JP2019153978A - Orbit angular motion amount mode pseudo traveling wave resonator and orbit angular motion amount antenna device - Google Patents
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Abstract
【課題】動作周波数を固定したままモード次数を簡単に切り替えることができるOAMモード擬似進行波共振器及びそれを用いたOAMアンテナ装置を提供する。【解決手段】擬似進行波共振器は、マイクロ波の伝送線路部分と、容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、伝送線路部分からそれぞれ分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む少なくとも1つの並列枝の回路とを有する複数N個の単位セル回路を、リング形状で縦続接続して構成され、かつ、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反伝送線路装置を共振状態で動作させる。各単位セルの伝送線路部分は、マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、並列枝の回路は例えば、非相反伝送線路装置の内側に挿入するように接続された誘導性スタブ回路であり、OAMモードのモード次数lで動作する。【選択図】図4APROBLEM TO BE SOLVED: To provide an OAM mode pseudo traveling wave resonator capable of easily switching a mode order while fixing an operating frequency, and an OAM antenna device using the same. SOLUTION: A pseudo traveling wave resonator is provided by branching from a transmission line portion of a microwave, a series branch circuit including a capacitive element equivalently, and an inductive element, respectively, and is equivalent to an inductive element. A plurality of N unit cell circuits having at least one parallel branch circuit included in the above are connected in a ring shape in a longitudinal manner, and the forward propagation constant and the reverse propagation constant are different from each other. Operate the transmission line device in a resonant state. The transmission line portion of each unit cell is magnetized in different directions with respect to the microwave propagation direction and has spontaneous magnetization so as to have gyro anisotropy, or is magnetized by an external magnetic field, and the circuit of the parallel branch is, for example, It is an inductive stub circuit connected so as to be inserted inside a non-reciprocal transmission line device, and operates at a mode order l of OAM mode. [Selection diagram] FIG. 4A
Description
本発明は、軌道角運動量(Orbital Angular Momentum)モード擬似進行波共振器及びそれを用いた軌道角運動量(Orbital Angular Momentum)アンテナ装置に関する。 The present invention relates to an orbital angular momentum (Orbital Angular Momentum) mode pseudo traveling wave resonator and an orbital angular momentum (Orbital Angular Momentum) antenna device using the same.
最近、高速大容量通信システムを可能とする直交マルチモードによる多重チャネル伝送実現のために、物理学、光学、無線通信の分野で軌道角運動量(以下、「OAM」という)を用いた電磁波伝搬が研究されている。一般に、全角運動量Jは2つの要素に分類することができ、電子物性においては、原子核の周りを公転する電子の軌道角運動量(OAM)lと、電子固有の性質であるスピンのアップ/ダウンの2通りの値に対応するスピン角運動量(SAM)sとに区別される。この電子系の振る舞いは、電磁波伝搬の振る舞い(光学系)に対応付けることができ、光学系の場合、OAMは光の軌跡が螺旋を描く光渦に対応し、一方SAMは左/右円偏波を指す。 Recently, electromagnetic wave propagation using orbital angular momentum (hereinafter referred to as “OAM”) has been developed in the fields of physics, optics, and wireless communication to realize multi-channel transmission by orthogonal multimode that enables high-speed and large-capacity communication systems. It has been studied. In general, the total angular momentum J can be classified into two elements. In terms of electronic properties, the orbital angular momentum (OAM) 1 of the electrons revolving around the nucleus and the spin up / down characteristic that is unique to electrons A distinction is made between spin angular momentum (SAM) s corresponding to two values. This behavior of the electronic system can be associated with the behavior of electromagnetic wave propagation (optical system). In the case of an optical system, the OAM corresponds to an optical vortex in which the trajectory of the light spirals, while the SAM is a left / right circularly polarized wave. Point to.
図1A及び図1Bは伝搬するOAMモードの横方向面内における電磁界の位相分布の例であって(例えば、非特許文献1参照)、ここで、図1AはOAMのモード次数l=+1のときの位相分布の写真画像であり、図1BはOAMのモード次数l=+2のときの位相分布の写真画像である。また、図2は伝搬するOAMモードの横方向面内における電磁界の例であって、OAMのモード次数l=+2のときの模式状態図である。 1A and 1B are examples of the phase distribution of the electromagnetic field in the lateral plane of the propagating OAM mode (see, for example, Non-Patent Document 1). Here, FIG. 1A shows the OAM mode order l = + 1. FIG. 1B is a photographic image of the phase distribution when the OAM mode order l = + 2. FIG. 2 is an example of an electromagnetic field in the transverse plane of the propagating OAM mode, and is a schematic state diagram when the OAM mode order l = + 2.
例えば非特許文献2に開示された従来例に係るOAMモード信号伝送システムにおいては、各OAMモードに対応するアンテナをそれぞれ設計、配置する必要があり、多重化チャンネル数に応じて使用するOAMモードの数が決まる。従って、チャネル毎に送受信アンテナが異なることから、チャネル数の増加に伴ってアンテナ数も比例して増加する。複数の直交したOAMモードが同時に送受信できれば大容量通信システムの実現が可能となる。 For example, in the conventional OAM mode signal transmission system disclosed in Non-Patent Document 2, it is necessary to design and arrange antennas corresponding to each OAM mode, and the OAM mode signal used according to the number of multiplexed channels is used. The number is determined. Therefore, since the transmission / reception antenna is different for each channel, the number of antennas increases in proportion to the increase in the number of channels. If a plurality of orthogonal OAM modes can be transmitted and received simultaneously, a large-capacity communication system can be realized.
これまでに様々なOAMモードの生成装置及び方法、並びに応用装置が提案されており、このうちいくつかの従来例を以下に示す。 Various OAM mode generation apparatuses and methods and application apparatuses have been proposed so far, and some conventional examples are shown below.
特許文献1にはOAMモードを実現するレンズアンテナが提案され、特許文献2には複数のOAM伝搬モードを有する無線信号を用いて多重化する送受信システムが提案され、特許文献3にはOAMを利用して電磁波の多重及び分離を行うアンテナ装置が提案されている。 Patent Document 1 proposes a lens antenna that realizes an OAM mode, Patent Document 2 proposes a transmission / reception system that multiplexes using radio signals having a plurality of OAM propagation modes, and Patent Document 3 uses OAM. Thus, an antenna device that multiplexes and separates electromagnetic waves has been proposed.
例えば非特許文献3に開示されたフェイズドアレーアンテナでは、OAMモードのモード次数の切り替えの際には、各アンテナへの給電線に対して初期位相を高精度で最適に与える必要があり、アンテナ数の増加に伴い位相切替制御が複雑となるという問題点があった。 For example, in the phased array antenna disclosed in Non-Patent Document 3, when the mode order of the OAM mode is switched, it is necessary to optimally give the initial phase to the feeding line to each antenna with high accuracy. There has been a problem that the phase switching control becomes more complicated with the increase in the number.
図3は従来例に係るOAMモードを生成する構成法(例えば、非特許文献4参照)を示す図であって、位相板を透過させることによるOAMモード変換方法の例を示す模式斜視図である。図3のOAMモードの生成法では、シングルモードのOAMモードの入力に対して位相板を適用することによりモード次数を変換している。しかしながら、従来の位相板を用いたモード変換では、位相板によりモード次数が決まっていたため、複数の高次モード生成のためには、モード数に応じて位相板を準備する必要があるという問題点があった。 FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration method (see, for example, Non-Patent Document 4) for generating an OAM mode according to a conventional example, and is a schematic perspective view illustrating an example of an OAM mode conversion method by transmitting a phase plate. . In the OAM mode generation method of FIG. 3, the mode order is converted by applying a phase plate to the input of the single mode OAM mode. However, in the mode conversion using the conventional phase plate, since the mode order is determined by the phase plate, it is necessary to prepare a phase plate according to the mode number in order to generate a plurality of higher order modes. was there.
例えば非特許文献5に開示された従来例に係るOAMモードを生成する構成法では、リング共振器のウィスパリング・ギャラリーモード(WGM)を利用したOAMモード生成装置が開示されている。ここで、ウィスパリング・ギャラリーモード(WGM)とは、リング共振器内の周回方向に生成される定在波による共振モードのことであり、リングサイズにより、共振周波数が決まる。給電線を2本に増やし、位相差を適切に与えることにより、右回りあるいは左回りなど旋回方向を切り替えることができるが、モード次数の大きさを変えることはできなかった。 For example, in the configuration method for generating an OAM mode according to the conventional example disclosed in Non-Patent Document 5, an OAM mode generation device using a whispering gallery mode (WGM) of a ring resonator is disclosed. Here, the whispering gallery mode (WGM) is a resonance mode by a standing wave generated in the circumferential direction in the ring resonator, and the resonance frequency is determined by the ring size. By increasing the number of feeder lines to two and appropriately giving the phase difference, the turning direction such as clockwise or counterclockwise can be switched, but the mode order cannot be changed.
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して簡単な構成を有し、動作周波数を固定したままモード次数を簡単に切り替えることができるOAMモード擬似進行波共振器及びそれを用いたOAMアンテナ装置を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to have a simple configuration as compared with the prior art, and an OAM mode pseudo traveling wave resonator capable of easily switching the mode order with the operating frequency fixed, and the same Another object is to provide an OAM antenna apparatus using the antenna.
第1の発明にかかるOAMモード擬似進行波共振器は、
マイクロ波の伝送線路部分と、容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、上記伝送線路部分からそれぞれ分岐して設けられかつ誘導性素子を等価的に含む少なくとも1つの並列枝の回路とを有する複数N個の単位セル回路を、リング形状で縦続接続して構成され、かつ、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反伝送線路装置を共振状態で動作させた擬似進行波共振器であって、
上記各単位セルの伝送線路部分は、上記マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
上記並列枝の回路は、
(1)上記リング形状の非相反伝送線路装置の内側または外側に挿入するように接続された誘導性スタブ回路、
(2)上記リング形状の非相反伝送線路装置の外側または内側に挿入するように接続された容量性スタブ回路、もしくは
(3)上記誘導性スタブ回路と上記容量性スタブ回路の組み合わせの回路であり、
上記リング形状の非相反伝送線路装置は
上記非相反伝送線路装置の非相反性をΔβとし、
上記非相反伝送線路装置の周期をpとし、
lを所定の整数としたときに、次式の条件を満たすことで、
A microwave transmission line portion, a series branch circuit equivalently including a capacitive element, and at least one parallel branch circuit equivalently including an inductive element and branched from the transmission line portion, respectively A non-reciprocal transmission line device configured by connecting a plurality of N unit cell circuits having a cascade configuration in a ring shape and having different propagation constants in the forward direction and in the reverse direction is operated in a resonance state A pseudo traveling wave resonator,
The transmission line part of each unit cell is magnetized in a direction different from the propagation direction of the microwave and has a gyro anisotropy or is magnetized by an external magnetic field,
The parallel branch circuit is
(1) An inductive stub circuit connected to be inserted inside or outside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device;
(2) A capacitive stub circuit connected to be inserted outside or inside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device, or (3) a circuit combining the inductive stub circuit and the capacitive stub circuit. ,
The ring-shaped nonreciprocal transmission line device has a nonreciprocity of the nonreciprocal transmission line device as Δβ,
The period of the nonreciprocal transmission line device is p,
By satisfying the following expression when l is a predetermined integer,
上記OAMモード擬似進行波共振器において、
上記並列枝の回路は、
(1)上記リング形状の非相反伝送線路装置の内側に挿入するように接続された誘導性スタブ回路、もしくは
(2)上記リング形状の非相反伝送線路装置の外側に挿入するように接続された容量性スタブ回路、
である。
In the OAM mode pseudo traveling wave resonator,
The parallel branch circuit is
(1) An inductive stub circuit connected so as to be inserted inside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device, or (2) connected so as to be inserted outside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device. Capacitive stub circuit,
It is.
第2の発明にかかるOAMアンテナ装置は、
上記擬似進行波共振器と、
上記擬似進行波共振器にマイクロ波を入力する給電線路とを備えたことを特徴とする。
The OAM antenna apparatus according to the second invention is
The pseudo traveling wave resonator;
The pseudo traveling wave resonator includes a feed line for inputting a microwave.
従って、本発明に係るOAMモード擬似進行波共振器及びそれを用いたOAMアンテナ装置によれば、従来技術に比較して簡単な構成を有し、動作周波数を固定したままモード次数を簡単に切り替えることができる。 Therefore, according to the OAM mode pseudo traveling wave resonator and the OAM antenna apparatus using the same according to the present invention, the mode order is easily switched while having a simple configuration as compared with the prior art and the operating frequency is fixed. be able to.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.
本発明の実施形態では、OAMモードを放射し、同一周波数でモード次数の切り替えを可能とする新しい構成法を用い、非相反メタマテリアルから構成される擬似進行波リング共振器を用いて構成されたOAMアンテナ装置を以下に提案する。 In an embodiment of the present invention, a new configuration method that radiates an OAM mode and enables mode order switching at the same frequency is used, and is configured using a pseudo traveling wave ring resonator composed of a nonreciprocal metamaterial. An OAM antenna device is proposed below.
図4Aは本発明の一実施形態に係る、非相反メタマテリアルから構成される擬似進行波リング共振器を用いたOAMアンテナ装置の構成例を示す上面図であり、図4Bは図4AのA−A’線についての縦断面図である。 FIG. 4A is a top view showing a configuration example of an OAM antenna device using a pseudo traveling wave ring resonator composed of a nonreciprocal metamaterial according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a top view of FIG. It is a longitudinal cross-sectional view about A 'line.
図4A及び図4Bにおいて、リング共振器は、非相反右手/左手系複合(CRLH)伝送線路で構成されており、幅w、外径R、厚さ0.8mmのフェライトリング16が、軸方向に磁化され、誘電体基板10の一部として接地導体11上に直接に置かれている。接地導体11上でフェライトリング16と同一面内において、フェライトリング16の内側及び外側には、フェライトリング16と同じ厚さの誘電体基板10が置かれている。フェライトリング16の上面には伝送線路31用ストリップ導体12が形成され、下面の接地導体11と併せてリング形状のマイクロストリップ線路である伝送線路31が構成されている。さらに、伝送線路31に対して、直列枝にキャパシタCp、並列枝に誘導性スタブ回路32をそれぞれ周期pで周期的に挿入することにより、それぞれ負の実効誘電率及び負の透磁率を実現している。非相反CRLH線路からなるリング構造では、伝送線路31の曲率と誘導性スタブ回路32の非対称な挿入との組み合わせを用いて構造の非対称を増強するために、誘導性スタブ回路32はストリップ導体12に接続されたストリップ導体13と、ストリップ導体13に接続されて接地導体11に接地されるビア導体14とを備えて構成された誘導性短絡スタブ回路であって、リング形状の伝送線路31の内側に挿入される。その結果、非相反性が伝送線路31の曲率により増強され、リング共振器の小型化が図られている。 4A and 4B, the ring resonator is composed of a nonreciprocal right / left-handed composite (CRLH) transmission line, and a ferrite ring 16 having a width w, an outer diameter R, and a thickness of 0.8 mm is provided in the axial direction. And is placed directly on the ground conductor 11 as part of the dielectric substrate 10. In the same plane as the ferrite ring 16 on the ground conductor 11, the dielectric substrate 10 having the same thickness as the ferrite ring 16 is placed inside and outside the ferrite ring 16. A strip conductor 12 for a transmission line 31 is formed on the upper surface of the ferrite ring 16, and a transmission line 31 that is a ring-shaped microstrip line is formed together with the ground conductor 11 on the lower surface. Further, a negative effective dielectric constant and a negative magnetic permeability are realized by periodically inserting a capacitor Cp in the serial branch and an inductive stub circuit 32 in the parallel branch with a period p, respectively, with respect to the transmission line 31. ing. In a ring structure consisting of non-reciprocal CRLH lines, the inductive stub circuit 32 is connected to the strip conductor 12 in order to enhance the structure asymmetry using a combination of the curvature of the transmission line 31 and the asymmetric insertion of the inductive stub circuit 32. An inductive short-circuit stub circuit configured to include a connected strip conductor 13 and a via conductor 14 connected to the strip conductor 13 and grounded to the ground conductor 11, and inside the ring-shaped transmission line 31. Inserted. As a result, the nonreciprocity is enhanced by the curvature of the transmission line 31, and the ring resonator is reduced in size.
なお、図4A及び図4Bの構造では、実施されていないが、非相反性を増強する別の手段としては、容量性スタブ回路33を図6に示すようにリング形状の伝送線路31の外側に挿入してもよいし、もしくは、誘導性スタブ回路32と容量性スタブ回路33との組み合わせで構成してもよい。図4A及び図4Bの擬似進行波共振器の場合、マイクロ波信号をポートP11を介して入力する給電線路35は、裏面に接地導体11を有する誘電体基板10上に形成されたストリップ導体15と、当該接地導体11とからなるマイクロ波線路で構成し、当該給電線路35はキャパシタCpを介してリング共振器に接続され、当該擬似進行波共振器は並列共振で動作する。なお、図4Bに示すように、フェライトリング16とともに、フェライトリング16に代えて、外部磁界H0を軸方向に発生する電磁石50(又は磁石などの磁界発生器)を設けてもよい。 Although not implemented in the structures of FIGS. 4A and 4B, as another means for enhancing nonreciprocity, a capacitive stub circuit 33 is provided outside the ring-shaped transmission line 31 as shown in FIG. It may be inserted, or may be constituted by a combination of an inductive stub circuit 32 and a capacitive stub circuit 33. In the case of the pseudo traveling wave resonator shown in FIGS. 4A and 4B, the feed line 35 for inputting the microwave signal via the port P11 includes the strip conductor 15 formed on the dielectric substrate 10 having the ground conductor 11 on the back surface. The feed line 35 is connected to a ring resonator via a capacitor Cp, and the pseudo traveling wave resonator operates in parallel resonance. Incidentally, as shown in FIG. 4B, with the ferrite ring 16, in place of the ferrite ring 16 may be provided with electromagnets 50 for generating an external magnetic field H 0 in an axial direction (or the magnetic field generator such as a magnet).
図5Aは相反CRLH線路の単位セル回路20Pの等価回路を示す回路図であり、図5Bは図4AのOAMアンテナ装置で用いる非相反CRLH線路の単位セル回路20の等価回路を示す回路図である。 5A is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the unit cell circuit 20P of the reciprocal CRLH line, and FIG. 5B is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the unit cell circuit 20 of the non-reciprocal CRLH line used in the OAM antenna apparatus of FIG. 4A. .
図4A及び図4Bのフェライトリング16に外部磁界H0を印加せず、磁化をもたない場合の単位セル回路20Pの等価回路は図5Aに示すようになる。図5Aにおいて、単位セル回路20Pは、端子T1,T2からなるポートP1と、端子T3,T4からなるポートP12との間の周期pの伝送回路において、
(1)キャパシタンスCLと、インダクタンスLRとの直列回路からなる直列枝のインピーダンスZseと、
(2)キャパシタンスCRと、インダクタンスLLとの直列回路からなる並列枝のアドミタンスYshとを備えて構成される。
Without applying an external magnetic field H 0 to the ferrite ring 16 in FIGS. 4A and 4B, the equivalent circuit of the unit cell circuits 20P when no magnetization is as shown in Figure 5A. 5A, a unit cell circuit 20P is a transmission circuit having a period p between a port P1 composed of terminals T1 and T2 and a port P12 composed of terminals T3 and T4.
(1) and the capacitance C L, the impedance Zse the serial branch comprising a series circuit of an inductance L R,
(2) and the capacitance C R, constituted by a parallel branch admittance Ysh comprising a series circuit of an inductance L L.
ここで、単位セル回路20Pの直列共振周波数及び並列共振周波数はそれぞれ直列枝のインピーダンスZse及び並列枝のアドミタンスYshで決定される。直列に挿入されたキャパシタンスCLと並列に挿入されたインダクタンスLLがそれぞれ負の透磁率と負の誘電率を実現している。 Here, the series resonance frequency and the parallel resonance frequency of the unit cell circuit 20P are determined by the impedance Zse of the series branch and the admittance Ysh of the parallel branch, respectively. Inserted inductance L L in parallel with the inserted capacitance C L in series are respectively realized negative magnetic permeability and negative permittivity.
図5Bは非相反CRLH伝送線路の単位セル回路20の等価回路を示しており、図5Aの相反CRLH回路の単位セル回路20Pと異なり、電磁波の伝搬方向により位相定数が変化するような伝送線路を考えている。本実施形態にかかる擬似進行波共振器を構成する非相反CRLH線路においては、非相反性の発現は、並列枝の誘導性スタブ回路32のアドミタンスYの非対称な挿入による。負の誘電率を実現する誘導性スタブ回路32だけでなく、容量性スタブ回路33(図6)の非対称な挿入においても非相反性を発現することができる。 FIG. 5B shows an equivalent circuit of the unit cell circuit 20 of the nonreciprocal CRLH transmission line. Unlike the unit cell circuit 20P of the reciprocal CRLH circuit of FIG. 5A, a transmission line whose phase constant changes according to the propagation direction of the electromagnetic wave is shown. thinking. In the nonreciprocal CRLH line constituting the pseudo traveling wave resonator according to the present embodiment, the occurrence of nonreciprocity is caused by asymmetric insertion of the admittance Y of the inductive stub circuit 32 in the parallel branch. Non-reciprocity can be manifested not only in the inductive stub circuit 32 realizing a negative dielectric constant but also in the asymmetric insertion of the capacitive stub circuit 33 (FIG. 6).
この非相反メタマテリアルによる擬似進行波リング共振器が共振条件を満たすためには、マイクロ波などの電磁波がリング形状の伝送線路31を一周したときの位相差が2πl(l=±1,±2,…)となる必要がある。非相反CRLH伝送線路内の位相勾配は、非相反移相特性Δβに依存しているので、次式の条件を満たせばよい。 In order for the pseudo traveling wave ring resonator using this nonreciprocal metamaterial to satisfy the resonance condition, the phase difference when an electromagnetic wave such as a microwave goes around the ring-shaped transmission line 31 is 2πl (l = ± 1, ± 2). , ...). Since the phase gradient in the nonreciprocal CRLH transmission line depends on the nonreciprocal phase shift characteristic Δβ, the condition of the following equation may be satisfied.
ただし、Δβは共振器を構成するCRLH線路の非相反性であり、時計回りおよび反時計回り方向の位相定数β+およびβ−の差(β+−β−)/2であり、図5Bの等価回路モデルを用いて、Δβ=(βp−βm)/2と表される。pはCRLH線路の単位セルの長さ(以下、周期という)、Nはリング共振器に含まれるCRLH線路の単位セル回路20の数、lは任意の整数を表し、実際にはOAMモードの次数に対応する。 However, Δβ is the nonreciprocity of the CRLH line constituting the resonator, and is the difference between the phase constants β + and β − in the clockwise direction and the counterclockwise direction (β + −β − ) / 2. Using an equivalent circuit model, Δβ = (β p −β m ) / 2. p is the length of the unit cell of the CRLH line (hereinafter referred to as the period), N is the number of unit cell circuits 20 of the CRLH line included in the ring resonator, l is an arbitrary integer, and actually the order of the OAM mode Corresponding to
図4A及び図4Bのリング構造の場合、セル数はN=20としている。このとき、l=±1となるためには、共振器を構成する非相反CRLH線路がΔβp/π=±0.1の関係を満たせばよく、l=±2とするためには、Δβp/π=±0.2の関係を満たせばよい。非相反CRLH線路において、非相反性Δβは、外部印加直流磁界H0を適切に選ぶことにより、値を所望の値に変更することができるので、構造の寸法を変更することなく、同一周波数に固定したまま、線路内の位相勾配を切り替えることができる。 In the case of the ring structure of FIGS. 4A and 4B, the number of cells is N = 20. At this time, in order to satisfy l = ± 1, it is only necessary that the nonreciprocal CRLH line constituting the resonator satisfies the relationship of Δβp / π = ± 0.1. In order to obtain l = ± 2, Δβp / It is only necessary to satisfy the relationship of π = ± 0.2. In the non-reciprocal CRLH line, the non-reciprocity Δβ can be changed to a desired value by appropriately selecting the externally applied DC magnetic field H 0 , so that the same frequency can be obtained without changing the dimensions of the structure. The phase gradient in the line can be switched while being fixed.
従って、リング共振器の構造パラメータとして周期p、セル数Nの値が与えられる場合、外部印加直流磁界H0を適切に切り替えることにより、非相反性Δβを所望の値に変えることができ、条件式を満たす様々な整数値lに対して、共振条件式が満足する。その結果、モード次数lに対応した様々なOAMモード放射を実現することが可能となる。モード次数lの取り得る数が大きいほど、取り扱い可能なOAMモード次数を増やすことができる。モード次数lの大きさを増やすためには、共振の条件式から分かるように、セル数Nを増やしてアンテナサイズを大きくするか、アンテナサイズが固定される場合には、非相反性Δβを大きくする必要がある。従って、本実施形態にかかる擬似進行波共振器の場合、伝送線路31のリングサイズと、伝送線路31の非相反性が、取り扱い可能なOAMモード次数の最大値を決めることとなる。 Therefore, when the values of the period p and the number of cells N are given as the structural parameters of the ring resonator, the nonreciprocity Δβ can be changed to a desired value by appropriately switching the externally applied DC magnetic field H 0. For various integer values l that satisfy the equation, the resonance condition equation is satisfied. As a result, various OAM mode radiations corresponding to the mode order l can be realized. The greater the number that the mode order l can take, the more OAM mode orders that can be handled. In order to increase the size of the mode order l, as can be seen from the resonance conditional expression, the number of cells N is increased to increase the antenna size, or when the antenna size is fixed, the nonreciprocity Δβ is increased. There is a need to. Therefore, in the case of the pseudo traveling wave resonator according to the present embodiment, the ring size of the transmission line 31 and the nonreciprocity of the transmission line 31 determine the maximum value of the OAM mode order that can be handled.
図6は本発明の変形例に係る、非相反メタマテリアルから構成される擬似進行波リング共振器を用いたOAMアンテナ装置の構成例を示す上面図である。 FIG. 6 is a top view showing a configuration example of an OAM antenna device using a pseudo traveling wave ring resonator composed of a nonreciprocal metamaterial according to a modification of the present invention.
OAMモードの次数の切り替えは後述する数値シミュレーションにおいては実効磁化を、後述する実験においては外部印加直流磁界H0を変化させることで行っている。しかし、OAMモードの正負切り替えは誘導性スタブの挿入方向の切り替え、あるいは電磁石50の供給電流の向きを変えることで(もしくは永久磁石の向きを変えることで)、外部印加直流磁界H0の方向の切り替えにより行うことができる。本実施形態の構造では、線路曲率と誘導性スタブ回路32の非対称な挿入の組み合わせで、非相反性が増強するように、リング形状の伝送線路31の内側に挿入している。しかし、容量性スタブ回路33を、リング形状の伝送線路31の外側に挿入した場合でもOAMモードを生成することができる。 The order of the OAM mode is switched by changing the effective magnetization in the numerical simulation described later and changing the externally applied DC magnetic field H 0 in the experiment described later. However, the OAM mode positive and negative switching insertion direction of the switching of the inductive stubs or by changing the direction of the supply current of the electromagnet 50 (or by changing the orientation of the permanent magnet), the direction of the externally applied DC magnetic field H 0 This can be done by switching. In the structure of the present embodiment, it is inserted inside the ring-shaped transmission line 31 so that the nonreciprocity is enhanced by a combination of the line curvature and the asymmetric insertion of the inductive stub circuit 32. However, even when the capacitive stub circuit 33 is inserted outside the ring-shaped transmission line 31, the OAM mode can be generated.
さらに、2本以上のスタブ回路32,33を挿入した場合でも、線路の一周での位相差が2πlとなるように非相反性が共振条件を満足していれば、誘導性スタブ回路32及び容量性スタブ回路33の挿入の組み合わせに特に制限はない。また、非相反性は低減してしまうが、スタブの挿入に関しては、誘導性スタブをリング外側に挿入しても、容量性スタブを内側に挿入してもOAMモード放射の動作を行うことが可能である。このとき伝送線路31のリングサイズを大きくすることにより、モード次数を増やす必要がある。 Furthermore, even when two or more stub circuits 32 and 33 are inserted, if the nonreciprocity satisfies the resonance condition so that the phase difference in one round of the line is 2πl, the inductive stub circuit 32 and the capacitance There is no particular limitation on the combination of insertion of the sex stub circuit 33. In addition, the nonreciprocity is reduced, but regarding the insertion of the stub, it is possible to operate the OAM mode radiation even if the inductive stub is inserted outside the ring or the capacitive stub is inserted inside. It is. At this time, it is necessary to increase the mode order by increasing the ring size of the transmission line 31.
なお、以上の実施形態において、誘導性スタブ回路は非相反CRLH線路からなるリングの内側に挿入しているが、外側に挿入してもよい。また、容量性スタブ回路は非相反CRLH線路からなるリングの外側に挿入しているが、内側に挿入してもよい。 In the above embodiment, the inductive stub circuit is inserted inside the ring made of the nonreciprocal CRLH line, but may be inserted outside. Moreover, although the capacitive stub circuit is inserted on the outer side of the ring composed of the nonreciprocal CRLH line, it may be inserted on the inner side.
非相反CRLHリング共振器からOAMモードが放射することを確かめるために、有限要素法に基づく市販の電磁界シミュレーターHFSS(バージョン16)によって、共振器を構成する非相反線路の伝送特性及び共振器近傍の電磁界分布を数値計算した。電磁界シミュレーションで用いた構造パラメータは、以下の通りである。
(1)フェライトリング16の外径R=13mm、
(2)伝送線路31の線路幅w=4mm、周期p=3.56mm、
(3)フェライトリング16の厚さ及び誘電体基板10の厚さt=0.85mm,
(4)直列キャパシタCp=0.6pF、
(5)並列枝の誘導性スタブ回路32の長さls=0.45mm及び幅ws=1.5mm
(6)入力キャパシタCin=0.6pF。
In order to confirm that the OAM mode is radiated from the nonreciprocal CRLH ring resonator, the transmission characteristics of the nonreciprocal line constituting the resonator and the vicinity of the resonator are obtained by a commercially available electromagnetic field simulator HFSS (version 16) based on the finite element method. The electromagnetic field distribution of was numerically calculated. The structural parameters used in the electromagnetic field simulation are as follows.
(1) The outer diameter R of the ferrite ring 16 = 13 mm,
(2) Transmission line 31 has a line width w = 4 mm, a period p = 3.56 mm,
(3) The thickness of the ferrite ring 16 and the thickness t of the dielectric substrate 10 are 0.85 mm,
(4) Series capacitor Cp = 0.6 pF,
(5) Length ls = 0.45 mm and width ws = 1.5 mm of the parallel branch inductive stub circuit 32
(6) Input capacitor Cin = 0.6 pF.
なお、共振器特性を調べる前に、曲率を持つ非相反CRLH線路の伝送特性を調べるために、フェライト半円リングで構成された非相反CRLH伝送線路のSパラメータを数値計算及び測定において求めた。 Before examining the resonator characteristics, in order to investigate the transmission characteristics of the non-reciprocal CRLH line having curvature, the S parameter of the non-reciprocal CRLH transmission line composed of a ferrite semicircular ring was obtained by numerical calculation and measurement.
図7Aはフェライト半円リングで構成された非相反CRLH伝送線路においてモード次数l=±1のときの分散曲線を示すグラフである。また、図7Bはフェライト半円リングで構成された非相反CRLH伝送線路においてモード次数l=±2のときの分散曲線を示すグラフである。なお、構造パラメータは、後のリング共振器の場合と同一の値を用いている。図7A及び図7Bにおいて、点線が数値シミュレーション値を示し、実線が実験結果の測定値を示す。 FIG. 7A is a graph showing a dispersion curve when the mode order is 1 = ± 1 in a nonreciprocal CRLH transmission line composed of ferrite semicircular rings. FIG. 7B is a graph showing a dispersion curve when the mode order l = ± 2 in a nonreciprocal CRLH transmission line composed of a ferrite semicircular ring. Note that the structural parameters have the same values as in the case of the later ring resonator. In FIG. 7A and FIG. 7B, a dotted line shows a numerical simulation value, and a continuous line shows the measured value of an experimental result.
まず、数値シミュレーションにおいて、モード次数l=±1,±2の4通りの場合に対応する実効磁化μ0Mefを調べた。共振動作条件としては、既に述べたように、N=20セルの擬似進行波共振器を構成する非相反CRLH線路の順方向伝搬と逆方向伝搬との位相定数が一致する動作点、つまり2つの分散曲線が交差する周波数における位相定数がモード次数l=±1の場合、正規化位相定数Δβp/π=±0.1を満たし、モード次数l=±2の場合、正規化位相定数Δβp/π=±0.2を満足すればよい。数値計算の結果、
(1)モード次数l=+1の場合、実効磁化μ0Mef=+90mT、
(2)モード次数l=−1の場合、実効磁化μ0Mef=−90mT、
(3)モード次数l=+2の場合、実効磁化μ0Mef=+178mT、
(4)モード次数l=−2の場合、実効磁化μ0Mef=−178mT
であった。
First, in the numerical simulation, the effective magnetization μ 0 Mef corresponding to the four cases of mode order 1 = ± 1, ± 2 was examined. As described above, the resonance operation condition is that the phase constants of the forward propagation and the reverse propagation of the nonreciprocal CRLH line constituting the pseudo traveling wave resonator of N = 20 cells coincide, that is, two When the phase constant at the frequency at which the dispersion curve intersects has a mode order l = ± 1, the normalized phase constant Δβp / π = ± 0.1 is satisfied, and when the mode order l = ± 2, the normalized phase constant Δβp / π = ± 0.2 may be satisfied. As a result of numerical calculation,
(1) For mode order l = + 1, effective magnetization μ 0 M ef = + 90 mT,
(2) For mode order l = −1, effective magnetization μ 0 M ef = −90 mT,
(3) In the case of mode order l = + 2, effective magnetization μ 0 M ef = + 178 mT,
(4) In the case of mode order l = −2, effective magnetization μ 0 M ef = −178 mT
Met.
実験の場合においても同様にして、モード次数l=±1,±2の4通りの場合に対応する外部印加直流磁界μ0Hexを調べた。その結果、図7A及び図7Bにおいて、
(1)モード次数l=+1の場合、外部印加直流磁界μ0Hex=+87mT、
(2)モード次数l=−1の場合、外部印加直流磁界μ0Hex=−74mT、
(3)モード次数l=+2の場合、外部印加直流磁界μ0Hex=+181mT、
(4)モード次数l=−2の場合、外部印加直流磁界μ0Hex=−171mT
であった。
Similarly, in the case of the experiment, the externally applied DC magnetic field μ0Hex corresponding to the four cases of mode order 1 = ± 1, ± 2 was examined. As a result, in FIGS. 7A and 7B,
(1) When the mode order is l = + 1, the externally applied DC magnetic field μ0Hex = + 87 mT,
(2) When the mode order is l = −1, the externally applied DC magnetic field μ0Hex = −74 mT,
(3) When the mode order is l = + 2, the externally applied DC magnetic field μ0Hex = + 181 mT,
(4) In the case of mode order l = −2, externally applied DC magnetic field μ0Hex = −171 mT
Met.
図7A及び図7Bにおいて分散曲線の非相反性Δβに注意すると、図7Aでは動作点となる2本の分散曲線の交点でΔβp/πの値が約0.1になっていることがわかる。同様に図7Bでは、非相反性Δβの大きさがおよそ0.2になっていることがわかる。前述したように、リング形状の伝送線路31の一周での位相差が2πlとするためには、
(1)モード次数l=±1の場合にはΔβp/π=±0.1の関係を満たし、
(2)モード次数l=±2の場合にはΔβp/π=±0.2の関係を満たせばよい。
従って、構造を変えることなく外部印加直流磁界N0の磁界方向を切り替えることでOAMモードの切り替えが実現可能となる。
When attention is paid to the non-reciprocity Δβ of the dispersion curve in FIGS. 7A and 7B, it can be seen that in FIG. 7A, the value of Δβp / π is about 0.1 at the intersection of the two dispersion curves as the operating point. Similarly, in FIG. 7B, it can be seen that the magnitude of nonreciprocity Δβ is approximately 0.2. As described above, in order to set the phase difference in one round of the ring-shaped transmission line 31 to 2πl,
(1) When the mode order l = ± 1, the relationship Δβp / π = ± 0.1 is satisfied,
(2) In the case of mode order l = ± 2, the relationship of Δβp / π = ± 0.2 may be satisfied.
Therefore, switching of the OAM mode can be realized by switching the magnetic field direction of the externally applied DC magnetic field N0 without changing the structure.
図8は図4AのOAMアンテナ装置のシミュレーション結果であって、モード次数l=±1のときの位相分布を示す写真画像である。また、図9は図4AのOAMアンテナ装置のシミュレーション結果であって、モード次数l=±2のときの位相分布を示す写真画像である。すなわち、図8及び図9は設計した擬似進行波共振器の近傍電磁界の位相分布の数値計算例を示す。 FIG. 8 shows a simulation result of the OAM antenna apparatus of FIG. 4A and is a photographic image showing the phase distribution when the mode order l = ± 1. FIG. 9 is a photographic image showing the phase distribution when the mode order is 1 = ± 2, which is a simulation result of the OAM antenna apparatus of FIG. 4A. 8 and 9 show numerical calculation examples of the phase distribution of the near electromagnetic field of the designed pseudo traveling wave resonator.
図8及び図9の位相分布を測定する面は共振器から自由空間波長λ0だけ離れた位置として、z=50mmの面を選択し、位相分布を抽出している。観測領域の大きさはxy面に平行で200mm×200mmのサイズとし、およそ4λ0×4λ0の大きさに相当する。擬似進行波共振器において、4つのOAMモードのモード次数l=±1,±2に対応する実効磁化実効磁化μ0Mefとして、それぞれ前述の伝送線路31の場合と同じ値に設定し、放射電磁界分布を調べている。OAMモードにおいて、
(1)モード次数l=+1の場合、実効磁化μ0Mef=+90mTとし、
(2)モード次数l=−1の場合、実効磁化μ0Mef=−90mTとし、
(3)モード次数l=+2の場合、実効磁化μ0Mef=+178mTとし、
(4)モード次数l=−2の場合、実効磁化μ0Mef=−178mTとして、
共振時における近傍電磁界分布を調べた。
8 and FIG. 9 is a plane where the phase distribution is measured, and a plane with z = 50 mm is selected as a position away from the resonator by the free space wavelength λ 0 , and the phase distribution is extracted. The size of the observation region is 200 mm × 200 mm parallel to the xy plane, and corresponds to a size of approximately 4λ 0 × 4λ 0 . In the pseudo traveling wave resonator, the effective magnetization effective magnetization μ 0 M ef corresponding to the mode orders l = ± 1, ± 2 of the four OAM modes is set to the same value as that of the transmission line 31 described above, and radiated Investigating electromagnetic field distribution. In OAM mode
(1) For mode order l = + 1, the effective magnetization μ 0 M ef = + 90 mT,
(2) When the mode order is l = −1, the effective magnetization μ 0 M ef = −90 mT,
(3) In the case of mode order l = + 2, the effective magnetization μ 0 M ef = + 178 mT,
(4) When the mode order is l = −2, the effective magnetization μ 0 M ef = −178 mT,
The near electromagnetic field distribution at resonance was investigated.
図8はモード次数l=±1、図9はモード次数l=+2の場合の電磁界の位相分布を示す。なお、それぞれ動作周波数は6.05GHzと7.05GHzであった。今回設計した非相反CRLHリング共振器においては、外部印加直流磁界H0の変化に伴い、共振器を構成するCRLH線路の特性が大幅に変化し、分散曲線の交点である動作周波数が変動してしまったことが原因である。この動作周波数の変動は、アンテナ装置のリングサイズを大きくし、伝送線路31の非相反性を小さくすることにより大幅に低減できる。 FIG. 8 shows the phase distribution of the electromagnetic field when the mode order l = ± 1 and FIG. 9 shows the mode order l = + 2. The operating frequencies were 6.05 GHz and 7.05 GHz, respectively. In this design, non-reciprocal CRLH ring resonator, with a change in externally applied DC magnetic field H 0, characteristic of the CRLH line constituting the resonator changes significantly, the operating frequency is the intersection of the dispersion curve varies This is due to the failure. This variation in operating frequency can be greatly reduced by increasing the ring size of the antenna device and reducing the nonreciprocity of the transmission line 31.
図8及び図9の結果から、擬似進行波リング共振器からの放射電磁波は、モード次数l=±1及びl=±2のOAMモードに相当していることが数値シミュレーションにより確認された。 From the results of FIGS. 8 and 9, it was confirmed by numerical simulation that the electromagnetic waves radiated from the pseudo traveling wave ring resonator correspond to the OAM modes of mode orders l = ± 1 and l = ± 2.
本発明者らは、OAMモード放射と、印加直流磁界を変化させることによりモード切替が可能であることを実験的に確認するために、設計した擬似進行波リング共振器を試作し、近傍電磁界分布測定を行った。 In order to experimentally confirm that the mode can be switched by changing the OAM mode radiation and the applied DC magnetic field, the inventors of the present invention prototyped the designed pseudo traveling wave ring resonator, Distribution measurements were made.
図10は図4AのOAMアンテナ装置の試作物の写真画像である。また、図11は図4AのOAMアンテナ装置の実験結果であって、モード次数l=±1のときの位相分布を示す写真画像である。さらに、図12は図4AのOAMアンテナ装置の実験結果であって、モード次数l=±2のときの位相分布を示す写真画像である。 FIG. 10 is a photographic image of a prototype of the OAM antenna device of FIG. 4A. FIG. 11 is a photographic image showing the phase distribution when the mode order is 1 = ± 1, which is the experimental result of the OAM antenna apparatus of FIG. 4A. Further, FIG. 12 is a photographic image showing the phase distribution when the mode order is l = ± 2 as the experimental result of the OAM antenna apparatus of FIG. 4A.
OAMアンテナ装置の試作物(以下、試作アンテナ装置という)の構造パラメータは数値シミュレーションで用いた値と同じものを用いている。試作アンテナ装置に含まれるフェライトリング16としては、YIG多結晶からなる2つの半円リング形状のフェライト材料で構成されており、また、誘電体基板10はフッ素樹脂多層基板で構成されている。リング共振器の近傍電磁界分布は電気的に小さなループアンテナで受信して測定した。 The structural parameters of the prototype of the OAM antenna device (hereinafter referred to as the prototype antenna device) are the same as those used in the numerical simulation. The ferrite ring 16 included in the prototype antenna device is composed of two semicircular ring-shaped ferrite materials made of YIG polycrystal, and the dielectric substrate 10 is composed of a fluororesin multilayer substrate. The near electromagnetic field distribution of the ring resonator was measured by receiving it with an electrically small loop antenna.
図11及び図12から明らかなように、図8及び図9の数値シミュレーション結果と同様に、モード次数l=±1及びl=±2のOAMモード放射が得られていることがわかる。なお、動作周波数はそれぞれ6.05GHzと7.05GHzである。以上のことから、外部印加直流磁界を適切に選ぶことにより、擬似進行波リング共振器から生じるOAM放射のモード次数を切換できることが確認された。 As is apparent from FIGS. 11 and 12, OAM mode radiation having mode orders l = ± 1 and l = ± 2 is obtained as in the numerical simulation results of FIGS. The operating frequencies are 6.05 GHz and 7.05 GHz, respectively. From the above, it was confirmed that the mode order of OAM radiation generated from the pseudo traveling wave ring resonator can be switched by appropriately selecting the externally applied DC magnetic field.
以上詳述したように、本発明によれば、従来技術に比較して簡単な構成を有し、動作周波数を固定したままモード次数を簡単に切り替えることができるOAMアンテナ装置を提供できる。 As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an OAM antenna apparatus that has a simple configuration compared to the prior art and can easily switch the mode order while fixing the operating frequency.
10…誘電体基板、
11,12,13,15…ストリップ導体、
14…ビア導体、
16…フェライトリング、
20…単位セル回路、
31…伝送線路、
32,33…スタブ回路、
35…給電線路、
50…電磁石、
Cp,Cin…キャパシタ、
P1,P2,P11…ポート。
10 ... dielectric substrate,
11, 12, 13, 15 ... strip conductors,
14 ... via conductor,
16: Ferrite ring,
20: Unit cell circuit,
31 ... transmission line,
32, 33 ... stub circuit,
35 ... Feed line,
50 ... Electromagnet,
Cp, Cin ... capacitor
P1, P2, P11 ... ports.
Claims (3)
上記各単位セルの伝送線路部分は、上記マイクロ波の伝搬方向に対して異なる方向に磁化されてジャイロ異方性を有するように自発磁化を有するか又は外部磁界により磁化され、
上記並列枝の回路は、
(1)上記リング形状の非相反伝送線路装置の内側または外側に挿入するように接続された誘導性スタブ回路、
(2)上記リング形状の非相反伝送線路装置の外側または内側に挿入するように接続された容量性スタブ回路、もしくは
(3)上記誘導性スタブ回路と上記容量性スタブ回路の組み合わせの回路であり、
上記リング形状の非相反伝送線路装置は
上記非相反伝送線路装置の非相反性をΔβとし、
上記非相反伝送線路装置の周期をpとし、
lを所定の整数としたときに、次式の条件を満たすことで、
The transmission line part of each unit cell is magnetized in a direction different from the propagation direction of the microwave and has a gyro anisotropy or is magnetized by an external magnetic field,
The parallel branch circuit is
(1) An inductive stub circuit connected to be inserted inside or outside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device;
(2) A capacitive stub circuit connected to be inserted outside or inside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device, or (3) a circuit combining the inductive stub circuit and the capacitive stub circuit. ,
The ring-shaped nonreciprocal transmission line device has a nonreciprocity of the nonreciprocal transmission line device as Δβ,
The period of the nonreciprocal transmission line device is p,
By satisfying the following expression when l is a predetermined integer,
(1)上記リング形状の非相反伝送線路装置の内側に挿入するように接続された誘導性スタブ回路、もしくは
(2)上記リング形状の非相反伝送線路装置の外側に挿入するように接続された容量性スタブ回路、
であることを特徴とする請求項1記載の軌道角運動量モード擬似進行波共振器。 The parallel branch circuit is
(1) An inductive stub circuit connected so as to be inserted inside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device, or (2) connected so as to be inserted outside the ring-shaped nonreciprocal transmission line device. Capacitive stub circuit,
The orbital angular momentum mode pseudo traveling wave resonator according to claim 1.
上記擬似進行波共振器にマイクロ波を入力する給電線路とを備えたことを特徴とする軌道角運動量アンテナ装置。 The pseudo traveling wave resonator according to claim 1 or 2,
An orbital angular momentum antenna apparatus comprising a feed line for inputting a microwave to the pseudo traveling wave resonator.
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