JP2020136962A - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
互いに直列に接続される少なくとも1個の直列枝共振回路をそれぞれ有する一対の周期構造回路を、前記一対の周期構造回路の各一端を接続する所定の原点の接続点から所定の角度θでV字形状で配置して構成された0次共振器を用いたアンテナ装置であって、
前記一対の周期構造回路の各他端に接続された一対の容量性反射素子と、
前記接続点に接続された誘導性反射素子と
を備えたことを特徴とする。
図1は比較例に係る、メタマテリアルの一種である左手系/右手系複合伝送線路(以下、CRLH線路という。)30を用いた0次共振器の等価回路図である。
(本実施形態の0次共振器の構成)
図2は実施形態に係るアンテナ装置で用いる0次共振器の等価回路図である。図1に記載した比較例に係るCRLH線路30からなる0次共振器から、本実施形態に係る共振器では、CRLH線路30を構成する各単位セル内に含まれていた並列枝共振回路20を取り除き、直列枝共振回路10のみからなる周期構造回路33を構成する。周期構造回路33では、並列枝共振回路20が存在しないので、インピーダンスが互いに複素共役の関係となる一対の両端子T1,T2のインピーダンス素子(反射素子)のリアクタンスXLを変えることにより、直列枝共振回路10に流れる電流の大きさや、給電線から見た入力インピーダンスを制御することができる。後述するように、これらの特性を線状アンテナに適用して、0次共振アンテナ装置の小型化及び広帯域化を図る。
図3Aは実施形態に係る0次共振器を用いたアンテナ装置の構成例を示す平面図である。また、図3Bは図3AのA−A’線についての縦断面図であり、図3Cは図3AのB−B’線についての縦断面図である。
具体的に作成したアンテナ装置では、上記のアンテナ装置に係る回路を、横幅72mm×縦長57mmのサイズを有する誘電率2.62の誘電体基板40上に形成し、誘電体基板40の厚さを0.8mmとし、V字型アンテナ装置の素子導体51〜53の幅は1mmで、素子導体72から素子導体54,64までのアンテナ装置のサイズは23.4×10mmである。なお、当該アンテナ装置のモデルは電磁界シミュレータHFSSを用いて作成している。
本実施形態に係るアンテナ装置の入力インピーダンス特性を調べるため、比較例として、図3Aにおいて、誘導性反射素子となるミアンダ形状の素子導体72を接続しない比較例に係るアンテナ装置を考える。
図7は図3Aのアンテナ装置の入力インピーダンスの調整方法を示す周波数特性のグラフであり、誘導性反射素子の素子導体72の反射特性を再検討した結果、得られたインピーダンスの周波数依存性を示す。図7から、3GHzから6GHzまでの広帯域に亘り、入力インピーダンスZinの実部Re[Zin]をほぼ50Ωとし、その虚部Im[Zin]を0Ωとなるように調節できた。また、本実施形態に係るアンテナ装置の入力インピーダンスZinの調節方法を以下にまとめて記載する。
(1)低周波側では、0次共振周波数と関連するが、主に周期的にキャパシタC12〜C13;C22〜C23の容量CL(図3A)と、素子導体51〜53;61〜63のインダクタンスLR(図3A)で調整する。
(2)次に、高周波側では、素子導体51〜53;61〜63のインダクタンスLR(図3A)とV形状のなす角度θで入力インピーダンスZinの実部Re[Zin]を調整し、入力インピーダンスZinの虚部Im[Zin]は誘導性反射素子の素子導体72の長さにより調節できる。
本実施形態に係るアンテナ装置は広帯域に亘り反射特性が良好であるが、反射損失が特に小さくなる3箇所の動作周波数でそれぞれ異なる共振モードが関与している。これら3つの共振状態における電流分布の数値計算を、動作周波数3.2GHz、3.92GHz、4.98GHzの場合で電流分布を調べた。この電流分布の調査結果では、3.2GHzの場合で、電流分布がV字形状の一対の周期構造回路33に沿って一様となっていることから、一対の周期構造回路33は誘導性反射素子及び容量性反射素子を含めて0次共振モードで動作することが確認できた。また、3.92GHzの場合では、一対の周期構造回路33と誘導性反射素子の素子導体72の長さを含めてのl/4波長共振モードとして共振していることがわかった。さらに、4.98GHzの場合、V字形状の一対の周期構造回路33の上端から下端までが半波長サイズで共振していることが分かった。以上のことから、本実施形態に係るアンテナ装置は、低域側の0次共振と高域側の複数の波長共振モードを組み合わせることにより、広帯域動作を実現していることを確認した。
図9は別の比較例に係るアンテナ装置の反射係数S11の周波数特性を示すグラフである。本実施形態に係るアンテナ装置と比較するための基本構造として、素子導体51〜53;61〜63のみからなるV字アンテナ(キャパシタC11〜C14;C21〜C24なし、誘導性反射素子の素子導体72なし)の構造の回路を「別の比較例」とする。ここで、アンテナ装置の寸法及びその他のパラメータは本実施形態に係るアンテナ装置と同じとなるように設定している。このとき、当該別の比較例に係るアンテナ装置の共振モードは、電磁界分布から波長共振であることがわかっている。
本実施形態に係るアンテナ装置の構造作成に用いた誘電体基板40、キャパシタC11〜C14;C21〜C24の材料特性、誘導性反射素子の素子導体72及び線路導体72の寸法と、アンテナ装置のサイズをそれぞれ以下に示す。
(1)容量性反射素子を構成する素子導体54,64の長手方向の長さL2=8mm;
(2)誘導性反射素子の素子導体72の全体長L3=3.1×2+4.2=10.4mm;
(3)直線部分の周期構造回路33の長さL1=18mm;
(4)誘電体基板40:比誘電率2.60;誘電正接0.0017;番号:NPC−F260A(日本ピラー工業株式会社);
(5)キャパシタC11〜C14;C21〜C24:0.6pF;番号:GJM1555C1HR60WB01D(村田エレクトロニクス株式会社)。
本実施形態に係るアンテナ装置の下側先端の一対の周期構造回路33間の角度θ(図3A)の変化に伴う影響について、アンテナの基本特性に与える角度の影響を調べた。ここで、角度θを変化させると、ボウタイアンテナ装置とほぼ同じ動作原理で、アンテナ装置の素子導体と接地導体間の入力インピーダンスが大きく変わるので、反射特性を微調整することができる。
V字形状のメタマテリアルアンテナ装置のサイズが変化したとき、動作帯域に与える影響を検討する。周期構造回路33の長さL1(図3A)が、L1=25mm、L1=18mm、L1=13mmのそれぞれの場合のアンテナ装置についての動作帯域について以下に考察する。
本実施形態に係るアンテナ装置では、広帯域化動作を目的として、ボウタイアンテナの形状に類似した構造を採用しているため、V字形状の周期構造回路33と接地導体41との間に電磁界が集中している。当該アンテナ装置において、接地導体41のサイズは無視できず、全体構造のうち大きな割合を占めている。当該アンテナ装置の小型化を考える上で、接地導体41の小型化は不可欠であるが、特に低周波側で、放射特性に影響しないよう作成する必要がある。
(モデル1)誘電体基板40の横幅全面(72mm)に接地導体41を形成し、キャパシタC11〜C14;C21〜C24=0.6pFのとき。
(モデル2)誘電体基板40の横幅を中央部(15mm)に限定して接地導体41を形成することで接地導体41のサイズを大幅に減少させ、キャパシタC11〜C14;C21〜C24=1.6pFのとき。
図15Aは図3Aのアンテナ装置を試作したアンテナ装置の平面図の写真であり、図15Bは前記試作したアンテナ装置の背面図の写真である。なお、試作したアンテナ装置のパラメータは、数値計算モデルのパラメータと同じであるとした。
(1)Gθs:平面(H面)の放射パターンのシミュレーション値;
(2)Gθm:平面(H面)の放射パターンの実測値;
(3)Gφs:垂直面(E面)の放射パターンのシミュレーション値;
(4)Gφm:垂直面(E面)の放射パターンの実測値。
図19は本実施形態に係る図3Aのアンテナ装置と、比較例に係るUWB用ボウタイアンテナ装置との比較を示す表である。
以上の実施形態では、0次共振器の周期構造回路33において、複数の直列枝共振回路10を備えているが、本発明はこれに限らず、少なくとも1つの直列枝共振回路10を備えて0次共振器を構成すればよい。
20 並列枝共振回路
11,21 インダクタ
12,22 キャパシタ
30 左手系/右手系複合伝送線路(CRLH線路)
31,32 インピーダンス素子
33 周期構造回路
40 誘電体基板
41 接地導体
51〜54,61〜64 素子導体
71 線路導体
72 素子導体
C11〜C14,C21〜C24 キャパシタ
T1,T2 端子
Claims (5)
- 互いに直列に接続される少なくとも1個の直列枝共振回路をそれぞれ有する一対の周期構造回路を、前記一対の周期構造回路の各一端を接続する所定の原点の接続点から所定の角度θでV字形状で配置して構成された0次共振器を用いたアンテナ装置であって、
前記一対の周期構造回路の各他端に接続された一対の容量性反射素子と、
前記接続点に接続された誘導性反射素子と
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記一対の周期構造回路、前記一対の容量性反射素子及び前記誘導性反射素子により0次共振モードで動作し、
前記一対の周期構造回路により1/2波長共振モードで動作することを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記各直列枝共振回路は、LC共振回路である請求項1又は2記載のアンテナ装置。
- 前記一対の容量性反射素子は互いに容量結合される請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載のアンテナ装置。
- 前記アンテナ装置は、前記誘導性反射素子を介して前記接続点に給電される請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載のアンテナ装置。
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