JP2017152781A - Non-reciprocal metamaterial transmission line device and antenna device - Google Patents

Non-reciprocal metamaterial transmission line device and antenna device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-reciprocal metamaterial transmission line device capable of transmitting a high frequency signal in a wide band.SOLUTION: In non-reciprocal metamaterial transmission line device, propagation constants in a forward direction and an opposite direction are different each other, and at least one unit cell is connected in cascade between first and second ports. The unit cell includes: a transmission line part of a microwave signal; first and second circuits that is branched and provided from the transmission line part, and equivalently includes an inductive element; and a third parallel branch circuit that equivalently includes a capacitive element. At least one unit cell includes a spontaneous magnetization so as to be magnetized to a magnetization direction different from a transmission direction of the transmission line part, and has a gyroscope anisotropy, or is magnetized by an outer magnetic field. In at least one unit cell, the first parallel branch circuit is formed on one side to a surface formed by a transmission direction and a magnetization direction. The second parallel branch circuit is formed on the other side to the surface.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反メタマテリアル伝送線路装置と、当該非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置とに関する。   The present invention relates to a nonreciprocal metamaterial transmission line device having a forward propagation constant and a reverse propagation constant different from each other, and an antenna device using the nonreciprocal metamaterial transmission line device.

図1は従来例に係る漏れ波アンテナ装置の構成を示すブロック図である。ビーム走査アンテナの一つに漏れ波アンテナがあり、漏れ波アンテナは、図1に示すように、漏れ波アンテナ装置を構成する伝送線路の実効屈折率の絶対値が1よりも小さくなる場合に、伝送線路に沿って伝搬する信号の一部が、漏れ波として外部に放射する現象を利用した指向性アンテナである。図1において、伝送線路は2本の線路導体101,102を有し、端子T1,T2からなる第1のポートP1と、端子T3,T4からなる第2のポートP2とを有する。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a leaky wave antenna apparatus according to a conventional example. One of the beam scanning antennas is a leaky wave antenna, and the leaky wave antenna is, as shown in FIG. 1, when the absolute value of the effective refractive index of the transmission line constituting the leaky wave antenna device is smaller than 1. A directional antenna using a phenomenon in which a part of a signal propagating along a transmission line radiates outside as a leaky wave. In FIG. 1, the transmission line has two line conductors 101 and 102, and has a first port P1 composed of terminals T1 and T2, and a second port P2 composed of terminals T3 and T4.

放射ビーム103の角度は、次式で示すように、伝送線路上に生じる電磁界分布の空間的な位相勾配である位相定数βにより決まるので、線路上の位相勾配を変えることにより、漏れ波ビーム角θを走査することが可能となる。   Since the angle of the radiation beam 103 is determined by the phase constant β, which is a spatial phase gradient of the electromagnetic field distribution generated on the transmission line, as shown by the following equation, the leakage wave beam is changed by changing the phase gradient on the line. It becomes possible to scan the angle θ.

Figure 2017152781
Figure 2017152781

ここで、βは伝送線路上の位相定数であり、βは自由空間の位相定数であり、実効屈折率neffは−1≦neff≦1の値をとる。 Here, β is a phase constant on the transmission line, β 0 is a phase constant in free space, and the effective refractive index n eff takes a value of −1 ≦ n eff ≦ 1.

このように従来例の漏れ波アンテナでは、高周波信号が伝送線路の一端から入力される。高周波信号の一部が漏れ波放射に寄与しないまま、伝送線路の終端まで到達する場合、終端で反射して同じ伝送線路を逆方向に伝搬し、2次的な漏れ波放射によって不要なサイドローブを発生させてしまう。この問題を解決する手段として、アンテナサイズ(線路長)を無駄に大きくするか、インピーダンス整合回路を伝送線路の終端に挿入し反射を抑制する必要がある。もし漏れ波アンテナのサイズをコンパクトにしたい場合、放射に寄与しない信号成分が終端まで到達すると消費されるので、放射効率が上がらなくなる。   Thus, in the leaky wave antenna of the conventional example, a high frequency signal is input from one end of the transmission line. When a part of the high-frequency signal reaches the end of the transmission line without contributing to the leakage wave radiation, it is reflected at the termination and propagates in the opposite direction on the same transmission line, and unnecessary side lobes are generated by the secondary leakage wave radiation. Will be generated. As means for solving this problem, it is necessary to unnecessarily increase the antenna size (line length) or insert an impedance matching circuit at the end of the transmission line to suppress reflection. If it is desired to reduce the size of the leaky wave antenna, signal components that do not contribute to radiation are consumed when they reach the end, and radiation efficiency does not increase.

アンテナサイズをコンパクトに保ちながら、放射効率を高く維持する新しい技術の一つとして、非相反メタマテリアルの利用がある。非相反メタマテリアルとは、順方向と逆方向で透過係数の異なるメタマテリアルのことであり、例えば、順方向伝搬の場合、正の屈折率を示すのに対して、逆方向伝搬の場合、負の屈折率を示すことが可能である。この非相反マテリアル線路を漏れ波アンテナに適用すると、伝送線路に沿って高周波信号の伝搬方向を切り替えても漏れ波放射方向を同一方向に向けることが可能となる。   One of the new technologies for maintaining high radiation efficiency while keeping the antenna size compact is the use of nonreciprocal metamaterials. Non-reciprocal metamaterials are metamaterials with different transmission coefficients in the forward and reverse directions.For example, in the case of forward propagation, a positive refractive index is shown. Can be shown. When this nonreciprocal material line is applied to a leaky wave antenna, the leaky wave radiation direction can be directed in the same direction even if the propagation direction of the high-frequency signal is switched along the transmission line.

この非相反伝送線路からの漏れ波の放射効率を低下させないためには、伝送線路の両端に一対の反射素子を挿入し、多重反射を積極的に利用することにより、入力される高周波信号の大部分を特定方向への漏れ波放射に寄与させることが考えられる。つまり従来技術では、終端で無駄に消費されていた電力が非相反線路を用いることにより有効活用することが可能となり、共振構造によって放射効率の改善が図られる。このような非相反メタマテリアル伝送線路の共振構造は擬似進行波共振器と呼ばれ、いくつかの特徴を有する。   In order not to reduce the radiation efficiency of leakage waves from this nonreciprocal transmission line, a large number of input high-frequency signals can be obtained by inserting a pair of reflecting elements at both ends of the transmission line and actively using multiple reflections. It is conceivable that the portion contributes to leakage wave radiation in a specific direction. In other words, in the prior art, the power that has been wasted at the end can be effectively utilized by using the nonreciprocal line, and the radiation efficiency can be improved by the resonance structure. Such a resonant structure of a nonreciprocal metamaterial transmission line is called a pseudo traveling wave resonator and has several features.

一つ目の特徴としては、共振周波数が共振器サイズによらないことが挙げられ、これを用いると共振周波数を固定したまま、アンテナ形状、サイズを自由に変えることが可能となる。もう一つの特徴は、擬似進行波共振器内の電磁界分布が、自動的に振幅一様となり、一方、位相分布は一定の位相勾配を持つ。この位相勾配は伝送線路の持つ非相反性により決まる量であり、共振条件には関係なく独立して制御可能なパラメータである。   The first feature is that the resonance frequency does not depend on the resonator size. When this is used, the antenna shape and size can be freely changed while the resonance frequency is fixed. Another feature is that the electromagnetic field distribution in the pseudo traveling wave resonator automatically becomes uniform in amplitude, while the phase distribution has a constant phase gradient. This phase gradient is an amount determined by the non-reciprocity of the transmission line, and is a parameter that can be controlled independently regardless of the resonance condition.

従って、共振状態を維持したまま、伝送線路の非相反性を変えることにより、高効率な漏れ波ビーム走査が可能となる。伝送線路に非相反性がない場合、伝送線路内の実効屈折率neffは0となり、伝送線路上の至る所で同位相となるので、伝送線路に対してブロードサイド(垂直)方向に漏れ波が放射する。 Therefore, highly efficient leakage wave beam scanning can be performed by changing the nonreciprocity of the transmission line while maintaining the resonance state. When there is no nonreciprocity in the transmission line, the effective refractive index n eff in the transmission line is 0 and the phase is the same everywhere on the transmission line, so that the leaky wave in the broadside (vertical) direction with respect to the transmission line Radiates.

伝送線路を用いて情報を伝送する場合、信号波は変調波で周波数広がりを持つ。変調波を同一方向に送信するためには、所定の帯域で周波数によらず同一方向にビームを向ける必要がある。従って、ビーム方向の周波数依存性は、ビーム方向がふらつく原因となり、「ビームスクイント」と呼ばれる。このように所定の帯域で情報を送受信するビーム走査アンテナにおいては、ビームスクイントを低減する技術が必要となる。   When information is transmitted using a transmission line, a signal wave is a modulated wave and has a frequency spread. In order to transmit the modulated wave in the same direction, it is necessary to direct the beam in the same direction regardless of the frequency in a predetermined band. Therefore, the frequency dependence of the beam direction causes the beam direction to fluctuate and is called “beam squint”. In this manner, a beam scanning antenna that transmits and receives information in a predetermined band requires a technique for reducing beam squint.

非相反メタマテリアル伝送線路からなる擬似進行波共振に基づく漏れ波アンテナにおいては、伝送線路のもつ非相反性がビーム角を定めることから、ビームスクイント、つまり周波数の変化によるビーム方向のふらつきは、伝送線路の非相反移相特性の周波数分散によって引き起こされる。これは、言い換えると、順方向伝搬と逆方向伝搬の屈折率差の周波数分散に相当する。従って、非相反メタマテリアル伝送線路の伝搬方向による実効屈折率差の周波数分散を抑制すれば、ビームスクイントの低減に結びつく。   In a leaky wave antenna based on pseudo traveling wave resonance consisting of a nonreciprocal metamaterial transmission line, the nonreciprocity of the transmission line determines the beam angle, so beam squint, that is, fluctuations in the beam direction due to frequency changes, are transmitted. This is caused by the frequency dispersion of the nonreciprocal phase shift characteristics of the line. In other words, this corresponds to the frequency dispersion of the difference in refractive index between forward propagation and reverse propagation. Therefore, if the frequency dispersion of the effective refractive index difference due to the propagation direction of the nonreciprocal metamaterial transmission line is suppressed, the beam squint is reduced.

これまでに、擬似進行波共振アンテナのビームスクイントを抑制する方法として、伝送線路の両側にスタブを挿入したダブルスタブ構造を採用し、非相反性の周波数分散の抑制を図った提案がある(例えば、特許文献1〜4参照)。このダブルスタブ構造において、挿入される2本のスタブの役割として、短い方のスタブは、負の誘電率を実現するための誘導性スタブであり、もう一つの長いスタブは、短いスタブの周波数分散を調整するため、高次の誘導性帯域を利用していた。   So far, as a method of suppressing the beam squint of the pseudo traveling wave resonant antenna, there has been a proposal that employs a double stub structure in which stubs are inserted on both sides of the transmission line to suppress nonreciprocal frequency dispersion (for example, And Patent Documents 1 to 4). In this double stub structure, as the two inserted stubs, the shorter stub is an inductive stub for realizing a negative dielectric constant, and the other long stub is a frequency dispersion of the short stub. The higher-order inductive band was used to adjust the frequency.

特許第5234667号公報Japanese Patent No. 5234667 特許第5655256号公報Japanese Patent No. 5655256 国際公開第2012/115245号公報International Publication No. 2012/115245 特開2015−181211号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-181212

しかしながら、長いスタブは高次の誘導性領域を利用していたため、動作帯域の少し低域側で特異点を取るよう設定されていて、線路の分散性が強くなる問題があった。結果として、同線路で共振器を構成すると、隣接する高次の共振モード(半波長共振)が、より接近して共振するようになり、その影響を受けて所望動作の帯域が狭くなる問題があった。   However, since a long stub uses a high-order inductive region, it is set to take a singular point slightly on the lower side of the operating band, and there is a problem that the dispersibility of the line becomes strong. As a result, when a resonator is configured on the same line, the adjacent higher-order resonance mode (half-wave resonance) resonates more closely, and the band of the desired operation is narrowed under the influence. there were.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して広帯域で高周波信号を伝送できる非相反メタマテリアル伝送線路装置及び、当該非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above problems and provide a non-reciprocal metamaterial transmission line device capable of transmitting a high-frequency signal in a wide band compared to the prior art and an antenna device using the non-reciprocal metamaterial transmission line device. There is to do.

第1の発明に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置は、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反メタマテリアル伝送線路装置であって、
上記非相反メタマテリアル伝送線路装置は、マイクロ波信号の伝送線路部分と、上記伝送線路部分からそれぞれ分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む第1及び第2の並列枝の回路と、容量性素子を等価的に含む第3の並列枝の回路とを有する少なくとも1つの単位セルを、第1及び第2のポート間で縦続接続して構成され、
上記少なくとも1つの単位セルのそれぞれは、上記伝送線路部分の伝搬方向とは異なる磁化方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
上記少なくとも1つの単位セルのそれぞれにおいて、上記第1の並列枝の回路は、上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して一方の側に形成され、上記第2の並列枝の回路は、上記面に対して他方の側に形成されたことを特徴とする。
The nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first invention is a nonreciprocal metamaterial transmission line device in which a propagation constant in a forward direction and a propagation constant in a reverse direction are different from each other,
The nonreciprocal metamaterial transmission line device includes a transmission line portion of a microwave signal, a circuit of first and second parallel branches that are branched from the transmission line portion and equivalently include inductive elements. And at least one unit cell having a third parallel branch circuit equivalently including a capacitive element, and configured by cascading between the first and second ports,
Each of the at least one unit cell is magnetized in a magnetization direction different from the propagation direction of the transmission line portion and has a gyro anisotropy or is magnetized by an external magnetic field,
In each of the at least one unit cell, the circuit of the first parallel branch is formed on one side with respect to the plane formed by the propagation direction and the magnetization direction, The circuit is formed on the other side with respect to the surface.

上記非相反メタマテリアル伝送線路装置において、上記伝送線路部分から見た上記第1の並列枝の回路のインピーダンスは、上記伝送線路部分から見た上記第2の並列枝の回路のインピーダンスと同じ誘導性のインピーダンスであることを特徴とする。   In the nonreciprocal metamaterial transmission line device, the impedance of the circuit of the first parallel branch viewed from the transmission line portion is the same inductive as the impedance of the circuit of the second parallel branch viewed from the transmission line portion. It is characterized by having an impedance of.

また、上記非相反メタマテリアル伝送線路装置において、上記第1〜第3の並列枝の回路のパラメータが非相反分散を低くすることによりビームスクインティングを抑制するように調整されていることを特徴とする。   In the nonreciprocal metamaterial transmission line device, the circuit parameters of the first to third parallel branches are adjusted to suppress beam squinting by reducing nonreciprocal dispersion. To do.

さらに、上記非相反メタマテリアル伝送線路装置において、上記第3の並列枝の回路は、
(1)1対の導体間で形成されたキャパシタと、
(2)所定長の線路導体で形成された容量性スタブ線路と、
(3)キャパシタ素子と
のいずれかを含むことを特徴とする。
Furthermore, in the nonreciprocal metamaterial transmission line device, the circuit of the third parallel branch is:
(1) a capacitor formed between a pair of conductors;
(2) a capacitive stub line formed of a line conductor of a predetermined length;
(3) It includes any one of capacitor elements.

またさらに、上記非相反メタマテリアル伝送線路装置において、上記第1と第2の並列枝の回路は上記単位セルの中心又は中心線に対して対称となるように形成されたことを特徴とする。   Still further, in the nonreciprocal metamaterial transmission line device, the first and second parallel branch circuits are formed to be symmetric with respect to the center or the center line of the unit cell.

またさらに、上記非相反メタマテリアル伝送線路装置において、上記第1と第2の並列枝の回路はそれぞれ
(1)上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して一方の側に形成された1つの誘導性スタブと、上記面に対して他方の側に形成された1つの誘導性スタブとで構成され、もしくは、
(2)上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して一方の側に形成された2つの誘導性スタブと、上記面に対して他方の側に形成された2つの誘導性スタブとで構成されたことを特徴とする。
Still further, in the nonreciprocal metamaterial transmission line device, the circuits of the first and second parallel branches are respectively formed on one side with respect to a surface formed by (1) the propagation direction and the magnetization direction. One inductive stub and one inductive stub formed on the other side of the surface, or
(2) Two inductive stubs formed on one side with respect to the surface formed by the propagation direction and the magnetization direction, and two inductive stubs formed on the other side with respect to the surface It is characterized by comprising.

また、上記非相反メタマテリアル伝送線路装置において、上記第1と第2の並列枝の回路に代えて、上記単位セルの伝送線路部分をビア導体を介して接地することで、誘導性スタブを等価的に形成したことを特徴とする。   Further, in the nonreciprocal metamaterial transmission line device, inductive stubs are equivalent by grounding the transmission line portion of the unit cell via via conductors instead of the first and second parallel branch circuits. It is characterized by being formed.

第2の発明に係るアンテナ装置は、
上記非相反メタマテリアル伝送線路装置と、
上記第1及び第2のポートにそれぞれ反射素子を挿入して上記非相反メタマテリアル伝送線路装置を擬似進行波共振器として動作させ、上記第1のポートに送信又は受信するマイクロ波信号を入力又は出力することを特徴とする。
An antenna device according to a second invention is
The nonreciprocal metamaterial transmission line device;
A reflective element is inserted into each of the first and second ports to operate the nonreciprocal metamaterial transmission line device as a pseudo traveling wave resonator, and a microwave signal to be transmitted or received to the first port is input or It is characterized by outputting.

従って、本発明に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置によれば、従来技術に比較して広帯域で高周波信号を伝送できる。また、本発明に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置によれば、従来技術に比較して広帯域で高周波信号を送受信できる。   Therefore, according to the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the present invention, it is possible to transmit a high-frequency signal in a wide band as compared with the prior art. In addition, according to the antenna device using the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the present invention, it is possible to transmit and receive high-frequency signals in a wider band than in the prior art.

従来例に係る漏れ波アンテナ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the leaky wave antenna apparatus which concerns on a prior art example. 比較例に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the nonreciprocal metamaterial transmission line apparatus which concerns on a comparative example. 実施形態1に係る、非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the nonreciprocal metamaterial transmission line apparatus based on Embodiment 1. FIG. 図3の非相反メタマテリアル伝送線路装置において磁界方向を上方向に設定したときの分散曲線を示すグラフである。It is a graph which shows a dispersion curve when the magnetic field direction is set to the upper direction in the nonreciprocal metamaterial transmission line device of FIG. 図3の非相反メタマテリアル伝送線路装置において磁界方向を下方向に設定したときの分散曲線を示すグラフである。It is a graph which shows a dispersion | distribution curve when the magnetic field direction is set to the downward direction in the nonreciprocal metamaterial transmission line device of FIG. 実施形態2に係る、非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた擬似進行波共振器アンテナ装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the pseudo traveling wave resonator antenna apparatus using the nonreciprocal metamaterial transmission line apparatus based on Embodiment 2. FIG. 図5のアンテナ装置の反射特性を示すグラフである。It is a graph which shows the reflective characteristic of the antenna apparatus of FIG. 図5のアンテナ装置のビーム角の周波数依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency dependence of the beam angle of the antenna apparatus of FIG. 図5のアンテナ装置において印加磁界を変化したときのビーム走査特性を示すグラフである。It is a graph which shows the beam scanning characteristic when the applied magnetic field is changed in the antenna apparatus of FIG. 変形例1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the nonreciprocal metamaterial transmission line apparatus which concerns on the modification 1. FIG. 変形例2に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the nonreciprocal metamaterial transmission line apparatus which concerns on the modification 2. FIG. 変形例3に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the nonreciprocal metamaterial transmission line apparatus which concerns on the modification 3. FIG. 図11AのA−A’線についての縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view about the A-A 'line | wire of FIG. 11A. 変形例4に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the nonreciprocal metamaterial transmission line apparatus which concerns on the modification 4. 変形例5に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。10 is a plan view showing a configuration of a nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Modification 5. FIG.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

図2は比較例に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す縦断面図である。図2において、例えば直方体形状のフェライト角棒10を、裏面に接地導体11を有する厚さdの1対の誘電体基板13,14により挟設し、フェライト角棒10上に線路導体を構成する幅wのストリップ導体12を形成する。ここで、例えば永久磁石40を用いて、例えば上方向(基板面に対して垂直な方向で接地導体11からストリップ導体12に向う方向をいう。)でフェライト角棒10に対して磁界Mefを印加することでフェライト角棒10を磁化する。以上のように構成された伝送線路装置において、ストリップ導体12と接地導体11とによりマイクロストリップ線路を構成する。 FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a nonreciprocal metamaterial transmission line device according to a comparative example. In FIG. 2, for example, a rectangular parallelepiped ferrite square bar 10 is sandwiched between a pair of dielectric substrates 13 and 14 having a thickness d having a ground conductor 11 on the back surface, and a line conductor is formed on the ferrite square bar 10. A strip conductor 12 having a width w is formed. Here, for example, using the permanent magnet 40, the magnetic field Mef is applied to the ferrite square bar 10 in the upward direction (referred to as a direction perpendicular to the substrate surface from the ground conductor 11 toward the strip conductor 12). When applied, the ferrite square bar 10 is magnetized. In the transmission line device configured as described above, the strip conductor 12 and the ground conductor 11 constitute a microstrip line.

右手/左手系複合伝送線路の非相反移相性は、時間反転対称性を破る強磁性体、フェリ磁性体(図2におけるフェライト角棒10)もしくは人工構造体の利用と、空間反転対称性を破る導波路構造の非対称性との組み合わせによって起こる。具体例として、垂直磁化マイクロストリップ線路に沿って伝搬するエッジガイドモードの電磁界分布が、伝搬方向と垂直な横方向断面上において、非対称に偏ってストリップエッジの一方に分布し、その偏る側が伝搬方向で切り替わる性質を持つ。これに対して、導波路構造に非対称性を与えるために、中央のマイクロストリップ線路の両側面に対して、スタブを非対称に挿入すると、電磁波は伝搬方向の選び方により、異なった導波路構造に感じることから非相反性が発現する。このとき非相反移相特性は次式で与えられる。   The nonreciprocal phase shift of the right / left-handed composite transmission line breaks the space reversal symmetry with the use of a ferromagnetic, ferrimagnetic (ferrite square bar 10 in FIG. 2) or artificial structure that breaks the time reversal symmetry. This occurs in combination with the asymmetry of the waveguide structure. As a specific example, the electromagnetic field distribution of the edge guide mode propagating along the perpendicular magnetization microstrip line is distributed asymmetrically on one side of the strip edge on the transverse cross section perpendicular to the propagation direction, and the polarized side propagates. It has the property of switching in direction. On the other hand, when a stub is inserted asymmetrically with respect to both side surfaces of the central microstrip line in order to give asymmetry to the waveguide structure, the electromagnetic wave feels different waveguide structures depending on how the propagation direction is selected. Therefore, nonreciprocity appears. At this time, the nonreciprocal phase shift characteristic is given by the following equation.

Figure 2017152781
Figure 2017152781

但し、Δβは順方向と逆方向の位相定数βp,βmの平均値を表す。順方向と逆方向の位相定数が等しければΔβは0となる。   However, Δβ represents an average value of the phase constants βp and βm in the forward direction and the reverse direction. If the forward and reverse phase constants are equal, Δβ is zero.

式(2)の変数BとBは、図2に示すように、垂直磁化マイクロストリップ線路において、伝搬方向に対して向かって、磁性体であるフェライト角棒10の左側及び右側の側面におけるアドミタンスY及びYの虚部サセプタンスのことである。変数pは単位セルの長さ、lNRは非対称構造部分の占める線路部分の長さのことなので、lNR/pは単位セル長における非相反線路部分の占める割合を表す。また、角周波数ω=γμは、透磁率テンソルの非対角成分の大きさに関係し、フェライト角棒10の垂直磁化Mと磁気回転比γにより表され、時間反転対称性の破れの大きさを表す。一方、因子(B−B)は、挿入された2つのスタブのもつサセプタンスB,Bの差であり、導波路構造の非対称つまり、空間反転対称性の破れを表す。 As shown in FIG. 2, the variables B 1 and B 2 in the expression (2) are the values on the left and right side surfaces of the ferrite square bar 10 that is a magnetic material in the perpendicular magnetization microstrip line toward the propagation direction. is that the admittance Y 1 and Y 2 of the imaginary part susceptance. Since the variable p is the length of the unit cell and l NR is the length of the line portion occupied by the asymmetric structure portion, l NR / p represents the ratio of the nonreciprocal line portion in the unit cell length. Furthermore, the angular frequency ω m = γμ 0 M S is related to the magnitude of the off-diagonal components of the permeability tensor, represented by a vertical magnetization M S and the gyromagnetic ratio of the ferrite rectangular bar 10 gamma, time-reversal symmetry Represents the size of the tear. On the other hand, the factor (B 1 -B 2 ) is the difference between the susceptances B 1 and B 2 of the two inserted stubs, and represents the asymmetry of the waveguide structure, that is, the breaking of the space inversion symmetry.

図2の比較例に係る垂直磁化マイクロストリップ線路からなる右手/左手系複合伝送線路構造において、負の誘電率を得るために挿入されていた誘導性スタブLのサセプタンスは、−1/ωLであり、この誘導性スタブを一方向から挿入する場合に見られる非相反性が動作周波数の逆数に比例することは、非相反右手/左手系複合伝送線路において、よく知られている事実であるが、式(2)を用いてB=0,B=−1/ωLとすれば容易に説明がつく。 In the right-hand / left-handed composite transmission line structure composed of the perpendicular magnetization microstrip line according to the comparative example of FIG. 2, the susceptance of the inductive stub L inserted to obtain a negative dielectric constant is −1 / ωL. The fact that the non-reciprocity seen when inserting this inductive stub from one direction is proportional to the reciprocal of the operating frequency is a well-known fact in non-reciprocal right / left-handed composite transmission lines, If B 1 = 0 and B 2 = −1 / ωL using the formula (2), the explanation can be made easily.

式(1)が近似的に成り立つとすると、非相反移相特性の周波数分散を0にするためには、(B−B)がそのまま周波数に比例すればよい。このようなサセプタンスB,Bの組み合わせは容量性素子を利用すれば容易に構成可能である。例えば、図2において、右側のみに容量性スタブCを挿入すると、B=0,B=ωCとなるので、動作周波数に比例した非相反性が期待できる。しかしながら、その一方で、右手/左手系複合伝送線路を構成するためには、誘導性スタブのみでは、負の誘電率の発現は困難であり、誘導性スタブの挿入も不可欠である。 Assuming that equation (1) is approximately established, in order to make the frequency dispersion of the nonreciprocal phase shift characteristic zero, (B 1 -B 2 ) may be directly proportional to the frequency. Such a combination of susceptances B 1 and B 2 can be easily configured by using a capacitive element. For example, in FIG. 2, if a capacitive stub C is inserted only on the right side, B 1 = 0 and B 2 = ωC, so that non-reciprocity proportional to the operating frequency can be expected. However, on the other hand, in order to construct a right-hand / left-handed composite transmission line, it is difficult to develop a negative dielectric constant with only an inductive stub, and insertion of the inductive stub is indispensable.

本発明に係る実施形態では、非相反性の発現のために、容量性スタブを非対称に挿入することを採用し、一方、負の誘電率を実現するためには、誘導性スタブが非相反性に寄与しないよう、マイクロストリップ線路の両側から対称に挿入することを提案する。   Embodiments according to the present invention employ asymmetric insertion of capacitive stubs for nonreciprocity, while inductive stubs are nonreciprocal to achieve a negative dielectric constant. It is proposed to insert symmetrically from both sides of the microstrip line so that it does not contribute to.

実施形態1.
図3は実施形態1に係る、非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。実施形態1では、提案する非相反移相特性の周波数分散が0の右手/左手系複合伝送線路を示す。図3において、それぞれ接地導体(例えば図2の11)とストリップ導体12からなる複数の単位セル20が縦続接続されてなるマイクロストリップ線路の金属ストリップ導体12の直下に垂直磁化フェライト角棒10(例えば図2の永久磁石40により磁界を印加)が埋め込まれた構造に対して、単位セル20の直列枝にはキャパシタCs(ただし、両端のポートP1,P2では、キャパシタ2Cs)が挿入され、ストリップ導体12の片側(線路の長手方向に垂直な方向の片側をいい、図3の下側)には容量性スタブを構成するためにストリップ導体16を介してスタブ導体17(誘電体基板14を挟設するスタブ導体17及び接地導体11によりキャパシタを形成)が挿入され、ストリップ導体12の両側(線路の長手方向に垂直な方向(水平面)の両側(以下、両側という。)をいい、図3の上下側)には、ストリップ導体12の中心に対して例えば点対称で対称性のあるように誘導性スタブを構成するための1対のスタブ導体15a,15bが挿入されている。ここで、スタブ導体15aはストリップ導体12の両側の第2のポートP2に近い方の端部に形成され、スタブ導体15bはストリップ導体12の両側の第1のポートP1に近い方の端部に形成される。
Embodiment 1. FIG.
FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first embodiment. Embodiment 1 shows a proposed right-hand / left-handed composite transmission line in which the frequency dispersion of the proposed nonreciprocal phase shift characteristic is zero. In FIG. 3, a perpendicularly magnetized ferrite square bar 10 (for example, directly below a metal strip conductor 12 of a microstrip line in which a plurality of unit cells 20 each composed of a ground conductor (for example, 11 in FIG. 2) and a strip conductor 12 are connected in cascade. In contrast to the structure in which the magnetic field is applied by the permanent magnet 40 in FIG. 2, a capacitor Cs (however, the capacitor 2Cs at the ports P1 and P2 at both ends) is inserted in the series branch of the unit cell 20, and the strip conductor. On one side of 12 (referring to one side perpendicular to the longitudinal direction of the line, the lower side of FIG. 3), a stub conductor 17 (dielectric substrate 14 is interposed) via a strip conductor 16 to form a capacitive stub. The stub conductor 17 and the ground conductor 11 form a capacitor, and both sides of the strip conductor 12 (the one perpendicular to the longitudinal direction of the line) On both sides of the (horizontal plane) (hereinafter referred to as both sides), the top and bottom sides in FIG. A pair of stub conductors 15a and 15b are inserted. Here, the stub conductor 15a is formed at the end closer to the second port P2 on both sides of the strip conductor 12, and the stub conductor 15b is at the end closer to the first port P1 on both sides of the strip conductor 12. It is formed.

さらに、伝送線路の両端の第1のポートP1及び第2のポートP2のうち、第1のポートP1のためにストリップ導体12P1が誘電体基板13,14上に形成され、第2のポートP2のためにストリップ導体12P2が誘電体基板13,14上に形成される。   Further, of the first port P1 and the second port P2 at both ends of the transmission line, a strip conductor 12P1 is formed on the dielectric substrates 13 and 14 for the first port P1, and the second port P2 Therefore, the strip conductor 12P2 is formed on the dielectric substrates 13 and 14.

以上の実施形態において、フェライト角棒10は線路直下に設けられた永久磁石40(図2)により垂直方向に磁化されているが、本発明はこれに限らず、フェライト角棒10を予め磁化してもよい。   In the above embodiment, the ferrite square bar 10 is magnetized in the vertical direction by the permanent magnet 40 (FIG. 2) provided immediately below the line. However, the present invention is not limited to this, and the ferrite square bar 10 is magnetized in advance. May be.

上記の非相反メタマテリアル伝送線路である梯子型非可逆右手/左手系伝送線路の構成は、例えば図3に示すように、例えば単位セル20が少なくとも1つ以上から構成される梯子型伝送線路構成である。ここで、単位セル20の構成は、順方向と逆方向の伝搬定数が異なる非可逆位相推移現象を有する伝送線路部分を含み、直列枝の回路に容量性素子、並列枝の回路に誘導性素子が等価的に挿入された構成を有する(図2参照)。上記伝送線路構成として対象となる回路又は装置は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレーナ線路などマイクロ波、ミリ波、準ミリ波、テラヘルツ波において用いられるプリント基板回路、導波管、誘電体線路だけでなく、プラズモン、ポラリトン、マグノン等を含む導波モードあるいは減衰モードを支える構成全般、あるいはそれらの組み合わせ、さらに等価回路として記述可能な自由空間など全てが含まれる。   The ladder-type nonreciprocal right / left-handed transmission line, which is the nonreciprocal metamaterial transmission line, has a ladder-type transmission line structure in which, for example, as shown in FIG. It is. Here, the configuration of the unit cell 20 includes a transmission line portion having a nonreciprocal phase transition phenomenon having different propagation constants in the forward direction and the reverse direction, a capacitive element in a series branch circuit, and an inductive element in a parallel branch circuit. Are equivalently inserted (see FIG. 2). Circuits or devices targeted as the above transmission line configurations include printed circuit boards, waveguides, dielectrics used in microwaves, millimeter waves, quasi-millimeter waves, terahertz waves, such as strip lines, microstrip lines, slot lines, and coplanar lines. This includes not only body lines but also all configurations that support guided modes or attenuation modes including plasmons, polaritons, magnons, etc., or combinations thereof, and free space that can be described as an equivalent circuit.

上記非可逆位相推移現象を有する伝送線路は、上記に示す伝送線路構成のうち、特にジャイロ異方性を有する材料を部分的もしくは全体的に含み、かつ電磁波の伝搬方向に対して異なる磁化方向(より好ましくは、伝搬方向に対して直交する方向)で磁化されて、上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して非対称性を有する構造の伝送線路より構成される。上記非可逆位相推移現象を有する伝送線路としては、上記伝送線路以外に、同等の非可逆位相推移機能を有する、波長に比べて充分小さな集中定数素子も対象とする。上記ジャイロ異方性を有する材料としては、自発磁化もしくは外部より印加した直流もしくは低周波の磁界により誘起された磁化あるいは自由電荷の周回運動により、材料の特性を表す誘電率テンソルもしくは透磁率テンソルあるいはその両方が、ジャイロ異方性を持つ状態として表される場合全てを含む。具体的に対象となる例としては、マイクロ波、ミリ波などで用いられるフェライトなどのフェリ磁性体、強磁性体材料、固体プラズマ(半導体材料など)及び液体、気体プラズマ媒質、さらに微細加工などにより構成された磁性人工媒質などが挙げられる。   The transmission line having the irreversible phase transition phenomenon includes a material having gyro anisotropy in part or in whole in the transmission line configuration shown above, and a magnetization direction (different from the propagation direction of electromagnetic waves) More preferably, the transmission line is composed of a transmission line that is magnetized in a direction orthogonal to the propagation direction and has an asymmetry with respect to a plane formed by the propagation direction and the magnetization direction. As the transmission line having the nonreciprocal phase transition phenomenon, in addition to the transmission line, a lumped constant element having an equivalent nonreciprocal phase transition function and sufficiently smaller than the wavelength is also targeted. As the material having the above gyro anisotropy, a dielectric constant tensor or a magnetic permeability tensor representing the characteristics of the material by spontaneous magnetization, magnetization induced by a direct-current or low-frequency magnetic field applied from the outside, or circular motion of free charge, or Both include all cases expressed as states having gyro anisotropy. Specific examples include ferrimagnetic materials such as ferrite used in microwaves and millimeter waves, ferromagnetic materials, solid plasmas (semiconductor materials, etc.) and liquids, gas plasma media, and microfabrication. Examples include magnetic artificial media that are configured.

上記直列枝の回路に挿入される容量性素子としては、電気回路でよく用いられるコンデンサ、マイクロ波、ミリ波回路などで用いられる分布定数型容量素子だけでなく、等価的には、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効透磁率が負の値を持つような回路又は回路素子であってもよい。負の実効透磁率を示す具体的な例としては、金属からなるスプリットリング共振器、スパイラル構成などの磁気的共振器を少なくとも1つ含む空間的配置、あるいは磁気的共振状態にある誘電体共振器の空間的配置、あるいはフェライト基板マイクロストリップ線路に沿って伝搬するエッジモードのように、負の実効透磁率を持つ導波モードもしくは減衰モードで動作するマイクロ波回路全てを、等価回路として直列枝の回路が容量性素子として支配的に動作する線路として記述されることから用いることが可能である。さらに、上記直列枝の回路に挿入される容量性素子としては、上記以外に、容量性素子と誘導性素子の直列接続、並列接続あるいはそれらの組み合わせであってもよい。挿入されるべき部分の素子又は回路が全体として容量性を示すものであってもよい。   Capacitive elements inserted in the above-mentioned series branch circuit include not only distributed constant type capacitive elements used in capacitors, microwaves, millimeter wave circuits, etc. often used in electric circuits, but equivalently, in transmission lines It may be a circuit or a circuit element in which the effective permeability of the electromagnetic wave mode propagating through the channel has a negative value. Specific examples of negative effective permeability include a split ring resonator made of metal, a spatial arrangement including at least one magnetic resonator such as a spiral configuration, or a dielectric resonator in a magnetic resonance state All microwave circuits operating in the waveguide mode or attenuation mode with negative effective magnetic permeability, such as the edge mode propagating along the ferrite substrate microstrip line, as an equivalent circuit It can be used because the circuit is described as a line that operates predominantly as a capacitive element. In addition to the above, the capacitive element inserted into the series branch circuit may be a series connection, a parallel connection, or a combination of a capacitive element and an inductive element. The element or circuit of the part to be inserted may be capacitive as a whole.

上記並列枝の回路に挿入される誘導性素子として、電気回路で用いられるコイルなどの集中定数型素子や、マイクロ波、ミリ波回路などで用いられる短絡スタブなどの分布定数型誘導性素子だけでなく、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効誘電率が負の値を持つ回路又は素子を用いることができる。具体的には、金属細線、金属球などの電気的共振器を少なくとも1つ含む空間的配置、あるいは金属だけでなく電気的共振状態にある誘電体共振器の空間的配置、あるいはTEモードが遮断領域にある導波管、平行平板線路など、負の実効誘電率を持つ導波モードもしくは減衰モードで動作するマイクロ波回路全てを、等価回路として並列枝が誘導性素子として支配的に動作する伝送線路として記述されることから用いることができる。また、上記並列枝の回路に挿入される誘導性素子としては、上記以外に、容量性素子と誘導性素子の直列接続、並列接続あるいはそれらの組み合わせであってもよい。挿入されるべき部分が全体として誘導性を示す回路又は素子であってもよい。   As an inductive element inserted into the above-mentioned parallel branch circuit, only a lumped constant type element such as a coil used in an electric circuit or a distributed constant type inductive element such as a short-circuit stub used in a microwave or millimeter wave circuit is used. Alternatively, a circuit or element having a negative effective dielectric constant of the electromagnetic wave mode propagating through the transmission line can be used. Specifically, a spatial arrangement including at least one electric resonator such as a thin metal wire or a metal sphere, or a spatial arrangement of a dielectric resonator in an electric resonance state as well as a metal, or a TE mode is cut off. Transmission in which the parallel branch is dominantly operated as an inductive element as an equivalent circuit for all microwave circuits operating in the waveguide mode or attenuation mode having a negative effective dielectric constant, such as waveguides and parallel plate lines in the region It can be used because it is described as a track. In addition to the above, the inductive element inserted into the parallel branch circuit may be a series connection, a parallel connection, or a combination of a capacitive element and an inductive element. The part to be inserted may be a circuit or an element that exhibits inductivity as a whole.

図4Aは図3の非相反メタマテリアル伝送線路装置において磁界方向を上方向(接地導体11からストリップ導体12に向う方向をいう。)に設定したときの分散曲線を示すグラフである。また、図4Bは図3の非相反メタマテリアル伝送線路装置において磁界方向を下方向(ストリップ導体12から接地導体11に向う方向をいう。)に設定したときの分散曲線を示すグラフである。本発明者らは、電磁界シミュレーションにより、図3の非相反メタマテリアル伝送線路装置(非相反複合右手/左手伝送線路装置ともいう。)のシミュレーションを行い、実効磁化がγμMef=170mTの場合の伝送特性から求められる分散曲線と非相反移相特性を図4A及び図4Bに示す。 FIG. 4A is a graph showing a dispersion curve when the magnetic field direction is set upward (referred to as a direction from the ground conductor 11 to the strip conductor 12) in the nonreciprocal metamaterial transmission line device of FIG. FIG. 4B is a graph showing a dispersion curve when the magnetic field direction is set downward (referred to as a direction from the strip conductor 12 to the ground conductor 11) in the nonreciprocal metamaterial transmission line device of FIG. The present inventors perform simulation of the nonreciprocal metamaterial transmission line device (also referred to as nonreciprocal composite right / left handed transmission line device) of FIG. 3 by electromagnetic field simulation, and the effective magnetization is γμ 0 Mef = 170 mT. FIG. 4A and FIG. 4B show dispersion curves and nonreciprocal phase shift characteristics obtained from the transmission characteristics of FIG.

但し、図4A及び図4Bにおいて、高周波信号電力の流れの正方向として図3の第1のポートP1から入力した場合を選んでいる。また、図4A及び図4Bには、シミュレーションと同じ構造パラメータを持つ回路を試作し、永久磁石40を用いて135mTの外部直流磁界を印加した場合の測定結果も一緒に描いている。なお、誘電体基板13,14及びフェライト角棒10に対して接地面と反対方向を向く垂直上向き方向を印加磁界の正方向として選び、磁化及び磁界の向きを正の方向にとった場合の結果を図4Aに示す、負の方向にとった場合を図4Bに示す。   However, in FIGS. 4A and 4B, the case of inputting from the first port P1 in FIG. 3 as the positive direction of the flow of the high-frequency signal power is selected. FIGS. 4A and 4B also show the measurement results when a circuit having the same structural parameters as the simulation is prototyped and an external DC magnetic field of 135 mT is applied using the permanent magnet 40. The result when the vertically upward direction facing the direction opposite to the ground plane with respect to the dielectric substrates 13 and 14 and the ferrite square bar 10 is selected as the positive direction of the applied magnetic field, and the magnetization and magnetic field directions are set to the positive direction. 4A is shown in FIG. 4A and is taken in the negative direction.

図4A及び図4Bには、原点を通る一点鎖線の直線が描かれているが、これが周波数分散のない非相反移相特性の場合であり、ビームスクイントが0となる条件でもある。図4から明らかなように、試作して測定を行った回路の分散曲線はいずれも、ビームスクイントがほぼ0を示す線路の特性とよく一致していることが分かる。   In FIGS. 4A and 4B, a one-dot chain line that passes through the origin is drawn. This is a case of nonreciprocal phase shift characteristics without frequency dispersion, and is also a condition that the beam squint becomes zero. As is clear from FIG. 4, it can be seen that the dispersion curves of the circuits that were manufactured by making a trial production are in good agreement with the characteristics of the line in which the beam squint is almost zero.

本実施形態に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置によれば、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反メタマテリアル伝送線路装置であって、上記非相反メタマテリアル伝送線路装置は、マイクロ波信号の伝送線路部分(ストリップ導体12と接地導体11とによるマイクロストリップ線路)と、上記伝送線路部分からそれぞれ分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む第1及び第2の並列枝の回路(スタブ導体15a,15bによる誘導性スタブ)と、容量性素子を等価的に含む第3の並列枝の回路(スタブ導体17による容量性スタブ)とを有する少なくとも1つの単位セル20を、第1及び第2のポートP1,P2間で縦続接続して構成される。ここで、上記少なくとも1つの単位セル20のそれぞれは、上記伝送線路部分の伝搬方向とは異なる磁化方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、上記少なくとも1つの単位セル20のそれぞれにおいて、上記第1の並列枝の回路は、上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して一方の側に形成され、上記第2の並列枝の回路は、上記面に対して他方の側に形成される。   According to the non-reciprocal metamaterial transmission line device according to the present embodiment, the non-reciprocal metamaterial transmission line device having a forward propagation constant and a reverse propagation constant different from each other, Are a first transmission line portion of a microwave signal (a microstrip line formed by the strip conductor 12 and the ground conductor 11), and a first and a second portion that are provided separately from the transmission line portion and that include equivalent inductive elements. At least one unit cell having a parallel branch circuit (inductive stub with stub conductors 15a and 15b) and a third parallel branch circuit (capacitive stub with stub conductor 17) equivalently including a capacitive element. 20 is connected in cascade between the first and second ports P1, P2. Here, each of the at least one unit cell 20 is magnetized in a magnetization direction different from the propagation direction of the transmission line portion and has a gyro anisotropy or is magnetized by an external magnetic field, In each of the at least one unit cell 20, the circuit of the first parallel branch is formed on one side with respect to the plane formed by the propagation direction and the magnetization direction, and the second parallel branch This circuit is formed on the other side of the surface.

ここで、好ましくは、上記伝送線路部分から見た上記第1の並列枝の回路のインピーダンスは、上記伝送線路部分から見た上記第2の並列枝の回路のインピーダンスと同じ誘導性のインピーダンスに設定される。また、上記第1〜第3の並列枝の回路のパラメータが、ビームスクイントを抑制するように調整されることが好ましい。   Here, preferably, the impedance of the circuit of the first parallel branch viewed from the transmission line portion is set to the same inductive impedance as the impedance of the circuit of the second parallel branch viewed from the transmission line portion. Is done. Moreover, it is preferable that the parameters of the circuits of the first to third parallel branches are adjusted so as to suppress beam squint.

以上説明したように本実施形態によれば、実施形態1の線路構造により、非相反分散を低くすることが容易であって、非相反性の周波数分散性の帯域を広く取ることができ、広帯域の信号を伝送することができる。また、上述のように、ビームスクイントを従来技術に比較して大幅に低減できる。これにより、ビーム走査アンテナにおいて、動作周波数の変化に伴いビーム方向が変動してしまう問題点を解決できる。   As described above, according to the present embodiment, the non-reciprocal dispersion can be easily reduced by the line structure of the first embodiment, and the non-reciprocal frequency dispersion band can be widened. Can be transmitted. Further, as described above, the beam squint can be greatly reduced as compared with the prior art. Thereby, in the beam scanning antenna, the problem that the beam direction fluctuates with the change of the operating frequency can be solved.

実施形態2.
図5は実施形態2に係る、非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた擬似進行波共振器アンテナ装置の構成を示す平面図である。実施形態2では、実施形態1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の両端が短絡となるよう反射素子を挿入し、一方の反射素子に対して、50Ωの給電線をインピーダンス整合の取れる位置で直接接続することで、擬似進行波共振器によるアンテナ装置を構成したことを特徴としている。具体的には、図3の非相反メタマテリアル伝送線路装置に比較して以下の点が異なる。
(1)第1のポートP1には、誘電体基板18上において、λg/4の線路長を有して線路端P1Eで開放端となるストリップ導体21を接続し、ストリップ導体21において50Ωの給電線によりインピーダンス整合の取れる位置で接続される給電線用ストリップ導体22を誘電体基板18上に形成した。なお、ストリップ導体21,22はマイクロストリップ線路の線路導体を構成する。
(2)第2のポートP2には、誘電体基板19上において、線路端P2Eで短絡端となるようなストリップ導体23を形成した。なお、線路端P2Eは、厚さ方向に貫通するビア導体を介して接地導体11に接地される。
(3)ストリップ導体16の幅をスタブ導体17の幅と同じにし、これにより、ストリップ導体16により接地導体11に対して容量性スタブとなり、容量値を実施形態1に比較して増大できる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a pseudo traveling wave resonator antenna device using a nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the second embodiment. In the second embodiment, a reflection element is inserted so that both ends of the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first embodiment are short-circuited, and a 50Ω feeder is directly connected to one reflection element at a position where impedance matching can be obtained. By connecting, an antenna device using a pseudo traveling wave resonator is configured. Specifically, the following points are different from the non-reciprocal metamaterial transmission line device of FIG.
(1) A strip conductor 21 having a line length of λg / 4 and having an open end at the line end P1E is connected to the first port P1 on the dielectric substrate 18, and the strip conductor 21 supplies 50Ω. A feeder line strip conductor 22 connected at a position where impedance matching can be obtained by an electric wire was formed on the dielectric substrate 18. The strip conductors 21 and 22 constitute a line conductor of a microstrip line.
(2) In the second port P2, a strip conductor 23 is formed on the dielectric substrate 19 so as to be a short-circuited end at the line end P2E. The line end P2E is grounded to the ground conductor 11 via a via conductor penetrating in the thickness direction.
(3) The width of the strip conductor 16 is made the same as the width of the stub conductor 17, so that the strip conductor 16 becomes a capacitive stub with respect to the ground conductor 11, and the capacitance value can be increased as compared with the first embodiment.

図6は単位セル数が10の場合の図5のアンテナ装置の反射特性を示すグラフである。図6から明らかなように、反射が低下しているノッチの部分が各共振モードに対応しており、本発明者らは、本実施形態に関係する所望の共振動作は、周波数5.76GHzの場合に該当することが、電磁界シミュレーションより得られる電磁界分布の様子から確認した。   FIG. 6 is a graph showing the reflection characteristics of the antenna apparatus of FIG. 5 when the number of unit cells is 10. As is clear from FIG. 6, the notch portion where the reflection is reduced corresponds to each resonance mode, and the present inventors have found that the desired resonance operation related to the present embodiment has a frequency of 5.76 GHz. It was confirmed from the state of the electromagnetic field distribution obtained from the electromagnetic field simulation that it corresponds to the case.

図7は、単位セル数が10及び20の場合の、図5のアンテナ装置のビーム角の周波数依存性を示すグラフである。図7から明らかなように、本実施形態で提案した非相反メタマテリアル伝送線路装置からなる擬似進行波共振器アンテナ装置を用いて放射ビームを形成させると周波数の変化に伴うビーム方向の変化、つまりビームスクイントが大幅に低減していることが分かる。但し、ビームスクイントは完全には0にはなっておらず、わずかであるが右肩上がりの傾きが残っている。このわずかな位相勾配の影響を許せば、10セルの構造の場合で、5.4GHzから5.9GHzに亘る比帯域は約8.5%であり、20セル構造の場合で、5.5GHzから5.8GHzまでの比帯域約6%の領域で、ビームスクイントの低減技術が機能していることが確認できる。   FIG. 7 is a graph showing the frequency dependence of the beam angle of the antenna apparatus of FIG. 5 when the number of unit cells is 10 and 20. As is apparent from FIG. 7, when a radiated beam is formed using the pseudo traveling wave resonator antenna device composed of the nonreciprocal metamaterial transmission line device proposed in this embodiment, the change in the beam direction accompanying the change in frequency, that is, It can be seen that the beam squint is greatly reduced. However, the beam squint is not completely zero, and a slight upward slope remains. If the influence of this slight phase gradient is allowed, the ratio band from 5.4 GHz to 5.9 GHz is about 8.5% in the case of the 10-cell structure, and from 5.5 GHz in the case of the 20-cell structure. It can be confirmed that the beam squint reduction technology is functioning in the region of about 6% of the specific bandwidth up to 5.8 GHz.

図8は図5のアンテナ装置において印加磁界を変化したときのビーム走査特性を示すグラフである。図8では、アンテナ装置に対する印加磁界を変えた場合のビーム角の変化とその周波数依存性の数値計算結果を示す。直流磁界が印加されていない場合と、直流磁界が印加され実効磁化がγμef=170mTの場合とで、動作の中心周波数に大きな変動が見られるが、それでも周波数5.5GHzから5.75GHzの比帯域約5%に亘って、ビームスクイントが大幅に低減した状態で、−8°から10°に亘って連続的にビーム走査できることがわかる。 FIG. 8 is a graph showing the beam scanning characteristics when the applied magnetic field is changed in the antenna apparatus of FIG. FIG. 8 shows the numerical calculation results of the change in beam angle and the frequency dependence when the applied magnetic field to the antenna device is changed. Although there is a large variation in the center frequency of operation between the case where no DC magnetic field is applied and the case where the DC magnetization is applied and the effective magnetization is γμ 0 M ef = 170 mT, the frequency still varies from 5.5 GHz to 5.75 GHz. It can be seen that the beam can be continuously scanned from −8 ° to 10 ° in a state where the beam squint is greatly reduced over a specific bandwidth of about 5%.

以上説明したように本実施形態によれば、実施形態1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の両端にそれぞれ反射素子を挿入することで擬似進行波共振器を構成し、これにマイクロ波信号を入力して送信し、もしくはマイクロ波信号を受信して出力するアンテナ装置を構成できる。当該アンテナ装置は、従来技術に比較して広帯域なマイクロ波信号を送受信することができ、しかもビームスクイントを従来技術に比較して大幅に低減できる。   As described above, according to the present embodiment, a pseudo traveling wave resonator is configured by inserting reflective elements at both ends of the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first embodiment, and a microwave signal is transmitted to this. An antenna device can be configured to input and transmit or receive and output a microwave signal. The antenna device can transmit and receive a broadband microwave signal compared to the prior art, and can significantly reduce the beam squint compared to the prior art.

変形例.
以下において、実施形態1の変形例について説明するが、各変形例は実施形態2と同様にアンテナ装置を構成できる。
Modified example.
In the following, modifications of the first embodiment will be described, but each modification can constitute an antenna device as in the second embodiment.

図9は変形例1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。変形例1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置は、図9に示すように、実施形態1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置に比較して、ストリップ導体16を形成せず、端部開放でかつ所定の線路長で容量性をとる、分布定数回路としてのストリップ導体16Aにより容量性スタブを形成したことを特徴とする。   FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first modification. As shown in FIG. 9, the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Modification 1 does not form the strip conductor 16 and has an open end compared to the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first embodiment. In addition, a capacitive stub is formed by a strip conductor 16A as a distributed constant circuit which has a capacitance with a predetermined line length.

図10は変形例2に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。変形例2に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置は、図10に示すように、変形例1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置に比較して、分布定数回路としての容量性スタブ導体17に代えて、端部を接地導体11に、厚さ方向で貫通するビア導体を介して接地したチップキャパシタC17を接続したことを特徴としている。   FIG. 10 is a plan view showing a configuration of a nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Modification 2. As shown in FIG. 10, the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the modified example 2 is replaced with a capacitive stub conductor 17 as a distributed constant circuit as compared with the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the modified example 1. Thus, the chip capacitor C17 whose end is grounded is connected to the ground conductor 11 via a via conductor penetrating in the thickness direction.

図11Aは変形例3に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図であり、図11Bは図11AのA−A’線についての縦断面図である。変形例3に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置は、図11A及び図11Bに示すように、実施形態1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置に比較して、スタブ導体17のみで形成し、線路導体を構成するストリップ導体12の概ね中心を、厚さ方向に貫通するビア導体41を介して接地導体11に接地したことを特徴としている。図3のスタブ導体15a,15bに代えて、ビア導体41の接地により誘導性スタブ回路を構成している。変形例3では、非相反性への影響を抑制する誘導性シャント枝の挿入方法の例を示しており、線路導体であるストリップ導体12の中央にビア導体41を挿入することで、図3のスタブ導体15a,15bのように大きなインダクタンスは取れないが、非相反性に影響を与えない。   FIG. 11A is a plan view showing a configuration of a nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Modification 3, and FIG. 11B is a longitudinal sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 11A. 11A and 11B, the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the modified example 3 is formed of only the stub conductor 17 as compared with the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first embodiment. It is characterized in that the center of the strip conductor 12 constituting the conductor is grounded to the ground conductor 11 via a via conductor 41 penetrating in the thickness direction. Instead of the stub conductors 15a and 15b in FIG. 3, an inductive stub circuit is configured by grounding the via conductor 41. Modification 3 shows an example of an inductive shunt branch insertion method that suppresses the influence on nonreciprocity. By inserting a via conductor 41 in the center of a strip conductor 12 that is a line conductor, FIG. Although a large inductance cannot be obtained like the stub conductors 15a and 15b, non-reciprocity is not affected.

図12は変形例4に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。変形例4に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置は、図12に示すように、実施形態1に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置に比較して、誘導性スタブ導体15a,15bに加えて、スタブ導体15c,15dが挿入される。スタブ導体15cはストリップ導体12の両側の第1のポートP1に近い方の端部に形成され、スタブ導体15dはストリップ導体12の両側の第2のポートP2に近い方の端部に形成される。変形例4における誘導性スタブ導体15a〜15dは線路導体を構成するストリップ導体12の中心線(線路の幅方向の中心線をいう。)に対して線対称となるように誘導性の並列枝の回路が挿入される一例である。   FIG. 12 is a plan view showing a configuration of a nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Modification 4. As shown in FIG. 12, the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the modified example 4 includes a stub in addition to the inductive stub conductors 15a and 15b as compared with the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the first embodiment. Conductors 15c and 15d are inserted. The stub conductor 15c is formed at an end portion closer to the first port P1 on both sides of the strip conductor 12, and the stub conductor 15d is formed at an end portion closer to the second port P2 on both sides of the strip conductor 12. . The inductive stub conductors 15a to 15d in the fourth modification are inductive parallel branches so as to be line-symmetric with respect to the center line of the strip conductor 12 constituting the line conductor (referred to as the center line in the width direction of the line). It is an example in which a circuit is inserted.

図13は変形例5に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す平面図である。変形例5に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置は、図13に示すように、変形例4の4つのスタブ導体15a〜15dのうち、スタブ導体15c,15bのみを形成したことを特徴とする。変形例5における誘導性スタブ導体15c,15bは線路導体を構成するストリップ導体12の中心線(線路の幅方向の中心線をいう。)に対して線対称となるように誘導性の並列枝の回路が挿入される一例である。   FIG. 13 is a plan view showing a configuration of a nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Modification 5. As shown in FIG. 13, the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Modification 5 is characterized in that only the stub conductors 15 c and 15 b among the four stub conductors 15 a to 15 d of Modification 4 are formed. The inductive stub conductors 15c and 15b in the modified example 5 are inductive parallel branches so as to be line symmetric with respect to the center line of the strip conductor 12 constituting the line conductor (referred to as the center line in the width direction of the line). It is an example in which a circuit is inserted.

上述のように、実施形態2の非相反メタマテリアル伝送線路装置の部分を変形例1〜5で置き換えてアンテナ装置を構成してもよい。   As described above, the antenna device may be configured by replacing the portion of the nonreciprocal metamaterial transmission line device of the second embodiment with the first to fifth modifications.

以上詳述したように、本発明に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置によれば、従来技術に比較して広帯域で高周波信号を伝送できる。また、本発明に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置によれば、従来技術に比較して広帯域で高周波信号を送受信でき、かつビームスクイントを従来技術に比較して大幅に低減できる。   As described above in detail, according to the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the present invention, it is possible to transmit a high-frequency signal in a wide band as compared with the prior art. In addition, according to the antenna device using the nonreciprocal metamaterial transmission line device according to the present invention, it is possible to transmit and receive high-frequency signals in a wide band as compared with the prior art, and to significantly reduce the beam squint compared to the prior art. .

10…フェライト角棒、
11…接地導体、
12,12P1,12P2…ストリップ導体、
13,14…誘電体基板、
15a,15b,15c,15d…スタブ導体、
16,16A…ストリップ導体、
17…スタブ導体、
18,19…誘電体基板、
20…単位セル、
21,22…ストリップ導体、
40…永久磁石、
41…ビア導体、
C17…チップキャパシタ、
Cs…直列キャパシタ、
P1〜P3…ポート、
P1E,P2E…線路端。
10 ... Ferrite square bar,
11: Ground conductor,
12, 12P1, 12P2 ... strip conductors,
13, 14 ... dielectric substrate,
15a, 15b, 15c, 15d ... stub conductors,
16, 16A ... strip conductors,
17 ... Stub conductor,
18, 19 ... dielectric substrate,
20: Unit cell,
21, 22 ... strip conductors,
40 ... Permanent magnet,
41 ... via conductor,
C17: chip capacitor,
Cs: Series capacitor,
P1-P3 ... port
P1E, P2E: Line ends.

Claims (8)

順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反メタマテリアル伝送線路装置であって、
上記非相反メタマテリアル伝送線路装置は、マイクロ波信号の伝送線路部分と、上記伝送線路部分からそれぞれ分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む第1及び第2の並列枝の回路と、容量性素子を等価的に含む第3の並列枝の回路とを有する少なくとも1つの単位セルを、第1及び第2のポート間で縦続接続して構成され、
上記少なくとも1つの単位セルのそれぞれは、上記伝送線路部分の伝搬方向とは異なる磁化方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
上記少なくとも1つの単位セルのそれぞれにおいて、上記第1の並列枝の回路は、上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して一方の側に形成され、上記第2の並列枝の回路は、上記面に対して他方の側に形成されたことを特徴とする非相反メタマテリアル伝送線路装置。
A non-reciprocal metamaterial transmission line device in which the propagation constant in the forward direction and the propagation constant in the reverse direction are different from each other,
The nonreciprocal metamaterial transmission line device includes a transmission line portion of a microwave signal, a circuit of first and second parallel branches that are branched from the transmission line portion and equivalently include inductive elements. And at least one unit cell having a third parallel branch circuit equivalently including a capacitive element, and configured by cascading between the first and second ports,
Each of the at least one unit cell is magnetized in a magnetization direction different from the propagation direction of the transmission line portion and has a gyro anisotropy or is magnetized by an external magnetic field,
In each of the at least one unit cell, the circuit of the first parallel branch is formed on one side with respect to the plane formed by the propagation direction and the magnetization direction, A nonreciprocal metamaterial transmission line device, wherein the circuit is formed on the other side with respect to the surface.
上記伝送線路部分から見た上記第1の並列枝の回路のインピーダンスは、上記伝送線路部分から見た上記第2の並列枝の回路のインピーダンスと同じ誘導性のインピーダンスであることを特徴とする請求項1記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。   The impedance of the circuit of the first parallel branch viewed from the transmission line portion is the same inductive impedance as the impedance of the circuit of the second parallel branch viewed from the transmission line portion. Item 2. The nonreciprocal metamaterial transmission line device according to Item 1. 上記第1〜第3の並列枝の回路のパラメータが非相反分散を低くすることによりビームスクインティングを抑制するように調整されていることを特徴とする請求項1又は2記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。   The nonreciprocal metamaterial according to claim 1 or 2, wherein the parameters of the circuits of the first to third parallel branches are adjusted so as to suppress beam squinting by reducing nonreciprocal dispersion. Transmission line device. 上記第3の並列枝の回路は、
(1)1対の導体間で形成されたキャパシタと、
(2)所定長の線路導体で形成された容量性スタブ線路と、
(3)キャパシタ素子と
のいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。
The circuit of the third parallel branch is
(1) a capacitor formed between a pair of conductors;
(2) a capacitive stub line formed of a line conductor of a predetermined length;
(3) The nonreciprocal metamaterial transmission line device according to any one of claims 1 to 3, wherein the non-reciprocal metamaterial transmission line device includes any one of capacitor elements.
上記第1と第2の並列枝の回路は上記単位セルの中心又は中心線に対して対称となるように形成されたことを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。   5. The circuit according to claim 1, wherein the circuits of the first and second parallel branches are formed to be symmetric with respect to a center or a center line of the unit cell. Non-reciprocal metamaterial transmission line device. 上記第1と第2の並列枝の回路はそれぞれ
(1)上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して一方の側に形成された1つの誘導性スタブと、上記面に対して他方の側に形成された1つの誘導性スタブとで構成され、もしくは、
(2)上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して一方の側に形成された2つの誘導性スタブと、上記面に対して他方の側に形成された2つの誘導性スタブとで構成されたことを特徴とする請求項5記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。
The circuits of the first and second parallel branches are respectively (1) one inductive stub formed on one side with respect to the surface formed by the propagation direction and the magnetization direction, and the surface And one inductive stub formed on the other side, or
(2) Two inductive stubs formed on one side with respect to the surface formed by the propagation direction and the magnetization direction, and two inductive stubs formed on the other side with respect to the surface The non-reciprocal metamaterial transmission line device according to claim 5, wherein
上記第1と第2の並列枝の回路に代えて、上記単位セルの伝送線路部分をビア導体を介して接地することで、誘導性スタブを等価的に形成したことを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。   2. An inductive stub is equivalently formed by grounding a transmission line portion of the unit cell via a via conductor instead of the circuit of the first and second parallel branches. The nonreciprocal metamaterial transmission line device according to any one of? 請求項1〜7のうちのいずれか1つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置と、
上記第1及び第2のポートにそれぞれ反射素子を挿入して上記非相反メタマテリアル伝送線路装置を擬似進行波共振器として動作させ、上記第1のポートに送信又は受信するマイクロ波信号を入力又は出力することを特徴とするアンテナ装置。
The nonreciprocal metamaterial transmission line device according to any one of claims 1 to 7,
A reflective element is inserted into each of the first and second ports to operate the nonreciprocal metamaterial transmission line device as a pseudo traveling wave resonator, and a microwave signal to be transmitted or received to the first port is input or An antenna device characterized by output.
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