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NON-RECIPROCAL METAMATERIAL TRANSMISSION LINE DEVICE AND ANTENNA DEVICE meetings

Patent code P170014225
File No. 内0456
Posted date Jun 16, 2017
Application number P2016-031167
Publication number P2017-152781A
Patent number P6635546
Date of filing Feb 22, 2016
Date of publication of application Aug 31, 2017
Date of registration Dec 27, 2019
Inventor
  • (In Japanese)上田 哲也
  • (In Japanese)吉田 和弘
Applicant
  • Kyoto Institute of Technology
Title NON-RECIPROCAL METAMATERIAL TRANSMISSION LINE DEVICE AND ANTENNA DEVICE meetings
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-reciprocal metamaterial transmission line device capable of transmitting a high frequency signal in a wide band.
SOLUTION: In non-reciprocal metamaterial transmission line device, propagation constants in a forward direction and an opposite direction are different each other, and at least one unit cell is connected in cascade between first and second ports. The unit cell includes: a transmission line part of a microwave signal; first and second circuits that is branched and provided from the transmission line part, and equivalently includes an inductive element; and a third parallel branch circuit that equivalently includes a capacitive element. At least one unit cell includes a spontaneous magnetization so as to be magnetized to a magnetization direction different from a transmission direction of the transmission line part, and has a gyroscope anisotropy, or is magnetized by an outer magnetic field. In at least one unit cell, the first parallel branch circuit is formed on one side to a surface formed by a transmission direction and a magnetization direction. The second parallel branch circuit is formed on the other side to the surface.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

図1は従来例に係る漏れ波アンテナ装置の構成を示すブロック図である。ビーム走査アンテナの一つに漏れ波アンテナがあり、漏れ波アンテナは、図1に示すように、漏れ波アンテナ装置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。図1において、伝送線路は2本の線路導体101,102を有し、端子T1,T2からなる第1のポートP1と、端子T3,T4からなる第2のポートP2とを有する。

放射ビーム103の角度は、次式で示すように、伝送線路上に生じる電磁界分布の空間的な位相勾配である位相定数β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θを走査することが可能となる。

【数1】
(省略)

ここで、βは伝送線路上の位相定数であり、β0は自由空間の位相定数であり、実効屈折率neffは-1≦neff≦1の値をとる。

このように従来例の漏れ波アンテナでは、高周波信号が伝送線路の一端から入力される。高周波信号の一部が漏れ波放射に寄与しないまま、伝送線路の終端まで到達する場合、終端で反射して同じ伝送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伝送線路の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をコンパクトにしたい場合、放射に寄与しない信号成分が終端まで到達すると消費されるので、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あり、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。この非相反マテリアル線路を漏れ波アンテナに適用すると、伝送線路に沿って高周波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。

この非相反伝送線路からの漏れ波の放射効率を低下させないためには、伝送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、入力される高周波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伝送線路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。この位相勾配は伝送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。

従って、共振状態を維持したまま、伝送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。伝送線路に非相反性がない場合、伝送線路内の実効屈折率neffは0となり、伝送線路上の至る所で同位相となるので、伝送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。

伝送線路を用いて情報を伝送する場合、信号波は変調波で周波数広がりを持つ。変調波を同一方向に送信するためには、所定の帯域で周波数によらず同一方向にビームを向ける必要がある。従って、ビーム方向の周波数依存性は、ビーム方向がふらつく原因となり、「ビームスクイント」と呼ばれる。このように所定の帯域で情報を送受信するビーム走査アンテナにおいては、ビームスクイントを低減する技術が必要となる。

非相反メタマテリアル伝送線路からなる擬似進行波共振に基づく漏れ波アンテナにおいては、伝送線路のもつ非相反性がビーム角を定めることから、ビームスクイント、つまり周波数の変化によるビーム方向のふらつきは、伝送線路の非相反移相特性の周波数分散によって引き起こされる。これは、言い換えると、順方向伝搬と逆方向伝搬の屈折率差の周波数分散に相当する。従って、非相反メタマテリアル伝送線路の伝搬方向による実効屈折率差の周波数分散を抑制すれば、ビームスクイントの低減に結びつく。

これまでに、擬似進行波共振アンテナのビームスクイントを抑制する方法として、伝送線路の両側にスタブを挿入したダブルスタブ構造を採用し、非相反性の周波数分散の抑制を図った提案がある(例えば、特許文献1~4参照)。このダブルスタブ構造において、挿入される2本のスタブの役割として、短い方のスタブは、負の誘電率を実現するための誘導性スタブであり、もう一つの長いスタブは、短いスタブの周波数分散を調整するため、高次の誘導性帯域を利用していた。

Field of industrial application (In Japanese)

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と、当該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とに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
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であって、
上記非相反メタマテリアル伝送線路装置は、マイクロ波信号の伝送線路部分と、上記伝送線路部分からそれぞれ分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む第1及び第2の並列枝の回路と、容量性素子を等価的に含む第3の並列枝の回路とを有する少なくとも1つの単位セルを、第1及び第2のポート間で縦続接続して構成され、
上記少なくとも1つの単位セルのそれぞれは、上記伝送線路部分の伝搬方向とは異なる磁化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、
上記少なくとも1つの単位セルのそれぞれにおいて、上記第1の並列枝の回路は、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一方の側に形成され、上記第2の並列枝の回路は、上記面に対して他方の側に形成されたことを特徴とする非相反メタマテリアル伝送線路装置。

【請求項2】
 
上記伝送線路部分から見た上記第1の並列枝の回路のインピーダンスは、上記伝送線路部分から見た上記第2の並列枝の回路のインピーダンスと同じ誘導性のインピーダンスであることを特徴とする請求項1記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。

【請求項3】
 
上記第1~第3の並列枝の回路のパラメータが非相反分散を低くすることによりビームスクインティングを抑制するように調整されていることを特徴とする請求項1又は2記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。

【請求項4】
 
上記第3の並列枝の回路は、
(1)1対の導体間で形成されたキャパシタと、
(2)所定長の線路導体で形成された容量性スタブ線路と、
(3)キャパシタ素子と
のいずれか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つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。

【請求項5】
 
上記第1と第2の並列枝の回路は上記単位セルの中心又は中心線に対して対称となるように形成されたことを特徴とする請求項1~4のうちのいずれか1つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。

【請求項6】
 
上記第1と第2の並列枝の回路はそれぞれ
(1)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一方の側に形成された1つの誘導性スタブと、上記面に対して他方の側に形成された1つの誘導性スタブとで構成され、もしくは、
(2)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一方の側に形成された2つの誘導性スタブと、上記面に対して他方の側に形成された2つの誘導性スタブとで構成されたことを特徴とする請求項5記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。

【請求項7】
 
上記第1と第2の並列枝の回路に代えて、上記単位セルの伝送線路部分をビア導体を介して接地することで、誘導性スタブを等価的に形成したことを特徴とする請求項1~6のうちのいずれか1つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置。

【請求項8】
 
請求項1~7のうちのいずれか1つに記載の非相反メタマテリアル伝送線路装置と、
上記第1及び第2のポートにそれぞれ反射素子を挿入して上記非相反メタマテリアル伝送線路装置を擬似進行波共振器として動作させ、上記第1のポートに送信又は受信するマイクロ波信号を入力又は出力することを特徴とするアンテナ装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2016031167thum.jpg
State of application right Registered
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