JP6305353B2 - マイクロストリップデバイス、リフレクトアレー、マイクロストリップアンテナ及びマイクロストリップアレーアンテナ - Google Patents
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Description
マイクロストリップ構造は、使用する電磁波の波長より小さい間隔(電磁波の波長の約10分の1以下の間隔)で略平行に配置されている2つの導体板から構成されているものである。
あるいは、上記のような2つの導体板を備えるとともに、2つの導体板の間に誘電体や磁性体を備えているものである。
例えば、地板の上方に細長い導体板を配置し、地板と細長い導体板の間で電磁波を伝搬させるマイクロストリップ構造がマイクロストリップ線路である。
また、地板の上方に多角形や円形の導体板を配置し、地板と多角形等の導体板との間に電磁波が侵入してきたときに特定の周波数で共振するマイクロストリップ構造がマイクロストリップ共振器であり、マイクロストリップ共振器に電磁波を供給して共振周波数付近の電磁波を空間に放射させるマイクロストリップ構造がマイクロストリップアンテナ(パッチアンテナ)である。
式(1)において、W0は線路導体(地板の上方に配置される細長い導体板)の幅、hは地板と線路導体との間の距離である。
このため、何らかの手段で比誘電率εrを可変な構造にすれば、マイクロストリップデバイスの特性を可変にすることが可能になる。
例えば、以下の特許文献1には、2つの導体板の間に電極を有する密封容器が配置されているマイクロストリップ共振器が開示されており、このマイクロストリップ共振器では、電極に電圧を印加することで、密封容器内にプラズマ状態を作り出す際、その印加電圧を調整することで、マイクロストリップ共振器の共振周波数frを動的に制御するようにしている。即ち、マイクロストリップ共振器の特性を動的に制御するようにしている。
共振周波数frを制御することが可能な範囲が狭い理由は、下記の通りである。
まず、非衝突性・低温プラズマの比誘電率εrは下記の式(4)で与えられる。
式(4)において、neは電子密度、meは電子の質量、eは電子の電荷、ε0は真空の誘電率、ωは電磁波の角周波数である。
電子密度ne以外は定数であり、電極に印加する電圧や電流を変化させることで、プラズマ周波数fp=ωp/2πを変化させることができ、その結果、プラズマの比誘電率εrを動的に制御することが可能となる。式(4)から分かるように、比誘電率εrの最大値は1で最小値はマイナスの無限大である。
しかしながら、プラズマの比誘電率εrが負のときは、電磁波がプラズマの内部に侵入することができないので、共振周波数frを制御することが可能な有効範囲は0<εr≦1である。従って、例えば円形のマイクロストリップ共振器の場合、共振周波数frの下限値が下記の式(5)のようになり、この下限値より共振周波数frを低くすることができないため、共振周波数frを制御することが可能な範囲が狭いものとなる。
実施の形態1.
この実施の形態1では、マイクロストリップデバイスがマイクロストリップ共振器である例を説明する。
図1はこの発明の実施の形態1によるマイクロストリップ共振器を示す構成図である。
図1において、地板1は第1の導体板であり、パッチ導体2は多角形や円形の形状をなしている第2の導体板である。
地板1とパッチ導体2は概ね平行に配置されており、地板1とパッチ導体2の間隔は、外部から到来する電磁波(使用する電波)の波長より狭い間隔である。例えば、電磁波の波長の約10分の1以下の間隔である。
誘電体5はパッチ導体2と密閉容器3の間に配置されている。
電極7は密閉容器3の内部に設けられている第2の電極である。
電源8は密閉容器3の内部空間にプラズマ4を発生させる際に、電極7に電圧を印加する。その印加電圧を調整することで、図1のマイクロストリップ共振器の共振周波数を動的に制御することができる。
外部から電磁波が図1のマイクロストリップ共振器に到来したとき、その電磁波の周波数帯が、マイクロストリップ共振器の共振周波数frに近い周波数帯(電磁波の周波数がマイクロストリップアンテナの共振周波数frと一致する場合を含む)であれば、地板1とパッチ導体2に大きな電流が流れるため、地板1とパッチ導体2の間や、地板1とパッチ導体2の周辺に電磁界が励振される。
この電磁界の分布は、基本的にマイクロストリップ共振器に固有のモードになる。即ち、地板1とパッチ導体2の間の誘電体5の特性と、パッチ導体2の形状とで決まるモードになる。
このとき、電源8が電極7に印加する電圧や電流を変化させることで、密閉容器3の内部に生じるプラズマ4の周波数fp=ωp/2πを変化させることができる。その結果、マイクロストリップ共振器から再放射させる電磁波の周波数を動的に制御することが可能になる。
式(6)において、t1はプラズマ4の厚さ(密閉容器3の内部空間の厚さ)、t2は誘電体5の厚さ、εr1はプラズマ4の比誘電率、εr2は誘電体5の比誘電率である。
図2の実効比誘電率εr_aveの計算例では、t2=3t1、εr2=9としている。
図2において、実線は特許文献1に開示されているマイクロストリップ共振器の実効比誘電率εr_aveを示し、破線は実施の形態1における図1のマイクロストリップ共振器の実効比誘電率εr_aveを示している。
この計算例では、特許文献1に開示されているマイクロストリップ共振器の実効比誘電率εr_aveが0.0〜1.0の範囲で可変することができるが、図1のマイクロストリップ共振器の実効比誘電率εr_aveは、0.0〜約2.6の範囲で可変することができ、実効比誘電率の可変範囲が広がっていることが分かる。
したがって、マイクロストリップ共振器の実効比誘電率εr_aveの可変範囲を広げるためには、t2/t1を極力大きくすることが望ましい。
図3に示している共振周波数frは、図2の計算結果である実効比誘電率εr_aveを用いて、式(5)によって計算している。
図3において、実線は特許文献1に開示されているマイクロストリップ共振器の共振周波数を示し、破線は実施の形態1における図1のマイクロストリップ共振器の共振周波数を示している。
横軸はプラズマ4の比誘電率εr1、縦軸はマイクロストリップ共振器の共振周波数frであり、地板1とパッチ導体2の間が真空であるのときの共振周波数で規格化している。
この実施の形態1における図1のマイクロストリップ共振器では、パッチ導体2と密閉容器3の間に誘電体5を配置しているので、図3に示すように、特許文献1に開示されているマイクロストリップ共振器よりも、共振周波数frの可変範囲をより低い周波数まで拡張することができている。
図4の例では、64個(8×8個)のマイクロストリップ共振器が導体板11の上に並べられている。
リフレクトアレーは、アレーを構成する各素子(マイクロストリップ共振器)の励振位相を所望の分布に制御して、外部から到来する電磁波を所望の方向へ反射させるものである。
各素子の励振位相は、各素子固有の共振周波数frに依存するため、パッチ導体2の形状・寸法、地板1とパッチ導体2の間の距離、実効比誘電率εr_aveを変えることで制御することができる。
この実施の形態1の場合、アレーを構成する各素子であるマイクロストリップ共振器毎に、電源8が電極7に印加する電圧や電流を調整することによって、共振周波数frを制御することが可能であるため、各素子の励振位相を所望の分布に制御して、リフレクトアレーによる到来波の反射方向を動的に制御することが可能になる。
また、この実施の形態1によれば、電源8が電極7に印加する電圧や電流を調整することで、到来波の反射方向を動的に制御することができる効果を奏する。
この実施の形態2では、マイクロストリップデバイスがマイクロストリップ共振器である例を説明する。
図5はこの発明の実施の形態2によるマイクロストリップ共振器を示す構成図であり、図5において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
密閉容器21は図1の密閉容器3と同様に、内部の空間に希ガスを封入しているが、図1の密閉容器3と異なり、内部空間の一部に誘電体5が配置されている。
この実施の形態2でも、マイクロストリップ共振器の実効比誘電率εr_aveの可変範囲を広げるため、希ガスを封入している内部空間の厚さt1より、誘電体5の厚さt2を厚くすることで、t2/t1を極力大きくすることが望ましい。
また、密閉容器21は図1の密閉容器3と異なり、地板1とパッチ導体2が内部に略平行に配置されている。
地板1とパッチ導体2が密閉容器21の内部に配置される場合でも、地板1とパッチ導体2の間隔は、外部から到来する電磁波(使用する電波)の波長より狭い間隔である。例えば、電磁波の波長の約10分の1以下の間隔である。
接続導体23は一端がパッチ導体2と接続され、誘電体5及び密閉容器21を貫通するように他端が密閉容器21の外側に出ている第2の接続導体である。
なお、接続導体23の配置位置は、どこの位置であっても、マイクロストリップ共振器として動作するが、地板1、パッチ導体2、プラズマ4及び誘電体5で形成されるマイクロストリップ共振器の固有共振モードで動作させたい場合には、その固有モードにおける電界零点の位置又は電界が非常に小さい位置に、接続導体23を配置することが望ましい。
電源24は密閉容器21の内部空間にプラズマ4を発生させる際に、接続導体22と接続導体23との間に電圧を印加する。その印加電圧を調整することで、図5のマイクロストリップ共振器の共振周波数を動的に制御することができる。
外部から電磁波が図5のマイクロストリップ共振器に到来したとき、その電磁波の周波数帯が、マイクロストリップ共振器の共振周波数frに近い周波数帯であれば、図1のマイクロストリップ共振器と同様に、地板1とパッチ導体2に大きな電流が流れるため、地板1とパッチ導体2の間や、地板1とパッチ導体2の周辺に電磁界が励振される。
この電磁界の分布は、基本的にマイクロストリップ共振器に固有のモードになる。即ち、地板1とパッチ導体2の間の誘電体5の特性と、パッチ導体2の形状とで決まるモードになる。
このとき、電源24が接続導体22と接続導体23との間に印加する電圧や電流を変化させることで、密閉容器21の内部に生じるプラズマ4の周波数fp=ωp/2πを変化させることができる。その結果、上記実施の形態1と同様に、マイクロストリップ共振器から再放射させる電磁波の周波数を動的に制御することが可能になる。
また、この実施の形態2でも、地板1とパッチ導体2の間に誘電体5を配置しているので、上記実施の形態1と同様に、特許文献1に開示されているマイクロストリップ共振器よりも、共振周波数frの可変範囲をより低い周波数まで拡張することができる。
また、電源24が接続導体22と接続導体23との間に印加する電圧や電流を変化させることで、到来波の反射方向を動的に制御することができる効果を奏する。
この実施の形態2によれば、地板1とパッチ導体2を電極として利用しているため、図1に示すような電極6,7を設けることなく、プラズマ4を発生させることができるようになり、製作コストを低減することができる。
図5のマイクロストリップ共振器では、電極6,7を不要にして低コスト化が図られているので、リフレクトアレーが実装するマイクロストリップ共振器の個数が増える程、大きな低コスト化が図られる。
この実施の形態3では、マイクロストリップデバイスがマイクロストリップアンテナである例を説明する。
図6はこの発明の実施の形態3によるマイクロストリップアンテナを示す構成図であり、図6において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
同軸線路30の外導体31は一端が地板1と接続されている。
同軸線路30の内導体32は一端がパッチ導体2と接続され、誘電体5及び密閉容器3を貫通するように他端が密閉容器3の外側に出ている。
即ち、外部から電磁波が図6のマイクロストリップアンテナに到来したとき、その電磁波の周波数帯が、マイクロストリップアンテナの共振周波数frに近い周波数帯(電磁波の周波数がマイクロストリップアンテナの共振周波数frと一致する場合を含む)であれば、地板1とパッチ導体2に大きな電流が流れて、その電流が同軸線路30に流れるため、受信アンテナとして動作する。
逆に、同軸線路30から地板1とパッチ導体2に電流を流せば、マイクロストリップアンテナの共振周波数frと近い周波数帯の電磁波を放射する送信アンテナとして動作する。
このとき、電源8が電極7に印加する電圧や電流を変化させることで、密閉容器3の内部に生じるプラズマ4の周波数fp=ωp/2πを変化させることができるため、マイクロストリップアンテナにより受信させる電磁波の周波数や、マイクロストリップアンテナから放射させる電磁波の周波数を動的に制御することが可能になる。
この実施の形態4では、マイクロストリップデバイスがマイクロストリップアンテナである例を説明する。
図7はこの発明の実施の形態4によるマイクロストリップアンテナを示す構成図であり、図7において、図5及び図6と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
通信器41は送信器、受信器あるいは送受信器であり、同軸線路30の外導体31及び内導体32の他端と接続されている。
帯域通過フィルタ42は同軸線路30の外導体31及び内導体32の他端と通信器41の間に挿入され、通信器41により送信又は受信される周波数帯以外の周波数の通過を阻止するフィルタである。
電源43は密閉容器21の内部にプラズマ4を発生させる際に、同軸線路30の外導体31と内導体32との間に電圧を印加する。その印加電圧を調整することで、図7のマイクロストリップアンテナの共振周波数を動的に制御することができる。
帯域通過フィルタ44は同軸線路30の外導体31及び内導体32の他端と電源43の間に挿入され、電源43により印加される電圧の周波数帯以外の周波数の通過を阻止するフィルタである。
即ち、外部から電磁波が図7のマイクロストリップアンテナに到来したとき、その電磁波の周波数帯が、マイクロストリップアンテナの共振周波数frに近い周波数帯であれば、地板1とパッチ導体2に大きな電流が流れて、その電流が同軸線路30に流れたのち、通信器41に受信される。
逆に、通信器41が信号を送信すれば、同軸線路30から地板1とパッチ導体2に電流が流れるため、マイクロストリップアンテナの共振周波数frと近い周波数帯の電磁波が放射される。
また、図7のマイクロストリップアンテナでは、図6に示すような電極6,7を設けることなく、プラズマ4を発生させることができるため、製作コストを低減することができる。
図7のマイクロストリップアンテナでは、電極6,7を不要にして低コスト化が図られているので、マイクロストリップアレーアンテナが実装するマイクロストリップアンテナの個数が増える程、大きな低コスト化が図られる。
Claims (17)
- 第1の導体板と、
前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に配置され、内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記第1の導体板又は前記第2の導体板と前記密閉容器との間に配置されている誘電体と、
前記密閉容器の内部に設けられ、前記第1の導体板と接続されている第1の電極と、
前記密閉容器の内部に設けられている第2の電極と、
前記第2の電極に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップデバイス。 - 前記密閉容器の内部空間の厚さより、前記誘電体の厚さが厚いことを特徴とする請求項1記載のマイクロストリップデバイス。
- 内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記密閉容器の内部に配置されている第1の導体板と、
前記密閉容器の内部に、前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に位置するように、前記密閉容器の内部空間の一部に配置されている誘電体と、
一端が前記第1の導体板と接続され、前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている第1の接続導体と、
一端が前記第2の導体板と接続され、前記誘電体及び前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている第2の接続導体と、
前記第1及び第2の接続導体の他端と接続されており、前記第1の接続導体と前記第2の接続導体との間に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップデバイス。 - 前記密閉容器の内部の中で、前記希ガスを封入している空間部分の厚さより、前記誘電体の厚さが厚いことを特徴とする請求項3記載のマイクロストリップデバイス。
- 前記第1及び第2の導体板、前記誘電体及び前記希ガスで形成される共振器の固有共振モードにおける電界零点の位置に、前記第2の接続導体が配置されていることを特徴とする請求項3または請求項4記載のマイクロストリップデバイス。
- 前記第1の導体板と前記第2の導体板が、使用する電波の波長より狭い間隔で配置されていることを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載のマイクロストリップデバイス。
- 第1の導体板と、
前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に配置され、内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記第1の導体板又は前記第2の導体板と前記密閉容器との間に配置されている誘電体と、
前記密閉容器の内部に設けられ、前記第1の導体板と接続されている第1の電極と、
前記密閉容器の内部に設けられている第2の電極と、
前記第2の電極に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップデバイスが複数個並んでいるリフレクトアレー。 - 内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記密閉容器の内部に配置されている第1の導体板と、
前記密閉容器の内部に、前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に位置するように、前記密閉容器の内部空間の一部に配置されている誘電体と、
一端が前記第1の導体板と接続され、前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている第1の接続導体と、
一端が前記第2の導体板と接続され、前記誘電体及び前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている第2の接続導体と、
前記第1及び第2の接続導体の他端と接続されており、前記第1の接続導体と前記第2の接続導体との間に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップデバイスが複数個並んでいるリフレクトアレー。 - 第1の導体板と、
前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に配置され、内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記第1の導体板又は前記第2の導体板と前記密閉容器との間に配置されている誘電体と、
一端が前記第1の導体板と接続されている同軸線路の外導体と、
一端が前記第2の導体板と接続され、前記誘電体及び前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている前記同軸線路の内導体と、
前記密閉容器の内部に設けられ、前記第1の導体板と接続されている第1の電極と、
前記密閉容器の内部に設けられている第2の電極と、
前記第2の電極に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップアンテナ。 - 前記密閉容器の内部空間の厚さより、前記誘電体の厚さが厚いことを特徴とする請求項9記載のマイクロストリップアンテナ。
- 内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記密閉容器の内部に配置されている第1の導体板と、
前記密閉容器の内部に、前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に位置するように、前記密閉容器の内部空間の一部に配置されている誘電体と、
一端が前記第1の導体板と接続され、前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている同軸線路の外導体と、
一端が前記第2の導体板と接続され、前記誘電体及び前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている前記同軸線路の内導体と、
前記同軸線路の外導体及び内導体の他端と接続されている通信器と、
前記同軸線路の外導体及び内導体の他端と接続され、前記外導体と前記内導体との間に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップアンテナ。 - 前記密閉容器の内部の中で、前記希ガスを封入している空間部分の厚さより、前記誘電体の厚さが厚いことを特徴とする請求項11記載のマイクロストリップアンテナ。
- 前記同軸線路の外導体及び内導体の他端と前記通信器との間に、前記通信器により送信又は受信される周波数帯以外の周波数の通過を阻止するフィルタが挿入されていることを特徴とする請求項11または請求項12記載のマイクロストリップアンテナ。
- 前記同軸線路の外導体及び内導体の他端と前記電源との間に、前記電源により印加される電圧の周波数帯以外の周波数の通過を阻止するフィルタが挿入されていることを特徴とする請求項11から請求項13のうちのいずれか1項記載のマイクロストリップアンテナ。
- 前記第1の導体板と前記第2の導体板が、放射又は受信する電波の波長より狭い間隔で配置されていることを特徴とする請求項9から請求項14のうちのいずれか1項記載のマイクロストリップアンテナ。
- 第1の導体板と、
前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に配置され、内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記第1の導体板又は前記第2の導体板と前記密閉容器との間に配置されている誘電体と、
一端が前記第1の導体板と接続されている同軸線路の外導体と、
一端が前記第2の導体板と接続され、前記誘電体及び前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている前記同軸線路の内導体と、
前記密閉容器の内部に設けられ、前記第1の導体板と接続されている第1の電極と、
前記密閉容器の内部に設けられている第2の電極と、
前記第2の電極に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップアンテナが複数個並んでいるマイクロストリップアレーアンテナ。 - 内部の空間に希ガスを封入している密閉容器と、
前記密閉容器の内部に配置されている第1の導体板と、
前記密閉容器の内部に、前記第1の導体板と平行に配置されている第2の導体板と、
前記第1の導体板と前記第2の導体板との間に位置するように、前記密閉容器の内部空間の一部に配置されている誘電体と、
一端が前記第1の導体板と接続され、前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている同軸線路の外導体と、
一端が前記第2の導体板と接続され、前記誘電体及び前記密閉容器を貫通するように他端が前記密閉容器の外側に出ている前記同軸線路の内導体と、
前記同軸線路の外導体及び内導体の他端と接続されている通信器と、
前記同軸線路の外導体及び内導体の他端と接続され、前記外導体と前記内導体との間に電圧を印加する電源と
を備えたマイクロストリップアンテナが複数個並んでいるマイクロストリップアレーアンテナ。
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