JP2012508538A

JP2012508538A - Ｃｒｌｈ−ｔｌメタマテリアルアンテナ

Info

Publication number: JP2012508538A
Application number: JP2011536239A
Authority: JP
Inventors: フーンリョウ、ビュン; モスン、ウォン; クンジ、ジョン
Original assignee: イーエムダブリュカンパニーリミテッド
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2012-04-05
Also published as: WO2010056032A3; CN102210058A; WO2010056032A2; KR20100053783A; US8902118B2; US20110285602A1; KR101112424B1

Abstract

接地面にらせん状のらせん負荷で形成され、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造のリアクタンス成分が調節されることにより共振周波数が低減されるアンテナを提供する。

Description

本発明は、右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ−ＴＬ：ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＲｉｇｈｔａｎｄＬｅｆｔＨａｎｄｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅ）構造のメタマテリアルアンテナに係り、さらに詳しくは、接地面のらせん負荷を用いて小型化を図ったＣＲＬＨ−ＴＬ構造のメタマテリアルアンテナに関する。

最近、電磁波の応用分野において大きな関心を引き寄せているメタマテリアル構造は、一般電磁気理論において言及されていない特異現象を示し、分散特性において群速度及び位相速度が異なる符号を有して、右手進行法則ではなく、左手進行法則によって電磁波の進行が説明される。例えば、自由空間においてメタマテリアルで電磁波が進行するとき、透過波の横方向成分が入射波のそれとは反対となり、右手進行法則の線路（ＲＨ−ＴＬ）と左手進行法則の線路（ＬＨ−ＴＨ）とを組み合わせる場合、通過及び遮断の帯域が従来の右手系伝送線路（ＲＨＴＬ）単独のそれとは異なるように形成される。

本発明の目的は、接地面のらせん負荷を用いて小型化を図ったＣＲＬＨ−ＴＬメタマテリアルアンテナを提供することである。

本発明の一実施形態に係るアンテナは、接地面にらせん状のらせん負荷で実現されてＣＲＬＨ−ＴＬ構造のリアクタンス成分が調節されることにより共振周波数が低減される。

本発明によれば、接地面にらせん状のらせん負荷で実現されてＣＲＬＨ−ＴＬ構造のリアクタンス成分が調節されることにより低い共振周波数が得られ、その結果、小型化が図れたアンテナを提供することができる。

ＣＲＬＨ−ＴＬ構造の等価回路及び単位セルを示す図である。ＣＲＬＨ−ＴＬ構造の回路による伝搬定数−周波数のグラフを示す図である。本発明の一実施形態に係る２つの単位セルで構成されたＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナを層別に分けて示す図である。本発明の一実施形態に係る２つの単位セルで構成されたＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナを上から見下ろした図であり、パッチ及び給電線路を示す。本発明の一実施形態に係る２つの単位セルで構成されたＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナを下から見上げた図であり、らせん状のスロットに沿ったらせん負荷が示されている。２つのセルのらせん負荷が両方とも時計回り方向に実現された場合、らせんのターン数による反射損失を示す図である。図６におけるらせんのターン数が３である場合における０次共振周波数の利得分布または放射パターンを示す図である。２つのセルのらせん負荷が対向する向きに実現された場合、らせんのターン数による反射損失を示す図である。図８におけるらせんのターン数が３である場合における０次共振周波数の利得分布または放射パターンを示す図である。

以下、図面に基づき、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造のメタマテリアルアンテナを詳述する。

図１は、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造の等価回路及び単位セルを示す図である。

図１を参照すると、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造の等価回路１００は、直列インダクターＬ_Ｒと、並列キャパシターＣ_Ｒと、並列インダクターＬ_Ｌ及び直列キャパシターＣ_Ｌを備え、さらに単位セル１１０を備える。ここで、直列インダクターＬ_Ｒ及び並列キャパシターＣ_Ｒは、通常構造の回路を等価化させるために示したものである。なお、並列インダクターＬ_Ｌ及び直列キャパシターＣ_Ｌは、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造の回路を等価化させるために付加されたものである。

本発明に係るアンテナに採用されるメタマテリアルの代表例としては、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造が挙げられるが、この構造は、共振モードが、従来のアンテナにおける正の次数（＋）及び負の次数（−）を併せ持つ。

ＣＲＬＨ−ＴＬ構造の共振モードには、伝搬定数が「０」となる０次共振モードがある。この０次共振モードにおいては波長が無限大となり、電波の伝搬による位相遅れが発生しない。０次共振モードの共振周波数はＣＲＬＨ−ＴＬを構成するリアクタンス成分によって決定されるためアンテナの長さに依存せず、アンテナの小型化に有利である。

本発明の一実施形態に係るアンテナは、接地面にらせん状のらせん負荷を形成してリアクタンス成分を調節することにより低い共振周波数が得られ、その結果、小型化が図れる。

上述したように、０次共振周波数はリアクタンス成分によって決定されるため、本発明に係るアンテナにおけるらせん負荷は並列インダクターＬ_Ｌを増大させる役割を果して０次共振周波数を低減することが可能となる。

図２は、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造の等価回路による伝搬定数−周波数のグラフを示す図である。

図２を参照すると、本発明の一実施形態に係るＣＲＬＨ−ＴＬ構造を用いたアンテナは、右手領域（ＲＨ領域）及び左手領域（ＬＨ領域）によって共振周波数が異なり、正の次数（＋）だけではなく、０次、負の次数（−）の共振周波数をも得られることが分かる。

図３は、本発明の一実施形態に係る２つの単位セルで構成されたＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナを層別に分けて示す図である。

図３を参照すると、本発明の一実施形態に係るＣＲＬＨ−ＴＬアンテナ３００は、２つの単位セルで構成される。

例えば、本発明の一実施形態に係るＣＴＬＨ−ＴＬアンテナ３００は、上層３１１と下層３１２との間に誘電率２．２、サイズ５５ｍｍ×５５ｍｍ×１．５ｍｍの誘電体基板が配され、上層３１１には幅８ｍｍの給電線路３５１及びサイズ１２．４ｍｍ×２５ｍｍの２つのパッチ３２１、３２２が配されてもよい。

また、本発明の一実施形態に係るＣＴＬＨ−ＴＬアンテナ３００におけるパッチ３３１、３３２間の間隔は０．２ｍｍであり、下層３１２には幅０．２ｍｍ、間隔０．２ｍｍのらせん状のスロットが形成された接地面が配されてもよい。

さらに、本発明の一実施形態に係るＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナ３００における上層のパッチ３２１、３２２及び下層のらせん負荷３４１、３４２は、半径０．２ｍｍのビア３３１、３３２を介してつながり合ってもよい。

このように、本発明の一実施形態に係るＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナ３００は、らせん状のスロットてらせん負荷が実現される。

図４は、本発明の一実施形態に係る２つの単位セルで構成されたＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナを上から見下ろした図であって、パッチ及び給電線路を示してあり、図５は、本発明の一実施形態に係る２つの単位セルで構成されたＣＴＬＨ−ＴＬ構造のアンテナを下から見上げた図であって、らせん状のスロットに沿ってらせん負荷が示されている。

図６は、２つのセルのらせん負荷が両方とも時計回り方向に形成された場合、らせんのターン数による反射損失を示す図である。

図６を参照すると、本発明の一実施形態に係るアンテナは、２つの単位セルのらせん負荷が両方とも時計回り方向の同じ向きに形成された場合であって、それぞれらせんのターン数が増加するに伴い−１次共振周波数及び０次共振周波数が下降することが分かる。

図７は、図６におけるらせんのターン数が３である場合における０次共振周波数の利得分布または放射パターンを示す図である。

本発明の一実施形態に係るアンテナは、図６に示すように、単位セルのらせん負荷におけるらせんのターン数が３である場合、０次共振周波数に対する最大利得は０．０３ｄＢｉである。

図８は、２つのセルのらせん負荷が対向する向きに形成された場合、らせんのターン数による反射損失を示す図である。

図８を参照すると、本発明の一実施形態に係るアンテナは、２つのセルのうち、第１のセルのらせん負荷は時計回り方向、第２のセルのらせん負荷は反時計回り方向で、互いに対向する向きに形成された場合であり、それぞれターン数が増加するに伴い−１次共振周波数及び０次共振周波数が下降することが分かる。

図９は、図８に示すらせんのターン数が３である場合における０次共振周波数の利得分布または放射パターンを示す図である。

本発明の一実施形態に係るアンテナは、図８に示すように、単位セルのらせん負荷におけるらせんのターン数が３である場合、０次共振周波数に対する最大利得は−１．７５ｄＢｉである。

また、本発明の一実施形態に係るアンテナは、単位セルの数、パッチサイズ、ビアサイズ、誘電体基板のサイズ、らせん負荷の幅、らせん負荷間の間隔、らせん負荷の向き、らせん負荷のターン数、給電位置及び給電方法などの変化によってユーザー所望のアンテナ性能が得られる。

このように、本発明に係るアンテナは、接地面にらせん状のらせん負荷を形成して、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造のリアクタンス成分を調節することによりアンテナの長さに依存しない低い０次共振周波数または負の次数の共振周波数を得ることができ、これにより、アンテナの小型化を図ることができる。

以上、本発明を限定された実施形態及び図面に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を持った者であれば、このような記載から様々な修正及び変形が可能である。

よって、本発明の範囲は説明された実施形態に制限されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定められるべきである。

Claims

接地面にらせん状のらせん負荷が形成され、ＣＲＬＨ−ＴＬ構造のリアクタンス成分が調節されることにより共振周波数が低減されることを特徴とするアンテナ。
前記らせん負荷は、前記ＣＲＬＨ−ＴＬ構造において並列インダクターを増大すると、０次共振周波数が低減されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記らせん負荷は、前記らせん状のスロットで実現されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記らせん負荷のらせんターン数が増加するに伴い前記共振周波数が低周波領域に移動することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記らせん負荷が２つのセルで構成され、前記２つのセルが両方とも時計回り方向である同じ向きに形成された場合、前記らせん負荷のらせんターン数が増加するに伴い−１次共振周波数及び０次共振周波数が低周波領域に移動することを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
前記らせん負荷が２つのセルで構成され、前記２つのセルのそれぞれが時計回り方向及び反時計回り方向である対向する向きに形成された場合、前記らせん負荷のらせんターン数が増加するに伴い−１次共振周波数及び０次共振周波数が低周波領域に移動することを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
前記らせん負荷を構成する単位セルの数、パッチサイズ、ビアサイズ、誘電体基板のサイズ、前記らせん負荷の幅、前記らせん負荷の間隔、前記らせん負荷の向き、前記らせん負荷の給電位置または前記らせん負荷の給電方法の変化によって、アンテナ性能が調整されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記アンテナの上層と下層の間に前記誘電体基板が配され、前記上層には給電線路及び２つのパッチが配され、前記上層のパッチ及び前記下層のらせん負荷はビアを介してつながり合い、前記下層にらせん状のスロットが形成された接地面が配されることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。