JP2015046846A - アンテナ装置設計方法及びアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】異なる複数の周波数の電磁波を扱う周波数共用アンテナにおいて、その周波数ごとに電磁波のビーム幅を独立して設定可能なアンテナ装置設計方法及びアンテナ装置を提供する。【解決手段】異なる複数の周波数からなる電磁波を放射する放射素子１０と、放射素子１０が放射する電磁波のうち、一の周波数の電磁波のみを反射する複数のメタマテリアル反射板１１０、１１１と、を有するアンテナ装置であって、複数のメタマテリアル反射板１１０、１１１は、それぞれが反射する一の周波数の電磁波のビーム幅のみに基づきながら、当該メタマテリアル反射板１１０、１１１それぞれの板面の大きさ、または、放射素子１０からの離間距離が決定されている。【選択図】図１
Description
本発明は、特定の周波数帯域に属する電磁波のみを反射するメタマテリアル反射板を有するアンテナ装置設計方法及びアンテナ装置に関する。
近年、誘電体または導体の周期配列構造を有することで当該構造中を伝搬する電磁波の伝播特性を人工的に制御する技術（メタマテリアル技術）が提案されている。メタマテリアルは、その周期配列構造に応じて、入射される電磁波のうち特定の周波数帯域に属する電磁波のみを透過、または反射（遮断）する特性を有するものが存在する。
ここで文献には、上述のような周期配列構造をなす反射板を備えたアンテナ装置が開示されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
特許文献１のアンテナ装置では、上述のような周期配列構造により形成されるメタマテリアル反射板が用いられている。このメタマテリアル反射板は、例えば、板面が導体（金属）で皮膜された誘電体基板（プリント基板）の導体被膜部分を所定の格子状周期配列パターンでパターニングすることで作製される。このようなメタマテリアル反射板は、人工的な周期配列構造により負の誘電率を実現し、その格子状の周期配列構造の周期間隔や形状に対応したバンドギャップ帯域を有している。バンドギャップ帯域とは、当該メタマテリアル反射板に入射する電磁波が所定の比率以上で反射する場合における当該電磁波の周波数帯域のことである。
特許文献１のアンテナ装置では、上述のような周期配列構造により形成されるメタマテリアル反射板が用いられている。このメタマテリアル反射板は、例えば、板面が導体（金属）で皮膜された誘電体基板（プリント基板）の導体被膜部分を所定の格子状周期配列パターンでパターニングすることで作製される。このようなメタマテリアル反射板は、人工的な周期配列構造により負の誘電率を実現し、その格子状の周期配列構造の周期間隔や形状に対応したバンドギャップ帯域を有している。バンドギャップ帯域とは、当該メタマテリアル反射板に入射する電磁波が所定の比率以上で反射する場合における当該電磁波の周波数帯域のことである。
"Dipole antennas used with all-dielectric, woodpile photonic-bandgap reflectors : gain, field patterns, and input impedance" G.S.Smith, M.P.Kesler,and J.G.Maloney, Microwave and Opt.Tech.Lett., Vol.21,no.3, pp.191-196, May 1999.
特許文献１に記載のアンテナ装置のように、バンドギャップ帯域がそれぞれ異なる複数のメタマテリアル反射板を組み合わせて、複数の周波数の電磁波を放射または吸収する周波数共用アンテナが開発されている。このような周波数共用アンテナは、１つのアンテナ装置で複数の周波数を共用することができるので、スペース効率を向上させることができる。
ところで、このような周波数共用アンテナには、特定の周波数ごとに独立して放射する電磁波のビーム幅を設定したいというニーズがある。しかしながら、特許文献１をはじめ、周波数ごとに独立して放射する電磁波のビーム幅を設定するにあたっては、複数のメタマテリアル反射板をいかに設計すればよいかが明確にされていない。
特に、ある周波数の電磁波のビーム幅を調整しようとして、当該周波数に対応するメタマテリアル反射板の形状を調整した場合に、他の周波数の電磁波のビーム幅も意図せずに変動してしまうことが想定される。このような場合、アンテナ設計者は、電磁界シミュレーション等でトライアンドエラーを繰り返しながら所望のビーム幅に合わせ込む必要があり、設計に多大な労力を費やすこととなる。
特に、ある周波数の電磁波のビーム幅を調整しようとして、当該周波数に対応するメタマテリアル反射板の形状を調整した場合に、他の周波数の電磁波のビーム幅も意図せずに変動してしまうことが想定される。このような場合、アンテナ設計者は、電磁界シミュレーション等でトライアンドエラーを繰り返しながら所望のビーム幅に合わせ込む必要があり、設計に多大な労力を費やすこととなる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、異なる複数の周波数の電磁波を扱う周波数共用アンテナにおいて、その周波数ごとに電磁波のビーム幅を独立して設定可能なアンテナ装置設計方法及びアンテナ装置を提供することにある。
本発明は、上述の課題を解決すべくなされたもので、異なる複数の周波数からなる電磁波を放射する放射素子と、前記放射素子が放射する電磁波のうち、一の周波数からなる電磁波のみを反射する複数のメタマテリアル反射板と、を有するアンテナ装置の設計方法であって、前記複数のメタマテリアル反射板それぞれが反射する前記一の周波数の電磁波のビーム幅のみに基づきながら、当該メタマテリアル反射板それぞれの板面の大きさ、または、前記放射素子からの離間距離を決定することを特徴とするアンテナ装置設計方法である。
また本発明は、上述のアンテナ装置設計方法において、前記複数のメタマテリアル反射板の板面の大きさ、または、前記放射素子からの離間距離を、反射する電磁波の周波数が低いメタマテリアル反射板から順に決定していくことを特徴とする。
また本発明は、上述のアンテナ装置設計方法において、前記複数のメタマテリアル反射板のうち、前記放射素子から最も離間されて配されるべきメタマテリアル反射板の位置に、当該メタマテリアル反射板の代わりに、板面が導体のみからなる金属反射板を配することを特徴とする。
また本発明は、異なる複数の周波数からなる電磁波を放射する放射素子と、前記放射素子が放射する電磁波のうち、一の周波数の電磁波のみを反射する複数のメタマテリアル反射板と、を有するアンテナ装置であって、前記複数のメタマテリアル反射板は、それぞれが反射する前記一の周波数の電磁波のビーム幅のみに基づきながら、当該メタマテリアル反射板それぞれの板面の大きさ、または、前記放射素子からの離間距離が決定されている反射板であることを特徴とするアンテナ装置である。
また本発明は、上述のアンテナ装置において、前記複数のメタマテリアル反射板が、誘電体または導体の少なくともいずれか一方の格子状周期配列パターンに基づいて定まる特定の周波数帯域に属する電磁波のみを透過し、それ以外の電磁波を反射する反射板であって、前記放射素子から所定距離だけ離間されながら、それぞれの板面の法線ベクトルの向きが一致するように配されるとともに、メタマテリアル反射板のそれぞれは、自身に投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数の全てが前記特定の周波数帯域に属するように、前記格子状周期配列パターンが形成されることを特徴とする。
また本発明は、上述のアンテナ装置において、前記複数のメタマテリアル反射板のうち、前記放射素子から最も離間されて配されるべきメタマテリアル反射板の位置に、当該メタマテリアル反射板の代わりに、板面が導体のみからなる金属反射板が配されていることを特徴とする。
本発明によれば、異なる複数の周波数の電磁波を扱う周波数共用アンテナにおいて、その周波数ごとに電磁波のビーム幅を独立して設定可能なアンテナ装置設計方法及びアンテナ装置を提供することができる。
＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係るアンテナ装置を、図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。この図において、符号１はアンテナ装置である。なお以降の説明に用いる各図面においては、それぞれの図に図示した空間において互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向を規定して説明する。
以下、第１の実施形態に係るアンテナ装置を、図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。この図において、符号１はアンテナ装置である。なお以降の説明に用いる各図面においては、それぞれの図に図示した空間において互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向を規定して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置１は、放射素子１０と、メタマテリアル反射板１１０と、メタマテリアル反射板１１１と、金属反射板１２と、を備えている。
放射素子１０は、異なる複数の周波数からなる電磁波を大気中への放射するアンテナ素子である。放射素子１０の給電点１０ａには、図示しない高周波電源が接続されており、当該高周波電源から入力される高周波信号に基づいて電磁波を大気中へ放射する。なお放射素子１０は、大気中を伝搬する異なる複数の周波数からなる電磁波を吸収して受信する受信素子としても機能する。
本実施形態に係る放射素子１０は、例として、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚの３つの異なる周波数からなる電磁波を大気中へ放射する。
放射素子１０は、異なる複数の周波数からなる電磁波を大気中への放射するアンテナ素子である。放射素子１０の給電点１０ａには、図示しない高周波電源が接続されており、当該高周波電源から入力される高周波信号に基づいて電磁波を大気中へ放射する。なお放射素子１０は、大気中を伝搬する異なる複数の周波数からなる電磁波を吸収して受信する受信素子としても機能する。
本実施形態に係る放射素子１０は、例として、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚの３つの異なる周波数からなる電磁波を大気中へ放射する。
メタマテリアル反射板１１０、１１１は、板面に導体の格子状周期配列パターンが付された誘電体基板である。メタマテリアル反射板１１０、１１１は、例えば、板面が導体（金属）で皮膜された誘電体基板（プリント基板）の導体被膜部分を、所定の格子状周期配列パターンでパターニングして作製される。メタマテリアル反射板１１０、１１１は、導体及び誘電体の格子状周期配列パターンに基づいて定まる特定の周波数帯域に属する電磁波のみを透過し、それ以外の周波数の電磁波を反射する特性を有している。
なお、メタマテリアル反射板１１０と、メタマテリアル反射板１１１とは、それぞれ異なる周期配列パターンが付されており、これにより、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、互いに異なる特性を有している。メタマテリアル反射板１１０、１１１の周期配列パターン及びその特性の例については後述する。
なお、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、後述するアンテナ装置１の構成及びメタマテリアル反射板１１０、１１１それぞれの反射特性に基づき、放射素子１０が放射する電磁波のうち、互いに異なる一の周波数の電磁波のみを反射するように構成されている。例えば、メタマテリアル反射板１１０は、放射素子１０が放射する電磁波（４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち、４ＧＨｚの電磁波のみを反射するように構成され、メタマテリアル反射板１１１は、放射素子１０が放射する電磁波のうち、２ＧＨｚの電磁波のみを反射するように構成されている。
なお、メタマテリアル反射板１１０と、メタマテリアル反射板１１１とは、それぞれ異なる周期配列パターンが付されており、これにより、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、互いに異なる特性を有している。メタマテリアル反射板１１０、１１１の周期配列パターン及びその特性の例については後述する。
なお、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、後述するアンテナ装置１の構成及びメタマテリアル反射板１１０、１１１それぞれの反射特性に基づき、放射素子１０が放射する電磁波のうち、互いに異なる一の周波数の電磁波のみを反射するように構成されている。例えば、メタマテリアル反射板１１０は、放射素子１０が放射する電磁波（４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち、４ＧＨｚの電磁波のみを反射するように構成され、メタマテリアル反射板１１１は、放射素子１０が放射する電磁波のうち、２ＧＨｚの電磁波のみを反射するように構成されている。
金属反射板１２は、板面が導体のみからなる板である。したがって、金属反射板１２は、あらゆる周波数の電磁波を反射し、所定の周波数帯域に属する電磁波のみを透過する特性は有さない。
なお金属反射板１２は、後述するように、アンテナ装置１において、放射素子１０が放射する電磁波のうち、メタマテリアル反射板１１０、１１１から透過されてきた最も低い周波数（８００ＭＨｚ）の電磁波のみを反射するように構成されている。
なお金属反射板１２は、後述するように、アンテナ装置１において、放射素子１０が放射する電磁波のうち、メタマテリアル反射板１１０、１１１から透過されてきた最も低い周波数（８００ＭＨｚ）の電磁波のみを反射するように構成されている。
次に、放射素子１０、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２の配置について説明する。
図１に示すように、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２は、放射素子１０と、それぞれ一定の離間距離をもって、放射素子１０に対して同一方向（−ｘ方向）に設置されている。また、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２は、いずれもその板面が互いに平行になるように配されている。
なお、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２の配列順については、以下に説明する。
図１に示すように、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２は、放射素子１０と、それぞれ一定の離間距離をもって、放射素子１０に対して同一方向（−ｘ方向）に設置されている。また、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２は、いずれもその板面が互いに平行になるように配されている。
なお、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２の配列順については、以下に説明する。
図２は、第１の実施形態に係るアンテナ装置を側面から見た平面図である。
次に、メタマテリアル反射板１１０、１１１、及び、金属反射板１２の配列順について、図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、４ＧＨｚの電磁波を反射するメタマテリアル反射板１１０は、放射素子１０から距離Ｓ１だけ−ｘ方向に離間された位置に配されている。また、２ＧＨｚの電磁波を反射するメタマテリアル反射板１１１は、放射素子１０から、距離Ｓ１よりも大きい距離Ｓ２だけ−ｘ方向に離間された位置に配されている。
このように、アンテナ装置１のメタマテリアル反射板１１０、１１１は、放射素子１０から所定距離だけ離間されながら、それぞれの板面が平行となって、各板面の法線ベクトルの向きが＋ｘ方向に一致するように配されている。
次に、メタマテリアル反射板１１０、１１１、及び、金属反射板１２の配列順について、図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、４ＧＨｚの電磁波を反射するメタマテリアル反射板１１０は、放射素子１０から距離Ｓ１だけ−ｘ方向に離間された位置に配されている。また、２ＧＨｚの電磁波を反射するメタマテリアル反射板１１１は、放射素子１０から、距離Ｓ１よりも大きい距離Ｓ２だけ−ｘ方向に離間された位置に配されている。
このように、アンテナ装置１のメタマテリアル反射板１１０、１１１は、放射素子１０から所定距離だけ離間されながら、それぞれの板面が平行となって、各板面の法線ベクトルの向きが＋ｘ方向に一致するように配されている。
図２に示したアンテナ装置１の構成（メタマテリアル反射板１１０、１１１の配置の仕方）により、メタマテリアル反射板１１０には、放射素子１０が放射する全ての周波数（４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）を含む電磁波が投射されることとなる。したがって、メタマテリアル反射板１１０は、後述する伝送特性に基づいて、放射素子１０が放射する電磁波のうち、ｆ１＝４ＧＨｚのみを反射する反射板として機能する。
また、図２に示すように、放射素子１０とメタマテリアル反射板１１１との間には、メタマテリアル反射板１１０が存在している。よってメタマテリアル反射板１１１には、放射素子１０が放射する電磁波のうち、メタマテリアル反射板１１０が反射する４ＧＨｚの電磁波が投射されず、メタマテリアル反射板１１０が透過する２ＧＨｚ、８００ＭＨｚの電磁波のみが投射されることとなる。したがって、メタマテリアル反射板１１１は、後述する伝送特性に基づいて、放射素子１０が放射する電磁波のうち、ｆ２＝２ＧＨｚのみを反射する反射板として機能する。
さらに、金属反射板１２は、放射素子１０から最も離れた距離Ｓ３（＞Ｓ２＞Ｓ１）だけ離間されながら、その板面の法線ベクトルの向きが、メタマテリアル反射板１１０、１１１の板面の法線ベクトルの向き（−ｘ方向）と一致するように配されている。
このような配列順により、金属反射板１２には、メタマテリアル反射板１１０、１１１が反射する４ＧＨｚ及び２ＧＨｚの電磁波が投射されず、メタマテリアル反射板１１０、１１１がともに透過する８００ＭＨｚの電磁波のみが投射されることとなる。したがって、金属反射板１２は、放射素子１０が放射する電磁波のうち、最も低い周波数であるｆ３＝８００ＭＨｚのみを反射する反射板として機能する。
このような配列順により、金属反射板１２には、メタマテリアル反射板１１０、１１１が反射する４ＧＨｚ及び２ＧＨｚの電磁波が投射されず、メタマテリアル反射板１１０、１１１がともに透過する８００ＭＨｚの電磁波のみが投射されることとなる。したがって、金属反射板１２は、放射素子１０が放射する電磁波のうち、最も低い周波数であるｆ３＝８００ＭＨｚのみを反射する反射板として機能する。
なお、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２の板面は、一辺がそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３の正方形をなしている（図４）。この板面の大きさ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ）は、アンテナ装置１が扱う電磁波の放射特性（ビーム幅）に基づいて決定される。ここでビーム幅とは、アンテナ装置１の水平面（ｘｙ平面）についての半値ビーム幅（水平面内強度分布が半値となる方位間の角度）のことである。
以上のような構成からなるアンテナ装置１によれば、放射素子１０から放射される複数の周波数の電磁波が、その周波数に応じてメタマテリアル反射板１１０、１１１または金属反射板１２のいずれかによる反射の影響を受け、それぞれが所望する指向性を得る仕組みとなっている。
なお、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射素子１０は、図１に示すように、±ｚ軸に沿って延在したダイポールアンテナとして図示しているが、他の実施形態に係るアンテナ装置１によっては、このような態様に限定されない。例えば、放射素子１０は、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、またはホーンアンテナ等であってもよい。
なお、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射素子１０は、図１に示すように、±ｚ軸に沿って延在したダイポールアンテナとして図示しているが、他の実施形態に係るアンテナ装置１によっては、このような態様に限定されない。例えば、放射素子１０は、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、またはホーンアンテナ等であってもよい。
図３は、第１の実施形態に係るメタマテリアル反射板の周期配列パターンを示す図である。また、図４は、第１の実施形態に係るメタマテリアル反射板の特性を示す図である。
次に、メタマテリアル反射板１１０、１１１の板面に付された周期配列パターンの例、及び、その周期配列パターンによって得られるメタマテリアル反射板１１０、１１１の特性について、図３、図４を参照しながら説明する。
次に、メタマテリアル反射板１１０、１１１の板面に付された周期配列パターンの例、及び、その周期配列パターンによって得られるメタマテリアル反射板１１０、１１１の特性について、図３、図４を参照しながら説明する。
図３（ａ）、（ｂ）において、網掛けされた領域は導体の部分を示しており、それ以外の領域は誘電体の部分を示している。
図３（ａ）に示すメタマテリアル反射板１１０の周期配列パターンは、各パラメータをｄ１＝１１５．０ｍｍ、ａ１１＝４０．１ｍｍ、ａ１２＝１０５．０ｍｍ、ｗ１１＝２．６ｍｍ、ｗ１２＝１１．３ｍｍとしている。
また、図３（ｂ）に示すメタマテリアル反射板１１１の周期配列パターンは、ｄ２＝１１５．３ｍｍ、ａ２＝１０５．３ｍｍ、ｗ２＝１１．５ｍｍとしている。
なお、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、ともに基板厚１．６ｍｍ、比誘電率２．６ (誘電正接ｔａｎδ ａｔ １２ＧＨｚ) のプリント基板を用いている。
図３（ａ）に示すメタマテリアル反射板１１０の周期配列パターンは、各パラメータをｄ１＝１１５．０ｍｍ、ａ１１＝４０．１ｍｍ、ａ１２＝１０５．０ｍｍ、ｗ１１＝２．６ｍｍ、ｗ１２＝１１．３ｍｍとしている。
また、図３（ｂ）に示すメタマテリアル反射板１１１の周期配列パターンは、ｄ２＝１１５．３ｍｍ、ａ２＝１０５．３ｍｍ、ｗ２＝１１．５ｍｍとしている。
なお、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、ともに基板厚１．６ｍｍ、比誘電率２．６ (誘電正接ｔａｎδ ａｔ １２ＧＨｚ) のプリント基板を用いている。
図４は、上述の周期配列パターン（図３（ａ）、（ｂ））からなるメタマテリアル反射板１１０、１１１の伝送特性の一つである反射特性Ｓ１１を示している。
ここで、反射特性Ｓ１１とは、メタマテリアル反射板１１０、１１１に対し、特定の強度の電磁波を入射した場合において、どの程度の強度の電磁波がメタマテリアル反射板１１０、１１１から反射するか、を表す数値（反射率）である。
図４に示すグラフは、横軸に電磁波の周波数ｆ（ＧＨｚ）を、縦軸に反射特性Ｓ１１（ｄＢ）を示している。すなわち、図４に示すグラフは、反射特性Ｓ１１の周波数ｆに対する依存性を示している。
ここで、反射特性Ｓ１１とは、メタマテリアル反射板１１０、１１１に対し、特定の強度の電磁波を入射した場合において、どの程度の強度の電磁波がメタマテリアル反射板１１０、１１１から反射するか、を表す数値（反射率）である。
図４に示すグラフは、横軸に電磁波の周波数ｆ（ＧＨｚ）を、縦軸に反射特性Ｓ１１（ｄＢ）を示している。すなわち、図４に示すグラフは、反射特性Ｓ１１の周波数ｆに対する依存性を示している。
図３（ａ）に示す周期配列パターンが付されたメタマテリアル反射板１１０は、図４に示すように、２ＧＨｚを中心とした周波数帯域と、８００ＭＨｚを中心とした周波数帯域と、において低い反射特性を有している。また、メタマテリアル反射板１１０は、周波数４ＧＨｚにおいては、高い反射特性を有している。
すなわち、メタマテリアル反射板１１０は、放射素子１０が放射する電磁波（４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち、最大周波数の４ＧＨｚの電磁波のみを反射可能とし、それ以外の周波数である２ＧＨｚ、８００ＭＨｚの電磁波を透過する特性を有するように周期配列パターンが形成される。
ここで、「透過する」とは、メタマテリアル反射板１１０、１１１が特定の周波数帯域に属する周波数の電磁波を完全に透過するという意味ではなく、メタマテリアル反射板１１０の反射特性Ｓ１１が所定値以下（例えば−１０ｄＢ以下）であることを表している。
すなわち、メタマテリアル反射板１１０は、放射素子１０が放射する電磁波（４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち、最大周波数の４ＧＨｚの電磁波のみを反射可能とし、それ以外の周波数である２ＧＨｚ、８００ＭＨｚの電磁波を透過する特性を有するように周期配列パターンが形成される。
ここで、「透過する」とは、メタマテリアル反射板１１０、１１１が特定の周波数帯域に属する周波数の電磁波を完全に透過するという意味ではなく、メタマテリアル反射板１１０の反射特性Ｓ１１が所定値以下（例えば−１０ｄＢ以下）であることを表している。
一方、図３（ｂ）に示す周期配列パターンが付されたメタマテリアル反射板１１１は、図４に示すように、８００ＭＨｚを中心とした周波数帯域において低い反射特性を有しているとともに、周波数２ＧＨｚにおいては高い反射特性を有している。ここで上述した通り、図２に示した構成（配列順）に基づき、メタマテリアル反射板１１１には、４ＧＨｚの電磁波は投射されず、メタマテリアル反射板１１０が透過した２ＧＨｚ、８００ＭＨｚの電磁波のみが投射される。
よって、メタマテリアル反射板１１１は、放射素子１０から自身に投射される周波数（２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち最大周波数の２ＧＨｚの電磁波のみを反射可能とし、それ以外の周波数である８００ＭＨｚの電磁波を透過する特性を有するように、周期配列パターンが形成される。
このように、メタマテリアル反射板１１０、１１１のそれぞれは、自身に投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数の全てが、反射率が低くなる特定の周波数帯域に属するように、格子状周期配列パターンが形成されている。
よって、メタマテリアル反射板１１１は、放射素子１０から自身に投射される周波数（２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち最大周波数の２ＧＨｚの電磁波のみを反射可能とし、それ以外の周波数である８００ＭＨｚの電磁波を透過する特性を有するように、周期配列パターンが形成される。
このように、メタマテリアル反射板１１０、１１１のそれぞれは、自身に投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数の全てが、反射率が低くなる特定の周波数帯域に属するように、格子状周期配列パターンが形成されている。
図５は、第１の実施形態に係るアンテナ装置のビーム幅を設定する方法を示す第１の図である。
以上に述べたメタマテリアル反射板１１０、１１１、金属反射板１２の構成（図１、図２、図３）およびその特性（図４）からなるアンテナ装置１は、以下のような手順で設計することで、放射素子１０が放射する電磁波のビーム幅を、その周波数ごとに独立して設定することができる。
以上に述べたメタマテリアル反射板１１０、１１１、金属反射板１２の構成（図１、図２、図３）およびその特性（図４）からなるアンテナ装置１は、以下のような手順で設計することで、放射素子１０が放射する電磁波のビーム幅を、その周波数ごとに独立して設定することができる。
まず、図５（ａ）に示すように、放射素子１０に対し金属反射板１２のみを対向して配置した状態で、板面の大きさ（辺の長さＬ３）を決定する。図５（ａ）に示す状態において、８００ＭＨｚのビーム幅は、金属反射板１２の辺の長さＬ３に対して図５（ｂ）に示すような依存性を有する。なお、図５（ｂ）の横軸は、Ｌ３／λ３（λ３は、周波数８００ＭＨｚの電磁波の波長）で示している。また、図５（ｂ）において、放射素子１０と金属反射板１２との離間距離ｓ３は、９３．８ｍｍとしている。
図５（ｂ）に示す８００ＭＨｚのビーム幅の反射板サイズ依存性によれば、特にＬ３／λ３が１以上の範囲において、ビーム幅［ｄｅｇ］は単調増加する傾向を示している。設計者は、このビーム幅の反射板サイズ依存性を利用して、８００ＭＨｚの電磁波のビーム幅を、金属反射板１２のサイズ（Ｌ３）に基づいて所望の値に設定することができる。例えば、８００ＭＨｚのビーム幅を９０°としたい場合、設計者は、Ｌ３／λ３＝１となるように、金属反射板１２の辺の長さＬ３を決定する。
図５（ｂ）に示す８００ＭＨｚのビーム幅の反射板サイズ依存性によれば、特にＬ３／λ３が１以上の範囲において、ビーム幅［ｄｅｇ］は単調増加する傾向を示している。設計者は、このビーム幅の反射板サイズ依存性を利用して、８００ＭＨｚの電磁波のビーム幅を、金属反射板１２のサイズ（Ｌ３）に基づいて所望の値に設定することができる。例えば、８００ＭＨｚのビーム幅を９０°としたい場合、設計者は、Ｌ３／λ３＝１となるように、金属反射板１２の辺の長さＬ３を決定する。
図６は、第１の実施形態に係るアンテナ装置のビーム幅を設定する方法を示す第２の図である。
設計者は、８００ＭＨｚのビーム幅を所望の値とするようにＬ３を決定した後、図６（ａ）に示すように、放射素子１０に対し、メタマテリアル反射板１１１を対向して配置し、メタマテリアル反射板１１１の板面の大きさ（辺の長さＬ２）を決定する。
ここで、図６（ａ）に示す状態における２ＧＨｚのビーム幅は、メタマテリアル反射板１１１の辺の長さＬ２に対して図６（ｂ）に示すような依存性を有する。なお、図６（ｂ）の横軸は、Ｌ２／λ２（λ２は、周波数２ＧＨｚの電磁波の波長）で示している。また、図６（ｂ）において、放射素子１０とメタマテリアル反射板１１１との離間距離ｓ２は４３．５ｍｍとしている。
設計者は、８００ＭＨｚのビーム幅を所望の値とするようにＬ３を決定した後、図６（ａ）に示すように、放射素子１０に対し、メタマテリアル反射板１１１を対向して配置し、メタマテリアル反射板１１１の板面の大きさ（辺の長さＬ２）を決定する。
ここで、図６（ａ）に示す状態における２ＧＨｚのビーム幅は、メタマテリアル反射板１１１の辺の長さＬ２に対して図６（ｂ）に示すような依存性を有する。なお、図６（ｂ）の横軸は、Ｌ２／λ２（λ２は、周波数２ＧＨｚの電磁波の波長）で示している。また、図６（ｂ）において、放射素子１０とメタマテリアル反射板１１１との離間距離ｓ２は４３．５ｍｍとしている。
図６（ｂ）に示す２ＧＨｚのビーム幅の反射板サイズ依存性によれば、Ｌ２／λ２に対して、ビーム幅［ｄｅｇ］が単調増加する傾向を示している。これに対し、８００ＭＨｚのビーム幅は、Ｌ２／λ２との依存性が小さい傾向を示している。
したがって、設計者は、このビーム幅の反射板サイズ依存性を利用して、メタマテリアル反射板１１１の辺の長さＬ２を調整して２ＧＨｚの電磁波のビーム幅のみを独立して所望の値に設定することができる。例えば、２ＧＨｚのビーム幅を９０°としたい場合、設計者は、Ｌ２／λ２＝２．０となるように、メタマテリアル反射板１１１の辺の長さＬ２を決定する。一方、８００ＭＨｚのビーム幅は、Ｌ２に対する依存性が小さいため、図５の段階で設定したビーム幅９０°が維持される。
したがって、設計者は、このビーム幅の反射板サイズ依存性を利用して、メタマテリアル反射板１１１の辺の長さＬ２を調整して２ＧＨｚの電磁波のビーム幅のみを独立して所望の値に設定することができる。例えば、２ＧＨｚのビーム幅を９０°としたい場合、設計者は、Ｌ２／λ２＝２．０となるように、メタマテリアル反射板１１１の辺の長さＬ２を決定する。一方、８００ＭＨｚのビーム幅は、Ｌ２に対する依存性が小さいため、図５の段階で設定したビーム幅９０°が維持される。
図７は、第１の実施形態に係るアンテナ装置のビーム幅を設定する方法を示す第３の図である。
設計者は、２ＧＨｚのビーム幅を所望の値となるようにＬ２を決定した後、図７（ａ）に示すように、放射素子１０に対しさらにメタマテリアル反射板１１０を対向して配置し、メタマテリアル反射板１１０の板面の大きさ（辺の長さＬ１）を決定する。
ここで、図７（ａ）に示す状態における４ＧＨｚのビーム幅は、メタマテリアル反射板１１０の辺の長さＬ１に対して図７（ｂ）に示すような依存性を有する。なお、図７（ｂ）の横軸は、Ｌ１／λ１（λ１は、周波数４ＧＨｚの電磁波の波長）で示している。また図７（ｂ）において、放射素子１０とメタマテリアル反射板１１０との離間距離ｓ１は１８．８ｍｍとしている。
設計者は、２ＧＨｚのビーム幅を所望の値となるようにＬ２を決定した後、図７（ａ）に示すように、放射素子１０に対しさらにメタマテリアル反射板１１０を対向して配置し、メタマテリアル反射板１１０の板面の大きさ（辺の長さＬ１）を決定する。
ここで、図７（ａ）に示す状態における４ＧＨｚのビーム幅は、メタマテリアル反射板１１０の辺の長さＬ１に対して図７（ｂ）に示すような依存性を有する。なお、図７（ｂ）の横軸は、Ｌ１／λ１（λ１は、周波数４ＧＨｚの電磁波の波長）で示している。また図７（ｂ）において、放射素子１０とメタマテリアル反射板１１０との離間距離ｓ１は１８．８ｍｍとしている。
図７（ｂ）に示す４ＧＨｚのビーム幅の反射板サイズ依存性によれば、Ｌ１／λ１に対して、ビーム幅［ｄｅｇ］が単調増加する傾向を示している。これに対し、８００ＭＨｚ及び２ＧＨｚのビーム幅は、Ｌ１／λ１との依存性が小さい傾向を示している。
したがって、設計者は、このビーム幅の反射板サイズ依存性を利用して、メタマテリアル反射板１１０の辺の長さＬ１を調整して４ＧＨｚの電磁波のビーム幅のみを独立して所望の値に設定できる。例えば、４ＧＨｚのビーム幅を９０°としたい場合、設計者は、Ｌ１／λ１＝０．７２となるように、メタマテリアル反射板１１０の辺の長さＬ１を決定する。一方、８００ＭＨｚ及び２ＧＨｚのビーム幅は、Ｌ１に対する依存性が小さいため、図５、図６の段階で設定したビーム幅９０°が維持される。
したがって、設計者は、このビーム幅の反射板サイズ依存性を利用して、メタマテリアル反射板１１０の辺の長さＬ１を調整して４ＧＨｚの電磁波のビーム幅のみを独立して所望の値に設定できる。例えば、４ＧＨｚのビーム幅を９０°としたい場合、設計者は、Ｌ１／λ１＝０．７２となるように、メタマテリアル反射板１１０の辺の長さＬ１を決定する。一方、８００ＭＨｚ及び２ＧＨｚのビーム幅は、Ｌ１に対する依存性が小さいため、図５、図６の段階で設定したビーム幅９０°が維持される。
以上のように、アンテナ装置１は、図５〜図７の手順に従って作製することで、メタマテリアル反射板１１０、１１１、及び金属反射板１２の板面の大きさ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）に基づいて、当該メタマテリアル反射板１１０、１１１、または金属反射板１２のそれぞれが反射する電磁波のビーム幅を独立して設定可能としている。
すなわち、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、それぞれが反射する一の周波数（４ＧＨｚ、２ＧＨｚ）の電磁波のビーム幅のみに基づきながら、そのビーム幅が所望のビーム幅となるようにメタマテリアル反射板１１０、１１１それぞれの板面の大きさが決定されている。
すなわち、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、それぞれが反射する一の周波数（４ＧＨｚ、２ＧＨｚ）の電磁波のビーム幅のみに基づきながら、そのビーム幅が所望のビーム幅となるようにメタマテリアル反射板１１０、１１１それぞれの板面の大きさが決定されている。
図８は、第１の実施形態に係るアンテナ装置のビーム幅の例を示す図である。
図８には、上述の図５〜図７それぞれの段階において、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚのビーム幅がそれぞれ９０°となるようなＬ３、Ｌ２、Ｌ１の値を決定した場合におけるアンテナ装置１の放射特性を示している。すなわち、図８は、アンテナ装置１のＬ３、Ｌ２、Ｌ１を、それぞれＬ３＝λ３、Ｌ２＝２．０λ２、Ｌ１＝０．７２λ１と決定した場合の放射特性である。
図８には、上述の図５〜図７それぞれの段階において、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚのビーム幅がそれぞれ９０°となるようなＬ３、Ｌ２、Ｌ１の値を決定した場合におけるアンテナ装置１の放射特性を示している。すなわち、図８は、アンテナ装置１のＬ３、Ｌ２、Ｌ１を、それぞれＬ３＝λ３、Ｌ２＝２．０λ２、Ｌ１＝０．７２λ１と決定した場合の放射特性である。
図８（ａ）には、８００ＭＨｚの電磁波の水平面放射特性を、図８（ｂ）には、２ＧＨｚの電磁波の水平面放射特性を、図８（ｃ）には、４ＧＨｚの電磁波の水平面放射特性をそれぞれ示している。また、図８（ｄ）は、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚそれぞれの放射特性から導出される半値ビーム幅を示す表である。
図８（ａ）〜（ｃ）に示す水平放射特性の水平面は、ｘｙ平面（図１等を参照）であり、アンテナ装置１が配された位置を中心として、その水平面（ｘｙ平面）に沿った全方位についての電磁波の放射強度を図示したものである。
図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、図５〜図７それぞれの段階において、半値ビーム幅が９０°となるように各板面のサイズを決定したアンテナ装置１は、全てのメタマテリアル反射板１１０、１１１を配置した後も、各周波数において半値ビーム幅９０°が維持されている。すなわち、アンテナ装置１の設計者は、低周波数側の電磁波を反射する反射板から順に、各々が反射する周波数の半値ビーム幅（反射板のサイズ）を決定していくことで、他の周波数のビーム幅への影響を最小限に抑えながら、各周波数のビーム幅を独立して設定することができる。
図８（ａ）〜（ｃ）に示す水平放射特性の水平面は、ｘｙ平面（図１等を参照）であり、アンテナ装置１が配された位置を中心として、その水平面（ｘｙ平面）に沿った全方位についての電磁波の放射強度を図示したものである。
図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、図５〜図７それぞれの段階において、半値ビーム幅が９０°となるように各板面のサイズを決定したアンテナ装置１は、全てのメタマテリアル反射板１１０、１１１を配置した後も、各周波数において半値ビーム幅９０°が維持されている。すなわち、アンテナ装置１の設計者は、低周波数側の電磁波を反射する反射板から順に、各々が反射する周波数の半値ビーム幅（反射板のサイズ）を決定していくことで、他の周波数のビーム幅への影響を最小限に抑えながら、各周波数のビーム幅を独立して設定することができる。
以上、本実施形態に係るアンテナ装置１及びその設計方法によれば、異なる複数の周波数の電磁波を扱う周波数共用アンテナにおいて、その周波数ごとに電磁波のビーム幅を独立して設定可能とすることができる。これにより、周波数共用アンテナの設計者は、周波数ごとのビーム幅を、簡素な設定手段をもって所望の値に設定することができるので、アンテナの設計負担を軽減することができる。
また、本実施形態に係るアンテナ装置１は、複数のメタマテリアル反射板の最後方（放射素子１０から最も離間されて配されるべきメタマテリアル反射板）の代わりに、その配されるべきメタマテリアル反射板と同じ位置に、金属反射板１２を配する態様としている。これにより、アンテナ装置１は、８００ＭＨｚの電磁波を選択的に反射させるためのメタマテリアル反射板を設計する必要がなく、よって、アンテナ装置１の設計にかかる負担を軽減することができる。
また、金属反射板１２は、金属板で構成されるため、アンテナ素子１０が放射する全周波数の電磁波について反射可能である。よって、本実施形態に係るアンテナ装置１のように最後方の反射板を金属反射板１２とすることによって、放射素子１０が放射する周波数の電磁波のうち、意図しない不要な周波数の電磁波が後方（−ｘ方向）に放射されることを防止することができる。
また、金属反射板１２は、金属板で構成されるため、アンテナ素子１０が放射する全周波数の電磁波について反射可能である。よって、本実施形態に係るアンテナ装置１のように最後方の反射板を金属反射板１２とすることによって、放射素子１０が放射する周波数の電磁波のうち、意図しない不要な周波数の電磁波が後方（−ｘ方向）に放射されることを防止することができる。
なお、上述したアンテナ装置１は、上述の態様に限定されることはなく、以下のように変形可能である。
例えば、他の実施形態に係るアンテナ装置１は、メタマテリアル反射板を３つ以上備える態様であってもよい。この場合、放射素子１０は、異なる４以上の周波数からなる電磁波を放射可能で、各メタマテリアル反射板１１０、１１１、・・・は、放射素子１０が放射する電磁波のうち、それぞれ異なる一の周波数のみを反射するように構成される。また、この場合においても金属反射板１２は、放射素子１０から最も離れて離間されて配され、最も低い周波数の電磁波を反射する。
これにより、当該他の実施形態に係るアンテナ装置１は、より多くの周波数からなる電磁波の各々のビーム幅を独立して設定することができる。
また、上述したアンテナ装置１は、入出力可能な電磁波の周波数を４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚの３種とし、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２が、各周波数の電磁波に対応する反射板として機能するものとして説明した。しかし、各反射板の反射可能な周波数は、上記４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚのみに限定されることはなく、例えば、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、その導体、誘電体の周期配列構造に基づいて、反射可能とする周波数帯域を任意の周波数に設定可能である。
これにより、当該他の実施形態に係るアンテナ装置１は、より多くの周波数からなる電磁波の各々のビーム幅を独立して設定することができる。
また、上述したアンテナ装置１は、入出力可能な電磁波の周波数を４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚの３種とし、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２が、各周波数の電磁波に対応する反射板として機能するものとして説明した。しかし、各反射板の反射可能な周波数は、上記４ＧＨｚ、２ＧＨｚ、８００ＭＨｚのみに限定されることはなく、例えば、メタマテリアル反射板１１０、１１１は、その導体、誘電体の周期配列構造に基づいて、反射可能とする周波数帯域を任意の周波数に設定可能である。
また、上述したアンテナ装置１は、複数のメタマテリアル反射板の最後方（放射素子１０から最も離間されて配されるべきメタマテリアル反射板）の代わりに金属反射板１２を配する構成として説明している。しかし、他の実施形態に係るアンテナ装置１は、金属反射板１２を用いることなく、全ての反射板をメタマテリアル反射板で構成することとしてもよい。
また、上述したアンテナ装置１は、例として、メタマテリアル反射板１１０、１１１にプリント基板を用いたが、他の実施形態に係るアンテナ装置１は、このような態様に限定されることはない。例えば、別の実施形態に係るアンテナ装置１のメタマテリアル反射板１１０、１１１は、棒状に形成された誘電体素子または導体素子が格子状に周期配列されてなるものであってもよい。
また、上述したアンテナ装置１は、メタマテリアル反射板１１０、１１１及び金属反射板１２それぞれが反射する電磁波のビーム幅に対するサイズ（辺の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３）依存性に基づいて、周波数ごとのビーム幅を独立して設定する方法を用いたが、他の実施形態に係るアンテナ装置１は、この方法に限定されない。例えば、当該他の実施形態に係るアンテナ装置１は、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３でなく、放射素子１０との離間距離ｓ１、ｓ２、ｓ３を用いて周波数ごとのビーム幅を独立して設定するようにしてもよい。また他の実施形態に係るアンテナ装置１は、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及び離間距離ｓ１、ｓ２、ｓ３の両方に基づいてビーム幅を決定するものであってもよい。
このようにすることで、アンテナ装置１が搭載される装置によって、アンテナ装置１全体としての形状またはサイズに制限が課せられる場合であっても、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３若しくはｓ１、ｓ２、ｓ３、またはこの両方を調整することで柔軟に対応することができる。
このようにすることで、アンテナ装置１が搭載される装置によって、アンテナ装置１全体としての形状またはサイズに制限が課せられる場合であっても、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３若しくはｓ１、ｓ２、ｓ３、またはこの両方を調整することで柔軟に対応することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。
１・・・アンテナ装置
１０・・・放射素子
１０ａ・・・給電点
１１０、１１１・・・メタマテリアル反射板
１２・・・金属反射板
１０・・・放射素子
１０ａ・・・給電点
１１０、１１１・・・メタマテリアル反射板
１２・・・金属反射板
Claims (6)
- 異なる複数の周波数からなる電磁波を放射する放射素子と、
前記放射素子が放射する電磁波のうち、一の周波数からなる電磁波のみを反射する複数のメタマテリアル反射板と、を有するアンテナ装置の設計方法であって、
前記複数のメタマテリアル反射板それぞれが反射する前記一の周波数の電磁波のビーム幅のみに基づきながら、そのビーム幅が所望のビーム幅となるように当該メタマテリアル反射板それぞれの板面の大きさ、または、前記放射素子からの離間距離を決定する
ことを特徴とするアンテナ装置設計方法。 - 前記複数のメタマテリアル反射板の板面の大きさ、または、前記放射素子からの離間距離を、反射する電磁波の周波数が低いメタマテリアル反射板から順に決定していく
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置設計方法。 - 前記複数のメタマテリアル反射板のうち、前記放射素子から最も離間されて配されるべきメタマテリアル反射板の位置に、当該メタマテリアル反射板の代わりに、板面が導体のみからなる金属反射板を配する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置設計方法。 - 異なる複数の周波数からなる電磁波を放射する放射素子と、
前記放射素子が放射する電磁波のうち、一の周波数の電磁波のみを反射する複数のメタマテリアル反射板と、を有するアンテナ装置であって、
前記複数のメタマテリアル反射板は、それぞれが反射する前記一の周波数の電磁波のビーム幅のみに基づきながら、そのビーム幅が所望のビーム幅となるように当該メタマテリアル反射板それぞれの板面の大きさ、または、前記放射素子からの離間距離が決定されている反射板である
ことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記複数のメタマテリアル反射板は、
誘電体または導体の少なくともいずれか一方の格子状周期配列パターンに基づいて定まる特定の周波数帯域に属する電磁波のみを透過し、それ以外の電磁波を反射する反射板であって、
前記放射素子から所定距離だけ離間されながら、それぞれの板面の法線ベクトルの向きが一致するように配されるとともに、メタマテリアル反射板のそれぞれは、自身に投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数の全てが前記特定の周波数帯域に属するように、前記格子状周期配列パターンが形成される
ことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。 - 前記複数のメタマテリアル反射板のうち、前記放射素子から最も離間されて配されるべきメタマテリアル反射板の位置に、当該メタマテリアル反射板の代わりに、板面が導体のみからなる金属反射板が配されている
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のアンテナ装置。
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