JP6278521B2 - アンテナ装置および該アンテナ装置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置および該アンテナ装置の設計方法に関し、更に詳しくは、電磁波を特定の位置に集中させるサブ波長構造を有するアンテナ装置に関する。

アンテナ装置により無線伝送や電力伝送を行う場合、アンテナ装置から放射される電磁波の電力を特定の位置に集中させることにより伝送効率を向上させることができる。特定の位置に電磁波の電力を集中させるアンテナ装置として、誘電体レンズを開口面に設置したアンテナ装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。誘電体レンズは、光学レンズと同様のレンズ媒質を用いて実現され、アンテナ装置から放射される電磁波の電力を誘電体レンズの焦点に集中させることができる。

図８に、従来技術による誘電体レンズを用いたアンテナ装置の構成例を示す。図８において、波源ＷＳ１から放射された電磁波の電力は、誘電体レンズＤＲ１の焦点Ｆ１に集中される。また、波源ＷＳ２から放射された電磁波の電力は、誘電体レンズＤＲ２の焦点Ｆ２に集中される。従って、図８のアンテナ装置によれば、誘電体レンズＤＲ１，ＤＲ２の焦点Ｆ１，Ｆ２に対応した２箇所に電磁波の電力を同時に集中させることができる。ただし、誘電体レンズの焦点は光学レンズと同様の原理に基づいて定まるため、回折限界を超えた位置に誘電体レンズの焦点を設定することはできない。

但馬 陽介, 道下 尚文, 山田 吉英, "マルチビームレンズアンテナ給電用偏波可変パッチアレーの実現", 電子情報通信学会論文誌 B Vol.J92-B, No.9, pp.1471-1474, 2009.

図８に示す従来技術によれば、電力を集中させる位置毎に波源と誘電体レンズとを準備する必要があるため、アンテナ装置が複雑化すると共に大型化する。一つの誘電体レンズを用いて複数の位置に同時に電磁波の電力を集中させる技術もあるが（例えば、非特許文献１）、この場合、誘電体レンズが大型化する。従って、複数の位置に同時に電磁波の電力を集中させる従来技術によれば、アンテナ装置が大型化し、アンテナ装置の設置場所を確保することが困難になるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を抑制しつつ、波源から放射された電磁波の電力を、１または２以上の所望の位置に集中させることができるアンテナ装置および該アンテナ装置の設計方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるアンテナ装置は、電磁波を放射する波源と、前記電磁波の伝搬路上に配置され、前記電磁波の波長よりも小さい寸法の金属パッチまたは金属スロットが前記電磁波の放射方向と交差する方向に周期的または非周期的に配列された構造を有し、前記電磁波の電力が所望の位置で極大となるように前記電磁波の電磁界分布を変換するプレートと、を備えたアンテナ装置の構成を有する。

前記アンテナ装置において、前記金属パッチまたは金属スロットの形状または大きさは、前記プレートを透過した電磁波の振幅または位相が、前記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布を形成する所望量となるように、設定されてもよい。

本発明の一態様によるアンテナ装置の設計方法は、波源から放射された電磁波の電力を集中させる所望の位置を含む仮想面ＦＰ上の電磁界分布を求め、前記仮想面ＦＰ上の電磁界分布をフーリエ変換することにより、第１空間周波数ドメインの電磁界分布を算出する第１段階と、前記波源と前記所望の位置との間に配置されたプレートから前記所望の位置までの伝搬特性の逆特性を示す逆伝播ファクタを前記第１空間周波数ドメインの電磁界分布に掛け合わせることにより、前記プレート上の第２空間周波数ドメインの電磁界分布を求める第２段階と、前記第２空間周波数ドメインの電磁界分布を逆フーリエ変換することにより、前記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布を求める第３段階と、前記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布が得られるように、前記プレート上に、前記波源から放射された電磁波の波長よりも小さい寸法の金属パッチまたは金属スロットを前記電磁波の放射方向と交差する方向に周期的に配列する第４段階と、を含むアンテナ装置の設計方法の構成を有する。

前記アンテナ装置の設計方法において、例えば、前記プレートを透過した電磁波の振幅または位相が、前記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布を形成する所望量となるように、前記金属パッチまたは金属スロットの形状または大きさを設定する第５段階と、を更に含んでもよい。

本発明は、次のように表現することもできる。
本発明によるアンテナ装置は、波長と較べて小さい金属パッチや金属スロットを周期配列した構造を有するプレートを波源の近傍に配置するアンテナ構造を持ち、特定の箇所に電力を集中させるアンテナ構造の構成を有する。
また、本発明によるアンテナ装置の設計方法は、電力を集中させる面の電磁界分布を求め、そのフーリエ変換により空間周波数ドメインの電磁界分布を算出し、近傍界プレートまでの逆伝播ファクタを掛け合わせ、逆フーリエ変換を行うことで、近傍界プレート上の電磁界分布を求めることを特徴とするアンテナ装置の設計方法の構成を有する。
更に、本発明によるアンテナ装置の設計方法は、上記のプレート上の電磁界分布を実現する金属パッチまたはスロットの形状（素子）を上記のプレート上に配置する段階と、金属パッチやスロットの形状の大きさを変化させることにより、上記のプレートを透過する電磁波の振幅や位相を所望量だけ変化させる段階と、を含むことを特徴とするアンテナ装置の設計方法の構成を有する。

本発明によれば、装置の大型化を抑制しつつ、波源から放射された電磁波の電力を、１または２以上の所望の位置に集中させることができる。

本発明の実施形態によるアンテナ装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態によるアンテナ装置に備えられた近傍界プレートの説明図であり、（Ａ）は、近傍界プレートの構成例を示し、（Ｂ）は、近傍界プレート上の電磁界分布の一例を示す図である。 本発明の実施形態によるアンテナ装置の構成の詳細を示す図であり、近傍界プレートに配置された第１例による素子の構造を示す図である。 本発明の実施形態によるアンテナ装置の構成の詳細を示す図であり、近傍界プレートに配置された第２例による素子の構造を示す図である。 本発明の実施形態によるアンテナ装置の構成の詳細を示す図であり、近傍界プレートに配置された第３例による素子の構造を示す図である。 本発明の実施形態によるアンテナ装置の構成の詳細を示す図であり、近傍界プレートに配置された第４例による素子の構造を示す図である。 本発明の実施形態によるアンテナ装置の設計手順の一例を示すフローチャートである。 従来技術による誘電体レンズを用いたアンテナ装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
本発明の実施形態によるアンテナ装置は、次に説明するように、サブ波長構造を持つ近傍界プレートを波源の近傍に配置する構造を有している。本発明の本実施形態によるアンテナ装置は、近傍界における所望の複数の箇所に電磁波の電力を集中させる電磁波放射装置である。

図１は、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００の構成例を示す図である。
アンテナ装置１００は、波源１１０と近傍界プレート１２０とを備えている。波源１１０は、電磁波を放射するための要素であり、例えば、ダイポールアンテナやホーンアンテナなど、電磁波の放射源である。近傍界プレート１２０は、波源１１０から放射された電磁波の電力を、近傍界プレートから距離Ｌだけ離れた仮想面ＦＰ上の所望の位置に集中させるための要素であり、波源１１０の放射方向における電磁波の伝搬路上に配置されている。

図２は、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００に備えられた近傍界プレート１２０の説明図であり、（Ａ）は、近傍界プレート１２０の構成例を示し、（Ｂ）は、近傍界プレート１２０上の電磁界分布の一例を示す図である。

図２（Ａ）に示すように、近傍界プレート１２０は、誘電体基板１２１上に形成された複数の素子１２２が行列状に周期的または非周期的に配列された構造を有しており、波源１１０から放射された電磁波の電力が仮想面ＦＰ上の所望の１または２以上の位置で極大となるように、即ち、波源１１０から放射された電磁波の電力が仮想面ＦＰ上の所望の１または２以上の位置に集中するように、上記電磁波の電磁界分布を変換するための要素である。なお、２以上の位置に電力を集中させる場合、これらの２以上の位置は、必ずしも同一面上に位置する必要はない。

複数の素子１２２のそれぞれは、波源１１０から放射される電磁波の波長よりも小さいサイズを有しており、例えば、金属パッチや金属スロット等を含む。近傍界プレート１２０は、複数の素子１２２が波源１１０から放射された電磁波の伝搬方向と交差する方向に配列された状態となるような姿勢で波源１１０の近傍に配置される。

また、複数の素子１２２のそれぞれを構成する金属パッチまたは金属スロットの形状や大きさは、近傍界プレート１２０を透過した電磁波の振幅または位相が、仮想面ＦＰ上の所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布を形成する所望量となるように、設定されている。従って、複数の素子１２２そのそれぞれは、必ずしも同一の素子構造を有しておらず、素子１２２の素子構造として、複数種類の素子構造が存在する。

図２（Ａ）には、素子１２２として、素子構造が互いに異なる２種類の円環状の素子１２２Ａ，１２２Ｂが例示されている。この例では、素子１２２Ａ，１２２Ｂは、円環状の金属パッチであり、素子１２２Ａ，１２２Ｂの各外径は互いに同じ値に設定されており、素子１２２Ａ，１２２Ｂの各内径は互いに異なる値に設定されている。
なお、１つの素子１２２を構成する金属パッチと１つの素子１２２が形成された誘電体基板１２１とを素子１２２として定義してもよい。後述する第１例から第４例による各素子についても同様である。

本実施形態では、近傍界プレート１２０上の各位置に配置される素子１２２の素子構造を適切に選択することにより、波源１１０から放射される電磁波の特定の周波数領域において、近傍界の高次の空間高調波成分を増強することを可能とする。これにより、一般的な誘電体レンズの回折限界を超えた位置に電磁波の電力を集中させることができ、任意の位置に電磁波の電力を集中させることが可能となる。

次に、近傍界プレート１２０上に配置された素子１２２の代表的な素子構造の例をいくつか説明する。
図３は、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００の構成の詳細を示す図であり、素子１２２の第１例による素子１２２１の構造を示す図である。図３の第１例による素子１２２１は、直径ｂの円板状の金属パッチである。素子１２２１は、波源１１０から放射される電磁波の周波数として６０ＧＨｚを想定した素子構造を有している。例えば、素子１２２１が形成された誘電体基板１２１の厚さｈは０．５０８ｍｍに設定され、その比誘電率は２．１７であり、その誘電体損は０．０００８５である。

また、周期配列された素子１２２の周期である格子定数（図２（Ａ）において、１つの素子を含む格子の寸法）は、例えば１．３ｍｍに設定される。即ち、図３のｘｙｚ座標系において、電磁波の放射方向をｚ軸方向とすれば、素子１２２１が形成された誘電体基板１２１の１つの格子のｘ軸方向の寸法ｊとｙ軸方向の寸法ｋは、それぞれ１．３ｍｍである。ただし、素子１２２は、図２（Ａ）に例示するように周期配列された各素子１２２が形成された誘電体基板１２１は、近傍界プレート１２０の寸法に相当する寸法を有する１枚の基板を構成する。

図４は、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００の構成の詳細を示す図であり、素子１２２の第２例による素子１２２２の構造を示す図である。図４の第２例による素子１２２２は、直径ａの金属スロットである。素子１２２２は、波源１１０から放射される電磁波の周波数として６０ＧＨｚを想定した素子構造を有しており、上述と同様の誘電体基板１２１上に配置されている。

図５は、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００の構成の詳細を示す図であり、近傍界プレートに配置された第３例による素子１２２３（１２２３Ａ，１２２３Ｂ）の構造を示す図である。素子１２２３は、直径ａの金属スロットからなる素子１２２３Ａと、直径ｂの円板状の金属パッチからなる素子１２２３Ｂとを含む。即ち、第３例による素子１２２３は、上述の第１例による素子１２２１と第２例による素子１２２２との組み合わせから構成される。第３例の素子１２２３によれば、直径ｂの金属パッチと直径ａの金属スロットとを一つの素子で実現することができる。

図６は、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００の構成の詳細を示す図であり、近傍界プレートに配置された第４例による素子１２２４の構造を示す図である。素子１２２４は、直径ａの金属スロットからなる素子１２２４Ａと、直径ｂの円板状の金属パッチからなる素子１２２４Ｂとを含む。第４例による素子１２２４は、金属スロットと金属パッチとを有する点で、上述の第３例と類似するが、金属スロットを含む素子１２２４Ａは、誘電体基板１２１の一面に配置され、金属パッチを含む素子１２２４Ｂは、誘電体基板１２１の他面（金属スロットが配置された面とは反対の面）に配置されている。

第４例によれば、第３例と同様に、直径ｂの金属パッチと直径ａの金属スロットとを一つの素子で実現することができることに加え、金属スロットの直径ａと金属パッチの直径ｂとを相互に独立に設定することができる。従って、１を超えた値に比ｂ／ａを設定することができ、素子の設計の自由度を改善することができる。

上述のように、第１例による素子１２２１、第２例による素子１２２２、第３例による素子１２２３、第４例による素子１２２４は、透過振幅および透過位相に関して、互いに異なる特性を有している。近傍界プレート１２０の表面に所望の電磁界分布を実現するように、上述の素子１２２１，１２２２，１２２３，１２２４の各金属パターンを配置することにより、仮想面ＦＰ上の所望の複数の異なる位置に電磁波の電力を集中させることができる。

なお、金属パッチまたは金属スロットの形状は、異方性を小さくするために回転対称となる形状を用いるのが望ましいが、本発明の近傍界プレート１２０を構成する素子１２２の形状は、回転対称に限定されず、回転対称以外の形状であってもよい。

次に、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００の設計手順（設計方法）の一例を説明する。
図７は、本発明の実施形態によるアンテナ装置１００の設計手順の一例を示すフローチャートである。

まず、波源１１０から放射された電磁波の電力を集中させる所望の位置を含む仮想面ＦＰ上の電磁界分布を求め、上記仮想面ＦＰ上の電磁界分布をフーリエ変換することにより、空間周波数ドメインの電磁界分布を算出する（ステップＳ１）。つぎに、ステップＳ１で求めた空間周波数ドメインの電磁界分布に、波源１１０と上記所望の位置との間に配置された近傍界プレート１２０から上記所望の位置までの伝搬特性（伝搬定数）の逆特性を示す伝播ファクタを掛け合わせることにより、近傍界プレート１２０上の空間周波数ドメインの電磁界分布を求める（ステップＳ２）。つぎに、ステップＳ２で求めた近傍界プレート１２０上の空間周波数ドメインの電磁界分布を逆フーリエ変換することにより、上記所望の位置における電磁波の電力を極大とするときの近傍界プレート１２０上の電磁界分布を求める（ステップＳ３）。

つぎに、近傍界プレート１２０上の電磁界分布に合わせて、近傍界プレート１２０上の素子１２２を配列する（ステップＳ４）。
詳細には、波源１１０から近傍界プレート１２０までの伝播定数を波源１１０の電磁界分布に乗算することにより、近傍界プレート１２０上の電磁界分布を求める。そして、波源１１０から近傍界プレート１２０までの伝播定数を波源１１０の電磁界分布に乗算することにより求められた電磁界分布が、上述のステップＳ３で求められ電磁界分布となるように、近傍界プレート１２０上に、波源１１０の波長よりも小さい金属パッチまたは金属スロットからなる素子１２２を、図２（Ａ）に例示するように周期配列または非周期配列する。

換言すれば、仮想面ＦＰ上の所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布が得られるように、近傍界プレート１２０上に、波源１１０から放射された電磁波の波長よりも小さい寸法の金属パッチまたは金属スロットからなる素子１２２を電磁波の放射方向と交差する方向に周期的に配列する。この場合、近傍界プレート１２０を透過した電磁波の振幅または位相が、上記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布を形成する所望量となるように、各素子１２２の金属パッチまたは金属スロットの形状や大きさを設定する。

このように金属パッチまたは金属スロットからなる素子１２２を近傍界プレート１２０上に配列し、素子１２２の形状または大きさに応じて透過する電磁波の振幅や位相が異なることを利用することにより、所望の位置における電磁波の電力が極大となるような所望の電磁界分布を近傍界プレート１２０上に実現する。

上述した本発明の実施形態によれば、装置の大型化を抑制しつつ、波源から放射された電磁波の電力を、１または２以上の所望の位置に同時に集中させることができる。
また、上述した本発明の実施形態によれば、波源１１０から放射される電磁波の特定の周波数領域において、近傍界の高次の空間高調波成分の増強を実現することができる。これにより、一般的な誘電体レンズの回折限界を超えた位置に電磁波の電力を集中させることができる。

また、上述した本発明の実施形態によれば、近傍界プレート１２０上の複数の素子１２２の各素子構造を選択することにより、所望の複数の位置に電磁波の電力を同時に集中させることができる。従って、電磁波の電力を集中させる位置が複数であっても、装置を小型化することができる。
また、上述した本発明の実施形態によれば、アンテナ装置１００は、小型化かつ近傍界における所望の複数の箇所に電磁波の電力を集中させることができる。したがって、アンテナ装置１００は、近接通信する際に情報漏えいを抑えることができ、高セキュアーな無線通信システムを構築することが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の修正、変形、付加、置換等が可能である。
例えば、上述の実施形態において、図３から図５に示す例では、誘電体基板１２１の一面側に金属パッチまたは金属スロットを設けたが、誘電体基板１２１の両面（例えば表面および裏面）に金属パッチまたは金属スロットを設けてもよい。図６の例についても同様に、誘電体基板１２１の一面側（例えば表面）に金属スロットを含む素子１２２４Ａに加えて金属パッチを設けてもよく、その他面側（例えば裏面）に、金属パッチを含む素子１２２４Ｂに加えて金属スロットを設けてもよい。即ち、必要とする電磁界分布を得ることができることを限度として、誘電体基板１２１の任意の面に任意の構造の素子を設けることが可能である。

１００…アンテナ装置、１１０…波源、１２０…近傍界プレート、１２１…誘電体基板、１２２，１２２１，１２２２，１２２３，１２２４…素子。

Claims (2)

1. 波源から放射された電磁波の電力を集中させる所望の位置を含む仮想面ＦＰ上の電磁界分布を求め、前記仮想面ＦＰ上の電磁界分布をフーリエ変換することにより、第１空間周波数ドメインの電磁界分布を算出する第１段階と、
   前記波源と前記所望の位置との間に配置されたプレートから前記所望の位置までの伝搬特性の逆特性を示す逆伝播ファクタを前記第１空間周波数ドメインの電磁界分布に掛け合わせることにより、前記プレート上の第２空間周波数ドメインの電磁界分布を求める第２段階と、
   前記第２空間周波数ドメインの電磁界分布を逆フーリエ変換することにより、前記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布を求める第３段階と、
   前記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布が得られるように、前記プレート上に、前記波源から放射された電磁波の波長よりも小さい寸法の金属パッチまたは金属スロットを前記電磁波の放射方向と交差する方向に周期的または非周期的に配列する第４段階と、
   を含むアンテナ装置の設計方法。
2. 前記第４段階は、前記プレートを透過した電磁波の振幅または位相が、前記所望の位置における電磁波の電力を極大とする電磁界分布を形成する所望量となるように、前記金属パッチまたは金属スロットの形状または大きさを設定する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置の設計方法。

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