JP2015070542A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＭＣ反射板を備えたアンテナ装置を小型化する。
【解決手段】アンテナ装置は、放射器として、ダイポールアンテナ２を備え、反射器として、多数のパッチ素子４と地板６とで構成されたＡＭＣ反射板１０を備える。そして、ＡＭＣ反射板１０を構成するパッチ素子４の反射面を、正方形ではなく、放射対象となる電波の偏波方向（ｙ軸方向）に長く、その偏波方向に直交するｘ軸方向に短い、長尺形状にする。また、パッチ素子４のｙ軸に平行な辺からｘ軸方向にスリットを形成してもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、人工磁気導体を利用した反射板を備えるアンテナ装置に関する。

従来、人工磁気導体（ＡＭＣ：Artificial Magnetic Conductor）を利用したＡＭＣ反射板を備えたアンテナ装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
この種のアンテナ装置において、ＡＭＣ反射板１０は、図１に示すように、地板６と、地板６に対し所定の間隔ｈを空けて平行に配置される多数のパッチ素子４とで構成され、パッチ素子４の地板６とは反対側にダイポールアンテナ２が設けられる。

そして、非特許文献１には、パッチ素子４を正方形にして、その配置数を、ダイポールアンテナ２の長手方向に直交する方向に５個、ダイポールアンテナ２の長手方向に８個の５×８素子にすると、最も高い指向性利得を実現できることが記載されている。

また、ＡＭＣ反射板１０をこのように構成する場合、パッチ素子４の一辺の長さｗ及びパッチ素子４同士の間隔ｇは、次のように設定すればよいことが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

すなわち、真空中の透磁率及び誘電率をμo及びεo、パッチ素子４と地板６との間の誘電率をεr とすると、パッチ素子４毎のインダクタンスＬとキャパシタンスＣは、下記のように記述できる。

Ｌ＝μo・ｈ
Ｃ＝［εo・（εr＋１）・（ｗ＋ｇ）／π］
・ｌｎ［ｃｏｓｅｃ｛π・ｇ／２・（ｗ＋ｇ）｝］
このため、パッチ素子４の一辺の長さｗ及びパッチ素子４同士の間隔ｇは、送受信の対象となる信号の中心周波数ｆo に基づき、上記インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが、次式を満足するように設計すればよい。

ｆo ＝１／２π√（Ｌ・Ｃ）

電子情報通信学会 信学技報 IEICE Technical Report A-P2012-107(2012-11)「ＡＭＣ反射板付ダイポールアンテナのためのＡＭＣ反射板の最適構成」 電子情報通信学会 2011 論文誌 B Vol. J94-B No.9 pp.1133-1145 「ＥＢＧ基板上に配置された葉状ボウタイアンテナ」

ところで、ＡＭＣ反射板１０を上記従来の手順で設計した場合、周波数選択板（ＦＳＳ：Frequency Selective Surface）であるパッチ素子４が正方形で、一辺の長さｗ及び間隔ｇが規定され、しかも、所望のアンテナ特性を得るには、パッチ素子４の個数も規定される。

このため、上記従来のアンテナ装置においては、ＡＭＣ反射板を利用して薄型化することはできるものの、ＡＭＣ反射板の反射面方向の大きさを小さくすることができず、アンテナ装置全体の小型化は難しいという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、ＡＭＣ反射板を備えたアンテナ装置において、ＡＭＣ反射板の反射面方向の大きさを小さくして、アンテナ装置全体を小型化することを目的とする。

請求項１に記載のアンテナ装置は、
直線偏波の電波を放射するための放射器と、反射器とを備え、
前記反射器は、地板と、地板の板面に平行な面上に間隔を空けて配置された多数のパッチ素子と、からなるＡＭＣ反射板にて構成され、
前記多数のパッチ素子の反射面は、それぞれ、放射対象となる前記電波の偏波方向に長く、該偏波方向に直交する方向に短い、長尺形状であることを特徴とする。

請求項２に記載のアンテナ装置は、
直線偏波の電波を放射するための放射器と、反射器とを備え、
前記反射器は、地板と、地板の板面に平行な面上に間隔を空けて配置された多数のパッチ素子と、からなるＡＭＣ反射板にて構成され、
前記多数のパッチ素子の反射面は、全体が矩形形状であり、当該反射面には、外周縁から内側にかけて、放射対象となる前記電波の偏波方向に直交する方向にスリットが形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載のアンテナ装置は、請求項２に記載のアンテナ装置において、
前記ＡＭＣ反射板において、前記多数のパッチ素子は、隣接するパッチ素子同士が、前記スリットを介して相互に嵌合するよう配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載のアンテナ装置においては、ＡＭＣ反射板を構成する多数のパッチ素子の反射面が、従来のような正方形ではなく、放射対象となる電波の偏波方向に長く、偏波方向に直交する方向に短い、長尺形状になっている。

このため、本発明のアンテナ装置によれば、ＡＭＣ反射板による直線偏波の電波の反射特性を劣化させることなく、パッチ素子、延いては、ＡＭＣ反射板の板面方向の面積を小さくすることができる。よって、アンテナ装置の小型化を図ることができる。

請求項２に記載のアンテナ装置においては、ＡＭＣ反射板を構成する多数のパッチ素子の反射面が、従来のような正方形ではなく、反射面の外周縁から内側にかけて、放射対象となる電波の偏波方向に対し直交する方向にスリットが形成された形状になっている。

この結果、パッチ素子全体の大きさを、スリットのない従来のもの（図１参照）と同じにすれば、ＡＭＣ反射板により電波を効率よく反射可能な反射位相０度の周波数を、低周波側に移動させることができる。

また、送受信する電波の周波数が同じであれば、スリットを設けることにより、パッチ素子全体の大きさ、延いては、ＡＭＣ反射板の板面方向の面積を小さくすることができる。

よって、請求項２に記載のアンテナ装置においても、アンテナ装置の小型化を図ることができる。
また、請求項３に記載のアンテナ装置においては、ＡＭＣ反射板において、隣接するパッチ素子同士が、スリットを介して相互に嵌合するよう配置される。

このため、パッチ素子の数が同じであれば、従来のようにパッチ素子を個々に分散配置した場合に比べ、その配置面積を小さくして、ＡＭＣ反射板（延いてはアンテナ装置）を小型化することができる。

また、ＡＭＣ反射板全体の大きさ（換言すれば地板の大きさ）が同じであれば、配置可能なパッチ素子の数を増加させることができ、これによって、ＡＭＣ反射板による電波の反射特性を向上することができる。

また、パッチ素子の数を増加させることができるので、各パッチ素子の共振周波数をばらつかせることにより、アンテナ装置にて送受信可能な電波の周波数帯域を広帯域にすることもできる。

本発明の前提となるアンテナ装置の構成を表し、（ａ）はアンテナ装置を電波の放射方向からみた平面図、（ｂ）は（ａ）の下方からみた素子の配置状態を表す説明図である。 第１実施形態のアンテナ装置の構成を表す平面図である。 パッチ素子の反射面をｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれ縮小させる場合の説明図である。 パッチ素子の反射面を図３に示すように縮小させたときの反射位相の変化を表す説明図である。 第２実施形態のアンテナ装置の構成及びパッチ素子の形状を表す平面図である。 パッチ素子にスリットを形成する方向を説明する説明図である。 図６に示すようにパッチ素子にスリットを形成したときの反射位相の変化を表す説明図である。 パッチ素子にスリットを形成したときと形成しないときの反射位相の違いを説明する説明図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図２に示すように、第１実施形態のアンテナ装置は、図１に示した本発明の前提となる従来のアンテナ装置と基本構成は同じであり、アンテナ装置を電波の放射方向からみた反射面の面積を小さくして、アンテナ装置全体を小型化するため、パッチ素子４の反射面の形状を長方形にした点である。

すなわち、本実施形態のアンテナ装置において、パッチ素子４の反射面は、ダイポールアンテナ２により送受信される直線偏波の電波の偏波方向（つまり、ダイポールアンテナ２の長手方向）に平行な方向（以下、この方向をｙ軸とする）に長く、その偏波方向に対し直交する方向（以下、この方向をｘ軸とする）に短い、長尺形状になっている。

より具体的には、本実施形態のパッチ素子４のｙ軸方向の長さｗ１は、図１に示した従来のアンテナ装置における正方形のパッチ素子４の一辺の長さｗと同じであり、本実施形態のパッチ素子４のｘ軸方向の長さｗ２は、図１に示した従来のアンテナ装置における正方形のパッチ素子４の一辺の長さｗの２分の１（つまり、ｗ２＝ｗ１／２）に設定されている。

また、本実施形態のアンテナ装置において、パッチ素子４の数及び配置は、図１に示した従来のアンテナ装置と同様、８×５個（詳しくはｙ軸方向に８個、ｘ軸方向に５個）に設定されており、各パッチ素子４同士の間隔は、ｙ軸方向の間隔ｇ１、ｘ軸方向の間隔ｇ２が、共に、図１に示した従来のアンテナ装置と同じ間隔ｇ（＝ｇ１＝ｇ２）となるように設定されている。

これは、本願発明者らが、ＡＭＣ反射板１０を構成するパッチ素子の形状と反射特性との関係を検討したところ、ＡＭＣ反射板１０を、直線偏波の電波を送受信するアンテナ装置に適用する場合、その電波の偏波方向（ｙ軸）に直交する方向（ｘ軸）にパッチ素子４を縮めても、反射特性が大きく劣化することがなく、アンテナ装置の反射器として利用できることが判明したためである。

すなわち、図３に示すように、従来と同様の正方形のパッチ素子４を基準として、そのパッチ素子４の大きさを、ｘ軸方向に縮小した場合と、ｙ軸方向に縮小した場合とで、それぞれ、ＡＭＣ反射板１０の反射特性を、コンピュータを利用したシミュレーションにより計測したところ、図４に示す計測結果が得られた。

そして、図４に示す計測結果から、パッチ素子４のｙ軸方向の長さｗ１を縮小させた場合には、反射特性が大きく劣化するのに対し、パッチ素子４のｘ軸方向の長さｗ２を縮小させた場合には、反射特性が殆ど変化しないことが判った。

なお、上記シミュレーションで用いたパッチ素子４の基準は、図３の中央に示す正方形のパッチ素子であり、その一辺の長さｗは、アンテナ装置が地上デジタルテレビ放送信号受信用で、中心周波数が約５００ＭＨｚの電波を送受信するものとして、１０８ｍｍに設定されている。

また、上記シミュレーションでは、パッチ素子４の一辺の長さを、ｘ軸方向、及び、ｙ軸方向に、それぞれ、１０８ｍｍから最小長さｗｓ＝８ｍｍまで段階的に短くしたパッチ素子４を用いて、ＡＭＣ反射板１０を構成した場合に得られる反射特性を計測した。

また、上記シミュレーションでは、地板６の大きさ、パッチ素子４のｘ軸方向及びｙ軸方向の数を、それぞれ、無限大とした。
そして、図４の計測結果は、パッチ素子４のｘ軸方向及びｙ軸方向の長さを、それぞれ、１０８ｍｍ、８８ｍｍ、６８ｍｍ、４８ｍｍ、２８ｍｍ、８ｍｍとした場合の反射特性を表している。

このように、ＡＭＣ反射板１０において、直線偏波の電波の偏波方向に直交するｘ軸方向にパッチ素子４を縮小させても、反射特性が殆ど変化しないことから、本実施形態では、パッチ素子４の数及び配置は従来のものから変更せず、パッチ素子４の大きさだけをｘ軸方向に縮小することで、アンテナ装置の反射面の面積を小さくして、アンテナ装置全体を小型化している。

従って、本実施形態によれば、ＡＭＣ反射板１０を備えたアンテナ装置において、ＡＭＣ反射板１０の反射特性（換言すればアンテナ装置のアンテナ特性）を低下させることなく、アンテナ装置を小型化することができる。
［第２実施形態］
図５に示すように、第２実施形態のアンテナ装置は、図１に示した本発明の前提となる従来のアンテナ装置と構成要素は同じであるが、パッチ素子４及び地板６の大きさ、パッチ素子４の形状、数、及び、配置が異なる。

つまり、本実施形態のアンテナ装置において、パッチ素子４の反射面は、正方形のものに対し、ｙ軸に平行な２辺の中点から、それぞれ、内側に向けて（換言すればｘ軸方向に）矩形のスリット８を形成した、Ｈ字形状に形成されている。

そして、地板６に対しては、各パッチ素子４のスリット８部分を利用して、隣接するパッチ素子同士を嵌合させることで、パッチ素子４を密集させている。
本実施形態において、パッチ素子４の一辺の長さｗは５８ｍｍである。そして、地板６は、一つのパッチ素子４当たりの長さを６０ｍｍ（換言すればパッチ素子４同士の間隔ｇを２ｍｍ×２）として、ｙ軸方向に６個のパッチ素子４を配列できるよう、一辺の長さが３６０ｍｍの正方形に設定されている。

また、パッチ素子４に形成されたスリット８の深さ（ｘ軸方向の長さ）は、１７．４ｍｍ、スリットの幅（ｙ軸方向の長さ）は、３２ｍｍに設定されている。そして、各パッチ素子４は、隣接するパッチ素子４のスリット１２部分に嵌合することで、地板６に対し、ｘ軸方向に８個配置されている。

なお、ダイポールアンテナ２は、地上デジタルテレビ放送の電波（直線偏波）を受信できるように、長さが２６４ｍｍに設定されており、ＡＭＣ反射板１０の略中心位置に、所定の間隔を空けて配置されている。

このように構成された本実施形態のアンテナ装置によれば、図１に示したアンテナ装置を、一辺の長さが１０８ｍｍの正方形のパッチ素子４、及び、本実施形態と同様のダイポールアンテナ２、を用いて構成した場合と、略同等のアンテナ特性が得られる。

従って、本実施形態のアンテナ装置においても、ＡＭＣ反射板１０を備えたアンテナ装置を小型化することができる。
以下、この理由について説明する。

まず、本願発明者らは、ＡＭＣ反射板１０を構成するパッチ素子４にスリット８を設けた場合、スリット８の大きさに対し、反射特性がどのように変化するのかを検討した。
具体的には、図６に示すように、従来と同様の正方形のパッチ素子を基準として、その基準パッチ素子に対し、ｘ軸方向両端の辺の中心位置から内側に向けてスリット８を形成した場合と、ｙ軸方向両端の辺の中心位置から内側に向けてスリット８を形成した場合とで、それぞれ、スリット８の大きさに対するＡＭＣ反射板１０の反射特性の変化を、コンピュータを用いたシミュレーションにより計測した。

その結果、図７に示すように、パッチ素子４に対しｙ軸方向にスリットを形成した場合には、スリットを大きくすればするほど、反射位相０度の周波数が高周波側に移動し、逆に、パッチ素子４に対しｘ軸方向にスリットを形成した場合には、スリットを大きくすればするほど、反射位相０度の周波数が低周波側に移動することが判った。

そして、パッチ素子４の反射面の面積は、電波の周波数が高い程、小さくすることができるので、このシミュレーション結果から、同一周波数でパッチ素子４を小さくするには、パッチ素子４に対しｘ軸方向にスリットを形成するとよいことが判る。

なお、上記シミュレーションで用いたパッチ素子４の基準は、図６の中央に示す正方形のパッチ素子であり、一辺の長さｗは、第１実施形態でのシミュレーションと同様、１０８ｍｍに設定されている。

また、パッチ素子４に設けるスリット８の大きさは、ｘ軸方向及びｙ軸方向の何れの形成方向でも、各軸方向の長さｓｘ，ｓｙが同一（ｓｘ＝ｓｙ）となるようにし、その長さｓｘ、ｓｙを、１ｍｍから５１ｍｍまで段階的に大きくして行き、そのパッチ素子４を用いてＡＭＣ反射板１０を構成した場合に得られる反射特性を計測した。

また、このシミュレーションでも、第１実施形態でのシミュレーションと同様、地板６の大きさ、パッチ素子４のｘ軸方向及びｙ軸方向の数を、それぞれ、無限大とした。
そして、図７の計測結果は、スリット８の各軸方向の長さｓｘ，ｓｙ（ｓｘ＝ｓｙ）を、それぞれ、１ｍｍ、１１ｍｍ、２１ｍｍ、３１ｍｍ、４１ｍｍ、５１ｍｍとした場合の反射特性を表している。

次に、上記シミュレーションにより、パッチ素子４に対しｘ軸方向にスリット８を設けることで、パッチ素子４（延いては、ＡＭＣ反射板１０、アンテナ装置）を小さくできることが判ったことから、今度は、その効果を確認するシミュレーションを行った。

このシミュレーションでは、正方形のパッチ素子４を利用した従来のＡＭＣ反射板１０と、Ｈ形状のパッチ素子４を利用した本実施形態のＡＭＣ反射板１０とを、同一周波数（具体的には７００ＭＨｚ）の電波を反射する反射器として構成し、各反射器による反射特性を計測した。

具体的には、図８に示すように、シミュレーション用の従来のＡＭＣ反射板１０として、一辺の長さが１０８ｍｍに設定された正方形のパッチ素子４を有し、そのパッチ素子４の１個当たりの地板６を一辺１２０ｍｍの正方形とし、パッチ素子４及び地板６をｘ軸方向及びｙ軸方向に無限に配置したものを設定した。

また、シミュレーション用の本実施形態のＡＭＣ反射板１０として、一辺の長さが５８ｍｍの反射板に深さ１５ｍｍ、幅３０ｍｍの一対のスリット８を形成したパッチ素子４を設定し、そのパッチ素子４の１個当たりの地板６を一辺６０ｍｍの正方形とし、パッチ素子４及び地板６をｘ軸方向及びｙ軸方向に無限に配置したものを設定した。

その結果、従来のＡＭＣ反射板と本実施形態の反射板とで、略同様の反射特性を得ることができ、本実施形態のように、パッチ素子４にスリット８を形成して、パッチ素子４の反射面の面積を小さくしても、所望の反射特性が得られることが判った。

このため、図５に示した本実施形態のアンテナ装置によれば、図１に示した従来のアンテナ装置に比べて、アンテナ装置のアンテナ特性を低下させることなく、パッチ素子４の反射面の面積を小さくし、ＡＭＣ反射板１０（延いては、アンテナ装置）を小型化できることが判る。

そして、特に、本実施形態では、パッチ素子４のスリット８を利用して、隣接するパッチ素子４同士を相互に嵌合させることで、地板６上に配置可能なパッチ素子４の数を増加させているので、ＡＭＣ反射板１０をより小型化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。
例えば、上記各実施形態では、ダイポールアンテナ２、パッチ素子４、地板６、スリット８の大きさ及び形状を明確にするため、これら各部の具体的寸法を挙げて説明したが、その寸法や、上記各部の大きさ、形状は、一例であり、要求されるアンテナ装置のアンテナ特性に応じて、適宜設定すればよい。

このため、例えば、第２実施形態のようにパッチ素子４にスリット８を設ける場合、パッチ素子４においてｙ軸に平行な２辺に設けるのではなく、一方の辺に設けるようにしてもよい。

また、パッチ素子４やスリット８の形状についても、必ずしも矩形にする必要はなく、所望のアンテナ特性が得られるのであれば、例えば、角部が丸みを帯びた形状にしてもよい。

２…ダイポールアンテナ、４…パッチ素子、６…地板、８…スリット、１０…反射板。

Claims (3)

1. 直線偏波の電波を放射するための放射器と、反射器とを備え、
   前記反射器は、地板と、地板の板面に平行な面上に間隔を空けて配置された多数のパッチ素子と、からなるＡＭＣ反射板にて構成され、
   前記多数のパッチ素子の反射面は、それぞれ、放射対象となる前記電波の偏波方向に長く、該偏波方向に直交する方向に短い、長尺形状であることを特徴とするアンテナ装置。
2. 直線偏波の電波を放射するための放射器と、反射器とを備え、
   前記反射器は、地板と、地板の板面に平行な面上に間隔を空けて配置された多数のパッチ素子と、からなるＡＭＣ反射板にて構成され、
   前記多数のパッチ素子の反射面は、全体が矩形形状であり、当該反射面には、外周縁から内側にかけて、放射対象となる前記電波の偏波方向に直交する方向にスリットが形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記ＡＭＣ反射板において、前記多数のパッチ素子は、隣接するパッチ素子同士が、前記スリットを介して相互に嵌合するよう配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。