JP2015053661A

JP2015053661A - アンテナ装置及び反射板配置方法

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Publication number: JP2015053661A
Application number: JP2013186650A
Authority: JP
Inventors: 秀哉宗; Hideya So; 篤也安藤; Atsuya Andou; 杉山　隆利; Takatoshi Sugiyama; 隆利杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP5965370B2

Abstract

【課題】ＶＳＷＲ特性の劣化を抑制する。【解決手段】複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、誘電体基板上に金属箔を周期的に配置して形成された複数の周波数選択板とを具備し、前記複数の周波数選択板は、前記アンテナ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置されると共に、それぞれに投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数帯の電磁波を透過するアンテナ装置であって、前記複数の周波数選択板は、前記誘導体基板側をアンテナ素子に向けて配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の周波数の電磁波を送受信するアンテナ装置及び該アンテナ装置の反射板配置方法に関する。

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反射（遮断）する特性を有するものが存在する。例えば、上述したメタマテリアル技術を用いたものとして、下記非特許文献１には、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た周波数選択板（ＦＳＳ：Frequency Selective Surface）が開示されている。

このような周波数選択板は、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。

H. So, A. Ando, T. Seki, M. Kawashima, and T. Sugiyama, Directional Multi-Band Antenna Employing Frequency Selective Surfaces,Electron. Lett., vol. 49, no. 4, pp. 243-245, Feb. 2013.

ところで、バンドギャップ帯域が異なる複数の上記周波数選択板と、複数の周波数の電磁波を放射または吸収するアンテナ素子とを用いて、複数の周波数帯の電磁波を送受信できるアンテナ装置が考案されている。このアンテナ装置では、例えば、複数の周波数選択板が、アンテナ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、それぞれに投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数帯の電磁波を透過するように構成される。ここで、周波数選択板は、表面の導体（金属箔）がアンテナ素子に向くように配置されている。

しかしながら、このようなアンテナ装置では、周波数選択板表面の導体の影響よって、アンテナ素子のインピーダンスが変化し、アンテナ素子のインピーダンスとアンテナ素子に接続される給電線のインピーダンスとの不整合によって、ＶＳＷＲ（電圧定在波比：voltage standing wave ratio）特性が劣化するという問題が発生していた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＶＳＷＲ特性の劣化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、アンテナ装置に係る第１の解決手段として、複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、誘電体基板上に金属箔を周期的に配置して形成された複数の周波数選択板とを具備し、前記複数の周波数選択板は、前記アンテナ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置されると共に、それぞれに投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数帯の電磁波を透過するアンテナ装置であって、前記複数の周波数選択板は、前記誘導体基板側をアンテナ素子に向けて配置される、という手段を採用する。

本発明では、アンテナ装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、誘電体基板の一方の面全体が金属箔で皮膜された金属反射板をさらに具備し、前記金属反射板は、前記アンテナ素子から、前記複数の周波数選択板よりもさらに離間されながら、その板面の法線ベクトルの向きが、前記複数の周波数選択板の板面の法線ベクトルの向きと一致すると共に、前記誘導体基板側をアンテナ素子に向けて配置される、という手段を採用する。

また、本発明では、反射板配置方法に係る解決手段として、複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、誘電体基板上に金属箔を周期的に配置して形成された複数の周波数選択板とを具備し、前記複数の周波数選択板は、前記アンテナ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置されると共に、それぞれに投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数帯の電磁波を透過するアンテナ装置の前記複数の周波数選択板を、前記誘導体基板側がアンテナ素子に向くように配置する、という手段を採用する。

本発明によれば、複数の周波数選択板が、誘導体基板側をアンテナ素子に向けて配置されることによって、アンテナ素子と周波数選択板の金属箔とが離れるために、アンテナ素子のインピーダンスの変化が抑制され、ＶＳＷＲ特性の劣化を抑制できる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの概略構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置Ａの側面図（ａ）及び第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３の向きを示す図（ｂ）である。本発明の一実施形態における第１反射板Ｍ１の周期パターンを示す図（ａ）と、第２反射板Ｍ２の周期パターンを示す図（ｂ）である。本発明の一実施形態に係るアンテナ装置ＡのＶＳＷＲ特性を示す図である。本発明の一実施形態おける第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３の厚さに応じたＶＳＷＲ特性を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るアンテナ装置Ａは、図１に示すように、アンテナ素子Ｅ、第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３を備える。なお、以降においては、図示するように互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向を規定して説明する。

アンテナ素子Ｅは、異なる複数の周波数帯の電磁波を大気中へ放射するものである。アンテナ素子Ｅの給電点Ｅ１は、図示しない給電線を介して高周波電源に接続されている。アンテナ素子Ｅは、上記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。なおアンテナ素子Ｅは、大気中を伝搬する異なる複数の周波数帯の電磁波を吸収して受信する受信素子としても機能する。

つまり、アンテナ素子Ｅは、異なる複数の周波数帯の電磁波を送受信するものである。アンテナ素子Ｅは、例えば、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚの３つの異なる周波数帯の電磁波を大気中へ放射する。このようなアンテナ素子Ｅは、例えば、複数の周波数帯で共用される周波数共用アンテナ素子、あるいは複数の周波数帯を含む広範囲な帯域の電磁波を送受信する広帯域アンテナ素子である。

また、アンテナ素子Ｅ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、このような態様に限定されない。例えば、アンテナ素子Ｅは、必要に応じて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。

第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、誘電体基板の板面に導体の格子状周期配列パターンが形成された周波数選択板（ＦＳＳ：Frequency Selective Surface）である。この第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、例えば、板面が導体（金属箔）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。第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２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、それ以外の周波数帯の電磁波を反射する特性を有している。

第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、それぞれ異なる周期配列パターンが形成されている。このため、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、互いに異なる特性を有している。つまり、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、互いに異なる周波数帯の電磁波のみを反射するように構成されている。

例えば、第１反射板Ｍ１は、アンテナ素子Ｅ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ている。また、第２反射板Ｍ２は、アンテナ素子Ｅ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、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２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。

金属反射板Ｍ３は、誘電体基板の一方の面全体が導体（金属箔）で皮膜されたものである。したがって、金属反射板Ｍ３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Ｍ３は、後述するように、アンテナ装置Ａにおいて、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２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。

このような第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３は、アンテナ素子Ｅと、それぞれ一定の離間距離をもって、アンテナ素子Ｅに対して同一方向（−ｘ方向）に設置されている。また、第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３は、いずれもその板面が互いに平行になるように配置されている。

上記第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３のうち、４ＧＨｚの電磁波を反射する第１反射板Ｍ１は、図２（ａ）に示すように、アンテナ素子Ｅ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第２反射板Ｍ２は、アンテナ素子Ｅ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、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、アンテナ素子Ｅ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置されている。

図２（ａ）に示したアンテナ装置Ａの構成（第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の配置の仕方）により、第１反射板Ｍ１には、アンテナ素子Ｅ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、第１反射板Ｍ１は、後述する伝送特性に基づいて、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、４ＧＨｚのみを反射する反射板として機能する。

一方、図２（ａ）に示すように、アンテナ素子Ｅと第２反射板Ｍ２との間には、第１反射板Ｍ１が存在している。よって第２反射板Ｍ２には、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、第１反射板Ｍ１が反射する４ＧＨｚの電磁波が投射されず、第１反射板Ｍ１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、第２反射板Ｍ２は、反射特性に基づいて、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、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Ｍ３は、アンテナ素子Ｅ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、第１反射板Ｍ１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置されている。

このような配列順により、金属反射板Ｍ３には、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２が反射する４ＧＨｚ及び２ＧＨｚの電磁波が投射されず、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２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Ｍ３は、アンテナ素子Ｅが放射する電磁波のうち、最も低い周波数である８００ＭＨｚのみを反射する反射板として機能する。なお、本実施形態では、距離ｓ１は１８．８ｍｍに、距離ｓ２は４３．５ｍｍに、距離ｓ３は９３．８ｍｍに設定されている。

なお、第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３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２参照）。この板面の大きさ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ）は、アンテナ装置Ａ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Ａ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。

上述した構成からなるアンテナ装置Ａによれば、アンテナ素子Ｅから放射される複数の周波数帯の電磁波が、その周波数帯に応じて第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３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。

次に、このように構成された本アンテナ装置Ａの作用について説明する。
例えば、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の周期配列パターンは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように形成されている。なお、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。

第１反射板Ｍ１の周期配列パターンは、各パラメータがｄ１＝１１５．０ｍｍ、ａ１１＝４０．１ｍｍ、ａ１２＝１０５．０ｍｍ、ｗ１１＝２．６ｍｍ、ｗ１２＝１１．３ｍｍと設定されている。

このような第１反射板Ｍ１は、４ＧＨｚを中心とした周波数帯においては、高い反射特性を有し、一方２ＧＨｚ及び８００ＭＨｚを中心とした周波数帯において低い反射特性を有している。つまり、第１反射板Ｍ１には、アンテナ素子Ｅ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ている。

ここで、「透過する」とは、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２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、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２の反射特性が所定値以下（例えば−１０ｄＢ以下）であることを表している。

一方、第２反射板Ｍ２の周期配列パターンは、各パラメータがｄ２＝１１５．３ｍｍ、ａ２＝１０５．３ｍｍ、ｗ２＝１１．５ｍｍと設定されている。なお、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２は、ともに基板厚１．６ｍｍ、比誘電率２．６ (誘電正接ｔａｎδ ａｔ１２ＧＨｚ) のプリント基板を用いている。

このような第２反射板Ｍ２は、２ＧＨｚを中心とした周波数帯においては、高い反射特性を有し、一方８００ＭＨｚを中心とした周波数帯において低い反射特性を有している。つまり、第２反射板Ｍ２には、アンテナ素子Ｅから自身に投射される周波数（２ＧＨｚ、８００ＭＨｚ）のうち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。

このように構成された第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２と、金属反射板Ｍ３とは、誘導体基板側をアンテナ素子Ｅに向けて配置されている。つまり、従来、反射板は、導体がアンテナ素子Ｅに向くように配置されていたが、本実施形態では、第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３が、図２（ｂ）に示すように、導体（金属箔）側をアンテナ素子Ｅと反対方向を向くように配置される。これは、アンテナ素子Ｅと反射板の導体とが近接することによって、アンテナ素子Ｅのインピーダンスが変化して、ＶＳＷＲ特性が劣化することを抑制するためである。

図４は、従来構成（第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３の導体がアンテナ素子Ｅに向くように配置されたもの）と、本実施形態との周波数に応じたＶＳＷＲ特性を示したものである。なお、図４（ａ）は低周波数におけるＶＳＷＲ特性を示し、図４（ｂ）は高周波数におけるＶＳＷＲ特性を示している。図４に示されるように、本実施形態のＶＳＷＲ特性は、従来構成よりも低下、つまり、改善されている。

また、図５は、従来構成と、本実施形態との第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３の基板厚毎（１．６ｍｍと５．０ｍｍ）の周波数に応じたＶＳＷＲ特性を示したものである。なお、図５（ａ）は従来構成におけるＶＳＷＲ特性を示し、図５（ｂ）は本実施形態におけるＶＳＷＲ特性を示している。図５（ａ）と（ｂ）と比較してわかるように、基板厚１．６ｍｍと５．０ｍｍ両方の場合において、本実施形態のＶＳＷＲ特性は、従来構成よりも低下、つまり、改善されている。

このような本実施形態によれば、第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３が、誘導体基板側をアンテナ素子に向けて配置されることによって、アンテナ素子と第１反射板Ｍ１、第２反射板Ｍ２及び金属反射板Ｍ３の金属箔とが離れるために、アンテナ素子のインピーダンスの変化が抑制され、ＶＳＷＲ特性の劣化を抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態は、２つの周波数選択板、つまり第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍ２を備えているが、本発明はこれに限定されない。例えば、アンテナ装置Ａは、周波数選択板を３つ以上備える態様であってもよい。この場合、アンテナ装置Ａは、異なる４以上の周波数からなる電磁波を放射可能で、各周波数選択板は、アンテナ素子Ｅ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Ｍ３は、アンテナ素子Ｅ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。

（２）上記実施形態は、金属反射板Ｍ３を備えているが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態は、金属反射板Ｍ３をなくして、第１反射板Ｍ１及び第２反射板Ｍとアンテナ素子Ｅのみによって構成されていてもよい。つまり、本発明において、金属反射板は必須の要件ではない。

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。

Ａ…アンテナ装置、Ｅ…アンテナ素子、Ｍ１…第１反射板、Ｍ２…第２反射板、Ｍ３…金属反射板、Ｅ１…給電点

Claims

複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、誘電体基板上に金属箔を周期的に配置して形成された複数の周波数選択板とを具備し、前記複数の周波数選択板は、前記アンテナ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置されると共に、それぞれに投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数帯の電磁波を透過するアンテナ装置であって、
前記複数の周波数選択板は、前記誘導体基板側をアンテナ素子に向けて配置されることを特徴とするアンテナ装置。
誘電体基板の一方の面全体が金属箔で皮膜された金属反射板をさらに具備し、
前記金属反射板は、前記アンテナ素子から、前記複数の周波数選択板よりもさらに離間されながら、その板面の法線ベクトルの向きが、前記複数の周波数選択板の板面の法線ベクトルの向きと一致すると共に、前記誘導体基板側をアンテナ素子に向けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
複数の周波数帯の電磁波を送受信するアンテナ素子と、誘電体基板上に金属箔を周期的に配置して形成された複数の周波数選択板とを具備し、前記複数の周波数選択板は、前記アンテナ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置されると共に、それぞれに投射される電磁波のうち最大の周波数以外の周波数帯の電磁波を透過するアンテナ装置の前記複数の周波数選択板を、前記誘導体基板側がアンテナ素子に向くように配置することを特徴とする反射板配置方法。