JP7652443B2 - Planar Antenna - Google Patents
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Description
本発明は、平面アンテナに関する。 The present invention relates to a planar antenna.
アンテナ設計においてトポロジー最適化手法は、広い周波数帯や複数の離れた周波数で効率よく送受信できる放射体の形状設計に適用されている(例えば、非特許文献1参照)。
例えば、非特許文献2には、放射体に伸縮可能で構造安全点が3箇所あるラティス構造を採用して全長を変える適応構造の概念を取り入れ、2つの周波数に対応できるヘリカルアンテナが開示されている。
平面アンテナとしては、基板材が単一材で埋め尽くされたものが一般的である。例えば、位相最適化を用いて基板材の粗密を最適化し、広い周波数帯域でのアンテナ特性向上と軽量化とを実現した研究がある(例えば、非特許文献3参照)。
例えば、非特許文献4では、構造強度特性の向上(コンプライアンス最小化)を目的とした位相最適化を平面アンテナの基板材に適用し、アンテナに向かないとされる誘電正接の高い材料について、アンテナの利得値の大幅な向上が得られることが報告されている。
In antenna design, topology optimization techniques are applied to the design of radiator shapes that can efficiently transmit and receive signals over a wide frequency band or at multiple distant frequencies (see, for example, Non-Patent Document 1).
For example,
In general, planar antennas are made of a single material that covers the entire substrate. For example, there is research that uses phase optimization to optimize the density of the substrate, improving antenna characteristics over a wide frequency band and reducing the weight (see, for example, Non-Patent Document 3).
For example, Non-Patent
ところで、平面アンテナに形状変形・回復機能を持たせる技術が要求されている。しかし、非特許文献1から4のいずれにも、上記の技術は開示されていない。
There is a demand for technology that allows planar antennas to have the ability to deform and recover their shape. However, none of
そこで本発明は、形状変形・回復機能を持つ平面アンテナを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a planar antenna that has the ability to deform and recover its shape.
本発明の一態様に係る平面アンテナは、第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有する誘電体層と、前記第1面に配置されたアンテナ導体層と、前記第2面に配置されたグランド導体層と、を備え、前記誘電体層は、形状記憶ポリマーを主成分として構成される。 A planar antenna according to one aspect of the present invention includes a dielectric layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface, an antenna conductor layer disposed on the first surface, and a ground conductor layer disposed on the second surface, and the dielectric layer is composed primarily of a shape memory polymer.
上記態様によれば、形状変形・回復機能を持つ平面アンテナを提供することができる。 The above aspect makes it possible to provide a planar antenna that has the ability to deform and recover its shape.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。実施形態においては、平面アンテナの一例として、形状記憶ポリマー(SMP: Shape Memory Polymer)を用いた適応型高剛性超軽量平面アンテナの例を挙げて説明する。例えば、本実施形態の平面アンテナは、宇宙太陽光発電システム(SSPS: Space Solar Power Systems)の実現に向けて、マイクロ波やレーザー光による無線エネルギー伝送技術、宇宙空間における大型構造物の構造技術等に供される。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the embodiments, an adaptive, highly rigid, and extremely lightweight planar antenna using a shape memory polymer (SMP) will be described as an example of a planar antenna. For example, the planar antenna of this embodiment can be used in wireless energy transmission technology using microwaves or laser light, structural technology for large structures in space, and the like, toward the realization of Space Solar Power Systems (SSPS).
以下の説明において、例えば「平行」や「直交」、「中心」、「同軸」等の相対的又は絶対的な配置を示す表現は、厳密にそのような配置や状態を意味するのみならず、公差や同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している配置や状態をも含むものとする。以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更して示す場合がある。 In the following description, expressions indicating relative or absolute arrangements, such as "parallel," "orthogonal," "center," and "coaxial," do not only mean such arrangements or states strictly, but also include arrangements or states in which there is a relative displacement with an angle or distance that allows tolerance or the same function to be obtained. In the drawings used in the following description, the scale of each component may be changed as appropriate to make each component recognizable.
<平面アンテナ>
図1は、実施形態に係る平面アンテナ1の斜視図である。図2は、実施形態に係る平面アンテナ1の平面図である。図3は、実施形態に係る平面アンテナ1の放射パターンの一例を示す図である。
図1から図3を併せて参照し、平面アンテナ1は、誘電体層2、アンテナ導体層3及びグランド導体層4を備える。例えば、平面アンテナ1は、熱又は外力が作用していないときには平面形状を有し、熱又は外力が作用した場合には変形し得るように構成されている。
<Planar antenna>
Fig. 1 is a perspective view of a
1 to 3, the
図示はしないが、平面アンテナ1は、アンテナ導体層3に給電するための給電線を更に備えてもよい。例えば、給電線は、アンテナ導体層3に接続される一方の端部(給電点に相当)と、不図示の外部装置に接続される給電端である他方の端部と、を有する。
Although not shown, the
図の例では、平面アンテナ1は、平面視矩形状を有する。例えば、平面アンテナ1は、平面視正方形の板状に形成される。なお、平面アンテナ1の平面視形状は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。
In the example shown in the figure, the
例えば、平面アンテナ1の厚さは、10mm以上90mm以下である。図の例では、平面アンテナ1の厚さは、30mm程度である。平面アンテナ1の厚さは、誘電体層2の厚さと、アンテナ導体層3の厚さと、グランド導体層4の厚さと、を足し合わせた厚さに相当する。なお、平面アンテナ1の厚さは、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。
For example, the thickness of the
例えば、平面アンテナ1は、全体としてフレキシブル性を有してもよい。例えば、平面アンテナ1は、全体として円筒の側面のように湾曲できるように構成されてもよい。例えば、平面アンテナ1は、折り畳むことが可能に柔軟な弾性特性を有して構成されてもよい。
For example, the
<誘電体層>
誘電体層2は、誘電体を主成分とする層状の基材である。誘電体層2は、アンテナ導体層3とグランド導体層4との間隔を一定に保つ役割を持つ。誘電体層2は、第1面11と、第1面11とは反対側の第2面12と、を有する。第1面11は、誘電体層2の厚さ方向の一方側の面に相当する。第2面12は、誘電体層2の厚さ方向の他方側の面に相当する。第1面11及び第2面12は、互いに平行である。
<Dielectric Layer>
The
誘電体層2は、形状記憶ポリマーを主成分として構成される。主成分とは、材料全質量を基準として、50wt%以上である成分をいう。例えば、誘電体層2は、80wt%以上の形状記憶ポリマーを含んで形成されることが好ましく、90wt%以上の形状記憶ポリマーを含んで形成されることがより好ましい。なお、誘電体層2に含まれる形状記憶ポリマーの割合は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。
The
形状記憶ポリマーは、以下(1)から(5)の特徴を持つ。
(1)融点以上で成形された形状を記憶する。
(2)造形後、ガラス転移温度Tg以上に温まるとやわらかくなる。
(3)やわらかくなった造形物は、形状の変形・調整が可能である。
(4)変形させた状態で冷ますと、形状固定する。
(5)再び温めることで、やわらかくなると共に、記憶した元形状に戻る。
Shape memory polymers have the following characteristics (1) to (5).
(1) The shape molded at or above the melting point is memorized.
(2) After shaping, it becomes soft when heated above its glass transition temperature Tg.
(3) Once the object has softened, its shape can be modified and adjusted.
(4) When cooled in the deformed state, the shape is fixed.
(5) When heated again, it softens and returns to its original shape.
例えば、形状記憶ポリマーとしては、ポリウレタン系形状記憶ポリマーが挙げられる。例えば、誘電体層2は、ポリウレタン系形状記憶ポリマーで形成される。なお、誘電体層2の形成材料は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。
For example, an example of a shape memory polymer is a polyurethane-based shape memory polymer. For example, the
誘電体層2の少なくとも一部は、中空構造15を有する。中空構造15は、誘電体層2の内部に空気を含んだ状態で形成された構造であり、誘電体層2の肉抜き部分に相当する。平面視で、誘電体層2は、少なくともアンテナ導体層3と重なる部位に、中実構造16を有する。中実構造16は、誘電体層2自体が存在する構造であり、誘電体層2において肉抜き部分以外の部分に相当する。
At least a portion of the
誘電体層2は、第1面11を有する第1層21と、第2面12を有する第2層22と、第1層21と第2層22との間に配置される中間層23と、を含む。平面視で、第1層21及び第2層22は、互いに同じ大きさの矩形状である。平面視で、中間層23は、少なくともアンテナ導体層3と重なる部位に中実構造16を有する。平面視で、中間層23は、アンテナ導体層3と重ならない部位に中空構造15を有する。
The
図の例では、平面視で、誘電体層2は、正方形である。例えば、誘電体層2を構成する第1層21及び第2層22の各々は、平面視正方形のシート状に形成される。例えば、中空構造15の少なくとも一部は、誘電体層2の中心を対称軸として4回対称の位置に配置される。
In the example shown in the figure, the
誘電体層2の厚さは、10mm以上30mm以下である。誘電体層2の厚さは、第1層21の第1面11と第2層22の第2面12との間隔に相当する。例えば、誘電体層2の厚さは、15mm以上25mm以下であることがより好ましい。なお、誘電体層2の厚さは、上記に限らず、平面アンテナ1がアンテナとして機能し得る範囲で、設計仕様に応じて変更することができる。
The thickness of the
例えば、誘電体層2は、形状記憶ポリマーのフィラメントを用いて、3Dプリンタで形成される。例えば、誘電体層2は、形状記憶ポリマーの粉末を用いて、レーザー焼結で形成されてもよい。なお、誘電体層2の形成方法は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。
For example, the
<アンテナ導体層>
アンテナ導体層3は、外部から照射された電波を電流に変換し、又は、給電された電流を外部に放射する電波に変換する役割を持つ。アンテナ導体層3は、誘電体層2の第1面11に配置される。平面視で、アンテナ導体層3は、第1面11の中央に配置される。平面視で、アンテナ導体層3は、第1層21よりも小さい大きさの矩形状である。
<Antenna conductor layer>
The
例えば、アンテナ導体層3は、銅等の金属(導体の一例)で形成される。なお、アンテナ導体層3は、上記に限らず、金、銀、アルミニウム、白金、クロム等で形成されてもよい。例えば、アンテナ導体層3の形成材料は、設計仕様に応じて変更することができる。
For example, the
アンテナ導体層3の厚さは、10μm以上30μm以下である。例えば、アンテナ導体層3の厚さは、15μm以上25μm以下であることがより好ましい。なお、アンテナ導体層3の厚さは、上記に限らず、平面アンテナ1がアンテナとして機能し得る範囲で、設計仕様に応じて変更することができる。
The thickness of the
例えば、アンテナ導体層3は、誘電体層2の第1面11に、メッキ又は印刷等の方法で形成される。なお、アンテナ導体層3の形成方法は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。
For example, the
<グランド導体層>
グランド導体層4は、誘電体層2の第2面12に配置される。グランド導体層4は、誘電体層2を介して、アンテナ導体層3に対向して配置される。グランド導体層4は、アンテナ導体層3が動作する際にグランド(GND)として機能する。平面視で、グランド導体層4は、第2層22と同じ大きさの矩形状である。
<Ground conductor layer>
The
例えば、グランド導体層4は、銅等の金属(導体の一例)で形成される。なお、グランド導体層4は、上記に限らず、金、銀、アルミニウム、白金、クロム等で形成されてもよい。例えば、グランド導体層4の形成材料は、設計仕様に応じて変更することができる。
For example, the
グランド導体層4の厚さは、10μm以上30μm以下である。例えば、グランド導体層4の厚さは、15μm以上25μm以下であることがより好ましい。なお、グランド導体層4の厚さは、上記に限らず、平面アンテナ1がアンテナとして機能し得る範囲で、設計仕様に応じて変更することができる。
The thickness of the
例えば、グランド導体層4は、誘電体層2の第2面12に、銅箔フィルムを貼り付けて形成される。例えば、グランド導体層4は、誘電体層2の第2面12に、メッキ又は印刷等の方法で形成されてもよい。なお、グランド導体層4の形成方法は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。
For example, the
<形状変形・回復機能>
本実施形態の平面アンテナ1は、形状変形・回復機能を持つ。上述の通り、誘電体層2は、形状記憶ポリマーを主成分として構成される。そのため、形状記憶ポリマーの温度遷移点以上の加熱及び外力によって、平面アンテナ1を任意の形状に変形させることができる。加えて、形状記憶ポリマーの温度遷移点以上の加熱によって、平面アンテナ1を元の形状に回復させることができる。
<Shape transformation and recovery function>
The
形状記憶ポリマーの温度遷移点は、形状記憶ポリマーのガラス転移温度Tgに相当する。形状記憶ポリマーの弾性率は、ガラス転移温度Tgの前後の温度において大きく異なる。形状記憶ポリマーの弾性率は、Tg以下の温度では相対的に高くなり、Tg以下の温度では相対的に低くなる。形状記憶ポリマーの弾性率は、温度に依存する。 The temperature transition point of a shape memory polymer corresponds to the glass transition temperature Tg of the shape memory polymer. The elastic modulus of a shape memory polymer differs greatly at temperatures before and after the glass transition temperature Tg. The elastic modulus of a shape memory polymer is relatively high at temperatures below Tg and relatively low at temperatures below Tg. The elastic modulus of a shape memory polymer depends on temperature.
形状記憶ポリマーは、Tgに対し所定温度超過の高温では小さな応力で容易に変形する。この場合、最大ひずみを一定に拘束し、Tgに対し所定温度未満の低温まで冷却すると、熱収縮に対する抵抗として応力が増加する(回復応力)。この状態から低温のままで除荷すると、高弾性率のために最大ひずみと実質的に等しい残留ひずみが得られる(形状固定性)。一方、低温除荷の状態から無負荷の下で、Tgに対し所定温度超過の高温まで加熱すると、ひずみは消滅し、元の形状に戻る(形状回復性)。 Shape memory polymers are easily deformed by small stresses at high temperatures above the Tg. In this case, if the maximum strain is held constant and the polymer is cooled to a low temperature below the Tg, the stress increases as a resistance to thermal contraction (recovery stress). If the polymer is unloaded from this state while still at a low temperature, a residual strain substantially equal to the maximum strain is obtained due to the high elastic modulus (shape fixity). On the other hand, if the polymer is heated from the low-temperature unloaded state to a high temperature above the Tg under no load, the strain disappears and the polymer returns to its original shape (shape recovery).
このように、形状記憶ポリマーは、形状固定性及び形状回復性を持つ。すなわち、形状記憶ポリマーは、Tg超過の温度で変形させた形状を保持したままTg未満に冷却すると、その形状で固化する。再びTg超過の温度に加熱すると、記憶された形状に戻る。 Thus, shape memory polymers have shape fixity and shape recovery properties. That is, when a shape memory polymer is cooled below the Tg while retaining the shape it has been deformed into at a temperature above the Tg, it solidifies in that shape. When it is heated again to a temperature above the Tg, it returns to the memorized shape.
<トポロジーの最適化>
以下、トポロジーの最適化の概要について説明する。トポロジー最適化の基本的な考え方は、構造設計問題を固定設計領域内の材料分布問題として定式化することである。つまり、寸法の問題や形状の問題とは異なり、設計空間に穴を開けることが可能である。
<Topology optimization>
Below is an overview of topology optimization. The basic idea of topology optimization is to formulate a structural design problem as a material distribution problem within a fixed design domain. In other words, unlike size and shape problems, it is possible to drill holes in the design space.
図4は、実施形態に係るトポロジー最適化の説明図である。図の例では、目的関数が平均コンプライアンス、設計変数が体積密度、制約条件が体積である例を示す。図においては、Dは設計領域、Ωdは設計領域、ΧΩは設計変数、Γは境界をそれぞれ示す。 4 is an explanatory diagram of topology optimization according to an embodiment. In the example shown in the figure, the objective function is the average compliance, the design variable is the volume density, and the constraint condition is the volume. In the figure, D indicates the design domain, Ωd indicates the design domain, XΩ indicates the design variable, and Γ indicates the boundary.
このとき、最適構造として求められた元の設計領域Ωdを含む拡張固定設計領域Dと、以下の式(1)に示す0と1の離散化値を持つ特性関数ΧΩ(Χ)を導入する。 In this case, an extended fixed design domain D including the original design domain Ωd obtained as the optimal structure and a characteristic function X Ω (X) having discretized values of 0 and 1 shown in the following equation (1) are introduced.
この特性関数を決定する目的関数を定義し、任意の制約を与えて最小化(または最大化)する問題は、以下の式(2)で表される。式(2)において、uは変位ベクトル、Kは剛性マトリックス、ρは誘電体の材料密度、Fは負荷、MCは拘束された質量をそれぞれ示す。 The problem of defining an objective function that determines this characteristic function and minimizing (or maximizing) it under arbitrary constraints is expressed by the following equation (2): In equation (2), u is a displacement vector, K is a stiffness matrix, ρ is the material density of the dielectric material, F is a load, and M is a constrained mass.
これにより、最適な形状・形状を表現することが可能となる。
なお、場合によっては、特性関数で表される最適構造が0と1が交互に並ぶ、製造が困難な市松模様が得られることがある。
This allows for the expression of optimal shapes and forms.
In some cases, the optimum structure represented by the characteristic function may result in a checkerboard pattern of alternating 0s and 1s, which is difficult to manufacture.
このため、設計空間を緩和する必要があり、例えば下記の非特許文献5では均質化法、下記の非特許文献6では密度法 といった手法がそれぞれ提案されている。 For this reason, it is necessary to relax the design space; for example, the homogenization method is proposed in the non-patent literature 5 below, and the density method is proposed in the non-patent literature 6 below.
[非特許文献5]Bendsoee, M. P. and Kikuchi, N., Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.71, No.2 (1988), pp.197-224. [Non-patent Document 5] Bendsoee, M. P. and Kikuchi, N., Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.71, No.2 (1988), pp.197-224.
[非特許文献6]Bendsoee, M. P., Optimal shape design as a material distribution problem, Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol.1, No.4 (1989), pp.193-202. [Non-patent Document 6] Bendsoee, M. P., Optimal shape design as a material distribution problem, Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol.1, No.4 (1989), pp.193-202.
密度法では、特性関数を、連続値をとる設計変数に緩和する。例えば、密度法の一つであるSIMP法では、緩和前の弾性率E、設計変数ρ、ペナルティ係数pを用いて明確な材料分布構造を求め、弾性を仮定して材料分布を表現する。緩和後の弾性率EHは、以下の式(3)で表される。 In the density method, the characteristic function is relaxed to a design variable that takes a continuous value. For example, in the SIMP method, which is one of the density methods, a clear material distribution structure is obtained using the elastic modulus E before relaxation, the design variable ρ, and the penalty coefficient p, and the material distribution is expressed by assuming elasticity. The elastic modulus EH after relaxation is expressed by the following formula (3).
ここでの設計変数は、0から1までの連続値をとる正規化された一時的な材料密度である。値が0に近づくほど、材料の密度は低くなる。値が1に近づくほど、材料の密度が高くなる。ここでは、目的関数として物体の変形しやすさである平均コンプライアンスを採用する。そして、平均コンプライアンスを最小限に抑えることで、静剛性を最大化する構造分布が得られる。目的関数の設計変数に関する感度は、以下の式(4)で表される。式(4)において、K(d)の「d」は、Kが微分可能であることを示す。 The design variable here is the normalized temporary material density, which takes continuous values from 0 to 1. The closer the value is to 0, the lower the density of the material. The closer the value is to 1, the higher the density of the material. Here, the average compliance, which is the ease with which an object deforms, is adopted as the objective function. Then, by minimizing the average compliance, a structural distribution that maximizes static stiffness is obtained. The sensitivity of the objective function with respect to the design variable is expressed by the following equation (4). In equation (4), "d" in K(d) indicates that K is differentiable.
<作用効果>
以上説明したように、本実施形態の平面アンテナ1は、第1面11と、第1面11とは反対側の第2面12と、を有する誘電体層2と、第1面11に配置されたアンテナ導体層3と、第2面12に配置されたグランド導体層4と、を備える。誘電体層2は、形状記憶ポリマーを主成分として構成される。
この構成によれば、誘電体層2が形状記憶ポリマーを主成分として構成されることで、形状記憶ポリマーの温度遷移点以上の加熱及び外力によって、平面アンテナ1を任意の形状に変形させることができる。加えて、形状記憶ポリマーの温度遷移点以上の加熱によって、平面アンテナ1を元の形状に回復させることができる。したがって、形状変形・回復機能を持つ平面アンテナ1を提供することができる。
<Action and effect>
As described above, the
According to this configuration, since the
本実施形態では、誘電体層2の少なくとも一部は、中空構造15を有する。
この構成によれば、誘電体層2の全部が中実である場合と比較して、軽量化することができる。
In this embodiment, at least a portion of the
This configuration can reduce the weight compared to a case where the
本実施形態では、平面視で、誘電体層2は、少なくともアンテナ導体層3と重なる部位に、中実構造16を有する。
一般に、位相最適化は基本的に剛性が下がる手法である。この構成によれば、平面視で誘電体層2がアンテナ導体層3と重なる部位に中実構造16を有するため、多少の剛性低下という犠牲は受け入れつつ、質量を大幅に削減することができる。
In this embodiment, the
Generally, topology optimization is a technique that basically reduces rigidity. According to this configuration, since the
本実施形態では、誘電体層2は、第1面11を有する第1層21と、第2面12を有する第2層22と、第1層21と第2層22との間に配置される中間層23を含む。
この構成によれば、誘電体層2が第1層21、第2層22及び中間層23を含む積層構造となる。
In this embodiment, the
According to this configuration, the
本実施形態では、平面視で、中間層23は、アンテナ導体層3と重なる部位に中実構造16を有し、かつ、アンテナ導体層3と重ならない部位に中空構造15を有する。
この構成によれば、アンテナ導体層3の変形を抑えつつ軽量化を実現することができる。
In this embodiment, the intermediate layer 23 has a
According to this configuration, it is possible to suppress deformation of the
本実施形態では、平面視で、第1層21及び第2層22は、互いに同じ大きさの矩形状である。平面視で、アンテナ導体層3は、第1面11の中央に配置され、かつ、第1層21よりも小さい大きさの矩形状である。平面視で、グランド導体層4は、第2層22と同じ大きさの矩形状である。
この構成によれば、平面アンテナ1として高剛性及び軽量化を図る上で、好適な形状を実現することができる。
In this embodiment, the
According to this configuration, it is possible to realize a shape suitable for achieving high rigidity and light weight for the
本実施形態では、平面視で、誘電体層2は、正方形である。中空構造15の少なくとも一部は、誘電体層2の中心を対称軸として4回対称の位置に配置される。
この構成によれば、平面アンテナ1として高剛性及び軽量化を図る上で、より好適な形状を実現することができる。
In this embodiment, the
According to this configuration, it is possible to realize a shape that is more suitable for achieving high rigidity and light weight for the
本実施形態では、アンテナ導体層3及びグランド導体層4の各々の厚さは、10μm以上30μm以下である。
この構成によれば、平面アンテナ1として高剛性及び軽量化を図る上で、更に好適な形状を実現することができる。
In this embodiment, the
According to this configuration, it is possible to realize a shape that is more suitable for achieving high rigidity and light weight for the
本実施形態の平面アンテナ1は、誘電体層2が形状記憶ポリマーを主成分として構成されることで、形状記憶ポリマーの温度遷移点以上の加熱及び外力によって任意の形状に変形することができ、さらに形状記憶ポリマーの温度遷移点以上の加熱によって元の形状に回復することが可能となる。そのため、例えば、ロケット内の空間が限られる狭空間に合うように平面アンテナ1を加熱変形させ、畳んで収納しておくことができる。例えば、軌道投入後に必要な場所での加熱によって、畳まれた平面アンテナ1を展開するという使い方が可能となる。さらには、平面アンテナ1自身の形状回復作用がアクチュエータの役割を果たすことによって、これまでの展開支持部に搭載するためのサイズ制限や搭載位置の制限といった制約を外すことが可能になる。
In the
例えば、発電システムや無線伝送システム等の宇宙システムを搭載する大型宇宙構造物は、主に構造物の表面全体に広げられたマイクロ波アレイアンテナで構成される。そのため、上記の表面全体を本実施形態の平面アンテナ1で構成することで、大型宇宙構造物の総重量の軽量化が可能となる。
For example, large space structures that carry space systems such as power generation systems and wireless transmission systems are mainly composed of microwave array antennas spread across the entire surface of the structure. Therefore, by constructing the entire surface with the
一般に、平面アンテナを構成する誘電体は、平面アンテナ全体の構造質量の大部分を占める。これに対し本実施形態によれば、誘電体層2が中空構造15を持つため、平面アンテナ1の総重量の軽量化を図る上で実益が大きい。
In general, the dielectric material that constitutes a planar antenna accounts for a large portion of the structural mass of the entire planar antenna. In contrast, according to this embodiment, the
一方、システムには平面精度が要求されるため、構造の剛性は可能な限り損なわれないようにする必要がある。本実施形態によれば、誘電体のトポロジーの最適化を実行した平面アンテナ1を適用することで、軽量化を図りつつ、構造の剛性を維持することが可能となる。
On the other hand, because the system requires planar precision, it is necessary to prevent the structural rigidity from being impaired as much as possible. According to this embodiment, by applying a
例えば、平面アンテナを衛星構造物に搭載した場合、周囲の構造物からの反射によりアンテナ利得が低下する可能性が高い。そのため、アンテナ利得の最大化を図る必要があり、アンテナ単体の利得をできるだけ上げることが要求される。本実施形態によれば、上記のトポロジーの最適化を実行した平面アンテナ1を適用することで、軽量化を図りつつ構造の剛性を維持した上で、さらにアンテナ利得の最大化を図ることが可能となる。
For example, if a planar antenna is mounted on a satellite structure, there is a high possibility that the antenna gain will decrease due to reflections from surrounding structures. For this reason, it is necessary to maximize the antenna gain, and it is required to increase the gain of the antenna itself as much as possible. According to this embodiment, by applying the
<変形例>
上述した実施形態では、誘電体層の少なくとも一部は、中空構造を有する例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、誘電体層の全部は、中実構造を有してもよい。例えば、誘電体層の構成態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
<Modification>
In the above-described embodiment, an example has been described in which at least a part of the dielectric layer has a hollow structure, but this is not limited thereto. For example, the entire dielectric layer may have a solid structure. For example, the configuration of the dielectric layer may be changed according to design specifications.
上述した実施形態では、平面視で、誘電体層は、少なくともアンテナ導体層と重なる部位に、中実構造を有する例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、平面視で、誘電体層は、アンテナ導体層と重なる部位全体に中空構造を有してもよい。例えば、平面視で誘電体層がアンテナ導体層と重なる部位の構成態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the dielectric layer has a solid structure at least in the portion that overlaps with the antenna conductor layer in a planar view, but this is not limited to this. For example, the dielectric layer may have a hollow structure over the entire portion that overlaps with the antenna conductor layer in a planar view. For example, the configuration of the portion where the dielectric layer overlaps with the antenna conductor layer in a planar view can be changed according to the design specifications.
上述した実施形態では、誘電体層は、第1面を有する第1層と、第2面を有する第2層と、第1層と第2層との間に配置される中間層と、を含む例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、誘電体層は、第1層、第2層及び中間層のうちの何れかを含まなくてもよい。例えば、誘電体層は、単層構造であってもよい。例えば、誘電体層の層構造は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the above-described embodiment, the dielectric layer includes a first layer having a first surface, a second layer having a second surface, and an intermediate layer disposed between the first layer and the second layer, but the present invention is not limited to this. For example, the dielectric layer may not include any of the first layer, the second layer, and the intermediate layer. For example, the dielectric layer may have a single-layer structure. For example, the layer structure of the dielectric layer can be changed according to the design specifications.
上述した実施形態では、平面視で、中間層は、アンテナ導体層と重なる部位に中実構造を有し、かつ、アンテナ導体層と重ならない部位に中空構造を有する例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、平面視で、中間層は、アンテナ導体層と重なる部位に中空構造を有してもよい。例えば、平面視で中間層がアンテナ導体層と重なる部位の構成態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the intermediate layer has a solid structure in a portion that overlaps with the antenna conductor layer in a planar view, and a hollow structure in a portion that does not overlap with the antenna conductor layer, but this is not limited thereto. For example, the intermediate layer may have a hollow structure in a portion that overlaps with the antenna conductor layer in a planar view. For example, the configuration of the portion where the intermediate layer overlaps with the antenna conductor layer in a planar view can be changed according to the design specifications.
上述した実施形態では、平面視で、第1層及び第2層は、互いに同じ大きさの矩形状である例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、平面視で、第1層及び第2層は、互いに異なる大きさの矩形状でもよいし、互いに異なる形状(例えば、円形等の矩形以外の形状)でもよい。例えば、第1層及び第2層の平面視サイズ及び形状は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the above embodiment, an example has been described in which the first layer and the second layer are rectangular and of the same size in a plan view, but this is not limited to the above. For example, the first layer and the second layer may be rectangular and of different sizes in a plan view, or may be different shapes (e.g., shapes other than a rectangle, such as circles). For example, the planar size and shape of the first layer and the second layer can be changed according to the design specifications.
上述した実施形態では、平面視で、アンテナ導体層は、第1面の中央に配置され、かつ、第1層よりも小さい大きさの矩形状である例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、平面視で、アンテナ導体層は、第1面の中央からずれた位置に配置されてもよい。例えば、平面視で、アンテナ導体層は、第1層と同じ大きさの矩形状でもよいし、第1層とは異なる形状(例えば、円形等の矩形以外の形状)でもよい。例えば、アンテナ導体層の平面視配置及び形状は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the antenna conductor layer is disposed at the center of the first surface and has a rectangular shape smaller than the first layer in plan view, but this is not limited thereto. For example, the antenna conductor layer may be disposed at a position offset from the center of the first surface in plan view. For example, the antenna conductor layer may be rectangular and of the same size as the first layer in plan view, or may have a different shape from the first layer (for example, a shape other than a rectangle, such as a circle). For example, the planar arrangement and shape of the antenna conductor layer can be changed according to the design specifications.
上述した実施形態では、平面視で、グランド導体層は、第2層と同じ大きさの矩形状である例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、平面視で、グランド導体層は、第2層と異なる大きさの矩形状でもよいし、第2層とは異なる形状(例えば、円形等の矩形以外の形状)でもよい。例えば、グランド導体層の平面視サイズ及び形状は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the ground conductor layer has a rectangular shape of the same size as the second layer in a planar view, but this is not limited to the above. For example, the ground conductor layer may have a rectangular shape of a different size from the second layer in a planar view, or may have a different shape from the second layer (for example, a shape other than a rectangle, such as a circle). For example, the planar size and shape of the ground conductor layer can be changed according to the design specifications.
上述した実施形態では、平面視で、誘電体層は、正方形であり、中空構造の少なくとも一部は、誘電体層の中心を対称軸として4回対称の位置に配置される例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、平面視で、誘電体層は、長方形でもよいし、矩形以外の多角形でもよいし、円形でもよい。例えば、平面視で、中空構造の少なくとも一部は、誘電体層の中心を対称軸として4回対称以外のn回対称(nは2以上の整数)の位置に配置されてもよい。例えば、誘電体層の平面視形状、及び、中空構造の平面視配置は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the dielectric layer is square in plan view, and at least a part of the hollow structure is arranged in a position with four-fold symmetry with the center of the dielectric layer as the axis of symmetry, but this is not limited thereto. For example, in a plan view, the dielectric layer may be rectangular, or may be a polygon other than a rectangle, or may be circular. For example, in a plan view, at least a part of the hollow structure may be arranged in a position with n-fold symmetry (n is an integer of 2 or more) other than four-fold symmetry with the center of the dielectric layer as the axis of symmetry. For example, the plan view shape of the dielectric layer and the plan view arrangement of the hollow structure can be changed according to the design specifications.
上述した実施形態では、アンテナ導体層及びグランド導体層の各々の厚さは、10μm以上30μm以下である例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、アンテナ導体層及びグランド導体層の少なくとも1つの厚さは、10μm未満でもよいし、30μm超過でもよい。例えば、アンテナ導体層及びグランド導体層の各々の厚さは、設計仕様に応じて変更することができる。例えば、導体層を銅箔などで形成した場合は、この部分はμmオーダーでなくてもよい。例えば、導体層を蒸着で形成した場合は、この部分はnmオーダー、又は、Åオーダーとなる場合もあり得る。 In the above-described embodiment, the thickness of each of the antenna conductor layer and the ground conductor layer is described as being 10 μm or more and 30 μm or less, but this is not limited to the above. For example, the thickness of at least one of the antenna conductor layer and the ground conductor layer may be less than 10 μm or more than 30 μm. For example, the thickness of each of the antenna conductor layer and the ground conductor layer can be changed according to the design specifications. For example, if the conductor layer is formed of copper foil or the like, this part does not need to be on the order of μm. For example, if the conductor layer is formed by vapor deposition, this part may be on the order of nm or Å.
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であり、上述した実施形態を適宜組み合わせることも可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and additions, omissions, substitutions, and other modifications of the configuration are possible without departing from the spirit of the present invention, and the above-mentioned embodiments can also be combined as appropriate.
(付記1)
第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有する誘電体層と、
前記第1面に配置されたアンテナ導体層と、
前記第2面に配置されたグランド導体層と、を備え、
前記誘電体層は、形状記憶ポリマーを主成分として構成される、
平面アンテナ。
(Appendix 1)
a dielectric layer having a first surface and a second surface opposite the first surface;
an antenna conductor layer disposed on the first surface;
a ground conductor layer disposed on the second surface,
The dielectric layer is mainly composed of a shape memory polymer.
Flat antenna.
(付記2)
前記誘電体層の少なくとも一部は、中空構造を有する、
付記1に記載の平面アンテナ。
(Appendix 2)
At least a portion of the dielectric layer has a hollow structure.
2. The planar antenna of
(付記3)
平面視で、前記誘電体層は、少なくとも前記アンテナ導体層と重なる部位に、中実構造を有する、
付記1又は2に記載の平面アンテナ。
(Appendix 3)
In a plan view, the dielectric layer has a solid structure at least in a portion overlapping the antenna conductor layer.
3. The planar antenna according to
(付記4)
前記誘電体層は、
前記第1面を有する第1層と、
前記第2面を有する第2層と、
前記第1層と前記第2層との間に配置される中間層と、を含む、
付記1から3の何れかに記載の平面アンテナ。
(Appendix 4)
The dielectric layer is
a first layer having the first surface;
a second layer having the second surface; and
an intermediate layer disposed between the first layer and the second layer,
4. A planar antenna as claimed in any one of
(付記5)
平面視で、前記中間層は、前記アンテナ導体層と重なる部位に中実構造を有し、かつ、前記アンテナ導体層と重ならない部位に中空構造を有する、
付記4に記載の平面アンテナ。
(Appendix 5)
In a plan view, the intermediate layer has a solid structure in a portion overlapping with the antenna conductor layer and has a hollow structure in a portion not overlapping with the antenna conductor layer.
5. The planar antenna of
(付記6)
前記平面視で、前記第1層及び前記第2層は、互いに同じ大きさの矩形状であり、
前記平面視で、前記アンテナ導体層は、前記第1面の中央に配置され、かつ、前記第1層よりも小さい大きさの矩形状であり、
前記平面視で、前記グランド導体層は、前記第2層と同じ大きさの矩形状である、
付記5に記載の平面アンテナ。
(Appendix 6)
In the plan view, the first layer and the second layer have a rectangular shape of the same size,
In the plan view, the antenna conductor layer is disposed at the center of the first surface and has a rectangular shape smaller than the first layer;
In the plan view, the ground conductor layer has a rectangular shape having the same size as the second layer.
6. The planar antenna of claim 5.
(付記7)
前記平面視で、前記誘電体層は、正方形であり、
前記中空構造の少なくとも一部は、前記誘電体層の中心を対称軸として4回対称の位置に配置される、
付記6に記載の平面アンテナ。
(Appendix 7)
In the plan view, the dielectric layer has a square shape,
At least a part of the hollow structure is disposed at a position that is four-fold symmetrical with respect to the center of the dielectric layer.
7. The planar antenna of claim 6.
(付記8)
前記アンテナ導体層及び前記グランド導体層の各々の厚さは、10μm以上30μm以下である、
付記1から7の何れかに記載の平面アンテナ。
(Appendix 8)
The antenna conductor layer and the ground conductor layer each have a thickness of 10 μm or more and 30 μm or less.
8. A planar antenna as claimed in any one of
以下、本発明の上記実施形態に係る平面アンテナについて、実施例を示して具体的に説明する。なお、下記の実施例は、本発明が適用された具体的な一例であり、本発明を限定するものではない。 The planar antenna according to the above embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to examples. Note that the following examples are specific examples in which the present invention is applied, and do not limit the present invention.
図5は、比較例の設計及び解析結果等の説明図である。図6は、実施例1-2の設計及び解析結果等の説明図である。図7は、実施例2の設計及び解析結果等の説明図である。図8は、実施例3の設計及び解析結果等の説明図である。図9は、実施例4の設計及び解析結果等の説明図である。図10は、実施例5の設計及び解析結果等の説明図である。 Figure 5 is an explanatory diagram of the design and analysis results of the comparative example. Figure 6 is an explanatory diagram of the design and analysis results of Examples 1-2. Figure 7 is an explanatory diagram of the design and analysis results of Example 2. Figure 8 is an explanatory diagram of the design and analysis results of Example 3. Figure 9 is an explanatory diagram of the design and analysis results of Example 4. Figure 10 is an explanatory diagram of the design and analysis results of Example 5.
(実施例)
実施例の平面アンテナは、第1面と、第1面とは反対側の第2面と、を有する誘電体層と、第1面に配置されたアンテナ導体層と、第2面に配置されたグランド導体層と、を備え、誘電体層は、形状記憶ポリマーを主成分として構成され、誘電体層の少なくとも一部は、中空構造を有するもの(図1に示す構成に相当)を準備した。
実施例としては、図6から図10に示すように、平面アンテナの設計(構成要素の形状やサイズ、パターン等)を各々変えた、実施例1-2から実施例5を準備した。
(Example)
The planar antenna of the embodiment includes a dielectric layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface, an antenna conductor layer arranged on the first surface, and a ground conductor layer arranged on the second surface, the dielectric layer being composed primarily of a shape memory polymer, and at least a portion of the dielectric layer having a hollow structure (corresponding to the configuration shown in Figure 1).
As examples, as shown in Figs. 6 to 10, examples 1-2 to 5 were prepared in which the design of the planar antenna (shape, size, pattern, etc. of the components) was changed.
(比較例)
比較例の平面アンテナは、誘電体層が中空構造を有しない、通常の平面アンテナを準備した。比較例としては、図5に示すものを準備した。
Comparative Example
As the comparative planar antenna, a normal planar antenna in which the dielectric layer does not have a hollow structure was prepared, as shown in FIG.
(実験機器)
図11は、実験機器の正面図である。図12は、実験機器の側面図である。
実施例及び比較例で使用した実験機器は、図11及び図12に示すものを用いた。この実験機器に各平面アンテナを設置し、放射パターンを求めた。
(Experimental equipment)
11 and 12 are front and side views of the experimental equipment.
The experimental equipment used in the examples and comparative examples was as shown in Figures 11 and 12. Each planar antenna was installed on this experimental equipment, and the radiation pattern was obtained.
(実施例1-2)
一例として、実施例1-2の平面アンテナの放射パターンを説明する。
図13は、実施例1-2の平面アンテナの平面図である。図14は、実施例1-2の平面アンテナの放射パターンの一部を示す斜視図である。
図13から図14を併せて参照し、実施例1-2の平面アンテナの放射パターンは、正面視では紙面左右に長い円形状となり、側面視では紙面左側に向かって膨出する形状となることが確認された。なお、図14は、放射パターンの上半部の斜視図に相当する。
(Example 1-2)
As an example, the radiation pattern of the planar antenna of Example 1-2 will be described.
Fig. 13 is a plan view of the planar antenna of Example 1-2, and Fig. 14 is a perspective view showing a part of the radiation pattern of the planar antenna of Example 1-2.
13 and 14, it was confirmed that the radiation pattern of the planar antenna of Example 1-2 has a circular shape that is long on the left and right sides of the paper when viewed from the front, and a shape that bulges out toward the left side of the paper when viewed from the side. Note that FIG. 14 corresponds to a perspective view of the upper half of the radiation pattern.
(評価結果)
各平面アンテナのゲイン(アンテナ利得)を解析実験により測定した。評価結果等を図5から図10に示す。
(Evaluation Results)
The gain (antenna gain) of each planar antenna was measured through analytical experiments. The evaluation results are shown in Figures 5 to 10.
図5から図10を併せて参照し、実施例の平面アンテナによれば、実施例2を除き、比較例の平面アンテナに対して、アンテナ利得が大きくなることが確認された。これにより、実施例の平面アンテナによれば、軽量化を図りつつ、構造の剛性を維持し、アンテナ利得の最大化を図ることができることが分かった。 Referring to Figures 5 to 10 together, it was confirmed that the planar antennas of the examples, except for Example 2, had a larger antenna gain than the planar antennas of the comparative examples. This shows that the planar antennas of the examples can be made lighter while maintaining the rigidity of the structure and maximizing the antenna gain.
1…平面アンテナ、2…誘電体層、3…アンテナ導体層、4…グランド導体層、11…第1面、12…第2面、15…中空構造、16…中実構造、21…第1層、22…第2層、23…中間層 1... Planar antenna, 2... Dielectric layer, 3... Antenna conductor layer, 4... Ground conductor layer, 11... First surface, 12... Second surface, 15... Hollow structure, 16... Solid structure, 21... First layer, 22... Second layer, 23... Intermediate layer
Claims (8)
前記第1面に配置されたアンテナ導体層と、
前記第2面に配置されたグランド導体層と、を備え、
前記誘電体層は、形状記憶ポリマーを主成分として構成される、
平面アンテナ。 a dielectric layer having a first surface and a second surface opposite the first surface;
an antenna conductor layer disposed on the first surface;
a ground conductor layer disposed on the second surface,
The dielectric layer is mainly composed of a shape memory polymer.
Flat antenna.
請求項1に記載の平面アンテナ。 At least a portion of the dielectric layer has a hollow structure.
2. A planar antenna as claimed in claim 1.
請求項1又は2に記載の平面アンテナ。 In a plan view, the dielectric layer has a solid structure at least in a portion overlapping the antenna conductor layer.
3. A planar antenna according to claim 1 or 2.
前記第1面を有する第1層と、
前記第2面を有する第2層と、
前記第1層と前記第2層との間に配置される中間層と、を含む、
請求項1又は2に記載の平面アンテナ。 The dielectric layer is
a first layer having the first surface;
a second layer having the second surface; and
an intermediate layer disposed between the first layer and the second layer,
3. A planar antenna according to claim 1 or 2.
請求項4に記載の平面アンテナ。 In a plan view, the intermediate layer has a solid structure in a portion overlapping with the antenna conductor layer and has a hollow structure in a portion not overlapping with the antenna conductor layer.
5. A planar antenna according to claim 4.
前記平面視で、前記アンテナ導体層は、前記第1面の中央に配置され、かつ、前記第1層よりも小さい大きさの矩形状であり、
前記平面視で、前記グランド導体層は、前記第2層と同じ大きさの矩形状である、
請求項5に記載の平面アンテナ。 In the plan view, the first layer and the second layer have a rectangular shape of the same size,
In the plan view, the antenna conductor layer is disposed at the center of the first surface and has a rectangular shape smaller than the first layer;
In the plan view, the ground conductor layer has a rectangular shape having the same size as the second layer.
6. A planar antenna as claimed in claim 5.
前記中空構造の少なくとも一部は、前記誘電体層の中心を対称軸として4回対称の位置に配置される、
請求項6に記載の平面アンテナ。 In the plan view, the dielectric layer has a square shape,
At least a part of the hollow structure is disposed at a position that is four-fold symmetrical with respect to the center of the dielectric layer.
7. A planar antenna according to claim 6.
請求項1又は2に記載の平面アンテナ。 The antenna conductor layer and the ground conductor layer each have a thickness of 10 μm or more and 30 μm or less.
3. A planar antenna according to claim 1 or 2.
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| John Gibson, et al.,"Reconfigurable antenna using shape memory polymers",2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI),2016年,pp.1673- 1674,DOI: 10.1109/APS.2016.7696543 |
| 鳥阪 綾子,「構造位相最適化を用いた平面アンテナの軽量化とアンテナ特性に関する検討」,第65回宇宙科学技術連合講演会講演集,2021年12月20日,JSASS-2021-4517-3J18 |
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