WO2001006596A1 - Antenne dielectrique - Google Patents

Description

明 細 書

誘電体アンテナ 技術分野

本発明は、 超短波、 準マイクロ波、 マイクロ波、 ミリ波の無線通信に使用さ れる誘電体アンテナに関する。 背景技術

係る誘電体アンテナとしては、 例えば、 特開平 1 0— 1 7 3 4 3 4号公報、 特開平 1 0— 2 4 7 8 0 7号公報、 特開平 1 0— 3 0 3 6 1 2号公報に開示さ れているプロック状または平面状の誘電体と、 この誘電体の底面に形成された グランド電極と給電端子が形成されており、 誘電体の上面に形成された帯状の アンテナ電極が形成されており、 さらに、 給電端子とアンテナ電極は誘電体の 内部を通って接続されている構造となっており、 誘電体を主な放射素子とした ことによつて周波数上昇によるァンテナ効率の低下を改善したものである。 ところが、 従来の誘電体アンテナには、 改善すべき多くの課題がある。

例えば、 従来の誘電体アンテナには、 給電端子が裏面中央にあることから表 面実装には適さないという問題であり、 パッチ型、 平面積層型には指向性があ るという問題であり、 小型化した場合、 アンテナ電極が近接することにに伴う 電気力線の影響により性能の低下する問題であり、 さらには、 アンテナの周波 数特性から周波数範囲毎の整合が難しい問題である。 発明の開示

本発明が解決しようとする課題は、 従来の誘電体アンテナにおける上記諸問 題を解決して、 実装性に優れ、 小型でありながらも、 誘電体アンテナとしての 性能劣化を防ぐことにある。

本発明の誘電体アンテナは、 平面状に形成された誘電体の底面もしくは側面 には給電端子が設けられ、 同誘電体の上面には帯状のアンテナ電極が形成され ており、 さらに、 給電端子とアンテナ電極は誘電体の内部もしくは側面を通つ て接続されている誘電体アンテナにおいて、 前記平面状の誘電体を高誘電率を 有するセラミックスによって形成し、 且つ、 前記平面状の誘電体上面の帯状の アンテナ電極をスパイラル状に形成したことを特徴とする。

高誘電率を有するセラミックスとしては、 ί _rが 3 0〜 1 2 0程度の誘電率 を有する B a T i〇₃系、 B a (M g _{1 / 3} T a 2 , 3 ) 0₃系、 B a ( Z n _{1 / 3} T a ₂ハ） 〇 ₃系などのセラミッタスが好適に使用できる。 これによつて高誘電率の誘電 体セラミックスによる波長短縮効果の理由から、 アンテナを小型化できる。 また、 帯状のアンテナ電極をスパイラル状に形成したことによって、 全方位 に電波を放射し、 無指向性を達成できる。

また、 準マイクロ波以下の低周波数帯において小型化するために、 高誘電率 の誘電体を、 アルミナやエポキシ樹脂のような、 E rが 2〜1 0程度の低誘電 率の薄層 （数十； u m) を介して積層することによって、 広い範囲の周波数バン ドに対応できる。

さらに、 この積層誘電体アンテナもしくは片面スパイラノレ誘電体アンテナの 底面に、 さらに、 誘電体基板を貼り付けることによって、 周波数調整と整合が 取れ、 これによつて、 アンテナの特性を改善できる。

さらに、 本発明に係る誘電体上面の帯状のアンテナ電極をスパイラル状に形 成した誘電体アンテナは、 その給電端子にィンダクタコイルやキャパシタなど の整合素子を接続することによって所望周波数での整合を取ることができる。 単にこの整合素子は誘電体基板上にアンテナ電極と一体形成できる。

ここで、 本明細書において、 「スパイラル状」 とは、 四辺形の外側から内側 に向かって、 前記四辺形の 4辺に対して平行な線分で一筆書き状に描かれる形 状を言う。 なお、 各線分を結ぶ角部は、 必ずしも直角でなく、 円弧で形成され てもよレ、。 この 4辺に対して平行な線分で形成される帯状の電極により、 誘電 体基板の面平行な四方と、 誘電体基板の面に垂直な二方の六方向、 すなわち全 方向に対して電波が放射され、 また受信可能となる。 すなわち、 無指向性のァ ンテナとなる。 また、 「スパイラル状」 とは、 直線部を有しない単に渦卷状の ものも指す。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の第 1の実施態様を示すもので、 誘電体上面の帯状（ ナ電極を直線スパイラル状に形成した誘電体ァンテナを示す。

図 2は、 本発明の第 2の実施態様を示すもので、 低誘電率の薄層を介して誘 電体を積層した例を示す。

図 3は、 誘電体を積層した誘電体アンテナの効果を説明する図で、 アンテナ 電極上の電流分布を示す。

図 4は、 誘電体を積層した誘電体アンテナの効果を説明する図である。

図 5は、 誘電体を積層した誘電体ァンテナの底面にさらに誘電体基板を貼り 付けた例を示す。

図 6は、 本発明の誘電体アンテナにおいて、 所望の周波数での整合を取るた めにコイルを接続した例を示す。

図 7は、 本発明の誘電体アンテナにおいて、 所望の周波数での整合を取るた めにコィルを誘電体基板上にアンテナ電極と一体化した例を示す。

図 8は、 第 1の実施態様において、 誘電体セラミック基板のサイズと電極パ ターンの異なる①〜⑤のサンプルの例を示す図である。

図 9は、 第 2の実施態様を表した図である。

図 1 0は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 コプレーナ線路を使用し て給電した場合を示す。

図 1 1は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 マイクロストリップ線路 を使用して給電した場合を示す。

図 1 2は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 同軸線路を使用して給電 した場合を示す。

図 1 3は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 スロットを用いず、 裏面 より電磁結合にてコプレーナ線路を使用して給電した場合を示す。 . 発明を実施するための最良の形態

- 本発明の実施の形態を添付図によって説明する。

■ 図 1は本発明の第 1の実施態様を示すもので、 高誘電率 （ f _r = 9 0 ) のセ • ラミック基板 1を使用し、 セラミック基板 1の片面に帯状のアンテナ電極 2を 5 スパイラル状に形成した誘電体アンテナを示す。 アンテナ電極 2の形状をスパ . ィラル状にすることで、 無指向性になる。 マイクロ波、 ミリ波において、 （側 - 面） 電極 3もしくは （底面） 電極 4に給電することによって、 小型で軽量な特 - 性の良いアンテナが得られる。

• 図 2は本発明の第 2の実施形態を示すものであり、 アンテナの小型化を図る0 ため図 1の実施形態のように、 1枚の誘電体セラミック基板 1の両面にアンテ - ナ電極 2を形成し、 図中側面電極 3を介して両アンテナ電極を接続する。 この - 構造で上側アンテナ電極の中心から不平衡給電すると、 アンテナ上の電流分布 - は、 アンテナの中点である側面電極 3上で電流が最大、 及び最小になるモード • に大別される。 ここでは前者を偶対称モード、 後者を奇対称モードと呼ぶ。

5 さて、 これらのモードはさらに共振次数により細分化されるが、 そのうち最 . 低次モードの電流分布を図 3に示す。 これらのモードがアンテナとして動作す - る周波数は、 アンテナの実効長が半波長の整数倍のときであり、 それぞれの動 • 作周波数を f e、 f 。とすると、 f_e =

0

f : '

. で表わされる。 ここでアンテナの物理長を L、 偶及び奇対称モードの実効誘電 . 率をそれぞれ _{f ee}、 ε _e。、 また光速を C。 としている。 この式からもわかるよう5 に図 2のアンテナ構造に図 3 (a) に示す偶対称モードが励振できれば、 準マ • イク口波以下の周波数帯でも、 小型で薄型なアンテナが実現できる。

. ところで、 図 3において、 偶、 奇対称モードの # 1— # 1 ' 面上での電気力 - 線と電流分布に注目すると、 それらは図 4に示すように、 偶対称モードに関し ては図中 # 2— # 2 ' 面が磁気壁、 奇対称モードではこの面が電気壁になるよ うに振る舞う。 従って、 準マイクロ波以下の周波数帯において、 厚さが高々数 mm程度のセラミック基板を利用した両面アンテナ電極では、 アンテナ電極間 の結合が強くなり、 図 4 ( b ) の奇対称モードが支配的となる。 また、 偶対称 モードを励振するためには、 セラミック基板を十分厚く しなければならず、 こ の点がアンテナの小型化、 薄型化を妨げる要因であった。

そこで、 本発明では図 2のように、 それぞれ片面にアンテナ電極 2、 2 ' を 形成した 2枚のセラミック基板 1、 1 ' の間に、 数十 μ m程度の薄い低誘電率 ( £ _r = 1 0程度） の層 5を設け且つ誘電体アンテナの側面には上下のアンテ ナ電極 2、 2 ' を接続する側面電極 3を設ける。 こうすることにより、 セラミ ック基板側から低誘電率側を見た場合、 高/低誘電率層境界面は両者の比誘電 率の差が大きくなるほど、 磁気壁に近づき、 その結果図 4 ( c ) のように薄型 セラミック基板を用いても偶対称モードの励振が可能となり、 準マイクロ波以 下の周波数帯においても小型で薄型な誘電体アンテナが得られる。

図 5は、 第 1の実施態様または第 2の実施態様の誘電体アンテナの片面に誘 電体基板 6を貼り付けることで、 周波数調整と整合が取れるため、 アンテナ特 性の向上を容易に図ることができる。

図 6は、 本発明の誘電体アンテナにおいて、 上記の図 5の方法以外で、 所望 の周波数でのマッチングを取るために、 スミスチャートより、 誘電体アンテナ がキャパシタンス成分であればインダクタ （コイル 6 ) を、 インダクタ成分で あればコンデンサを設置する場合のうち前者の場合を示している。

図 7は、 本発明の誘電体アンテナにおいて、 上記の図 6の方法で、 単に整合 素子としてインダクタ （コイル） 7を誘電体基板 6上にアンテナ電極 2と一体 形成した場合を示している。

図 8は、 第 1の実施態様において、 セラミックス基板のサイズと電極パター ンの異なる①〜⑤のサンプルを試作して、 周波数と反射損失特性を測定したも のである。 その測定結果を表 1に示す。 サンプル No. サイズ（mm) 周波数 (MH z) 反射損失（dB)

① 1 0 X 1 0 X 1 800 -32. 23

② 1 0 X 1 0 X 1 90 0 -33. 55

③ 5 X 5 X 1 1 500 - 1 5. 31

④ 5 X 5 X 1 1 900 — 1 8. 29

⑤ 5 X 5 X 1 2400 - 30. 00 の結果から、 800MH z〜2. 4 GH zの帯域でそれぞれのサンプルが して機能していることが分かる。

図 9は、 第 2の実施態様を表したもので、 電極パターンの異なる⑥〜⑧のサ ンプルを試作して、 周波数と反射損失特性を測定したものである。 その測定結 果を表 2に示す。

表 2

この結果から、 200〜400MH zと低周波数帯域でも小型の誘電体アン テナがアンテナとして機能していることが分かる。

図 1 0は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 コプレーナ線路 8を使用 して給電した場合を示す。

図 1 1は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 マイクロストリップ線 9 路を使用して給電した場合を示す。

図 1 2は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 同軸線路 1 0を使用して 給電した場合を示す。

図 1 3は、 本発明の誘電体アンテナの給電方法で、 裏面より電磁結合にてコ - プレーナ線路 1 1を使用して給電した場合を示す。

- 上述したように、 本発明によれば下記の効果を奏する。

- ( 1 ) 高誘電率を有する平面状の誘電体セラミ ックスによって形成し、 且つ、

- 前記平面状の誘電体上面の帯状のアンテナ電極をスパイラル状に形成したこと

5 により、 小型の誘電体アンテナで無指向性を達成できる。

. ( 2 ) 高誘電率を有する誘電体を低誘電率の薄層を介して積層することによつ . て、 広い周波数バンドに対応でき、 アンテナ特性が向上する。

• ( 3 ) さらに、 この積層誘電体アンテナの底面に、 誘電体基板を貼り付けるこ - とによって、 容易に周波数調整と整合を取ることができる。

0 ( 4 ) さらに、 本発明に係る誘電体上面の帯状のアンテナ電極をスパイラル状 . に形成した誘電体アンテナは、 その給電端子にインダクタンスコイルまたはキ • ャパシタを接続することによって、 整合を取ることができる。

• 産業上の利用可能性

5 本発明は、 無線通信に使用される誘電体アンテナの製造において利用するこ • とができる。

0

5

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 平面状に形成された誘電体の底面もしくは側面には給電端子が設けられ、 同誘電体の上面には帯状のアンテナ電極が形成され、 さらに、 給電端子とアン テナ電極は誘電体の内部もしくは側面を通って接続されている誘電体アンテナ において、 前記平面状の誘電体を高誘電率を有するセラミックスによって形成 し、且つ、前記帯状のアンテナ電極をスパイラル状に形成した誘電体アンテナ。

2 . 平面状に形成された誘電体を低誘電率の薄層を介して積層した請求の範 囲 1に記載の誘電体アンテナ。

3 . 底面に、 さらに、 誘電体基板を貼り付けた請求の範囲 1または 2記載の誘 電体アンテナ。

4 . 誘電体基板上給電端子面にコイルやキャパシタのような整合回路をアン テナとともに一体形成した請求の範囲 1または 2記載の誘電体アンテナ。

5 . 給電手段がアンテナ電極と同じ面のコプレーナ線路、 マイクロス トリツ プ線路、 同軸線路、 あるいはアンテナ電極の裏面からのコプレーナ、 マイクロ ストリップ、 同軸で給電する構成のいずれも可能な請求の範囲 1から 4のいず れかに記載の誘電体ァンテナ。