JP6386403B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

近年、スマートフォンやタブレット端末等の無線装置の普及に伴い、通信に使用される周波数帯が増加している。したがって、無線装置に内蔵されるアンテナは、複数の周波数帯で動作する必要がある。また、無線装置の小型化に応じて、複数の周波数帯で動作するアンテナをできるだけ小さいスペースに配置されることが要求される。そのため、１つのアンテナが複数の動作帯域（マルチバンド特性）を有することが要求されている（非特許文献１）。

マルチバンド特性を有するアンテナとして、壁面がメタマテリアルで形成された複数のホーンアンテナを入れ子状に構成したホーンアンテナが提案されている（非特許文献２）。
メタマテリアルは、金属や誘電体等が周期的に配列された構造である。メタマテリアルは、特定の周波数帯域の電磁波を反射し、それ以外の周波数帯域の電磁波を透過する周波数特性を有する。したがって、周波数特性の異なる複数のメタマテリアルがホーンアンテナの壁面に適用されることにより、アンテナのマルチバンド化が実現される。

長 敬三、山口 良、蒋 恵玲、「次世代移動通信システム実現に向けた基地局・端末アンテナ技術」、電子情報通信学会論文誌B、vol.J91-B、No.9、pp.886-900、2008年9月 H. So、A. Ando、and T. Sugiyama、「Dual-Band Nested Waveguide Antenna Employing Frequency-Selective Surfaces」、Proc. IEEE AP-S、July 2014

しかしながら、非特許文献２に記載されたアンテナ装置は、有限の周期で且つ不連続面を有する構造であるため、メタマテリアルの反射特性を十分に得られない場合がある。図１３は、非特許文献２に記載されたアンテナ装置の水平面内放射パターンを示す図である。図１３において、実線がメタマテリアルを用いた非特許文献２のアンテナ装置の水平面内放射パターンを示し、点線がメタマテリアルを用いない従来のアンテナ装置の水平面内放射パターンを示す。図１３に示すように、非特許文献２に記載されたアンテナ装置は、従来のアンテナ装置と比較して信号が漏洩しサイドローブが増大する場合がある。サイドローブが増大すると、メインローブの方向（＋Ｘ方向）以外への不要放射が増大するため、他の無線装置への与干渉を増大させてしまう場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、メタマテリアルを備えたアンテナ装置であって、サイドローブがより低減されたアンテナ装置を提供することである。

本発明の一態様は、予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射するメタマテリアルで形成された反射面と、前記メタマテリアルが不連続な前記反射面に配置された金属部と、を備えるアンテナ装置である。

また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記金属部は、連続に配置される。

また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記金属部は、周期的に配置される。

また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記反射面は、壁面である。

また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記金属部は、前記壁面の接合部に配置される。

また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記金属部は、前記周波数帯域の波長の整数分の１である寸法の金属が周期的に配列される。

また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、開口を有するホーンと前記ホーンに連通した給電導波管とを有する寸法の異なるホーンアンテナが複数入れ子状に構成されたアンテナ装置であって、前記反射面である前記ホーンアンテナの各々の壁面が、前記周波数帯域が異なる前記メタマテリアルで形成される。

以上説明したように、本発明によれば、メタマテリアルを備えたアンテナ装置であって、サイドローブがより低減されたアンテナ装置を提供することができる。

本実施形態におけるアンテナ装置１の構成の第１の例を示す図である。 本実施形態におけるアンテナ装置１の構成の第２の例を示す図である。 本実施形態におけるメタマテリアル１００の一例を示す図である。 本実施形態におけるメタマテリアル１００がホーン２ａ又は給電導波管３ａの壁面に複数配置されていることを示す図である。 本実施形態の実施例１示す図である。 本実施形態の実施例１の給電部３Ａにおける給電導波管３ａ及びメタマテリアル１００の寸法を説明する図である。 本実施形態の実施例１におけるアンテナ装置の２．０ＧＨｚにおける水平放射パターンを示す図である。 本実施形態の実施例２におけるアンテナ装置１Ｂの構成例を示す図である。 本実施形態の実施例２の給電部３Ｂにおける給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂの各辺の長さを説明する図である。 本実施形態の実施例２におけるアンテナ装置１Ｂの給電導波管４０ａのメタマテリアル２００の寸法を説明する図である。 本実施形態の実施例２におけるアンテナ装置１Ｂの給電導波管４０ｂのメタマテリアル３００の寸法を説明する図である。 本実施形態の実施例２におけるアンテナ装置１Ｂの２．０ＧＨｚおける放射パターンを示す図である。 従来のアンテナ装置の水平面内放射パターンを示す図である。

以下、本発明の実施形態におけるアンテナ装置を、図面を参照して説明する。

本実施形態のアンテナ装置１は、予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射する複数のメタマテリアルで形成された反射面を備える。アンテナ装置１は、メタマテリアルが不連続となる箇所の反射面に配置された金属を備える。例えば、アンテナ装置１は、メタマテリアル同士の隙間に配置された金属を備える。以下に示す実施形態において、メタマテリアルで形成された反射面とは、アンテナ装置１の壁面である。なお、以下に示す実施形態において、アンテナ装置１がホーンアンテナである場合について説明する。

図１は、本実施形態におけるアンテナ装置１の構成の一例を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態におけるアンテナ装置１の斜視図を示す。図１（ｂ）は、本実施形態におけるアンテナ装置１の側面図を示す。なお以降の説明に用いる各図面においては、それぞれの図に図示した空間において互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向を規定して説明する。

図１に示すように、アンテナ装置１は、ホーン部２、給電部３及び金属部７を備える。
アンテナ装置１は、主にマイクロ波以上の周波数帯の電磁波を送信または受信するために用いられる。
ホーン部２は、給電部３の先端側に設けられている。ホーン部２は、ホーン２ａ及びアンテナ開口部２ｂを備える。
ホーン２ａは、横断面形状が長方形であり、Ｘ方向に向かうに従って、Ｘ軸に垂直な面の面積が漸次拡大した四角錐台状に形成されている。ホーン２ａは、壁面がメタマテリアルで形成されている。ホーン部２の壁面の接合部には、金属部７が配置されている。

メタマテリアルは、誘電体や導体のパターンなどを周期配列する構造体であり、その周期配列構造に応じて、入射される電磁波のうち特定の周波数帯域に属する電磁波のみを反射する特性を備える。

ホーン２ａの先端側は、アンテナ開口部２ｂが設けられている。ホーン２ａの先端側と反対側の基端側は、給電導波管３ａ（後述）の先端側に接続されている。これにより、ホーン部２の内部空間と給電部３の内部空間とが連通されるように接続される。

給電部３は、ホーン部２の基端側に設けられている。給電部３は、給電導波管３ａ、ケーブル４、励振線５及びグランド板６を備える。

給電導波管３ａは、基端側が閉塞されていると共に先端側が開口し、横断面形状が長方形の角筒体である。
給電導波管３ａは、先端側がホーン２ａの基端側に接続されている。給電導波管３ａは、壁面がホーン２ａと同一のメタマテリアルで構成されている。

ケーブル４は、例えば同軸ケーブルからなる給電線であり、給電部３の上面に固定されている。
励振線５は、例えば細長い円柱状に形成され、ケーブル４の中心導体に電気的に接続されると共に、その先端側が給電導波管３ａの内部空間内に突出している。励振線５は、ケーブル４を介して不図示の送信機から高周波信号が給電されると、励振線５とグランド板６との間に高周波の電圧が印加される。これにより、アンテナ装置１は、電磁波（例えばマイクロ波）を外部に放射する。また、励振線５は、外部から電磁波を受信すると、受信した給電導波管３ａ内の電磁波をケーブル４に向けて出力する。なお、励振線５は、複数種の周波数帯域の電磁波を大気中へ放射する周波数共用素子であってもよい。
グランド板６は、給電部３の上面に設けられており、給電導波管３ａのグランド板である。

金属部７は、サイドローブが増大する方向（±Ｘ方向以外の方向）にあるホーン２ａ又は給電導波管３ａの壁面に設けられる。サイドローブが増大する理由は、ホーン２ａ又は給電導波管３ａの壁面として形成されているメタマテリアルが有限な周期や不連続性を備えているためである。すなわち、メタマテリアルが連続していない箇所（以下、「不連続点」という。）から電磁波が漏洩することで、サイドローブが増大する。例えば、メタマテリアルの不連続点とは、メタマテリアル同士の隙間である。金属部７は、ホーン２ａ又は給電導波管３ａのメタマテリアルの不連続点に配置される。これにより、金属部７は、メタマテリアルの不連続点からの電磁波の漏洩を防止することができる。なお、図１に示す金属部７は、メタマテリアルの不連続点としてアンテナ装置１の壁面の接合部に配置されているが、これに限定されない。すなわち、本発明のアンテナ装置１は、メタマテリアルで形成された反射面において、メタマテリアルが不連続な箇所の反射面に金属部７が配置されていればよい。本実施形態では、反射面がアンテナ装置１の壁面である。金属部７は、メタマテリアルで形成された壁面の不連続点に周期的に配置される。又は、金属部７は、メタマテリアルで形成された壁面の不連続点に連続に配置される。なお、図２に示すように、金属部７は、メタマテリアルの不連続点であるアンテナ装置１の壁面の接合部に周期的に配置されてもよい。アンテナ装置１の壁面の接合部に金属部７が周期的に配置される場合、例えば金属部７の寸法は、メタマテリアルで反射させる電磁波の周波数の波長の整数分の一である。なお、金属部７で反射させる周波数は、予め設定されている。なお、図２に示す金属部７は、長方形の形状の金属を配置しているが、これに限定されない。例えば、金属部７は、円形の形状等長方形以外の形状でもよい。

以下に、本実施形態におけるメタマテリアルの一例について説明する。図３は、本実施形態におけるメタマテリアル１００の一例を示す図である。
メタマテリアル１００は、誘電体１１０及び導体パターン１２０を備える。
例えば、誘電体１１０は、プリント基板である。例えば、誘電体１１０は、厚さ１．６ｍｍであり、比誘電率２．６である。
導体パターン１２０は、金属のループ素子である。例えば、導体パターン１２０は銅箔のパターンであり、厚さ３５μｍである。

図４は、本実施形態におけるメタマテリアル１００がホーン２ａ又は給電導波管３ａの壁面に複数配置されていることを示す図である。なお、説明を簡略化するため、図４は、ホーン２ａ又は給電導波管３ａの壁面に４つのメタマテリアル１００が配置されている場合を示す。図４に示すように、ホーン２ａ又は給電導波管３ａの壁面は、誘電体１１０及び導体パターン１２０を備えるメタマテリアル１００が複数配置されることで形成されている。金属部７は、複数のメタマテリアル１００において、メタマテリアル１００同士を接合した接合部に配置される。

上述したように、本実施形態のアンテナ装置１は、メタマテリアルの不連続な箇所に配置された金属部７を備える。これにより、アンテナ装置１は、サイドローブの増大を抑えることができる。したがって、アンテナ装置１は、サイドローブによる他セル又は他の無線装置への与干渉を低減することができる。

（実施例１）
以下に、本実施形態におけるアンテナ装置１の実施例１について説明する。
図５は、実施例１におけるアンテナ装置の給電部３Ａを示す図である。
図５に示すように、実施例１の給電部３Ａは、給電導波管３ａ、ケーブル４、励振線５、グランド板６及び金属部７を備える。給電導波管３ａの壁面は、メタマテリアル１００が複数配置されている。

図６は、実施例１における給電部３Ａの給電導波管３ａ及びメタマテリアル１００の寸法を説明する図である。図６（ａ）は、実施例１におけるアンテナ装置の給電部３Ａの側面を示す。

給電導波管３ａは、Ｘ方向の長さが１６５．０ｍｍであり、Ｚ方向の辺の長さが５５．０ｍｍである。励振線５は、アンテナ装置１を２．０ＧＨｚで共振させるために基端部から２．０ＧＨｚの波長の約４分の１となる距離（３７．５ｍｍ）の位置に固定されている。なお、給電導波管３ａの上面には、メタマテリアル１００が配置されない。

図６（ｂ）は、実施例１におけるアンテナ装置のメタマテリアル１００を示す。
メタマテリアル１００は、誘電体１１０及び導体パターン１２０を備えている。誘電体１１０は、厚さ１．６ｍｍ、比誘電率２．６のプリント基板である。導体パターン１２０は、厚さ１．０ｍｍであり、誘電体１１０であるプリント基板上に形成されている。

誘電体１１０は、１辺の長さが５５．０ｍｍである。導体パターン１２０の一辺は、２．０ＧＨｚの波長の約４分の１の長さとする。これにより、メタマテリアル１００は、２．０ＧＨｚの電磁波を反射させることができる。導体パターン１２０は、１辺の長さが４８．２ｍｍで、パターンの太さが６．９ｍｍである。図５に戻り、給電部３Ａは、メタマテリアル１００がＸ軸方向に３素子、Ｙ軸方向に２素子、Ｚ軸方向に１素子配置される。

図７は、実施例１におけるアンテナ装置の２．０ＧＨｚにおける水平放射パターンを示す図である。図７の示す実線のパターンは、放射する電磁波の周波数帯域が２．０ＧＨｚ帯である実施例１におけるアンテナ装置の特性を表している。図７の示す点線のパターンは、放射する電磁波の周波数帯域が２．０ＧＨｚである従来のアンテナ装置の特性を表している。従来のアンテナ装置とは、本実施形態のアンテナ装置１と比較して、金属部７を備えていないアンテナ装置である。ここで、図７に示す水平放射パターンの水平面は、ＸＹ平面であり、実施例１におけるアンテナ装置が配された位置を中心として、その水平面（ＸＹ平面）に沿った全方位についての電磁波の放射強度が図示される。

図７に示すように、例えばピーク方向（放射方向）を０度としたとき、アンテナ装置１の水平放射パターンは、±１１０度においてサイドローブが低減している。−１１０度の位置のサイドローブにおいて、アンテナ装置１は、従来のアンテナ装置と比較して約３ｄＢの電磁波の強度を低減することできた。アンテナ装置１は、サイドローブの低減にともない、従来のアンテナ装置と比較してより放射強度が高い電磁波を放射することができる。図７に示すように、アンテナ装置１は、約３ｄＢのサイドローブの低減にともない、従来のアンテナ装置と比較してメインローブのピークゲインが０．５ｄＢ増加した。

（実施例２）
以下に、本実施形態におけるアンテナ装置１の実施例２について説明する。
図８は、実施例２におけるアンテナ装置１Ｂの構成例を示す図である。図８（ａ）は、実施例２におけるアンテナ装置１Ｂの斜視図である。図８（ｂ）は、実施例２におけるアンテナ装置の側面図である。アンテナ装置１Ｂは、寸法の異なるホーンアンテナが複数入れ子状に構成されている。寸法の異なるホーンアンテナの各々は、反射面である壁面がそれぞれ異なった周期配列構造のメタマテリアルで構成されている。したがって、アンテナ装置１Ｂは、マルチバンド特性を備えている。
アンテナ装置１Ｂは、ホーン部２Ｂ、給電部３Ｂ及び金属部７を備える。

ホーン部２Ｂは、入れ子状に構成されたホーン２０ａ及びホーン２０ｂを備える。ホーン２０ａは、ホーン２０ｂの中に包含されている。例えば、ホーン２０ａは、ホーン２０ｂの内部に配置されている。又は、ホーン２０ａは、上面がホーン２０ｂの上面と一致するように配置されている。すなわち、アンテナ装置１Ｂは、ホーン２０ｂ内にホーン２０ａが入れ子状に重なるように構成されている。ここで、入れ子状とは、その内部に外径の異なる複数の類似形状の一部又は全体を包含する状態である。ホーン２０ａ及びホーン２０ｂの各々は、壁面がそれぞれ異なった周期配列構造のメタマテリアルで構成されている。したがって、ホーン２０ａ及びホーン２０ｂの各々は、壁面を構成するメタマテリアルによって、それぞれ異なった周波数帯域に属する電磁波を反射する。

給電部３Ｂは、給電導波管４０ａ、給電導波管４０ｂ、ケーブル４、励振線５及びグランド板６を備える。
給電導波管４０ａは、給電導波管４０ｂの中に包含されている。また、給電導波管４０ａの先端側である開口面が、給電導波管４０ｂの先端側である開口面と揃うように配置されている。すなわち、給電部３Ｂは、給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂを入れ子状に備えている。給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂとの各々は、上面が共通のグランド板６である。

給電導波管４０ａは、先端側がホーン２０ａの基端側に接続されており、壁面がホーン２０ａと同一のメタマテリアルで構成されている。給電導波管４０ｂは、先端側がホーン２０ｂの基端側に接続されており、壁面がホーン２０ｂと同一のメタマテリアルで構成されている。
給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂの各々は、壁面がそれぞれ異なった周期配列構造のメタマテリアルで構成されている。すなわち、給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂの各々は、壁面を構成するメタマテリアルによって、それぞれ異なった周波数帯域に属する電磁波を反射する。したがって、ホーン２０ａ及び給電導波管４０ａとホーン２０ｂ及び給電導波管４０ｂとの各々は、それぞれ異なった周波数帯域の電磁波を送信または受信するホーンアンテナとして構成される。上述したように、アンテナ装置１Ｂは、それぞれ寸法の異なるホーンアンテナが入れ子状に構成されている。給電導波管４０ｂには、メタマテリアルの不連続な箇所に金属部７が連続に配置されている。例えば、金属部７は、幅が２ｍｍ又は３ｍｍである。

ケーブル４は、給電部３Ｂの上面に固定されている。励振線５は、ケーブル４の中心導体に電気的に接続されると共に、その先端側が給電導波管４０ａの内部空間内に突出している。

図９は、実施例２における給電部３Ｂの給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂの各辺の長さを説明する図である。
図９（ａ）は、実施例２における給電部３Ｂの斜視図である。図９（ｂ）は、実施例２における給電部３Ｂの側面図である。

実施例２の給電部３Ｂは、給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂの各辺の長さが以下の通り設定されたものである。

辺Ｌｘ１の長さは１４８．２ｍｍであり、辺Ｌｙ１の長さは４９．４ｍｍであり、辺Ｌｚ１の長さは２４．７ｍｍである。また、辺Ｌｘ２の長さが１６７．０ｍｍであり、辺Ｌｙ２の長さが１１０．０ｍｍであり、辺Ｌｚ２の長さが５５．０ｍｍである。また、辺ｓ１の長さは１８．８ｍｍであり、辺ｓ２の長さは３７．５ｍｍである。

図１０は、実施例２における給電部３Ｂの給電導波管４０ａのメタマテリアル２００の寸法を説明する図である。
メタマテリアル２００は、誘電体２１０及び導体パターン２２０を備えている。例えば、誘電体２１０は、厚さ１．６ｍｍであり、比誘電率２．６である。例えば、導体パターン２２０は、銅箔のパターンであり、厚さ３５μｍである。

例えば、誘電体２１０は、１辺の長さｄ１が２４．７ｍｍに設定される。例えば、導体パターン２２０は、１辺の長さａ１が２１．７ｍｍで、パターンの太さｗ１が３．０ｍｍに設定される。給電導波管４０ａの壁面は、上述した長さの誘電体２１０及び導体パターン２２０を備えるメタマテリアル２００が複数配置されることで形成されている。

図１１は、実施例２における給電部３Ｂの給電導波管４０ｂのメタマテリアル３００の寸法を説明する図である。
メタマテリアル３００は、誘電体３１０及び導体パターン３２０を備える。例えば、誘電体３１０は、厚さ１．６ｍｍであり、比誘電率２．６である。例えば、導体パターン３２０は、銅箔のパターンであり、厚さ３５μｍである。

例えば誘電体３１０は、１辺の長さｄ２が４９．４ｍｍに設定される。例えば、導体パターン３２０は、１辺の長さａ２が４３．４ｍｍで、パターンの太さｗ２が６．０ｍｍに設定される。給電導波管４０ｂの壁面は、上述した長さの誘電体３１０及び導体パターン３２０を備えるメタマテリアル３００が複数配置されることで形成されている。
なお、上述したように、給電導波管４０ａ及び給電導波管４０ｂの各々の壁面のメタマテリアル２００、メタマテリアル３００は、それぞれ異なる周期配列構造である。

図１２は、実施例２におけるアンテナ装置１Ｂの２．０ＧＨｚおける放射パターンを示す図である。図１２に示すように、点線は、実施例２における金属部７の幅が２ｍｍであるアンテナ装置１Ｂの特性を表している。１点鎖線は、実施例２における金属部７の幅が３ｍｍであるアンテナ装置１Ｂの特性を表している。実線は、従来のアンテナ装置の特性を表している。従来のアンテナ装置とは、本実施形態のアンテナ装置１Ｂと比較して、金属部７を備えていないアンテナ装置である。

ここで、図１２に示す放射パターンは、ＸＹ平面であり、実施例２におけるアンテナ装置が配された位置を中心として、その水平面（ＸＹ平面）に沿った±９０度の方位までについての電磁波の放射強度が図示される。
図１２に示すように、例えばピーク方向（放射方向）を０度としたとき、アンテナ装置１Ｂの放射パターンは、±９０度においてサイドローブが低減している。−９０度付近の位置のサイドローブにおいて、金属部７の幅が２ｍｍであるアンテナ装置１Ｂは、従来のアンテナ装置と比較して約０．７ｄＢの電磁波の強度を低減することできた。−９０度付近の位置のサイドローブにおいて、金属部７の幅が３ｍｍであるアンテナ装置１Ｂは、従来のアンテナ装置と比較して約１．８ｄＢの電磁波の強度を低減することできた。

上述の実施形態の実施例２において、アンテナ装置１Ｂは、寸法の異なるホーンアンテナが複数入れ子状に構成されている。ホーンアンテナの各々は、反射面である壁面がそれぞれ異なった周期配列構造のメタマテリアルで構成されている。アンテナ装置１Ｂは、少なくとも一番外側にある給電導波管の壁面を構成するメタマテリアルの不連続点に金属部７が設けられている。これにより、アンテナ装置１Ｂは、マルチバンド特性を備え、サイドローブがより低減されたアンテナ装置を提供することができる。

また、上述の実施形態において、アンテナ装置１は、メタマテリアルで形成されたメタマテリアル反射板を備え、メタマテリアル反射板に対して金属部７が設けられたアンテナ装置としてもよい。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ アンテナ装置
２ ホーン部
３ 給電部
２ａ ホーン
３ａ 給電導波管
４ ケーブル
５ 励振線
６ グランド板
７ 金属部
１００ メタマテリアル
１１０ 誘電体
１２０ 導体パターン

Claims (7)

1. 予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射するメタマテリアルで形成された反射面と、
   前記反射面においてメタマテリアルが不連続である箇所、に配置された金属部と、
   を備えるアンテナ装置。
2. 前記金属部は、連続に配置される請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記金属部は、周期的に配置される請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記反射面は、壁面である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記金属部は、前記壁面の接合部に配置される請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記金属部は、前記周波数帯域の波長の整数分の１である寸法の金属が周期的に配列される請求項３に記載のアンテナ装置。
7. 開口を有するホーンと前記ホーンに連通した給電導波管とを有する寸法の異なるホーンアンテナが複数入れ子状に構成されたアンテナ装置であって、
   前記反射面である前記ホーンアンテナの各々の壁面が、前記周波数帯域が異なる前記メタマテリアルで形成される請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

Images