JP2012049654A - 分割基板によるｅｂｇ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】
地上デジタル放送やＶＨＦ跡地（１７０〜２２２．５ＭＨz）のアンテナでＥＢＧ構造を用いる場合、使用電波の波長に対応して誘電体層が厚くなり、アンテナの重量が非常に重くなるなどの問題が生じることに対し、軽量化のためのＥＢＧ構造を提供すること。
【解決手段】
方形状のアース板と、アース板と所定の間隔をもって柵状に並設された複数の誘電体から構成される保持体と、保持体の側部厚みの略中間位置に所定の長さ埋め込まれて保持体に配列される方形状の複数の導電性のパッチ素子とからなることを特徴とするＥＢＧ構造体と該ＥＢＧ構造体を反射体としてアンテナの軽量化と薄型化を実現する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ＥＢＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）構造体に関し、特に地上デジタル放送（４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚ）やＶＨＦ帯（１７０ＭＨｚ〜２２２．５ＭＨｚ）の送信若しくは受信用アンテナなどの反射体に好適なＥＢＧ構造に関する。

従来のアナログ方式の地上波ＴＶ放送が、デジタル方式の地上波ＴＶ放送に移行して後も、当該放送波電波の受信には従来使用されている八木式アンテナが引き続き使用可能であるが、デジタル方式が電波の受信に対してその特性上ゴースト妨害を受けない、また容易に設置できるなどの点から、例えば特許文献１乃至特許文献２にあるようなＵＨＦ帯を広帯域に受信できる平面的な形態のアンテナが使用されている。

上記の八木式アンテナや平面的な形態のアンテナでは、いずれもアンテナの指向性（アンテナの奥行き）方向の寸法は、当該アンテナが受信する電波の波長の４分の１以上となっている。これはアンテナの放射素子と反射体（板）との間隔が、受信する電波の波長の略４分の１の間隔を原理上必要とするためである。これに対してアンテナの反射体にＥＢＧ構造体を用いることで上記の制約を解消して、薄型のアンテナを実現しようするものがある（例えば特許文献３を参照。）。

図８は一般的なＥＢＧ構造体を構成するＥＢＧのセル１０２の詳細をしめす。前記ＥＢＧのセル１０２はアース板１から所定の間隔を隔てて誘電体からなる基板８が設けた構成のものである。前記基板８の表面には金属板（箔）からなる正方形のパッチ２が配置されている。図７に、前記ＥＢＧのセル１０２を６×６配置して構成したＥＢＧ構造体１Ｂを示す。
上記、ＥＢＧ構造を用いる場合、使用波長に比例して定まる外形寸法の関係から、所望の誘電体層の厚みが大きくなり、地上デジタル放送やＶＨＦ跡地（１７０〜２２２．５ＭＨz）のアンテナに利用しようとする場合、使用波長の略３乗に比例してアンテナの容積及び重量が大きくなるので、地上デジタル放送やＶＨＦ跡地のアンテナにおいて上記ＥＢＧの技術を採用することは現実的には困難である。

特開２００５−２４４９２６号公報 特開２００８−１１３４０７号公報 特開２００９−２１８９６８号公報

D.Sievenpiper et al,"High-Impedance Electro-magneticSurfaces with a Forbidden Frequency Band,"IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.47,2059-2074,1999. K.Chang et al,"High-Impedance Surface with NonidenticalLattices," iWAT2008, pp.422-425,2008

上記のように、ＥＢＧ構造の反射体（板）を用いれば、反射体（板）とアンテナの放射素子との間隔を上記波長の４分の１以下にすることができ、アンテナの形状を電波の入射（放射）方向で扁平化することができるが、地上デジタル放送やＶＨＦ跡地（１７０〜２２２．５ＭＨz）の周波数領域においてアンテナにＥＢＧ構造を用いる場合、使用電波の波長に対応して誘電体層が厚くなり、アンテナの重量が非常に重くなるなどの問題が生じる。本発明は上記の問題の解決するための新規なＥＢＧ構造を提供しようとするものである。

第１の発明は、ＥＢＧ構造体について、方形状のアース板と、前記アース板と所定の間隔をもって設けられる柵状に並設された複数の誘電体から構成される前記アース板と略同一平面形状の保持体と、前記保持体上に上下、左右方向に等間隔で前記保持体に配列される方形状の複数の導電性のパッチ素子とからなることを特徴とするものである。

第２の発明は、ＥＢＧ構造体について、方形状のアース板と、前記アース板と所定の間隔をもって柵状に並設された複数の誘電体から構成される前記アース板と略同一平面形状の保持体と、前記保持体の側部厚みの略中間位置に所定の長さ埋め込まれて保持される、上下、左右方向に等間隔で前記保持体に配列される方形状の複数の導電性のパッチ素子とからなることを特徴とするＥＢＧ構造体である。
第３の発明は、上記第１の発明乃至第２の発明によるＥＢＧ構造体を反射体とすることを特徴とするアンテナである。

本発明は、上記のＥＢＧ構造を適用することで、従来のＥＢＧ構造に対して、そのＥＢＧ構造を構成する誘電体の幅方向の部材を４０％〜６０％減らせ、重量の軽減を図ることができる。また付随する効果として、当然のことながら当該ＥＢＧ構造の利用機器の設置の容易性と製造上のコストの低減が見込まれるものである。

本発明、第１の実施態様のＥＢＧのセル部分の構成の詳細を示す図である。 本発明、第１の実施態様のＥＢＧ構成によるものと従来のＥＢＧ構成によるものについて、周波数と反射位相との関係を比較した特性図である。 本発明、第２の実施態様のＥＢＧのセル部分の構成の詳細を示す図である。 本発明、第２の実施態様のＥＢＧ構成によるものについて、周波数と反射位相との関係を示した特性図である。 本発明、第２の実施態様のＥＢＧのセルを６×６配置したＥＢＧ構造体を示した図である。 本発明、第２の実施態様のＥＢＧのセルを６×６配置したＥＢＧ構造体を反射体とするアンテナの実施態様を示す図である。 従来のＥＢＧのセルを６×６配置したＥＢＧ構造体を示した図である。 従来のＥＢＧのセル部分の構成の詳細を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

図１は、本発明のＥＢＧ構造体のＥＢＧを構成するセル部分の第１の実施態様を示す図である。

本発明のＥＢＧ構造体は複数のＥＢＧの１単位のセル１０１（以下 単位セルとする。）を面状に配置して構成される。正方形の一辺の長さＳｐａｔｃｈが略０．１０６λ、厚みが ０．２ｍｍ以下のアルミ板や銅箔などで作られた導電性部材のパッチ２を、誘電率Ｅｒが ４．６程度のガラスエポキシ材などの誘電体の板材で構成された保持体３の上に、図１で示すように等間隔に並べて、接着剤などで接着して配置している。 前記保持体３の厚みは略０．０１３λであり、上記パッチ２の左右端部においてパッチ２を保持するため、幅Ｓｄが略０．０４λの長尺状としたものが略０．１３３λの等間隔で格子状に並設されている。保持部材３の後方約０．０６７λの位置に、鉄やアルミニュームなどの導電性の板材で作られたアース板１が配置される。

図１において、ＥＢＧ構造体の端部における単位セルの構成について更に詳述する。本発明は、ＥＢＧの単位セルを構成するパッチの左右端部に電界が集中していて、パッチ中央部には電界がないことから、パッチの背部にある誘電体の効果は、左右端部で大きく効いて、中央部ではその効果が殆ど現れないことに着目して、パッチ中央部における誘電体を除いた構造としたものである。

このような構造を実現するため、パッチの左右端部に幅Ｓｄが略０．０４λの長尺状としたものを略０．１３３λの等間隔で格子状に並設される保持部材３を設けて、パッチを上下左右等間隔に配置して、結果的に単位セルを面状に等間隔で配置している。このように単位セルを配置して構成したＥＢＧ構造体は、従来のＥＢＧ構造体と略同等の特性が得られる。以下に本構造によるＥＢＧの特性を従来の構造と比較して説明する。

図２に示すものは、上記実施態様における本発明の単位セルと従来の単位セルについて周波数と反射位相との関係を比較したものである。本特性は単位セルについて、その前面中央部から垂直方向（図１のベクトルＸの方向）の位置における、周波数１．０ＧＨｚから８ＧＨｚまでの反射波の位相についてシミュレーションを行ったものである。本図から、従来の単位セルと略同様の特性が本発明のＥＢＧの単位セルでも得られることが分かる。周波数４ＧＨｚにおいて反射位相が略０度となっており、放射する電波の位相と反射された電波の位相が一致している。

尚、このようなＥＢＧの反射波の位相に関しては上記の非特許文献１、非特許文献２ などを参照することができる。

当該単位セルで構成されたＥＢＧ構造体をアンテナの反射体（板）とした場合、アンテナの放射素子をＥＢＧ構造体に極めて接近させて配置することができる。すなわち、従来のＥＢＧの単位セルのように保持体をパッチの背部に全面に設けなくても、本発明のＥＢＧの単位セルのようにパッチ背面部の保持体の中央部分を除いて、左右の端部でパッチを保持しても同一の効果が得られる。

図３は、本発明のＥＢＧ構造体のＥＢＧを構成するセル部分の第２の実施態様を示す図である。

第２の実施態様においては、第１の実施態様がパッチ２を保持体３の面上に置いたのに対し、２つの誘電体の板材の間に挟んで保持する点が異なる。なお以下の説明では、第１の実施態様と同一部材、同一部分に対しては、第１の実施態様で使用した符号を使用する。誘電体部材がパッチ２を挟むことで、本発明者はＥＢＧの単位セルの特性が低い周波数の方向にシフトすることを見出した。これは第１の実施態様と同一周波数で使用しようとする際は、形状がより小さくて済むことを意味している。

第２の実施態様のＥＢＧの単位セルは、第１の実施態様と同様に正方形の一辺の長さＳｐａｔｃｈが略０．１０６λ、厚みが ０．２ｍｍ以下のアルミ板や銅箔などで作られた導電性部材のパッチ２を、誘電率Ｅｒが４．６程度のフッ素樹脂材やエポキシ材などの誘電体の略同一の厚みの板材２枚を積層した保持体２３の間に挟まれ、接着剤などにより接着、固定されて等間隔に並べて配置される。前記保持体２３の厚みは２層に積層した状態で略０．０１３λであり、上記パッチ２の左右端部においてパッチ２を保持するため、幅Ｓｄが０．２７λ〜０．０４λの長尺状としたものが等間隔で柵（格子）状に並設される。第１の実施態様と同様に上記保持部材２３の後方約０．０６７λの位置に、鉄板やアルミ板などの導電性材料で作られたアース板１が配置される。

図４は、上記第２の実施態様における、単位セルについて周波数と反射位相との関係を示したものである。保持部材２３の幅Ｓｄを０．２７λ〜０．０４λの間で変化させてその特性を比較している。本特性図から、反射位相が０度になる周波数が略３．５ＧＨｚにシフトして実施例１の場合に比べ、同一サイズで構成した場合、使用する周波数を低くできる。また使用する周波数を一定とした場合は、ＥＢＧの単位セルのサイズを小さくできることを意味する。

本特性は上記したように保持部材２３の幅Ｓｄを０．０２７λ〜０．０４λに変化させている。予想されるように幅Ｓｄが大きいほど、上記効果が大きい。しかし幅Ｓｄは誘電体部材のサイズを決定しているので、重量の軽減の効果とトレードオフの関係となる。この特性図から使用周波数の設計的な調整において幅Ｓｄの設定が使える。

図５は、第２の実施態様のＥＢＧのセル１０１を６×６配置したＥＢＧ構造体１Ａを示した図である。

図６は、上記ＥＢＧ構造体１Ａの中央部の面上に板状のダイポールアンテナのアンテナ素子６を配置した例を示す。該アンテナ素子は図示しないが、適切な保持手段により保持体２３に取付けられる。該アンテナ素子の一対のアンテナ給電部５には図示しないが給電線が接続され給電路が形成され受信機器などに周知の信号変換手段などを介して接続される。

以上説明したように、本発明は、今後需要が見込まれる、ＵＨＦ帯やＶＨＦ帯の反射体（板）付きのアンテナにおいて、ＥＢＧ構造体をその構成に取込むことで反射体（板）とアンテナの放射素子との間隔を極限まで狭くすることを可能にし、アンテナの扁平化を図ったものに対し、ＥＢＧ構造体の構成要素である誘電体部材の容積に比例して増加する重量増加の問題を解決する極めて有用な技術を開示するものである。なお本発明のＥＢＧ構造体のアンテナなどへの適用にあたっては、上記実施例で説明した構成に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計的な形状の変形や部材の変更・追加などを行うことができる。

１ … アース板、 ２ … パッチ、 ３、２３ … 保持体、 ５ … 放射素子、 ６ … アンテナ給電部、 ８ … 基板、 １０１、１０２ … 単位セル

Claims (3)

1. 方形状のアース板と、前記アース板と所定の間隔をもって設けられる柵状に並設された複数の誘電体から構成される前記アース板と略同一平面形状の保持体と、前記保持体上に上下、左右方向に等間隔で前記保持体に配列される方形状の複数の導電性のパッチ素子とからなることを特徴とするＥＢＧ構造体。
2. 方形状のアース板と、前記アース板と所定の間隔をもって柵状に並設された複数の誘電体から構成される前記アース板と略同一平面形状の保持体と、前記保持体の側部厚みの略中間位置に所定の長さ埋め込まれて保持される、上下、左右方向に等間隔で前記保持体に配列される方形状の複数の導電性のパッチ素子とからなることを特徴とするＥＢＧ構造体。
3. 上記請求項１乃至請求項２に記載のＥＢＧ構造体を反射体とすることを特徴とするアンテナ。

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