JP6998594B2 - 非相反伝送線路装置及びアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、デュアルバンドで動作する非相反伝送線路装置と、それを用いたアンテナ装置に関する。

特許文献１において、広帯域で高周波信号を伝送できる非相反メタマテリアル伝送線路装置及びアンテナ装置が提案されている。

また、特許文献２では、伝送線路を用いたマルチバンドフィルタにおいて、複数のフィルタを近接して合成した場合でも、帯域外のアイソレーション特性を改善したマルチバンドフィルタが開示されている。

上記の特許文献１，２のほか、２周波で動作するメタマテリアル伝送線路は既に提案され（例えば、非特許文献１参照）、伝搬方向により屈折率が正負入れ替わる非相反メタマテリアル伝送線路及びビーム走査アンテナへの応用も既に提案されている（例えば、非特許文献２参照）。しかし、典型的なビーム走査アンテナとしては、フェーズドアレーアンテナが主流であり、簡易にビーム走査可能なアンテナとして伝送線路からなる漏れ波アンテナが提案されている。

特開２０１７－１５２７８１号公報 特開２０１６－００５８２２号公報

A. Rennings et al., "Extended Composite Right/Light-Handed (E-CRLH) Metamaterial and its Application as Quadband Quarter-Wavelength Transmission Line,", Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2016. George V. Eleftheriades et al., "A Generalized Negative-Refractive-Index Transmission-Line (NRI-TL) Metamaterial for Dual-Band and Quad-Band Applications," IEEE Microwave Wireless components Letters, Vol. 17, No. 6, pp.415-417, June 2017.

しかしながら、２周波で動作する従来例のメタマテリアル線路は相反線路に限定され、非相反メタマテリアル伝送線路及びビーム走査アンテナへの応用としては、従来技術では一周波動作のみ可能であった。

また、フェーズドアレーアンテナは多数のアンテナ素子から構成されるが、ビーム走査の際に各アンテナ素子に接続された移相器を独立に制御する必要があり、制御システムが複雑で負荷が大きいという問題点があった。さらに、漏れ波アンテナは一方向伝搬のみで放射効率が低いという問題点があった。

従来例のビーム走査アンテナよりも簡易でかつ高効率なビーム走査を可能にする新しい技術として、非相反メタマテリアルからなる共振タイプの漏れ波アンテナを既に提案しているが（例えば、特許文献１参照）、従来の非相反線路では一周波帯域でのみ動作可能であった。

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を有し、複数のバンドで動作可能である非相反伝送線路装置及びアンテナ装置及びそれを用いたアンテナ装置を提供することにある。

第１の発明にかかる非相反伝送線路装置は、マイクロ波の伝送線路部分と、並列共振回路を含む直列枝の回路と、直列共振回路を含みかつ上記伝送線路部分から分岐して当該直列共振回路を介して接地される第１の並列枝の回路と、誘導性素子を等価的に含みかつ上記伝送線路部分から分岐して当該誘導性素子を介して接地される第２の並列枝の回路とを備えた少なくとも１つの単位セル回路を備えて構成され、かつ、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ように構成された非相反伝送線路装置であって、
上記各単位セルの伝送線路部分は、上記マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
上記直列枝の回路の共振周波数と、上記第１及び第２の並列枝の回路の共振周波数を異なるように設定することで、少なくとも２つの周波数で共振することを特徴とする。

上記非相反伝送線路装置において、上記第１の並列枝の回路は、容量性素子と、誘導性素子との直列回路とを含むことを特徴とする。

また、上記非相反伝送線路装置において、上記第２の並列枝の回路は、誘導性素子を含むことを特徴とする。

さらに、上記非相反伝送線路装置において、
上記直列枝の回路は、
隣接する各単位セル回路間に接続された容量性素子と、
上記伝送線路部分の長手方向を有するように並置された３本のストリップ導体と、
上記３本のストリップ導体のうち、両端のストリップ導体の間に配置されたストリップ導体の実質的な中央部に接続された容量性素子と
を含むことを特徴とする。

第２の発明にかかるアンテナ装置は、
上記非相反伝送線路装置と、
上記非相反伝送線路装置にマイクロ波を入力する給電線路とを備えたことを特徴とする。

従って、本発明にかかる非相反伝送線路装置及びそれを用いたアンテナ装置によれば、伝搬方向により非相反メタマテリアル伝送線路の動作が少なくとも２周波の帯域で可能となる。さらに共振構造を採用することにより、高効率ビーム走査アンテナ装置が少なくとも２周波で動作可能となり、マルチバンド動作が可能になる。

従来例にかかるシングルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０Ｓの等価回路を示す回路図である。 実施形態にかかるデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０の等価回路を示す回路図である。 実施形態にかかるデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の非平衡型分散曲線の一例を示すグラフである。 実施形態にかかるデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の平衡型分散曲線の一例を示すグラフである。 実施形態にかかるデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の構成例を示す斜視図である。 図４のＡ－Ａ’線についての縦断面図である。 図４のデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０の詳細構成例を示す平面図である。 図４のデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０を示す図６と、等価回路との対応関係を示す模式図である。 比較例にかかる並列枝の回路と伝送線路のみからなる単位セル回路２０Ａの構成例を示す平面図である。 図８Ａの単位セル回路２０ＡのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 比較例にかかる直列枝の回路と伝送線路のみからなる単位セル回路２０Ｂの構成例を示す平面図である。 図９Ａの単位セル回路２０ＢのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 実施形態にかかる、直列枝の回路及び並列枝の回路と伝送線路からなる単位セル回路２０のＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 図６の単位セル回路２０において、バンドギャップが存在するときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 図８Ａの単位セル回路２０Ａにおいて、パラメータｌ_ｓ ^ｄを５．２ｍｍから５．４ｍｍに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 図９Ａの単位セル回路２０Ｂにおいて、パラメータＣ_Ｌ ^ｄを０．３ｐＦから０．４ｐＦに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 図８Ａの単位セル回路２０Ａにおいて、実効磁化μ_０Ｍ_ｓを１０５ｍＴから１７８ｍＴに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 図９Ａの単位セル回路２０Ｂにおいて、実効磁化μ_０Ｍ_ｓを１０５ｍＴから１７８ｍＴに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の分散曲線の一例を示すグラフである。 図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路を用いたアンテナ装置の放射パターンの一例を示す側面図である。 図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路を用いたアンテナ装置において周波数ｆ_ｃ１＝５．６９ＧＨｚでの放射パターンを示すパターン図である。 図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路を用いたアンテナ装置において周波数ｆ_ｃ２＝７．４３ＧＨｚでの放射パターンを示すパターン図である。 図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０において直列枝の回路の並列共振回路部分の挿入位置を変更したときの単位セル回路２０Ｃの構成例を示す平面図である。 図１６Ａの単位セル回路２０ＣのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。 図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０において短絡スタブ回路を単位セル回路の中心位置からずらしたときの単位セル回路２０Ｄの構成例を示す平面図である。 図１７Ａの単位セル回路２０ＤのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

以下、比較例及び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、以下の実施形態において、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。

図１Ａは従来例にかかるシングルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０Ｓの等価回路を示す回路図である。また、図１Ｂは実施形態にかかるデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０の等価回路を示す回路図である。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、単位セル回路２０，２０Ｐは、端子Ｔ１，Ｔ２のポートＰ１と、端子Ｔ３，Ｔ４のポートＰ２との間に、
（１）周期長ｐ／２の２個の伝送線路１，２と、
（２）２個の直列枝の回路６１又は６１Ａ，６２又は６２Ａと、
（３）並列枝の回路６３又は６３Ａと
を備えて構成される。

図１Ｂのデュアルバンドの非相反ＣＲＬＨメタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０は、図１Ａのデュアルバンドの非相反ＣＲＬＨメタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０Ｐに比較して、以下の点が異なる。
（１）図１Ａの２個の直列枝の回路６１Ａ，６２ＡであるインピーダンスＺ／２をそれぞれ、キャパシタ２Ｃ_Ｌ ^ｃと、インダクタＬ_Ｒ ^ｃ／２及びキャパシタ２Ｃ_Ｌ ^ｄの並列共振回路との直列回路（インピーダンスＺ_ｅ／２）からなる直列枝の回路６１，６２に置き換えた。
（２）図１Ａの並列枝の回路であるアドミタンスＹ（インダクタＬ_Ｌ ^ｃ）を、インダクタＬ_Ｌ ^ｃと、インダクタＬ_Ｌ ^ｄ及びキャパシタＣ_Ｒ ^ｄの直列回路との並列回路（アドミタンスＹ_ｅ）からなる並列枝の回路６３に置き換えた。
すなわち、直列枝の回路６１Ａ，６２Ａに並列共振回路を挿入し、並列枝の回路６３Ａに直列共振回路を新たに追加挿入することで，デュアルバンドで動作させることができる。

図１Ｂに示すデュアルバンド動作可能な非相反ＣＲＬＨ伝送線路の単位セル回路の等価回路に対して、直列枝の回路６１，６２に追加した並列共振回路のキャパシタ（合成値）をＣ_Ｌ ^ｄとし、インダクタ（合成値）をＬ_Ｒ ^ｄとする。従来例にかかるシングルバンドの直列枝の回路６１Ａ，６２ＡのキャパシタをＣ_Ｌ ^ｃとする。並列枝の回路６３に追加した直列共振回路のキャパシタ（合成値）をＣ_Ｒ ^ｄとし、インダクタ（合成値）をＬ_Ｌ ^ｄとする。従来例にかかるシングルバンドの並列枝の回路のインダクタをＬ_Ｌ ^ｃとする。ここで、直列枝の回路６１，６２の合成インピーダンスをＺ_ｅ，並列枝の回路の合成アドミタンスをＹ_ｅとする。単位セル回路２０の周期長をｐとする。伝送線路１，２は非相反ＣＲＬＨ線路となっており，伝搬方向により特性インピーダンスと位相定数が異なる。順方向伝搬の特性インピーダンスをＺ_ｐとし、位相定数をβ_ｐとし、逆方向伝搬の特性インピーダンスをＺ_ｍとし、位相定数をβ_ｍとする。さらに、次式のようにおく。

単位セル回路２０の両端に対して周期的境界条件を課すことにより、次のような分散関係式を得る。

ここで、βは周期構造に沿って伝搬する電磁波の位相定数である。式（２）の右辺は式（１）から分かるように動作角周波数ωの関数である。従って、式（２）は動作角周波数ωと位相定数βの関係（分散関係）を表す。また、式（２）の構造から、動作角周波数ωと位相定数βの関係を図示した分散曲線において、対称軸がβ＝０の周波数軸からβ軸に沿って、β＝Δβだけシフトしていることがわかる。このシフト量Δβが対象の伝送線路に対して非相反性を与える。

式（２）において、単位セル回路の周期長ｐがサブ波長なので、

を仮定し、

をテーラー展開し，二次項まで考慮する。
さらに式（２）に式（１）のインピーダンスＺ_ｅ、アドミタンスＹ_ｅを代入し、さらに平衡条件を調べるためにβ＝Δβを代入して整理すると，以下の動作角周波数ωに関する８次方程式が得られる。

ここで、次式とおいている。

この式（３）はω^２の４次方程式と考えることができる。動作角周波数ωはω＞０なので、ω^２をω’と置くと，ω’に関する４次方程式からωの解が４つ得られる。ω’が２つの重解を持つとき、２周波でバンドギャップが閉じることが分かる。

特別な場合として、無損失かつ線路構造の非対称性によるＺ_ｐ，Ｚ_ｍの差が小さく、Ｚ_ｐ＝Ｚ_ｍ＝Ｚ_０が近似的に成り立つ場合、バンドギャップのない平衡条件は簡単化され以下の二式で表される。

（４）

図２は実施形態にかかるデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の非平衡型分散曲線の一例を示すグラフである。

図２から明らかなように、上側バンドでのバンドギャップにおけるカットオフ周波数は，並列枝の回路６３のアドミタンスＹｓｈがゼロとなる並列共振周波数ｆ_ｓｈ２と直列枝の回路６１，６２のインピーダンスＺｓｅがゼロとなる直列共振周波数ｆ_ｓｅ２である。バンドギャップの上側及び下側カットオフ周波数はｆ_ｓｈ２とｆ_ｓｅ２のどちらかであり、大小により入れ替わる。下側バンドでも同様にバンドギャップにおけるカットオフ周波数は，並列枝の回路６３のアドミタンスＹｓｈがゼロとなる並列周波数ｆ_ｓｈ１と直列枝のインピーダンスがゼロとなる直列共振周波数ｆ_ｓｅ１である。

以下では、
（１）下側バンド下端のカットオフ周波数から動作周波数ｍｉｎ（ｆ_ｓｅ１，ｆ_ｓｈ１）までの帯域を第１バンドとし、
（２）動作周波数ｍａｘ（ｆ_ｓｅ１，ｆ_ｓｈ１）から下側バンド上端のカットオフ周波数までの帯域を第２バンドとし、
（３）上側バンド下端のカットオフ周波数から動作周波数ｍｉｎ（ｆ_ｓｅ２，ｆ_ｓｈ２）までの帯域を第３バンドとし、
（４）動作周波数ｍａｘ（ｆ_ｓｅ２，ｆ_ｓｈ２）から下側バンド上端のカットオフ周波数までの帯域を第４バンドとする。
但し、ｍｉｎ（Ｘ１，Ｘ２）は変数Ｘ１とＸ２のうち小さい方の値を表し、ｍａｘ（Ｘ１，Ｘ２）は変数Ｘ１とＸ２のうち大きい方の値を表す関数である。

図２の分散曲線において、特別な場合としてｆ_ｓｈ１＝ｆ_ｓｅ１＝ｆ_ｃ１かつｆ_ｓｈ２＝ｆ_ｓｅ２＝ｆ_ｃ２が満足する場合、第１バンドと第２バンドの間のバンドギャップ及び第３バンドと第４バンドの間のバンドギャップが消失する。以下では、この条件を満たす分散曲線を平衡型と呼ぶことにする。このときの分散曲線を図３に示す。分散曲線が交差する２点の動作周波数は下側の周波数からｆ_ｃ１及びｆ_ｃ２となる。

図４は実施形態にかかるデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の構成例を示す斜視図である。また、図５は図４のＡ－Ａ’線についての縦断面図である。すなわち、図４及び図５は、図１Ｂに示されたデュアルバンド動作可能な非相反ＣＲＬＨ伝送線路の等価回路に対する具体的構造の一例を斜視図として表す。

図４及び図５のデュアルバンドの非相反ＣＲＬＨ伝送線路は，裏面に接地導体１１を有する誘電体基板１０上に形成されたポートＰ１１とポートＰ１２の間において、複数Ｎ個の単位セル回路２０が縦続接続されて構成される。ここで、ストリップ導体２１と接地導体１１とによりマイクロ波線路（給電線路）のポートＰ１１を構成し、ストリップ導体２２と接地導体１１とによりマイクロ波線路（給電線路）のポートＰ１２を構成する。各単位セル回路２０においては、一本のフェライトロッド１２上に、接地導体１１とストリップ導体３１～３３からなるマイクロストリップ線路（伝送線路）を基礎として、容量素子にはチップキャパシタ４１～４４を用い、誘導素子としては２種類の短絡スタブ回路を挿入して構成している。図５に示すように、第１の誘導性絡スタブ回路は、ストリップ導体３４及び接地されたビア導体３５を備えて構成され、キャパシタ４４を介してストリップ導体３１に接続される。また、第２の誘導性絡スタブ回路は、ストリップ導体３３及び接地されたビア導体３６を備えて構成され、ストリップ導体３３に接続される。

次いで、数値計算に用いた共通の構造パラメータを以下の通りである。
（１）単位セル回路の線路長（長手方向の周期）ｐ＝５ｍｍ、セル数Ｎ＝５、誘電体基板１０の幅ｗ_ｅ＝１５ｍｍ，基板長ｌ_ｅ＝３５．５ｍｍ，フェライトロッド１２の幅ｗ_ｆ＝１．８ｍｍ，フェライトロッド１２の長さｌ_ｆ＝２５．５ｍｍ。
（２）短絡スタブ回路用のビア導体３５，３５の半径ｒ＝０．５ｍｍ，ストリップ導体３１～３４の厚さｄ_ｃ＝１８μｍ、誘電体基板１０の厚さｄ＝０．８ｍｍ、誘電体基板１０の誘電率ε_ｆ＝２．６２、フェライトロッド１２の比誘電率ε_ｆ＝１５、フェライトロッド１２の実効磁化μ_０Ｍ_Ｓ＝１０５ｍＴ、内部直流磁界μ_０Ｈ_０＝３０ｍＴ。
（３）ポートＰ１１，Ｐ１２のストリップ導体２１，２２の幅ｗｐ＝３．５ｍｍ、その長さｌｐ＝５ｍｍ。

図６は図４のデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０の詳細構成例を示す平面図である。図６において、単位セル回路２０の構造パラメータは以下の通りである。

（１）ストリップ導体３１，３２，３３の線路幅（合計値）ｗ＝１．８ｍｍ、線路長ｌ＝４．５ｍｍ、３本に分かれたストリップ導体３１，３２，３３の線路幅ｗ_ｔ＝０．４ｍｍ、同線路長ｌ_ｔ＝３．５ｍｍ。
（２）直列枝の回路６１，６２に挿入される並列共振回路内のチップキャパシタＣ_Ｌ ^ｄ＝０．３ｐＦ、直列枝の回路６１，６２に挿入されるチップキャパシタ（両端）Ｃ_Ｌ ^ｃ＝０．３ｐＦ。
（３）並列枝の回路６３に挿入される直列共振回路内のチップキャパシタＣ_Ｒ ^ｄ＝０．１ｐＦ。
（４）図６の上側に挿入された短絡スタブ回路のストリップ導体３６の幅ｗ_ｓ ^ｃ＝２ｍｍ，同スタブ長（ストリップ導体３６の長さ）ｌ_ｓ ^ｄ＝０．８ｍｍ。
（５）図６の下側に挿入された短絡スタブ回路のストリップ導体３４の幅ｗ_ｓ ^ｄ＝１ｍｍ，同スタブ長（ストリップ導体３４及びビア導体３５の長さ）ｌ_ｓ ^ｄ＝５．２ｍｍ。

図７は、図４のデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０を示す図６と、等価回路との対応関係を示す模式図である。

次いで、図８Ａ～図１０Ｂを参照して，数値シミュレーションによる構成手順として，バンドギャップのない平衡型線路の構成法について以下に説明する。

図８Ａは比較例にかかる並列枝の回路と伝送線路のみからなる単位セル回路２０Ａの構成例を示す平面図である。また、図８Ｂは図８Ａの単位セル回路２０ＡのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

図８Ａの単位セル回路２０Ａでは、図７に示した単位セル回路２０を構成する要素のうち、マイクロストリップ線路である伝送線路に対して並列枝の回路の要素のみが挿入された線路構造の場合の散乱パラメータ（透過係数Ｓ２１，Ｓ１２及び反射係数Ｓ１１，Ｓ２２）を示す。数値計算に用いたパラメータは図６の場合と同じ値である。

この散乱パラメータから並列枝の回路６３のアドミタンスＹ_ｅと伝送線路１，２の並列アドミタンスとの合成アドミタンスがゼロとなる２つの並列共振周波数ｆ_ｓｈ１とｆ_ｓｈ２が求められる。ここでは、反射係数Ｓ１１，Ｓ２２が－３ｄＢ低下する周波数をカットオフ周波数として考える。ここで得られるカットオフ周波数ｆ_ｓｈ１及びｆ_ｓｈ２は２つのバンド間のバンドギャップの大きさに関係する。詳細は後の図１１で説明する。また、構造パラメータの選択によっては、図８Ｂに示すように４つのバンドが現れない場合があるので，構成の際には、４つのバンド全てが現れるように構造パラメータの組み合わせを限定する必要がある。

図９Ａは比較例にかかる直列枝の回路と伝送線路のみからなる単位セル回路２０Ｂの構成例を示す平面図である。また、図９Ｂは図９Ａの単位セル回路２０ＢのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。図９Ａの単位セル回路２０Ｂは、図７に示した単位セル回路２０を構成する要素のうち、マイクロストリップ線路である伝送線路に対して、直列枝の回路の要素のみが挿入された線路構造の場合の散乱パラメータ（透過係数Ｓ２１，Ｓ１２及び反射係数Ｓ１１，Ｓ２２）を示す。

この散乱パラメータから直列枝の回路６１，６２のインピーダンスＺ_ｅと伝送線路１，２の直列枝インピーダンスとの合成インピーダンスがゼロとなる２つの直列共振周波数ｆ_ｓｅ１とｆ_ｓｅ２が得られる。ここで得られるカットオフ周波数ｆ_ｓｅ１及びｆ_ｓｅ２も２バンド間のバンドギャップの大きさに関係する。図８Ｂの場合と同様に、構造パラメータの選択によっては図に示すように４つのバンドが現れない場合があるので，構成の際には、４つのバンド全てが現れるように構造パラメータの組み合わせを限定する必要がある。

図１０は実施形態にかかる、直列枝の回路及び並列枝の回路と伝送線路からなる単位セル回路２０のＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。この単位セル回路２０は、直列枝の回路６１，６２の素子と、並列枝の回路６３の素子を両方考慮して、本実施形態にかかるデュアルバンド非相反ＣＲＬＨ伝送線路の散乱パラメータを図１０に示す。

図８Ｂで求められる並列枝の回路６３の並列共振の第１周波数をｆ_ｓｈ１＝５．８ＧＨｚとし、図９Ｂで求められる直列枝の直列共振の第１周波数をｆ_ｓｅ１＝５．２ＧＨｚとして複合構造を構成することにより、図１０の結果を得ている。

図１０から明らかなように、第１バンドと第２バンドの間のバンドギャップが閉じていることが分かる。このように、あらかじめ並列共振周波数と直列共振周波数を一致させず、今回の線路構造の場合、並列共振の第１周波数ｆ_ｓｈ１を直列共振の第１周波数ｆ_ｓｅ１より６００ＭＨｚ程高く構成しておく必要があることが分かる。第１バンドと第２バンドの境界に相当する周波数がｆ_ｃ１＝５．６１ＧＨｚとなっており，複合構造の周波数ｆ_ｃ１は並列共振の第１周波数ｆ_ｓｈ１と、直列共振の第１周波数ｆ_ｓｅ１の間に挟まれた帯域内の周波数になることが分かる。

一方、図８Ｂで求められる並列枝の回路６３の並列共振の第２周波数をｆ_ｓｈ２＝７．５ＧＨｚとし、図９Ｂで求められる直列枝の回路６１，６２の直列共振の第２周波数をｆ_ｓｅ１＝７．３ＧＨｚとして構成することにより、第３バンドと第４バンドの間のバンドギャップが閉じていることが図１０から確認できる。上側のバンドにおいても、並列共振の第２周波数ｆ_ｓｈ２と、直列共振の第２周波数ｆ_ｓｅ２を一致させず、図１０の場合、並列共振の第２周波数ｆ_ｓｈ２を直列共振の第２周波数ｆ_ｓｅ２より２００ＭＨｚ程高く構成しておく必要があることが分かる。第３バンドと第４バンドの境界に相当する周波数がｆ_ｃ２＝７．４３ＧＨｚとなっており，複合構造の周波数は、並列共振の第２周波数ｆ_ｓｈ２と、直列共振の第２周波数ｆ_ｓｅ２の間に挟まれたバンド内の周波数になることが分かる。

図１１は図６の単位セル回路２０において、バンドギャップが存在するときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

伝送線路の構造パラメータを十分調整しないと、第１バンドと第２バンドの間、また第３バンドと第４バンドの間にバンドギャップが存在する結果となる。このときの散乱パラメータの一例を図１１に示す。周期構造のＢｒａｇｇ散乱によって生じる第２バンドと第３バンドの間のバンドギャップの大きさも、構造パラメータにより変化することが図１０と図１１の比較により分かる。周波数ｆ_{ｓｈ１－２}と周波数ｆ_{ｓｅ１－２}を合わせることでバンド間のバンドギャップを小さくすることができる。

ここで、周期構造のＢｒａｇｇ散乱によって生じる第２バンドと第３バンドの間のバンドギャップが大きいと、図１１のように第２バンドと第３バンドの帯域幅が狭くなってしまうので，このバンドギャップをできるだけ小さくするように構造パラメータを調整する必要がある。

図１２Ａは図８Ａの単位セル回路２０Ａにおいて、パラメータｌ_ｓ ^ｄを５．２ｍｍから５．４ｍｍに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。また、図１２Ｂは図９Ａの単位セル回路２０Ｂにおいて、パラメータＣ_Ｌ ^ｄを０．３ｐＦから０．４ｐＦに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

等価回路に含まれる回路パラメータは全部でｗ，ｌ，ｗ_ｔ，ｌ_ｔ，Ｃ_Ｌ ^ｄ，Ｃ_Ｌ ^ｃ，Ｃ_Ｒ ^ｄ，ｗ_ｓ ^ｃ，ｌ_ｓ ^ｄがあり，各回路パラメータが各共振周波数に及ぼす影響は異なる。この影響を具体的に示す１つ目の例として、図８Ａの並列枝の回路６３の素子と伝送線路のみからなる単位セル回路２０Ａにおいて、直列共振回路からなる短絡スタブ長をｌ_ｓ ^ｄ＝５．２ｍｍからｌ_ｓ ^ｄ＝５．４ｍｍに変更した場合のカットオフ周波数の変化の様子を図１２Ａに示している。２つ目の例として，図９Ａの直列枝の回路６１，６２の素子と伝送線路のみからなる単位セル回路２０Ｂにおいて、直列枝の回路６１，６２に挿入された並列共振回路内のキャパシタンスをＣ_Ｌ ^ｄ＝０．３ｐＦからＣ_Ｌ ^ｄ＝０．４ｐＦに変更した場合のカットオフ周波数の変化の様子を図１２Ｂに示す。

図１３Ａは図８Ａの単位セル回路２０Ａにおいて、実効磁化μ_０Ｍ_ｓを１０５ｍＴから１７８ｍＴに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。また、図１３Ｂは図９Ａの単位セル回路２０Ｂにおいて、実効磁化μ_０Ｍ_ｓを１０５ｍＴから１７８ｍＴに変更したときのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

フェライトロッド１２の実効磁化がμ_０Ｍ_Ｓ＝１０５ｍＴ、及び１７８ｍＴの２通りの場合の散乱パラメータの比較を図１３Ａ及び図１３Ｂに示す。図１３Ａ及び１３Ｂにはそれぞれ、それぞれ並列枝の回路６３の素子のみが挿入された場合、直列枝の回路６１，６２の素子のみが挿入された場合の散乱パラメータを示す。図１３Ａ及び図１３Ｂの結果からわかるように，実効磁化の変化により，直列共振周波数だけでなく並列共振周波数も大きく変化する。パラメータ調整においてこの点も考慮する必要がある。

図１４は図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の分散曲線の一例を示すグラフである。

数値計算に用いた線路構造の単位セル回路２０は図１０Ａと同一であり、平衡型の場合である。第１バンドと第２バンドの境界に相当し、分散曲線の下側の交点に対応する周波数ｆ_ｃ１＝５．６９ＧＨｚにおいて、非相反性はΔβｐ／π＝－０．０８７となり、これは第３バンドと第４バンドの境界に相当し、分散曲線の上側の交点に対応する周波数ｆ_ｃ２＝７．４３ＧＨｚで非相反性はΔβｐ／π＝－０．１０７となっており、いずれの帯域においても非相反性が発現していることが確認できる。

図１５Ａは図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路を用いたアンテナ装置の放射パターンの一例を示す側面図である。また、図１５Ｂは図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路を用いたアンテナ装置において周波数ｆ_ｃ１＝５．６９ＧＨｚでの放射パターンを示すパターン図である。さらに、図１５Ｃは図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路を用いたアンテナ装置において周波数ｆ_ｃ２＝７．４３ＧＨｚでの放射パターンを示すパターン図である。図１５Ａのアンテナ装置は図４の非相反ＣＲＬＨ伝送線路を用いたアンテナ装置であって、非相反ＣＲＬＨ伝送線路の両端のポートＰ１１又はＰ１２から所定のマイクロ波信号を入力したときに、当該非相反ＣＲＬＨ伝送線路から対応する電磁波を放射することで、アンテナ装置として構成する。

図１５Ａに示すように、放射方向の角度を定める。図１４に示す分散曲線で交点に対応する２周波として、周波数５．６１ＧＨｚ及び７．４８ＧＨｚでの放射パターンを図１５Ｂ及び図１５Ｃに示す。

図１５Ｂ及び図１５Ｃから明らかなように、動作周波数５．６１ＧＨｚ及び７．４８ＧＨｚでは、電磁波の伝搬方向に関わらず、放射方向がほぼ同じ向きとなっており，それぞれビーム放射角が－１８°となっていることを数値計算により確認できる。なお、分散曲線から算出される動作周波数と放射パターンから推定される動作周波数は若干のずれが存在している。

図１６Ａは図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０において直列枝の回路の並列共振回路部分の挿入位置を変更したときの単位セル回路２０Ｃの構成例を示す平面図である。また、図１６Ｂは図１６Ａの単位セル回路２０ＣのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

等価回路としては同じであっても、具体的な構成方法によっては、構成が難しくなる場合がある。図１６Ａに示す比較例の単位セル回路２０Ｃは、等価回路に基づいて構成しているが、並列共振回路部分を、単位セル回路２０Ｃの左右に二箇所配置した構造となっている。ここで、４３ａ～４３ｄは当該並列共振回路部分のキャパシタである。構造パラメータは並列枝の回路６３のアドミタンスＹ_ｅがゼロとなる並列共振周波数と直列枝の回路６１，６２のインピーダンスＺ_ｅがゼロとなる直列共振周波数が一致するように調整した上で非相反ＣＲＬＨ伝送線路を構成したときの構造パラメータで数値計算した結果である。しかし、直列枝の回路６１，６２の素子と、並列枝の回路６３の素子を両方含めた非相反ＣＲＬＨ伝送線路の場合、本来消失すべき第３バンドと第４バンドの間のバンドギャップが大きくなっていることが分かる。以上のことから、直列枝の回路６１，６２に挿入される並列共振回路部分は、セルの中心に配置する方が、構成するのに容易であることが分かる。

図１７Ａは図４Ａのデュアルバンドの非相反右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアル伝送線路の単位セル回路２０において短絡スタブ回路を単位セル回路２０Ｄの中央線ＣＬからずらしたときの単位セル回路２０Ｄの構成例を示す平面図である。また、図１７Ｂは図１７Ａの単位セル回路２０ＤのＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

等価回路としては同じであるが、具体的な構造の場合、構成が困難になる別の例として、並列枝の回路６３に挿入される２種類の短絡スタブ回路が単位セル回路の中心ラインからずれた位置に挿入された場合を図１７Ａに示す。ここでは、構造パラメータは並列枝の回路６３の並列共振周波数と、直列枝の回路の直列共振周波数が一致するように調節して、非相反ＣＲＬＨ伝送線路の伝送特性を数値計算した結果を表している。図１７Ｂから明らかなように、が，第１バンドと第２バンドの間のバンドギャップが大きくなっていることが分かる。以上のように、並列枝の回路６３に挿入される２種類の短絡スタブはセルの中心ライン付近に挿入する方が構成しやすいことが分かる。

以上説明したように、好ましい実施形態を示す図６の単位セル回路２０では、以下のように構成することが好ましい。
（１）直列枝の回路６１，６２の並列共振部分は単位セル回路２０の実質的な中央部（中心位置）に置く方が良い。
（２）並列枝の回路６３の２種類の短絡スタブ回路を単位セル回路２０の中心ラインに挿入することが好ましい。

以上の点を踏まえて，図６に示すように、直列枝の回路６１，６２の並列共振回路部分を中央のマイクロストリップ線路を構成するストリップ導体３２の中央部に、キャパシタ４２が当該単位セル回路２０の中央に位置するように挿入し，対称性を保つためにキャパシタ４２の外側に誘導性素子形成のために二本の細線のストリップ導体３１，３３が形成されている。また、並列枝の回路６３の２種類の短絡スタブ回路は、マイクロストリップ線路（伝送線路）の両側（図６の上下方向）にそれぞれ短絡スタブ回路、及び直列共振回路部分として、キャパシタンスを挿入した短絡スタブ回路を挿入する。

以上の実施形態にかかる非相反ＣＲＬＨ伝送線路は、単位セル回路２０を少なくとも１つ備えて構成すればよい。

以上の実施形態において、容量性素子又は誘導性素子は等価的に構成されるものであってもよい。例えば等価的な容量性素子は導体間の空隙により形成され、等価的な誘導性素子は所定幅のストリップ導体で形成可能である。

以上詳述したように、本発明によれば、伝搬方向により非相反メタマテリアル伝送線路の動作が少なくとも２周波の帯域で可能となる。さらに共振構造を採用することにより、高効率ビーム走査アンテナ装置が少なくとも２周波で動作可能となり、マルチバンド動作が可能になる。

１，２…伝送線路、
１０…誘電体基板、
１１…接地導体、
１２…フェライトロッド、
２０…単位セル回路、
２１～３４，３６…ストリップ導体、
３５…ビア導体、
４１～４４…キャパシタ、
５０…電磁石、
６１，６２…直列枝の回路、
６３…並列枝の回路、
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１，Ｐ１２…ポート、
Ｔ１～Ｔ４…端子。

Claims (5)

1. マイクロ波の伝送線路部分と、並列共振回路を含む直列枝の回路と、直列共振回路を含みかつ上記伝送線路部分から分岐して当該直列共振回路を介して接地される第１の並列枝の回路と、誘導性素子を等価的に含みかつ上記伝送線路部分から分岐して当該誘導性素子を介して接地される第２の並列枝の回路とを備えた少なくとも１つの単位セル回路を備えて構成され、かつ、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ように構成された非相反伝送線路装置であって、
   上記各単位セルの伝送線路部分は、上記マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
   上記直列枝の回路の共振周波数と、上記第１及び第２の並列枝の回路の共振周波数を異なるように設定することで、少なくとも２つの周波数で共振することを特徴とする非相反伝送線路装置。
2. 上記第１の並列枝の回路は、容量性素子と、誘導性素子との直列回路とを含むことを特徴とする請求項１記載の非相反伝送線路装置。
3. 上記第２の並列枝の回路は、誘導性素子を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の非相反伝送線路装置。
4. 上記直列枝の回路は、
   隣接する各単位セル回路間に接続された容量性素子と、
   上記伝送線路部分の長手方向を有するように並置された３本のストリップ導体と、
   上記３本のストリップ導体のうち、両端のストリップ導体の間に配置されたストリップ導体の実質的な中央部に接続された容量性素子と
   を含むことを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の非相反伝送線路装置。
5. 請求項１～４のうちのいずれか１つに記載の非相反伝送線路装置と、
   上記非相反伝送線路装置にマイクロ波を入力する給電線路とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。

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