JP6650293B2

JP6650293B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP6650293B2
Application number: JP2016032626A
Authority: JP
Inventors: 上田　哲也; 哲也上田; 康平榎本; 敬佑二宮
Original assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: JP2017152878A

Description

本発明は、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置に関する。

従来技術のビーム走査アンテナの一つに漏れ波アンテナがある。漏れ波アンテナは、アンテナを構成する伝送線路の実効屈折率の絶対値が１よりも小さくなる場合に、伝送線路に沿って伝搬する信号の一部が、漏れ波として外部に放射する現象を利用した指向性アンテナである（例えば、特許文献１〜３参照）。

放射ビーム角は、伝送線路上に生じる電磁界分布の空間的な位相勾配により決まるので、線路上の位相勾配を変えることにより、漏れ波ビーム角を走査することが可能となる。このような従来の漏れ波アンテナでは、信号は線路の一端から入力される。入力信号のうち、漏れ波放射に寄与しない成分が存在して、もう一方の線路終端まで到達する場合、終端で反射して同じ線路を逆方向に伝搬し、２次的な漏れ波放射によって不要なサイドローブを発生させてしまう。この問題を解決する手段として、アンテナサイズ（線路長）を無駄に大きくするか、インピーダンス整合回路を線路終端に挿入し反射を抑制する必要がある。もし漏れ波アンテナのサイズがコンパクトな場合、終端で放射に寄与しない信号成分が消費されるので、放射効率が上がらなくなる。

アンテナサイズをコンパクトに保ちながら、放射効率を高く維持する新しい技術の一つとして、非相反メタマテリアルの利用がある。非相反メタマテリアルとは、順方向と逆方向で透過係数の異なるメタマテリアルのことで、例えば、順方向伝搬の場合、正の屈折率を示すのに対して、逆方向伝搬の場合、負の屈折率を示すことが可能である。この非相反線路を漏れ波アンテナに適用すると、線路に沿って信号の伝搬方向を切り替えても漏れ波放射方向を同一方向に向けることが可能となる。この非相反線路からの漏れ波の放射効率を低下させないためには、線路の両端に一対の反射素子を挿入し、多重反射を積極的に利用することにより、入力信号の大部分を特定方向への漏れ波放射に寄与させることが考えられる。

つまり従来技術では、終端で無駄に消費されていた電力が非相反線路を用いることにより有効活用することが可能となり、共振構造によって放射効率の改善が図られる。このような非相反メタマテリアルの共振構造は擬似進行波共振器と呼ばれ、いくつかの特徴を有する。

一つ目の特徴としては、共振周波数が共振器サイズによらないことが挙げられ、これを用いると共振周波数を固定したまま、アンテナ形状、サイズを自由に変えることが可能となる。もう一つの特徴は、擬似進行波共振器内の電磁界分布が、自動的に振幅一様となり、一方、位相分布は一定の位相勾配を持つ。この位相勾配は線路の持つ非相反性により決まる量であり、共振条件には関係なく独立して制御可能なパラメータである。

したがって、共振状態を維持したまま、線路の非相反性を変えることにより、高効率な漏れ波ビーム走査が可能となる。線路に非相反性がない場合、線路内の実効屈折率は０となり、線路上の至る所で同位相となるので、線路に対してブロードサイド（垂直）方向に漏れ波が放射する。線路の非相反性が大きくなるにつれて、漏れ波ビーム角の傾きが大きくなる。

特許第５２３４６６７号公報特許第５６５５２５６号公報国際公開第２０１２／１１５２４５号公報

非相反性を大きくし、線路の実効屈折率の絶対値が１に近づくと、理想的には、ビーム角はブロードサイドから９０度近くまでビーム角の傾斜が大きくなるはずである。しかし、実際には、ビーム角はそれほど傾かず、さらにビーム方向も前方放射もしくは後方放射のいずれの場合においても、ビーム幅が大幅に増加し、指向性が低下した状態となる。さらに非相反性を大きくし、実効屈折率に換算して１よりも大きい導波領域となる場合、漏れ波放射が発生しないため、放射利得が低下してしまう。

既に説明したように、これまで非相反メタマテリアルのアンテナ応用については、漏れ波領域でのアンテナ動作を利用していた。線路の両側に反射素子を挿入し、多重反射を積極的に利用して高効率放射を実現する場合においても、放射原理は漏れ波放射に基づいていた。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高い効率で動作することができる非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置を提供することにある。

本発明に係るアンテナ装置は、直列枝の回路に容量性素子を、並列枝の回路に誘導性短絡スタブを、それぞれ周期的に挿入したマイクロストリップ線路を、上記マイクロストリップ線路の伝搬方向とは異なる方向で磁化されて自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化された構造を有する非相反メタマテリアル伝送線路装置を備えたアンテナ装置であって、
上記マイクロストリップ線路が導波領域で動作するように上記各回路のパラメータが設定され、上記マイクロストリップ線路の両端にそれぞれ反射素子が接続され、共振状態で動作することを特徴とする。

上記アンテナ装置において、上記マイクロストリップ線路の片端に接続された給電線路をさらに備えたことを特徴とする。

また、上記アンテナ装置において、上記アンテナ装置を複数備え、上記複数のアンテナ装置の各片端を互いに接続し、上記複数のアンテナ装置を放射状に配置したことを特徴とする。

さらに、上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ装置の各片端を接続した点に接続された給電線路をさらに備えたことを特徴とする。

従って、本発明によれば、従来技術に比較して高い効率で動作することができる非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す斜視図である。図１Ａの線路部分の拡大図である。本発明の実施形態２に係る擬似進行波共振器を用いたアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１３０ｍＴのときの分散曲線を示すグラフである。図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１７０ｍＴのときの分散曲線を示すグラフである。単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合に周波数５．８３ＧＨｚで順方向伝搬時のＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合に周波数５．８３ＧＨｚで逆方向伝搬時のＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合に周波数６．０５ＧＨｚで順方向伝搬時のＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合に周波数６．０５ＧＨｚで逆方向伝搬時のＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合に周波数５．８８ＧＨｚでのＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合の反射特性を示すスペクトル図である。単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合に周波数６．０６ＧＨｚでのＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合の反射特性を示すスペクトル図である。図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置における絶対利得及びビーム半値幅を示す表である。図２の擬似進行波共振器を用いたアンテナ装置における絶対利得、ビーム半値幅及び比帯域を示す表である。本発明の実施形態３に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図１５ＡのＮＣＲＬＨ線路３０の部分の拡大図である。図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴであるときの反射特性を示すスペクトル図である。図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴであるときの反射特性を示すスペクトル図である。図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴであるときの周波数５．８３ＧＨｚにおけるＸＺ面の放射パターンを示すパターン図である。図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴであるときの周波数６．０ＧＨｚにおけるＸＺ面の放射パターンを示すパターン図である。図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴであるときの周波数５．８３ＧＨｚにおけるＸＹ面の放射パターンを示すパターン図である。図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴであるときの周波数６．０ＧＨｚにおけるＸＹ面の放射パターンを示すパターン図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

本実施形態では、非相反メタマテリアル伝送線路装置を導波領域で共振動作させ、水平方向に放射する高効率指向性アンテナを提案する。従来技術に係る漏れ波領域での動作では、ビーム角が水平方向を向かず、さらにビーム幅増大を招いていた。本実施形態では、非相反メタマテリアル線路装置を導波領域において共振動作させることで、擬似進行波共振器を構成し、水平面内で前方放射もしくは後方放射を実現することにより、従来よりも鋭いビーム幅をもつ高効率指向性アンテナを実現する。また、複数の非相反メタマテリアル伝送線路装置を放射状に並べた構造を採用することにより、低姿勢で水平方向に無指向で鋭いビームを出射するアンテナが構成可能となる。

図１Ａは本発明の実施形態１に係る非相反メタマテリアル伝送線路装置の構成を示す斜視図である。また、図１Ｂは図１Ａの線路部分の拡大図である。ここで、非相反メタマテリアル伝送線路装置は、非相反移相右手／左手系複合伝送線路（以下、ＮＣＲＬＨ線路という）を用いて構成される。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、実施形態１に係るＮＣＲＬＨ線路３０は、裏面に接地導体１１を有する１対の誘電体基板１３，１４により挟設された垂直磁化フェライト角棒１０上に、ストリップ導体１２と接地導体１１とにより構成されたマイクロストリップ線路に対して、直列枝の回路に直列キャパシタＣｓ（ただし、線路両端では２Ｃｓ）を挿入し、並列枝の回路にインダクタをそれぞれ周期的に挿入することで複数の単位セル２０を縦続接続してなる構造を有する。図１のＮＣＲＬＨ線路３０では、直列枝の直列キャパシタＣｓとして例えばチップコンデンサを挿入し、また並列枝のインダクタとして電磁波の伝搬方向に対して片側にのみ挿入された誘導性短絡スタブを採用している。ここで、各誘導性短絡スタブは、例えばストリップ導体１６をビア導体１７を介して接地してなる誘導性短絡スタブとして形成される。また、ＮＣＲＬＨ線路３０の一方の端部は誘電体基板１３，１４上のストリップ導体１２Ｐ１を介してポートＰ１に接続され、ＮＣＲＬＨ線路３０の他方の端部は誘電体基板１３，１４上のストリップ導体１２Ｐ２を介してポートＰ２に接続される。

さらに、フェライト角棒１０は線路直下の永久磁石４０により垂直方向（誘電体基板１３，１４の面に対して垂直な方向であって、例えば下面から上面に向かう方向をいう。）に磁化される。

なお、図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置をシミュレーションしたときの回路パラメータは以下の通りである。
―――――――――――――――――――――
直列キャパシタＣｓ＝０．６ｐＦ
ストリップ導体１２の幅ｗ＝４．０ｍｍ
セル周期ｐ＝３．５ｍｍ
フェライト角棒１０の誘電率ε_ｆ＝１５
誘電体基板１３，１４の誘電率ε_ｄ＝２．６
スタブ長ｌ_ｓｔｕｂ＝０．２ｍｍ
スタブ幅ｗ_ｓｔｕｂ＝１．６ｍｍ
―――――――――――――――――――――

以上の実施形態において、フェライト角棒１０は線路直下に設けられた永久磁石４０（図１Ａ）により垂直方向に磁化されているが、本発明はこれに限らず、フェライト角棒１０を予め磁化してもよい。

上記の非相反メタマテリアル伝送線路である梯子型ＮＣＲＬＨ線路の構成は、例えば図１Ａに示すように、例えば単位セル２０が少なくとも１つ以上から構成される梯子型伝送線路構成である。ここで、単位セル２０の構成は、順方向と逆方向の伝搬定数が異なる非可逆位相推移現象を有する伝送線路部分を含み、直列枝の回路に容量性素子、並列枝の回路に誘導性素子が等価的に挿入された構成を有する（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。上記伝送線路構成として対象となる回路又は装置は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレーナ線路などマイクロ波、ミリ波、準ミリ波、テラヘルツ波において用いられるプリント基板回路、導波管、誘電体線路だけでなく、プラズモン、ポラリトン、マグノン等を含む導波モードあるいは減衰モードを支える構成全般、あるいはそれらの組み合わせ、さらに等価回路として記述可能な自由空間など全てが含まれる。

上記非可逆位相推移現象を有する伝送線路は、上記に示す伝送線路構成のうち、特にジャイロ異方性を有する材料を部分的もしくは全体的に含み、かつ電磁波の伝搬方向に対して異なる磁化方向（より好ましくは、伝搬方向に対して直交する方向）で磁化されて、上記伝搬方向と上記磁化方向とにより形成される面に対して非対称性を有する構造の伝送線路より構成される。上記非可逆位相推移現象を有する伝送線路としては、上記伝送線路以外に、同等の非可逆位相推移機能を有する、波長に比べて充分小さな集中定数素子も対象とする。上記ジャイロ異方性を有する材料としては、自発磁化もしくは外部より印加した直流もしくは低周波の磁界により誘起された磁化あるいは自由電荷の周回運動により、材料の特性を表す誘電率テンソルもしくは透磁率テンソルあるいはその両方が、ジャイロ異方性を持つ状態として表される場合全てを含む。具体的に対象となる例としては、マイクロ波、ミリ波などで用いられるフェライトなどのフェリ磁性体、強磁性体材料、固体プラズマ（半導体材料など）及び液体、気体プラズマ媒質、さらに微細加工などにより構成された磁性人工媒質などが挙げられる。

上記直列枝の回路に挿入される容量性素子としては、電気回路でよく用いられるコンデンサ、マイクロ波、ミリ波回路などで用いられる分布定数型容量素子だけでなく、等価的には、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効透磁率が負の値を持つような回路又は回路素子であってもよい。負の実効透磁率を示す具体的な例としては、金属からなるスプリットリング共振器、スパイラル構成などの磁気的共振器を少なくとも１つ含む空間的配置、あるいは磁気的共振状態にある誘電体共振器の空間的配置、あるいはフェライト基板マイクロストリップ線路に沿って伝搬するエッジモードのように、負の実効透磁率を持つ導波モードもしくは減衰モードで動作するマイクロ波回路全てを、等価回路として直列枝の回路が容量性素子として支配的に動作する線路として記述されることから用いることが可能である。さらに、上記直列枝の回路に挿入される容量性素子としては、上記以外に、容量性素子と誘導性素子の直列接続、並列接続あるいはそれらの組み合わせであってもよい。挿入されるべき部分の素子又は回路が全体として容量性を示すものであってもよい。

上記並列枝の回路に挿入される誘導性素子として、電気回路で用いられるコイルなどの集中定数型素子や、マイクロ波、ミリ波回路などで用いられる短絡スタブなどの分布定数型誘導性素子だけでなく、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効誘電率が負の値を持つ回路又は素子を用いることができる。具体的には、金属細線、金属球などの電気的共振器を少なくとも１つ含む空間的配置、あるいは金属だけでなく電気的共振状態にある誘電体共振器の空間的配置、あるいはＴＥモードが遮断領域にある導波管、平行平板線路など、負の実効誘電率を持つ導波モードもしくは減衰モードで動作するマイクロ波回路全てを、等価回路として並列枝が誘導性素子として支配的に動作する伝送線路として記述されることから用いることができる。また、上記並列枝の回路に挿入される誘導性素子としては、上記以外に、容量性素子と誘導性素子の直列接続、並列接続あるいはそれらの組み合わせであってもよい。挿入されるべき部分が全体として誘導性を示す回路又は素子であってもよい。

図２は本発明の実施形態２に係る擬似進行波共振器を用いたアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２及びそれ以降の図面において、マイクロストリップ線路の幅方向をＸ方向にとり、その長手方向をＹ方向にとり、マイクロストリップ線路の下面から上面に向かう垂直方向をＺ方向にとる。

図２の実施形態２において、擬似進行波共振器は共振条件を課すために、図１Ａ及び図１Ｂに示したＮＣＲＬＨ線路３０の両端を短絡している。なお、終端の短絡条件を満たすために、ポートＰ１の給電線側には動作周波数の１／４波長に相当する線路長のマイクロストリップ線路のストリップ導体２１を反射素子として挿入し、ポートＰ２側のストリップ導体２３をビア導体３２を介して接地している。また、給電線路のストリップ導体２２は、１／４波長の反射器に対して５０Ωで整合の取れる、ストリップ導体２１の位置に挿入されており、ストリップ導体２２の端部はマイクロ波信号を入力又は出力するためのポートＰ３となる。

図３は図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１３０ｍＴのときの分散曲線を示すグラフである。また、図４は図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１７０ｍＴのときの分散曲線を示すグラフである。図３のケースは、フェライト角棒１０の実効磁化が１３０ｍＴの場合の分散曲線であって、分散曲線の交点がエアライン上にある場合であり、実効屈折率の大きさが１の場合に相当し、漏れ波放射角がブロードサイドから９０°傾いた場合の前方もしくは後方放射の場合に相当する。一方、図４のケースは、実効磁化が１７０ｍＴの場合の分散曲線を示している。実効磁化が１３０ｍＴのときの分散曲線の交点はエアラインの内側の速波（漏れ波）領域で動作するのに対し、実効磁化が１７０ｍＴのときの分散曲線の交点はエアラインの外側の導波（非放射）領域で動作する。

図５は単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合に周波数５．８３ＧＨｚで順方向伝搬時のＹＺ面の電波放射パターンを示すパターン図である。また、図６は単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合に周波数５．８３ＧＨｚで逆方向伝搬時のＹＺ面の電波放射パターンを示すパターン図である。図５の順方向伝搬の場合、放射利得（以下、絶対利得で表す）の最大値はＹＺ面での放射のビーム角θ＝９０度で９．７１ｄＢｉとなり、放射のビーム半値幅は３７度となった。また、図６の逆方向伝搬の場合、放射利得の最大値はＹＺ面でのビーム角θ＝９０度で８．７０ｄＢｉとなり、ビーム半値幅は２６度となった。

図７は単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合に周波数６．０５ＧＨｚで順方向伝搬時のＹＺ面の電波放射パターンを示すパターン図である。また、図８は単位セル２０の数が３０である図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合に周波数６．０５ＧＨｚで逆方向伝搬時のＹＺ面の電波放射パターンを示すパターン図である。図７の順方向伝搬の場合、放射利得の最大値はＹＺ面でのビーム角θ＝９０度で７．２３ｄＢｉとなり、ビーム半値幅は１９．５度となった。また、図８の逆方向伝搬の場合、放射利得の最大値はＹＺ面でのビーム角θ＝９０度で−０．７５ｄＢｉとなり、ビーム半値幅は１５度となった。

図９は単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合に周波数５．８８ＧＨｚでのＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。また、図１０は単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴの場合の反射特性を示すスペクトル図であり、横軸は周波数で縦軸はＳパラメータＳ１１である。図９の放射パターンでは、放射利得の最大値はＹＺ面でのビーム角θ＝９０度で１２．６６ｄＢｉとなり、ビーム半値幅は３６度となった。図１０の擬似進行波共振器の反射特性では、０次共振周波数が５．８８ＧＨｚに現れ、比帯域が０．７８％となった。

図１１は単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合に周波数６．０６ＧＨｚでのＹＺ面の放射パターンを示すパターン図である。また、図１２は単位セル２０の数が３０である非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いた図２のアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴの場合の反射特性を示すスペクトル図である。図１１の放射パターンでは。放射利得の最大値はＹＺ面でのビーム角θ＝９０度で９．４２ｄＢｉとなり、ビーム半値幅は１８度となった。図１２の反射特性では、０次共振周波数が６．０６ＧＨｚに現れ、比帯域が０．６９％となった。

本発明者らによるシミュレーション結果のまとめを図１３及び図１４に示す。図１３は図１Ａ及び図１Ｂの非相反メタマテリアル伝送線路装置における絶対利得及びビーム半値幅を示す表である。また、図１４は図２の擬似進行波共振器を用いたアンテナ装置における絶対利得、ビーム半値幅及び比帯域を示す表である。

以上説明したように本実施形態によれば、直列枝の回路に容量性素子を、並列枝の回路に誘導性素子を、それぞれ周期的に挿入したマイクロストリップ線路を、上記マイクロストリップ線路の伝搬方向とは異なる方向で磁化されて自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化された構造を有する非相反メタマテリアル伝送線路装置を備えたアンテナ装置であって、上記マイクロストリップ線路が導波領域で動作するように上記各回路のパラメータが設定され、上記マイクロストリップ線路の両端にそれぞれ反射素子が接続され、共振状態で動作する。ここで、上記マイクロストリップ線路の片端に接続された給電線路をさらに備える。

従って、本実施形態によれば、非相反メタマテリアル伝送線路装置からなる擬似進行波共振器アンテナ装置を導波領域で動作させることにより、漏れ波放射による線路上の伝搬信号の電磁界減衰効果を抑制し、従来技術に比較して高い放射効率で動作することができ、より一様な電磁界分布を得ることができ、鋭いビームを形成することが可能となる。

図１５Ａは本発明の実施形態３に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。また、図１５Ｂは図１５ＡのＮＣＲＬＨ線路３０の部分の拡大図である。実施形態３に係るアンテナ装置は、実施形態２に係る擬似進行波共振器を備えた水平方向無指向放射アンテナ装置を示す。

図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて、実施形態３に係るアンテナ装置は、装置中心の給電点にあるビア導体３３（給電線路を介して給電回路に接続される）から放射状に、例えば１０個のＮＣＲＬＨ線路３０−１〜３０−１０を例えば３６度毎の等角度で誘電体基板１３上に配置してなる擬似進行波共振アンテナ装置である。ここで、各ＮＣＲＬＨ線路３０に対して共振条件を課すために各ＮＣＲＬＨ線路３０の両端に接地短絡のビア導体３１，３２を挿入している。また給電点は、５０Ωの給電線路で接続されており、給電点から各ＮＣＲＬＨ線路３０のポートＰ２側の先端に挿入されたビア導体３２までのマイクロストリップ線路の長さを調整することで５０Ωの給電線路に対してインピーダンス整合が取られている。

図１６は図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴであるときの反射特性を示すスペクトル図である。また、図１７は図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴであるときの反射特性を示すスペクトル図である。図１６及び図１７の各共振点は図３及び図４で示した分散曲線の交点の周波数に一致している。

図１８は図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴであるときの周波数５．８３ＧＨｚにおけるＸＺ面の放射パターンを示すパターン図である。また、図１９は図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴであるときの周波数６．０ＧＨｚにおけるＸＺ面の放射パターンを示すパターン図である。図１８から明らかなように、実効磁化が１３０ｍＴの場合の放射利得は水平面に相当するＸＺ面でのビーム角θ＝９０度で４．２９ｄＢｉ、ビーム半値幅は４０度となった。また、図１９から明らかなように、実効磁化が１７０ｍＴの場合の放射利得はＸＺ面でのビーム角θ＝９０度で３．３９ｄＢｉ、ビーム半値幅は３５度となった。

図２０は図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１３０ｍＴであるときの周波数５．８３ＧＨｚにおけるＸＹ面の放射パターンを示すパターン図である。また、図２１は図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ装置において実効磁化が１７０ｍＴであるときの周波数６．０ＧＨｚにおけるＸＹ面の放射パターンを示すパターン図である。図２０から明らかなように、実効磁化が１３０ｍＴの場合、水平方向に無指向に放射しており、平均水平方向放射利得は４．２９ｄＢｉとなった。また、図２１から明らかなように、実効磁化が１７０ｍＴの場合においても水平方向に無指向に放射しており、平均水平方向放射利得は３．３９ｄＢｉとなった。

以上説明したように、実施形態２に係るアンテナ装置を複数個放射状に配置することで、従来技術に比較して高い放射効率を有し、仰角方向に鋭いビーム幅をもたらし、水平方向に無指向性アンテナ装置を実現できる。

以上の実施形態においては、１０個のＮＣＲＬＨ線路３０を備えているが、本発明はこれに限らず、例えば４個以上の複数のＮＣＲＬＨ線路３０を放射状に配置することで無指向性アンテナ装置を構成してもよい。

以上詳述したように、本発明によれば、従来技術に比較して高い効率で動作し、仰角方向に鋭いビーム幅をもたらす非相反メタマテリアル伝送線路装置を用いたアンテナ装置を提供することができる。

１０…フェライト角棒、
１１…接地導体、
１２，１２Ｐ１，１２Ｐ２…ストリップ導体、
１３，１４…誘電体基板、
１６…ストリップ導体、
１７…ビア導体、
２０…単位セル、
２１，２２，２３…ストリップ導体、
３０，３０−１〜３０−１０…ＮＣＲＬＨ線路、
３１，３２，３３…ビア導体、
４０…永久磁石、
Ｃｓ…直列キャパシタ、
Ｐ１〜Ｐ３…ポート、
Ｐ１Ｅ，Ｐ２Ｅ…線路端。

Claims

直列枝の回路に容量性素子を、並列枝の回路に誘導性素子を、それぞれ周期的に挿入したマイクロストリップ線路を、上記マイクロストリップ線路の伝搬方向とは異なる方向で磁化されて自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化された構造を有する非相反メタマテリアル伝送線路装置を備えたアンテナ装置であって、
上記マイクロストリップ線路が導波領域で動作するように上記各回路のパラメータが設定され、上記マイクロストリップ線路の両端にそれぞれ反射素子が接続され、共振状態で動作するアンテナ装置であって、
前記アンテナ装置を複数備え、上記複数のアンテナ装置の各片端を互いに接続し、上記複数のアンテナ装置を放射状に配置したことを特徴とするアンテナ装置。
上記マイクロストリップ線路の片端に接続された給電線路をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
上記複数のアンテナ装置の各片端を接続した点に接続された給電線路をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。