JP2011097334A - Antenna device - Google Patents

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Atsushi Tojo
淳 東條
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an antenna device which uses a meta-material and is more compact than heretofore. <P>SOLUTION: The antenna device 1 is provided with: an antenna element 10 which emits or absorbs electromagnetic waves; and the meta-material 93 which has a negative dielectric constant arranged so as to face the antenna element 10. The meta-material 93 includes a plurality of coils 11 arranged by being separated from the antenna element 10. Each coil 11 is formed of a conductive wire with a length of a substantially half-wavelength or integer multiples of it, of the electromagnetic waves to be generated around each. The direction of a center axis of each coil substantially matches to the direction of a line of electric force to be generated from the antenna element 10. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は負の誘電率を有するメタマテリアルを利用したアンテナ装置に関する。   The present invention relates to an antenna device using a metamaterial having a negative dielectric constant.

近年、メタマテリアル(metamaterial)と称されるデバイスが注目されている。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的または光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率(μ<0)、負の誘電率(ε<0)、あるいは負の屈折率(透磁率および誘電率がいずれも負の場合)が挙げられる。   In recent years, devices called metamaterials have attracted attention. This metamaterial is an artificial material having electromagnetic or optical characteristics that a substance existing in nature does not have. Typical properties of such metamaterials include negative permeability (μ <0), negative dielectric constant (ε <0), or negative refractive index (when both permeability and dielectric constant are negative) Is mentioned.

負の誘電率を実現する手段としては、金属棒を用いる方法が代表的である。無限の(つまり、電磁波の波長に対して十分大きい)長さを持った金属棒によりプラズマ周波数を下げることによって、負の誘電率を実現することができる。有限長の金属ロッドによって負の誘電率が発生することも知られている。具体的には、電磁波の波長の半分の長さの金属ロッドを、電磁波に共振させると負の誘電率が生じる。   As a means for realizing a negative dielectric constant, a method using a metal rod is representative. A negative dielectric constant can be realized by lowering the plasma frequency with a metal rod having an infinite length (that is, sufficiently large with respect to the wavelength of the electromagnetic wave). It is also known that a negative dielectric constant is generated by a finite length metal rod. Specifically, a negative dielectric constant is generated when a metal rod having a length that is half the wavelength of an electromagnetic wave is resonated with the electromagnetic wave.

このような負の誘電率を有するメタマテリアルを利用したアンテナ装置が、R. W. Ziolkowskiによって報告されている("Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas"、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、2006年7月、VOL.54、NO.7、p.2113-2130(非特許文献1))。この文献のアンテナ装置では、負の誘電率を有する球殻状のメタマテリアルが、小型アンテナ(Electrically Small Antenna)を囲むように配置される。負の誘電率のメタマテリアルの有する誘導特性が小型アンテナの有する容量特性を相殺し、全体としてLC共振器として振舞うので、小型アンテナ単体に比べて放射効率を高めることができる。   An antenna device using such a metamaterial having a negative dielectric constant has been reported by RW Ziolkowski ("Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, July 2006, VOL. 54, NO.7, p.2113-2130 (Non-Patent Document 1)). In the antenna device of this document, a spherical shell-shaped metamaterial having a negative dielectric constant is arranged so as to surround a small antenna. The inductive characteristic of the metamaterial having a negative dielectric constant cancels out the capacity characteristic of the small antenna and acts as an LC resonator as a whole, so that the radiation efficiency can be increased as compared with the small antenna alone.

アンテナ装置を小型化する他の方法として、特公平8−2005号公報(特許文献1)に記載されたヘリカル平面アンテナが知られている。このヘリカル平面アンテナは、電波の波長に比べて間隔の狭い平行金属板および、これらの平行金属平板を外周縁で短絡する金属リングで構成される導波路と、平行金属平板に挿入された多数のヘリカル円偏波素子とを含む。受信電波は多数のヘリカル円偏波素子により受信され、導波路内で同位相で合成されてプローブより出力される。   As another method for downsizing an antenna device, a helical planar antenna described in Japanese Patent Publication No. 8-2005 (Patent Document 1) is known. This helical planar antenna has a parallel metal plate with a narrower interval than the wavelength of radio waves, a waveguide composed of a metal ring that short-circuits these parallel metal plates at the outer periphery, and a large number of inserted metal plates. A helical circular polarization element. Received radio waves are received by a number of helical circular polarization elements, synthesized in the same phase in the waveguide, and output from the probe.

特公平8−2005号公報Japanese Patent Publication No. 8-2005

R. W. Ziolkowski、"Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas"、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、2006年7月、VOL.54、NO.7、p.2113-2130R. W. Ziolkowski, "Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, July 2006, VOL.54, NO.7, p.2113-2130

しかしながら、波長より十分長い金属棒により負の誘電率を実現したメタマテリアルは、アンテナ装置に応用するにはサイズが大きすぎる。また、半波長の金属棒を用いる方法でも、メタマテリアルの小型化は難しい。たとえば、3GHzで負の誘電率を発現するメタマテリアルを作成するには、50mmの金属棒が必要になる。したがって、これらのメタマテリアルと小型アンテナ素子とを組み合わせたアンテナ装置全体のサイズも従来と比べて小型化されたものとなっていない。   However, a metamaterial that realizes a negative dielectric constant with a metal rod sufficiently longer than the wavelength is too large for application to an antenna device. Further, it is difficult to reduce the size of the metamaterial even by a method using a half-wave metal rod. For example, in order to create a metamaterial that develops a negative dielectric constant at 3 GHz, a 50 mm metal rod is required. Therefore, the size of the entire antenna device combining these metamaterials and small antenna elements is not reduced compared to the conventional size.

上記の特許文献に記載されたヘリカル平面アンテナの各コイルの外周長は電磁波の波長と同程度であるので、アンテナ装置のサイズはメタマテリアルを用いる場合よりも大きくなってしまう。   Since the outer peripheral length of each coil of the helical planar antenna described in the above-mentioned patent document is about the same as the wavelength of the electromagnetic wave, the size of the antenna device becomes larger than when the metamaterial is used.

この発明の目的は、メタマテリアルを用いた従来よりも小型のアンテナ装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide an antenna device that is smaller than a conventional antenna device using a metamaterial.

この発明は一局面においてアンテナ装置であって、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、アンテナ素子を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアルとを備える。メタマテリアルは、アンテナ素子と離間して配置された複数のコイルを含む。複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。   The present invention is an antenna device according to one aspect, and includes an antenna element that radiates or absorbs electromagnetic waves, and a metamaterial having a negative dielectric constant that is disposed so as to face the antenna element. The metamaterial includes a plurality of coils that are spaced apart from the antenna element. Each of the plurality of coils is formed by a conductive wire having a length of approximately half a wavelength of an electromagnetic wave generated around each coil or an integral multiple of the half wavelength.

好ましくは、複数のコイルの各々はヘリカル状に形成される。この場合、メタマテリアルに含まれる全てのコイルの巻き方向は同一である。複数のコイルの各々の中心軸の方向は、アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する。   Preferably, each of the plurality of coils is formed in a helical shape. In this case, the winding directions of all the coils included in the metamaterial are the same. The direction of the central axis of each of the plurality of coils substantially coincides with the direction of the electric lines of force generated from the antenna element.

さらに好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、電気力線と直交する等電位面に沿って配置される。   More preferably, each end portion of the plurality of coils on the side close to the antenna element is arranged along an equipotential surface orthogonal to the electric field lines.

好ましい実施の一形態において、電気力線の間隔は、アンテナ素子から離間するにつれて広がる。この場合、複数のコイルの各々のコイル半径は、アンテナ素子から離間するほど大きい。   In a preferred embodiment, the distance between the electric lines of force increases as the distance from the antenna element increases. In this case, the coil radius of each of the plurality of coils increases as the distance from the antenna element increases.

好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、アンテナ素子を覆う仮想球面に沿って配置される。   Preferably, each end of the plurality of coils on the side close to the antenna element is arranged along a virtual spherical surface covering the antenna element.

好ましい実施の他の形態において、アンテナ素子は平面状の放射面を有する平面アンテナである。この場合、複数のコイルの各々の中心軸は放射面と直交する。   In another preferred embodiment, the antenna element is a planar antenna having a planar radiation surface. In this case, the central axis of each of the plurality of coils is orthogonal to the radiation surface.

好ましくは、放射面に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、放射面から等距離にある。   Preferably, the ends of the plurality of coils on the side close to the radiation surface are equidistant from the radiation surface.

さらに好ましくは、メタマテリアルは、放射面に積層された複数の絶縁層をさらに含む。この場合、複数のコイルの各々は、複数の絶縁層上にそれぞれ形成された1ターン未満の巻数の複数のストリップライン電極を有する。複数の絶縁層の積層方向に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通する導体によって互いに接続される。   More preferably, the metamaterial further includes a plurality of insulating layers stacked on the radiation surface. In this case, each of the plurality of coils has a plurality of stripline electrodes each having a number of turns of less than one turn formed on the plurality of insulating layers. Strip line electrodes adjacent to each other in the stacking direction of the plurality of insulating layers are connected to each other by a conductor penetrating the insulating layer.

上記の実施の一形態および他の形態において好ましくは、メタマテリアルは、各々が電気力線と交差する複数の導電板をさらに含む。この場合、複数のコイルの各々の少なくとも一方の端部には複数の導電板のいずれか1つが接続される。   Preferably, in the above-described embodiment and other embodiments, the metamaterial further includes a plurality of conductive plates each intersecting with the lines of electric force. In this case, any one of the plurality of conductive plates is connected to at least one end of each of the plurality of coils.

好ましい実施のさらに他の形態において、複数のコイルの各々は、ミアンダ状の導電線路を含む。この場合、メタマテリアルは、複数のコイルにそれぞれ対応する複数の一対の導電板を含む。複数の一対の導電板の各々は、対応のコイルの両端に1つずつ接続され、電気力線と交差するように配置される。   In still another preferred embodiment, each of the plurality of coils includes a meandering conductive line. In this case, the metamaterial includes a plurality of pairs of conductive plates respectively corresponding to the plurality of coils. Each of the plurality of pairs of conductive plates is connected to both ends of the corresponding coil, and is disposed so as to intersect the lines of electric force.

好ましくは、複数の一対の導電板の各々および対応のコイルに含まれるミアンダ状の導電線路は、ミアンダ状の導電線路が一対の導電板で挟まれるような配置で互いに平行に設けられる。   Preferably, each of the pair of conductive plates and the meandering conductive line included in the corresponding coil are provided in parallel to each other in such an arrangement that the meandering conductive line is sandwiched between the pair of conductive plates.

好ましい実施のさらに他の形態において、メタマテリアルは、互いに積層された複数の部分層によって構成される。この場合、複数の部分層の各々は、複数のコイルのうち少なくとも1つを含む。アンテナ素子から相対的に離間する部分層は、アンテナ素子に相対的に近接する部分層に比べて多くのコイルを含む。   In still another preferred embodiment, the metamaterial is constituted by a plurality of partial layers stacked on each other. In this case, each of the plurality of partial layers includes at least one of the plurality of coils. The partial layer relatively spaced from the antenna element includes more coils than the partial layer relatively close to the antenna element.

好ましくは、複数のコイルの各々は、ヘリカル状に形成される。この場合、複数のコイルの各々の中心軸の方向は、複数の部分層の積層方向と略一致する。   Preferably, each of the plurality of coils is formed in a helical shape. In this case, the direction of the central axis of each of the plurality of coils substantially coincides with the stacking direction of the plurality of partial layers.

この発明は他の局面においてアンテナ装置であって、絶縁性の基板上に膜状に形成され、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、各々がアンテナ素子と離間して基板上にミアンダ状に形成された複数のコイルとを備える。複数のコイルの各々の中心線の方向は、アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する。複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。   Another aspect of the present invention is an antenna device, which is formed in a film shape on an insulating substrate and radiates or absorbs electromagnetic waves, and is formed in a meander shape on the substrate, each spaced apart from the antenna element A plurality of coils. The direction of the center line of each of the plurality of coils substantially coincides with the direction of the lines of electric force generated from the antenna element. Each of the plurality of coils is formed by a conductive wire having a length of approximately half a wavelength of an electromagnetic wave generated around each coil or an integral multiple of the half wavelength.

好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、電気力線と直交する等電位面と基板の表面との交線に沿って配置される。   Preferably, each end portion of the plurality of coils on the side close to the antenna element is disposed along an intersection line between the equipotential surface orthogonal to the electric field lines and the surface of the substrate.

さらに好ましくは、基板の表面に沿う電気力線の間隔は、アンテナ素子から離間するにつれて広がる。この場合、複数のコイルの各々において、中心線に垂直な方向の幅は、アンテナ素子から離間するほど長い。   More preferably, the distance between the lines of electric force along the surface of the substrate increases as the distance from the antenna element increases. In this case, in each of the plurality of coils, the width in the direction perpendicular to the center line is longer as being separated from the antenna element.

上記の一局面および他の局面において、複数のコイルは、複数のグループに分割される。この場合、互いに同一のグループに属するコイルは、同一の長さの導電線によって形成される。互いに異なるグループに属するコイルは、異なる長さの導電線によって形成される。   In the one aspect and the other aspect described above, the plurality of coils are divided into a plurality of groups. In this case, the coils belonging to the same group are formed by conductive wires having the same length. Coils belonging to different groups are formed by conductive wires having different lengths.

この発明によれば、メタマテリアルは、ヘリカル状またはミアンダ状に形成された複数のコイルを含む。そして、各コイルは、電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。このため、従来よりも小型のアンテナ装置を実現することができる。   According to the present invention, the metamaterial includes a plurality of coils formed in a helical shape or a meander shape. Each coil is formed by a conductive wire having a substantially half wavelength of electromagnetic waves or an integral multiple of the electromagnetic wave. For this reason, an antenna device smaller than the conventional one can be realized.

この発明の実施の形態1によるアンテナ装置1の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the antenna device 1 by Embodiment 1 of this invention. 図1のアンテナ装置1の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of the antenna apparatus 1 of FIG. 図1のメタマテリアル93の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the metamaterial 93 of FIG. 図3に示すコイル100の比誘電率を示す図である。It is a figure which shows the dielectric constant of the coil 100 shown in FIG. 図3に示すコイル100の比透磁率を示す図である。It is a figure which shows the relative magnetic permeability of the coil 100 shown in FIG. (A)はコイル100が正の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図であり、(B)はコイル100が負の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図である。(A) is a figure for demonstrating the direction of the electric field in case the coil 100 shows a positive dielectric constant, (B) is for demonstrating the direction of the electric field in case the coil 100 shows a negative dielectric constant. FIG. 図6(B)の場合におけるコイル100の周囲の電界分布を詳細に示す図である。It is a figure which shows the electric field distribution around the coil 100 in the case of FIG. 6 (B) in detail. 図2のアンテナ装置1の変形例であるアンテナ装置1Aの断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of 1 A of antenna apparatuses which are the modifications of the antenna apparatus 1 of FIG. シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である(コイルが1個の場合)。It is a figure which shows the structure of the antenna apparatus made into the object of simulation (in the case of one coil). シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である(コイルが複数の場合)。It is a figure which shows the structure of the antenna apparatus made into the object of simulation (when there are two or more coils). この発明の実施の形態2によるアンテナ装置2の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the antenna apparatus 2 by Embodiment 2 of this invention. 図11のアンテナ装置2の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of the antenna apparatus 2 of FIG. この発明の実施の形態3によるアンテナ装置3の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the antenna device 3 by Embodiment 3 of this invention. 実施の形態3の変形例1によるアンテナ装置3Aの構成を示す図である。6 is a diagram showing a configuration of an antenna device 3A according to a first modification of the third embodiment. FIG. 実施の形態3の変形例2によるアンテナ装置3Bの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the antenna device 3B by the modification 2 of Embodiment 3. FIG. この発明の実施の形態4によるアンテナ装置4の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the antenna apparatus 4 by Embodiment 4 of this invention. 図16のアンテナ装置4の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of the antenna apparatus 4 of FIG. アンテナ装置4の製造方法を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a method for manufacturing the antenna device 4. 図18に示す絶縁層54A〜54Dの平面図である。It is a top view of insulating layers 54A-54D shown in FIG. 実施の形態4の変形例によるアンテナ装置4Aの構成を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of an antenna device 4A according to a modification of the fourth embodiment. この発明の実施の形態5によるアンテナ装置5の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the antenna device 5 by Embodiment 5 of this invention. 図21の各コイルユニット69の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of each coil unit 69 of FIG. 図22の絶縁シート64B〜64Fの平面図である。It is a top view of the insulation sheets 64B-64F of FIG. この発明の実施の形態6によるアンテナ装置6の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the antenna device 6 by Embodiment 6 of this invention. 図24のアンテナ装置6の側面図である。It is a side view of the antenna apparatus 6 of FIG. 実施の形態6の変形例によるアンテナ装置6Aの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of 6 A of antenna apparatuses by the modification of Embodiment 6. FIG. 図26のアンテナ装置6Aの側面図である。It is a side view of the antenna device 6A of FIG.

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

<実施の形態1>
[アンテナ装置1の構成]
図1は、この発明の実施の形態1によるアンテナ装置1の構成を示す斜視図である。
<Embodiment 1>
[Configuration of Antenna Device 1]
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an antenna device 1 according to Embodiment 1 of the present invention.

図2は、図1のアンテナ装置1の断面構造を模式的に示す図である。図1、図2を参照して、アンテナ装置1は、アンテナ素子10と、メタマテリアル93としての複数のヘリカル状のコイル11と、絶縁性の基板15上に形成されたグランドプレーン12と、給電線13と、複数のコイル11を固定するための絶縁性の支持部材14とを含む。基板15および支持部材14は誘電性を有していることが望ましい。図解を容易にするために支持部材14は輪郭線のみが示される。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the antenna device 1 of FIG. 1 and 2, an antenna device 1 includes an antenna element 10, a plurality of helical coils 11 as a metamaterial 93, a ground plane 12 formed on an insulating substrate 15, and a power supply. An electric wire 13 and an insulating support member 14 for fixing the plurality of coils 11 are included. It is desirable that the substrate 15 and the support member 14 have dielectric properties. For ease of illustration, the support member 14 is shown only in outline.

アンテナ素子10はモノポールアンテナであり、その全長が電磁波の波長の1/10以下の小型アンテナ(Electrically Small Antenna)である。送信時にはアンテナ素子10から電磁波が放射され、受信時にはアンテナ素子10によって電磁波が吸収される。アンテナ素子10の一端は、基板15およびグランドプレーン12を貫通して設けられた給電線13に接続される。図1、図2では、グランドプレーン12はXY平面に沿って設けられ、アンテナ素子10としてのモノポールアンテナの中心軸線がZ軸に沿って設けられる。   The antenna element 10 is a monopole antenna, and is a small antenna having an overall length that is 1/10 or less of the wavelength of electromagnetic waves. An electromagnetic wave is radiated from the antenna element 10 during transmission, and the electromagnetic wave is absorbed by the antenna element 10 during reception. One end of the antenna element 10 is connected to a feed line 13 provided through the substrate 15 and the ground plane 12. 1 and 2, the ground plane 12 is provided along the XY plane, and the central axis of the monopole antenna as the antenna element 10 is provided along the Z axis.

複数のヘリカル状のコイル11は、アンテナ素子10を臨むような配置(アンテナ素子に向き合うような配置、またはアンテナ素子を覆うような配置)で、アンテナ素子10と離間して設けられる。各コイル11は、アンテナ素子10から放射される電磁波の波長の略半分の長さの導電線によって形成される。これによって各コイル11は電磁波の周波数で共振する。コイル11が互いの電磁特性を打ち消しあわないように、全てのコイル11の巻き方向を同一にするのが好ましい。   The plurality of helical coils 11 are arranged so as to face the antenna element 10 (arrangement facing the antenna element or arrangement covering the antenna element) and are separated from the antenna element 10. Each coil 11 is formed by a conductive wire having a length approximately half the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 10. As a result, each coil 11 resonates at the frequency of the electromagnetic wave. It is preferable that the winding directions of all the coils 11 are the same so that the coils 11 do not cancel each other's electromagnetic characteristics.

図2に示すように各コイル11の中心軸の方向はアンテナ素子10から生じる電気力線90の方向と略一致する。アンテナ素子10に近接する側の各コイル11の端部11Aは、アンテナ素子10を囲む仮想的な半球面(図2の場合は、支持部材14の内面14A)に沿って設けられる。   As shown in FIG. 2, the direction of the central axis of each coil 11 substantially coincides with the direction of the lines of electric force 90 generated from the antenna element 10. The end 11A of each coil 11 on the side close to the antenna element 10 is provided along a virtual hemisphere surrounding the antenna element 10 (in the case of FIG. 2, the inner surface 14A of the support member 14).

支持部材14は、各コイル11が上記の配置となるように各コイル11を固定する。支持部材14としてシリコン樹脂やテフロン(登録商標)樹脂などを用いることができる。支持部材14の形状は、各コイル11を固定できるのであれば図2のような形状に限るものでない。たとえば、支持部材14の内側に図2のような中空部16を設けずに、中空部16の部分にシリコン樹脂などを充填してもよい。   The support member 14 fixes the coils 11 so that the coils 11 are in the above-described arrangement. Silicon resin, Teflon (registered trademark) resin, or the like can be used as the support member 14. The shape of the support member 14 is not limited to the shape shown in FIG. 2 as long as each coil 11 can be fixed. For example, the hollow portion 16 may be filled with silicon resin or the like without providing the hollow portion 16 as shown in FIG.

なお、誘電体材料である支持部材14の誘電率によって電磁波の波長が変化する。したがって、各コイル11を構成する導電線の長さは支持部材14の誘電率を考慮して決定する必要がある。   The wavelength of the electromagnetic wave changes depending on the dielectric constant of the support member 14 that is a dielectric material. Therefore, the length of the conductive wire constituting each coil 11 needs to be determined in consideration of the dielectric constant of the support member 14.

上記のような配置の複数のコイル11によって負の誘電率を示すメタマテリアル93が実現できる。以下、メタマテリアル93が負の誘電率を示す理由について説明する。   The metamaterial 93 having a negative dielectric constant can be realized by the plurality of coils 11 arranged as described above. Hereinafter, the reason why the metamaterial 93 exhibits a negative dielectric constant will be described.

[メタマテリアル93の特性]
図3は、図1のメタマテリアル93の特性を説明するための図である。図3には、1個のヘリカル状のコイル100が示される。コイル100は、信号線200とグランドプレーン220との間に配置され、信号線200およびグランドプレーン220と接触しないように支持部材120によって固定される。信号線200には所定の周波数の交流電流Iが流れる。これによって、信号線200とグランドプレーン220との間には交流電界Eが生じる。
[Characteristics of Metamaterial 93]
FIG. 3 is a diagram for explaining the characteristics of the metamaterial 93 of FIG. FIG. 3 shows one helical coil 100. The coil 100 is disposed between the signal line 200 and the ground plane 220 and is fixed by the support member 120 so as not to contact the signal line 200 and the ground plane 220. An alternating current I having a predetermined frequency flows through the signal line 200. As a result, an alternating electric field E is generated between the signal line 200 and the ground plane 220.

図3のコイル100の第1の特徴は、信号線200を流れる交流電流Iの波長の略半分の長さの導電線によってコイル100が形成される点である。第2の特徴は、コイル100の中心軸110の方向が信号線200とグランドプレーン220との間に生じる交流電界Eの方向(すなわち、電気力線の方向)と一致する点である。これらの特徴によって、コイル100は、信号線200およびグランドプレーン220と交流電界Eによって静電結合することにより、交流電界Eの周波数で共振する。   The first feature of the coil 100 in FIG. 3 is that the coil 100 is formed by a conductive wire having a length approximately half the wavelength of the alternating current I flowing through the signal line 200. The second feature is that the direction of the central axis 110 of the coil 100 coincides with the direction of the alternating electric field E generated between the signal line 200 and the ground plane 220 (that is, the direction of the lines of electric force). Due to these characteristics, the coil 100 resonates at the frequency of the AC electric field E by being electrostatically coupled to the signal line 200 and the ground plane 220 by the AC electric field E.

図4は、図3に示すコイル100の比誘電率を示す図である。
図5は、図3に示すコイル100の比透磁率を示す図である。図4、図5に示す比誘電率および比透磁率の計算では、コイル100を形成する導電線の長さ(以下、「コイル線長」と称する)を13mmとした。
FIG. 4 is a diagram showing the relative dielectric constant of the coil 100 shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram showing the relative permeability of the coil 100 shown in FIG. In the calculation of the relative permittivity and the relative magnetic permeability shown in FIGS. 4 and 5, the length of the conductive wire forming the coil 100 (hereinafter referred to as “coil wire length”) was set to 13 mm.

図4に示すように、図3の信号線200に流す交流電流Iの周波数を次第に増加させた場合、比誘電率は、周波数6.5GHz付近(図4の参照符号91)で最大値を示し、周波数6.6GHz付近(図4の参照符号92)で最小値を示す。比誘電率が最小値を示すとき、その値は負である。一方、比透磁率は、周波数6.5GHz付近で最小値を示し、周波数6.6GHz付近で最大値を示すが、周波数に対する変化量は小さく、その値はほぼ1であり負にはならない。   As shown in FIG. 4, when the frequency of the alternating current I flowing through the signal line 200 in FIG. 3 is gradually increased, the relative dielectric constant shows a maximum value near the frequency of 6.5 GHz (reference numeral 91 in FIG. 4). The minimum value is shown near the frequency of 6.6 GHz (reference numeral 92 in FIG. 4). When the relative dielectric constant shows a minimum value, the value is negative. On the other hand, the relative permeability shows a minimum value near a frequency of 6.5 GHz and a maximum value around a frequency of 6.6 GHz. However, the amount of change with respect to the frequency is small, and the value is almost 1 and is not negative.

図6(A)はコイル100が正の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図であり、図6(B)はコイル100が負の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図である。図6(A),(B)では、信号線200を流れる交流電流Iによって、グランドプレーン220から信号線200に向かう外部電界がコイル100に印加された状態になっているとする。   6A is a diagram for explaining the direction of the electric field when the coil 100 exhibits a positive dielectric constant, and FIG. 6B shows the direction of the electric field when the coil 100 exhibits a negative dielectric constant. It is a figure for demonstrating. 6A and 6B, it is assumed that an external electric field from the ground plane 220 toward the signal line 200 is applied to the coil 100 by the alternating current I flowing through the signal line 200.

図6(A)の場合には、下方(グランドプレーン220側)から上方(信号線200側)に向かう外部電界によって、コイル100の下端部100Bに負電荷が誘起され、コイル100の上端部100Aに正電荷が誘起される。一方、コイル100が共振状態にある図6(B)の場合には、誘起される電荷の極性が逆転し、コイル100の下端部100Bに正電荷が誘起され、コイル100の上端部100Aに負電荷が誘起される。このとき誘起されるコイル100の上端部100Aの電荷およびコイル100の下端部100Bの電荷は、共振によりそれぞれ上方の信号線200の電荷、および下方のグランドプレーン220の電荷より大きくなっている。このため、図6(A)の場合と比較するとコイル100の上下に発生する電界Eの方向が逆転する。すなわち、コイル100は負の誘電率特性を示す。なお、誘電率の正負を論じるにあたっては、コイル100の上下の電界の方向が重要である。コイル100内に発生する電界E’の方向も逆転するが、コイル100は導体なので、電界E’の大きさはコイル100の上下に発生する電界Eよりも小さい。   In the case of FIG. 6A, a negative charge is induced in the lower end portion 100B of the coil 100 by an external electric field directed from the lower side (the ground plane 220 side) to the upper side (the signal line 200 side), and the upper end portion 100A of the coil 100 is induced. A positive charge is induced in On the other hand, in the case of FIG. 6B in which the coil 100 is in a resonance state, the polarity of the induced charge is reversed, a positive charge is induced in the lower end portion 100B of the coil 100, and a negative charge is applied to the upper end portion 100A of the coil 100. A charge is induced. At this time, the charge at the upper end 100A of the coil 100 and the charge at the lower end 100B of the coil 100 are larger than the charges of the upper signal line 200 and the lower ground plane 220 due to resonance. For this reason, the direction of the electric field E generated above and below the coil 100 is reversed as compared with the case of FIG. That is, the coil 100 exhibits a negative dielectric constant characteristic. In discussing the sign of the dielectric constant, the direction of the electric field above and below the coil 100 is important. Although the direction of the electric field E ′ generated in the coil 100 is also reversed, since the coil 100 is a conductor, the magnitude of the electric field E ′ is smaller than the electric field E generated above and below the coil 100.

図7は、図6(B)の場合におけるコイル100の周囲の電界分布を詳細に示す図である。図7に示されるように、信号線200からコイル100の上端部に向かう下向きの電界、およびコイル100の下端部からグランドプレーン220に向かう下向きの電界が生じていて、コイル100が負の誘電率を示していることがわかる。   FIG. 7 is a diagram showing in detail the electric field distribution around the coil 100 in the case of FIG. As shown in FIG. 7, a downward electric field from the signal line 200 toward the upper end of the coil 100 and a downward electric field from the lower end of the coil 100 toward the ground plane 220 are generated, and the coil 100 has a negative dielectric constant. It can be seen that

なお、図6(A),(B)に示すように、コイル100の上端部100Aおよび下端部100Bには正または負の電荷が蓄積されるので、共振に関係する実質的なコイル線長は、外形上のコイル線長よりも短くなる。この結果、外形上のコイル線長から予測される共振周波数よりも実際の共振周波数は高くなる。このため、上記の性質を考慮して外形上のコイル線長を電磁波の波長の半分よりもやや長めに設計する必要がある。実際には、シミュレーションまたは実験を行なうことによって、適切な共振周波数を有するようにコイル線長が決定される。   As shown in FIGS. 6A and 6B, since positive or negative charges are accumulated in the upper end portion 100A and the lower end portion 100B of the coil 100, the substantial coil wire length related to resonance is It becomes shorter than the coil wire length on the outer shape. As a result, the actual resonance frequency becomes higher than the resonance frequency predicted from the coil wire length on the outer shape. For this reason, it is necessary to design the coil wire length on the outer shape slightly longer than half the wavelength of the electromagnetic wave in consideration of the above properties. In practice, the length of the coil wire is determined so as to have an appropriate resonance frequency by performing simulation or experiment.

[アンテナ装置1の作用効果]
再び図1、図2を参照して、実施の形態1のアンテナ装置1では、メタマテリアル93として、略半波長のコイル線長を有するコイル11が多数配置される。既に説明したように、各コイル11はアンテナ素子と離間して設けられ、各コイル11の中心軸の方向はアンテナ素子10から生じる電気力線90の方向と略一致するので、各コイル11はアンテナ素子10と静電結合する。この結果、各コイル11が共振状態にあるときには、メタマテリアル93は負の誘電率を示す。
[Operational effect of antenna device 1]
Referring to FIGS. 1 and 2 again, in the antenna device 1 of the first embodiment, as the metamaterial 93, a large number of coils 11 having a coil wire length of approximately a half wavelength are arranged. As already described, each coil 11 is provided apart from the antenna element, and the direction of the central axis of each coil 11 substantially coincides with the direction of the electric lines of force 90 generated from the antenna element 10. The element 10 is electrostatically coupled. As a result, when each coil 11 is in a resonance state, the metamaterial 93 exhibits a negative dielectric constant.

一般に、アンテナ素子10を小型化するほど、アンテナ素子10の入力インピーダンスは、抵抗成分が小さくなるとともに容量成分が大きくなるので、アンテナ素子10と信号源との整合が困難になる。この結果、アンテナの放射効率が低下するという問題がある。そこで、アンテナ素子10を臨むように(アンテナ素子と向き合うように、またはアンテナ素子を覆うように)、負の誘電率を有するメタマテリアル93を配置することによって、メタマテリアル93の有する誘導特性によってアンテナ素子の容量特性を相殺させる。これによってアンテナ素子10と信号源との整合が容易になるので、アンテナ素子10単体の場合に比べて放射効率を高めることができる。特に、実施の形態1の場合には、各コイル11のサイズを電磁波の波長に比べて十分に小さくできるので、アンテナ装置1全体を小型化することができる。   In general, the smaller the antenna element 10 is, the smaller the resistance component and the capacitance component of the input impedance of the antenna element 10 are, so that matching between the antenna element 10 and the signal source becomes more difficult. As a result, there is a problem that the radiation efficiency of the antenna is lowered. Therefore, by disposing the metamaterial 93 having a negative dielectric constant so as to face the antenna element 10 (to face the antenna element or to cover the antenna element), the antenna has an inductive characteristic that the metamaterial 93 has. This cancels the capacitance characteristics of the element. This facilitates matching between the antenna element 10 and the signal source, so that the radiation efficiency can be increased as compared with the case of the antenna element 10 alone. In particular, in the case of the first embodiment, the size of each coil 11 can be made sufficiently smaller than the wavelength of electromagnetic waves, so that the entire antenna device 1 can be downsized.

アンテナ装置1の放射効率を高めるためには、アンテナ素子10に近接した側の各コイル11の端部11Aが電気力線90に垂直な等電位面に沿って周期的に配置されるようにすることが望ましい。さらに好ましくは、図2に示すように電気力線90の間隔がアンテナ素子10から離間するにつれて広がる場合には、各コイル11のコイル半径がアンテナ素子から離間するほど大きくなるようにする。これによって、メタマテリアル93が設けられた半球状の領域内でコイル11の占める領域を増やすことができる。なお、図3に示すように、コイル半径とは、コイル100上の点から中心軸110までの距離CRをいう。   In order to increase the radiation efficiency of the antenna device 1, the end portions 11 </ b> A of the coils 11 on the side close to the antenna element 10 are periodically arranged along an equipotential surface perpendicular to the electric force lines 90. It is desirable. More preferably, when the interval between the lines of electric force 90 increases as the distance from the antenna element 10 increases as shown in FIG. 2, the coil radius of each coil 11 increases as the distance from the antenna element increases. Thereby, the area | region which the coil 11 occupies can be increased within the hemispherical area | region in which the metamaterial 93 was provided. As shown in FIG. 3, the coil radius refers to a distance CR from a point on the coil 100 to the central axis 110.

[変形例]
上記では、各コイル11のコイル線長は電磁波の波長の略半分であるとしたが、コイル線長が略半波長の整数倍の長さであっても、各コイル11は電磁波の周波数で共振するので、負の誘電率を示すメタマテリアルを実現することができる。ただし、アンテナ装置1の小型化の観点からは、コイル線長を略半波長にするのが望ましい。
[Modification]
In the above description, the coil wire length of each coil 11 is approximately half of the wavelength of the electromagnetic wave. Therefore, a metamaterial exhibiting a negative dielectric constant can be realized. However, from the viewpoint of miniaturization of the antenna device 1, it is desirable that the coil wire length is approximately half wavelength.

メタマテリアル93を構成する複数のコイル11をグループ化し、異なるグループに属するコイル11同士ではコイル線長が異なるようにしてもよい。これによってメタマテリアル93は複数の共振周波数を有するようになるので、アンテナ装置1の帯域を広げることができる。なお、このようにコイル線長を異ならせる場合は、各コイル11を形成する導電線の直径、コイル半径、コイルの巻数、および支持部材14の誘電率などをグループごとに変更することによって、各コイルの外観上の大きさが大きく異ならないようにすることが望ましい。   The plurality of coils 11 constituting the metamaterial 93 may be grouped so that the coil wire lengths of the coils 11 belonging to different groups are different. Accordingly, since the metamaterial 93 has a plurality of resonance frequencies, the band of the antenna device 1 can be expanded. In addition, when changing the coil wire length in this way, by changing the diameter of the conductive wire forming each coil 11, the coil radius, the number of turns of the coil, the dielectric constant of the support member 14, and the like for each group, It is desirable that the appearance size of the coil does not vary greatly.

各コイル11の形状は円錐面に沿うように金属線が巻かれたものに限られない。たとえば、四角錐に沿うように金属線が巻かれたような形状であってもよい。   The shape of each coil 11 is not limited to that in which a metal wire is wound along the conical surface. For example, a shape in which a metal wire is wound along a quadrangular pyramid may be used.

上記では、アンテナ素子10はモノポールアンテナであるとしたが、これに限るものでない。たとえば、アンテナ素子をダイポールアンテナとした場合には、グランドプレーン12は設けられずに、メタマテリアルとしての複数のコイル11がダイポールアンテナを取り囲むように球状に配置される。   In the above description, the antenna element 10 is a monopole antenna, but is not limited thereto. For example, when the antenna element is a dipole antenna, the ground plane 12 is not provided, and a plurality of coils 11 as metamaterials are arranged in a spherical shape so as to surround the dipole antenna.

アンテナ素子10と各コイル11との静電結合の効率を高めるために、アンテナ素子10としてのモノポールアンテナの先端部の形状を図8に示すように半球状にしてもよい。   In order to increase the efficiency of electrostatic coupling between the antenna element 10 and each coil 11, the shape of the tip of the monopole antenna as the antenna element 10 may be hemispherical as shown in FIG.

図8は、図2のアンテナ装置1の変形例であるアンテナ装置1Aの断面構造を模式的に示す図である。図8に示すように、先端部10Aの形状が半球状となっているので、先端部10Aから各コイル11の端部11Aまでの距離を揃えることができる。   FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of an antenna device 1A that is a modification of the antenna device 1 of FIG. As shown in FIG. 8, since the shape of the tip portion 10A is hemispherical, the distance from the tip portion 10A to the end portion 11A of each coil 11 can be made uniform.

[シミュレーション結果]
以下、図8のアンテナ装置1Aについてシミュレーション結果を、比較例のアンテナ装置のシミュレーション結果と対比しながら説明する。
[simulation result]
Hereinafter, the simulation result of the antenna device 1A of FIG.

図9、図10は、シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である。図9(A)は、コイル11が1個で、コイル11とアンテナ素子10の先端部10Aとが非接続(静電結合)の場合である。図9(B)は、コイル11が1個で、コイル11とアンテナ素子10の先端部10Aとが接続された場合である。図10(A)は、コイル11が7個で、各コイル11とアンテナ素子10の先端部10Aとが非接続(静電結合)の場合である。図10(B)は、コイル11が7個で、各コイル11とアンテナ素子10の先端部10Aとが接続された場合である。図10(C)は、コイル11が13個で、各コイル11とアンテナ素子10の先端部10Aとが非接続(静電結合)の場合である。図10(A)、図10(C)が本実施の形態の場合であり、図9(A)、図9(B)、図10(B)が比較例である。図9、図10のいずれの場合も、各コイル11は、直径1mm、長さ20mmの金属線で形成され、シリコン樹脂の中に埋め込まれる。各アンテナ装置に対して、共振周波数、反射電力、および放射効率を求めた結果を下表に示す。   9 and 10 are diagrams showing the structure of the antenna device to be simulated. FIG. 9A shows a case where there is one coil 11 and the coil 11 and the tip 10A of the antenna element 10 are not connected (electrostatic coupling). FIG. 9B shows a case where there is one coil 11 and the coil 11 and the tip 10A of the antenna element 10 are connected. FIG. 10A shows a case where there are seven coils 11 and each coil 11 and the tip 10A of the antenna element 10 are not connected (electrostatic coupling). FIG. 10B shows a case where there are seven coils 11 and each coil 11 and the tip 10A of the antenna element 10 are connected. FIG. 10C shows a case where there are 13 coils 11 and each coil 11 and the tip 10A of the antenna element 10 are not connected (electrostatic coupling). FIGS. 10A and 10C show the case of this embodiment, and FIGS. 9A, 9B, and 10B show comparative examples. 9 and 10, each coil 11 is formed of a metal wire having a diameter of 1 mm and a length of 20 mm, and is embedded in silicon resin. The following table shows the results of obtaining the resonance frequency, reflected power, and radiation efficiency for each antenna device.

Figure 2011097334
Figure 2011097334

まず、コイル11の個数が1個の場合、ヘリカルコイルに直接給電する従来のアンテナ(図9(B))と、モノポールアンテナの近傍に1本の略半波長のコイルを静電結合させたアンテナ(図9(A))とを比較すると、直接給電する従来のアンテナ(図9(B))のほうが放射効率が高い。すなわち、コイルの個数が1個の場合は、コイル11とアンテナ素子の先端部10Aとを離間させるメリットはない。   First, when the number of coils 11 is one, a conventional antenna (FIG. 9B) that feeds power directly to a helical coil and one approximately half-wavelength coil are electrostatically coupled in the vicinity of the monopole antenna. Compared with the antenna (FIG. 9A), the radiation efficiency of the conventional antenna (FIG. 9B) that is directly fed is higher. That is, when the number of coils is one, there is no merit of separating the coil 11 and the tip 10A of the antenna element.

図10(A)、図10(C)のようにコイル線長が略半波長であるコイル11の個数を増やし、多数のコイル11でモノポールアンテナを覆うような構造にすると、コイル11の個数を増やすにつれて整合がとれるようになって、放射効率がよくなることがわかる。この場合は、コイル11とアンテナ素子とを接続する場合(図10(B))よりも、離間させた場合(図10(A)、図10(C))のほうが効率が良くなることがわかる。   As shown in FIGS. 10A and 10C, when the number of coils 11 whose coil wire length is approximately half wavelength is increased and the monopole antenna is covered with many coils 11, the number of coils 11 is increased. It can be seen that as the value increases, matching is achieved and radiation efficiency is improved. In this case, it can be seen that the efficiency is improved when the coil 11 and the antenna element are connected (FIG. 10 (B)) and when they are separated (FIG. 10 (A) and FIG. 10 (C)). .

単一のモノポールアンテナであれば先端の電界が集中する部分から主に放射するが、実施の形態1のアンテナ装置1Aでは、コイル線長が略半波長のコイル11の集合体がアンテナ素子の先端部10Aと静電結合して共振し、半球面全体から放射するようになることが、放射効率が良くなる原因と考えられる。この結果、アンテナ装置全体を小型化しても整合がとりやすくなるので、放射効率のよい小型のアンテナ装置を実現できる。   In the case of a single monopole antenna, radiation is mainly radiated from the portion where the electric field at the tip is concentrated. However, in the antenna device 1A of the first embodiment, an assembly of the coils 11 having a coil wire length of approximately half wavelength is the antenna element. The reason why the radiation efficiency is improved is that the tip 10A is electrostatically coupled to resonate and radiate from the entire hemisphere. As a result, since it is easy to achieve matching even if the entire antenna device is downsized, a small antenna device with high radiation efficiency can be realized.

<実施の形態2>
図11は、この発明の実施の形態2によるアンテナ装置2の構成を示す斜視図である。
<Embodiment 2>
FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the antenna device 2 according to the second embodiment of the present invention.

図12は、図11のアンテナ装置2の断面構造を模式的に示す図である。図11、図12を参照して、アンテナ装置2を構成するメタマテリアル94は、各コイル11の両端に接続された円盤状の平板電極21A,21B(導電板)をさらに含む点で、実施の形態1のメタマテリアル93と異なる。平板電極21A,21Bは電界によってアンテナ素子10と静電結合するように電気力線90と交差させる必要がある。平板電極21A,21Bと電気力線90とを直交させると、最も効率的に静電結合させることができる。その他の点については、アンテナ装置2はアンテナ装置1Aと同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。   FIG. 12 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the antenna device 2 of FIG. 11 and 12, the metamaterial 94 constituting the antenna device 2 is implemented in that it further includes disk-shaped plate electrodes 21A and 21B (conductive plates) connected to both ends of each coil 11. It differs from the metamaterial 93 of the form 1. The plate electrodes 21A and 21B need to intersect the electric lines of force 90 so as to be electrostatically coupled to the antenna element 10 by an electric field. When the plate electrodes 21A and 21B and the lines of electric force 90 are orthogonal to each other, electrostatic coupling can be most efficiently performed. In other respects, the antenna device 2 is the same as the antenna device 1A. Therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

実施の形態2のメタマテリアル94は、静電容量がアンテナ素子10の先端部10Aとアンテナ素子10に近接する側の平板電極21Bとの間に付加されるため、共振周波数が下がる。すなわち、容量発生により波長短縮が図られるので、ある共振周波数を得るために必要なコイル11のコイル線長が短くてすむことになる。したがって、平板電極21Bを有さない実施の形態1のメタマテリアル93に比べてさらに小型化でき、この結果アンテナ装置2全体も小型化できる。さらに、アンテナ素子から離反する側に設けられた平板電極21Aの直径をコイル径(コイルの直径)より大きくすることによって放射面が広くなるので、アンテナの放射効率が高くなる。平板電極21A,21Bはいずれか一方のみが設けられていてもよい。   In the metamaterial 94 according to the second embodiment, the capacitance is added between the tip portion 10A of the antenna element 10 and the flat plate electrode 21B on the side close to the antenna element 10, so that the resonance frequency is lowered. That is, since the wavelength is shortened by generating the capacitance, the coil wire length of the coil 11 necessary for obtaining a certain resonance frequency can be shortened. Therefore, the size can be further reduced as compared with the metamaterial 93 of the first embodiment that does not have the flat plate electrode 21B. As a result, the entire antenna device 2 can also be reduced in size. Furthermore, since the radiation surface becomes wider by making the diameter of the plate electrode 21A provided on the side away from the antenna element larger than the coil diameter (coil diameter), the radiation efficiency of the antenna is increased. Only one of the plate electrodes 21A and 21B may be provided.

<実施の形態3>
図13は、この発明の実施の形態3によるアンテナ装置3の構成を示す図である。図13(A)が平面図であり、図13(B)が側面図である。実施の形態3のアンテナ装置3は、実施の形態1のアンテナ装置1,1Aを2次元にしたものに相当する。実施の形態1のヘリカル状のコイル11には、ミアンダ状のコイル31が対応する。実施の形態1の場合と同様に、ミアンダ状のコイル31のコイル線長は電磁波の波長の略半分である。
<Embodiment 3>
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the antenna device 3 according to the third embodiment of the present invention. FIG. 13A is a plan view, and FIG. 13B is a side view. The antenna device 3 of the third embodiment corresponds to a two-dimensional antenna device 1, 1A of the first embodiment. A meandering coil 31 corresponds to the helical coil 11 of the first embodiment. As in the case of the first embodiment, the coil wire length of the meandering coil 31 is approximately half the wavelength of the electromagnetic wave.

アンテナ装置3は、絶縁性の基板35の主面35A上に膜状に形成されたアンテナ素子30および複数のミアンダ状のコイル31と、裏面35B上に膜状に形成されたグランドプレーン32とを含む。基板35は誘電性を有することが望ましい。電磁波の放射を妨害しないように、グランドプレーン32はミアンダ状のコイル31の裏面側には設けられない。アンテナ素子30、複数のコイル31、およびグランドプレーン32は印刷法などを用いて容易に作製することができる。   The antenna device 3 includes an antenna element 30 and a plurality of meandering coils 31 formed in a film shape on a main surface 35A of an insulating substrate 35, and a ground plane 32 formed in a film shape on a back surface 35B. Including. The substrate 35 is preferably dielectric. The ground plane 32 is not provided on the back side of the meandering coil 31 so as not to disturb the radiation of electromagnetic waves. The antenna element 30, the plurality of coils 31, and the ground plane 32 can be easily manufactured using a printing method or the like.

アンテナ素子30は、基板35上に線状に形成され、その一端30Bが給電線と接続される。アンテナ素子30の他端30Aは半円状に形成される。このアンテナ素子30の他端30Aに対して、ミアンダ状に形成された各コイル31の一端31Aが近接するように配置される。各コイル31の中心線39の方向は、アンテナ素子30から生じる電気力線の方向と略一致する。図13の場合には、複数のコイル31の中心線39はアンテナ素子30の他端30Aから広がる。このような場合、各コイル31において、中心線39に垂直な方向の幅は、アンテナ素子30から離間するほど長くなるようにするのが望ましい。アンテナ素子30に近接する側の各コイル31の端部31Aは、アンテナ素子30の他端30Aから等距離の位置に設けられる。これを別の観点から見ると、各コイル31の端部31Aは、電気力線と直交する等電位面と基板35の主面35Aとの交線に沿って配置されることになる。   The antenna element 30 is formed in a line shape on the substrate 35, and one end 30B of the antenna element 30 is connected to the feeder line. The other end 30A of the antenna element 30 is formed in a semicircular shape. The other end 30A of the antenna element 30 is arranged so that one end 31A of each coil 31 formed in a meander shape is close to the other end 30A. The direction of the center line 39 of each coil 31 substantially coincides with the direction of the lines of electric force generated from the antenna element 30. In the case of FIG. 13, the center line 39 of the plurality of coils 31 extends from the other end 30 </ b> A of the antenna element 30. In such a case, it is desirable that the width of each coil 31 in the direction perpendicular to the center line 39 becomes longer as the distance from the antenna element 30 increases. Ends 31 </ b> A of the coils 31 on the side close to the antenna element 30 are provided at equidistant positions from the other end 30 </ b> A of the antenna element 30. From another point of view, the end 31A of each coil 31 is disposed along the line of intersection between the equipotential surface orthogonal to the lines of electric force and the main surface 35A of the substrate 35.

上記のようにアンテナ装置3を構成することによって、実施の形態1の場合と同様に、小型で放射効率のよいアンテナ装置を実現することができる。さらに、アンテナ装置3は平面状に形成されるので、実施の形態1の場合と比べるとアンテナ装置3の作製が容易である。   By configuring the antenna device 3 as described above, it is possible to realize a small antenna device with good radiation efficiency, as in the case of the first embodiment. Furthermore, since the antenna device 3 is formed in a planar shape, the antenna device 3 can be easily manufactured as compared with the case of the first embodiment.

<実施の形態3の変形例1>
図14は、実施の形態3の変形例1によるアンテナ装置3Aの構成を示す図である。図14のアンテナ装置3Aでは、グランドプレーン38が基板35の裏面35Bに設けられず、別の絶縁性の基板37の表面に設けられる。そして、アンテナ素子30および複数のコイル31が形成された基板35が、グランドプレーン38が形成された基板37と垂直になるように配置される。この場合、アンテナ素子30としてのモノポールアンテナの軸方向が基板37上に設けられたグランドプレーン38と直交する。基板37およびグランドプレーン38には貫通孔が形成され、この貫通孔を通して給電線33がアンテナ素子30の基端部に接続される。
<Modification 1 of Embodiment 3>
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device 3A according to the first modification of the third embodiment. In the antenna device 3 </ b> A of FIG. 14, the ground plane 38 is not provided on the back surface 35 </ b> B of the substrate 35, but is provided on the surface of another insulating substrate 37. The substrate 35 on which the antenna element 30 and the plurality of coils 31 are formed is disposed so as to be perpendicular to the substrate 37 on which the ground plane 38 is formed. In this case, the axial direction of the monopole antenna as the antenna element 30 is orthogonal to the ground plane 38 provided on the substrate 37. A through hole is formed in the substrate 37 and the ground plane 38, and the feed line 33 is connected to the base end portion of the antenna element 30 through the through hole.

<実施の形態3の変形例2>
図15は、実施の形態3の変形例2によるアンテナ装置3Bの構成を示す図である。図15(A)が平面図であり、図15(B)が側面図である。図13のアンテナ装置3の場合と同様に、アンテナ装置3Bは、絶縁性の基板35の主面35A上に膜状に形成されたアンテナ素子40および複数のミアンダ状のコイル41と、裏面35B上に膜状に形成されたグランドプレーン42とを含む。
<Modification 2 of Embodiment 3>
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device 3B according to the second modification of the third embodiment. FIG. 15A is a plan view, and FIG. 15B is a side view. As in the case of the antenna device 3 of FIG. 13, the antenna device 3B includes an antenna element 40 and a plurality of meandering coils 41 formed on the main surface 35A of the insulating substrate 35 and a back surface 35B. And a ground plane 42 formed in a film shape.

図15のアンテナ装置3Bは、アンテナ素子40の形状が矩形状である点で、図13のアンテナ装置3と異なる。各コイル41の一端41Aは、矩形上のアンテナ素子40の一辺から等距離の位置に配置される。各コイルの41の中心線49の方向は、アンテナ素子40から生じる電気力線の方向と略一致する。図15の場合には、各コイル41の中心線49の方向は、矩形状のアンテナ素子40の一辺と垂直方向になる。この場合、各コイル41において、中心線49に垂直な方向の幅は一定になる。   The antenna device 3B in FIG. 15 is different from the antenna device 3 in FIG. 13 in that the shape of the antenna element 40 is rectangular. One end 41 </ b> A of each coil 41 is disposed at a position equidistant from one side of the rectangular antenna element 40. The direction of the center line 49 of each coil 41 substantially coincides with the direction of the lines of electric force generated from the antenna element 40. In the case of FIG. 15, the direction of the center line 49 of each coil 41 is perpendicular to one side of the rectangular antenna element 40. In this case, the width of each coil 41 in the direction perpendicular to the center line 49 is constant.

図15のアンテナ装置3Bは、図13のアンテナ装置3と同様に、小型で放射効率がよく、作製も容易である。   The antenna device 3B in FIG. 15 is small in size, has good radiation efficiency, and is easy to manufacture, similarly to the antenna device 3 in FIG.

<実施の形態4>
図16は、この発明の実施の形態4によるアンテナ装置4の構成を示す斜視図である。
<Embodiment 4>
FIG. 16 is a perspective view showing the configuration of the antenna device 4 according to the fourth embodiment of the present invention.

図17は、図16のアンテナ装置4の断面構造を模式的に示す図である。図16、図17を参照して、アンテナ装置4は、絶縁性の基板55の主面55A上に設けられた平面状のアンテナ素子50およびグランドプレーン52と、メタマテリアル95としての複数のヘリカル状のコイル51と、給電線53と、複数のコイル51を固定するための絶縁性の支持部材54とを含む。図解を容易にするために支持部材54は輪郭線のみが示される。基板55および支持部材54は誘電性を有していることが望ましい。グランドプレーン52は、アンテナ素子50を取り囲むように配置される。アンテナ素子50は、基板55を貫通して設けられた給電線53と接続される。   FIG. 17 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the antenna device 4 of FIG. Referring to FIGS. 16 and 17, antenna device 4 includes a planar antenna element 50 and ground plane 52 provided on main surface 55 </ b> A of insulating substrate 55, and a plurality of helical shapes as metamaterial 95. Coil 51, power supply line 53, and insulating support member 54 for fixing the plurality of coils 51. For ease of illustration, the support member 54 is shown only in outline. It is desirable that the substrate 55 and the support member 54 have dielectric properties. The ground plane 52 is disposed so as to surround the antenna element 50. The antenna element 50 is connected to a feed line 53 provided through the substrate 55.

実施の形態1の場合と同様に、各コイル51のコイル線長は、アンテナ素子50から放射される電磁波の波長の略半分である。これによって、各コイル51は電磁波の周波数で共振する。また、全てのコイル51の巻き方向は同一である。各コイル51のコイル半径は一定である。   As in the case of the first embodiment, the coil wire length of each coil 51 is approximately half the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 50. Thereby, each coil 51 resonates at the frequency of the electromagnetic wave. Moreover, the winding direction of all the coils 51 is the same. The coil radius of each coil 51 is constant.

図16、図17のアンテナ装置4は、アンテナ素子50が平面状の放射面50Aを有する平面アンテナである点に特徴がある。この場合、アンテナ素子50から生じる電気力線90の方向がアンテナ素子50の放射面50Aと垂直な方向(Z軸方向)になる。したがって、各コイル51の中心軸の方向をZ軸方向に揃えて作製すれば、各コイル51の中心軸の方向を電気力線90の方向と一致させることができる。さらに、ヘリカル状の各コイル51の一端51Aを、アンテナ素子50の放射面50Aから等距離の位置になるように作製すれば、各コイル51の一端51Aを電気力線90に垂直な等電位面に沿って並べることができる。   The antenna device 4 of FIGS. 16 and 17 is characterized in that the antenna element 50 is a planar antenna having a planar radiation surface 50A. In this case, the direction of the electric force lines 90 generated from the antenna element 50 is a direction (Z-axis direction) perpendicular to the radiation surface 50A of the antenna element 50. Therefore, if the direction of the central axis of each coil 51 is aligned with the Z-axis direction, the direction of the central axis of each coil 51 can coincide with the direction of the electric force lines 90. Furthermore, if one end 51A of each helical coil 51 is formed at an equal distance from the radiation surface 50A of the antenna element 50, the one end 51A of each coil 51 is equipotential surface perpendicular to the lines of electric force 90. Can be arranged along.

このように、アンテナ素子50が平面状であり、各コイル51の中心軸の方向がZ軸方向に揃っているので、アンテナ素子50および各コイル51を印刷法などを用いて容易に作製することができる。   Thus, since the antenna element 50 is planar and the direction of the central axis of each coil 51 is aligned in the Z-axis direction, the antenna element 50 and each coil 51 can be easily manufactured using a printing method or the like. Can do.

図18は、アンテナ装置4の製造方法を説明するための図である。図18を参照して、アンテナ装置4を構成する支持部材54は、平面状のアンテナ素子50に積層された複数の絶縁層54A〜54Dによって構成される。図18の場合は一例として4層構造の場合を示すが、積層数はコイル51の巻数に応じて適宜設定される。絶縁層54A〜54Dの各面には1ターン未満の巻数のストリップライン電極が形成されており、これらのストリップライン電極が積層方向に電気的に接続されることによって各コイル51が形成される。   FIG. 18 is a diagram for explaining a method of manufacturing the antenna device 4. Referring to FIG. 18, the support member 54 configuring the antenna device 4 is configured by a plurality of insulating layers 54 </ b> A to 54 </ b> D stacked on a planar antenna element 50. In the case of FIG. 18, a case of a four-layer structure is shown as an example, but the number of layers is appropriately set according to the number of turns of the coil 51. Strip line electrodes having a number of turns of less than one turn are formed on each surface of the insulating layers 54A to 54D, and the coils 51 are formed by electrically connecting these strip line electrodes in the stacking direction.

図19は、図18に示す絶縁層54A〜54Dの平面図である。図19を参照して、絶縁層54A〜54Dの表面には、1ターン未満の巻数のストリップライン電極56A〜56Dが印刷法などによりそれぞれ形成される。図19には、簡単のために各絶縁層の表面に2個のストリップライン電極が示されているが、実際には作製するコイル51の個数だけ設けられる。   FIG. 19 is a plan view of the insulating layers 54A to 54D shown in FIG. Referring to FIG. 19, stripline electrodes 56A-56D having a number of turns of less than one turn are formed on the surfaces of insulating layers 54A-54D, respectively, by a printing method or the like. In FIG. 19, for the sake of simplicity, two stripline electrodes are shown on the surface of each insulating layer, but in actuality, the number of coils 51 to be manufactured is provided.

絶縁層の積層方向(Z方向)に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通するビアホールに形成された導電部材によって相互に接続される。具体的に、ストリップライン電極56Aの一方端には、Z方向に隣接したストリップライン電極56Bの一方端と接続するためのビアホール57Aが形成される。同様に、ストリップライン電極56Bの他方端には、Z方向に隣接するストリップライン電極56Cの一方端と接続するためのビアホール57Bが形成される。さらに、ストリップライン電極56Cの他方端には、Z方向に隣接するストリップライン電極56Dの一方端と接続するためのビアホール57Cが形成される。このようにして、中心軸がZ方向に延びるコイル51が形成される。   Strip line electrodes adjacent to each other in the stacking direction (Z direction) of the insulating layers are connected to each other by conductive members formed in via holes that penetrate the insulating layer. Specifically, a via hole 57A for connecting to one end of the stripline electrode 56B adjacent in the Z direction is formed at one end of the stripline electrode 56A. Similarly, a via hole 57B for connecting to one end of the stripline electrode 56C adjacent in the Z direction is formed at the other end of the stripline electrode 56B. Furthermore, a via hole 57C is formed at the other end of the stripline electrode 56C to connect to one end of the stripline electrode 56D adjacent in the Z direction. In this way, the coil 51 whose central axis extends in the Z direction is formed.

<実施の形態4の変形例>
図20は、実施の形態4の変形例によるアンテナ装置4Aの構成を示す斜視図である。図20のアンテナ装置4Aは、グランドプレーン59が基板55の裏面55Bに形成されている点で、図16のアンテナ装置4と異なる。さらに、アンテナ装置4Aは、アンテナ素子50に接続される給電線として、基板55の主面55A上に形成されたストリップライン58を含む点で、図16のアンテナ装置4と異なる。その他の点については、図20のアンテナ装置4Aの構成は図16アンテナ装置4の構成と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
<Modification of Embodiment 4>
FIG. 20 is a perspective view showing a configuration of an antenna device 4A according to a modification of the fourth embodiment. The antenna device 4A in FIG. 20 is different from the antenna device 4 in FIG. 16 in that a ground plane 59 is formed on the back surface 55B of the substrate 55. Furthermore, the antenna device 4A is different from the antenna device 4 of FIG. 16 in that it includes a strip line 58 formed on the main surface 55A of the substrate 55 as a feed line connected to the antenna element 50. In other respects, the configuration of antenna device 4A in FIG. 20 is the same as the configuration of antenna device 4 in FIG. 16, and therefore the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

<実施の形態5>
図21は、この発明の実施の形態5によるアンテナ装置5の構成を示す斜視図である。図21を参照して、アンテナ装置5は、アンテナ素子60としてのモノポールアンテナと、グランドプレーン62と、メタマテリアル96としての複数のコイルユニット69とを含む。各コイルユニット69は、ミアンダ状の導電線路61と、ミアンダ状の導電線路61の両端に電気的に接続された一対の導電板66A,66Bを含む。導電板66A,66Bは、アンテナ素子60から生じた電気力線と交差するように配置される。
<Embodiment 5>
FIG. 21 is a perspective view showing the configuration of the antenna device 5 according to the fifth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 21, antenna device 5 includes a monopole antenna as antenna element 60, a ground plane 62, and a plurality of coil units 69 as metamaterial 96. Each coil unit 69 includes a meandering conductive line 61 and a pair of conductive plates 66A and 66B electrically connected to both ends of the meandering conductive line 61. The conductive plates 66 </ b> A and 66 </ b> B are arranged so as to intersect the electric lines of force generated from the antenna element 60.

図22は、図21の各コイルユニット69の構成を示す図である。図22(A)が斜視図であり、図22(B)が側面図である。図22を参照して、各コイルユニット69は、一対の導電板66A,66Bと、一対の導電板66A,66Bに挟まれるように設けられたミアンダ状の導電線路61と、導電線路61の一端と導電板66Aを接続する導電部67Aと、導電線路61の他端と導電板66Bとを接続する導電部67Bと、これらを支持固定するための絶縁性の支持部材64とを含む。一対の導電板66A,66Bおよび導電線路61は、XY平面に沿って互いに平行に設けられる。支持部材64は、誘電性を有していることが望ましい。   FIG. 22 is a diagram showing the configuration of each coil unit 69 of FIG. FIG. 22A is a perspective view, and FIG. 22B is a side view. Referring to FIG. 22, each coil unit 69 includes a pair of conductive plates 66 </ b> A and 66 </ b> B, a meandering conductive line 61 provided so as to be sandwiched between the pair of conductive plates 66 </ b> A and 66 </ b> B, and one end of the conductive line 61. A conductive portion 67A that connects the conductive plate 66A, a conductive portion 67B that connects the other end of the conductive line 61 and the conductive plate 66B, and an insulating support member 64 that supports and fixes them. The pair of conductive plates 66A and 66B and the conductive line 61 are provided in parallel to each other along the XY plane. The support member 64 is preferably dielectric.

導電線路61および導電部67A,67Bは、実施の形態1のコイル11に対応し、全長が図21のアンテナ素子60から放射される電磁波の波長の略半分の長さになるように形成される。これによって、導電線路61および導電部67A,67Bの全体が、電磁波の周波数で共振する。さらに、前述のように一対の導電板66A,66Bは、アンテナ素子60から生じる電気力線と交差するように配置されるので、コイルユニット69はアンテナ素子60と静電結合する。この結果、複数のコイルユニット69からなるメタマテリアル96は負の誘電率を示す。   The conductive line 61 and the conductive portions 67A and 67B correspond to the coil 11 of the first embodiment and are formed so that the total length is approximately half the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 60 of FIG. . As a result, the entire conductive line 61 and the conductive portions 67A and 67B resonate at the frequency of the electromagnetic wave. Further, as described above, the pair of conductive plates 66A and 66B are arranged so as to intersect the electric lines of force generated from the antenna element 60, so that the coil unit 69 is electrostatically coupled to the antenna element 60. As a result, the metamaterial 96 composed of the plurality of coil units 69 exhibits a negative dielectric constant.

図22(B)に示すように、支持部材64は、Z方向に積層された6層の絶縁シート64A〜66Fによって構成される。このような構成にすることによって、ミアンダ状の導電線路61および一対の導電板66A,66Bを印刷法などによって容易に作製することができる。   As shown in FIG. 22B, the support member 64 is composed of six layers of insulating sheets 64A to 66F stacked in the Z direction. With such a configuration, the meandering conductive line 61 and the pair of conductive plates 66A and 66B can be easily manufactured by a printing method or the like.

図23(A)〜(E)は、図22の絶縁シート64B〜64Fの平面図である。図23を参照して、絶縁シート64Bの表面に導電板66Bが形成され、絶縁シート64Dの表面にミアンダ状の導電線路61が形成され、絶縁シート64Fの表面に導電板66Aが形成される。さらに、絶縁シート64B,64Cを貫通するように導電部67Bが形成され、この導電部67Bによって導電板66Bと導電線路61の一端とが接続される。同様に、絶縁シート64D,64Eを貫通するように導電部67Aが形成され、この導電部67Aによって導電板66Aと導電線路61の他端とが接続される。   23A to 23E are plan views of the insulating sheets 64B to 64F in FIG. Referring to FIG. 23, conductive plate 66B is formed on the surface of insulating sheet 64B, meandering conductive line 61 is formed on the surface of insulating sheet 64D, and conductive plate 66A is formed on the surface of insulating sheet 64F. Further, a conductive portion 67B is formed so as to penetrate the insulating sheets 64B and 64C, and the conductive plate 66B and one end of the conductive line 61 are connected by the conductive portion 67B. Similarly, a conductive portion 67A is formed so as to penetrate the insulating sheets 64D and 64E, and the conductive plate 66A and the other end of the conductive line 61 are connected by the conductive portion 67A.

<実施の形態6>
図24は、この発明の実施の形態6によるアンテナ装置6の構成を示す斜視図である。
<Embodiment 6>
FIG. 24 is a perspective view showing the configuration of the antenna device 6 according to the sixth embodiment of the present invention.

図25は、図24のアンテナ装置6の側面図である。図24、図25を参照して、アンテナ装置6は、アンテナ素子70としてのモノポールアンテナと、グランドプレーン72と、Z方向に積層されたメタマテリアル97A,97Bを含む。すなわち、図24、図25のアンテナ装置6は、メタマテリアル全体が互いに積層された部分層97A,97Bによって構成される。   FIG. 25 is a side view of the antenna device 6 of FIG. 24 and 25, antenna device 6 includes a monopole antenna as antenna element 70, a ground plane 72, and metamaterials 97A and 97B stacked in the Z direction. That is, the antenna device 6 of FIGS. 24 and 25 is configured by partial layers 97A and 97B in which the entire metamaterial is laminated with each other.

アンテナ素子70に近接して設けられたメタマテリアル97Aは、1個のヘリカル状のコイル81を含む。コイル81のコイル線長は、アンテナ素子70から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル81は絶縁性の支持部材86によって固定される。図解を容易にするために、支持部材86は輪郭線のみが示される。   The metamaterial 97 </ b> A provided in the vicinity of the antenna element 70 includes one helical coil 81. The coil wire length of the coil 81 is approximately half the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 70. The coil 81 is fixed by an insulating support member 86. For ease of illustration, the support member 86 is shown only in outline.

図24、図25に示すように、コイル81の中心軸110の方向はZ軸方向であり、モノポールアンテナ70の軸線方向と一致し、グランドプレーン72と直交する。コイル81は、上方(Z軸方向)から見るとアンテナ素子70を覆うように、アンテナ素子70の直上に設けられる。このような配置にすることによって、アンテナ素子70とコイル81との静電結合が強められる。   As shown in FIGS. 24 and 25, the direction of the central axis 110 of the coil 81 is the Z-axis direction, matches the axial direction of the monopole antenna 70, and is orthogonal to the ground plane 72. The coil 81 is provided immediately above the antenna element 70 so as to cover the antenna element 70 when viewed from above (Z-axis direction). With this arrangement, electrostatic coupling between the antenna element 70 and the coil 81 is strengthened.

メタマテリアル97Bは、4個のヘリカル状のコイル82A〜82Dを含む。コイル82A〜82Dの各コイル線長は、アンテナ素子70から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル82A〜82Dは絶縁性の支持部材87によって固定される。図解を容易にするために、支持部材87は輪郭線のみが示される。   The metamaterial 97B includes four helical coils 82A to 82D. Each coil wire length of the coils 82 </ b> A to 82 </ b> D is approximately half the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 70. The coils 82 </ b> A to 82 </ b> D are fixed by an insulating support member 87. For ease of illustration, the support member 87 is shown only in outline.

図24、図25に示すように、コイル82A〜82Dの各々の中心軸110の方向はZ軸方向であり、モノポールアンテナ70の軸線方向と一致し、グランドプレーン72と直交する。上方(Z軸方向)から見ると、コイル82A〜82Dはコイル81を囲むように配置される。側面(X方向またはY方向)から見ると、コイル81の上端とコイル82A〜82Dの下端とが、ほぼ同一面上となるように配置される。このような配置にすることによって、コイル81とコイル82A〜82Dとの静電結合が強められる。   As shown in FIGS. 24 and 25, the direction of the central axis 110 of each of the coils 82 </ b> A to 82 </ b> D is the Z-axis direction, coincides with the axial direction of the monopole antenna 70, and is orthogonal to the ground plane 72. When viewed from above (Z-axis direction), the coils 82 </ b> A to 82 </ b> D are arranged so as to surround the coil 81. When viewed from the side (X direction or Y direction), the upper end of the coil 81 and the lower ends of the coils 82A to 82D are arranged so as to be substantially on the same plane. With this arrangement, electrostatic coupling between the coil 81 and the coils 82A to 82D is strengthened.

上記のアンテナ装置6の構成によれば、コイル81,82A〜82Bの各中心軸がアンテナ素子70から生じた電気力線にほぼ沿うように配置されることになる。したがって、コイル81,82A〜82Dはアンテナ素子70と効率よく静電結合する。さらに、コイル81,82A〜82Dの各コイル線長は、アンテナ素子70から放射された電磁波の波長の略半分であるので、コイル81,82A〜82Dは電磁波の周波数で共振する。この結果、メタマテリアル97A,97Bの全体は負の誘電率を示し、小型かつ高効率のアンテナ装置6を実現することができる。   According to the configuration of the antenna device 6 described above, the central axes of the coils 81, 82 </ b> A to 82 </ b> B are arranged so as to substantially follow the electric lines of force generated from the antenna element 70. Therefore, the coils 81 and 82A to 82D are efficiently electrostatically coupled to the antenna element 70. Furthermore, since the coil wire lengths of the coils 81 and 82A to 82D are substantially half the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 70, the coils 81 and 82A to 82D resonate at the frequency of the electromagnetic wave. As a result, the metamaterials 97A and 97B as a whole exhibit a negative dielectric constant, and a small and highly efficient antenna device 6 can be realized.

さらに、アンテナ装置6では、コイル81,82A〜82Dの中心軸の方向がZ軸方向(メタマテリアル97A,97Bの積層方向)で揃っているので、実施の形態4のアンテナ装置4の場合と同様の印刷法を用いてコイル81,82A〜82Dを容易に作製できるというメリットがある。   Furthermore, in antenna device 6, since the directions of the central axes of coils 81, 82A to 82D are aligned in the Z-axis direction (the stacking direction of metamaterials 97A, 97B), the same as in antenna device 4 of the fourth embodiment. There is an advantage that the coils 81 and 82A to 82D can be easily manufactured by using the printing method.

<実施の形態6の変形例>
図26は、実施の形態6の変形例によるアンテナ装置6Aの構成を示す斜視図である。
<Modification of Embodiment 6>
FIG. 26 is a perspective view showing a configuration of an antenna device 6A according to a modification of the sixth embodiment.

図27は、図26のアンテナ装置6Aの側面図である。図26、図27を参照して、アンテナ装置6Aは、メタマテリアル97Bの上方(+Z方向)に積層されたメタマテリアル97Cをさらに含む点で、図24、図25のアンテナ装置6と異なる。アンテナ装置6Aのその他の点はアンテナ装置6と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。   FIG. 27 is a side view of the antenna device 6A of FIG. Referring to FIGS. 26 and 27, antenna device 6A differs from antenna device 6 in FIGS. 24 and 25 in that antenna device 6A further includes metamaterial 97C laminated above metamaterial 97B (+ Z direction). Since the other points of the antenna device 6A are the same as those of the antenna device 6, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

メタマテリアル97Cは、9個のヘリカル状のコイル83A〜83Iを含む。コイル83A〜83Iの各コイル線長は、アンテナ素子70から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル83A〜83Iは絶縁性の支持部材88によって固定される。図解を容易にするために、支持部材88は輪郭線のみが示される。   The metamaterial 97C includes nine helical coils 83A to 83I. Each coil wire length of the coils 83 </ b> A to 83 </ b> I is approximately half the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 70. The coils 83A to 83I are fixed by an insulating support member 88. For ease of illustration, the support member 88 is shown only in outline.

図26、図27に示すように、コイル83A〜83Iの各々の中心軸110の方向はZ軸方向であり、モノポールアンテナ70の軸線方向と一致し、グランドプレーン72と直交する。上方(Z軸方向)から見ると、コイル83A〜83Iのうちの4個のコイルが、コイル82A〜82Dのうちのいずれか1個のコイルを囲むように配置される。側面(X方向またはY方向)から見ると、コイル82A〜82Dの上端とコイル83A〜83Iの下端とが、ほぼ同一面上となるように配置される。このような配置にすることによって、コイル82A〜82Dとコイル83A〜83Iとの静電結合が強められる。   As shown in FIGS. 26 and 27, the direction of the central axis 110 of each of the coils 83A to 83I is the Z-axis direction, coincides with the axial direction of the monopole antenna 70, and is orthogonal to the ground plane 72. When viewed from above (Z-axis direction), four of the coils 83A to 83I are arranged so as to surround any one of the coils 82A to 82D. When viewed from the side (X direction or Y direction), the upper ends of the coils 82A to 82D and the lower ends of the coils 83A to 83I are arranged so as to be substantially on the same plane. With this arrangement, electrostatic coupling between the coils 82A to 82D and the coils 83A to 83I is strengthened.

アンテナ装置6Aでは、メタマテリアルの積層数を増やすことによって、さらに、放射効率を高めることができる。   In the antenna device 6A, the radiation efficiency can be further increased by increasing the number of stacked metamaterials.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1,1A,2,3,3A,3B,4,4A,5,6,6A アンテナ装置、10,30,40,50,60,70 アンテナ素子、11,31,41,51,81,82A〜82D,83A〜83I コイル、14 支持部材、15 基板、21A,21B 平板電極、50A 放射面、54 支持部材、54A〜54D 絶縁層、56A〜56D ストリップライン電極、61 ミアンダ状の導電線路、64 支持部材、64A〜64F 絶縁シート、66A,66B 導電板、69 コイルユニット、90 電気力線、93〜96,97A,97B,97C メタマテリアル。   1, 1A, 2, 3, 3A, 3B, 4, 4A, 5, 6, 6A Antenna device 10, 30, 40, 50, 60, 70 Antenna elements 11, 31, 41, 51, 81, 82A- 82D, 83A to 83I coil, 14 support member, 15 substrate, 21A, 21B flat plate electrode, 50A radiation surface, 54 support member, 54A to 54D insulation layer, 56A to 56D stripline electrode, 61 meander-shaped conductive line, 64 support Member, 64A-64F insulating sheet, 66A, 66B conductive plate, 69 coil unit, 90 lines of electric force, 93-96, 97A, 97B, 97C metamaterial.

Claims (17)

電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、
前記アンテナ素子を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記アンテナ素子と離間して配置された複数のコイルを含み、前記複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる前記電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される、アンテナ装置。
An antenna element that radiates or absorbs electromagnetic waves;
A metamaterial having a negative dielectric constant disposed so as to face the antenna element,
The metamaterial includes a plurality of coils that are spaced apart from the antenna element, and each of the plurality of coils is a conductive wire having a substantially half wavelength of the electromagnetic wave generated around each of the coils or a length that is an integral multiple of the electromagnetic wave. Formed by the antenna device.
前記複数のコイルの各々はヘリカル状に形成され、
前記メタマテリアルに含まれる全てのコイルの巻き方向は同一であり、
前記複数のコイルの各々の中心軸の方向は、前記アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する、請求項1に記載のアンテナ装置。
Each of the plurality of coils is formed in a helical shape,
The winding direction of all the coils included in the metamaterial is the same,
The antenna device according to claim 1, wherein a direction of a central axis of each of the plurality of coils substantially coincides with a direction of a line of electric force generated from the antenna element.
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記電気力線と直交する等電位面に沿って配置される、請求項2に記載のアンテナ装置。   3. The antenna device according to claim 2, wherein end portions of each of the plurality of coils on the side close to the antenna element are disposed along an equipotential surface orthogonal to the electric field lines. 前記電気力線の間隔は、前記アンテナ素子から離間するにつれて広がり、
前記複数のコイルの各々のコイル半径は、前記アンテナ素子から離間するほど大きい、請求項2または3に記載のアンテナ装置。
The distance between the lines of electric force increases as the distance from the antenna element increases.
4. The antenna device according to claim 2, wherein a coil radius of each of the plurality of coils is larger as being separated from the antenna element. 5.
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記アンテナ素子を覆う仮想球面に沿って配置される、請求項4に記載のアンテナ装置。   5. The antenna device according to claim 4, wherein end portions of each of the plurality of coils on a side close to the antenna element are arranged along a virtual spherical surface covering the antenna element. 前記アンテナ素子は平面状の放射面を有する平面アンテナであり、
前記複数のコイルの各々の中心軸は前記放射面と直交する、請求項2または3に記載のアンテナ装置。
The antenna element is a planar antenna having a planar radiation surface;
The antenna device according to claim 2 or 3, wherein a central axis of each of the plurality of coils is orthogonal to the radiation surface.
前記放射面に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記放射面から等距離にある、請求項6に記載のアンテナ装置。   The antenna device according to claim 6, wherein end portions of the plurality of coils on the side close to the radiation surface are equidistant from the radiation surface. 前記メタマテリアルは、前記放射面に積層された複数の絶縁層をさらに含み、
前記複数のコイルの各々は、前記複数の絶縁層上にそれぞれ形成された1ターン未満の巻数の複数のストリップライン電極を有し、
前記複数の絶縁層の積層方向に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通する導体によって互いに接続される、請求項6または7に記載のアンテナ装置。
The metamaterial further includes a plurality of insulating layers stacked on the radiation surface,
Each of the plurality of coils has a plurality of stripline electrodes each having a number of turns of less than one turn formed on the plurality of insulating layers,
The antenna device according to claim 6 or 7, wherein the strip line electrodes adjacent to each other in the stacking direction of the plurality of insulating layers are connected to each other by a conductor penetrating the insulating layer.
前記メタマテリアルは、各々が前記電気力線と交差する複数の導電板をさらに含み、前記複数のコイルの各々の少なくとも一方の端部には前記複数の導電板のいずれか1つが接続される、請求項2〜8のいずれか1項に記載のアンテナ装置。   The metamaterial further includes a plurality of conductive plates each intersecting the lines of electric force, and at least one end of each of the plurality of coils is connected to any one of the plurality of conductive plates. The antenna device according to any one of claims 2 to 8. 前記複数のコイルの各々は、ミアンダ状の導電線路を含み、
前記メタマテリアルは、前記複数のコイルにそれぞれ対応する複数の一対の導電板を含み、
前記複数の一対の導電板の各々は、対応のコイルの両端に1つずつ接続され、前記電気力線と交差するように配置される、請求項2または3に記載のアンテナ装置。
Each of the plurality of coils includes a meandering conductive line,
The metamaterial includes a plurality of pairs of conductive plates respectively corresponding to the plurality of coils,
4. The antenna device according to claim 2, wherein each of the plurality of pairs of conductive plates is connected to both ends of a corresponding coil one by one and arranged so as to intersect with the lines of electric force.
前記複数の一対の導電板の各々および対応のコイルに含まれる前記ミアンダ状の導電線路は、前記ミアンダ状の導電線路が一対の導電板で挟まれるような配置で互いに平行に設けられる、請求項10に記載のアンテナ装置。   The meander-shaped conductive lines included in each of the plurality of pairs of conductive plates and the corresponding coils are provided in parallel with each other in an arrangement such that the meander-shaped conductive lines are sandwiched between the pair of conductive plates. 10. The antenna device according to 10. 前記メタマテリアルは、互いに積層された複数の部分層によって構成され、
前記複数の部分層の各々は、前記複数のコイルのうち少なくとも1つを含み、
前記アンテナ素子から相対的に離間する部分層は、前記アンテナ素子に相対的に近接する部分層に比べて多くのコイルを含む、請求項1に記載のアンテナ装置。
The metamaterial is composed of a plurality of partial layers stacked on each other,
Each of the plurality of partial layers includes at least one of the plurality of coils,
The antenna device according to claim 1, wherein the partial layer relatively spaced from the antenna element includes more coils than the partial layer relatively close to the antenna element.
前記複数のコイルの各々は、ヘリカル状に形成され、
前記複数のコイルの各々の中心軸の方向は、前記複数の部分層の積層方向と略一致する、請求項12に記載のアンテナ装置。
Each of the plurality of coils is formed in a helical shape,
The antenna device according to claim 12, wherein a direction of a central axis of each of the plurality of coils substantially coincides with a stacking direction of the plurality of partial layers.
絶縁性の基板上に膜状に形成され、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、
各々が前記アンテナ素子と離間して前記基板上にミアンダ状に形成された複数のコイルとを備え、
前記複数のコイルの各々の中心線の方向は、前記アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致し、
前記複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる前記電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される、アンテナ装置。
An antenna element that is formed into a film on an insulating substrate and radiates or absorbs electromagnetic waves;
Each comprising a plurality of coils spaced apart from the antenna element and formed in a meander shape on the substrate;
The direction of the center line of each of the plurality of coils substantially coincides with the direction of the lines of electric force generated from the antenna element,
Each of the plurality of coils is an antenna device formed by a conductive wire having a length substantially equal to a half wavelength of the electromagnetic wave generated around each of the coils or an integral multiple thereof.
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記電気力線と直交する等電位面と前記基板の表面との交線に沿って配置される、請求項14に記載のアンテナ装置。   The end of each of the plurality of coils on the side close to the antenna element is disposed along a line of intersection between an equipotential surface orthogonal to the electric field lines and the surface of the substrate. Antenna device. 前記基板の表面に沿う電気力線の間隔は、前記アンテナ素子から離間するにつれて広がり、
前記複数のコイルの各々において、前記中心線に垂直な方向の幅は、前記アンテナ素子から離間するほど長い、請求項14または15に記載のアンテナ装置。
The distance between the lines of electric force along the surface of the substrate increases as the distance from the antenna element increases.
16. The antenna device according to claim 14, wherein a width of each of the plurality of coils in a direction perpendicular to the center line is longer as being separated from the antenna element.
前記複数のコイルは、複数のグループに分割され、
互いに同一のグループに属するコイルは、同一の長さの導電線によって形成され、
互いに異なるグループに属するコイルは、異なる長さの導電線によって形成される、請求項1〜16のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
The plurality of coils are divided into a plurality of groups,
Coils belonging to the same group are formed by conductive wires of the same length,
The antenna device according to any one of claims 1 to 16, wherein the coils belonging to different groups are formed by conductive wires having different lengths.
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