い MACKEY にも 1 周波数のみにしか対応していないこと, 狭帯域であることという課題がある. MACKY E 型は 2 周波共用アンテナとして考案されている [8]. 本論文では, Wi-Fi(2GH 帯, 5GHz 帯 ) を想定した,MACKEY E 型を検討する. 2. MACKEY

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1 一般社団法人 電子情報通信学会 一般社団法人 電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS 信学技報 INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS 信学技報 IEICE Technical Report IEICE A P ( ) Technical Report 2 周波共用アンテナ MACKEY E 型に関する検討 平野 賢 牧野 滋 野口 啓介 伊東 健治 廣田 哲夫 金沢工業大学 石川県野々市市扇が丘7 1 b @planet.kanazawa-it.ac.jp, makino@neptune.kanazawa-it.ac.jp あらまし メタマテリアル技術を応用したアンテナには AMC(Artificial Magnetic Conductor 以下 AMC)を用い た報告例がある 先行研究では AMC 技術から発展した MACKEY(Meta-surface inspired Antenna Chip developed by KIT EOE Laboratory)について 自由空間だけでなく金属上においても動作することが報告されている 本論文では Wi-Fi(2GH 帯 5GHz 帯)を想定した 2 周波共用アンテナ MACKY E 型を報告する キーワード MACKEY 2 周波共用化 AMC パラメトリックスタディ Dual Band MACKEY-E with E Shaped Radiator Ken Hirano Shigeru Makino Keisuke Noguchi Kenji Itoh and Tetsuo Hirota Kanazawa Institute of Technology 7-1 Ohgigaoka, Nonoichi, Ishikawa, Japan b @planet.kanazawa-it.ac.jp, makino@neptune.kanazawa-it.ac.jp Abstract In this paper, a dual-band MACKEY device, in which the E shape radiator, is proposed. Additionally the conditions for controlling the resonance frequencies are clarified. Keywords MACKEY dual-band AMC parametric study Conductor)特 性 と 呼 ぶ が PMC 特 性 を 有 す る 物 質 は 自 1. ま え が き 近年スマートフォンやタブレットに代表される通 然 界 に は 存 在 し な い た め 特 定 の 周 波 数 に お い て PMC 信技術の普及に伴い 眼鏡や時計などに通信機器を設 特 性 を 人 工 的 に 実 現 す る 構 造 AMC 基 板 (Artificial けたウェアラブルデバイスの発展が急速に進んできて Magnetic Conductor)の 研 究 が 注 目 を 集 め て い る [1]~[2] お り IOT 分 野 の さ ら な る 発 展 が 期 待 さ れ て い る こ AMC 基 板 は 波 長 に 比 べ て 小 さ い 金 属 素 子 (素 子 形 状 れらのデバイスはインターネット回線を通じて どこ は 様 々 )を 二 次 元 周 期 的 に 配 置 し た 構 造 に 誘 電 体 基 板 にいても簡単に家庭内などに構築された無線ネットワ を介し金属板を装荷したものである ークに接続が可能であることから テレビや冷蔵庫と 金属板装荷キャパシタンスグリッドは 金属スリッ いった家電製品の無線化が求められている 無線化に ト を 周 期 的 配 列 し た AMC 基 板 で あ り PMC 特 性 を 発 伴い搭載されるアンテナに求められる条件は 小型 揮 さ れ て い る こ と が 示 さ れ て い る [3] ま た 有 限 サ イ 薄型化 周囲の金属などの影響を受けずに設置するこ ズ の AMC 基 板 上 に 設 け た 半 波 長 ダ イ ポ ー ル ア ン テ ナ とができる柔軟性が求められている あらゆる方向に の 特 性 に つ い て も 報 告 さ れ て い る [4] [5] し か し な が 均一に電波を放射する無指向性のアンテナを金属に近 ら 有 限 サ イ ズ の AMC 基 板 で は 製 品 に 搭 載 す る た め 接 し た 場 合 金 属 に よ る 電 磁 波 の 反 射 係 数 が -1 で あ る の条件に挙げた小型化を実現することができない ため アンテナから放射される電磁波と金属から反射 そ こ で ダ イ ポ ー ル ア ン テ ナ と AMC 基 板 を 一 体 化 し される電磁波が互いに干渉し 電磁波が放射されなく た 小 型 薄 型 ア ン テ ナ MACKEY( Meta-surface inspired なってしまうことが課題であった Antenna Chip developed by KIT EOE Laboratory) が 従来 自動車に搭載される地上波デジタルテレビ用 考 案 さ れ た [6] 測 定 し た MACKEY は 自 由 空 間 だ け アンテナなどはアンテナを車体から離して設置してい でなく金属上においてもインピーダンス特性 および放 る よ う に ア ン テ ナ を 金 属 か ら 1/4 波 長 程 度 離 す こ と に 射 特 性 が 変 化 し な い こ と が 確 認 さ れ た MACKEY は より問題を解決していたが アンテナを薄型化すると AMC 基 板 と ダ イ ポ ー ル ア ン テ ナ と の 組 み 合 わ せ か ら いう課題を両立することができなかった 発 想 さ れ た も の で あ る が 電 流 分 布 を 精 査 す る こ と で 全く異なる原理で動作する新しいアンテナであること この問題を両立する方法には 金属とアンテナとの 間 に 反 射 係 数 が +1 の 薄 い 基 板 を 挿 入 す る 方 法 が あ る も 確 認 さ れ た [7] 反 射 位 相 が +1 と な る 特 性 を PMC(Perfect Magnetic しかしながら小型 薄型 金属などの影響を受けな - 35 This Thisarticle articleisisa atechnical technicalreport reportwithout withoutpeer peerreview, review,and anditsitspolished polishedand/or and/orextended extendedversion versionmay maybebepublished publishedelsewhere. elsewhere. Copyright 20 IEICE Copyright 2017 by by IEICE

2 い MACKEY にも 1 周波数のみにしか対応していないこと, 狭帯域であることという課題がある. MACKY E 型は 2 周波共用アンテナとして考案されている [8]. 本論文では, Wi-Fi(2GH 帯, 5GHz 帯 ) を想定した,MACKEY E 型を検討する. 2. MACKEY E 型の提案と設計パラメータ図 1 に MACKEY 基本型の構造を示す. 上部から順にアンテナ基板, グリッド基板, 金属板となっており, それぞれの間を誘電体が満たしている. 図 2 に MACKEY 基本型の電流分布を示す. 図 2 での電流振幅の表示値は 1 A/m から 30A/m である. 図 2 より, 電流はグリッド基板のスリット周辺および上端部 下端部に流れていることがわかる. グリッド基板の電流の流れが少ない金属部分を排除したモデルの一例として, MACKEY E 型が提案されている [8].MACKEY 基本型と E 型の差異はグリッド基板のみである. 図 3 に MACKEY E 型のグリッド基板を示す. MACKEY E 型では, 中央突起部長 l2, 中央突起部幅 W2 のパラメータを追加する. また, 表 1 に初期パラメータの寸法を示す. アンテナ基板の誘電体厚 h=0.8[mm], グリッド基板の誘電体厚 t=3.2[mm], 比誘電率 ε r =2.65, 誘電正接 tanδ=0.01 とした. 図 3 MACKEY E 型のグリッド基板 表 1 初期パラメータ W=10 W=20 W=30 W 10 W 20 W 30 g G 29.2 g s 0.5 S 0.5 s 0.5 l 29 l 30 l 24.5 g g g l2 26 l2 26 l2 26 W2 2 W2 2 W MACKEY E 型の設計方法 3.1. 第 1 共振周波数の制御方法 MACKEY E 型の第 1 共振周波数は, MACKEY 基本 型と同様に l と g で制御する [7] 第 2 共振周波数の周波数制御方法 第 2 共振周波数の周波数制御は, l2 で制御する.l2 を 14[mm] から 38[mm] まで 4[mm] ごとに変化させ, l2 以外のパラメータは 2 章で示した表 1 の初期パラメータと同様とする. 図 4 と図 5 に W=10[mm] のインピーダンス特性と VSWR 特性を示す. 図 4 と図 5 より,l2 を大きくすることで第 2 共振周波数が低周波側へシフトし, 小さくすることで高周波側へシフトすることがわかる. また, l2=30[mm] 以上の場合, 第 2 共振周波数の上りでレジ 図 1 MACKEY 基本型の構造 図 2 MACKEY 基本型の電流分布 スタンスがリアクタンスより大きくなるため, 第 2 共振周波数の上りで共振していることがわかる. 一方で l2=26[mm] 以下の場合, 第 2 共振周波数の下りでリアクタンスがレジスタンスより大きくなるため, 下りで共振していることがわかる. また, 5.5[GHz] 付近において第 3 共振周波数が見られ,l2 が大きくなるにつれてインピーダンスが大きくなることがわかる. l2=18[mm] 以下の場合, レジスタンスがリアクタンスより大きくなる.l2=14[mm] の場合, リアクタンスが小さいため, 図 5 のように広帯域特性が得られていない. 一方で l2=18[mm] の場合は, リアクタンスが 0[Ω] 付近のため, 図 5 のように広帯域特性が得られていることがわかる. また, 第 1 共振周波数においては, l2 を変

3 化させても特性がほとんど変わらないことがわかる. 図 6 と図 7 に W=20[mm] のインピーダンス特性と VSWR 特性を示す. 図 6 と図 7 より, 第 2 共振周波数については, W=10[mm] の場合と同様の傾向が得られていることがわかる. また,6.0[GHz] 付近において第 3 共振周波数が見られ, W=10[mm] の場合と同様の傾向が得られていることがわかる.l2=14[mm] の場合, レジスタンスがリアクタンスより大きくなるため, 図 7 のように広帯域特性が得られていることがわかる. 第 1 共振周波数においては W=10[mm] の場合と同様の傾向が得られていることがわかる. 図 8 と図 9 に W=30[mm] のインピーダンス特性と VSWR 特性を示す. 図 8 と図 9 より, 第 2 共振周波数については,W=10[mm],W=20[mm] の場合と同様の傾向が得られていることがわかる. 6.3[GHz] 付近において第 3 共振周波数が見られるが, W=10[mm], W=20[mm] とは違い, 図 7 のように広帯域特性が得られていないことがわかる. 第 1 共振周波数においては W=10[mm] の場合と同様の傾向が得られていることがわかる. 図 7 l2 変化の VSWR 特性 (W=20mm) 図 8 l2 変化のインピーダンス特性 (W=30mm) 図 9 l2 変化の VSWR 特性 (W=30mm) 図 4 l2 変化のインピーダンス特性 (W=10mm) 図 5 l2 変化の VSWR 特性 (W=10mm) 3.3. 第 2 共振周波数のインピーダンス制御方法第 2 共振周波数のインピーダンス制御は,W2 で制御する. 図 10 から図 15 に W を 10[mm],20[mm],30[mm] とし,W2 を 2[mm] から 10[mm] まで 2[mm] ごとに変化させたときのインピーダンス特性と VSWR 特性を示す. また,W2 以外のパラメータは表 1 の初期パラメータと同様とする. 図 10 から図 15 より,W2 を大きくすることで第 2 共振周波数のインピーダンスが大きくなり, 広帯域特性が得られることがわかる. また, 第 1 共振周波数においては,W2 を変化させても特性がほとんど変わらないことがわかる. 図 6 l2 変化のインピーダンス特性 (W=20mm) 図 10 W2 変化のインピーダンス特性 (W=10mm)

4 図 11 W2 変化の VSWR 特性 (W=10mm) 4. MACKEY E 型の設計モデルの一例 3 章で検討した各パラメータの特性を踏まえ, 2 周波共用化の調整を行った. Wi-Fi(2GH 帯, 5GHz 帯 ) を満たすため W=10[mm] モデルの l2=18[mm] を利用した. 最適化した MACKEY E 型の基板縦幅 W=10[mm], 中央突起部幅 W2=2[mm], 中央突起部長 l2=18.5[mm] とした. MACKEY E 型のモデル図を図 16 に示し, 寸法を表 2 に示す. 図 17 と図 18 に調整を行った MACKEY E 型のインピーダンス特性と VSWR 特性を示す. 図 17 と図 18 より,Wi-Fi(2GHz 帯,5GHz 帯 ) において VSWR=3 以下を満たしていることがわかる. 図 12 W2 変化のインピーダンス特性 (W=20mm) 図 16 MACKEY E 型のモデル図 図 13 W2 変化の VSWR 特性 (W=20mm) 表 1 最適化した MACKEY E 型のパラメータ W 10 L 67 g h 0.8 s 0.5 t 3.2 l 33 銅箔厚 g ε r 2.65 l tanδ 0.01 W2 2 図 14 W2 変化のインピーダンス特性 (W=30mm) 図 17 MACKEY E 型のインピーダンス特性 図 15 W2 変化の VSWR 特性 (W=30mm)

5 図 18 MACKEY E 型の VSWR 特性 5. まとめ 第 1 共振周波数はアンテナ長 l とグリッド幅 g で制 御し, 第 2 共振周波数は中央突起部幅 W2, 中央突起部 長 l2 を調整することで Wi-Fi(2GHz 帯, 5GHz 帯 ) の使 用帯域を満たすことができた. 本研究は科研費 JSPS(15K06089) の助成を受けたも のである. 文献 [1] 川上由紀, 堀俊和, 藤元美俊, 山口良, 長敬三, 地板付き周波数選択板の PMC 特性, 信学技報,AP , pp.71-74,2008. [2] 関歓揮, 牧野滋, 別段信一, 廣田哲夫, 野口啓介, 水澤丕雄, 大塚昌孝, 金属板装荷 FSR の反射位相特性, 信学技報,AP ,pp.91-95,2009. [3] 林勝也, 牧野滋, 別段信一, 廣田哲夫, 野口啓介, 伊東健治, 諸谷徹郎, 金属板装荷 FSR における等価回路を用いた反射特性解析と AMC 基板への適用, 信学論 (B),vol.J96-B,no.9,pp , [4] 諸谷徹郎, 林秀幸, 牧野滋, 野口啓介, 廣田哲夫, 伊東健治, 金属板装荷キャパシタンスグリッドを用いた AMC 基板上に配置したダイポールアンテナの特性, 信学論 (B),vol.J98-B,no.9,pp , [5] 村上靖宜, 堀俊和, 藤元美俊 AMC 反射板付ダイポールアンテナのための反射板の最適構成, 信学論 (B),vol.J98-B,no.11,pp ,2015. [6] 諸谷徹郎, 小鷹柾樹, 牧野滋, 林秀幸, 野口啓介, 廣田哲夫, 伊東健治, A M C 基板一体化ダイポールアンテナの提案, 信学技報,AP ,pp.1-5, [7] 小鷹柾樹, 諸谷徹郎, 牧野滋, 林秀幸, 野口啓介, 廣田哲夫, 伊東健治, A M C 基板一体化ダイポールアンテナの検討, 信学技報,AP2015-6,pp.25-30,2015. [8] 諸谷徹郎, 小鷹柾樹, 牧野滋, 野口啓介, 廣田哲夫, 伊東健治, 二周波共用 MACKEY に関する基礎検討, ソサイエティ大会, B1-102,

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