[go: up one dir, main page]

JP6108158B2 - Pseudo multipole antenna - Google Patents

Pseudo multipole antenna Download PDF

Info

Publication number
JP6108158B2
JP6108158B2 JP2013032691A JP2013032691A JP6108158B2 JP 6108158 B2 JP6108158 B2 JP 6108158B2 JP 2013032691 A JP2013032691 A JP 2013032691A JP 2013032691 A JP2013032691 A JP 2013032691A JP 6108158 B2 JP6108158 B2 JP 6108158B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
multipole
spherical
pseudo
wave
antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013032691A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013211841A (en
Inventor
石川 容平
容平 石川
日高 青路
青路 日高
柳ヶ瀬 雅司
雅司 柳ヶ瀬
尭之 松室
尭之 松室
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Kyoto University NUC
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Kyoto University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd, Kyoto University NUC filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2013032691A priority Critical patent/JP6108158B2/en
Publication of JP2013211841A publication Critical patent/JP2013211841A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6108158B2 publication Critical patent/JP6108158B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

本発明は有効開口径を非常に大きくできるアンテナに関し、従来とは全く異なる新規な原理に基づく電気・磁気多重極を利用したアンテナに関するものである。   The present invention relates to an antenna having an extremely large effective aperture diameter, and relates to an antenna using an electric / magnetic multipole based on a novel principle completely different from the conventional one.

電磁波による遠方への電力伝送(以下、「無線電力伝送」)は数々の大きな問題を解決できる可能性を持つ。例えばインフラとしての電力伝送システムの一つに、宇宙空間に巨大な太陽光による発電所を作り、そこから巨大なアンテナを用いてマイクロ波で地上のレクテナ(整流器付きアンテナ)へ電力を伝送する「宇宙太陽発電所」(スペース・ソーラー・パワー・ステーション=SPS)構想がある(非特許文献1参照)。また、大気圏において、飛行母船に太陽光発電装置を設け、そこから大型のアンテナを用いて他の作業飛行船や地上のアンテナへ電力を伝送する構想もある。前者は電力の安定供給に寄与し、後者は山岳林業の再生(無人飛行船林業)や災害時の通信用基地局への電力供給に寄与する。   Electric power transmission far away by electromagnetic waves (hereinafter referred to as “wireless power transmission”) has the potential to solve a number of major problems. For example, in one of the power transmission systems as infrastructure, a power plant using huge sunlight is created in outer space, and power is transmitted from there to a ground rectenna (antenna with rectifier) using microwaves. "Space Solar Power Station" (Space Solar Power Station = SPS) concept (see Non-Patent Document 1). In the atmosphere, there is also a concept in which a solar power generator is provided on a flying mother ship, and power is transmitted from there to another working airship or an antenna on the ground using a large antenna. The former contributes to the stable supply of power, and the latter contributes to the regeneration of mountain forestry (unmanned airship forestry) and the supply of power to communication base stations during disasters.

また、モバイル通信システムの端末に電力受電用のアンテナを設けることによって、周囲空間を飛び交う電磁波を電力源として確保できる。   In addition, by providing a power receiving antenna at a terminal of the mobile communication system, electromagnetic waves flying around the surrounding space can be secured as a power source.

篠原 真毅、久田 安正、JAXA SSPS WG4チーム 著、「マイクロ波送電用フェーズドアレーの現状と課題」、社団法人電子情報通信学会出版、信学技報2006-06Shinohara Shingo, Hisada Yasumasa, JAXA SSPS WG4 Team, "Current Status and Issues of Microwave Power Transmission Phased Array", IEICE Publishing, IEICE Technical Report 2006-06

遠方へ電磁波で電力を伝送するためには伝送効率を極力高める必要がある。後に示すとおり、そのためには波長に対して大きな開口面を持つアンテナを用いて指向性を高める(ビーム幅を狭くするする)ことが必要である。電力伝送にはマイクロ波が適しているが、開口面の大きなアンテナを前述のような人工衛星や飛行船に適用しようとすると、機械的強度、重量、設置場所などが大きな課題となる。そのため、小さなハードウェアでありながら電気的開口面積の大きなアンテナが求められる。   In order to transmit power with electromagnetic waves to a distant place, it is necessary to increase transmission efficiency as much as possible. As will be described later, for this purpose, it is necessary to increase directivity (narrow the beam width) using an antenna having a large aperture surface with respect to the wavelength. Although microwaves are suitable for power transmission, mechanical strength, weight, installation location, and the like become major issues when applying an antenna with a large aperture to an artificial satellite or airship as described above. Therefore, there is a demand for an antenna having a large electrical aperture area with small hardware.

しかし、従来の原理によるアンテナでは、機械的開口面積とその分布が決まれば、指向性利得はほぼ決定されてしまい、機械的開口面積と電気的開口面積は一致していた。すなわちアンテナの小型化とビーム幅の縮小化とはトレードオフの関係であった。   However, in the antenna based on the conventional principle, if the mechanical aperture area and the distribution thereof are determined, the directivity gain is almost determined, and the mechanical aperture area and the electrical aperture area coincide. That is, there is a trade-off between antenna miniaturization and beam width reduction.

また、無線電力伝送は大きな電気エネルギーの空間伝送であるので、他の通信システムとの干渉を回避し、安全性を確保するために、サイドローブ放射をできる限り抑える必要がある。すなわちサイドローブを殆ど持たないアンテナが求められる。   Further, since wireless power transmission is a spatial transmission of large electric energy, it is necessary to suppress sidelobe radiation as much as possible in order to avoid interference with other communication systems and ensure safety. That is, an antenna having almost no side lobe is required.

しかし、例えば従来のアレーアンテナの構造では、アレーピッチに応じてサイドローブ(グレーティングローブ)が生じる。サイドローブを抑制するための最適化設計手法にも限界があった。低サイドローブ特性を求めるにはパラボラアンテナを用いるか、パラボラ曲面上に配置したパッチアンテナが有効であるが、パラボラの周縁部のエッジ効果を回避するために、開口面分布をガウス型やテーラー型にする必要があり、その結果、開口効率が低下するという課題があった。すなわちビーム幅の縮小化とサイドローブの抑制とはトレードオフの関係であった。   However, for example, in the structure of a conventional array antenna, side lobes (grating lobes) are generated according to the array pitch. There is a limit to the optimization design method for suppressing side lobes. To obtain low side lobe characteristics, a parabolic antenna or a patch antenna placed on a parabolic curved surface is effective. However, in order to avoid the edge effect at the periphery of the parabolic, the aperture distribution is Gaussian or Taylor type. As a result, there is a problem that the aperture efficiency is lowered. In other words, there was a trade-off between beam width reduction and sidelobe suppression.

ここで、開口面アンテナの開口径をDm、ゲインをG、ビーム幅をθで表すと、これらは次の関係で表される。   Here, when the aperture diameter of the aperture antenna is represented by Dm, the gain by G, and the beam width by θ, these are represented by the following relationship.

このようにビーム幅Θはアンテナの開口径Dmに反比例する。   Thus, the beam width Θ is inversely proportional to the aperture diameter Dm of the antenna.

従来の原理に基づくアンテナにおいては、式(1.1) の関係に拘束され、前述の機械的開口面積を超える電気的開口面積のアンテナを構成することはできなかった。本発明の目的は、従来の原理とは全く異なる原理に基づくアンテナであり、機械的開口面積に対する電気的開口面積が大きく且つサイドローブが生じないアンテナを提供することにある。   In the antenna based on the conventional principle, it is constrained by the relationship of the formula (1.1), and an antenna having an electrical opening area exceeding the mechanical opening area cannot be configured. An object of the present invention is to provide an antenna that is based on a principle that is completely different from the conventional principle, and that has a large electrical opening area with respect to a mechanical opening area and does not generate side lobes.

本発明の擬似多重極アンテナは次のように構成される。   The pseudo multipole antenna of the present invention is configured as follows.

(a)電気多重極を波源としたTM波と磁気多重極を波源としたTE波の一方またはその両方の作り出す指向性のある電磁ビームと等価な電磁界により電磁放射を行うようにしたことを特徴とする。 (A) Electromagnetic radiation is performed by an electromagnetic field equivalent to a directional electromagnetic beam produced by one or both of a TM wave using an electric multipole as a wave source and a TE wave using a magnetic multipole as a wave source. Features.

(b)球座標系におけるマクスウェル方程式の解の要素である球面調和関数の各次数(l,m=1)に対応する球面電磁波をl=1からl=Lまで前記TM波とTE波の一方またはその両方をセットにして重ね合わせることにより、各次数の電気多重極放射および磁気多重極放射が持つ(l−1)個のサイドローブを打ち消す。 (B) A spherical electromagnetic wave corresponding to each order (l, m = 1) of the spherical harmonic function which is an element of the solution of the Maxwell equation in the spherical coordinate system is one of the TM wave and the TE wave from l = 1 to l = L. Alternatively, by superimposing both of them as a set, the (l-1) side lobes of each order of electric multipole radiation and magnetic multipole radiation are canceled.

電気多重極および磁気多重極を波源としたTE波とTM波のセットにより、半空間に電磁ビームが形成される際、前記球面調和関数の次数l−1枚のサイドローブが生じる。しかし、前記球面電磁波をl=1からl=Lまで前記TE波とTM波とをセットにして重ね合わせることにより、サイドローブが打ち消される。前記Lを無限大にすればサイドローブは完全に打ち消されるが、有限のLであっても、充分に打ち消される。   When the electromagnetic beam is formed in the half space by the set of the TE wave and the TM wave using the electric multipole and the magnetic multipole as wave sources, side lobes of the order of l−1 of the spherical harmonic function are generated. However, the side lobes are canceled by superimposing the spherical electromagnetic wave from l = 1 to l = L with the TE wave and TM wave as a set. If L is made infinite, the side lobe is completely canceled, but even if it is finite L, it is sufficiently canceled.

(c)前記波源は、電磁ビームの指向性利得で与えられる開口面アンテナの有効開口半径よりも小さな半径をもつ回転楕円体面上に構成され、この回転楕円体の中心に電気多重極および磁気多重極があるのと等価な電磁界を生じさせる複数の放射源であることが好ましい。 (C) The wave source is configured on a spheroid having a radius smaller than the effective aperture radius of the aperture antenna given by the directivity gain of the electromagnetic beam, and an electric multipole and a magnetic multiplex are formed at the center of the spheroid. Preferably, there are a plurality of radiation sources that produce an electromagnetic field equivalent to the presence of a pole.

(d)前記単位アンテナは誘電体共振器であることが好ましい。 (D) The unit antenna is preferably a dielectric resonator.

(e)前記誘電体共振器は、TE11 の2重モード、TM11 の2重モードの一方またはその両方で共振する球形誘電体共振器であることが好ましい。 (E) The dielectric resonator is preferably a spherical dielectric resonator that resonates in one or both of the TE 11 dual mode and the TM 11 dual mode.

(f)上記(e)において、前記球形誘電体共振器は、前記電気多重極と等価な電磁界を生じさせるTMモードと前記磁気多重極と等価な電磁界を生じさせるTEモードの一方またはその両方で共振する、核部および殻部を有する多層球形誘電体共振器であることが好ましい。 (F) In the above (e), the spherical dielectric resonator is one of a TM mode that generates an electromagnetic field equivalent to the electric multipole and a TE mode that generates an electromagnetic field equivalent to the magnetic multipole or A multilayer spherical dielectric resonator having a core and a shell that resonates at both is preferred.

(g)上記(e)において、前記球形誘電体共振器は、核部と外殻部とで誘電率が異なり、TEモードとTMモードとが縮退したものであることが好ましい。 (G) In the above (e), it is preferable that the spherical dielectric resonator has a dielectric constant different between a core portion and an outer shell portion, and a TE mode and a TM mode are degenerated.

(h)前記球形誘電体共振器は、核部が金属、外殻部が誘電体であり、TEモードとTMモードとが縮退したものであることが好ましい。 (H) It is preferable that the spherical dielectric resonator has a core portion made of metal and an outer shell portion made of a dielectric, and a TE mode and a TM mode are degenerated.

(i)上記(a)または(b)において、前記波源は、前記電気多重極と等価な球面電磁波を生じさせる、それぞれTMモードの共振と、前記磁気多重極と等価な球面電磁波を生じさせる、それぞれTEモードの共振とが縮退した、複数の誘電体層を有する(多層)球形誘電体共振器であることが好ましい。 (I) In the above (a) or (b), the wave source generates a spherical electromagnetic wave equivalent to the electric multipole, respectively, and causes a TM electromagnetic resonance and a spherical electromagnetic wave equivalent to the magnetic multipole. A (multilayer) spherical dielectric resonator having a plurality of dielectric layers, each of which degenerates from resonance in the TE mode, is preferable.

(j)上記(i)において、前記多層球形誘電体共振器は、その誘電体層に、径方向と周方向とで誘電率が異なっていることが好ましく、そのために径方向に延びるスリットが形成されていることが好ましい。 (J) In the above (i), the multilayer spherical dielectric resonator preferably has different dielectric constants in the radial direction and the circumferential direction in the dielectric layer, and therefore a slit extending in the radial direction is formed. It is preferable that

本発明によれば、大型化することなく、機械的開口面積に対する電気的開口面積を非常に大きくでき、前方にビーム幅が先鋭化され、且つサイドローブの殆ど無い指向性が得られる。   According to the present invention, the electrical opening area with respect to the mechanical opening area can be greatly increased without increasing the size, the beam width is sharpened forward, and directivity with almost no side lobe can be obtained.

図1は電気多重極放射に伴う放射電力の遠方界を視覚的に表した図である。FIG. 1 is a visual representation of the far field of radiated power associated with electrical multipole radiation. 図2は電気多重極放射と磁気多重極放射を組み合わせた場合の放射電力の遠方界を視覚的に表した図である。FIG. 2 is a visual representation of the far field of radiated power when electrical multipole radiation and magnetic multipole radiation are combined. 図3は8重極放射における、kr=1での球面上の磁界ベクトルを表す図である。FIG. 3 is a diagram showing a magnetic field vector on a spherical surface at kr = 1 in octupole radiation. 図4はE波とH波を組み合わせたときの、kr=1での球面上の磁界強度を表す図である。FIG. 4 is a diagram showing the magnetic field intensity on the spherical surface at kr = 1 when E wave and H wave are combined. 図5は、電気多重極放射と磁気多重極放射を組み合わせた場合の放射電力の遠方界を視覚的に表したもので、多重極の次数とビーム幅との関係を示す図である。FIG. 5 is a visual representation of the far field of radiated power when electric multipole radiation and magnetic multipole radiation are combined, and shows the relationship between the order of the multipole and the beam width. 図6は、電気多重極放射および磁気多重極放射の組み合わせによる球面波を、次数l=1からl=Lまで重ね合わせた場合の指向性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the directivity when spherical waves obtained by combining electric multipole radiation and magnetic multipole radiation are superposed from the order l = 1 to l = L. 図7は、電気多重極放射および磁気多重極放射の組み合わせによる球面波を、次数l=1からl=50まで重ね合わせた場合の近傍界でのビームを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a beam in the near field when spherical waves obtained by combining electric multipole radiation and magnetic multipole radiation are superposed from orders l = 1 to l = 50. 最大次数が10 であるときの球面波の指向性を示す図である。It is a figure which shows the directivity of a spherical wave when the maximum order is 10. 図9(A)は球面波の最大次数と半値角の関係を示す図、図9(B)は球面波の最大次数と有効開口半径の関係を示す図である。FIG. 9A is a diagram showing the relationship between the maximum order of the spherical wave and the half-value angle, and FIG. 9B is a diagram showing the relationship between the maximum order of the spherical wave and the effective aperture radius. 図10は重ね合わせる球面波の最高次数Lと指向性(ビーム幅)との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the highest order L of spherical waves to be superimposed and the directivity (beam width). 図11(A)は次数lが1から10までの各次数の電気多重極および磁気多重極の球面波を重ね合わせたときの近傍界での電界強度の分布を示す図である。図11(B)はx=0でz軸上の電界強度、図11(C)はx−z面でのr=2λの円周上の電界強度を示す図である。FIG. 11A is a diagram showing the distribution of the electric field strength in the near field when the spherical waves of the electrical multipoles and magnetic multipoles of each order from 1 to 10 are superimposed. FIG. 11B shows the electric field strength on the z axis when x = 0, and FIG. 11C shows the electric field strength on the circumference of r = 2λ in the xz plane. 図12(A)は次数lが1から10までの各次数の電気多重極および磁気多重極の球面波を重ね合わせたときの近傍界での電界強度の分布を示す図である。図12(B)はx−z面でのr=1.6λの円周上の電界強度、図12(C)はx−z面でのr=3λの円周上の電界強度を示す図である。FIG. 12A is a diagram showing the distribution of the electric field strength in the near field when the spherical waves of the electrical multipoles and magnetic multipoles of the respective orders 1 to 10 are superposed. FIG. 12B shows the electric field strength on the circumference of r = 1.6λ in the xz plane, and FIG. 12C shows the electric field strength on the circumference of r = 3λ in the xz plane. It is. 図13は、図11(A)および図12(A)に示した、近傍界での電界強度の分布の動きを1周期についてコマ撮りした図である。FIG. 13 is a diagram in which the motion of the electric field intensity distribution in the near field shown in FIGS. 11 (A) and 12 (A) is time-lapsed for one period. 図14(A)は多重極放射の概念を示す図、図14(B)は第1の実施形態に係る多重極放射と等価な擬似多重極の概念を示す図である。FIG. 14A is a diagram showing the concept of multipole radiation, and FIG. 14B is a diagram showing the concept of pseudo-multipole equivalent to multipole radiation according to the first embodiment. 図15は図14に示した内容をエバネセント的電磁界領域との関係で示した図である。FIG. 15 is a diagram showing the contents shown in FIG. 14 in relation to the evanescent electromagnetic field region. 図16は共振電磁界内の球面で出入りするエネルギー流の様子を示す概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram showing the state of energy flow entering and exiting on a spherical surface in a resonant electromagnetic field. 図17は球面上に配置された多数の単位アンテナにおける放射および吸収の様子を示す概念図である。FIG. 17 is a conceptual diagram showing a state of radiation and absorption in a large number of unit antennas arranged on a spherical surface. 図18は受信用アンテナの電力ネットワークの一つのブロック図である。FIG. 18 is a block diagram of one of the receiving antenna power networks. 図19は、単位アンテナを配置したアンテナ球面のz軸から見た平面図である。FIG. 19 is a plan view seen from the z-axis of the antenna spherical surface on which the unit antennas are arranged. 図20は、単位アンテナを配置したアンテナ球面の−z軸から見た平面図である。FIG. 20 is a plan view of the antenna spherical surface on which the unit antenna is disposed as viewed from the −z axis. 図21は単位アンテナを配置したアンテナ球面の斜視図である。FIG. 21 is a perspective view of an antenna spherical surface on which unit antennas are arranged. 図21の北極点P001における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the polarization plane of the electric field of a unit antenna, and a magnetic field in the north pole P001 of FIG. 図21の北極点P100における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the polarization plane of the electric field of a unit antenna, and a magnetic field in the north pole P100 of FIG. 図21の北極点P110における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the polarization plane of the electric field of a unit antenna, and a magnetic field in the north pole P110 of FIG. 図21の北極点P010における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the polarization plane of the electric field of a unit antenna, and a magnetic field in the north pole P010 of FIG. 図26は単位アンテナの複数の共振モードを示す図である。FIG. 26 is a diagram showing a plurality of resonance modes of the unit antenna. 図27は、(TE11 X +jTE11 Y )によるTE11 XY0 の共振モードで磁気ダイポール放射が行われ、(TM11 Z +jTM11 Y )によるTM11 0YZ の共振モードで電気ダイポール放射が行われることを示す図である。Figure 27 is a magnetic dipole radiation is performed in a resonant mode TE 11 xy0 by (TE 11 X + jTE 11 Y ), the electric dipole radiator is performed in the resonance mode of the TM 11 0YZ by (TM 11 Z + jTM 11 Y ) FIG. 図28(A)、図28(B)は球形誘電体共振器に対する給電回路の構造を示すブロック図である。FIG. 28A and FIG. 28B are block diagrams showing the structure of a power feeding circuit for the spherical dielectric resonator. 図29はアンテナ球面の内部の構造を示す図である。FIG. 29 shows the internal structure of the antenna spherical surface. 図30(A)、図30(B)は、球形誘電体共振器の各共振モードの電磁界および角運動量について示す図である。FIGS. 30A and 30B are diagrams showing the electromagnetic field and angular momentum of each resonance mode of the spherical dielectric resonator. 図31はアンテナ球面上の多数の球形誘電体共振器によって形成される共振電磁界とエネルギーの流れを示す図である。FIG. 31 is a diagram showing a resonance electromagnetic field and energy flow formed by a number of spherical dielectric resonators on the antenna spherical surface. 図32は、第2の実施形態に係る図であり、電気多重極放射による球面波を、次数l=1からl=Lまで重ね合わせた場合の指向性を示す図(放射電力の遠方界を視覚的に表したもの)である。FIG. 32 is a diagram according to the second embodiment, and shows a directivity when spherical waves generated by electric multipole radiation are superimposed from the order l = 1 to l = L (the far field of the radiated power is shown). It is a visual representation). 図33は、第3の実施形態に係る多層球形誘電体共振器101の中心を通る面での断面図である。FIG. 33 is a cross-sectional view taken along a plane passing through the center of the multilayer spherical dielectric resonator 101 according to the third embodiment. 図34は、多層球形誘電体共振器101に対する給電部200の構成図である。FIG. 34 is a configuration diagram of the power feeding unit 200 for the multilayer spherical dielectric resonator 101. 図35(A)は第4の実施形態に係る多層球形誘電体共振器102の中心を通る面での断面図、図35(B)は外観図である。FIG. 35A is a cross-sectional view taken along a plane passing through the center of the multilayer spherical dielectric resonator 102 according to the fourth embodiment, and FIG. 35B is an external view. 図36は、誘電体層31の径に対する核部30の径の比である半径比(a / b)を変化させたときの、TE11モードとTM11モードの共振周波数を示す図である。FIG. 36 is a diagram illustrating the resonance frequencies of the TE11 mode and the TM11 mode when the radius ratio (a / b), which is the ratio of the diameter of the core portion 30 to the diameter of the dielectric layer 31, is changed. 図37は多層球形誘電体共振器102の各モードの電界ベクトルの様子を示す図である。FIG. 37 is a diagram showing the state of the electric field vector in each mode of the multilayer spherical dielectric resonator 102. In FIG. 図38は多層誘電体共振器102に対する給電部の構成例を示す図である。FIG. 38 is a diagram illustrating a configuration example of a power feeding unit for the multilayer dielectric resonator 102.

先ず、平面波球面波展開によって生じる多重極放射を平面波の要素として考える。それぞれの多重極放射(球面波)の電界および磁界は平面波の球面波展開によって解析解として与えられる。また、それぞれの多重極放射(球面波)は直交性を持つため、多重極放射を重ね合わせた電磁界は各電界および磁界を足し合わせることによって直接求まる。以降に示す各解析結果はMathematica(ウルフラム・リサーチ社の数式処理システム)を用いた。   First, multipole radiation generated by plane wave spherical wave expansion is considered as an element of plane waves. The electric field and magnetic field of each multipole radiation (spherical wave) are given as analytical solutions by the spherical wave expansion of the plane wave. In addition, since each multipole radiation (spherical wave) has orthogonality, an electromagnetic field obtained by superimposing multipole radiation can be directly obtained by adding each electric field and magnetic field. Each analysis result shown below used Mathematica (Mathematical processing system of Wolfram Research).

図1は電気多重極放射に伴う放射電力の遠方界を視覚的に表したものである。図1(A)は、球座標系におけるマクスウェル方程式の解の要素である球面調和関数の各次数(l,m=1)の表現で、[l=1,m=1]で表される電気双極放射による放射電力の指向性を表している。同様に、図1(B)は[l=2,m=1]すなわち電気4重極放射による放射電力の指向性、図1(C)は[l=6,m=1]すなわち電気12重極放射による放射電力の指向性をそれぞれ表している。   FIG. 1 is a visual representation of the far field of radiated power associated with electrical multipole radiation. FIG. 1A is a representation of each order (l, m = 1) of a spherical harmonic function, which is an element of a solution of Maxwell's equations in a spherical coordinate system, and is represented by [l = 1, m = 1]. It represents the directivity of radiated power by bipolar radiation. Similarly, FIG. 1B shows the directivity of the radiated power due to [l = 2, m = 1], that is, electric quadrupole radiation, and FIG. 1C shows [l = 6, m = 1], that is, electric 12-fold. The directivity of radiated power by polar radiation is shown respectively.

ここで、微小立体角dΩ の範囲に放射される電力dPwatt は次の関係で表される。 Here, the power dP watt radiated in the range of the small solid angle dΩ is expressed by the following relationship.

dPwatt=[EE(l,m)×HE(l,m)]・erR2
このように、電気多重極のみによる放射であれば、±z方向に放射波の主ビームが生じる。また、多重極の次数を2×l(エル)で表すと、l−1個のサイドローブが生じる。
dP watt = [E E (l , m) × H E (l, m)] · e r R 2 ∞ dΩ
As described above, if the radiation is generated only by the electric multipole, the main beam of the radiation wave is generated in the ± z directions. In addition, when the order of the multipole is expressed by 2 × l (el), l−1 side lobes are generated.

図2は電気多重極放射と磁気多重極放射を組み合わせた場合の放射電力の遠方界を視覚的に表したものである。図2(A)は[l=1,m=1]すなわち電気双極放射と磁気双極放射との組み合わせによる放射電力の指向性を表している。図2(B)は[l=2,m=1]すなわち電気4重極放射と磁気4重極放射との組み合わせによる放射電力の指向性、図2(C)は[l=3,m=1]すなわち電気6重放射と磁気6重極放射との組み合わせによる放射電力の指向性をそれぞれ表している。   FIG. 2 is a visual representation of the far field of radiated power when electrical multipole radiation and magnetic multipole radiation are combined. FIG. 2A shows [1 = 1, m = 1], that is, the radiation power directivity by a combination of electric dipole radiation and magnetic dipole radiation. FIG. 2 (B) shows [l = 2, m = 1], that is, directivity of radiated power by a combination of electric quadrupole radiation and magnetic quadrupole radiation, and FIG. 2 (C) shows [l = 3, m = 1] That is, directivity of radiated power by a combination of electric hexapole radiation and magnetic hexapole radiation is shown.

図3は8重極放射における、kr=1 (半径r=λ/2π)の位置での球面上の磁界ベクトルを表す図である。図3(A)はE波の実部、図3(B)はE波の虚部、図3(C)はH波の実部、図3(D)はH波の虚部、についてそれぞれ表している。横軸はx軸回りの角度θ、縦軸はz軸回りの角度φである。横軸の右端は+z方向の極(北極)、横軸の左端は−z方向の極(南極)である。このように、8重極放射であるので、次数lは4であり、l−1=3の節が生じる。   FIG. 3 is a diagram showing a magnetic field vector on a spherical surface at a position of kr = 1 (radius r = λ / 2π) in octupole radiation. 3A is the real part of the E wave, FIG. 3B is the imaginary part of the E wave, FIG. 3C is the real part of the H wave, and FIG. 3D is the imaginary part of the H wave. Represents. The horizontal axis is the angle θ around the x axis, and the vertical axis is the angle φ around the z axis. The right end of the horizontal axis is the pole in the + z direction (north pole), and the left end of the horizontal axis is the pole in the -z direction (south pole). Thus, since it is octupole radiation, the order l is 4 and the node of l-1 = 3 arises.

図4はTM波とTE波を組み合わせたときの、kr=1 の位置での球面上の磁界強度を表す図である。すなわち図4(A)は(E波+H波)の実部であり、図3(A)と図3(C)の合成である。また、図4(B)は(E波+H波)の虚部であり、図3(B)と図3(D)の合成である。   FIG. 4 is a diagram showing the magnetic field intensity on the spherical surface at the position of kr = 1 when the TM wave and the TE wave are combined. That is, FIG. 4A shows the real part of (E wave + H wave), which is a combination of FIG. 3A and FIG. 4B is an imaginary part of (E wave + H wave), and is a combination of FIG. 3B and FIG. 3D.

このように、電気多重極および磁気多重極を波源とし、TM波とTE波を組み合わせると、+z方向にのみ放射する。すなわち半空間に電磁放射を行うことになる。この原理を利用することが本発明の特徴の一つである。図1に示した±z方向に放射する双方向指向性を単方向指向性にするためには従来技術では、後方に反射器を配置することになるが、それでは大面積の反射器(反射板)が必要になって、アンテナの小型化に叶わない。本発明では反射器を用いることなく単方向指向性が得られる。なお、後述するように、後方(−z方向)への電磁放射は損失とはならず、前方(z方向)への放射に寄与する。   In this way, when electric multipoles and magnetic multipoles are used as wave sources, and TM waves and TE waves are combined, they are emitted only in the + z direction. That is, electromagnetic radiation is performed in the half space. Utilizing this principle is one of the features of the present invention. In order to make the bidirectional directivity radiating in the ± z directions shown in FIG. 1 unidirectional directivity, a reflector is disposed behind the conventional technology. ) Is required, and the antenna cannot be downsized. In the present invention, unidirectional directivity can be obtained without using a reflector. As will be described later, the electromagnetic radiation in the backward direction (−z direction) does not cause a loss, but contributes to the radiation in the forward direction (z direction).

図5は、電気多重極放射と磁気多重極放射を組み合わせた場合の放射電力の遠方界を視覚的に表したもので、多重極の次数とビーム幅との関係を示す図である。図5(A)は[l=6,m=1]すなわち12重極放射による放射電力の指向性を表している。図5(B)は[l=10,m=1]すなわち20重極放射による放射電力の指向性をそれぞれ表している。   FIG. 5 is a visual representation of the far field of radiated power when electric multipole radiation and magnetic multipole radiation are combined, and shows the relationship between the order of the multipole and the beam width. FIG. 5A shows the directivity of the radiated power due to [l = 6, m = 1], that is, 12-pole radiation. FIG. 5B shows the directivity of the radiated power by [l = 10, m = 1], that is, 20-pole radiation.

このように次数が高くなるに従ってビーム幅は狭くなる。但し、次数が高くなっても、前述のとおり、多重極の次数を2×l(エル)で表すと、l−1個のサイドローブが生じる。このような大きなサイドローブが生じると電力伝送用のアンテナとしては使えない。   Thus, the beam width becomes narrower as the order increases. However, even if the order is increased, as described above, when the order of the multipole is expressed by 2 × l (el), l−1 side lobes are generated. If such a large side lobe occurs, it cannot be used as an antenna for power transmission.

図6は、電気多重極放射および磁気多重極放射の組み合わせによる球面波を、次数l=1からl=Lまで重ね合わせた場合の指向性を示す図である。図6(A)は[l=1,m=1]から[l=3,m=1]までの3個の異なった次数の電気多重極放射および磁気多重極放射の組み合わせによる球面波を重ね合わせた放射電力の指向性、図6(B)は[l=1,m=1]から[l=6,m=1]までの6個の異なった次数の電気多重極放射および磁気多重極放射の組み合わせによる球面波を重ね合わせた放射電力の指向性、図6(C)は[l=1,m=1]から[l=10,m=1]までの10個の異なった次数の電気多重極放射および磁気多重極放射の組み合わせによる球面波を重ね合わせた放射電力の指向性をそれぞれ表している。   FIG. 6 is a diagram showing the directivity when spherical waves obtained by combining electric multipole radiation and magnetic multipole radiation are superposed from the order l = 1 to l = L. FIG. 6A shows a superposition of spherical waves by a combination of three different orders of electric multipole radiation and magnetic multipole radiation from [l = 1, m = 1] to [l = 3, m = 1]. The combined radiation power directivity, FIG. 6B shows six different orders of electrical multipole radiation and magnetic multipole from [l = 1, m = 1] to [l = 6, m = 1]. Directivity of radiated power superposed by spherical waves by a combination of radiation, FIG. 6C shows 10 different orders from [l = 1, m = 1] to [l = 10, m = 1]. The directivity of the radiated power obtained by superimposing spherical waves by a combination of electric multipole radiation and magnetic multipole radiation is shown.

このように、多重極放射による球面波を、次数l=1からl=L(L:lmax)まで重ね合わせることにより、2×l重の多重極によって生じるl−1個のサイドローブが打ち消される。この方法によれば、次数lを大きくすることによってサイドローブは0に漸近する。この原理を利用することが本発明の特徴の一つである。   In this way, l−1 side lobes generated by a 2 × l multipole are canceled by superimposing spherical waves by multipole radiation from the order l = 1 to l = L (L: lmax). . According to this method, the side lobe gradually approaches 0 by increasing the order l. Utilizing this principle is one of the features of the present invention.

図7は、電気多重極放射および磁気多重極放射の組み合わせによる球面波を、次数l=1からl=50まで重ね合わせた場合の近傍界でのビームを示す図である。ここで、重ね合わせのウェイトは本来平面波がもつ展開係数を用いた。有限な次数で最適化されたウェイトではない。図7(A)は距離r=2〜40λの範囲について電力Pの強度(dBスケール)を濃度で表している。また、図7(B)は図7(A)中の扇状領域の詳細図である。   FIG. 7 is a diagram showing a beam in the near field when spherical waves obtained by combining electric multipole radiation and magnetic multipole radiation are superposed from orders l = 1 to l = 50. Here, the expansion coefficient inherent to the plane wave was used as the overlay weight. It is not a weight optimized with a finite order. FIG. 7A shows the intensity (dB scale) of the power P in terms of concentration over a range of distance r = 2 to 40λ. FIG. 7B is a detailed view of the fan-shaped region in FIG.

このように、電気多重極および磁気多重極を波源とし、TM波とTE波の組み合わせ、且つ電気多重極および磁気多重極の各次数の重ね合わせにより、−z方向へ放射される球面波が前方へ放射され、且つサイドローブが生じないことがわかる。   In this way, the spherical wave radiated in the −z direction is forward by the combination of the TM wave and the TE wave, and the superposition of each order of the electric multipole and the magnetic multipole. It can be seen that no side lobe is generated.

次に、開口面アンテナのゲインを別の視点から考察する。   Next, the gain of the aperture antenna is considered from another viewpoint.

球面波の指向性をアンテナ理論における指向性の指標を用いて表現する。アンテナ理論における指向性利得Gd は   The directivity of spherical waves is expressed using the directivity index in antenna theory. The directivity gain Gd in antenna theory is

として与えられる。ここで、E(θ,φ) は放射される電界をその最大強度で正規化した電界指向性である。有効開口面積Ae、有効開口半径a はそれぞれ次のように与えられる。 As given. Here, E (θ, φ) is the electric field directivity obtained by normalizing the radiated electric field with the maximum intensity. The effective opening area Ae and the effective opening radius a are given as follows.

また、半値角θ0 は電界強度がそのピークから1/√2 下がる角度である。ここで、球面波の電界と磁界のr 方向依存性は球ハンケル関数で与えられるため、放射電力密度のr 方向依存性はr-2 となる。また、最大次数lmax の球面波の全放射電力は各次数のTM波およびTE波の展開係数を用いて、 Further, the half-value angle θ 0 is an angle at which the electric field strength is lowered by 1 / √2 from the peak. Here, the r direction dependency of the electric field and magnetic field of the spherical wave is given by a spherical Hankel function, so the r direction dependency of the radiated power density is r −2 . In addition, the total radiated power of the spherical wave of the maximum order l max is calculated using the expansion coefficient of the TM wave and TE wave of each order,

と与えられる。 And given.

このことから、指向性利得は複素ポインティングベクトルP を用いて   From this, the directivity gain is calculated using the complex pointing vector P

のように球面積分を行うことなく計算できる。ここで、er はr 方向の単位ベクトルを表しており、rf は十分大きな半径とする。図8は式(2.22) によって求まるlmax = 10 の球面波の指向性を示す図である。但し、φ = 0の場合のグラフである。図8より、片側に(lmax - 1) 個のサイドローブが存在していることが分かる。また、-3dB の線を合わせてプロットしている。指向性関数と-3dB の直線との交点を求めることにより、球面波の半値角が求まる。 Can be calculated without performing spherical integration. Here, e r represents a unit vector in the r direction, and r f is a sufficiently large radius. FIG. 8 is a diagram showing the directivity of a spherical wave of l max = 10 obtained by the equation (2.22). However, it is a graph in the case of φ = 0. FIG. 8 shows that (l max −1) side lobes exist on one side. Also, the -3dB line is plotted together. By finding the intersection of the directivity function and the -3dB straight line, the half-value angle of the spherical wave is obtained.

次に、球面波の最大次数を変化させて同様の計算を行い、球面波の最大次数と半値角および有効開口半径の関係について示す。図9(A)は球面波の最大次数と半値角の関係を示す図、図9(B)は球面波の最大次数と有効開口半径の関係を示す図である。このように、球面波の最大次数に反比例して半値角が小さくなることが分かる。また、球面波の最大次数に比例して有効開口半径が増加することが分かる。   Next, the same calculation is performed by changing the maximum order of the spherical wave, and the relationship between the maximum order of the spherical wave, the half-value angle, and the effective aperture radius is shown. FIG. 9A is a diagram showing the relationship between the maximum order of the spherical wave and the half-value angle, and FIG. 9B is a diagram showing the relationship between the maximum order of the spherical wave and the effective aperture radius. Thus, it can be seen that the half-value angle decreases in inverse proportion to the maximum order of the spherical wave. It can also be seen that the effective aperture radius increases in proportion to the maximum order of the spherical wave.

球面波におけるエネルギー高密度領域は、数学的には球ノイマン関数によるものと考えられる。そこで、球面波の最大次数の球ベッセル関数と球ノイマン関数の交点のうち最も距離が短いものを境界点とし、境界点より内側をエネルギー高密度領域と定義し、境界点より外側の放射電磁界領域と区別する。図9(B)には、このエネルギー高密度領域の半径も併せて示している。図9(B)より、エネルギー高密度領域の半径は有効開口半径と同程度であることが分かる。   It is considered that the energy high density region in the spherical wave is mathematically due to the spherical Neumann function. Therefore, the intersection of the spherical wave maximum order spherical Bessel function and the spherical Neumann function is defined as the boundary point, and the inside of the boundary point is defined as the energy high density region, and the radiated electromagnetic field outside the boundary point. Distinguish from the area. FIG. 9B also shows the radius of this energy high density region. From FIG. 9B, it can be seen that the radius of the energy high density region is approximately the same as the effective aperture radius.

前述の球面波の最大次数と指向性の関係は、アンテナの開口面積の大きさと指向性との関係を表した従来の開口面アンテナの式では説明することができない。そこで、開口面アンテナの式を不確定性関係の立場から捉えなおし、球面波の指向性について不確定性関係を用いて検討する。   The relationship between the maximum order of the spherical wave and the directivity described above cannot be explained by the conventional aperture antenna equation that expresses the relationship between the size of the aperture area of the antenna and the directivity. Therefore, the expression of the aperture antenna is re-examined from the standpoint of the uncertainty relationship, and the directivity of the spherical wave is examined using the uncertainty relationship.

ド・ブロイ波の位置空間における波動関数の幅をΔx,Δy、運動量空間における波動関数の幅をΔpx,Δpy とすると位置と運動量の不確定性関係は次のように与えられる。   If the width of the wave function in the de Broglie wave position space is Δx, Δy, and the width of the wave function in the momentum space is Δpx, Δpy, the uncertainty relation between the position and the momentum is given as follows.

ここで、h` (エイチバー) はプランク定数h を2π で割った換算プランク定数である。また、式(2.23) と式(2.24)はガウス型波束のとき等号が成立する。このとき、px,y = kx,yh` であるので、ガウス型波束を仮定した場合、式(2.23) と式(2.24) をかけ合わせると Here, h` (H) is a converted Planck constant obtained by dividing the Planck constant h by 2π. Equations (2.23) and (2.24) are equivalent when they are Gaussian wave packets. At this time, p x, y = k x, y h`, so if we assume a Gaussian wave packet, multiplying (2.23) and (2.24)

が成り立つ。幅a 長さb の方形開口面を仮定し、Δx = a/2π、Δy = b/2π とする。このとき、放射する電磁波の波数をk0とするとθx,y / 2 =Δkx,y / k0 であるので、 Holds. Assuming a square aperture with width a and length b, Δx = a / 2π and Δy = b / 2π. At this time, if the wave number of the radiated electromagnetic wave is k 0 , θ x, y / 2 = Δk x, y / k 0 ,

となる。さらに有効開口面積をS とすると、θx・θy= ΔΩ、k0= 2π/λ と表されることから、式(2.26) は、 It becomes. Furthermore, assuming that the effective opening area is S, θx · θy = ΔΩ, k 0 = 2π / λ, so equation (2.26) is

のように変形できる。ここでGd ≡ 4π/ΔΩ の定義式を用いると、 Can be transformed. Here, using the definition formula of Gd ≡ 4π / ΔΩ,

となる。これは開口面アンテナにおける面積と指向性利得の関係式である。以上より、Δx,Δyの定義や開口面におけるビームの電磁界分布がガウス型である場合の位置と運動量の不確定性関係から開口面アンテナにおける指向性利得の式を導くことができる。 It becomes. This is a relational expression between the area of the aperture antenna and the directivity gain. From the above, the equation of directivity gain in the aperture antenna can be derived from the definition of Δx, Δy and the uncertainty relationship between the position and momentum when the electromagnetic field distribution of the beam on the aperture surface is Gaussian.

不確定性関係には、位置と運動量、角度と角運動量、時間とエネルギーの3つが存在する。そのうち、角度と角運動量の不確定性関係を用いて球面波による指向性を表現することを検討した。位置と運動量の不確定性関係と同様に、角度と角運動量の不確定性関係は次のように与えられる。   There are three uncertainties: position and momentum, angle and angular momentum, and time and energy. Of these, we investigated the directivity of spherical waves using the uncertainty relation between angle and angular momentum. Similar to the uncertainty relationship between position and momentum, the uncertainty relationship between angle and angular momentum is given as follows.

ここで、等号が成立するとき式(2.29) と式(2.30) を2乗して足し合わせると Here, when the equality is true, the equation (2.29) and the equation (2.30) are squared and added.

が成り立つ。 Holds.

量子力学によれば球面波を表す球面調和関数は全角運動量の2乗の固有関数でその固有値はl ( l + 1 ) h`2であることは良く知られている。質量が0の電磁界においてもエネルギー、運動量及び角運動量が粒子系と同様に定義されている。各次数の電磁球面波が同様に角運動量の固有値を持つという仮定をすると以下の関係が得られる。 Spherical harmonics representing a spherical wave according to the quantum mechanics it is well known that eigenvalues with the square of the eigenfunctions of the total angular momentum is l (l + 1) h` 2 . Even in an electromagnetic field with zero mass, energy, momentum, and angular momentum are defined in the same manner as in the particle system. Assuming that each order of the electromagnetic spherical wave has an eigenvalue of angular momentum, the following relationship is obtained.

Lt2= Lx2 + Ly2 + Lz2
ΔLz= 0
であり、
Δθx = Δθy = θ0 / 2π(θ0 は半値角)とすると、
Lt 2 = Lx 2 + Ly 2 + Lz 2
ΔLz = 0
And
If Δθx = Δθy = θ 0 / 2π (θ 0 is half-value angle),

と表せる。両辺を整理して正の平方根をとると、 It can be expressed. Arranging both sides and taking a positive square root,

となる。ここで、Δ√{l(l + 1)} = √{lmax(lmax + 1)} であるので、 It becomes. Where Δ√ {l (l + 1)} = √ {lmax (lmax + 1)}

となる。このように、角度と角運動量の不確定性関係から半値角と最大次数の関係式を導くことができる。図9(A)に示した直線はこの関係式による理論値である。この図9(A)より、不確定性関係から求めた式は球面波の指向性をよく説明することが分かる。 It becomes. Thus, the relational expression between the half-value angle and the maximum order can be derived from the uncertainty relation between the angle and the angular momentum. The straight line shown in FIG. 9A is a theoretical value according to this relational expression. From FIG. 9A, it can be seen that the formula obtained from the uncertainty relationship well explains the directivity of the spherical wave.

さらに、最大次数と有効開口半径の関係を導く。ΔΩ = θ0 2 とすると、式(2.34)は以下のように変形できる。 Furthermore, the relationship between the maximum order and the effective aperture radius is derived. Assuming that ΔΩ = θ 0 2 , equation (2.34) can be modified as follows.

ここで、Gd = 4π/ΔΩ および式(2.19) と式(2.20) を用いると、 Here, using Gd = 4π / ΔΩ and equations (2.19) and (2.20),

となる。図9(B)に示した直線はこの関係式による理論値である。 It becomes. The straight line shown in FIG. 9B is a theoretical value based on this relational expression.

図10は重ね合わせる球面波の最高次数Lと指向性(ビーム幅)との関係を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the highest order L of spherical waves to be superimposed and the directivity (beam width).

ここで指向性利得をGd、有効開口面積をAe、有効開口半径をa、ビーム幅の半値角をθ0で表すと、
最高次数L=10であれば、
Gd=21.7dBi
Ae=11.96λ2
a=1.95λ
θ0=16.1deg
最高次数L=20であれば、
Gd=27.4dBi
Ae=43.89λ2
a=3.74λ
θ0=8.44deg
最高次数L=30であれば、
Gd=30.5dBi
Ae=89.54λ2
a=5.34λ
θ0=5.72deg
となる。
Here a directional gain Gd, the effective opening area Ae, the effective aperture radius a, the half angle of the beam width is represented by theta 0,
If the highest order L = 10,
Gd = 21.7dBi
Ae = 11.96λ 2
a = 1.95λ
θ 0 = 16.1deg
If the highest order L = 20,
Gd = 27.4dBi
Ae = 43.89λ 2
a = 3.74λ
θ 0 = 8.44deg
If the highest order L = 30,
Gd = 30.5dBi
Ae = 89.54λ 2
a = 5.34λ
θ 0 = 5.72deg
It becomes.

このように、重ね合わせるlの最高次数Lに応じて指向性が高くなる。最高次数L=30のときの有効開口半径a=5.34λは直径10λ相当の開口径である。このように放射源が1点でありながら、直径10λ相当の鋭いビームを生成できる。   Thus, the directivity increases according to the highest order L of l to be superimposed. The effective aperture radius a = 5.34λ when the maximum order L = 30 is an aperture diameter corresponding to a diameter of 10λ. In this way, a sharp beam equivalent to a diameter of 10λ can be generated with only one radiation source.

このようにして、所望の半値角を得るのに要する最高次数Lを求め、次数lが1からLまでの各次数の電気多重極および磁気多重極の球面波を重ね合わせればよい。   In this way, the maximum order L required to obtain the desired half-value angle is obtained, and the spherical waves of the electrical multipoles and magnetic multipoles of the respective orders from 1 to L may be superimposed.

図11(A)は次数lが1から10までの各次数の電気多重極および磁気多重極の球面波を重ね合わせたときの近傍界での電界強度の分布を示す図である。図11(B)はx=0でz軸上の電界強度、図11(C)はx−z面でのr=2λの円周上の電界強度を示す図である。   FIG. 11A is a diagram showing the distribution of the electric field strength in the near field when the spherical waves of the electrical multipoles and magnetic multipoles of each order from 1 to 10 are superimposed. FIG. 11B shows the electric field strength on the z axis when x = 0, and FIG. 11C shows the electric field strength on the circumference of r = 2λ in the xz plane.

図12(A)は次数lが1から10までの各次数の電気多重極および磁気多重極の球面波を重ね合わせたときの近傍界での電界強度の分布を示す図である。図12(B)はx−z面でのr=1.6λの円周上の電界強度、図12(C)はx−z面でのr=3λの円周上の電界強度を示す図である。このように、原点近傍には径方向に放射しない強い電磁界が存在することがわかる。また、図12(B)と図12(C)とを比較すると、原点から離れるとθ=0以外の方位で放射されるエネルギーが急激に低下することがわかる。すなわちサイドローブが生じていなくて、平面波に近づいていることがわかる。   FIG. 12A is a diagram showing the distribution of the electric field strength in the near field when the spherical waves of the electrical multipoles and magnetic multipoles of the respective orders 1 to 10 are superposed. FIG. 12B shows the electric field strength on the circumference of r = 1.6λ in the xz plane, and FIG. 12C shows the electric field strength on the circumference of r = 3λ in the xz plane. It is. Thus, it can be seen that there is a strong electromagnetic field that does not radiate in the radial direction in the vicinity of the origin. In addition, comparing FIG. 12B and FIG. 12C, it can be seen that the energy radiated in directions other than θ = 0 decreases rapidly as the distance from the origin increases. That is, it can be seen that the side lobe is not generated, and is approaching a plane wave.

図13は前記近傍界での電界強度の分布の動きを1周期についてコマ撮りした図である。   FIG. 13 is a time-lapse view of the motion of the electric field intensity distribution in the near field for one period.

このように、多重極の周辺に強い電磁界が存在し、放射が起こっていることが分かる。   Thus, it can be seen that there is a strong electromagnetic field around the multipole, and radiation is occurring.

また、図11・図13から明らかなように、−z(後方)や側方へ放射された電磁界は図中の矢印で示すようにエネルギーの流れが生じて、遠方界ではz(前方)へ放射されることになる。   As is clear from FIGS. 11 and 13, the electromagnetic field radiated to -z (backward) or to the side causes an energy flow as indicated by arrows in the figure, and z (front) in the far field. Will be emitted.

図11(A)において、2aは一般のアンテナのいう有効開口径であるが、本発明では、多重極を中心に配置しつつ有効開口径2aを確保することができる。   In FIG. 11A, 2a is the effective aperture diameter of a general antenna. However, in the present invention, the effective aperture diameter 2a can be secured while the multipole is disposed at the center.

《第1の実施形態》
次に、上述の多重極を実現するためのハードウェアについて示す。
<< First Embodiment >>
Next, hardware for realizing the above-described multipole will be described.

多重極放射を行うアンテナを構成しようとすると、同一空間に多数の極が存在することになり、アンテナ間の不要なカップリングが生じる。そこで、中心の源からある程度離れた近場(有効開口径より内部)に擬似的な多重極を配置する。   If an antenna that performs multipole radiation is configured, a large number of poles exist in the same space, and unnecessary coupling between the antennas occurs. Therefore, a pseudo multipole is arranged in the near field (inside the effective aperture diameter) that is some distance away from the central source.

図14(A)は多重極放射の概念を示す図、図14(B)は多重極放射と等価な擬似多重極の概念を示す図である。図14(A)において、中心に多重極があり、その周囲(有効開口径)の球面上に共振電磁界が生じている。この共振電磁界の領域から放射電磁界が生じている。図14(B)において、磁界、電界は中心から一定半径離れた球面上での磁界と電界を示している。この擬似多重極は、中心に電気多重極および磁気多重極があるのと等価な電磁界を生じさせる複数の放射源である。擬似多重極を波源にして、この波源から放射しているものとして扱う。   FIG. 14A is a diagram showing the concept of multipole radiation, and FIG. 14B is a diagram showing the concept of pseudo multipole equivalent to multipole radiation. In FIG. 14A, there is a multipole at the center, and a resonant electromagnetic field is generated on a spherical surface around it (effective aperture diameter). A radiation electromagnetic field is generated from the region of the resonance electromagnetic field. In FIG. 14B, a magnetic field and an electric field indicate a magnetic field and an electric field on a spherical surface separated from the center by a certain radius. The pseudo multipole is a plurality of radiation sources that generate an electromagnetic field equivalent to an electric multipole and a magnetic multipole in the center. A pseudo multipole is used as a wave source, and it is treated as radiating from this wave source.

図15は図14に示した内容をエバネセント的電磁界領域との関係で示した図である。図15(A)はエバネセント的電磁界領域について示す図である。受信用アンテナの場合に球面波が原点に向かって入射しても原点(一点)には集まらない。これは球面波が持つ角運動量が原点近傍で顕わになるからである。換言すると、エネルギーは回転しながら原点の多重極に吸収される。従ってこれは通常のエバネセント波ではない。回転進行波というべき表現が妥当である。半径R方向のエネルギー流に着目すれば、原点近傍空間にQの高い共振電磁界が存在し、原点の多重極と内向き球面波が整合しているということもできる。   FIG. 15 is a diagram showing the contents shown in FIG. 14 in relation to the evanescent electromagnetic field region. FIG. 15A is a diagram showing an evanescent electromagnetic field region. In the case of a receiving antenna, even if a spherical wave is incident toward the origin, it does not collect at the origin (one point). This is because the angular momentum of the spherical wave becomes apparent near the origin. In other words, energy is absorbed by the multipole at the origin while rotating. This is therefore not a normal evanescent wave. The expression that should be called a rotating traveling wave is appropriate. If attention is paid to the energy flow in the radius R direction, it can be said that a resonant electromagnetic field having a high Q exists in the space near the origin, and the multipole at the origin matches the inward spherical wave.

図15(B)は前記擬似多重極を配置する球を示している。このように、回転エネルギーの中に多重極を中心とした任意の半径をもつ球についてみると、その球の内部と外部とをエネルギー流が複数回行き来すると考えられる。しかしエネルギー保存則が成り立つので、球面で差し引きすると内部へのエネルギー流は全体で内向き球面波のエネルギーに等しい。   FIG. 15B shows a sphere on which the pseudo multipole is arranged. Thus, when a sphere having an arbitrary radius centered on a multipole in rotational energy is considered, it is considered that the energy flow goes back and forth between the inside and outside of the sphere. However, since the law of conservation of energy holds, the energy flow to the inside is equal to the energy of the inward spherical wave when subtracted by the spherical surface.

図16は前記共振電磁界内の球面で出入りするエネルギー流の様子を示す概念図である。前記球面でのエネルギー流の差し引きを具体的に計算する方法は次のように表される。   FIG. 16 is a conceptual diagram showing the state of energy flow entering and exiting the spherical surface in the resonance electromagnetic field. A specific method for calculating the energy flow subtraction on the spherical surface is expressed as follows.

球面における内向きと外向きのエネルギー流をそれぞれ持つ電磁界が合成されて一組の電界ベクトルと磁界ベクトルを構成する。これらの接線成分のベクトル積の表面積分が入力エネルギーと一致する。式で表すと次のようになる。   Electromagnetic fields having inward and outward energy flows on the spherical surface are combined to form a set of electric field vector and magnetic field vector. The surface integral of the vector product of these tangential components matches the input energy. This is expressed as follows.

この入力エネルギーを球面のアンテナで回収すれば、内向きの球面波のエネルギーを100%受信することができる。   If this input energy is recovered by a spherical antenna, 100% of the energy of the inward spherical wave can be received.

次に球面上のアンテナにおける放射と吸収について考える。図17は球面上に配置された多数の単位アンテナにおける放射および吸収の様子を示す概念図である。−z方向に伝搬してくる球面波を受けるアンテナ(受信用アンテナ)の場合、正面方向近辺の単位アンテナはむしろエネルギーを放射する必要がある。基になる多重極モデルではエネルギーと角運動量の両方を保存しながら吸収する電磁界を作り上げている。共振電磁界内の球面上のアンテナはこの電磁界を模倣する必要がある。y軸、x軸の角運動量を作り出すためには、z方向からエネルギーを放射して、受信すべき電力と位相を合わせて電力を合成する。さらにx軸またはy軸の周りにエネルギー流を作り、アンテナ後方部の単位アンテナから吸い込む必要がある。このことによって受信アンテナはモーメント(角運動量)を受け取ることができる。エネルギーの吸収・放射量は単位アンテナが存在する球面上の場所依存性をもつ。   Next, let us consider radiation and absorption in a spherical antenna. FIG. 17 is a conceptual diagram showing a state of radiation and absorption in a large number of unit antennas arranged on a spherical surface. In the case of an antenna that receives a spherical wave propagating in the −z direction (receiving antenna), the unit antenna near the front direction needs to radiate energy rather. The underlying multipole model creates an electromagnetic field that absorbs while preserving both energy and angular momentum. An antenna on a sphere in the resonant electromagnetic field must mimic this electromagnetic field. In order to create the y-axis and x-axis angular momentum, energy is radiated from the z direction, and the power is synthesized in phase with the power to be received. Furthermore, it is necessary to create an energy flow around the x-axis or y-axis and suck it from the unit antenna behind the antenna. As a result, the receiving antenna can receive a moment (angular momentum). The amount of energy absorption / radiation depends on the location on the sphere where the unit antenna exists.

ここで角運動量密度は次の式で表される。   Here, the angular momentum density is expressed by the following equation.

ここで、x'とdv' との積が角運動量である。   Here, the product of x ′ and dv ′ is the angular momentum.

次に、受信用アンテナの電力ネットワークの例を示す。図18は受信用アンテナの電力ネットワークの一つのブロック図である。図18において、単位アンテナU1〜U5の受信電力は位相器φ1〜φ5で移相されて、RF電力合成装置で電力合成される。このRF電力合成装置で合成され、そのRF出力は直流の電力に変換される。   Next, an example of a power network of a receiving antenna is shown. FIG. 18 is a block diagram of one of the receiving antenna power networks. In FIG. 18, the received power of the unit antennas U1 to U5 is phase-shifted by the phase shifters φ1 to φ5, and is combined by the RF power combiner. It is synthesized by this RF power synthesizer, and its RF output is converted into DC power.

以上は受信アンテナについて述べたが、相反定理(時間反転対称性)に基づき、送信用(放射)アンテナについても同様である。   The reception antenna has been described above, but the same applies to the transmission (radiation) antenna based on the reciprocity theorem (time reversal symmetry).

次に、擬似多重極アンテナ全体の具体的な構成例を示す。図19は、単位アンテナを配置したアンテナ球面(図17参照)のz軸から見た平面図、図20は、同アンテナ球面の−z軸から見た平面図である。また、図21は同アンテナ球面の斜視図である。   Next, a specific configuration example of the entire pseudo multipole antenna is shown. FIG. 19 is a plan view of the antenna spherical surface (see FIG. 17) on which the unit antenna is arranged as viewed from the z axis, and FIG. 20 is a plan view of the antenna spherical surface as viewed from the −z axis. FIG. 21 is a perspective view of the spherical surface of the antenna.

これらの図において、クロスした矢印の対は単位アンテナに生じる電界ベクトルと磁界ベクトルを表している。すなわち単位アンテナは、これらのクロスした矢印の対の位置に配置されている。但し、図面の煩雑化を避けるため、図19〜図21では、全ての単位アンテナを表さず、疎らに描いている。ここで実線の矢印は電界ベクトル、破線の矢印は磁界ベクトルをそれぞれ表している。この例はx偏波でz方向へ放射する。   In these drawings, a pair of crossed arrows represents an electric field vector and a magnetic field vector generated in the unit antenna. That is, the unit antenna is disposed at the position of the crossed arrow pair. However, in order to avoid complication of the drawings, in FIG. 19 to FIG. 21, all unit antennas are depicted sparsely. Here, a solid line arrow represents an electric field vector, and a broken line arrow represents a magnetic field vector. This example radiates in the z direction with x polarization.

z軸が南北の極を通るものとし、北極南極間にl+1個、一周で2×l個の単位アンテナを配置する。また、赤道上に2×l個の単位アンテナを配置する。例えば、次数l=2000とすれば、球面の一周に4000個の単位アンテナを配置する。例えば直径10mの球面上であれば約8mmピッチで等角度間隔に配置する。赤道から南北へ緯度が上がるほど、同緯度での周長は短くなるので、経度方向に隣接する単位アンテナ同士が重ならない数だけ配置する。この例では、半値角は0.05度、開口径は200m、伝送距離10kmでの受信ビーム径は17.5mとなる。   Assume that the z-axis passes through the north and south poles, and l + 1 unit antennas are arranged between the north pole and the south pole, and 2 × l unit antennas are arranged around the circumference. In addition, 2 × l unit antennas are arranged on the equator. For example, if the order is l = 2000, 4000 unit antennas are arranged on one circumference of the spherical surface. For example, on a spherical surface having a diameter of 10 m, they are arranged at equiangular intervals at a pitch of about 8 mm. As the latitude increases from north to south from the equator, the circumference at the same latitude becomes shorter. Therefore, the unit antennas adjacent to each other in the longitude direction are arranged in a number that does not overlap. In this example, the half-value angle is 0.05 degrees, the aperture diameter is 200 m, and the reception beam diameter at a transmission distance of 10 km is 17.5 m.

図19に表れているように、z軸から見て、各単位アンテナの電界の向きはx方向を向き、磁界はy方向を向く。また、図20に表れているように、−z軸から見て、各単位アンテナの電界の向きは−x方向を向き、磁界は−y方向を向く。   As shown in FIG. 19, the direction of the electric field of each unit antenna faces the x direction and the magnetic field faces the y direction when viewed from the z-axis. Further, as shown in FIG. 20, the direction of the electric field of each unit antenna faces the −x direction and the magnetic field faces the −y direction as seen from the −z axis.

北極方向を放射方向とすると、北極に近い単位アンテナほど電界ベクトルおよび磁界ベクトルは大きく、南極に近い単位アンテナほど電界ベクトルおよび磁界ベクトルは小さい。また、赤道上の単位アンテナは円偏波の電磁界を生じさせ、北極に近い単位アンテナはほぼ直線偏波の電磁界を生じさせ、中緯度の単位アンテナは楕円偏波の電磁界を生じさせる。   When the north pole direction is the radiation direction, the unit antenna closer to the north pole has a larger electric field vector and magnetic field vector, and the unit antenna closer to the south pole has a smaller electric field vector and magnetic field vector. In addition, the unit antenna on the equator generates a circularly polarized electromagnetic field, the unit antenna near the North Pole generates a substantially linearly polarized electromagnetic field, and the mid-latitude unit antenna generates an elliptically polarized electromagnetic field. .

図22〜25は、図21の代表点における電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。球面波の電界、磁界の偏波は、電界、磁界の各成分について0 < t < 2πをパラメータとしてプロットすることによって表すことができる。これらの図において、図中の矢印は、t = 0, π/12ω, π/4ω における電界、磁界のベクトルを表している。これにより、位相差と偏波の回転方向を表している。図中"t0"はt = 0、"t1"はt = π/12ω、"t3"はt = π/4ωのタイミングをそれぞれ表している。   22 to 25 are diagrams showing the analysis results of the polarization planes of the electric field and magnetic field at the representative points in FIG. The electric field of the spherical wave and the polarization of the magnetic field can be expressed by plotting 0 <t <2π as a parameter for each component of the electric field and the magnetic field. In these figures, arrows in the figures represent electric field and magnetic field vectors at t = 0, π / 12ω, π / 4ω. This represents the phase difference and the direction of polarization rotation. In the figure, “t0” represents the timing at t = 0, “t1” represents the timing at t = π / 12ω, and “t3” represents the timing at t = π / 4ω.

図22は、図21の北極点P001における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。電界をθ方向(x軸回りの角度)成分、磁界をφ方向(z軸回りの角度)成分のみに持つ直線偏波であることが分かる。   FIG. 22 is a diagram showing the analysis results of the polarization planes of the electric field and magnetic field of the unit antenna at the north pole P001 in FIG. It can be seen that the electric field is a linearly polarized wave having only the θ direction (angle around the x axis) component and the magnetic field only in the φ direction (angle around the z axis) component.

図23は、図21のx軸方向の点P100における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。電界はr−θ面に偏波面を持つ楕円偏波であり、磁界はφ方向成分のみを持つ直線偏波であることが分かる。   FIG. 23 is a diagram showing the analysis results of the polarization planes of the electric field and magnetic field of the unit antenna at the point P100 in the x-axis direction of FIG. It can be seen that the electric field is elliptically polarized with a polarization plane in the r-θ plane, and the magnetic field is linearly polarized with only the φ direction component.

図24は、図21の点P110における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。電界及び磁界はともに楕円偏波であることが分かる。   FIG. 24 is a diagram showing the analysis result of the polarization plane of the electric field and magnetic field of the unit antenna at point P110 in FIG. It can be seen that both the electric and magnetic fields are elliptically polarized.

図25は、図21のy軸方向の点P010における単位アンテナの電界、磁界の偏波面の解析結果を示す図である。電界はφ方向成分のみを持つ直線偏波であり、磁界はr−θ面に偏波面を持つ楕円偏波であることが分かる。   FIG. 25 is a diagram showing an analysis result of the polarization plane of the electric field and magnetic field of the unit antenna at the point P010 in the y-axis direction of FIG. It can be seen that the electric field is a linearly polarized wave having only the φ direction component, and the magnetic field is an elliptically polarized wave having a polarization plane in the r-θ plane.

前述のとおり、単位アンテナは各点において、直線偏波、円偏波、楕円偏波を任意に再現する必要がある。ここでは、単位アンテナとして球形誘電体共振器を用いて電界、磁界の偏波面を再現する。   As described above, the unit antenna needs to arbitrarily reproduce linearly polarized waves, circularly polarized waves, and elliptically polarized waves at each point. Here, a spherical dielectric resonator is used as a unit antenna to reproduce the polarization planes of electric and magnetic fields.

図26は前記単位アンテナの複数の共振モードを示す図である。この例では単位アンテナとして球形誘電体共振器を用いる。図26(A)はTE11 X モードの電磁界分布を示す図である。この図において、ドット記号およびクロス記号はTE11 X モードの電束の断面であり、これによってTE11 X モードの電界分布を表している。破線はTE11 X モードの磁束であり、これによってTE11 X モードの磁界分布を表している。図26(B)はTE11 Y モードの電磁界分布を示す図である。この図において、ドット記号およびクロス記号はTE11 Y モードの電束の断面であり、これによってTE11 Y モードの電界分布を表している。破線はTE11 Y モードの磁束であり、これによってTE11 Y モードの磁界分布を表している。図26(C)はTM11 Z モードの電磁界分布を示す図である。この図において、ドット記号およびクロス記号はTM11 Z モードの磁束の断面であり、これによってTM11 Z モードの磁界分布を表している。ループ状の実線はTM11 Z モードの電束であり、これによってTM11 Z モードの電界分布を表している。図26(D)はTM11 Y モードの電磁界分布を示す図である。この図において、ドット記号およびクロス記号はTM11 Y モードの磁束の断面であり、これによってTM11 Y モードの磁界分布を表している。ループ状の実線はTM11 Y モードの電束であり、これによってTM11 Y モードの電界分布を表している。 FIG. 26 is a diagram showing a plurality of resonance modes of the unit antenna. In this example, a spherical dielectric resonator is used as a unit antenna. FIG. 26A is a diagram showing an electromagnetic field distribution in the TE 11 X mode. In this figure, the dot symbol and cross symbols a cross section of the electric flux of the TE 11 X mode, thereby representing the electric field distribution of the TE 11 X mode. The dashed line is a flux of TE 11 X mode, thereby representing a magnetic field distribution of the TE 11 X mode. FIG. 26B is a diagram showing an electromagnetic field distribution in the TE 11 Y mode. In this figure, the dot symbol and the cross symbol are cross sections of the TE 11 Y mode electric flux, thereby representing the TE 11 Y mode electric field distribution. The dashed line is a flux of TE 11 Y mode, thereby representing a magnetic field distribution of the TE 11 Y mode. FIG. 26C is a diagram showing an electromagnetic field distribution in the TM 11 Z mode. In this figure, the dot symbol and cross symbols are flux cross-section of a TM 11 Z mode thereby representing a magnetic field distribution of the TM 11 Z mode. The loop-shaped solid line is the electric flux of the TM 11 Z mode, and this represents the electric field distribution of the TM 11 Z mode. FIG. 26D is a diagram showing an electromagnetic field distribution in the TM 11 Y mode. In this figure, the dot symbol and cross symbols are flux cross-section of a TM 11 Y mode, thereby representing a magnetic field distribution of the TM 11 Y mode. The loop-shaped solid line is the TM 11 Y mode electric flux, which represents the TM 11 Y mode electric field distribution.

この誘電体共振器のTE モードの磁界を用いて球面波の磁界を再現し、TM モードの電界を用いて球面波の電界を再現する。電界・磁界それぞれにおいて、直線偏波だけでなく任意の偏波面を持つ円偏波や楕円偏波が個別に励振できるため、球面波の電磁界を再現することが可能となる。   A spherical wave magnetic field is reproduced using a TE mode magnetic field of the dielectric resonator, and a spherical wave electric field is reproduced using a TM mode electric field. In each of the electric field and the magnetic field, circularly polarized waves and elliptically polarized waves having arbitrary polarization planes as well as linearly polarized waves can be excited individually, so that it is possible to reproduce a spherical wave electromagnetic field.

この実施形態の単位アンテナは、球形誘電体共振器のTE11 モードと、TM11 モードとを縮退させた状態で用いる。しかし、TE11 モードとTM11 モードはエネルギーが閉じ込められるサイズが異なることに起因して共振周波数が離れているので、TE11 モードとTM11 モードとを同一の球形誘電体共振器内で縮退させることは難しい。そこで、核とその核の外周を取り巻く外殻を備えた同心の二重球構造とし、核を導体とする。 The unit antenna of this embodiment is used in a state where the TE 11 mode and the TM 11 mode of the spherical dielectric resonator are degenerated. However, because the TE 11 mode and the TM 11 mode have different resonance frequencies due to the difference in the size in which energy is confined, the TE 11 mode and the TM 11 mode are degenerated within the same spherical dielectric resonator. It ’s difficult. Therefore, a concentric double sphere structure having a core and an outer shell surrounding the periphery of the core is used, and the core is a conductor.

外殻の比誘電率εperi が18であれば、核の半径比Pres が0.3 から0.4 の範囲でほぼ8GHzにおいてTE モードとTM モードの縮退が起こった。また、外殻の比誘電率εperi が40であれば、核の半径比Pres が0.3 から0.4 の範囲で約5.8GHzにおいてTE モードとTM モードの縮退が起こった。   If the relative permittivity εperi of the outer shell is 18, the degeneration between the TE mode and the TM mode occurs at about 8 GHz when the nuclear radius ratio Pres is in the range of 0.3 to 0.4. In addition, if the relative permittivity εperi of the outer shell was 40, the degeneration between the TE mode and the TM mode occurred at about 5.8 GHz with the nuclear radius ratio Pres ranging from 0.3 to 0.4.

次に、εperi が40 の誘電体共振器について、縮退時の共振周波数が5.8GHz となるように外径r0 と径比Pres の最適化を行った。その結果、r0 が4.78 mm、Pres が0.4 のときz 軸に対して回転対称なTE11 Z モードの共振周波数は5.797 GHz である。また、z 軸に対して回転対称なTM11 Z モードの共振周波数は5.792 GHz である。このとき、TE11 Z モードとTM11 Z モードの共振周波数がほぼ一致し、2つのモードが縮退することが確認された。 Next, for the dielectric resonator with εperi of 40, the outer diameter r 0 and the diameter ratio Pres were optimized so that the resonance frequency at the time of degeneration was 5.8 GHz. As a result, when r 0 is 4.78 mm and Pres is 0.4, the resonance frequency of the TE 11 Z mode rotationally symmetric with respect to the z axis is 5.97 GHz. The resonance frequency of TM 11 Z mode, which is rotationally symmetric with respect to the z-axis, is 5.789 GHz. At this time, it was confirmed that the resonance frequencies of the TE 11 Z mode and the TM 11 Z mode almost coincided and the two modes degenerate.

図27(A)は、(TE11 X +jTE11 Y )によるTE11 の共振モードで磁気ダイポールモーメントが生じることを示している。また、図27(B)は、(TM11 Z +jTM11 Y )によるTM11 の共振モードで電気ダイポールモーメントが生じることを示している。このようにして、球形誘電体共振器から磁気ダイポールモーメントによって強い誘導磁界を作り、電気ダイポールモーメントによって強い誘導電界を作る。この直交する誘導磁界(Hx)と誘導電界(Ez)とによって所定の直線偏波、円偏波、または楕円偏波が放射されるように、前記磁気ダイポールモーメントおよび電気ダイポールモーメントの位相が定められる。また、前記電気(磁気)ダイポールモーメントによってエネルギーをアンテナ球面に沿って運ぶため、電界ベクトルと磁界ベクトルとの積であるポインティングベクトルがアンテナ球面に沿って南極から北極方向へ、経度線上を転がって回転するかのように、各球形誘電体共振器への給電位相が制御される。 FIG. 27A shows that a magnetic dipole moment is generated in the resonance mode of TE 11 by (TE 11 X + jTE 11 Y ). FIG. 27B shows that an electric dipole moment is generated in the resonance mode of TM 11 by (TM 11 Z + jTM 11 Y ). In this way, a strong induction magnetic field is generated from the spherical dielectric resonator by the magnetic dipole moment, and a strong induction electric field is generated by the electric dipole moment. The phase of the magnetic dipole moment and the electric dipole moment is determined so that a predetermined linearly polarized wave, circularly polarized wave, or elliptically polarized wave is radiated by the orthogonal induced magnetic field (Hx) and induced electric field (Ez). . In addition, since the electric (magnetic) dipole moment carries energy along the antenna spherical surface, the pointing vector, which is the product of the electric field vector and magnetic field vector, rotates along the longitude line from the south pole to the north pole along the antenna spherical surface. As if, the feeding phase to each spherical dielectric resonator is controlled.

なお、核とその核の外周を取り巻く外殻を備えた同心の二重球構造とし、核と外殻とで誘電率を異ならせてもよい。例えば、中心付近の電界強度の高いTM11 モードの共振周波数を相対的に低下させて、TE11 モードの共振周波数と一致させるように、核と外殻の誘電率を定めた誘電体セラミック球を用いる。 A concentric double sphere structure including a core and an outer shell surrounding the outer periphery of the core may be used, and the core and the outer shell may have different dielectric constants. For example, a dielectric ceramic sphere with a dielectric constant of the core and outer shell is set so that the resonance frequency of the TM 11 mode with high electric field strength near the center is relatively lowered to match the resonance frequency of the TE 11 mode. Use.

次に、アンテナ球面上の複数の球形誘電体共振器に対して給電を行う構成について示す。   Next, a configuration for supplying power to a plurality of spherical dielectric resonators on the antenna spherical surface will be described.

図28は前記球形誘電体共振器に対する給電回路の構造を示すブロック図である。図28(A)の例では、球形誘電体共振器PR、この球形誘電体共振器PRに結合するTE結合プローブ13,TM結合プローブ14、ハイブリッド回路12、発振器11を原点側に設けている。また、球形誘電体共振器(単位アンテナ毎)R毎にクロスコイル21、位相/振幅制御回路22、球形誘電体共振器RのTE11 モードに対して結合するTE11 結合プローブ23、およびTM11 モードに対して結合するTM11 結合プローブ24、をそれぞれ備えている。これらの回路は球形誘電体共振器Rが配置されるアンテナ球面のすぐ下(内部)の層に配置されている。 FIG. 28 is a block diagram showing the structure of a power feeding circuit for the spherical dielectric resonator. In the example of FIG. 28A, a spherical dielectric resonator PR, a TE coupling probe 13, a TM coupling probe 14, a hybrid circuit 12, and an oscillator 11 coupled to the spherical dielectric resonator PR are provided on the origin side. For each spherical dielectric resonator (for each unit antenna) R, a cross coil 21, a phase / amplitude control circuit 22, a TE 11 coupling probe 23 coupled to the TE 11 mode of the spherical dielectric resonator R, and TM 11 A TM 11 coupling probe 24 that couples to the mode is provided. These circuits are arranged in a layer immediately below (inside) the spherical surface of the antenna where the spherical dielectric resonator R is arranged.

発振器11は例えば5.8GHzで発振し、ハイブリッド回路12は、TE結合プローブ13およびTM結合プローブ14に対する給電位相に90度の位相差をもたせる。   The oscillator 11 oscillates at, for example, 5.8 GHz, and the hybrid circuit 12 gives a phase difference of 90 degrees to the feeding phase with respect to the TE coupling probe 13 and the TM coupling probe 14.

原点に配置された球形誘電体共振器PRはTEモードとTMモードとが縮退した多重誘電体共振器である。この球形誘電体共振器PRは、TMモードによって、z軸回りに磁界ループを描く磁界Hφと、TEモードによって、x軸回りに磁界ループを描く磁界Hθとを発生する。   The spherical dielectric resonator PR arranged at the origin is a multiple dielectric resonator in which the TE mode and the TM mode are degenerated. The spherical dielectric resonator PR generates a magnetic field Hφ that draws a magnetic field loop around the z-axis by the TM mode and a magnetic field Hθ that draws a magnetic field loop around the x-axis by the TE mode.

TE11結合プローブ23は球形誘電体共振器Rに対してTE11 X 共振モードおよびTE11 Y 共振モードを励振する。また、TM11 結合プローブ24は球形誘電体共振器Rに対してTM11 Z 共振モードおよびTM11 Y 共振モードを励振する。 The TE11 coupled probe 23 excites the TE 11 X resonance mode and the TE 11 Y resonance mode with respect to the spherical dielectric resonator R. The TM11 coupling probe 24 excites the TM 11 Z resonance mode and the TM 11 Y resonance mode with respect to the spherical dielectric resonator R.

クロスコイル21は磁界Hφに結合するコイルと磁界Hθに結合するコイルとがクロスしたものである。位相/振幅制御回路22は、TE11 結合プローブ23、およびTM11 結合プローブ24に対する信号(電流)の位相を制御する。この位相制御によって、球形誘電体共振器Rから、所定の電気(磁気)ダイポールモーメントを発生させる。また、この電気(磁気)ダイポールモーメントによってエネルギーをアンテナ球面に沿って運ぶように(ポインティングベクトルがアンテナ球面に沿って南極から北極方向へ経度線上を転がって回転するように)、球形誘電体共振器の位置に応じた位相制御を行う。 The cross coil 21 is obtained by crossing a coil coupled to the magnetic field Hφ and a coil coupled to the magnetic field Hθ. The phase / amplitude control circuit 22 controls the phase of the signal (current) for the TE 11 coupling probe 23 and the TM 11 coupling probe 24. By this phase control, a predetermined electric (magnetic) dipole moment is generated from the spherical dielectric resonator R. Also, a spherical dielectric resonator so that this electric (magnetic) dipole moment carries energy along the antenna spherical surface (so that the pointing vector rotates on the longitude line from the south pole to the north pole along the antenna spherical surface). The phase control according to the position of is performed.

図28(B)の例では、球形誘電体共振器Rとして45度方向に対向するスリット状の溝を備えた球形誘電体共振器、この球形誘電体共振器Rに結合するTE11 結合プローブ23、およびTM11 結合プローブ24を設けている。原点側の構成は図28(A)と同じである。上記スリット状の溝によって縮退関係の二つの共振モードを生じさせ、その中間の周波数を電力伝送周波数に設定すると、そのどちらのモードも励振される。すなわち、球形誘電体共振器Rは1つのTE11 結合プローブ23でTE11 X 共振モードおよびTE11 Y 共振モードが励振され、1つのTM11 結合プローブ24でTM11 Z 共振モードおよびTM11 Y 共振モードが励振される。 In the example of FIG. 28B, a spherical dielectric resonator having a slit-like groove facing in the 45-degree direction as the spherical dielectric resonator R, a TE11 coupling probe 23 coupled to the spherical dielectric resonator R, And a TM11 binding probe 24 is provided. The configuration on the origin side is the same as that in FIG. When two resonance modes having a degenerative relationship are generated by the slit-shaped grooves and the intermediate frequency is set as the power transmission frequency, both modes are excited. That is, in the spherical dielectric resonator R, the TE 11 X resonance mode and the TE 11 Y resonance mode are excited by one TE11 coupling probe 23, and the TM 11 Z resonance mode and the TM 11 Y resonance mode are excited by one TM11 coupling probe 24. Excited.

このような溝の形成箇所には高い位置精度が必要であるが、溝によって誘電体共振器の無負荷Qが低下することは無く、回路構成も簡素化できる利点がある。なお、同様に球形誘電体共振器PRを溝付の球形誘電体共振器としてもよい。   Although a high positional accuracy is required at the location where such a groove is formed, there is an advantage that the no-load Q of the dielectric resonator is not lowered by the groove, and the circuit configuration can be simplified. Similarly, the spherical dielectric resonator PR may be a grooved spherical dielectric resonator.

図28(C)は、単位アンテナ側に発振器を備えた例である。単位アンテナである球形誘電体共振器R毎に、発振器25,ハイブリッド回路26、位相/振幅制御回路22、球形誘電体共振器RのTE11 モードに対して結合するTE11 結合プローブ23、およびTM11 モードに対して結合するTM11 結合プローブ24を備えている。これらの回路は球形誘電体共振器Rが配置されるアンテナ球面のすぐ下(内部)の層に配置されている。 FIG. 28C shows an example in which an oscillator is provided on the unit antenna side. For each spherical dielectric resonator R which is a unit antenna, an oscillator 25, a hybrid circuit 26, a phase / amplitude control circuit 22, a TE 11 coupling probe 23 coupled to the TE 11 mode of the spherical dielectric resonator R, and TM A TM 11 coupling probe 24 that couples to 11 modes is provided. These circuits are arranged in a layer immediately below (inside) the spherical surface of the antenna where the spherical dielectric resonator R is arranged.

発振器25は同期信号に同期し、且つ位相制御信号に応じた位相で、例えば5.8GHzで発振する。ハイブリッド回路26は90度位相差をもった二つの信号を出力する。位相/振幅制御回路22は、TE11 結合プローブ23、およびTM11 結合プローブ24に対する信号(電流)の位相を制御する。この位相制御によって、球形誘電体共振器Rから、所定の電気(磁気)ダイポールモーメントを発生させる。また、図28(A)、図28(B)の場合と同様に、球形誘電体共振器の位置に応じた位相制御を行う。   The oscillator 25 is synchronized with the synchronization signal and oscillates at a phase corresponding to the phase control signal, for example, at 5.8 GHz. The hybrid circuit 26 outputs two signals having a phase difference of 90 degrees. The phase / amplitude control circuit 22 controls the phase of the signal (current) for the TE11 coupling probe 23 and the TM11 coupling probe 24. By this phase control, a predetermined electric (magnetic) dipole moment is generated from the spherical dielectric resonator R. Similarly to the case of FIGS. 28A and 28B, phase control is performed according to the position of the spherical dielectric resonator.

前記同期信号は基準信号発生回路から無線によって、または伝送線路(ネットワーク)を介して入力される。同様に、位相制御信号は位相制御信号発生回路から無線によって、または伝送線路(ネットワーク)を介して入力される。基準信号発生回路および位相制御信号発生回路は例えばアンテナ球面の原点位置に配置される。   The synchronization signal is input from a reference signal generation circuit wirelessly or via a transmission line (network). Similarly, the phase control signal is input from the phase control signal generation circuit wirelessly or via a transmission line (network). The reference signal generation circuit and the phase control signal generation circuit are disposed at the origin position of the antenna spherical surface, for example.

図29はアンテナ球面の内部の構造を示す図である。図29に表れているように、アンテナ球面(電磁流定義面)は多数の球形誘電体共振器で覆われている。この多数の球形誘電体共振器による層の下層に給電回路基板が設けられていて、この給電回路基板にTE11結合プローブ、TM11結合プローブおよびこれらの結合プローブに接続される回路(図28参照)が形成されている。各クロスコイルはTMモード結合プローブとTEモード結合プローブで構成されている。各プローブは球形誘電体共振器R毎に配置されているが、図29では、幾つかのクロスコイルのみを表している。TEモード結合プローブは、原点に配置された球形誘電体共振器PRから放射されるTEモードの磁界に結合し、TMモード結合プローブは、原点に配置された球形誘電体共振器PRから放射されるTMモードの磁界に結合する。   FIG. 29 shows the internal structure of the antenna spherical surface. As shown in FIG. 29, the antenna spherical surface (electromagnetic flow definition surface) is covered with a large number of spherical dielectric resonators. A power supply circuit board is provided below the layer formed by the large number of spherical dielectric resonators. A TE11 coupling probe, a TM11 coupling probe, and a circuit (see FIG. 28) connected to these coupling probes are provided on the power supply circuit board. Is formed. Each cross coil includes a TM mode coupling probe and a TE mode coupling probe. Each probe is arranged for each spherical dielectric resonator R, but FIG. 29 shows only some cross coils. The TE mode coupling probe is coupled to a TE mode magnetic field radiated from the spherical dielectric resonator PR disposed at the origin, and the TM mode coupled probe is radiated from the spherical dielectric resonator PR disposed at the origin. Couple to TM mode magnetic field.

なお、多数の球形誘電体共振器Rは、間隔が狭い場合に、互いに隣接する球形誘電体共振器R同士で結合する。経度線に沿って隣接する球形誘電体共振器R同士は位相がほぼ反転した状態で結合する。緯度線に沿って隣接する球形誘電体共振器R同士は位相がほぼ同じであるので、その結合は弱い。   A large number of spherical dielectric resonators R are coupled to each other by adjacent spherical dielectric resonators R when the intervals are narrow. The spherical dielectric resonators R adjacent to each other along the longitude line are coupled in a state where the phases are substantially inverted. Since the spherical dielectric resonators R adjacent to each other along the latitude line have substantially the same phase, the coupling is weak.

図30は、単位アンテナである球形誘電体共振器の電磁界とアンテナ球面(電磁流定義面)との関係を示す図である。図30(A)は、TE11モードによる磁界Hθ、Hr,Hφについて示している。これにより、+y軸上の点(図21に示した点P010)において、赤道を軸とする磁界の円偏波でLφの角運動量が放射される。また、図30(B)は、TM11モードによる電界Eθ、Er,Eφについて示している。これにより、+x軸上の点(図21に示した点P100)において、赤道を軸とする電界の円偏波でLφの角運動量が放射される。 FIG. 30 is a diagram showing the relationship between the electromagnetic field of a spherical dielectric resonator, which is a unit antenna, and the antenna spherical surface (electromagnetic current definition surface). FIG. 30A shows magnetic fields Hθ, Hr, and Hφ in the TE 11 mode. Thereby, at the point on the + y axis (point P010 shown in FIG. 21), the angular momentum of Lφ is radiated by the circular polarization of the magnetic field around the equator. FIG. 30B shows electric fields Eθ, Er, Eφ in the TM 11 mode. Thereby, at the point on the + x axis (point P100 shown in FIG. 21), the angular momentum of Lφ is radiated by the circular polarization of the electric field with the equator as the axis.

以上の作用により、図29に示した擬似多重極アンテナから、x軸方向に電界、y軸方向に磁界が向く直線偏波の電磁波がz方向へ放射される。   With the above operation, a linearly polarized electromagnetic wave having an electric field in the x-axis direction and a magnetic field in the y-axis direction is radiated in the z direction from the pseudo multipole antenna shown in FIG.

図31はアンテナ球面上の多数の球形誘電体共振器によって形成される共振電磁界とエネルギーの流れを示す図である。以上のようなアンテナの構成により、共振電磁界によって放射電力が角運動量を蓄え、遠方界ではz方向に鋭い指向性で放射される。   FIG. 31 is a diagram showing a resonance electromagnetic field and energy flow formed by a number of spherical dielectric resonators on the antenna spherical surface. With the antenna configuration as described above, the radiated power accumulates angular momentum by the resonant electromagnetic field, and is radiated with a sharp directivity in the z direction in the far field.

なお、以上に示した例では、多数の単位アンテナを球面上に配置したが、球面に限らず、回転楕円体面に沿って配置すればよい。   In the example described above, a large number of unit antennas are arranged on the spherical surface. However, the unit antennas are not limited to the spherical surface, and may be arranged along the spheroid surface.

《第2の実施形態》
第1の実施形態では、電気多重極および磁気多重極を波源とした、TM波およびTE波の作り出す指向性のある電磁ビームと等価な電磁界により、半空間に電磁放射を行うようにした。これに対し、第2の実施形態では、TMモードとTEモードとを次数l毎に縮退させず、TM波またはTE波の一方のみを用いる例を示す。
<< Second Embodiment >>
In the first embodiment, electromagnetic radiation is performed in a half space by an electromagnetic field equivalent to a directional electromagnetic beam generated by a TM wave and a TE wave using an electric multipole and a magnetic multipole as wave sources. On the other hand, in the second embodiment, an example is shown in which only the TM wave or the TE wave is used without degenerating the TM mode and the TE mode every degree l.

図32は、電気多重極放射による球面波を、次数l=1からl=Lまで重ね合わせた場合の指向性を示す図(放射電力の遠方界を視覚的に表したもの)である。図32(A)は[l=1,m=1]から[l=3,m=1]までの3個の異なった次数の電気多重極放射による球面波を重ね合わせた放射電力の指向性、図32(B)は[l=1,m=1]から[l=6,m=1]までの6個の異なった次数の電気多重極放射による球面波を重ね合わせた放射電力の指向性、図32(C)は[l=1,m=1]から[l=10,m=1]までの10個の異なった次数の電気多重極放射による球面波を重ね合わせた放射電力の指向性をそれぞれ表している。   FIG. 32 is a diagram showing the directivity when spherical waves generated by electric multipole radiation are superimposed from the order l = 1 to l = L (a visual representation of the far field of the radiated power). FIG. 32A shows the directivity of radiation power obtained by superposing spherical waves by three different orders of electric multipole radiation from [l = 1, m = 1] to [l = 3, m = 1]. FIG. 32B shows the directivity of radiation power in which spherical waves are superimposed by six different orders of electric multipole radiation from [l = 1, m = 1] to [l = 6, m = 1]. FIG. 32 (C) shows the radiation power of superposed spherical waves of 10 different orders of electric multipole radiation from [l = 1, m = 1] to [l = 10, m = 1]. Each represents directivity.

このように、電気多重極放射による球面波を高い次数まで重ね合わせることによってビーム幅は狭くなる。但し、第1の実施形態で図6に示した例と異なり、半空間への電磁放射にはならず、後方へも多少は放射される。また、サイドローブも多少は残る。さらに、扁平形状の(ファンビーム形状の)指向性となる。なお、各次数の磁気多重極放射による球面波を重ね合わせた場合は、図32に示した指向性を、放射の主軸に対して90度回転した指向性となる。   In this way, the beam width is narrowed by superimposing spherical waves by electric multipole radiation to a high order. However, unlike the example shown in FIG. 6 in the first embodiment, the electromagnetic radiation is not radiated to the half space but is radiated to the rear to some extent. Some side lobes remain. Further, the directivity is flat (fan beam shape). When the spherical waves generated by the magnetic multipole radiation of each order are superimposed, the directivity shown in FIG. 32 becomes the directivity rotated by 90 degrees with respect to the main axis of radiation.

このようにして、許容される後方放射および許容されるサイドローブの強度に応じて、電気多重極を波源としたTM波の作り出す指向性のある電磁ビームと等価な電磁界により電磁放射を行うようにしてもよい。また、磁気多重極を波源としたTE波の作り出す指向性のある電磁ビームと等価な電磁界により電磁放射を行うようにしてもよい。   In this way, electromagnetic radiation is performed by an electromagnetic field equivalent to a directional electromagnetic beam created by a TM wave using an electric multipole as a wave source according to the allowable back-radiation and allowable sidelobe intensity. It may be. Alternatively, electromagnetic radiation may be performed by an electromagnetic field equivalent to a directional electromagnetic beam generated by a TE wave using a magnetic multipole as a wave source.

上記、電気多重極を波源としたTM波を生成する具体的な構成例として、第1の実施形態で示した複数の球形誘電体共振器を用いる場合、それらの球形誘電体共振器のTMモードのみを利用すればよい。同様に、磁気多重極を波源としたTE波を生成する場合には、球形誘電体共振器のTEモードのみを利用すればよい
《第3の実施形態》
球形誘電体共振器の外側の電磁界は原点の多重極から放射する球面波と全く等しい。第3の実施形態では、電気多重極または磁気多重極の波源として用いる多層の球形誘電体共振器について示す。
When a plurality of spherical dielectric resonators shown in the first embodiment are used as a specific configuration example for generating a TM wave using an electric multipole as a wave source, the TM mode of these spherical dielectric resonators is used. Use only. Similarly, when generating a TE wave using a magnetic multipole as a wave source, it is only necessary to use the TE mode of the spherical dielectric resonator << Third Embodiment >>
The electromagnetic field outside the spherical dielectric resonator is exactly the same as the spherical wave radiated from the origin multipole. In the third embodiment, a multilayer spherical dielectric resonator used as an electric multipole or magnetic multipole wave source is shown.

第2の実施形態で示した例では、1つの誘電体共振器が1つの球面波を生成するように構成したが、第3の実施形態では1つの多層球形誘電体共振器が多数の球面波を生成する。 In the example shown in the second embodiment, one dielectric resonator is configured to generate one spherical wave . However, in the third embodiment, one multilayer spherical dielectric resonator includes a plurality of spherical waves. Is generated.

図33は多層球形誘電体共振器の中心を通る面での断面図である。この多層球形誘電体共振器101は核部30および複数の誘電体層31,32,33を有する。誘電体層と誘電体層との間は、空気やその他の低誘電率の誘電体61,62で満たされている。各誘電体層31,32,33はそれぞれ球殻構造をなし、それぞれTMモードの球殻状誘電体共振器として作用する。以下、核部30および誘電体層31による共振器を「コア共振器」、誘電体層32,33による球殻状誘電体共振器をそれぞれ「シェル共振器」という。各共振器の共振周波数はほぼ等しく、各共振器はそれぞれ球面電磁波を生成する。したがって、共振器の数が前記次数lの数に相当して、球面波の重ね合わせが行われる。   FIG. 33 is a cross-sectional view taken along a plane passing through the center of the multilayer spherical dielectric resonator. This multilayer spherical dielectric resonator 101 has a core 30 and a plurality of dielectric layers 31, 32, 33. The space between the dielectric layers is filled with air or other low dielectric constant dielectrics 61 and 62. Each of the dielectric layers 31, 32 and 33 has a spherical shell structure, and functions as a TM mode spherical shell dielectric resonator. Hereinafter, a resonator including the core 30 and the dielectric layer 31 is referred to as a “core resonator”, and a spherical shell-shaped dielectric resonator including the dielectric layers 32 and 33 is referred to as a “shell resonator”. The resonance frequencies of the resonators are substantially equal, and each resonator generates a spherical electromagnetic wave. Therefore, superposition of spherical waves is performed with the number of resonators corresponding to the number of the order l.

例えば、コア共振器はそのTM11モードを利用し、誘電体層32によるシェル共振器はそのTM21モードを利用し、誘電体層33によるシェル共振器はそのTM31モードを利用する。これらの共振モードの周波数がほぼ等しくなるように、各共振器の寸法および誘電率も定める。   For example, the core resonator uses the TM11 mode, the shell resonator based on the dielectric layer 32 uses the TM21 mode, and the shell resonator based on the dielectric layer 33 uses the TM31 mode. The dimensions and dielectric constant of each resonator are also determined so that the frequencies of these resonance modes are substantially equal.

同様にして、上記各共振器は、それらのTEモード共振を利用してもよい。例えば、コア共振器はそのTE11モードを利用し、誘電体層32によるシェル共振器はそのTE21モードを利用し、誘電体層33によるシェル共振器はそのTE31モードを利用する。   Similarly, each of the resonators may use their TE mode resonance. For example, the core resonator uses the TE11 mode, the shell resonator based on the dielectric layer 32 uses the TE21 mode, and the shell resonator based on the dielectric layer 33 uses the TE31 mode.

誘電体層と誘電体層との間には低誘電率の誘電体層が介在しているので、各共振器はそれに近接する別の共振器の影響を受けず、それぞれ独立した共振器として作用する。特に外殻である程、高次の共振モードを利用することになるので、その内部に位置する他の共振器の影響を受けにくい。   Since a dielectric layer with a low dielectric constant is interposed between the dielectric layers, each resonator is not affected by another resonator adjacent to it and acts as an independent resonator. To do. In particular, the higher the outer shell is, the higher the resonance mode is used, so that it is less affected by other resonators located inside the outer shell.

なお、図33に示した例では、図面の煩雑化を避けるため、3つの誘電体層を備えたが、同様にして多数の誘電体層を設けることができる。L層の誘電体層を設ければ、次数l=1からl=Lまで重ね合わさることになる。   In the example shown in FIG. 33, three dielectric layers are provided in order to avoid complication of the drawing, but many dielectric layers can be provided in the same manner. If the L dielectric layers are provided, the layers are overlapped from the order l = 1 to l = L.

上記多層球形誘電体共振器101は、例えば核部30に各誘電体層を順にコーティングする方法で作製する。   The multilayer spherical dielectric resonator 101 is manufactured by, for example, a method in which the dielectric layer is sequentially coated on the core 30.

次に、上記多層誘電体共振器に対する給電部の構成例を示す。図34は、多層球形誘電体共振器101に対する給電部200の構成図である。給電部200は円形導波管50および円形誘電体線路(断面円形状の誘電体導波路)40を備えている。円形誘電体線路40の根元部には円形導波管内においてテーパー形状部42が形成されている。円形導波管50の先端にはホーンアンテナ51が形成されている。円形誘電体線路と多層球形誘電体共振器101との接続部には低誘電率の固定材41が設けられている。円形導波管50内にはプローブまたはループによる励振素子が設けられていて、円形導波管50の外部に各モード用のコネクタ群52が設けられている。上記励振素子は、例えばTM11、TM21、TM31・・・の各モードで多層球形誘電体共振器101を励振させるための伝搬モードをそれぞれ励振させる。コネクタ群52はこれらの伝搬モードを励振させる励振素子に接続されている。なお、例えばTE11、TE21、TE31・・・の各モードで多層球形誘電体共振器101を励振させる場合についても同様である。このようにして誘電体線路を介して給電することができる。なお、円形誘電体線路40はテーパー形状(円錐台形状)に限らず、円柱形状であってもよい。   Next, a configuration example of a power feeding unit for the multilayer dielectric resonator will be described. FIG. 34 is a configuration diagram of the power feeding unit 200 for the multilayer spherical dielectric resonator 101. The power feeding unit 200 includes a circular waveguide 50 and a circular dielectric line (dielectric waveguide having a circular cross section) 40. A tapered portion 42 is formed in the circular waveguide at the root of the circular dielectric line 40. A horn antenna 51 is formed at the tip of the circular waveguide 50. A fixing member 41 having a low dielectric constant is provided at a connection portion between the circular dielectric line and the multilayer spherical dielectric resonator 101. An excitation element such as a probe or a loop is provided in the circular waveguide 50, and a connector group 52 for each mode is provided outside the circular waveguide 50. The excitation element excites a propagation mode for exciting the multilayer spherical dielectric resonator 101 in each mode of TM11, TM21, TM31,. The connector group 52 is connected to an excitation element that excites these propagation modes. The same applies to the case where the multilayer spherical dielectric resonator 101 is excited in each mode of, for example, TE11, TE21, TE31. In this way, power can be supplied via the dielectric line. The circular dielectric line 40 is not limited to a tapered shape (conical truncated cone shape), and may be a cylindrical shape.

《第4の実施形態》
第4の実施形態では、電気多重極および磁気多重極の波源として用いる多層球形誘電体共振器について示す。
<< Fourth Embodiment >>
In the fourth embodiment, a multilayer spherical dielectric resonator used as an electric multipole and magnetic multipole wave source is shown.

図35(A)は第4の実施形態に係る多層球形誘電体共振器102の中心を通る面での断面図、図35(B)は外観図である。   FIG. 35A is a cross-sectional view taken along a plane passing through the center of the multilayer spherical dielectric resonator 102 according to the fourth embodiment, and FIG. 35B is an external view.

この多層球形誘電体共振器102は核部30および複数の誘電体層31,32,33を有する。誘電体層と誘電体層との間は低誘電率の誘電体等で充填されている。第3の実施形態で示した共振器と同様に、各誘電体層31,32,33はそれぞれ球殻構造をなしていて、核部30および誘電体層31によりコア共振器が構成され、誘電体層32,33により、それぞれシェル共振器が構成されている。後に詳述する構造により、それぞれTMモードの共振とTEモードの共振とが縮退した共振器として作用する。各共振器のTMモードおよびTEモードの共振周波数はほぼ等しい。各共振器は、そのTMモードの共振によって電気多重極と等価な球面電磁波を生じさせ、そのTEモードの共振によって磁気多重極と等価な球面電磁波を生じさせる。したがって、共振器の数が前記次数lの数に相当して、球面波の重ね合わせが行われる。   The multilayer spherical dielectric resonator 102 has a core 30 and a plurality of dielectric layers 31, 32, 33. The space between the dielectric layers is filled with a dielectric having a low dielectric constant. Similarly to the resonator shown in the third embodiment, each of the dielectric layers 31, 32, and 33 has a spherical shell structure, and the core resonator is configured by the core 30 and the dielectric layer 31, and the dielectric layer The body layers 32 and 33 constitute shell resonators. The structure described in detail later acts as a resonator in which the TM mode resonance and the TE mode resonance are degenerated. The resonance frequency of TM mode and TE mode of each resonator is almost equal. Each resonator generates a spherical electromagnetic wave equivalent to an electric multipole by resonance of the TM mode, and generates a spherical electromagnetic wave equivalent to a magnetic multipole by resonance of the TE mode. Therefore, superposition of spherical waves is performed with the number of resonators corresponding to the number of the order l.

例えば、核部30および誘電体層31によるコア共振器はTM11モードとTE11モードとが縮退している。誘電体層32によるシェル共振器はTM21モードとTE21モードとが縮退している。誘電体層33によるシェル共振器はTM31モードとTE31モードとが縮退している。これらの共振モードの周波数がほぼ等しくなるように、各共振器の寸法および誘電率が定められている。   For example, the TM11 mode and the TE11 mode are degenerated in the core resonator formed by the core 30 and the dielectric layer 31. In the shell resonator formed of the dielectric layer 32, the TM21 mode and the TE21 mode are degenerated. In the shell resonator formed of the dielectric layer 33, the TM31 mode and the TE31 mode are degenerated. The dimensions and dielectric constant of each resonator are determined so that the frequencies of these resonance modes are substantially equal.

第3の実施形態で示した例とは異なり、単に各共振器の寸法および誘電率の設定だけでは、TMモードとTEモードとを縮退させることはできない。また、球殻状誘電体共振器の内部に低次の誘電体共振器が存在するため、内部に導体球を設けることによる縮退化法は使えない。そこで、次に示す構造により、誘電体層の径方向の誘電率と周方向の誘電率を異ならせる。図35(A)、図35(B)に表れているように、誘電体層32,33には、複数のスリットSLx,SLy,SLzが形成されている。スリットSLxは、x軸を中心軸とし、球の中心点を頂点とする円錐面に沿ったスリットである。また、スリットSLyは、y軸を中心軸とし、球の中心点を頂点とする円錐面に沿ったスリットである。同様に、スリットSLzは、z軸を中心軸とし、球の中心点を頂点とする円錐面に沿ったスリットである。このように球の中心から放射状に延びるスリットを各誘電体層に形成する。但し、この例では最も核に近い誘電体層には、後に述べるようにスリットは形成していない。   Unlike the example shown in the third embodiment, the TM mode and the TE mode cannot be degenerated simply by setting the dimensions and dielectric constant of each resonator. In addition, since a low-order dielectric resonator is present inside the spherical shell-shaped dielectric resonator, the degeneration method by providing a conductor sphere inside cannot be used. Therefore, the dielectric constant in the radial direction and the dielectric constant in the circumferential direction of the dielectric layer are made different by the following structure. As shown in FIGS. 35A and 35B, the dielectric layers 32 and 33 are formed with a plurality of slits SLx, SLy, and SLz. The slit SLx is a slit along a conical surface with the x-axis as the central axis and the center point of the sphere as the apex. The slit SLy is a slit along a conical surface with the y-axis as the central axis and the center point of the sphere as the apex. Similarly, the slit SLz is a slit along a conical surface having the z-axis as the central axis and the center point of the sphere as the apex. In this way, slits extending radially from the center of the sphere are formed in each dielectric layer. However, in this example, no slit is formed in the dielectric layer closest to the nucleus as described later.

上記スリットは空間であるか、または誘電体層の誘電体より低誘電率の誘電体で充填されている。そのため、誘電体層32,33は、径方向の誘電率に比べて周方向の誘電率が低い、という誘電率異方性をもつ。TEモードの電界ループは誘電体層の周方向を回るように生じ、TMモードの電界モードは誘電体層の径方向を通るように生じるので、TMモードの共振周波数を殆ど変化させずにTEモードの共振周波数を上昇させることができる。そのことでTEモードの共振周波数をTMモードの共振周波数に接近させて、縮退させることができる。   The slit is a space or is filled with a dielectric having a lower dielectric constant than the dielectric of the dielectric layer. Therefore, the dielectric layers 32 and 33 have a dielectric anisotropy that the dielectric constant in the circumferential direction is lower than the dielectric constant in the radial direction. The TE mode electric field loop occurs around the circumferential direction of the dielectric layer, and the TM mode electric field mode passes along the radial direction of the dielectric layer, so the TE mode hardly changes the resonance frequency of the TM mode. The resonance frequency can be increased. As a result, the TE mode resonance frequency can be brought close to the TM mode resonance frequency and degenerated.

このように直交3軸についてスリットを形成することにより、電磁界の回転対称性を保ち、球面波のモード直交性を維持することができる。   Thus, by forming slits about three orthogonal axes, the rotational symmetry of the electromagnetic field can be maintained and the mode orthogonality of the spherical wave can be maintained.

上記多層球形誘電体共振器102は、例えば核部30に各誘電体層を順にコーティングする方法で多層化し、レーザー加工でスリットを形成することにより作製する。別の工法としては、多層球形誘電体共振器102を半球状態または等分割した形状で構成し、それらを最後に接合することによって作製してもよい。   The multilayer spherical dielectric resonator 102 is manufactured by, for example, forming a multilayer by a method in which each dielectric layer is sequentially coated on the core 30 and forming a slit by laser processing. As another construction method, the multilayer spherical dielectric resonator 102 may be formed in a hemispherical state or in an equally divided shape, and finally joined.

なお、スリットの数や間隙の大きさによって、周方向の実効誘電率を調整できる。   Note that the effective dielectric constant in the circumferential direction can be adjusted by the number of slits and the size of the gap.

図35(A)に示した誘電体層31によるTE11モードとTM11モードの共振により生じる球面波は最低次の球面波であり、特別な扱いが必要である。この例では、核部30を導体球とした共振器で、TE11モードとTM11モードとを縮退させる。   The spherical wave generated by the resonance of the TE11 mode and the TM11 mode by the dielectric layer 31 shown in FIG. 35A is the lowest-order spherical wave and needs special handling. In this example, the TE11 mode and the TM11 mode are degenerated by a resonator having the core 30 as a conductor sphere.

導体の半径をa、誘電体の半径をbとすると境界条件から次数Lの固有値方程式は次の式で与えられる。   If the radius of the conductor is a and the radius of the dielectric is b, the eigenvalue equation of order L is given by the following equation from the boundary condition.

式(4.1)はTEモードの固有値方程式であり、式(4.2)はTMモードの固有値方程式である。ここで関数Fと関数Gは次の式で表される。   Equation (4.1) is an eigenvalue equation of TE mode, and Equation (4.2) is an eigenvalue equation of TM mode. Here, the function F and the function G are expressed by the following expressions.

図36は、誘電体層31の径に対する核部30の径の比である半径比(a / b)を変化させたときの、TE11モードとTM11モードの共振周波数を示す。一例としてεr=18、b=10とした。図中の曲線は式(4.1)および式(4.2)から計算されるものであり、図中の点はFEMで計算した結果である。上記半径比(a / b)が小さいときには、TM11モードの共振周波数の方が高いが、核部(導体球)30の半径比が大きくなると逆転することがわかる。これはTM11モードとTE11モードの共振周波数が一致する点の存在を示唆している。適切な半径比を与えることによりTM11モードとTE11モードとは縮退する。   FIG. 36 shows the resonance frequencies of the TE11 mode and the TM11 mode when the radius ratio (a / b), which is the ratio of the diameter of the core portion 30 to the diameter of the dielectric layer 31, is changed. As an example, εr = 18 and b = 10. The curves in the figure are calculated from the equations (4.1) and (4.2), and the points in the figure are the results calculated by FEM. It can be seen that when the radius ratio (a / b) is small, the resonance frequency of the TM11 mode is higher, but is reversed when the radius ratio of the core (conductor sphere) 30 is increased. This suggests the existence of a point where the resonance frequencies of TM11 mode and TE11 mode match. The TM11 mode and the TE11 mode are degenerated by giving an appropriate radius ratio.

なお、核部に導体を用いても、ダイポールモードは放射Q値が100以下であり小さいため、放射効率に大きな影響を与えない。   Even if a conductor is used for the core, the dipole mode has a radiation Q value of 100 or less and is small, and therefore does not significantly affect the radiation efficiency.

ここで、具体的な特性例を示す。   Here, a specific characteristic example is shown.

TE11、TM11、TE21、TM21の4つのモードが縮退した多層共振器を、FEMを用いて設計した。核部30の直径を7mm、誘電体層31の外径を20mm、誘電体層31の内径を30mm、誘電体層31の外径を50mm、誘電体層31の比誘電率を40、誘電体層31の比誘電率を140とした。各誘電体層に形成するスリット数は半周で9個、スリット幅は1°とした。このときのTE11, TM11, TE21, TM21モードの共振周波数はそれぞれ2.50 GHz, 2.44 GHz, 2.55 GHz, 2.54 GHz となり、100 MHzの範囲で縮退させることができた。各共振器の構造パラメータを最適化することにより、高い縮退度が得られることが期待できる。   A multilayer resonator in which the four modes of TE11, TM11, TE21, and TM21 are degenerated is designed using FEM. The core 30 has a diameter of 7 mm, the dielectric layer 31 has an outer diameter of 20 mm, the dielectric layer 31 has an inner diameter of 30 mm, the dielectric layer 31 has an outer diameter of 50 mm, and the dielectric layer 31 has a relative dielectric constant of 40. The relative dielectric constant of the layer 31 was 140. The number of slits formed in each dielectric layer was nine per half, and the slit width was 1 °. The resonance frequencies of the TE11, TM11, TE21, and TM21 modes at this time were 2.50 GHz, 2.44 GHz, 2.55 GHz, and 2.54 GHz, respectively, and could be degenerated within the range of 100 MHz. It can be expected that a high degree of degeneracy can be obtained by optimizing the structural parameters of each resonator.

図37は上記4つのモードの電界ベクトルの様子を示す図である。各モードの放射Q値はそれぞれ50, 19, 90, 42 となった。共振器の大きさと共振周波数から設計した多層球形誘電体共振器の各モードの実効誘電率を求めると、それぞれ22, 36, 18, 11と求まる。今回の設計例ではコア共振器の比誘電率40と比較してシェル共振器の比誘電率が140と大きくなっているが、スリットの幅をより細かく設定する、あるいは異方性材料を用いることにより、シェル共振器の誘電率は下げることができると考えられる。L=1とL=2の合成球面波の指向性利得から求まる有効開口半径は54 mm である。それに対し、今回設計を行った多層球形誘電体共振器の半径は25 mm である。すなわち、理想的に各モードが合成できた場合、有効開口面積に対して共振器の断面積は約21%の大きさとなった。   FIG. 37 is a diagram showing the state of the electric field vectors in the above four modes. The radiation Q values for each mode were 50, 19, 90, and 42, respectively. The effective dielectric constant of each mode of the multilayer spherical dielectric resonator designed from the resonator size and resonance frequency is obtained as 22, 36, 18, and 11, respectively. In this design example, the relative permittivity of the shell resonator is 140, which is larger than the relative permittivity of the core resonator, but the slit width should be set finer or anisotropic materials should be used. Therefore, it is considered that the dielectric constant of the shell resonator can be lowered. The effective aperture radius obtained from the directivity gain of the composite spherical wave with L = 1 and L = 2 is 54 mm. In contrast, the radius of the multi-layered spherical dielectric resonator designed this time is 25 mm. That is, when each mode was ideally synthesized, the cross-sectional area of the resonator was about 21% of the effective aperture area.

図38は上記多層誘電体共振器に対する給電部の構成例を示す図である。この例では、多層球形誘電体共振器102に対して給電する2つの給電部200TE、200TMを備えている。給電部200TE,200TMの構成は図34に示したものと同様である。給電部200TEの円形導波管50内に設けられている励振素子はTE11、TE21、TE31・・・の各モードで多層球形誘電体共振器102を励振させるための伝搬モードをそれぞれ励振させる。給電部200TEの円形導波管50の外部にはこれらのモード用のコネクタ群52が設けられている。また、給電部200TMの円形導波管50内に設けられている励振素子はTM11、TM21、TM31・・・の各モードで多層球形誘電体共振器102を励振させるための伝搬モードをそれぞれ励振させる。給電部200TMの円形導波管50の外部にはこれらのモード用のコネクタ群52が設けられている。このようにして誘電体線路を介して給電することができる。   FIG. 38 is a diagram showing a configuration example of a power feeding unit for the multilayer dielectric resonator. In this example, two power supply portions 200TE and 200TM that supply power to the multilayer spherical dielectric resonator 102 are provided. The configuration of the power feeding units 200TE and 200TM is the same as that shown in FIG. The excitation elements provided in the circular waveguide 50 of the power feeding unit 200TE excite the propagation modes for exciting the multilayer spherical dielectric resonator 102 in each mode of TE11, TE21, TE31. A connector group 52 for these modes is provided outside the circular waveguide 50 of the power feeding unit 200TE. Further, the excitation elements provided in the circular waveguide 50 of the power supply unit 200TM excite the propagation modes for exciting the multilayer spherical dielectric resonator 102 in the TM11, TM21, TM31... Modes, respectively. . A connector group 52 for these modes is provided outside the circular waveguide 50 of the power feeding unit 200TM. In this way, power can be supplied via the dielectric line.

P…球形誘電体共振器
PR…球形誘電体共振器
R…球形誘電体共振器
U1〜U5…単位アンテナ
11…発振器
12…ハイブリッド回路
13…TE結合プローブ
14…TM結合プローブ
15…プローブ
21…クロスコイル
22…位相/振幅制御回路
23…TE11 結合プローブ
24…TM11 結合プローブ
30…核部
31〜33…誘電体層
40…円形誘電体線路
41…固定材
42…テーパー形状部
50…円形導波管
51…ホーンアンテナ
52…コネクタ群
101,102…多層球形誘電体共振器
200,200TE,200TM…給電部
P ... Spherical dielectric resonator PR ... Spherical dielectric resonator R ... Spherical dielectric resonator U1-U5 ... Unit antenna 11 ... Oscillator 12 ... Hybrid circuit 13 ... TE coupling probe 14 ... TM coupling probe 15 ... Probe 21 ... Cross Coil 22... Phase / amplitude control circuit 23... TE 11 coupling probe 24... TM 11 coupling probe 30... Core 31 to 33. Wave tube 51 ... Horn antenna 52 ... Connector group 101, 102 ... Multilayer spherical dielectric resonator 200, 200TE, 200TM ... Feeding section

Claims (15)

電気多重極を波源としたTM波の作り出す指向性のある電磁ビームと等価な電磁界を発生する擬似多重極を備え、
前記擬似多重極は、球座標系におけるマクスウェル方程式の解の要素である球面調和関数の各次数(l,m=1)に対応する球面電磁波をl=1からl=Lまで前記TM波を重ね合わせ、各次数の電気多重極放射が持つ(l−1)個のサイドローブを打ち消すことを特徴とする擬似多重極アンテナ。
Equipped with a pseudo multipole that generates an electromagnetic field equivalent to a directional electromagnetic beam created by a TM wave using an electric multipole as a wave source,
The pseudo multipole superimposes the TM wave from l = 1 to l = L on the spherical electromagnetic wave corresponding to each order (l, m = 1) of the spherical harmonic function which is an element of the solution of the Maxwell equation in the spherical coordinate system. combined with electrical multipole radiation of each order (l-1) pieces of pseudo multipole antennas, wherein beat extinguishing Succoth sidelobes.
前記擬似多重極は、電磁ビームの指向性利得で与えられる開口面アンテナの有効開口半径よりも小さな半径をもつ回転楕円体面上に構成され、この回転楕円体の中心に電気多重極があるのと等価な電磁界を生じさせる複数の単位アンテナである、請求項1に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole is configured on a spheroid having a radius smaller than the effective aperture radius of the aperture antenna given by the directivity gain of the electromagnetic beam, and the electrical multipole is at the center of the spheroid. The pseudo multipole antenna according to claim 1, wherein the pseudo multipole antenna is a plurality of unit antennas that generate an equivalent electromagnetic field. 前記擬似多重極は、前記電気多重極と等価な電磁界を生じさせる、それぞれTMモードで共振する、複数の誘電体層を有する多層球形誘電体共振器である、請求項1に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole causes the electric multipole equivalent electromagnetic field, respectively resonates in a TM mode, a multi-layered spherical dielectric resonator having a plurality of dielectric layers, the pseudo multi according to claim 1 Polar antenna. 磁気多重極を波源としたTE波の作り出す指向性のある電磁ビームと等価な電磁界を発生する擬似多重極を備え、
前記擬似多重極は、球座標系におけるマクスウェル方程式の解の要素である球面調和関数の各次数(l,m=1)に対応する球面電磁波をl=1からl=Lまで前記TE波を重ね合わせることにより、各次数の磁気多重極放射が持つ(l−1)個のサイドローブを打ち消すことを特徴とする擬似多重極アンテナ。
Equipped with a pseudo multipole that generates an electromagnetic field equivalent to a directional electromagnetic beam created by a TE wave using a magnetic multipole as a wave source,
The pseudo multipole superimposes the TE wave on the spherical electromagnetic wave corresponding to each order (l, m = 1) of the spherical harmonic function which is an element of the solution of the Maxwell equation in the spherical coordinate system from l = 1 to l = L. by combining, with magnetic multipole radiation of each order (l-1) pieces of pseudo multipole antennas, wherein beat extinguishing Succoth sidelobes.
前記擬似多重極は、電磁ビームの指向性利得で与えられる開口面アンテナの有効開口半径よりも小さな半径をもつ回転楕円体面上に構成され、この回転楕円体の中心に磁気多重極があるのと等価な電磁界を生じさせる複数の単位アンテナである、請求項4に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole is configured on a spheroid having a radius smaller than the effective aperture radius of the aperture antenna given by the directivity gain of the electromagnetic beam, and the magnetic multipole is at the center of the spheroid. The pseudo multipole antenna according to claim 4, which is a plurality of unit antennas that generate an equivalent electromagnetic field. 前記擬似多重極は、前記磁気多重極と等価な電磁界を生じさせる、それぞれTEモードで共振する、複数の誘電体層を有する多層球形誘電体共振器である、請求項4に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole, the resulting magnetic multipole equivalent electromagnetic field, respectively resonate in a TE mode, a multi-layered spherical dielectric resonator having a plurality of dielectric layers, the pseudo multi according to claim 4 Polar antenna. 電気多重極および磁気多重極を波源とした、TM波およびTE波の作り出す指向性のある電磁ビームと等価な電磁界により、半空間に電磁放射を行う擬似多重極を備え、
前記擬似多重極は、球座標系におけるマクスウェル方程式の解の要素である球面調和関数の各次数(l,m=1)に対応する球面電磁波をl=1からl=Lまで前記TE波と前記TM波とをセットにして重ね合わせ、各次数の電気多重極放射および磁気多重極放射が持つ(l−1)個のサイドローブを打ち消すことを特徴とする擬似多重極アンテナ。
Equipped with a pseudo multipole that emits electromagnetic radiation in a half space by an electromagnetic field equivalent to a directional electromagnetic beam created by a TM wave and a TE wave using an electric multipole and a magnetic multipole as a wave source,
Wherein the pseudo multipole, each order (l, m = 1) of the spherical harmonics is an element of the solutions of Maxwell's equations in spherical coordinates corresponding spherical waves from l = 1 to l = L the TE wave to the superimposed by a TM wave in the set, having electrical multipole radiation and magnetic multipole radiation of each order (l-1) pieces of pseudo multipole antennas, wherein beat extinguishing Succoth sidelobes.
前記擬似多重極は、電磁ビームの指向性利得で与えられる開口面アンテナの有効開口半径よりも小さな半径をもつ回転楕円体面上に構成され、この回転楕円体の中心に電気多重極および磁気多重極があるのと等価な電磁界を生じさせる複数の単位アンテナである、請求項7に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole is configured on a spheroid having a radius smaller than the effective aperture radius of the aperture antenna given by the directivity gain of the electromagnetic beam, and an electric multipole and a magnetic multipole at the center of the spheroid. The pseudo multipole antenna according to claim 7 , wherein the antenna is a plurality of unit antennas that generate an electromagnetic field equivalent to the presence of the antenna. 前記単位アンテナは多重モードの誘電体共振器である、請求項またはに記載の擬似多重極アンテナ。 The unit antenna is a dielectric resonator multimode, pseudo multipole antenna according to claim 2, 5 or 8. 前記誘電体共振器は、TE11の2重モードおよびTM11 の2重モードで共振する球形誘電体共振器である、請求項に記載の擬似多重極アンテナ。 The quasi-multipole antenna according to claim 9 , wherein the dielectric resonator is a spherical dielectric resonator that resonates in a TE 11 dual mode and a TM 11 dual mode. 記誘電体共振器は、核部と外殻部とで誘電率が異なり、TEモードとTMモードとが縮退した球形誘電体共振器である、請求項に記載の擬似多重極アンテナ。 Before Ki誘 collector resonators have different dielectric constant between the core portion and the outer shell, a spherical dielectric resonator and the TE and TM modes are degenerate, pseudo multipole antenna according to claim 9. 記誘電体共振器は、核部が金属、外殻部が誘電体であり、TEモードとTMモードとが縮退した球形誘電体共振器である、請求項に記載の擬似多重極アンテナ。 Before Ki誘 collector resonator, a core portion is metal, the outer shell is dielectric, a spherical dielectric resonator and the TE and TM modes are degenerate, pseudo multipole antenna according to claim 9 . 前記擬似多重極は、前記電気多重極と等価な球面電磁波を生じさせる、それぞれTMモードの共振と、前記磁気多重極と等価な球面電磁波を生じさせる、それぞれTEモードの共振とが縮退した、複数の誘電体層を有する多層球形誘電体共振器である、請求項7に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole generates a spherical electromagnetic wave equivalent to the electric multipole, each of a TM mode resonance and a spherical electromagnetic wave equivalent to the magnetic multipole, each of which degenerates a TE mode resonance. The quasi-multipole antenna according to claim 7, which is a multilayer spherical dielectric resonator having a plurality of dielectric layers. 前記多層球形誘電体共振器の前記誘電体層は径方向と周方向とで誘電率が異なる、請求項13に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole antenna according to claim 13 , wherein the dielectric layer of the multilayer spherical dielectric resonator has a dielectric constant different between a radial direction and a circumferential direction. 前記誘電体層に径方向に延びるスリットが形成され、このスリットによって前記誘電体層は径方向と周方向とで誘電率が異なっている、請求項14に記載の擬似多重極アンテナ。 The pseudo multipole antenna according to claim 14 , wherein a slit extending in a radial direction is formed in the dielectric layer, and the dielectric constant of the dielectric layer is different between the radial direction and the circumferential direction by the slit.
JP2013032691A 2012-02-29 2013-02-22 Pseudo multipole antenna Active JP6108158B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013032691A JP6108158B2 (en) 2012-02-29 2013-02-22 Pseudo multipole antenna

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012043739 2012-02-29
JP2012043739 2012-02-29
JP2013032691A JP6108158B2 (en) 2012-02-29 2013-02-22 Pseudo multipole antenna

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013211841A JP2013211841A (en) 2013-10-10
JP6108158B2 true JP6108158B2 (en) 2017-04-05

Family

ID=49529279

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013032691A Active JP6108158B2 (en) 2012-02-29 2013-02-22 Pseudo multipole antenna

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6108158B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6554686B2 (en) * 2015-04-14 2019-08-07 国立大学法人京都大学 Phased array antenna design method, phased array antenna and power transmission system
US11283189B2 (en) 2017-05-02 2022-03-22 Rogers Corporation Connected dielectric resonator antenna array and method of making the same
DE112018002940T5 (en) * 2017-06-07 2020-02-20 Rogers Corporation Dielectric resonator antenna system
CN107765106A (en) * 2017-11-17 2018-03-06 中国信息通信研究院 A kind of probe consistency detection system for Multi probe sphere near field
US11616302B2 (en) 2018-01-15 2023-03-28 Rogers Corporation Dielectric resonator antenna having first and second dielectric portions
US11552390B2 (en) * 2018-09-11 2023-01-10 Rogers Corporation Dielectric resonator antenna system
US11637377B2 (en) 2018-12-04 2023-04-25 Rogers Corporation Dielectric electromagnetic structure and method of making the same
US11482790B2 (en) 2020-04-08 2022-10-25 Rogers Corporation Dielectric lens and electromagnetic device with same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7710325B2 (en) * 2006-08-15 2010-05-04 Intel Corporation Multi-band dielectric resonator antenna
US7619754B2 (en) * 2007-04-20 2009-11-17 Riel Ryan D Curved sensor array apparatus and methods
JP5555936B2 (en) * 2009-08-14 2014-07-23 国立大学法人京都工芸繊維大学 Microwave resonator device, adjustment method thereof, and antenna device using the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013211841A (en) 2013-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6108158B2 (en) Pseudo multipole antenna
Abdalrazik et al. A three-port MIMO dielectric resonator antenna using decoupled modes
Shinohara Wireless power transfer via radiowaves
Shen et al. Generating circularly polarized vortex electromagnetic waves by the conical conformal patch antenna
Li et al. Realization of third-order OAM mode using ring patch antenna
Barbuto et al. Exploiting the topological robustness of composite vortices in radiation systems
Yu et al. Wideband circularly polarized high-order bessel beam reflectarray design using multiple-ring-cascade elements
WO2013116249A1 (en) Wireless communications device having loop waveguide transducer with spaced apart coupling points and associated methods
Yang et al. Broad-band multiple OAMs’ generation with eight-arm Archimedean spiral antenna (ASA)
CN107026321A (en) A kind of broad beam plane circular polarized antenna
Ma et al. Broadband vortex beams generation with narrow divergence angle using polarization insensitive metasurface
Rao et al. Generation of dual‐band OAM beam using planar uniform circular array for vehicular communications
Mrnka et al. Antenna range illuminator based on a septum polarizer and a dual-mode horn [measurements corner]
Zhong et al. Generation of broadband high-modal and high-purity OAM using PB phase metasurface
Huang et al. Wideband Multifunctional Bessel Beams by High Efficiency Spin-Decoupled Metasurface for Near field Applications.
Dhanade et al. Multi-mode orbital angular momentum (OAM) antenna array
Shafai et al. Circularly polarized antennas
Wei et al. Two monopole antennas for generating radio OAM waves in circular waveguide
EP4533633A1 (en) Systems and method for worldwide energy matrix (wem)
Wang et al. Double-OAM-mode generation by octagonal microstrip ring antenna
Chen et al. Orbital angular momentum mode multiplexing with half-mode substrate integrated waveguide antenna
Shafai et al. Circularly polarized antennas
Tang et al. A Pattern Synthesis Method for Multiple Modes OAM-UCA with Equal Divergence Angle
AbuHamad et al. Design an OAM Reconfigurable Printed Antenna for Wireless Applications
Barros et al. Circularly Polarized Fractal Array Carrying OAM Generated from Characteristic Modes Analysis

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151013

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20151014

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161122

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170119

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170214

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170222

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6108158

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350