JP2000165127A - 薄型平面アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型、薄型で、所要の利得が得られ、共振周
波数のバラツキが生じにくい薄型平面アンテナを提供す
る。 【解決手段】 樹脂組成物よりなる誘電体薄板11の一端
側の片面にグランド導体12を形成し、誘電体薄板11のグ
ランド導体12形成部分より他端側に、その両面に密着し
てアンテナ導体13をらせん状に形成し、そのアンテナ導
体13のグランド導体12側の端部を給電部13Ｋとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信機器や
携帯無線機器に用いられる薄型平面アンテナに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動体通信機器や携帯無線機器に
用いられる共振周波数30GHz 以下のアンテナとしては、
図１３に示すようなマイクロストリップアンテナ（以
下、ＭＳＡという）が公知である。ＭＳＡは、誘電体基
板１の一方の面に銅箔からなるパッチ（マイクロストリ
ップ）２を、他方の面に銅箔からなるグランド３を張り
付け、グランド３側の面に同軸プローブ４を取りつけた
ものである。同軸プローブ４の中心導体４ａは誘電体基
板を貫通してパッチ２の所定位置にある給電点５に電気
的に接続され、外部導体４ｂはグランド３およびアース
６に電気的に接続されている。

【０００３】このＭＳＡは構造が比較的単純であること
から、移動体通信機器や携帯無線機器に広く用いられて
いる。特に円偏波の信号を受信するＧＰＳアンテナで
は、パッチの設計が容易なため、ＭＳＡが主流である。
また小型化を目的としたＭＳＡの応用形態である逆Ｆア
ンテナは、携帯電話機の内蔵アンテナとして多用されて
いる。

【０００４】この種のアンテナの分野では現在、小型
化、軽量化の研究が精力的に行われている。特に携帯無
線機器に組み込まれるアンテナの場合、その小型化、軽
量化は必須の課題であり、今後とも一層の小型化、軽量
化が進むものとみられる。またアンテナを、他の電子部
品と同様にプリント配線板などに実装できるようにする
ためには、アンテナは平板型で、出来るだけ薄型である
ことが望ましい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしＭＳＡは薄型化
に限界がある。ＭＳＡを薄型化する場合、図１４（「最
新平面アンテナ技術」羽石；株式会社総合技術センター
より）に見られるように誘電体基板の厚さｈが、0.01λ
₀ （λ₀ は共振波長）以下になると、利得が急激に減少
し、アンテナとして機能しなくなる。例えば1.9 GHz の
アンテナは共振波長λ₀ が160 mmであるから、0.01λ₀
＝1.6 mmとなり、誘電体薄板の厚さを1.6mm以下にする
とアンテナとして使用できない。

【０００６】ところで平面型のアンテナとしては、特開
平９−２２３９１３号公報に、片面にアンテナ用導体パ
ターンを形成した複数枚の誘電体シートを積層し、焼成
して一体化したものが提案されている。しかしこのアン
テナは、誘電体基板が積層構造であるため、全体の厚さ
を薄くすると層間の界面の影響が大きくなり、共振周波
数にバラツキが生じやすくなる。また導体パターンを形
成する誘電体シートとしては、酸化バリウムや酸化アル
ミニウム等の無機物を主成分とするシートが用いられて
おり、これらのシートは薄くすると破損しやすくなるの
で、薄型化に限界がある。

【０００７】本発明の目的は、以上のような問題点に鑑
み、小型、薄型で、所要の利得が得られ、共振周波数の
バラツキが生じにくいアンテナを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明の薄型平面アンテナは、樹脂よりなる誘電体薄板
の一端側の片面にグランド導体を形成し、前記誘電体薄
板のグランド導体形成部分より他端側に、その両面に密
着してアンテナ導体をらせん状に形成し、そのアンテナ
導体の端部を給電部としたことを特徴とするものであ
る。なお誘電体薄板を構成する樹脂は、単独の樹脂だけ
でなく、添加物を配合した樹脂（樹脂組成物）を含むも
のとする。

【０００９】本発明は、種々の構成のアンテナを試作、
試験した結果から、誘電体薄板にアンテナ導体およびグ
ランド導体を上記のような配置で形成すると、薄くても
高い利得が得られることを究明し、完成されたものであ
る。本発明のアンテナは、誘電体薄板を一枚ものとする
ことで、アンテナ導体およびグランド導体の配置、形
状、寸法が単純に定まるようにし、これによって寸法精
度の高い、共振周波数のバラツキの少ないアンテナが得
られるようにしたものである。また誘電体薄板を樹脂製
としたことにより、かなり薄くしても破損しにくく、ア
ンテナの製作が容易になる。

【００１０】また本発明の薄型平面アンテナは、アンテ
ナ導体の給電部が誘電体薄板のグランド導体側の面に形
成されている構成とすることが好ましい。このようにす
ると、アンテナ導体およびグランド導体のプリント配線
板などへの接続を同一面で行えるので、アンテナの表面
実装が可能となる。

【００１１】また本発明の薄型平面アンテナは、誘電体
薄板の両面にアンテナ導体およびグランド導体を覆うよ
うに誘電体被覆を設けると共に、アンテナ導体の給電部
およびグランド導体の一部に誘電体被覆を貫通する接続
端子部を設けた構成とすることが好ましい。

【００１２】上記のような誘電体被覆を設けることによ
りアンテナ導体およびグランド導体を保護することがで
き、アンテナの取扱いが容易になる。また誘電体被覆を
貫通する接続端子部を設けることにより、プリント配線
板などへの表面実装が容易になる。

【００１３】また本発明の薄型平面アンテナは、アンテ
ナ導体の給電部およびグランド導体の一部を隆起させて
接続端子部としたものであることが好ましい。このよう
な構成にすると、プリント配線板などへの表面実装が容
易になると共に、接続端子部を有する薄型平面アンテナ
の製作も容易に行える。

【００１４】本発明のアンテナは、誘電体薄板の厚さを
共振波長λ₀ の0.01倍以下とし、共振周波数30GHz 以下
で使用するのに適している。誘電体薄板の厚さ（アンテ
ナ導体のらせん形状の高さ）は、0.05mmより薄くなると
利得が低下するので、0.05mm以上とするのが好ましい。

【００１５】らせん状のアンテナ導体は一つでもよい
が、複数個並べてアレイ化することで、より利得を向上
させてもよい。また共振周波数の異なるアンテナ導体を
二つ並べて２共振型にしたり、広帯域型にしたりしても
よい。またらせん状のアンテナ導体を直交状態に配置し
て、円偏波を受信できるようにすることもできる。アン
テナ導体の形態は、金属線でもよいし、金属箔でもよ
く、またメッキで形成されたものでもよい。

【００１６】グランド導体の大きさ、形状は任意でよい
が、グランド導体の法線方向はアンテナ導体のらせん進
行方向から見たらせん高さ方向（誘電体薄板の厚さ方
向）と一致することが必要である。この状態で、最も電
気的な安定が得られ、高利得を得ることができるように
なる。グランド導体は、給電用同軸プローブの外部導体
に接続し、さらにこれをアースに接続することが好まし
いが、商品タグ用アンテナのようにアースに落とすこと
が不可能なアンテナの場合は、アンテナモジュールの０
電位相当の箇所と接続すればよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して詳細に説明する。 〔実施形態１〕図１は本発明に係る薄型平面アンテナの
一実施形態を示す。図において、11は誘電体薄板、12は
誘電体薄板11の一端側の片面に形成されたグランド導
体、13は誘電体薄板11のグランド導体12形成部分より他
端側に一定のピッチでらせん状に巻き付けられたアンテ
ナ導体、13Ｋはアンテナ導体13の給電部である。なお給
電部13Ｋはアンテナ導体13の末端でなくとも末端から多
少内側に入った位置に設けてもよい。

【００１８】誘電体薄板11の材料は樹脂である。誘電体
薄板11用の樹脂は誘電正接の小さいものであることが好
ましく、また誘電率の高いものであればアンテナを小型
化できるのでより好ましい。誘電体薄板11用の樹脂とし
ては、例えば熱可塑性樹脂であれば、ポリフェニレンサ
ルファイド、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン
等）、シンジオスタック−ポリスチレン、ポリエーテル
イミドなどが、熱硬化性樹脂であれば、エポキシ系樹
脂、シリコーン系樹脂などが、誘電正接が小さく、半田
耐熱性にすぐれているので好ましい。また誘電体薄板11
用の樹脂は、ガラス、セラミック、半導体微粒子などの
フィラーを混入することにより、耐熱性、強度、電気特
性を向上させたものでもよい。特に、樹脂に酸化チタン
やチタン酸バリウム等の高誘電フィラーを混入したもの
は、誘電率が高いので好ましい。誘電体薄板11用の樹脂
としては比誘電率が10以上のものを使用することが好ま
しい。

【００１９】グランド導体12は銅箔などの金属箔を誘電
体薄板11に接着剤により張り付けるか、予め誘電体薄板
11の片面全面に銅箔を張り付けて（又は銅メッキを施し
て）おき、それを必要部分だけ残るようにエッチングす
ることにより形成される。

【００２０】アンテナ導体13は誘電体薄板11の外周面に
密接して巻き付けられ、接着剤（図示せず）により固定
されている。つまりアンテナ導体13は誘電体薄板11の断
面寸法によって矩形らせんの幅と高さを正確に設定する
ことができる。アンテナ導体13としてはエナメル被覆銅
線などを使用するとよい。

【００２１】〔実施形態２〕図２は本発明の他の実施形
態を示す。図２において図１と同一部分には同一符号を
付してある。この実施形態は図１のように構成されたア
ンテナにさらに、その全外周面を覆うように誘電体被覆
14を設けると共に、グランド導体12の一部およびアンテ
ナ導体13の給電部13Ｋに誘電体被覆14を貫通して接続端
子部15、16を形成したものである。

【００２２】誘電体被覆14を設けることによりアンテナ
導体13およびグランド導体12を保護することができ、ア
ンテナの取扱いが容易になる。また接続端子部15、16を
誘電体被覆14の表面に露出させておくことにより、この
アンテナを他の電子部品と同様にプリント配線板に表面
実装することが可能となる。

【００２３】誘電体被覆14の材料としては、誘電正接が
小さいものが好ましく、誘電率が高ければさらに好まし
い。具体的には、エポキシ系接着剤、シリコーン系封止
材料などの他、誘電体薄板と同様の材料を使用すること
ができる。ＩＣ封止用の熱硬化型封止材料（エポキシに
ガラスフィラーを充填したもの）も好適である。接続端
子部15、16の形成の仕方は後述するが、半田バンプなど
で形成することができる。

【００２４】〔実施形態３〕図３は本発明のさらに他の
実施形態を示す。このアンテナは、平面状のグランド導
体12とらせん状のアンテナ導体13が金属箔例えば銅箔で
形成されているものである。グランド導体12は実施形態
１と同様であるが、アンテナ導体13は、誘電体薄板11の
一方の面にらせん１ピッチ間隔でらせん半ピッチ進む導
体パターンを形成し、他方の面に同じ間隔でさらにらせ
ん半ピッチ進む導体パターンを形成し、両面の各導体パ
ターンの両端部をスルーホール17で接続することで、矩
形らせん状としたものである。誘電体薄板11の材料等は
実施形態１と同様である。

【００２５】このようなアンテナは、誘電体薄板11の両
面に銅箔などの金属箔を張り付け、スルーホール形成位
置に孔あけ加工、孔内面めっきをした後、所望のパター
ンが残るようにエッチングするというプリント配線板の
手法で製造できる。したがってこのアンテナは、寸法精
度が高く、共振周波数のバラツキが少ない上、大サイズ
の誘電体薄板に金属箔を張り付け、多数のアンテナパタ
ーンを形成した後、切り分けることにより、一度に多数
のアンテナを製造することが可能であり、生産性にも優
れている。

【００２６】〔実施形態４〕図４は本発明のさらに他の
実施形態を示す。図４において図３と同一部分には同一
符号を付してある。この実施形態は図３のように構成さ
れたアンテナにさらに、その両面を覆うように誘電体被
覆14を設けると共に、グランド導体12の一部およびアン
テナ導体13の給電部13Ｋに誘電体被覆14を貫通して接続
端子部15、16を形成したものである。誘電体被覆14の材
料等は実施形態２と同様である。

【００２７】次に上記のような誘電体被覆14を有するア
ンテナの製造方法について説明する。図５は製造方法の
第一の例を示す。まず図３のようなアンテナを製造した
後、（ａ）に示すようにグランド導体12およびアンテナ
導体13の給電部13Ｋに半田バンプ15ａ、16ａを形成す
る。次に（ｂ）に示すように全体に誘電体被覆14を塗布
または金型成形などにより形成する。次に（ｃ）に示す
ように半田バンプ15ａ、16ａ側の誘電体被覆14を研磨し
て半田バンプ15ａ、16ａの頭部を露出させる。最後に
（ｄ）に示すように露出した半田バンプ15ａ、16ａの上
にさらに半田バンプを形成すれば、完成である。この例
では半田バンプ15ａ、16ａが図４の接続端子部15、16と
なる（以下の例でも同じ）。この製造方法は図２のアン
テナの製造にも適用できる。

【００２８】図６は製造方法の第二の例を示す。まず１
枚の誘電体薄板11に図３のようなアンテナを複数パター
ン形成した後、（ａ）に示すようにグランド導体12およ
びアンテナ導体13の給電部13Ｋに半田バンプ15ａ、16ａ
を形成し、これを金型18Ａ、18Ｂ内にセットする。半田
バンプ15ａ、16ａ側の金型18Ａの内面には耐熱性、離型
性にすぐれた弾性シート19が張り付けられており、半田
バンプ15ａ、16ａの頭部はこの弾性シート19にめり込む
状態となる。次に（ｂ）に示すように金型18Ａ、18Ｂ内
に樹脂を充填して誘電体被覆14を成形する。次に金型18
Ａ、18Ｂを取り外すと（ｃ）のようになるから、破線Ｓ
の位置で切断すれば、一度に複数個のアンテナを製造で
きる。

【００２９】図７は製造方法の第三の例を示す。まず図
３のようなアンテナを製造した後、（ａ）に示すように
全体に感光性絶縁材料（例えば絶縁性の紫外線硬化型樹
脂など）21を塗布する。その上に、半田バンプを形成す
る位置が影になる遮光部22ａを有するマスク22を被せ、
可視光または紫外線を照射して感光性絶縁材料21を硬化
させると、レジスト22ａの部分だけ未硬化で残るので、
未硬化の樹脂を除去すると、（ｂ）のようにグランド導
体12の一部とアンテナ導体の給電部13Ｋを残して誘電体
被覆14が形成された状態となる。このあと、露出してい
るグランド導体12の一部とアンテナ導体の給電部13Ｋに
（ｃ）のように半田バンプ15ａ、16ａを形成すれば、完
成である。この製造方法は図２のアンテナの製造にも適
用できる。

【００３０】〔実施形態５〕図８は本発明のさらに他の
実施形態を示す。このアンテナは、誘電体薄板11に図３
のアンテナと同様にグランド導体12およびアンテナ導体
13を形成したものであるが、アンテナ導体13の給電部13
Ｋを、グランド導体12と同じ面の、グランド導体12と反
対側の端部に設ける（グランド導体12側の端部に設けて
もよい）と共に、アンテナ導体13の給電部13Ｋとグラン
ド導体12の一部を隆起させて接続端子部15、16としたも
のである。このように接続端子部15、16が隆起している
と、プリント配線板等への表面実装が容易である。

【００３１】図８のような接続端子部15、16が隆起した
アンテナを製造するには、図９に示すような誘電体薄板
11を使用するとよい。この誘電体薄板11は図８のアンテ
ナのスルーホール17を形成する位置に孔17ａを形成する
と共に、接続端子部15、16を形成する位置に隆起部23、
24を形成したものである。このような誘電体薄板11は樹
脂の射出成形により簡単に製造することができる。図９
の誘電体薄板11の両面と孔17ａの内面に金属例えば銅の
メッキを施し、グランド導体12とアンテナ導体13が残る
ようにエッチングすれば、図８のような隆起した接続端
子部15、16をもつアンテナが得られる。この実施形態の
アンテナは、実施形態４のアンテナのように半田バンプ
を形成する必要がないので、製造工程を少なくでき、生
産性にすぐれている。

【００３２】〔実施形態６〕図１０は本発明のさらに他
の実施形態を示す。図１０において図８と同一部分には
同一符号を付してある。この実施形態は図８のように構
成されたアンテナにさらに、その両面を接続端子部15、
16を残して（露出させて）覆うように誘電体被覆14を設
けたものである。接続端子部15、16の頂部は誘電体被覆
14の表面から突出していることが好ましい。誘電体被覆
14の材料等は実施形態２と同様であり、効果も実施形態
２と同様である。

【００３３】

【実施例】次に本発明のアンテナの試作試験結果を図１
１を参照して説明する。まずグランド導体12付きの誘電
体薄板11を用意した。誘電体薄板11は、５mm角、厚さ0.
2mmの酸化チタン系高誘電フィラーを配合したポリエー
テルイミド樹脂組成物からなり、誘電正接0.003 、比誘
電率20である。グランド導体12は１×５×0.035 mmの銅
箔である。これに直径0.1 mm、長さ70mmのエナメル被覆
銅線を0.5 mmのピッチでらせん状に巻き付けて、アンテ
ナ導体13を形成した。

【００３４】このアンテナに同軸プローブ４を取り付け
た。同軸プローブ４の中心導体４ａはアンテナ導体の給
電部13Ｋに半田付けし、外部導体４ｂはグランド導体12
に半田付けした。この測定サンプルについてネットワー
クアナライザで共振周波数の測定を行ったところ、共振
周波数は1.845GHzであった。また標準ダイポールアンテ
ナを発振源とし、そこから1.5 ｍ離れた位置に測定サン
プルをセットして利得の測定を行ったところ、最大値で
−１dBi の利得があることが確認された。

【００３５】比較のため図１２に示すような逆Ｆアンテ
ナの試作した。まず誘電体基板１の一方の面にパッチ２
を、他方の面にグランド導体３を張り付けたアンテナ部
材を用意した。誘電体基板１は、７mm角、厚さ0.4 mmの
ポリエーテルイミド樹脂からなるものである。パッチ２
は、6.3 mm角、厚さ0.035 mmの銅箔からなり、幅0.7m
m、奥行き2.5 mmの切欠き７を一つの角から２mm離れた
位置に形成したものである。グランド導体３は7.0 mm
角、厚さ0.035 mmの銅箔である。これに孔あけ加工を施
し、ピンを挿入することによってスタブ８と給電部５を
形成して、逆Ｆアンテナを完成させた。

【００３６】さらに測定のためこのアンテナに同軸プロ
ーブ４を取り付けた。同軸プローブ４の中心導体は給電
部５から誘電体基板１を貫通しているピンに半田付け
し、外部導体４ｂはグランド導体12に半田付けした。こ
の測定サンプルについてネットワークアナライザで共振
周波数の測定を行ったところ、共振周波数は1.874GHzで
あった。また実施例と同様にして利得の測定を行った
が、ほとんど応答が見られず、利得は−20dBi 以下であ
ることが分かった。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、き
わめて小型、薄型で、所要の利得が得られるアンテナを
提供することができる。しかもこのアンテナは、一枚も
のの誘電体薄板にアンテナ導体およびグランド導体を形
成した構造であるため、寸法精度が高く、共振周波数の
バラツキが少ないという利点がある。さらに誘電体薄板
は樹脂製であるため、かなり薄くしても破損しにくく、
アンテナの製作が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のアンテナの一実施形態を示す斜視
図。

【図２】 本発明のアンテナの他の実施形態を示す
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図。

【図３】 本発明のアンテナのさらに他の実施形態を示
す（ａ）は平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）は正面図。

【図４】 本発明に係るアンテナのさらに他の実施形態
を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面
図。

【図５】 （ａ）〜（ｄ）は本発明のアンテナの製造方
法の一例を工程順に示す断面図。

【図６】 （ａ）〜（ｃ）は本発明のアンテナの製造方
法の他の例を工程順に示す断面図。

【図７】 （ａ）〜（ｃ）は本発明のアンテナの製造方
法のさらに他の例を工程順に示す断面図。

【図８】 本発明に係るアンテナのさらに他の実施形態
を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面
図。

【図９】 図８のアンテナに使用する誘電体薄板を示す
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図。

【図１０】 本発明に係るアンテナのさらに他の実施形
態を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断
面図。

【図１１】 本発明のアンテナの特性測定を行う状態を
示す斜視図。

【図１２】 比較用のアンテナの特性測定を行う状態を
示す斜視図。

【図１３】 従来のマイクロストリップアンテナを示す
断面図。

【図１４】 マイクロストリップアンテナの誘電体基板
厚さと放射効率の関係を示すグラフ。 11：誘電体薄板 12：グランド導体 13：アンテナ導体 13Ｋ：給電部 14：誘電体被覆 15、16：接続端子部 17：スルーホール

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】樹脂よりなる誘電体薄板（11）の一端側の
   片面にグランド導体（12）を形成し、前記誘電体薄板
   （11）のグランド導体（12）形成部分より他端側に、そ
   の両面に密着してアンテナ導体（13）をらせん状に形成
   し、そのアンテナ導体（13）の端部を給電部（13Ｋ）と
   したことを特徴とする薄型平面アンテナ。
2. 【請求項２】アンテナ導体（13）の給電部（13Ｋ）を誘
   電体薄板（11）のグランド導体（12）側の面に設けたこ
   とを特徴とする請求項１記載の薄型平面アンテナ。
3. 【請求項３】誘電体薄板（11）の両面にアンテナ導体
   （13）およびグランド導体（12）を覆うように誘電体被
   覆（14）を設けると共に、アンテナ導体の給電部（13
   Ｋ）およびグランド導体（12）の一部に誘電体被覆（1
   4）を貫通する接続端子部（15、16）を設けたことを特
   徴とする請求項１または２記載の薄型平面アンテナ。
4. 【請求項４】アンテナ導体（13）の給電部（13Ｋ）およ
   びグランド導体（12）の一部を隆起させて接続端子部
   （15、16）としたことを特徴とする請求項１、２または
   ３記載の薄型平面アンテナ。