 that is a square spiral antenna is disposed at a height h above the EBG4. It is configured. In the EBG 4, square patches 41, which are smaller than the wavelength used, are periodically arranged in a matrix on the surface of the square substrate 40, and a ground plane (not shown) is formed on the back surface of the substrate 40. ing. In the illustrated example, the patch 41 includes 25 patches P1-1, P1-2,..., P5-4, P5-5 of 5 rows × 5 columns, and a variable capacitance is provided between the patches. A varicap 42 as a diode is connected with the polarity shown in the figure. The approximate center of each patch 41 is short-circuited to the ground plane by a short-circuit pin provided through the substrate 40. As described above, the EBG 4 is configured by periodically arranging unit structures similar to the unit structure 1-1 shown in FIG. The substrate 40 is a Teflon substrate or the like having good high-frequency characteristics and has a predetermined dielectric constant.

図14に示す第4実施例のアンテナ4Aにおいて、5行×5列の25個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P5−4,P5−5のうちの中央に黒丸が付されたパッチP1−1,P1−3,P1−5,P2−1,P2−3,P2−5,P3−1,P3−3,P3−5,P4−1,P4−3,P4−5,P5−1,P5−3,P5−5の合計15個のパッチ41には正の制御電圧+Vが印加されており、残るP1−2,P1−4,P2−2,P2−4,P3−2,P3−4,P4−2,P4−4,P5−2,P5−4の合計10個のパッチ41はグランドと同電位とされている。これにより、第1列のパッチP1−1,P2−1,・・・,P5−1の5個のパッチ41が同電位となるため、これらのパッチ41間を接続するバリキャップ42は高周波的に短絡状態となり、電気的に短絡したものと見なすことができる。また、第3列、第5列の5個のパッチ41も同様であり、電気的に短絡したものと見なすことができる。   In the antenna 4A of the fourth embodiment shown in FIG. 14, a black circle is attached to the center of 25 patches P1-1, P1-2,..., P5-4, P5-5 of 5 rows × 5 columns. Patches P1-1, P1-3, P1-5, P2-1, P2-3, P2-5, P3-1, P3-3, P3-5, P4-1, P4-3, P4-5 , P5-1, P5-3, and P5-5, a positive control voltage + V is applied to a total of 15 patches 41, and the remaining P1-2, P1-4, P2-2, P2-4, P3 A total of ten patches 41 of -2, P3-4, P4-2, P4-4, P5-2, and P5-4 are at the same potential as the ground. Thereby, since the five patches 41 of the patches P1-1, P2-1,..., P5-1 in the first row have the same potential, the varicap 42 connecting these patches 41 has a high frequency. Therefore, it can be regarded as a short circuit. The same applies to the five patches 41 in the third and fifth rows, and can be regarded as being electrically short-circuited.

ここで、各パッチ41に印加する電圧の極性の条件を除いて第4実施例のアンテナ4Aの条件を第1実施例のアンテナ1Aの条件と同じ条件とした際のアンテナ4AのX方向偏波とY方向偏波の反射位相の周波数特性を図15に示す。この場合、EBG4上のアンテナ素子45の高さは約0.01λとされる。
図15に示す反射位相特性を参照すると、X方向偏波については周波数が0.2GHzから1GHzまで変化しても反射位相は約180°から約150°までしか変化せず、X方向偏波については共振していない。このように、EBG4はX方向偏波に対しては金属板とほぼ同様に振る舞っていることが分かる。また、Y方向偏波については周波数が高くなるにつれて反射位相が約180°から0°に向かい、さらに周波数が高くなるにつれて約−180°に向かって変化していく。そして、正電圧+Vの電圧値を制御してバリキャップ42の容量値が約1pFになっている時は共振周波数が約0.58GHzとなり、バリキャップ42の容量値が約2pFとなっている時は共振周波数が約0.49GHzとなり、バリキャップ42の容量値が約3pFとなっている時は共振周波数が約0.43GHzとなる。このように、制御電圧+Vの電圧値を下げてバリキャップ42の容量を増やすと低周波側に共振点をシフトさせられることは、第1実施例のアンテナ1Aと同様になる。
Here, the X-direction polarization of the antenna 4A when the conditions of the antenna 4A of the fourth embodiment are the same as the conditions of the antenna 1A of the first embodiment except for the condition of the polarity of the voltage applied to each patch 41. FIG. 15 shows the frequency characteristics of the reflection phase of the Y-direction polarization. In this case, the height of the antenna element 45 on the EBG 4 is about 0.01λ.
Referring to the reflection phase characteristics shown in FIG. 15, for the X-direction polarization, the reflection phase changes only from about 180 ° to about 150 ° even if the frequency changes from 0.2 GHz to 1 GHz. Is not resonant. Thus, it can be seen that the EBG 4 behaves almost the same as the metal plate with respect to the X-direction polarization. As for the Y-direction polarized wave, the reflection phase changes from about 180 ° to 0 ° as the frequency increases, and further changes toward about −180 ° as the frequency increases. When the positive voltage + V voltage value is controlled and the capacitance value of the varicap 42 is about 1 pF, the resonance frequency is about 0.58 GHz, and the capacitance value of the varicap 42 is about 2 pF. Has a resonance frequency of about 0.49 GHz, and when the capacitance value of the varicap 42 is about 3 pF, the resonance frequency is about 0.43 GHz. As described above, when the voltage value of the control voltage + V is lowered to increase the capacitance of the varicap 42, the resonance point can be shifted to the low frequency side, similarly to the antenna 1A of the first embodiment.

また、第4実施例のアンテナ4Aにおいてバリキャップ42の容量値が約1pFになっていると共に周波数を0.6GHzとした際のX−Z面の指向特性を図16に、Y−Z面の指向特性を図17に示す。図16を参照すると、X方向偏波は放射されていないことが分かり、図17を参照すると、Y方向偏波については良好に放射されていることが分かる。このように、第4実施例のアンテナ4Aにおいては、各パッチ41に印加する電圧の極性を図示する極性とすることにより、X方向偏波を放射させることなくY方向の直線偏波のみを放射することができる偏波依存性のアンテナ4Aとすることができる。
なお、各パッチ41はグランドプレーンに短絡ピンにより短絡されていることから、図示していないが制御電圧+Vが印加されるパッチ41が短絡されるグランドプレーンと、グランドと同電位とされるパッチ41が短絡されるグランドプレーンとに直流的に分離されており、両グランドプレーンは使用周波数において低インピーダンスとなるコンデンサで高周波的に接続されている。
ところで、第1実施例のアンテナ3Aにおいて、第3実施例のアンテナ3Aおよび第4実施例のアンテナ4Aのように各パッチに印加できる電圧の極性を切り換えられるように構成すると、必要に応じてX方向偏波からY方向偏波に切り換えられるアンテナとすることができる。この場合、アンテナ素子15は円偏波を放射できるアンテナが必要となる。
Further, in the antenna 4A of the fourth embodiment, the varicap 42 has a capacitance value of about 1 pF and the directivity characteristics of the XZ plane when the frequency is 0.6 GHz are shown in FIG. The directivity characteristics are shown in FIG. Referring to FIG. 16, it can be seen that X-direction polarization is not radiated, and FIG. 17 is that Y-direction polarization is well radiated. Thus, in the antenna 4A of the fourth embodiment, by setting the polarity of the voltage applied to each patch 41 to the polarity shown in the figure, only the linearly polarized wave in the Y direction is radiated without radiating the X direction polarized wave. The polarization-dependent antenna 4A can be obtained.
Since each patch 41 is short-circuited to the ground plane by a short-circuit pin, although not shown, the ground plane to which the patch 41 to which the control voltage + V is applied is short-circuited, and the patch 41 having the same potential as the ground. Are separated in a direct current manner from a ground plane to be short-circuited, and both ground planes are connected in high frequency by a capacitor having a low impedance at the operating frequency.
By the way, in the antenna 3A of the first embodiment, when the polarity of the voltage that can be applied to each patch can be switched as in the antenna 3A of the third embodiment and the antenna 4A of the fourth embodiment, X The antenna can be switched from directional polarization to Y-direction polarization. In this case, the antenna element 15 needs an antenna that can radiate circularly polarized waves.

上記した本発明にかかる第1実施例ないし第4実施例のアンテナ1A〜4Aにおけるパッチ11〜41は、短絡ピンを有する四角形のパッチ形状としたが、本発明はこれに限るものではない。そこで、図18にEBGの表面に形成されるパッチの種々の形状を示す。
図18(a)に示すパッチ10aは六角形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン14aが接続されている。図18(b)に示すパッチ10bは円形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン14bが接続されている。図18(c)に示すパッチ10cは十字状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン14cが接続されている。図18(d)に示すパッチ10dは4角と中央部を小さな正方形状として十字状の形状と組み合わせた形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン14dが接続されている。図18(e)に示すパッチ10eは三角形状とされており、ほぼ中心にグランドプレーンに短絡する短絡ピン14eが接続されている。
本発明にかかるアンテナにおけるEBGのパッチの形状は、四角形に替えて図18(a)〜図18(e)のいずれとすることができ、この場合に、短絡ピンを無くすようにしても良い。また、チップインダクタやキャパシタ等の集中定数回路によりEBGにおける単位構造を置き換えても同じ動作を得ることができる。また、EBGの反射板上に配置するアンテナ素子は、必要とする偏波を放射するものであればいかなる形状であってもよい。すなわち、円偏波の放射を必要とする場合や偏波を切り換える場合は円偏波アンテナとされ、直線偏波の放射のみ必要とする場合は直線偏波のアンテナとされる。
Although the patches 11 to 41 in the antennas 1A to 4A according to the first to fourth embodiments of the present invention described above have a rectangular patch shape having a short-circuit pin, the present invention is not limited to this. FIG. 18 shows various shapes of patches formed on the surface of the EBG.
The patch 10a shown in FIG. 18A has a hexagonal shape, and a short-circuit pin 14a that is short-circuited to the ground plane is connected to the center. The patch 10b shown in FIG. 18B has a circular shape, and a short-circuit pin 14b that is short-circuited to the ground plane is connected to the center. The patch 10c shown in FIG. 18C has a cross shape, and a short-circuit pin 14c that is short-circuited to the ground plane is connected to the center. The patch 10d shown in FIG. 18 (d) has a shape in which four corners and a central portion are combined into a cross shape with a small square shape, and a short-circuit pin 14d that is short-circuited to the ground plane is connected to the center. The patch 10e shown in FIG. 18 (e) has a triangular shape, and a short-circuit pin 14e that is short-circuited to the ground plane is connected substantially at the center.
The shape of the EBG patch in the antenna according to the present invention can be any one of FIGS. 18A to 18E instead of the quadrangle. In this case, the shorting pin may be eliminated. The same operation can be obtained even if the unit structure in the EBG is replaced by a lumped constant circuit such as a chip inductor or a capacitor. Further, the antenna element arranged on the EBG reflector may have any shape as long as it emits a necessary polarized wave. That is, a circularly polarized antenna is used when circularly polarized radiation is required or when polarized waves are switched, and a linearly polarized antenna is used when only linearly polarized radiation is required.

また、共振周波数や偏波特性を機械的に制御するようにしても良い。そこで、共振周波数や偏波特性を機械的に制御できる本発明にかかる第5実施例のアンテナ5Aの構成を示す平面図を図19に、その構成を示す側面図を図20に示す。
これらの図に示す第5実施例のアンテナ5Aは、電磁バンドギャップ(EBG)構造の反射板であるEBG5を備え、EBG5の上の高さhの位置に角形スパイラルアンテナとされたアンテナ素子56が配置されて構成されている。EBG5は、四角形状の基板50の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ51がマトリクス状に周期的に配列されており、基板50の上には、各パッチ51間の間隙の位置に対応し列方向に周期的に導電性の第1小片54が形成された第1制御基板52が配置されており、基板50の下には各パッチ51間の間隙の位置に対応し行方向に周期的に導電性の第2小片55が形成された第2制御基板53が配置されている。さらに、第2制御基板53の下にはグランドプレーン57が配置されている。基板50、第1制御基板52および第2制御基板53は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
Further, the resonance frequency and polarization characteristics may be mechanically controlled. FIG. 19 is a plan view showing the configuration of the antenna 5A of the fifth embodiment according to the present invention that can mechanically control the resonance frequency and polarization characteristics, and FIG. 20 is a side view showing the configuration.
The antenna 5A of the fifth embodiment shown in these drawings includes an EBG 5 that is a reflector having an electromagnetic bandgap (EBG) structure, and an antenna element 56 that is a square spiral antenna at a height h above the EBG 5 is provided. Arranged and configured. In the EBG 5, square patches 51, which are made smaller than the wavelength used, are periodically arranged in a matrix on the surface of a rectangular substrate 50, and the gaps between the patches 51 are arranged on the substrate 50. The first control board 52 having the conductive first small pieces 54 formed periodically in the column direction is disposed below the board 50 and corresponds to the position of the gap between the patches 51. A second control board 53 on which conductive second small pieces 55 are periodically formed in the row direction is arranged. Further, a ground plane 57 is disposed under the second control board 53. The substrate 50, the first control substrate 52, and the second control substrate 53 are Teflon substrates having good high-frequency characteristics, and have a predetermined dielectric constant.

第1制御基板52は、基板50に対して機械的に上下に移動することができ、第1制御基板52を基板50に近づけると両者の間隙が狭くなって第1小片54の作用によりY方向の容量を増加させてY方向の共振周波数を低くすることができ、第1制御基板52を基板50から遠ざけると両者の間隙が広くなって第1小片54の作用によりY方向の容量を減少させてY方向の共振周波数を高くすることができる。また、第2制御基板53も、基板50に対して機械的に上下に移動することができ、第2制御基板53を基板50に近づけると両者の間隙が狭くなって第2小片55の作用によりX方向の容量を増加させてX方向の共振周波数を低くすることができ、第2制御基板53を基板50から遠ざけると両者の間隙が広くなって第2小片55の作用によりX方向の容量を減少させてX方向の共振周波数を高くすることができる。これにより、X方向の偏波とY方向の偏波とを独立して制御することができるようになる。このように、第5実施例のアンテナ5AにおいてはX方向とY方向の共振周波数の制御を独立して行うことができ、偏波依存性のアンテナ5Aとすることができる。
なお、円偏波の動作周波数制御のみを行う場合は、第1小片54および第2小片55を1枚の制御基板上に形成することができる。
The first control board 52 can move mechanically up and down with respect to the board 50. When the first control board 52 is brought close to the board 50, the gap between the two becomes narrow and the action of the first small piece 54 causes the Y direction. The resonance frequency in the Y direction can be lowered by increasing the capacitance of the first control board 52. When the first control board 52 is moved away from the board 50, the gap between the two becomes wider and the first small piece 54 reduces the Y-direction capacity. Thus, the resonance frequency in the Y direction can be increased. Also, the second control board 53 can be moved mechanically up and down with respect to the board 50, and when the second control board 53 is brought close to the board 50, the gap between the two becomes narrow and the second small piece 55 acts. The X-direction capacitance can be increased by lowering the resonance frequency in the X-direction, and when the second control substrate 53 is moved away from the substrate 50, the gap between the two becomes wider and the second small piece 55 acts to reduce the capacitance in the X-direction. The resonance frequency in the X direction can be increased by decreasing the frequency. As a result, the polarization in the X direction and the polarization in the Y direction can be controlled independently. Thus, in the antenna 5A of the fifth embodiment, the resonance frequencies in the X direction and the Y direction can be controlled independently, and the polarization-dependent antenna 5A can be obtained.
In the case where only the operation frequency control of circular polarization is performed, the first small piece 54 and the second small piece 55 can be formed on one control board.

また、本発明のアンテナにおいて共振周波数を機械的に制御する他の例の構成を図21に示す。図21に示す側面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ(EBG)構造のEBG6の構成を示す。
図21に示すEBG6上には前面を覆うように誘電体基板62が上下に移動できるように設けられている。誘電体基板62上の高さhの位置に図示しない円偏波あるいは直線偏波を放射するアンテナ素子が配置されている。EBG6は、四角形状の基板60の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ61がマトリクス状に周期的に配列されており、基板60の裏面にはグランドプレーン63が形成されている。各パッチ61のほぼ中心は、基板60を貫通して設けられた短絡ピン64によりグランドプレーン63に短絡されている。基板60は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
誘電体基板62は、基板60に対して機械的に上下に移動することができ、誘電体基板62を基板60に近づけると両者の間隙が狭くなってインダクタ成分が増加するようになってEBG6の共振周波数を低くすることができ、誘電体基板62を基板60から遠ざけると両者の間隙が広くなってインダクタ成分が減少するようになってEBG6の共振周波数を高くすることができる。
Further, FIG. 21 shows a configuration of another example in which the resonance frequency is mechanically controlled in the antenna of the present invention. The side view shown in FIG. 21 shows the configuration of an EBG 6 having an electromagnetic band gap (EBG) structure in which an antenna element is omitted and used as a reflector.
A dielectric substrate 62 is provided on the EBG 6 shown in FIG. 21 so as to move up and down so as to cover the front surface. An antenna element that radiates circularly polarized wave or linearly polarized wave (not shown) is disposed at a position of height h on the dielectric substrate 62. In the EBG 6, square patches 61, which are made smaller than the used wavelength, are periodically arranged in a matrix on the surface of a square substrate 60, and a ground plane 63 is formed on the back surface of the substrate 60. Yes. Almost the center of each patch 61 is short-circuited to the ground plane 63 by a short-circuit pin 64 provided through the substrate 60. The substrate 60 is a Teflon substrate or the like having good high frequency characteristics, and has a predetermined dielectric constant.
The dielectric substrate 62 can move mechanically up and down with respect to the substrate 60. When the dielectric substrate 62 is brought close to the substrate 60, the gap between the two becomes narrow and the inductor component increases, so that the EBG 6 The resonance frequency can be lowered, and when the dielectric substrate 62 is moved away from the substrate 60, the gap between the two becomes wider and the inductor component decreases, so that the resonance frequency of the EBG 6 can be raised.

次に、本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する構成を図22に示す。図22に示す平面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ(EBG)構造のEBG7の構成を示す。
図22に示すEBG7の上の高さhの位置に図示しない円偏波を放射できるアンテナ素子が配置される。EBG7は、正方形状の基板70の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ71がマトリクス状に周期的に配列されており、基板70の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ71は,図示する例では4行×4列の16個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P4−3,P4−4が設けられており、隣り合う4個ずつのパッチ71からなるグループG1,G2,G3,G4にグループ分けされている。各グループG1〜G4に属するパッチ71間にはスイッチングダイオードであるPINダイオード72が図示する極性で接続されているが、グループが異なるパッチ71間にはPINダイオード72は接続されていない。各パッチ71のほぼ中央は基板70を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、EBG7は、図1に示す単位構造1−1と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板70は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
Next, FIG. 22 shows a configuration for controlling the resonance frequency by switching in the antenna of the present invention. The plan view shown in FIG. 22 shows the configuration of an EBG 7 having an electromagnetic band gap (EBG) structure in which an antenna element is omitted and used as a reflector.
An antenna element that can radiate circularly polarized waves (not shown) is arranged at a height h on the EBG 7 shown in FIG. In the EBG 7, square patches 71, which are smaller than the used wavelength, are periodically arranged in a matrix on the surface of the square substrate 70, and a ground plane (not shown) is formed on the back surface of the substrate 70. ing. In the illustrated example, the patch 71 is provided with 16 patches P1-1, P1-2,..., P4-3, and P4-4 of 4 rows × 4 columns. 71 are grouped into groups G1, G2, G3, and G4. A PIN diode 72, which is a switching diode, is connected between the patches 71 belonging to the groups G1 to G4 with the polarity shown in the figure, but the PIN diode 72 is not connected between the patches 71 in different groups. Nearly the center of each patch 71 is short-circuited to the ground plane by a short-circuit pin provided through the substrate 70. Thus, the EBG 7 is configured by periodically arranging unit structures similar to the unit structure 1-1 shown in FIG. The substrate 70 is a Teflon substrate or the like having good high frequency characteristics, and has a predetermined dielectric constant.

図22に示すEBG7において、4行×4列の16個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P4−3,P4−4において、グループG1に属する中央に黒丸が付されたパッチP1−1,P2−2、グループG2に属する中央に黒丸が付されたパッチP1−3,P2−4、グループG3に属する中央に黒丸が付されたパッチP3−1,P4−2、グループG4に属する中央に黒丸が付されたパッチP3−3,P4−4のパッチ71には正電圧+Vあるいは0Vの電圧が印加され、残るパッチ71はグランドと同電位の0Vとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに正電圧+Vを印加するとPINダイオード72が導通して各グループG1〜G4にそれぞれ属している4個のパッチが電気的に接続されて等価的に1つのパッチとして動作するようになる。これにより、EBG7の容量成分とインダクタ成分が増加して共振周波数は低くなる。また、中央に黒丸が付されたパッチに0Vを印加した場合は、PINダイオード72は非道通となり各パッチ71がEBG7の単位構造として動作することから、EBG7の共振周波数は本来の共振周波数となる。   In the EBG7 shown in FIG. 22, in the 16 patches P1-1, P1-2,..., P4-3, P4-4 of 4 rows × 4 columns, a patch with a black circle at the center belonging to the group G1 P1-1, P2-2, patches P1-3, P2-4 with a black circle at the center belonging to group G2, patches P3-1, P4-2, group G4 with a black circle at the center belonging to group G3 A positive voltage + V or a voltage of 0V is applied to the patch 71 of the patches P3-3 and P4-4 with a black circle at the center belonging to A, and the remaining patch 71 is set to 0V, which is the same potential as the ground. Here, when a positive voltage + V is applied to a patch with a black circle in the center, the PIN diode 72 becomes conductive, and the four patches belonging to each of the groups G1 to G4 are electrically connected and equivalently It will work as one patch. As a result, the capacitance component and the inductor component of the EBG 7 increase and the resonance frequency is lowered. When 0V is applied to a patch with a black circle in the center, the PIN diode 72 is disabled and each patch 71 operates as a unit structure of the EBG 7, so that the resonance frequency of the EBG 7 becomes the original resonance frequency. .

EBG7の反射位相の周波数特性を図23に示す。この場合、EBG7の共振周波数が約0.6GHzになるように設計されており、共振周波数0.6GHzの自由空間波長をλとすると、パッチ71の一辺が約0.2λとされ、パッチ71間の間隙は約0.02λとされる。また、例えばテフロン基板とされた基板70の誘電率εrが約2.2とされ、基板70の厚さが約0.04λとされる。
図23を参照すると、PINダイオード72に0Vを印加してPINダイオード72を非道通としたときの共振周波数は約0.6GHzとなり、中央に黒丸が付されたパッチ71に正電圧+Vを印加してPINダイオード72を道通させたときの共振周波数は約0.4GHzとなることが分かる。
FIG. 23 shows the frequency characteristics of the reflection phase of EBG7. In this case, the resonance frequency of the EBG 7 is designed to be about 0.6 GHz. When the free space wavelength of the resonance frequency of 0.6 GHz is λ, one side of the patch 71 is about 0.2λ, and between the patches 71 The gap is about 0.02λ. For example, the dielectric constant εr of the substrate 70, which is a Teflon substrate, is about 2.2, and the thickness of the substrate 70 is about 0.04λ.
Referring to FIG. 23, when 0V is applied to the PIN diode 72 and the PIN diode 72 is turned off, the resonance frequency is about 0.6 GHz, and a positive voltage + V is applied to the patch 71 with a black circle in the center. It can be seen that the resonance frequency when the PIN diode 72 is passed is about 0.4 GHz.

次に、本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する他の構成を図24に示す。図24に示す平面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ(EBG)構造のEBG8の構成を示す。
図24に示すEBG8の上の高さhの位置に図示しない円偏波を放射できるアンテナ素子が配置される。EBG8は、正方形状の基板80の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ81がマトリクス状に周期的に配列されており、基板80の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ81は,図示する例では6行×6列の36個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P6−5,P6−6が設けられており、隣り合う9個ずつのパッチ81からなるグループG1,G2,G3,G4にグループ分けされている。各グループG1〜G4に属するパッチ81間にはスイッチングダイオードであるPINダイオード82が図示する極性で接続されているが、グループが異なるパッチ81間にはPINダイオード82は接続されていない。各パッチ81のほぼ中央は基板80を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、EBG8は、図1に示す単位構造1−1と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板80は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
Next, another configuration for controlling the resonance frequency by switching in the antenna of the present invention is shown in FIG. The plan view shown in FIG. 24 shows the configuration of an EBG 8 having an electromagnetic band gap (EBG) structure in which an antenna element is omitted and used as a reflector.
An antenna element that can radiate circularly polarized waves (not shown) is arranged at a height h on the EBG 8 shown in FIG. In the EBG 8, square patches 81 that are smaller than the used wavelength are periodically arranged in a matrix on the surface of the square substrate 80, and a ground plane (not shown) is formed on the back surface of the substrate 80. ing. In the illustrated example, the patch 81 is provided with 36 patches P1-1, P1-2,..., P6-5, and P6-6 in 6 rows × 6 columns. 81 are grouped into groups G1, G2, G3, and G4. A PIN diode 82, which is a switching diode, is connected between the patches 81 belonging to the groups G1 to G4 with the polarity shown in the figure, but the PIN diode 82 is not connected between the patches 81 in different groups. The approximate center of each patch 81 is short-circuited to the ground plane by a short-circuit pin provided through the substrate 80. In this way, the EBG 8 is configured by periodically arranging unit structures similar to the unit structure 1-1 shown in FIG. The substrate 80 is a Teflon substrate or the like having good high frequency characteristics, and has a predetermined dielectric constant.

図24に示すEBG8において、6行×6列の36個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P6−5,P6−6において、グループG1に属する中央に黒丸が付されたパッチP1−2,P2−1,P2−3,P3−2、グループG2に属する中央に黒丸が付されたパッチP1−5,P2−4,P2−6,P3−5、グループG3に属する中央に黒丸が付されたパッチP4−2,P5−1,P5−3,P6−2、グループG4に属する中央に黒丸が付されたパッチP4−5,P5−4,P5−6,P6−5のパッチ71には正電圧+Vあるいは0Vの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ81はグランドと同電位の0Vとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに正電圧+Vを印加するとPINダイオード82が導通して各グループG1〜G4にそれぞれ属している9個のパッチが電気的に接続されて等価的に1つのパッチとして動作するようになる。これにより、EBG8の容量成分およびインダクタ成分が増加して共振周波数を低周波側にシフトすることができる。また、中央に黒丸が付されたパッチに0Vを印加した場合は、PINダイオード82は非道通となり各パッチ81がEBG8の単位構造として動作するようになることから、EBG8の共振周波数は本来の共振周波数となる。   24. In the EBG8 shown in FIG. 24, in the 36 patches P1-1, P1-2,..., P6-5, P6-6 of 6 rows × 6 columns, a patch with a black circle at the center belonging to the group G1 P1-2, P2-1, P2-3, P3-2, patches P1-5, P2-4, P2-6, P3-5 with a black circle at the center belonging to the group G2, and the center belonging to the group G3 Patches P4-2, P5-1, P5-3 and P6-2 with black circles, patches P4-5, P5-4, P5-6 and P6-5 with a black circle at the center belonging to group G4 A positive voltage + V or a voltage of 0V is applied to the patch 71, and the remaining patch 81 with a white circle in the center is set to 0V having the same potential as the ground. Here, when a positive voltage + V is applied to a patch with a black circle in the center, the PIN diode 82 becomes conductive, and nine patches belonging to each of the groups G1 to G4 are electrically connected and equivalently It will work as one patch. As a result, the capacitance component and the inductor component of the EBG 8 increase, and the resonance frequency can be shifted to the low frequency side. When 0V is applied to a patch with a black circle in the center, the PIN diode 82 is disabled and each patch 81 operates as a unit structure of the EBG 8. Therefore, the resonance frequency of the EBG 8 is the original resonance. It becomes frequency.

以上説明した本発明のアンテナにおけるスイッチングにより共振周波数を制御する構成においては、各パッチをEBGの単位構造として動作させた1×1パッチの共振か、予めPINダイオードを接続したN×Nパッチからなるグループの共振の2通りの共振しか得られない。そこで、1×1,2×2,・・・,N×Nパッチのグループの全ての共振を得ることができる構成を図25に示す。図25に示す平面図にはアンテナ素子を省略して反射板とされる電磁バンドギャップ(EBG)構造のEBG9の構成を示している。
図25に示すEBG9の上の高さhの位置に図示しない円偏波を放射できるアンテナ素子が配置される。EBG9は、正方形状の基板90の表面に使用波長に比して小さくされた正方形状のパッチ91がマトリクス状に周期的に配列されており、基板90の裏面には図示しないグランドプレーンが形成されている。パッチ91は,図示する例では6行×6列の36個のパッチP1−1,P1−2,・・・,P6−5,P6−6が設けられており、隣り合うパッチ91間には互いに逆極性で2本のPINダイオード92が並列接続されている。各パッチ91のほぼ中央は基板90を貫通して設けられている短絡ピンにより、それぞれグランドプレーンに短絡されている。このように、EBG9は、図1に示す単位構造1−1と同様の単位構造を周期的に配列して構成されている。基板90は、高周波特性の良好なテフロン基板等とされており、所定の誘電率を有している。
In the configuration in which the resonance frequency is controlled by switching in the antenna of the present invention described above, it consists of 1 × 1 patch resonance in which each patch is operated as an EBG unit structure, or N × N patch to which a PIN diode is connected in advance. Only two types of group resonances can be obtained. Therefore, FIG. 25 shows a configuration in which all resonances of a group of 1 × 1, 2 × 2,..., N × N patches can be obtained. The plan view shown in FIG. 25 shows the configuration of an EBG 9 having an electromagnetic bandgap (EBG) structure in which an antenna element is omitted and is used as a reflector.
An antenna element (not shown) that can radiate circularly polarized waves is arranged at a height h on the EBG 9 shown in FIG. In the EBG 9, square patches 91 that are smaller than the used wavelength are periodically arranged in a matrix on the surface of the square substrate 90, and a ground plane (not shown) is formed on the back surface of the substrate 90. ing. In the illustrated example, the patch 91 is provided with 36 patches P1-1, P1-2,..., P6-5, P6-6 of 6 rows × 6 columns. Two PIN diodes 92 having opposite polarities are connected in parallel. Nearly the center of each patch 91 is short-circuited to the ground plane by a short-circuit pin provided through the substrate 90. In this way, the EBG 9 is configured by periodically arranging unit structures similar to the unit structure 1-1 shown in FIG. The substrate 90 is a Teflon substrate or the like having good high-frequency characteristics, and has a predetermined dielectric constant.

図25に示すEBG9の構成において、中央に黒丸が付されたパッチ91には正電圧+Vあるいは0Vの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ91はグランドと同電位の0Vとされている。この場合、中央に黒丸が付されたパッチに0Vを印加した場合は、隣り合うパッチ91の電位差が0Vとなりその間に接続されている並列接続されているPINダイオード92は2本とも導通しないため隣り合うパッチ91は開放状態となることから、EBG9の共振周波数は本来の共振周波数となる。また、中央に黒丸が付されたパッチ91に正電圧+Vを印加すると、隣り合うパッチ91の電位差がPINダイオード92の動作電圧以上となって、その間に接続されている並列接続されているPINダイオード92のうちの順方向に接続されたPINダイオード92が導通し隣り合うパッチ91は短絡状態となる。従って、パッチP1−1,P1−2,・・・,P6−5,P6−6の全てが短絡状態となり6×6の36個のパッチ91からなる単位構造となって、EBG9の共振周波数を最も低周波側にシフトすることができるようになる。   In the configuration of the EBG 9 shown in FIG. 25, a positive voltage + V or 0 V is applied to the patch 91 with a black circle at the center, and the remaining patch 91 with a white circle at the center is set to 0 V, which has the same potential as the ground. ing. In this case, when 0 V is applied to a patch with a black circle in the center, the potential difference between adjacent patches 91 becomes 0 V, and the two PIN diodes 92 connected in parallel between them are not conductive, so Since the matching patch 91 is in an open state, the resonance frequency of the EBG 9 becomes the original resonance frequency. Further, when a positive voltage + V is applied to the patch 91 with a black circle in the center, the potential difference between adjacent patches 91 becomes equal to or higher than the operating voltage of the PIN diode 92, and the PIN diodes connected in parallel are connected therebetween. Of the 92, the PIN diodes 92 connected in the forward direction become conductive, and the adjacent patches 91 are short-circuited. Therefore, all of the patches P1-1, P1-2,..., P6-5, and P6-6 are short-circuited to form a unit structure including 36 6 × 6 patches 91, and the resonance frequency of the EBG 9 is set. It becomes possible to shift to the lowest frequency side.

次に、図25に示すEBG9の構成において、各パッチ91に印加する電圧の印加態様を異ならせた構成を図26に示す。図26に示すEBG9においては、中央に黒丸が付されたパッチ91には正電圧+Vあるいは0Vの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ91はグランドと同電位の0Vとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに0Vを印加した場合は、隣り合うパッチ91の電位差が0Vとなりその間に接続されている並列接続されているPINダイオード92は2本とも導通しないため隣り合うパッチ91は開放状態となることから、EBG9の共振周波数は本来の共振周波数となる。また、中央に黒丸が付されたパッチ91に正電圧+Vを印加すると、隣り合うパッチ91の電位差がPINダイオード92の動作電圧以上となったパッチ91については、その間に接続されている並列接続されているPINダイオード92のうちの順方向に接続されたPINダイオード92が導通し隣り合うパッチ91は短絡状態となる。   Next, in the configuration of the EBG 9 shown in FIG. 25, a configuration in which the application mode of the voltage applied to each patch 91 is changed is shown in FIG. In the EBG9 shown in FIG. 26, a positive voltage + V or 0V is applied to the patch 91 with a black circle at the center, and the remaining patch 91 with a white circle at the center is set to 0V, which is the same potential as the ground. Yes. Here, when 0 V is applied to a patch with a black circle in the center, the potential difference between adjacent patches 91 becomes 0 V, and the two PIN diodes 92 connected in parallel between them are not conductive, so that Since the matching patch 91 is in an open state, the resonance frequency of the EBG 9 becomes the original resonance frequency. In addition, when a positive voltage + V is applied to the patch 91 with a black circle in the center, the patch 91 in which the potential difference between adjacent patches 91 is equal to or higher than the operating voltage of the PIN diode 92 is connected in parallel. Among the PIN diodes 92, the PIN diodes 92 connected in the forward direction become conductive, and the adjacent patches 91 are short-circuited.

すなわち、図26に示す構成においては、パッチP1−1と隣り合うパッチP1−2,P2−1とは短絡状態になると共にパッチP2−2と隣り合うパッチP1−2,P2−1とが短絡状態になることから、パッチP1−1,P1−2,P2−1,P2−2の4つのパッチが短絡されて2×2の4つのパッチ91からなるグループG1が単位構造となる。この場合、パッチP1−2とパッチP1−3,パッチP2−2とパッチP2−3、パッチP2−1とパッチP3−1、パッチP2−2とパッチP3−2とは同電位となることから、その間に接続されている並列接続されているPINダイオード92は2本とも非道通となりパッチ間は開放状態となる。他のパッチ91についても同様となることから、それぞれ4個のパッチからなる図示するグループG1〜G9の9個のグループとしてEBG9は動作するようになり、EBG9の共振周波数を低周波側にシフトすることができるようになる。   That is, in the configuration shown in FIG. 26, the patch P1-1 and the adjacent patches P1-2 and P2-1 are short-circuited, and the patch P2-2 and the adjacent patches P1-2 and P2-1 are short-circuited. As a result, the four patches P1-1, P1-2, P2-1, and P2-2 are short-circuited, and a group G1 composed of four 2 × 2 patches 91 has a unit structure. In this case, the patch P1-2 and the patch P1-3, the patch P2-2 and the patch P2-3, the patch P2-1 and the patch P3-1, and the patch P2-2 and the patch P3-2 have the same potential. Both of the two PIN diodes 92 connected in parallel between them are disconnected, and the patches are opened. Since the same applies to the other patches 91, the EBG 9 operates as nine groups of groups G1 to G9 shown in the figure each consisting of four patches, and the resonance frequency of the EBG 9 is shifted to the low frequency side. Will be able to.

さらに、図25に示すEBG9の構成において、各パッチ91に印加する電圧の印加態様を異ならせた他の構成を図27に示す。図27に示すEBG9においては、中央に黒丸が付されたパッチ91には正電圧+Vあるいは0Vの電圧が印加され、中央に白丸が付された残るパッチ91はグランドと同電位の0Vとされている。ここで、中央に黒丸が付されたパッチに0Vを印加した場合は、隣り合うパッチ91の電位差が0Vとなりその間に接続されている並列接続されているPINダイオード92は2本とも導通しないため隣り合うパッチ91は開放状態となることから、EBG9の共振周波数は本来の共振周波数となる。また、中央に黒丸が付されたパッチ91に正電圧+Vを印加すると、隣り合うパッチ91の電位差がPINダイオード92の動作電圧以上となったパッチ91については、その間に接続されている並列接続されているPINダイオード92のうちの順方向に接続されたPINダイオード92が導通し隣り合うパッチ91は短絡状態となる。   Furthermore, in the configuration of the EBG 9 shown in FIG. 25, another configuration in which the application mode of the voltage applied to each patch 91 is changed is shown in FIG. In the EBG 9 shown in FIG. 27, a positive voltage + V or 0V is applied to the patch 91 with a black circle at the center, and the remaining patch 91 with a white circle at the center is set to 0 V, which has the same potential as the ground. Yes. Here, when 0 V is applied to a patch with a black circle in the center, the potential difference between adjacent patches 91 becomes 0 V, and the two PIN diodes 92 connected in parallel between them are not conductive, so that Since the matching patch 91 is in an open state, the resonance frequency of the EBG 9 becomes the original resonance frequency. In addition, when a positive voltage + V is applied to the patch 91 with a black circle in the center, the patch 91 in which the potential difference between adjacent patches 91 is equal to or higher than the operating voltage of the PIN diode 92 is connected in parallel. Among the PIN diodes 92, the PIN diodes 92 connected in the forward direction become conductive, and the adjacent patches 91 are short-circuited.

すなわち、図27に示す構成においては、パッチP1−1と隣り合うパッチP1−2,P2−1とが短絡状態になると共にパッチP2−2と隣り合うパッチP1−2,P2−1,P2−3,P3−2とが短絡状態になる。さらに、パッチP1−3と隣り合うパッチP1−2,P2−3、パッチP3−1と隣り合うパッチP2−1,P3−2、パッチP3−3と隣り合うパッチP2−3,P3−2とが短絡状態になることから、パッチP1−1〜P1−3,P2−1〜P2−3、P3−1〜P3−3の9つのパッチが短絡されて3×3の9つのパッチ91からなるグループG1が単位構造となる。この場合、パッチP1−3とパッチP1−4,パッチP2−3とパッチP2−4、パッチP3−1とパッチP4−1、パッチP3−2とパッチP4−2、パッチP3−3とパッチP4−3とは同電位となることから、その間に接続されている並列接続されているPINダイオード92は2本とも非道通となりパッチ間は開放状態となる。他のパッチ91についても同様となることから、それぞれ9個のパッチからなる図示するグループG1〜G4の4個のグループとしてEBG9は動作するようになり、EBG9の共振周波数を低周波側にシフトすることができるようになる。
このように、図25に示すEBG9の構成においては、各パッチ91に印加する電圧の印加態様を切り換えることにより、EBG9の共振周波数を制御することができる。この各パッチ91に印加する電圧の印加態様を拡張していくことにより1×1〜N×Nまで、電圧の印加態様を切り換えることで自由にEBG単位構造を切り替え、共振周波数を制御する事ができるようになる。
That is, in the configuration shown in FIG. 27, the patch P1-1 and the adjacent patches P1-2 and P2-1 are short-circuited, and the patch P2-2 and the adjacent patches P1-2, P2-1, and P2- 3, P3-2 are short-circuited. Furthermore, patches P1-2 and P2-3 adjacent to the patch P1-3, patches P2-1 and P3-2 adjacent to the patch P3-1, patches P2-3 and P3-2 adjacent to the patch P3-3, and 9 are short-circuited, and therefore, nine patches 91 of patches P1-1 to P1-3, P2-1 to P2-3, and P3-1 to P3-3 are short-circuited to form 3 × 3 nine patches 91. Group G1 has a unit structure. In this case, patch P1-3 and patch P1-4, patch P2-3 and patch P2-4, patch P3-1 and patch P4-1, patch P3-2 and patch P4-2, patch P3-3 and patch P4 Since −3 has the same potential, both of the two PIN diodes 92 connected in parallel between them are disconnected, and the patches are in an open state. Since the same applies to the other patches 91, the EBG 9 operates as four groups G1 to G4 shown in the figure each including nine patches, and the resonance frequency of the EBG9 is shifted to the low frequency side. Will be able to.
As described above, in the configuration of the EBG 9 shown in FIG. 25, the resonance frequency of the EBG 9 can be controlled by switching the application mode of the voltage applied to each patch 91. By expanding the application mode of the voltage applied to each patch 91, the EBG unit structure can be freely switched and the resonance frequency can be controlled by switching the voltage application mode from 1 × 1 to N × N. become able to.

以上説明した本発明にかかるアンテナにおいては、EBGは5行×5列等として説明したが、それに限ることはなく任意の行数と列数に配置されたパッチを有するEBGとすることができる。
また、本発明にかかる各実施例のアンテナにおいて、使用周波数の波長をλとしたときに正方形状のパッチの一辺の長さは約0.04λ〜約0.3λとすることができ、パッチ間の間隙は約0.001λ〜約0.04λとすることができる。さらに、EBGの厚さは約0.001λ〜約0.06λとすることができ、EBG上に配置するアンテナ素子の高さhは約0.1λ〜約0.20λとすることができるが、理論的には高さhは限りなく低くすることができる。さらにまた、EBGが有するパッチの数は2×2以上あれば本発明にかかるアンテナは動作するようになるが、実用的には6×6以上必要とされ、パッチ数を多くするほどアンテナの電気的特性は安定になる。このEBGの辺の長さはアンテナ素子の辺の長さより長くする必要がある。上記の説明においてアンテナ素子は角形スパイラルアンテナとしたが、円偏波を放射するアンテナ素子が必要な場合は、円形スパイラルアンテナやループアンテナ、クロスダイポールアンテナとすることができる。また、アンテナ素子が直線偏波を放射すればよい場合は、ダイポールアンテナ等とすることができる。
In the antenna according to the present invention described above, the EBG has been described as 5 rows × 5 columns. However, the EBG is not limited thereto, and an EBG having patches arranged in an arbitrary number of rows and columns can be used.
Further, in the antenna of each embodiment according to the present invention, when the wavelength of the use frequency is λ, the length of one side of the square patch can be set to about 0.04λ to about 0.3λ. The gap may be about 0.001λ to about 0.04λ. Further, the thickness of the EBG can be about 0.001λ to about 0.06λ, and the height h of the antenna element disposed on the EBG can be about 0.1λ to about 0.20λ. Theoretically, the height h can be made as low as possible. Furthermore, although the antenna according to the present invention operates if the number of patches of the EBG is 2 × 2 or more, it is practically required to be 6 × 6 or more. Characteristics are stable. The length of the side of the EBG needs to be longer than the length of the side of the antenna element. In the above description, the antenna element is a rectangular spiral antenna. However, when an antenna element that radiates circularly polarized waves is required, a circular spiral antenna, a loop antenna, or a cross dipole antenna can be used. When the antenna element only needs to radiate linearly polarized waves, a dipole antenna or the like can be used.

本発明の第1実施例のアンテナの構成を示す平面図と単位構造の構成を立体的に示す斜視図である。It is the top view which shows the structure of the antenna of 1st Example of this invention, and the perspective view which shows the structure of a unit structure in three dimensions. 本発明の第1実施例のアンテナの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the antenna of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例のアンテナにおけるX方向偏波とY方向偏波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 of X direction polarization | polarized-light and Y direction polarization | polarized-light in the antenna of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例のアンテナにおける軸比(AR)の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the axial ratio (AR) in the antenna of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例のアンテナにおけるゲインの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the gain in the antenna of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例のアンテナにおけるVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR in the antenna of 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例のアンテナの単位構造の構成を立体的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the unit structure of the antenna of 2nd Example of this invention in three dimensions. 本発明の第2実施例のアンテナにおけるX方向偏波とY方向偏波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 of X direction polarization | polarized-light and Y direction polarization | polarized-light in the antenna of 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例のアンテナの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the antenna of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例のアンテナにおけるX方向偏波とY方向偏波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 of X direction polarization | polarized-light and Y direction polarization | polarized-light in the antenna of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例のアンテナにおけるX−Z面の指向特性を示す図である。It is a figure which shows the directional characteristic of the XZ plane in the antenna of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例のアンテナにおけるY−Z面の指向特性を示す図である。It is a figure which shows the directional characteristic of the YZ surface in the antenna of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例のアンテナにおけるVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR in the antenna of 3rd Example of this invention. 本発明の第4実施例のアンテナの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the antenna of 4th Example of this invention. 本発明の第4実施例のアンテナにおけるX方向偏波とY方向偏波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 of X direction polarization | polarized-light and Y direction polarization | polarized-light in the antenna of 4th Example of this invention. 本発明の第4実施例のアンテナにおけるX−Z面の指向特性を示す図である。It is a figure which shows the directional characteristic of the XZ plane in the antenna of 4th Example of this invention. 本発明の第4実施例のアンテナにおけるY−Z面の指向特性を示す図である。It is a figure which shows the directional characteristic of the YZ surface in the antenna of 4th Example of this invention. 本発明の各実施例のアンテナにおける種々のパッチの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the various patches in the antenna of each Example of this invention. 共振周波数や偏波特性を機械的に制御できる本発明にかかる第5実施例のアンテナの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the antenna of 5th Example concerning this invention which can control a resonant frequency and a polarization characteristic mechanically. 本発明にかかる第5実施例のアンテナの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the antenna of 5th Example concerning this invention. 本発明のアンテナにおいて共振周波数を機械的に制御する他の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the other example which mechanically controls the resonant frequency in the antenna of this invention. 本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure which controls the resonant frequency by switching in the antenna of this invention. 図22に示す構成における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 structure shown in FIG. 本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御する他の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the other structure which controls a resonant frequency by switching in the antenna of this invention. 本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御するさらに他の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the further another structure which controls the resonant frequency by switching in the antenna of this invention. 本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御するさらに他の構成において、各パッチに印加する電圧の印加態様を異ならせた構成を示す平面図である。In the antenna of this invention, it is a top view which shows the structure which varied the application aspect of the voltage applied to each patch in the further another structure which controls a resonant frequency by switching. 本発明のアンテナにおいてスイッチングにより共振周波数を制御するさらに他の構成において、各パッチに印加する電圧の印加態様を異ならせた構成を示す平面図である。In the antenna of this invention, it is a top view which shows the structure which varied the application aspect of the voltage applied to each patch in the further another structure which controls a resonant frequency by switching. 従来のEBGの構成を示す立体的な斜視図である。It is a three-dimensional perspective view which shows the structure of the conventional EBG. 従来のEBGを構成する単位構造の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the unit structure which comprises the conventional EBG. 従来のEBGの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the conventional EBG. 完全導体による反射とEBGによる反射を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reflection by a perfect conductor, and the reflection by EBG. EBGを用いる従来のアンテナの構成を示す立体的な斜視図である。It is a three-dimensional perspective view which shows the structure of the conventional antenna which uses EBG. EBGを用いる従来のアンテナの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the conventional antenna which uses EBG. 従来のアンテナにおける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 conventional antenna. 従来のアンテナにおける軸比の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the axial ratio in the conventional antenna. 従来のアンテナにおけるVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR in the conventional antenna. 従来のアンテナにおけるX−Z面の指向特性を示す図である。It is a figure which shows the directional characteristic of the XZ surface in the conventional antenna. 従来のアンテナにおけるY−Z面の指向特性を示す図である。It is a figure which shows the directional characteristic of the YZ surface in the conventional antenna.

符号の説明Explanation of symbols

1 EBG、1−1 単位構造、1A アンテナ、2−1 単位構造、3 EBG、3A アンテナ、4 EBG、4A アンテナ、5 EBG、5A アンテナ、6 EBG、7 EBG、8 EBG、9 EBG、10 基板、10a パッチ、10b パッチ、10c パッチ、10d パッチ、10e パッチ、11 パッチ、12 バリキャップ、13 グランドプレーン、14 短絡ピン、14a 短絡ピン、14b 短絡ピン、14c 短絡ピン、14d 短絡ピン、14e 短絡ピン、15 アンテナ素子、20 基板、21 パッチ、23 グランドプレーン、24 短絡ピン、30 基板、31 パッチ、32 バリキャップ、35 アンテナ素子、40 基板、41 パッチ、42 バリキャップ、45 アンテナ素子、50 基板、51 パッチ、52 第1制御基板、53 第2制御基板、54 第1小片、55 第2小片、56 アンテナ素子、57 グランドプレーン、60 基板、61 パッチ、62 誘電体基板、63 グランドプレーン、64 短絡ピン、70 基板、71 パッチ、72 PINダイオード、80 基板、81 パッチ、82 PINダイオード、90 基板、91 パッチ、92 PINダイオード、100 EBG、100−1 単位構造、100A アンテナ、110 基板、111 パッチ、113 グランドプレーン、114 短絡ピン、120 エレメント、133 グランドプレーン、200 エレメント 1 EBG, 1-1 unit structure, 1A antenna, 2-1 unit structure, 3 EBG, 3A antenna, 4 EBG, 4A antenna, 5 EBG, 5A antenna, 6 EBG, 7 EBG, 8 EBG, 9 EBG, 10 substrate 10a patch, 10b patch, 10c patch, 10d patch, 10e patch, 11 patch, 12 varicap, 13 ground plane, 14 shorting pin, 14a shorting pin, 14b shorting pin, 14c shorting pin, 14d shorting pin, 14e shorting pin 15 antenna elements, 20 substrates, 21 patches, 23 ground planes, 24 short pins, 30 substrates, 31 patches, 32 varicaps, 35 antenna elements, 40 substrates, 41 patches, 42 varicaps, 45 antenna elements, 50 substrates, 51 patches, 52 First Control Board, 53 Second Control Board, 54 First Small Piece, 55 Second Small Piece, 56 Antenna Element, 57 Ground Plane, 60 Substrate, 61 Patch, 62 Dielectric Substrate, 63 Ground Plane, 64 Shorting Pin, 70 Substrate, 71 patch, 72 PIN diode, 80 substrate, 81 patch, 82 PIN diode, 90 substrate, 91 patch, 92 PIN diode, 100 EBG, 100-1 unit structure, 100A antenna, 110 substrate, 111 patch, 113 ground plane 114 short circuit pins, 120 elements, 133 ground planes, 200 elements

Claims (6)

電磁バンドギャップ構造の反射板と、該反射板上に密着するまで近接して配置することが可能なアンテナ素子とを備えるアンテナであって、
前記反射板における電磁バンドギャップ構造の容量成分あるいはインダクタ成分を可変することにより、前記電磁ギャップ構造が使用周波数においてほぼ共振状態となるように制御する制御手段を備えていることを特徴とするアンテナ。
An antenna comprising a reflector having an electromagnetic bandgap structure and an antenna element that can be disposed close to the reflector until it is in close contact with the reflector,
An antenna comprising: control means for controlling the electromagnetic gap structure to be in a substantially resonant state at a use frequency by changing a capacitance component or an inductor component of the electromagnetic band gap structure in the reflection plate.
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記複数のパッチ間を可変容量ダイオードで接続し、該可変容量ダイオードに印加する電圧の大きさを制御することにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
The electromagnetic bandgap structure includes a plurality of patches that are periodically arranged on the surface of a substrate that is a dielectric, and a ground plane that is formed on substantially the entire back surface of the substrate.
The control means connects the plurality of patches with a variable capacitance diode, and controls the magnitude of the voltage applied to the variable capacitance diode, thereby changing the capacitance component in the electromagnetic band gap structure. The antenna according to claim 1.
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記複数のパッチを、同数の前記パッチが含まれる複数のグループにグループ分けし、該グループに属する前記パッチ間をスイッチングダイオードで接続し、前記各パッチに電圧を印加するかしないかを制御することで、前記複数のパッチを、個々のパッチあるいは前記グループ内の前記パッチが電気的に接続されたパッチとして動作させることにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分およびインダクタ成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
The electromagnetic bandgap structure includes a plurality of patches that are periodically arranged on the surface of a substrate that is a dielectric, and a ground plane that is formed on substantially the entire back surface of the substrate.
The control means divides the plurality of patches into a plurality of groups including the same number of the patches, connects the patches belonging to the group with a switching diode, and applies a voltage to each patch. By controlling the above, the plurality of patches can be operated as individual patches or patches in which the patches in the group are electrically connected, thereby changing the capacitance component and the inductor component in the electromagnetic band gap structure. The antenna according to claim 1, wherein the antenna is configured as described above.
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記複数のパッチ間を順方向と逆方向のスイッチングダイオードを並列にして接続し、前記各パッチに供給する電圧の極性および印加するかしないかを制御することで、前記複数のパッチを、個々のパッチあるいは任意の数の前記パッチが電気的に接続されたパッチとして動作させることにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分およびインダクタ成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
The electromagnetic bandgap structure includes a plurality of patches that are periodically arranged on the surface of a substrate that is a dielectric, and a ground plane that is formed on substantially the entire back surface of the substrate.
The control means connects the plurality of patches in parallel with forward and reverse switching diodes, and controls the polarity of the voltage supplied to each patch and whether or not to apply the plurality of patches. The capacitive component and the inductor component in the electromagnetic band gap structure are made variable by operating the patch as an individual patch or a patch in which an arbitrary number of the patches are electrically connected. Item 1. The antenna according to Item 1.
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる基板の表面に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏面のほぼ全面に形成されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記基板上に配置され、前記各パッチ間の間隙上に位置する導電性の小片が形成されている制御基板を有し、該制御基板と前記基板との間隔を可変することにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
The electromagnetic bandgap structure includes a plurality of patches that are periodically arranged on the surface of a substrate that is a dielectric, and a ground plane that is formed on substantially the entire back surface of the substrate.
The control means has a control board disposed on the board and formed with conductive small pieces located on the gaps between the patches, and the interval between the control board and the board is variable. The antenna according to claim 1, wherein a capacitance component in the electromagnetic band gap structure is made variable.
前記電磁バンドギャップ構造は、誘電体とされる矩形状とされた基板の表面にマトリクス状に周期的に配列されて形成された複数のパッチと、前記基板の裏側に離隔されて配置されたグランドプレーンとを備えており、
前記制御手段は、前記マトリクスの各行を構成する各パッチ間の間隙上に位置する導電性の小片が形成され前記基板上に配置される第1の制御基板と、前記マトリクスの各列を構成する各パッチ間の間隙上に位置する導電性の小片が形成され前記基板と前記グランドプレーンとの間に配置される第2の制御基板とを有し、前記第1の制御基板と前記基板との間隔を可変すること、または、前記第2の制御基板と前記基板との間隔を可変することにより、前記電磁バンドギャップ構造における容量成分を可変するようにしたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
The electromagnetic band gap structure includes a plurality of patches that are periodically arranged in a matrix on the surface of a rectangular substrate that is a dielectric, and a ground that is spaced apart from the back side of the substrate. With a plane,
The control means constitutes each column of the matrix, and a first control board on which the conductive small pieces located on the gaps between the patches constituting each row of the matrix are formed and disposed on the board. A conductive control piece located on a gap between the patches and a second control board disposed between the board and the ground plane; and the first control board and the board. The capacitance component in the electromagnetic band gap structure is made variable by changing the interval or by changing the interval between the second control substrate and the substrate. antenna.
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