WO2006137575A1

WO2006137575A1 - ストリップ線路型の右手／左手系複合線路または左手系線路とそれらを用いたアンテナ

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Publication number: WO2006137575A1
Application number: PCT/JP2006/312847
Authority: WO
Inventors: Atsushi Sanada
Original assignee: National University Corporation Yamaguchi University
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2006-12-28

Description

明細書ストリップ線路型の右手ノ左手系複合線路または左手系線路とそれらを用いたアンテナ技術分野

この発明はメタマテリアルで構成されたストリップ線路型右手 Z左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路とそれらを用いたアンテナに関する。背景技術

金属、誘電体、磁性体、超伝導体などの小片を、波長に対して十分短い間隔（波長の 1 0分の 1程度以下）で並べることで自然にはない性質を持った媒質を人工的に構成することができる。この媒質を自然にある媒質を超えると言う意味でメタマテリアル（metamat- er i a l s ) と呼んでいる。メタマテリアルの性質は、単位粒子の形状、材質およびそれらの配置により様々に変化するが、中でも、等価的な誘電率 εと透磁率とが同時に負となるメタマテリアルは、その電界と磁界と波数べクトルが左手系をなすことから「左手系媒質（Lef t- Handed Mater i a l s ) 」と名づけられた。これに対して、等価的な誘電率 εと透磁率 μとが同時に正となる通常の媒質は「右手系媒質 (Right-Handed Mater i a l s ) 」と呼ばれる。これら誘電率 ε、透磁率 μと媒質との関係領域は、図 1に示すように、誘電率 εの正負及び透磁率//の正負に応じた第 1象限〜第 4象限の媒質に分類できる。

特に、「左手系媒質（LHM) 」は、バックワード波と呼ばれる、波の群速度（ェネルギ一の伝播する速度）と位相速度（位相の進む速度）の符号が逆転している波の存在や、また、非伝播領域で指数関数的に減衰する波であるェパネセント波の増幅、等の特異な性質を持つものである。そして、左手系媒質によるパックワード波を伝送する線路を人工的に構成することができることは、

D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C. Vier, S, C. Nemat-Nasser, and S. Schultz, "Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity," Phys. Rev. Lett., vol. 84, no. 18, pp.4184-4187, May 2000. (文献 1 ) 、 C. Caloz, and T. Itoh, "Application of the transmission line theory of left -handed (LH) materials to the realization of a microstrip LH line" , IEEE - APS Inf 1 S卿. Digest, vol. 2, pp. 412-415, June 2002. (文献 2) に公知である。

この左手系媒質構成の概念に基づき、金属パターンからなる単位セルを周期的に並ベてパックワード波を伝搬させる線路が提案されている。これまで、その伝送特性が理論的に取り扱われ、この線路が左手系伝送帯域を持つこと、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域との間にパンドギヤッブが生じること、そのパンドギャップ輻は単位セル中のリアクタンスによりコント口一ルすることができること等が、

Atsushi Sanada, Chritopk Caloz and Tatsuo Itoh, "Charact— eristics of the Co攀 site Right/Left-Handed Transmissin Lines, " IEEE Microwave and Wire less Component Letters, Voll.14, No.2,, pp. 68-70, February 2004. (文献 3 )で理論的に明らかになつている。また、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域を同時に伝送できる線路は右手 Z左手系複合線路と呼ばれている（文献 3参照。）。

従来、図 2に示すようなマイクロストリップ線路構成において、右手 Z左手系線路が作製され、このマイクロストリッブ線路の右手ノ左手系伝送特性が実験的に実証されている（文献 2、 3参照。）。

図 2 (A) はマイクロストリップ線路の右手/左手系線路構造の部分構成を示す。該線路は、誘電体基板 1の表面に金属パターン 4を周囲に誘電体を残して単位セルを形成し、この単位セルの集合体により構成される誘電体基板 1の裏面には全面ヒ接地導体 3を有して形成される。

このマイクロストリッブ線路型の右手 Z左手系線路は、波の位相定数が真空中の波数に比べて小さくなる周波数領域において伝送エネルギーの一部を放射する性質をもつため、この性質を用いてこれまで右手ノ左手系線路をアンテナとして動作させることができることが実証されている（文献 2、 3参照。）。

図 2 (A) のマイクロストリップ線路の伝送モードの電磁界は、図 2 ( B ) のようになり、線路の片側の半空間が開放されているため、放射領域（線路の伝搬波の位相定数が真空中の波数よりも小さくなる領域）において放射が起こる。

従来のマイクロストリップ線路型右手/左手系線路は、図 2 (A) のような構造と図 2 (B ) の伝送モードをもち、線路の片側の半空間が開放されているため、このような構造のマイクロストリップ線路型の右手ノ左手系線路では、電界、磁界の大部分は誘電体 1の内部で伝送されるが、線路の半空間が開放されているため、一部は接地導体のない表面に放射される。即ち、伝送エネルギーの一部は外部に放射されて伝送線路に損失が生じることとなる。このことは従来のマイクロストリツブ線路を左手系線路として使用するときにも同様なことが生じていた。

また、従来のマイクロストリッブ線路型右手 Z左手系線路またはマイクロストリツプ線路型左手系線路は、放射領域において放射が起こり、かつ単位セルからの放射量をコントロールする機構はもたない。このため、アンテナとして動作させる場合には、単位セルからの放射量が一定であるため、入力に近い部分での放射が大きく、離れた部分では放射が少ないという放射の不均一性を生じ、その結果、開口面効率が下がりビームを細く絞ることができないという欠点があった。また、放射エネルギーの偏波方向を自由に選ぶことができなかった。発明の開示

そこで、この発明は、伝搬波の位相定数が真空中の波数よりも小さくなる、開放系の線路では、所謂、放射領域となる領域でも放射せず、放射なく信号伝送を行うことができ、伝送エネルギーを伝送線路において損失することがなく、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域との間にパンドギャップが生じることがないストリップ線路型右手 κ 左手系複合線路とストリップ線路型左手系線路を実頊することを目的とする。

また、これらのストリップ線路型線路を用い、開口面効率が上がりビームを細く絞ることができ、また、容易に放射量をコントロールすることができ、また、偏波方向を自由に選ぶことができるストリッブ線路型右手左手系複合線路でなるアンテナとストリッブ線路型左手系線路でなるアンテナを提供することを目的とする。上記目的を達成するために、この出願の第 1の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、右手系領域及び左手系領域で機能させる構成としたストリッブ線路型右手 Ζ左手系複合線路を実現する。

また、この出願の第 2の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、伝搬波の位相定数を ( ノ a ) で規格化した値が一 1. 0〜1. 0の範囲で機能させる構成としたストリップ線路型右手 Z 左手系複合線路を実現する。

これにより、この発明のストリップ線路型右手ノ左手系複合線路は基板の表裏両面を接地導体で囲んでいるため、伝搬波の位相定数が真空中の波数よりも小さくなる開放系の線路でも、所謂、放射領域となる領域でも放射せず、放財なく信号伝送を行うことができ、伝送エネルギーを伝送線路において損失することなく効率良く伝送できる。そして、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域との間にバンドギャップが生じることがない右手/左手系複合線路を実頊できる。

この出願の第 3の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、左手系領域で機能させる構成としたストリップ線路型左手系線路を実現する。

また、この出頤の第 4の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、伝搬波の位相定数を（JtZa) で規格化した値が一 1 . 0〜0の範囲で機能させる構成としたストリッブ線路型左手系線路を実現する。

これにより、この発明のストリップ線路型右手ノ左手系複合線路とストリップ線路型左手系線路は、基板の表裏両面を接地導体で囲んでいるため、伝搬波の位相定数が真空中の波数よりも小さくなる開放系の線路でも、所謂、放射領域となる領域でも放射せず、放射なく信号伝送を行うことができ、伝送エネルギーを伝送線路において損失することなく効率良く伝送できる。

この出願の第 5の発明は、中間層の誘電体め中に配置される中間層導体は、金属パ夕一ンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、右手系領域及び左手系領域で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設け、入力信号の周波数を制御することによりエネルギー放射の方向を制御する構成としたストリップ線路型右手ノ左手系複合線路でなるアンテナを実現する。

また、この出願の第 6の発明は、中間層の誘電体の中に E置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の位相定数を（ Za) で規格化した値が一 1. 0〜1. 0の範囲で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設け、入力信号の周波数を制御することによりエネルギー放射の方向を制御する構成としたストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナを実現する。

これにより、この発明のストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナ、接地導体に面積を異ならせたスリットを設けることにより容易に放射量をコントロールすることができるようにし、スリット面積を理論に従って設計することにより、ァンテナ放射量を各部で自由に制御でき、かつ入力信号の周波数を制御することによりエネルギー放射の方向を自由に制御することができる。

この出願の第 7の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、右手系領域及び左手系領域で機能させるス卜リップ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ、偏波方向を可変にした構成としたストリツプ線路型右手 Z左手系複合線路でなるアンテナを実現する。

また、この出願の第 8の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の位相定数^を（?rZa )で規格化した値が一 1. 0〜1. 0の範囲で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ、偏波方向を可変にした構成としたストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナを実現する。これにより、この発明のストリップ線路型右手 Z左手系複合線路でなるアンテナは, ストリッブ線路型左手系線路の片側の接地導体に開口を設け、開口の向きに角度をつけることで偏波方向（放射電界の向き）を自由に変化させることができ、また、容易に電界の大きさををコントロールすることができる。

この出願の第 9の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、左手系領域で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設けた構成としたストリッブ線路型左手系線路でなるアンテナを実現する。

また、この出願の第 1 0の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の位相定数を（TrZa ) で規格化した値が一 1. 0〜0の範囲で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設けた構成としたストリッブ線路型左手系線路でなるアンテナを実現する。

これにより、この発明のストリップ線路型左手系線路でなるアンテナは、片側の接地導体に開口を設けることにより容易に放射量をコントロールすることができるようにし、開口面積を理論に従って設計することにより、アンテナ放射量を各部で自由に制御できる。

この出願の第 1 1の発明は、中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、左手系領域で機能させるストリッブ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ、偏波方向を可変にした構成としたストリップ線路型左手系線路でなるアンテナを実現する。

また、この出願の第 1 2の発明は、中間層の誘電体の中に E置される中間層導体は金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の波数を（arZa) で規格化した値が一 1. 0〜0の範囲で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ, 偏波方向を可変にした構成としたストリッブ線路型左手系線路でなるアンテナを実現する。

これにより、この発明のストリップ線路型左手系線路でなるアンテナは、ストリツプ線路型左手系線路の片側の接地導体に開口を設け、開口の向きに角度をつけることで偏波方向（放射電界の向き）を自由に変化させることができ、また、容易に電界の大きさをコントロールすることができる。

この出願の第 1 3の発明は、上記第 5の発明〜第 1 2の発明のアンテナにおいて、前記開口からのエネルギー放射量を制御して所望の特性をもたせるように、開口の面積を変化させて設定した構成としたストリッブ線路型右手 Z左手系複合線路でなるァンテナまたはス卜リップ線路型左手系線路でなるアンテナを実頊する。

これにより、この発明のストリッブ線路型右手 Z左手系複合線路でなるアンテナまたはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナは、片側の接地導体に開口を設けることにより容易に放射量をコントロールすることができるようにし、開口面積を理論に従って設計することにより、アンテナ放射量を各部で自由に制御できるので、例えば、アンテナ面上の放射の割合を適当に設定すると、サイドローブの値を一定に低く抑えるチェビシェフ型の放射指向性パターンを作ることもできる。

この出願の第 1 4の発明は、上記第 5の発明〜第 1 2の発明のアンテナにおいて、前記各開口からのエネルギー放射量を一定とするように、開口の面積を入力ポートに近いほど小さく、逆に遠いほど大きく設定した構成としたストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナまたはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナを実頊する。

これにより、この発明のストリッブ線路型右手ノ左手系複合線路でなるアンテナまたはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナは、片側の接地導体に開口を設けることにより容易に放射量をコントロールすることができるようにし、各開口からのェネルギ一放射量を一定とし、放射ビームの設計を容易に行なうことができ、かつ入力信号の周波数を制御することによりエネルギー放射の方向を自由に制御することができる。

この出願の第 1 5の発明は、上記第 5の発明〜第 1 2の発明のアンテナにおいて、開口の長さ又は幅を変化させることによりその面積を変化させる構成としたス卜リッブ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナまたはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナはを実現する。

また、この出願の第 1 6の発明は、上記第 5の発明〜第 1 2の発明のアンテナにおいて、前記開口はスリット又はスロットあるいはこれと同様な機能を有する形状の開口でなる構成としたストリッブ線路型右手ノ左手系複合線路でなるアンテナまたはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナを実現する。

これにより、この発明のストリップ線路型右手左手系複合線路でなるアンテナ、またはストリッブ線路型左手系線路でなるアンテナは、片 ffl!iの接地導体に開口を設けることにより容易に放射量をコントロールすることができるようにし、開口面積を理論に従って設計することにより、アンテナ放射量を各部で自由に制御できる。発明の効果

以上のように、この発明のストリップ線路型右手/左手系複合線路と、ストリップ線路型左手系線路は、基板の表裏両面を接地導体で囲んでいるため、伝搬波の位相定数が真空中の波数よりも小さくなる開放系の線路でも、所謂、放射領となる領域でも放射せず、放射なく信号伝送を行うことができ、伝送エネルギーを伝送線路において損失することなく効率良く伝送できる。

そして、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域との間にバンドギャップが生じることがなくストリッブ線路型右手系線路を連続的にもったストリップ線路型右手 Z左手系複合線路を実頊できる。

この発明のストリップ線路型右手左手系複合線路でなるアンテナとストリッブ線路型左手系線路でなるアンテナは、片側の接地導体に開口を設けることにより容易に放射量をコントロールすることができるようになるため、所望の放射ビームを設計することができ、また、開口の方向により偏波面を変化させることができる。図面の簡単な説明

図 1は誘電率 ε、透磁率 μと媒質との関係領域図である。図 2は従来のマイクロストリッブ線路図である。図 3はこの発明に用いるストリッブ線路型右手/左手系複合線路図である。図 4はこの発明に用いるストリップ線路型右手ノ左手系複合線路の構造図である。図 5はこの発明に用いるストリップ線路の単位セルの中間層の金属パターンである。図 6この発明に用いるストリップ線路の単位セルの等価回路図である。図 7は分散特性の数値シミュレーション計算例である。

図 8はこの発明のストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナ。図 9はこの発明の試作アンテナの分解図である。図 1 0はアンテナの放射量一定とスリッ卜の放射の割合の関係図である。図 1 1はこの発明のアンテナの動作模式図である。図 1 2はストリップ線路型右手/左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナの平面図である。図 1 3は接地導体上のスリット方向と偏波方向と

0 の関係解析図である。

図 1 4はこの発明のストリップ線路型右手 Z左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナである。図 1 5はこの発明の試作アンテナの分解図である。

図 1 6はこの発明のアンテナの放射パターン図である。図 1 7はアンテナの正面方向への放射パターン測定図である。図 1 8は他の特性のアンテナの正面方向への放射パターン測定図である。発明を実施するための最良の形態

この発明に用いるストリッブ線路型右手/左手系複合線路と、ストリップ線路型左手系線路は、図 3 (A) のように、内部に中間層導体 4を有する中間層 1の両面を接地導体 2、 3により囲まれたストリップ線路構造からなる。このストリップ線路構造のより具体的な構成は、図 4 (A) ( B ) に示すように、中間層の誘電体 1の中に S 置される中間層導体 4は、誘電体基板の表面に金属パターンを、周囲に誘電体を残して単位セルを形成し、この単位セルの集合体により構成される。図 5に、この単位セルの中間層導体の金属パターンを拡大したものを示す。

図 5の単位セルの中間層導体の金属パターンは、隣り合うセルと直列ギャップ容量を持たせるための電極となる金属ストリップ A、それらを接続する金属ストリップ B、金属ストリップ Bの途中横方向に延びた並列インダクタンスを持たせるための金属ストリップ C、及び金属ストリップ Cの端に接続され接地導体との容量を持たせることで、ビアで接地導体と接続しなくとも金属ストリップ Cの一端が接地されたと同等の効果を得る仮想接地の役割を果たす金属ストリップ Dから構成される。

また、図 6 (A) に単位セルの等価回路と、図 6 ( B ) に簡略化された等価回路を示す。この線路は中間層の金属パターン 4に電界が集中するストリッブ線路型の伝送モ一ドを基本モ一ドにもつものである。

このように形成されたストリップ線路の伝送モードの電磁界は、図 3 (B ) のようになり、このままでは線路の表裏両面が接地導体 2 3に囲まれているため本質的に放射を生じない。

次に、線路の表裏両面が接地導体 2 3に囲まれている構成のストリップ線路が、本発明のストリッブ線路型右手/左手系複合線路またはストリッブ線路型左手系線路となる理由を説明する。

ストリッブ線路型右手ノ左手系複合線路では分散性（位相定数と角周波数 ωとの関係）をうまく設計することでパンドギャップをなくし、狭い周波数範囲でを負（左手系）から正（右手系）の値に急激に変化させることができる（尚、波の波数は、伝送線路上の伝搬波のようにある決まった方向に伝搬する波に対しては「位相定数」と称されることが多いので、この明細書ではそのように記す。）。

このことを理論的に説明する。図 6 (Β) に示す単位セルの簡略化された等価回路に基づいてこの周期構造線路の分散関係を計算すれば、

[数 1]

=1 /a · c o s -¹ [1 +Z (ω) Υ (ω) ]

となる。

ί

Ζ (ω) = 1/2 [1/ j ωθν + j wL_R ]

Y (ω) = 1/ [ j OJLL ω0₈ ] + j & C_R

である。

この位相定数に対する周波数 f { = ω/2 ΐί ) を、図 7において、本発明の構造の単位セルに対して周期境界条件を与えて得られた本周期構造線路の分散特性を、三次元有限要素法による電磁界シミュレーション計算結果としてプロットすると、緩や

2 かな傾きをもち、縦軸と交差する。ここで、横軸は伝搬波の位相定数を（^rZa) で規格化した値を示し、縦軸は周波数を示す。

一方、真空中の波数 k。は光速を c。とすると、

[数 2]

k₀ =±ωΖο：。

であり、と比例関係にある。これをやはり図 7の分散関係にプロットすると図中の直線 (Air 1 ine となる。

図 7で、一 1≤ <0である 9.5 GHzから 10.2 GH zの周波数範囲において、位相速度（= ）は負、分散曲線の傾きで表わされる群速度（ = ό»ωΖ ）は正、とこれらの符号が逆転しており、これはパックワード波の存在を示している。即ち、これはこの媒質が左手系特性を示す媒質であることの証拠である。また、 0< ≤+1である 10.2GHzから 11.8GHzの周波数範囲では、位相速度 ( = ω/ 3>0 ) と群速度二 dw/d0>O、が共に正で同符号であり右手系特性を示す。同図では左手系と右手系の伝送周波数帯が 10.2 GHzにおいてつながつており、それらの間にパンドギヤップが存在しないこともわかる。

このように、この発明のストリップ線路型の右手左手系複合線路は、中間層 1の誘電体の中に配置される中間層導体 4が、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層 4の両面を接地導体 2、 3により囲んだ構造とし、伝搬波の位相定数/?を（ノ a)で規格化した値が一 1.0〜1.0 の範囲で機能させることにより、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域との間にバンドギヤッブが生じることなく連続的に実頊できる。

また、この発明のストリップ線路型の左手系線路は、中間層 1の誘電体の中に配置される中間層導体 4は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層 4の両面を接地導体 2、 3により囲んだ構造とし、

3 伝搬波の波数/?を（vr/ a ) で規格化した値が一 1 . 0〜0の範囲で機能させることにより実現することができる。

以上のように、この発明のストリップ線路型右手/左手系複合線路と、ストリップ線路型左手系線路は、基板の表裏両面を接地導体で囲んでいるため、伝搬波の波数が真空中の波数よりも小さくなる開放系の線路でも、所謂、放射領域となる領域でも放射せず、放射なく信号伝送を行うことができ、伝送エネルギーを伝送線路において損失することなく効率良く伝送できる。次に、この発明のストリッブ線路型右手/左手系複合線路と、ストリップ線路型左手系線路を用いたアンテナについて説明する。

この発明では、図 8に示すように、この線路の接地導体の片面（ここでは接地導体上面） 2に周期的に複数の開口 5を設け、その面積を変化させることで放射量を容易にコントロールすることができるようにした。開口はスリット又はスロットあるいはこれと同様な機能を有する形状のものであればよい。

即ち、中間層である誘電体 1の中に配置される中間層導体 4は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成する。該中間層 1の両面を接地導体 2、 3により囲んでストリップ線路を構成し、接地導体の片面（上面接地導体 2 ) に周期的に複数の開口（例えば、スリット） 5を設け、開口の面積を入力ポ一トに近い方から遠い方へ向かって変化させて設定する。

図 9に実際に試作したこの発明のストリッブ線路型右手ノ左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナの構成図を示す。図 9 (A) は上接地導体面、図 9 ( B ) は中間層である。上接地導体面 2には、各開口 5からの放射量を一定とし、かつサイドローブレベルをほぼ対称にするように、開口 5の長さを入力ポートに近いほど短く、逆に遠いほど長くしてある。ここで、開口 5の面積を変化させる手

4 段としては、図 9のように、開口 5の長さを変化させる手段もあるが、または、開口

5の幅を変化させる手段も採用できる。

開口 5からの放射量を一定とする場合の各開口 5の面積の割合は、図 1 0に示すように、入力ポートから入力されるエネルギーを伝搬するエネルギーは、入力ポートに近いほど大きく、遠くなるほど小さくなるので、アンテナの放射量が一定になるように、開口の放射の割合を入力ポートに近いほど小さく、遠いほど大きくなるように設定すれば良い。

また、アンテナの用途によっては、各開口 5からの放射量を一定となるようにアンテナ面積を変化させることなく、エネルギー放射量を各部で自由に制御できることが望まれる。その場合は、この発明のアンテナは開口面積を理論に従って設計することにより、開口からのエネルギー放射量を各部で自由に制御して所望のアンテナ特性をもたせることができる。

次に、この発明のストリッブ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナまたはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナが広角度ビームスキャンが可能な理由を説明する。

図 8に示すように、ストリップ線路の接地導体の片面（上面接地導体 2 ) に開口（例えば、スリット） 5を設ければ、この開口からビームが放射される。

上記説明で図 6 ( B ) に示す単位セルの等価回路に基づいてこの周期構造線路の分散関係を計算したように、 [数 1 ] で求められる位相定数/?に対する周波数 ί ( = c / 2 π ) と、 [数 2 ] の真空中の波数 k：。をブロットした、図 7の分散特性から明らかなように、ストリップ線路型左手系線路からなるアンテナとス卜リップ線路型右手左手系複合線路からなるアンテナとの区別は、傾きが正の分散曲線を描いたとき（つまり波の伝搬の座標をエネルギーが伝搬する方向を正の向きにとった場合）、 (A) が負の領域となる周波数範囲で用いるとストリップ線路型左手系線路でなるアンテナであり、

(B) が正の領域となる周波数範囲で用いるとストリップ線路型右手系線路でなるアンテナであり、

(C) が正負のすべての領域で用いるものがストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナとなる。

ブロードサイドからの角度である、ビームの放射角度は^、線路中の伝搬波の位相定数を、真空中の波の波数を k。とすると、

[数 3]

(y /2) -0 = c o s— ¹ Zk。

で与えられる。

図 7を参照すると、 [数 3]中の逆余弦関数（cos—¹)の中身/?/ k。の値は、周波数が f_xl〜f _r 〜： f_X2の間で一 1 〜0〜+1 と変化し、従って式（3) によると放射角^は一 90° 〜0〜90° と変化することになる。これは周波数を変化させた時に k。に比べてが大きく変化することによるものである。

ここで、図 7は単位セルの諸元が次の例である。

1 i i= 2.8mm, 1 _wi= 1.0mm, 1 ₎₂= 1.8mm, l_wZ=0.5mm, ^L の周期 4.0mm, 厚さ s = 1.016mm, ε_γ= 2 7

ストリップ線路型右手 Z左手系複合線路では分散性（位相定数^と角周波数 ωとの関係）をうまく設計することでパンドギャップをなくし、狭い周波数範囲でを負 < 左手系）から正（右手系）の値に急激に変化させることができるため、ビームの放射角度 0を前方および後方の両方向に広角度に振ることができる。

このことを図 11のこの発明のアンテナの動作模式図により、入力信号の周波数とアンテナの放射エネルギーの方向と関係について表示する。図 11において、入力信

6 号の周波数がある値より高いと、ビームの放射角度^は 0 ° < θ < 9 0 ° となり、前方方向となる。

入力信号の周波数がある値より低いと、ビームの放射角度は一 9 0 ° く 0 < 0。となり、後方方向となる。また、左手系特性と右手特性の変換点でピ一ムの放射角度は^は 0 ° なり、正面方向に放射されることになる。そして、ビームの放射角度は理論的には、一9 0 ° < ^く 9 0 ° の方向を実現することができる。

一方、従来の漏波アンテナでは、導波管を利用した方式あるいは周期的擾乱体を付加して空間高調波成分を利用した方式や線路の高次伝播モードを利用した方式などがあるが、いずれも実用的な周波数可変範囲（例えば比帯域約 1 0 %の範囲）では、 k。の変化に対しての変化を大きく取ることはできないため、ノ k。を大きく変化させることはできない。このため放射角の変化は非常に限られたものとなる。更に、周波数を変化させてを正から負へと連続的に変化させことはできず、その結果ピ一ムの放射方向は前方あるいは後方へのみに限られるものであった。

これに対し、この発明のストリッブ線路型右手ノ左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナのビームの放射角度^は、従来のものに比べて広角度である。

次に、ストリップ線路型右手/左手系複合線路、またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナの他の実施形態を説明する。通常の開口をもつアンテナは、図 1 2 の平面図に示すように、線路の接地導体の接地導体上面 2に線路の伝搬方向に対して垂直方向に、かつ周期的に複数の開口 5を設けているので、電界の向いている方向、即ち、偏波方向は、格別の制御を行なわなければ、図中の矢印のように、開口 5の長手方向に対して垂直方向を向いていた。ところが、無線 LAN等のアプリケーションのようにアンテナの用途によっては、偏波の方向を自由に選ぶことが必要となる場合がある。

7 そこで、この実施形態は開口に角度をつけることで偏波方向（放射電界の向き）を自由に変化させることができ、また、容易に電界の大きさををコントロールすることができるアンテナを実現しょうとするものである。

この実施形態の偏波方向が可変のアンテナの基本構成は、図 4のストリッブ線路型右手左手系複合線路でなるアンテナと同様であり、中間層 1の両面を接地導体 2、

3により囲まれたストリップ線路構造からなる。中間層の誘電体 1の中に配置される中間層導体 4は、誘電体基板の表面に金属パターンを周囲に誘電体を残して単位セルを形成し、この単位セルの集合体により構成される。そして接地導体の上面 2に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ周期的に複数の開口 5を設けるものを基本としている。尚、開口はスリット又はスロットあるいはこれと同様な機能を有する形状の開口でもよい。

次に、図 1 2の平面図を参考にして 1つの開口（例えば、スリット）に注目して、開口方向と偏波方向との関係を理論的に説明する。

図 13の接地導体上のスリットにおいて、 X軸からの角度 ø、 Z軸からの角度とし、 P ( r， Θ， ψ)点における長さ W、幅 tの開口からの放射電磁界、 E, は、スリット上で一様な磁流を仮定すると、次のように表わすことができ、角度 øに依存する値となる。

[数 4]

Ee =— j (VO/T) · (exp j kor l/r )

X {s i n [ (koW/2 ) s i n ^ c o s ^] / ( s i n^ c o s ^) } - s i n

=-j (VO TC) · (exp (- j k₀r l/r )

X { s i n [ (k oW/ 2) s i n ^ c o s ^l /s i n ^} - c o s e

8

ちなみに、例えば、 z軸上の距離 rの電磁界は、上式に =0。 0 = 0° の場合であるので、次の数 2の公式を利用して、中の sin 0の部分、中の sin () の部分を求めると、 [数 6]、 [数 7] となる。

[数 5]

1 i m_x→o ( s i ηχ) κ x = 1 [数 6]

1 im_stn*→o { s i n [ ( k ₀W/ 2 ) s in^cos0] / (s i n^cos0) } 二 1 i m_Si_n 。 { s i n [ ( k oW/ 2 ) s in cos ]

/ [ (koW/2) (s in<9cos0) ] X (k₀W/2) }

= k₀W/2

[数 7]

1 i m_s i _ηβ—。 { s in [ (k。WZ 2 ) s in^cos0] Zs i n^}

二 1 i IDs ϊ na→o {s i n [ (k。W/2) s i n <9 c o s

/ [ (koW/2) s in<9cos0] X (koW/2) c o s = (k。WZ2) cos0

二 k。WZ 2 V cos 0=1

これら [数 6]、 [数 7]を [数 4]の放射電磁界、 Ε_Φ の式に挿入して、 ^ = 0° Φ = 0° を代入すると、次の [数 8] が得られる。 [数 8]

E* = 0

E* =-i (VO/TT) · (exp (- j k₀r)/r ) · (k₀W/2) このことより、 θ = 0^ο 0 = 0° の時は、 ζ軸上の距離 rの電磁界が ø方向、即ち y成分のみをもつことが説明できる。このように、偏波の向き（電界の向き）は開口の長手方向に対して垂直方向となる。

従って、図 14のように、ストリップ線路の接地導体の片面に、線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ周期的に複数の開口 6を設け、各開口の向きに角度をつけることにより、偏波方向を開口 6の長手方向に対して垂直方向、即ち角度だけ可変にすることができる。この結果、開口 6の向きの角度 øを自由に選択することにより、偏波方向も自由に選択できる。

また、周期的な複数の開口 6を全て同じにすると、入力ポートに近い方の放射エネルギ一が多くなり、入力ポートから遠い開口からの放射エネルギーが少なくなるので, 本発明では、複数の開口 6の面積を入力ポー卜に近い方から遠い方へ向かって変化させて設定し、開口の面積を変化させることで放射エネルギーを容易にコントロールすることができるようにした。

図 15に、この発明の偏波方向が可変のス卜リッブ線路型右手左手系複合線路、またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナのより具体的な構成を示す。図 1 5 (A) は上接地導体面、図 15 (B) は中間層である。上接地導体面 2には、開口の向きを所定の角度に選択し、各開口 6からの放射量を一定なるように、開口 6の長さを入力ポートに近いほど短く、逆に遠いほど長くしてある。ここで、開口 6の面積を変化させる手段としては、図 15のように、開口 6の長さを変化させる手段もあるが、または、開口 6の幅を変化させる手段も採用できる。開口 6からの放射エネルギー量を一定とする場合の開口 6の面積の割合は、図 1 0 に示すように、入力ポートから入力されるエネルギーの伝搬エネルギーは、入力ポー卜に近いほど大きく、遠いほど小さくなるので、アンテナの放射量が一定になるように、開口 6の放射の割合を入力ポートに近いほど小さく、遠いほど大きくなるように設定すれば良い。

また、アンテナの用途によっては、各開口 6からの放射量を一定となるようにアンテナ面積を変化させることなく、エネルギー放射量を各部で自由に制御できることが望まれる。その場合は、この発明のアンテナはスリット面積を理論に従って設計することにより、開口 6からのエネルギー放射量を各部で自由に制御して所望のアンテナ特性をもたせることができる。

このように、この実施形態の偏波方向が可変のストリップ線路型右手ノ左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナは、ストリップ線路型右手/ 左手系複合線路、またはストリッブ線路型左手系線路の接地導体にスリットを設け、スリットの向きに角度をつけることで偏波方向（放射電界の向き）を自由に変化させることができ、また、容易に電界の大きさををコントロールすることができるので、偏波面を制御する各種用途への直接的な応用が可能である。

以上の結果の例示として、図 1 6に放射エネルギーのピークが発生する角度と入力信号の周波数との関係を表示すると、 1 0. 4 GH zの時は放射ピームを正面方向に対して正の角度方向に放射し、 1 0. 0 4 GH zの時は放射ビームを正面方向に対して負の角度方向に放射し、 1 0. 2 2 GH zの時は放射ビームを正面方向に放射している。このように、右手 Z左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路の特徴をそのまま兼ね備えていることが理解できる。

図 9のように試作したアンテナの放射パターンの測定値を示すと、入力信号の周波数を適正に設定し、ビームの放射角度を 0 ° とした時の、放射パターンの測定値は図 1 7になった。同図にはこの発明のストリップ線路型右手 Z左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナ構造と同じ開口面積をもち、同じ周波数で動作する従来のマイクロストリップ型（開放型）アンテナの测定値を併せて示している。

図 1 7のように、従来のマイクロストリップ構造のものでは 3 d Bビーム幅が 1 4 度であったものが、この発明のストリップ線路型右手/左手系複合線路またはストリップ線路型左手系線路でなるアンテナでは 1 2度と細くなつていることがわかる。同時に、従来方式アンテナの放射パターンの 2 0度付近にあったサイドローブレベルが約 3 d B低減されて、 1 O d B以下となっていることも分かる。これらは放射量が均一化された効果によるものである。

図 9の試作例では、各開口 5からの放射量を一定とし、かつサイドローブレベルをほぼ対称になるようにアンテナ面積を変化させたが、アンテナの用途によっては、ァンテナ放射量を各部で自由に制御できることが望まれる。その場合は、この発明のァンテナは開口面積を理論に従って設計することにより、アンテナ放射量を各部で自由に制御できるので、例えば、アンテナ面上の放射の割合を適正に設定すると、図 1 8 に示すように、サイドローブの値を一定に低く抑えるチエピシェフ型の放射指向性パターンを作ることもできる。産業上の利用可能性

この発明のストリップ線路型右手 Z左手系複合線路と、ストリッブ線路型左手系線路は、マイクロ波のアンテナはもとより伝送線路、結合器、共振器、分 K器等に応用できる。

また、この発明のストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナと、ストリップ線路型左手系線路でなるアンテナは、放射ピームを絞ることができ、かつ偏波方向を自由に制御できるので、偏波面を制御する各種用途への直接的な応用が可能であり、自動車や歩行用口ポットの障害物検知用のアンテナとして用いた場合、対向車や対抗ロボットの電磁波の影響を受けることなく、正確な動作を確保できる。

また、無線 LAN等のアプリケーションのように、偏波の方向を自由に選ぶことが必要となる場合のアンテナの用途に適用できる。また、特定方向の場所の防犯用の探知手段等にも適用できる。

Claims

請求の範囲

1. 中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の雨面を接地導体により囲んでなり、右手系領域及び左手系領域で機能させることを特徴とするストリッブ線路型右手 Z左手系複合線路。

2. 中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、伝搬波の位相定数 >9を（ Z a〉で規格化した値が一 1. 0 〜 1. 0の範囲で機能させることを特徴とするストリツプ線路型右手ノ左手系複合線路。

3 . 中間層の誘電体の中に E置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、左手系領域で機能させることを特徴とするストリップ線路型左手系線路。

4. 中間層の誘電体の中に E置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、伝搬波の位相定数を（？ rZ a ) で規格化した値が一 1. 0 〜0の範囲で機能させることを特徴とするストリップ線路型左手系線路。

5 . 中間層の誘電体の中に K置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、右手系領域及び左手系領域で機能させるストリッブ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設け、入力信号の周波数を制御することによりエネルギー放射の方向を制御することを特徴とするストリップ線路型右手ノ左手系複合線路でなるアンテナ。

6. 中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の位相定数をで規格化した値が一 1. 0 〜1. 0の範囲で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設け、入力信号の周波数を制御することによりエネルギー放射の方向を制御することを特徴とするストリップ線路型右手 Z左手系複合線路でなるァンテナ。

7. 中間層の誘電体の中に配置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、右手系領域及び左手系領域で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ、偏波方向を可変にしたことを特徴とするストリツプ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナ。

8. 中間層の誘電体の中に se置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の位相定数をで規格化した値が一 1. 0〜1. 0の範囲で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縱方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ、偏波方向を可変にしたことを特徴とするストリップ線路型右手/左手系複合線路でなるアンテナ。

9. 中間層の誘電体の中に e置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、左手系領域で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設けたことを特徴とするストリップ線路型左手系線路でなるアンテナ。

0. 中間層の誘電体の中に記置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の位相定数を（?r/ a )で規格化した値が一 1. 0〜 0の範囲で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に複数の開口を設けたことを特徴とするストリップ線路型左手系線路でなるアンテナ。

1 . 中間層の誘電体の中に K置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んでなり、左手系領域で機能させるストリップ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ、偏波方向を可変にしたことを特徴とするストリップ線路型左手系線路でなるアンテナ。

2. 中間層の誘電体の中に K置される中間層導体は、金属パターンを周囲に誘電体を残して形成される単位セルの集合体により構成され、該中間層の両面を接地導体により囲んで、伝搬波の位相定数を（JtZ a ) で規格化した値が一 1. 0〜 0の範囲で機能させるストリッブ線路を構成し、接地導体の片面に線路の伝搬方向に対して縦方向に、かつ複数の開口を設け、各開口の向きに角度をつけ、偏波方向を可変にしたことを特徴とするストリップ線路型左手系線路でなるアンテナ。 3 - 前記開口からのエネルギー放射量を制御して所望の放射特性をもたせるように、開口の面積を変化させて設定したことを特徴とする請求項 5乃至請求項 1 2記載のアンテナ。

4. 前記各開口からのエネルギー放射量を一定とするように、開口の面積を入力ポ一卜に近いほど小さく、逆に遠いほど大きく設定したことを特徴とする請求項 5乃至請求項 1 2記載のアンテナ。

. 開口の長さ又は幅を変化させることによりその面積を変化させることを特徴とする請求項 5乃至請求項 1 2記載のアンテナ。

. 前記開口はスリツ卜又はスロットあるいはこれと同様な機能を有する形状の開口でなることを特徴とする請求項 5乃至請求項 1 2記載のアンテナ。