JP5194134B2 - 磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ - Google Patents

Description

本発明はＣＲＬＨ−ＴＬアンテナに磁気誘電体（magneto-dielectric material）を用いてアンテナのサイズを小型化することに係り、特に、パッチとビアを用いて実現したＣＲＬＨ−ＴＬアンテナにＳＲＲを用いて誘電体を磁化させてサイズを小型化させる磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナに関する。

最近、メタマテリアル（metamaterial）を用いてアンテナを設計する研究が盛んになされている。メタマテリアルとは、特定の単位構造を周期的に配列して自然系に存在しない電磁気的性質を有する物質のことを言う。

種々のメタマテリアルのうち、誘電率と透磁率の値を任意に調整可能なメタマテリアルに多くの関心が寄せられている。代表的に、負の屈折率（Negative Refractive Index：ＮＲＩ）、左手系媒質（Left-Handed Material：ＬＨＭ）と呼ばれる物質は、有効誘電率と透磁率が両方とも負の値を示す物質であり、電場、磁場、電波の進行方向が左手法則に従う。かようなメタマテリアルの特徴をアンテナに適用してアンテナの性能を高めることができる。

アンテナに応用されるメタマテリアル構造の代表例としては、右手／左手系複合線路（Composite Right/Left Handed Transmission Line：ＣＲＬＨ−ＴＬ）構造が挙げられる。この構造の特徴の一つである０次共振モードは、伝搬定数が０となる共振モードであり、波長が無限大となり、電波伝送による位相遅れが発生しない。このモードの共振周波数はＣＲＬＨ−ＴＬ構造のパラメータが決定するため、アンテナの長さに依存しない結果、アンテナの小型化に極めて有利である。

もちろん、１次共振モードを用いてアンテナを製作することもできるが、これは、通常のパッチアンテナと同じ放射パターンを有しながらも共振周波数は極めて低く設計可能である。

最近、透磁率を増大可能な磁気誘電体に関心が寄せられている。アンテナのサイズを小型化させる伝統的な方法として、高誘電率の基板を使用する方法がある。しかしながら、高誘電率の基板にエネルギーが閉じ込まれてしまう結果、アンテナの効率が低下し、しかも、帯域幅が狭まるなどの副作用がある。これに対し、透磁率の高い基板を使用した場合には、このような問題を解消することができるとともに、アンテナの小型化も達成することができる。

磁気誘電体を製作するためには、外部より印加される磁場に応答する金属構造物を一般基板に埋め込んで実現する。主として汎用される構造はスプリットリング共振器（Split Ring Resonator：ＳＲＲ）であり、外部磁界によりＳＲＲに電流が誘起され、それにより磁界が生成されることにより、外部磁界に応じて透磁率に変化を与えることになる。透磁率は共振する特性を示すが、共振周波数以下の帯域においては透磁率値が１よりも大きくなり、共振周波数からプラズマ周波数までの帯域においては負の透磁率値を有し、プラズマ周波数以上の帯域においては１よりも小さな正の値を有する。磁気誘電体として用いられる帯域は共振周波数以下の領域である。

前記問題点を解消するためになされた本発明は、ＣＲＬＨ−ＴＬアンテナに磁気誘電体を用いてアンテナのサイズを小型化することに係り、特に、パッチとビアを用いて実現したＣＲＬＨ−ＴＬアンテナにＳＲＲを用いて誘電体を磁化させてサイズを小型化させる磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、スプリットリング共振器（Split Ring Resonator：ＳＲＲ）構造が埋め込まれて磁気誘電体が実装された基板と、前記基板から所定の間隔だけ離れて上部に形成され、ユニットセルからなる右手／左手系複合線路（Composite Right/Left Handed Transmission Line：ＣＲＬＨ−ＴＬ）構造のパッチと、前記基板から所定の間隔だけ離れて下部に形成される接地と、を備え、前記ＳＲＲ構造が前記ユニットセルに配置され、前記ＳＲＲ構造は８個のＳＲＲが放射状に配置される、磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナを提供する。

好ましくは、本発明においては、前記基板、前記パッチ及び前記接地は、ビアを介して互いに連結される磁気誘電体を使用する。

また、好ましくは、前記パッチは、前記ユニットセルを２つ含む。

さらに、好ましくは、前記ＳＲＲ構造は相対的に長い第１のＳＲＲの６個が前記基板の縦方向に放射状に配置され、相対的に短い第２のＳＲＲが横方向に配置され、前記第１及び第２のＳＲＲは前記基板の上下面に相対するように形成される。

さらに、好ましくは、前記基板の上下面に相対するように形成される前記第１及び第２のＳＲＲの両末端は前記基板を貫通するビアを介して連結される。

さらに、好ましくは、前記基板の下面に形成される第１及び第２のＳＲＲの中央部にはスロットが形成される。

さらに、好ましくは、前記パッチは、給電線となるマイクロストリップラインから所定の間隔だけ離れてカップリング給電される。

また、前記目的を達成するために、本発明は、前記メタマテリアルアンテナを備える無線通信端末を提供する。

本発明は、 ＣＲＬＨ−ＴＬアンテナに磁気誘電体を用いてアンテナのサイズを小型化することに係り、特に、パッチとビアを用いて実現したＣＲＬＨ−ＴＬアンテナにＳＲＲを用いて誘電体を磁化させてサイズを小型化させる磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナを提供することができる。

本発明の好適な一実施形態による磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナを示す図である。 本発明の好適な一実施形態による磁気誘電体からなる基板を示す図である。 本発明の好適な一実施形態によるＳＲＲ構造を示す図である。 本発明の好適な一実施形態によるアンテナにおける磁界の生成方向を示す図である。 本発明の好適な一実施形態による第１のＳＲＲの周波数による透磁率変化を示す図である。 本発明の好適な一実施形態による第２のＳＲＲの周波数による透磁率変化を示す図である。 ＳＲＲの使用有無による反射損失を比較して示すグラフである。 本発明の好適な一実施形態による０次共振モードにおけるＳＲＲの表面電流を示す図である。 本発明の好適な一実施形態によるアンテナに生成された磁界方向を示す図である。 本発明の好適な一実施形態によるＳＲＲ構造を用いて実際に製作されたアンテナを示す写真である。 実際に製作されたアンテナの反射損失とシミュレーションアンテナの反射損失を示すグラフである。 実際に製作されたアンテナの放射パターンを測定して示す図である。

本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の好適な実施形態を例示する添付図面及び添付図面に記載の内容を参照する必要がある。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態を説明することにより、本発明を詳述する。各図面に示す同じ参照符号は同じ部材を示す。

図１は、本発明の好適な一実施形態による磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナを示す図である。

図１を参照すると、本発明に係るＣＲＬＨ−ＴＬ構造のメタマテリアルアンテナ１００は、ＳＲＲ（Split Ring Resonator）構造２１０を用いて実現された磁気誘電体を基板２００として基板２００の上にパッチ３００が形成される。

より具体的に、メタマテリアルアンテナ１００は３層からなり、最上層の上面にパッチ３００が形成され、中間層には基板２００の上下両面を用いてＳＲＲ構造２１０が実装される。最下層は接地４００として動作し、３層はビア５００を介して連結される。

パッチ３００は２つのユニットセルからなるＣＲＬＨ−ＴＬアンテナであり、パッチ３００の下端部には１ユニットセル当たりに８個のＳＲＲ２１１、２１２によりＳＲＲ構造２１０が形成されて誘電体を磁化させ、誘電体を基板２００として使用する。

メタマテリアルアンテナ１００のサイズはＬ＝２５ｍｍ、Ｗ＝１２．４ｍｍ、ｇａｐ＝０．２ｍｍであり、使用されたビアの半径は０．３ｍｍである。基板としてはRogers RT/duroid 5880基板を使用し、上下基板の板厚は１．５５ｍｍ（６２ｍｉｌ）であり、中間基板の板厚は０．５０８ｍｍ（２０ｍｉｌ）であり、サイズは横縦共に５５ｍｍである。アンテナの給電は、幅８ｍｍのマイクロストリップライン３１０により行われる。

図２は、本発明の好適な一実施形態による磁気誘電体からなる基板を示す図であり、図３は、本発明の好適な一実施形態によるＳＲＲ構造を示す図である。

図２及び図３を参照すると、ＳＲＲ構造２１０は、相対的に長い第１のＳＲＲ２１１と相対的に短い第２のＳＲＲ２１２とから構成され、第１のＳＲＲ２１１の６個が基板２００の縦方向に放射状に配置され、第２のＳＲＲ２１２が横方向に配置される。図３の（ａ）は、第１のＳＲＲ２１１の構造を示し、図３の（ｂ）は第２のＳＲＲ２１２の構造を示す。

第１及び第２のＳＲＲ２１１、２１２は基板の上下面に互いに対称をなすように形成され、基板を中心として相対する各ＳＲＲ２１１、２１２の両末端は基板を貫通するビア５００を介して連結される。

一方、基板の下面に形成される第１及び第２のＳＲＲ２１１、２１２の中央部にはスロット２１３が形成される。

ＳＲＲのサイズはＬ＿ｌａｒｇｅ＿ｓｒｒ＝１１ｍｍ、Ｌ＿ｓｍａｌｌ＿ｓｒｒ＝４．５ｍｍ、ｗ＿ｓｒｒ＝２ｍｍ、ｇａｐ＿ｓｒｒ＝０．２ｍｍ、ｈ＿ｓｒｒ＝１．５５ｍｍ、ｖｉａ＿ｒ＝０．３ｍｍである。

図４は、本発明の好適な一実施形態によるアンテナにおける磁界の生成方向を示す図である。

ＳＲＲ構造２１０が磁界に応答するためには、ＳＲＲ構造２１０が磁界とは垂直方向に置かれる必要がある。

図４を参照すると、パッチ３００とビア５００を用いて実現したＣＲＬＨ−ＴＬメタマテリアルアンテナ１００は、磁界がビア５００を中心として回転する方向に形成される。このため、第１及び第２のＳＲＲ２１１、２１２をビア５００を中心として放射状に配置することが有効である。

シミュレーションを通じてＳＲＲの動作特性を調べてみた。シミュレーションにはCST Microwave Studio 2006Bが使用された。

図５は、本発明の好適な一実施形態による第１のＳＲＲの周波数による透磁率変化を示す図である。

図５を参照すると、第１のＳＲＲ２１１は４．３７ＧＨｚにおいて共振特性を示している。これよりも低い周波数においては透磁率の値が１よりも大きくなり、これよりも高い周波数においては透磁率が負数になっていて１よりも小さな正数に変わることを確認することができた。磁気誘電体として用いられる周波数範囲はＳＲＲの共振周波数よりも低い周波数帯域であり、この帯域における透磁率値は１よりも大きい。

図６は、本発明の好適な一実施形態による第２のＳＲＲの周波数による透磁率変化を示す図である。

図６を参照すると、第２のＳＲＲ２１２は７．９１ＧＨｚにおいて共振特性を示し、透磁率の変化様子は第１のＳＲＲ２１１と同様である。

ＣＲＬＨ−ＴＬアンテナにＳＲＲを使用しなかった場合とＣＲＬＨ−ＴＬアンテナにＳＲＲを使用した場合に対するアンテナの共振周波数の変化を調べてみた。給電線となるマイクロストリップライン３１０とパッチ３００との間に０．３ｍｍの間隔をあけてカップリング給電を行った。

表１から明らかなように、ＳＲＲを使用した場合の方が、ＳＲＲを使用しなかった場合に比べて、０次共振周波数と−１次共振周波数の両方とも周波数の減少効果が得られる。０次共振モードの場合、２３．９％の周波数の減少効果が得られた。このときのアンテナサイズは、ＳＲＲを使用しなかった場合に０．１７１７λ_０×０．１７１７λ_０×０．０１７６λ_０（λ_０：自由空間における波長）であり、ＳＲＲを使用した場合のアンテナのサイズは０．１３０６λ_０×０．１３０６λ_０×０．０１３４λ_０であり、約４２．１４％の面積の減少効果が得られた。

図７は、ＳＲＲの使用有無による反射損失を比較して示すグラフである。

図８は、本発明の好適な一実施形態による０次共振モードにおけるＳＲＲの表面電流を示す図である。

図８を参照すると、図８の（ａ）は、上から見下ろしたときのＳＲＲの上面に流れる電流の様子であり、図８の（ｂ）は、下から見上げたときのＳＲＲの下面に流れる電流の様子である。ビア５００の電流はパッチから接地４００に向かって流れているため、磁界の方向は上から見下ろしたときに図９に示すように時計回り方向となる。このとき、ＳＲＲに流れる電流の方向を見ると、ＳＲＲにより生じる磁界の方向がビア５００による磁界と同じ方向になるということを推察することができる。このため、強化された磁界により透磁率が増加され、アンテナの共振周波数が減少する。

図１０は、本発明の好適な一実施形態によるＳＲＲ構造を用いて実際に製作されたアンテナを示す写真である。

図１０を参照すると、給電線とパッチ３００との間の間隔を０．５ｍｍにしてアンテナの整合を取っている。

図１１は、実際に製作されたアンテナの反射損失とシミュレーションアンテナの反射損失を示すグラフである。

図１１を参照すると、シミュレーションの反射損失と実測反射損失との間にはやや違いが見られるが、これは、アンテナの製作過程で生じる誤差であると見られる。アンテナの製作に際して、上下に平面状のＳＲＲ構造によりビア５００の部分がやや張り出されてしまう結果、基板２００の間にやや空隙が生じてしまう。このような空隙による誤差に起因して反射損失において周波数帯域の誤差が発生するものと認められる。アンテナの実測帯域幅は１．８８３〜１．８９２ＧＨｚ（０．４８％）である。

図１２は、実際に製作されたアンテナの放射パターンを測定して示す図である。

図１２を参照すると、図１２の（ａ）はｘ−ｚ平面におけるＥ−planeを示し、図１２の（ｂ）はｘ−ｙ平面におけるＨ−planeを示す。

上記の放射パターンは、０次共振モードアンテナの放射パターンであるモノポール放射パターンを示す。アンテナの実測ゲインは０．５３４ｄＢｉであり、効率は５１．７％である。

本発明は図示の一実施形態を参考として説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、この技術分野における通常の知識を持った者であれば、これより種々の変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。よって、本発明の真の技術的な保護範囲は登録請求範囲の技術的思想により定められるべきである。

Claims (8)

1. スプリットリング共振器（ＳＲＲ）構造が埋め込まれて磁気誘電体が実装された基板と、
   前記基板から所定の間隔だけ離れて上部に形成され、ユニットセルからなる右手／左手系複合線路（ＣＲＬＨ−ＴＬ）構造のパッチと、
   前記基板から所定の間隔だけ離れて下部に形成される接地と、
   を備え、
   前記ＳＲＲ構造が前記ユニットセルに配置され、前記ＳＲＲ構造は８個のＳＲＲが放射状に配置される、磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ。
2. 前記基板、前記パッチ及び前記接地はビアを介して互いに連結される、請求項１に記載の磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ。
3. 前記パッチは、前記ユニットセルを２つ含む、請求項１に記載の磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ。
4. 前記ＳＲＲ構造は相対的に長い第１のＳＲＲの６個が前記基板の縦方向に放射状に配置され、
   相対的に短い第２のＳＲＲが横方向に配置され、
   前記第１及び第２のＳＲＲは前記基板の上下面に相対するように形成される、請求項１に記載の磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ。
5. 前記基板の上下面に相対するように形成される前記第１及び第２のＳＲＲの両末端は前記基板を貫通するビアを介して連結される、請求項４に記載の磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ。
6. 前記基板の下面に形成される第１及び第２のＳＲＲの中央部にはスロットが形成される、請求項４に記載の磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ。
7. 前記パッチは、給電線となるマイクロストリップラインから所定の間隔だけ離れてカップリング給電される、請求項１に記載の磁気誘電体を用いたメタマテリアルアンテナ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のメタマテリアルアンテナを備える無線通信端末。

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