JP2001196828A

JP2001196828A - アンテナ

Info

Publication number: JP2001196828A
Application number: JP2000336225A
Authority: JP
Inventors: Kazusuke Yanagisawa; 和介柳沢; Ryo Horie; 凉堀江; Hironori Okado; 広則岡戸; 俊祥 ▲葛▼; Shiyunsho Katsura; Migiwa Beniya; みぎわ紅谷
Original assignee: Yokowo Co Ltd; Yokowo Mfg Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】給電部と放射素子との結合効率を改善したア
ンテナ、および小形の携帯端末器に装備することができ
るると共に、広帯域にし、広い範囲の周波数帯で送受信
することができる誘電体アンテナを提供する。【解決手段】誘電体基板６の一面側に励振用電極２が
設けられ、さらに同じ面に励振用電極２と一端部が近接
すると共に、励振用電極２の電流方向と直角方向に電流
方向を有し、他端部は接地されるように放射素子３ａ、
３ｂ、３ｃが設けられている。そして、誘電体基板６の
他面側に接地導体１が設けられている。さらに、励振用
電極２と電気的に接続するように給電部４が設けられて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばセラミッ
クスなどの誘電体基板を用いた誘電体アンテナなどの励
振用電極と放射素子とを容量結合したアンテナに関す
る。さらに詳しくは、励振用電極と放射素子との結合効
率を改善するアンテナの構造、および誘電率の大きいセ
ラミック基板などを用いて小形化を図る場合でも、広帯
域化を達成し得る誘電体アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、アンテナの小形化を図るため、セ
ラミック基板を用いてその表面にパッチアンテナ素子を
設ける構造のアンテナが知られている。この構造のアン
テナは、たとえば図５に斜視および構成の説明図が示さ
れるように、セラミック基板２１の表面にパッチアンテ
ナ素子２２が配置され、その裏面に接地導体２３が設け
られ、パッチアンテナ素子２２の裏面側に設けられた給
電部２２ａに、セラミック基板２１および接地導体２３
に設けられた貫通孔を経て、給電ピン２４が接続される
構造になっている。この構造のパッチアンテナでは、原
理的に平面内の直交する２辺の長さＭは、それぞれ略１
／２波長の電気長で形成される必要があるが、この電気
長は、セラミック基板２１の比誘電率をε_rとすると、
１／ε_r ^1/2に比例してその一辺の長さＭを短くすること
ができる。そのため、セラミック基板２１として、高誘
電率のものを用いることにより、その大きさを小さくす
ることができる。

【０００３】一方、直線偏波平面アンテナを小形化する
従来技術として、逆Ｆアンテナが知られている。逆Ｆア
ンテナは、Ｌ型に折り曲げられた導電性線条（もしくは
板）の２区間の内、短区間の一端側を接地し、長区間を
接地面に平行に配置し、さらに短区間に略平行で、か
つ、インピーダンス整合条件を満足するように適宜離間
し、給電点と長区間を接続する導電性線条（もしくは
板）からなる第３の導電体である給電区間を配置して構
成される。

【０００４】具体例としては、図６に斜視および構成の
説明図が示されるように、基板２１の一面側から側面に
かけて導電膜が形成されることにより、Ｌ型導電体（放
射素子２２）が形成され、短区間である側面の導電体膜
の開放端は基板２１の裏面にに設けられる接地導体２３
と接続されている。そして、基板２１および接地導体２
３に設けられる貫通孔を介して給電ピン２４が放射素子
２２の給電部２２ａに接続される構造になっている。こ
の構造では、基板２１の一面側に設けられる導電体（放
射素子２２）の長辺側の長さＮは、原理的には略１／４
波長の電気長で構成することができ、基本パッチモード
と比較して、長さで１／２の小形化が可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
セラミック基板を用いたアンテナでは、逆Ｆアンテナに
することにより、ある程度の小形化を達成することがで
きる。しかし、セラミック基板を用い、その誘電率を大
きくすると、共振し得る周波数帯域が狭くなり、たとえ
ば２４５０ＭＨｚの中心周波数に対して、±１５ＭＨｚ
程度までしか感度よく送受信をすることができず、それ
より広帯域の信号を送受信することができないという問
題がある。

【０００６】一方、セラミック基板を厚くすると、広帯
域化し得ることが知られているが、セラミック基板を厚
くすると、近年の電子機器の軽薄短小化に逆行すること
になり、小形化する携帯機器に取り付けるのに不都合が
生じるという問題がある。

【０００７】さらに、このような逆Ｆアンテナでは、給
電系の５０Ωや７５Ωなどの特性インピーダンスと合せ
るためには、給電部２２ａの位置を正確に合せる必要が
あり、周波数調整などにより放射素子２２の大きさを変
化すると、その位置もずれるという問題がある。

【０００８】一方、図７に示されるように、誘電体基板
２１の表面に放射電極２２が入力電極２４と対向して容
量結合をするように設けられ、誘電体基板２１の裏面に
グランド電極２３が設けられる構造の誘電体アンテナも
知られている。しかし、このような構造にすると、給電
部と接続される入力電極２４の位置は固定した状態で放
射電極２２と結合することができるが、共振し得る周波
数帯域が狭くなるという問題は同様である他に、入力電
極２４の電流方向と放射電極２２の電流方向とは同じで
あるため、その対向部分での容量のみによる結合とな
り、その間隔に依存する容量だけで結合特性が大きく変
化し、結合効率が安定しないという問題がある。

【０００９】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、給電部と放射素子との結合効率を改
善したアンテナを提供することを目的とする。

【００１０】本発明の他の目的は、小形の携帯端末機に
装備することができると共に、広帯域にし、広い範囲の
周波数帯で送受信することができる誘電体アンテナを提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、放射素子
と給電部との結合の自由度を向上すると共に、セラミッ
クなどの誘電体基板を用いた小形のアンテナで、広帯域
化を図るため、鋭意検討を重ねた結果、誘電体基板上に
励振用電極と放射素子とを、それぞれの電流方向が非平
行になるように一定間隙を介して配置して結合させるこ
とにより、励振用電極と放射素子との間の容量Ｃのみな
らず、励振用電極のインダクタンスＬも影響するＬＣ回
路により励振用電極と放射素子とを結合させることがで
き、たとえば共振周波数を調整するため、放射素子の励
振用電極との対向面を削って間隔を広げても結合特性に
はそれほど影響しないで、放射素子が短くなることによ
り、共振周波数を上げることができることを見出した。

【００１２】ここに電流方向が非平行とは、たとえば図
１に示されるように励振用電極の電流方向（長手方向）
と放射素子の電流方向（長手方向）とが直角になる場合
に限らず、それぞれが鋭角をなして結合する場合も含む
意味で、図７に示されるように励振用電極と放射素子の
電流方向が同一直線上で対向することにより結合するも
のを含まない意味である。

【００１３】そして、たとえば励振用電極の長手方向が
放射素子の長手方向と直角方向に配列されることによ
り、放射素子を複数個並べても、それぞれの放射素子を
励振させることができ、複数個の放射素子の共振周波数
をそれぞれ異ならせることにより、送受信する信号の周
波数に近い共振周波数を有する放射素子のみが共振し、
信号の周波数と離れたアンテナ素子は結合しないことを
見出した。さらに、複数のアンテナ素子の共振周波数
を、たとえば２４５０ＭＨｚに対して、１０〜３０ＭＨ
ｚ程度の周波数ずらせて並べることにより、信号周波数
にズレがあっても、その信号周波数に近い共振周波数を
有するアンテナ素子が共振して、広帯域の送受信アンテ
ナにし得ることを見出した。

【００１４】本発明による誘電体アンテナは、誘電体基
板と、該誘電体基板の一面側に設けられる励振用電極
と、該誘電体基板の一面側に設けられ、かつ、前記励振
用電極に一端部が近接すると共に、前記励振用電極の電
流方向と非平行な電流方向を有し、他端部が接地される
ように設けられる放射素子と、前記誘電体基板の他面側
に設けられる接地導体と、前記励振用電極と電気的に接
続して設けられる給電部とからなっている。

【００１５】この構造にすることにより、給電ピンによ
る直接の接続をしないで励振用電極から容量結合により
放射素子を励振することができ、複数の放射素子に独立
して結合させることができると共に、励振用電極の電流
方向に沿った長さを有する部分と放射素子が結合するた
め、そのインダクタンス成分も結合特性を支配し、安定
した結合を得ることができる。その結果、共振周波数を
調整するため、放射素子の励振用電極との対向部分を削
っても結合特性にそれほど影響を与えないで調整するこ
とができ、また、励振用電極の長い部分と結合させるこ
とができるため、放射素子の数を増やして異なる周波数
帯で共振させたり、共振周波数の僅かに異なる放射素子
を並べることにより、広帯域化することもできる。

【００１６】その結果、誘電率の大きい誘電体基板を用
いることにより小形化しながら、広帯域のアンテナにす
ることができ、また、２つの放射素子を励振位相が直角
方向になるように配置することにより円偏波を生成する
ことができ、携帯機器に用いるような小形で広帯域の信
号や円偏波の信号を送受信することができるアンテナが
得られる。

【００１７】前記放射素子が、導電体膜からなり、電気
的に略１／４波長になるように形成されておれば、製造
が簡単で、共振特性が得られると共に、小形化できるた
め好ましい。

【００１８】前記放射素子が複数個設けられ、該複数個
の放射素子の共振周波数を僅かに離調することにより、
送受信し得る周波数の広帯域化が図られたアンテナが得
られる。

【００１９】前記誘電体基板の裏面に給電部が設けら
れ、該給電部と前記励振用電極とが前記誘電体基板の側
面を介して電気的に接続される構造にすることにより、
簡単な構造で給電部と接続することができる。

【００２０】本発明によるアンテナの他の形態は、一端
側に給電部が接続される励振用電極と、該励振用電極と
一端部が容量結合をするように近接して設けられる放射
素子とからなり、前記放射素子は、その電流方向が前記
励振用電極の電流方向と非平行になるように接地板に対
して空間または誘電体を介して配列されている。すなわ
ち、励振用電極および放射素子は、誘電体基板上に設け
られなくても、たとえば空間に設けられる構造でも、誘
電率の大きい誘電体による小形化効果はなくなるもの
の、複数の放射素子を同時に結合することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の誘電体アンテナについて説明をする。本発明による
誘電体アンテナは、図１にその一実施形態の構成説明図
が示されるように、セラミックスなどの誘電体基板６の
一面側に励振用電極２が設けられ、さらに同じ面に励振
用電極２と一端部が近接すると共に、励振用電極２の電
流方向（長手方向）とたとえば直角方向などの非平行に
電流方向（長手方向）を有し、他端部が接地されるよう
に、放射素子３ａ、３ｂ、３ｃが設けられている。そし
て、誘電体基板６の他面側に接地導体１が設けられてい
る。さらに、励振用電極２と電気的に接続するように給
電部４が設けられている。なお、図１の（ｂ）〜（ｄ）
はそれぞれ（ａ）のＢ、Ｃ、Ｄから見た図である。

【００２２】誘電体基板６としては、できるだけ誘電率
の大きい材料が、放射素子３ａ、３ｂ、３ｃを小さくす
ることができるため好ましく、たとえばＢａＯ-ＴｉＯ₂
-ＳｎＯ₂、ＭｇＯ-ＣａＯ-ＴｉＯ₂などを用いること
が、比誘電率が３０程度以上となり好ましい。

【００２３】接地導体１、励振用電極２および放射素子
３ａ、３ｂ、３ｃは、それぞれ誘電体基板６に設けられ
る銀被膜などの導電体膜を印刷または真空蒸着とパター
ニングなどにより設ければ、簡単に形成することができ
て好ましいが、その例に限らず、銅などの導電線または
導体板を誘電体基板６上に配列した構造のものでもよ
い。

【００２４】励振用電極２は、給電部４からの信号を放
射素子３ａ、３ｂ、３ｃに励振させ、または放射素子３
ａ、３ｂ、３ｃにより受信した信号を給電部４に伝達す
るための電極で、１／４波長（λ）よりかなり小さい長
さに形成されると共に、その先端部で電圧最大となり、
誘電体基板６表面の励振用電極２の長さによるインダク
タンスＬと放射素子３ａ、３ｂ、３ｃとの間隔による容
量Ｃとで、各放射素子３ａ、３ｂ、３ｃとＬＣ結合し、
他端部が給電部と接続される構造になっている。図１に
示される例では、その一端部に給電電極５を介して誘電
体基板６の裏面に設けられる給電部４と接続されてい
る。

【００２５】放射素子３ａ、３ｂ、３ｃは、図１に示さ
れる例では、並列に配列された３本からなっており、そ
の長さが、たとえば２４１７ＭＨｚ、２４５０ＭＨｚ、
２４８３ＭＨｚで共振するような電気長に形成され、そ
の幅は、長さに比べて充分に短い程度であればよく、そ
れぞれ０.５〜１ｍｍ程度に形成されている。また、放
射素子３ａ〜３ｃそれぞれの間隔は、相互に干渉しない
程度、たとえば０.５〜１ｍｍ程度に設けられる。

【００２６】図１に示される例では、それぞれの放射素
子３ａ〜３ｃは、その一端部が励振用電極２と容量およ
びインダクタンスとで結合するように、一定間隙を設け
て配置されると共に、その長さが略λ／４の電気長にさ
れて、他端部が接地導体１と接続されている。この放射
素子３ａ〜３ｃは、図１に示される例では、その電流方
向（図１において誘電体基板６の縦方向、放射素子３の
長手方向）が励振用電極２の電流方向（図１において誘
電体基板６の横方向、励振用電極２の長手方向）とほぼ
直角方向になるように配列されている。直角であれば、
励振電流との相互作用が少なく結合することができるた
め好ましいが、直角方向でなく鋭角をなして配置されて
も、インダクタンスと容量とで結合することができる。
この放射素子３ａ〜３ｃの物理的長さは、誘電体基板６
の誘電率にも影響され、誘電体基板６の比誘電率ε_rに
より、１／ε_r ^1/2に比例して短くすることができる。

【００２７】給電部４は、図１に示される例では、接地
導体１と同じ面で、誘電体基板６の裏面に設けられ、誘
電体基板６の側面に設けられる給電電極５を介して励振
用電極２と電気的に接続されているが、誘電体基板６お
よび接地導体１に設けられる貫通孔を介して接地導体１
より下部に設けられる構造であってもよい。この場合、
給電部４と励振用電極２との間を同軸線路で接続しても
よいし、別の基板に設けられるストリップ線路を接続す
る構造にしてもよい。しかし、誘電体基板６の裏面に給
電部４を設ける構造にすることにより、実装基板などに
直接マウントするだけで、実装基板に形成される給電線
と接続することができるため、小形アンテナにする場合
にとくに適している。

【００２８】つぎにこのアンテナの動作について説明を
する。なお、送信について説明をするが、受信について
も逆の動作で、全く同様である。図１に示されるアンテ
ナは、図２に示される等価回路図で表すことができる。
すなわち、放射素子３ａ、３ｂ、３ｃがそれぞれ励振用
電極２と容量Ｃおよび励振用電極２のインダクタンスＬ
により結合されており、その結合度が信号の周波数によ
り、各放射素子３ａ、３ｂ、３ｃで異なり、信号周波数
に応じて、最適な放射素子と一番強く結合するようにな
っている。

【００２９】まず、給電部４に入力された信号は、給電
電極５を経て励振用電極２に定在波を形成する。この定
在波の電圧は、先端に近いほど高く、放射素子３ａ、３
ｂ、３ｃのそれぞれの一端部と結合をするが、その信号
周波数に応じて、３本の放射素子３ａ、３ｂ、３ｃの
内、共振しやすい放射素子との間で結合し、共振しにく
い放射素子とは殆ど結合しない。一方、結合した放射素
子３ａ、３ｂ、３ｃは、λ／４に近い電気長に設定され
ているため、結合した信号は、放射素子３ａ、３ｂ、３
ｃのそれぞれの開放端部（一端部）側で電圧最大、接地
端部（他端部）側で電流最大となる定在波を生じ、λ／
４長の逆Ｌアンテナとして動作する。そのため、信号周
波数が広帯域であっても、その周波数に応じて最適な放
射素子からその周波数の信号が放射され、小形のアンテ
ナで効率よく結合信号を放射することができる。

【００３０】前述の寸法による３個の放射素子３ａ、３
ｂ、３ｃで、それぞれの共振周波数を、前述のように設
定して形成したアンテナのＶＳＷＲ特性を測定した。そ
の結果を図３に示す。図３において、Ｅ点は２４５０Ｍ
ＨｚでＶＳＷＲが１.０８であり、Ｆ点は２４００ＭＨ
ｚでＶＳＷＲが２.６６であり、Ｇ点は２５００ＭＨｚ
でＶＳＷＲが２.３４である。図３から明らかなよう
に、２４００〜２５００ＭＨｚの範囲でＶＳＷＲが低
く、充分にアンテナとして動作することが分る。

【００３１】前述のように、各放射素子は、電気長がλ
／４の長さに形成されることが、アンテナ全体の小形化
には好ましいが、アンテナの機能としてはそれぞれの素
子が共振するように形成されればよく、３λ／４、５λ
／４…（２ｎ＋１）λ／４としてその他端部を接地して
も同様に動作し、また、その長さをλ／２、２λ／２…
ｎλ／２として、その他端部を開放にしてもアンテナと
しては機能する。また、前述の例では、放射素子３ａ〜
３ｃを３個設ける例であったが、もっと数を増やし、順
次共振周波数をずらせていくことにより、さらに広帯域
にすることができる。なお、それぞれの放射素子の共振
周波数は、前述のＶＳＷＲ特性で、その値が２〜３以下
になるような間隔にすればよいが、たとえば前述の２４
５０ＭＨｚ程度の周波数では、前述のように３０ＭＨｚ
程度が好ましい。

【００３２】前述の例では、放射素子をそれぞれ共振周
波数が若干異なるように形成して、誘電率の大きい基板
を用いた小形化アンテナを広帯域のアンテナとしたが、
複数の放射素子をそれぞれ別の周波数帯で共振するよう
にし、複数の周波数帯の信号をそれぞれ別個に送受信す
ることができるようにすることも可能である。さらに、
図４に示されるように、放射素子３を１個にすることも
できる。この場合、放射素子３の幅を広げることがで
き、アンテナの帯域特性を向上させることができる一
方、励振用電極２も誘電体基板６の幅全体に設けられて
いるため、充分に結合しやすく、放射素子３の幅全体に
わたって励振される。なお、この場合でも、前述のよう
に、励振用電極２と放射素子３とはその電流方向が直角
方向の配置には限定されないが、その結合は、励振用電
極２のインダクタンスＬと、励振用電極２と放射素子３
との間隔による容量Ｃとの直列共振により結合している
ため、たとえば共振周波数を高くするため、励振用電極
２に対向する部分の放射素子３を削っても、結合度に余
り影響を与えることなく調整することができるとい利点
がある。

【００３３】また、図４に示される例では、放射素子３
が誘電体基板６の幅の一部に設けられているが、誘電体
基板６表面の幅全体に亘って、設けられてもよい。

【００３４】さらに、前述の各例では、誘電体基板表面
に励振用電極および放射素子を形成し、誘電体基板の裏
面に接地導体を設ける構造の誘電体アンテナであった
が、誘電率の大きい誘電体基板を用いることにより、小
形化することができるため好ましい。しかし、前述の励
振用電極と放射素子とをその電流方向が相互に直角方向
になるように配列することにより、両者間の結合をＬＣ
（インダクタンスおよび容量）により結合する構造は、
誘電体アンテナに限らず、たとえば空間を介して接地板
上に放射素子が設けられる構造のアンテナであっても、
同様に励振用電極と放射素子とにより安定した結合を得
ることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、誘電体基板上の放射素
子をその放射素子と対向させて設けた励振用電極により
励振させているため、放射素子を複数個設けてもそれぞ
れの結合度を調整することにより、それぞれ独立して結
合させることができる。その結果、共振周波数が僅かづ
つずれる放射素子を並置することにより、信号周波数が
広い範囲に亘る場合でもどの周波数に対しても共振させ
ることができ、誘電率の大きい誘電体基板に基づく狭帯
域の問題を解決し、誘電率の大きい誘電体基板を用いた
小形で広帯域のアンテナが得られる。

【００３６】また、励振用電極の長い部分に亘って放射
素子と結合させることができるため、励振用電極のイン
ダクタンスも結合に寄与し、非常に安定した結合を得る
ことができ、前述のように共振周波数が僅かに異なる複
数の放射素子と結合させることもできるし、離れた異な
る周波数帯で共振し得るアンテナにすることもできる
し、さらに放射素子を１個にする場合でも、前述のよう
に励振用電極との結合が安定しているため、共振周波数
の調整などにより放射素子の励振用電極との対向面を削
っても、結合度に余り影響を受けることなく調整するこ
とができる。さらに、放射素子２つの放射素子をそれぞ
れ直角方向に配列し、それぞれに９０°の位相差をもた
せて結合させることにより、円偏波を生成することもで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による誘電体アンテナの一実施形態の説
明図である。

【図２】図１のアンテナの等価回路図である。

【図３】図１の構造によるアンテナのＶＳＷＲ特性を示
す図である。

【図４】本発明によるアンテナのさらに他の実施形態を
示す斜視説明図である。

【図５】従来のセラミック基板を用いたアンテナの一例
を示す図である。

【図６】従来の逆Ｆアンテナの構造を示す説明図であ
る。

【図７】従来のセラミック基板を用いたアンテナの他の
構造例を示す図である。

【符号の説明】

１接地導体２励振用電極３放射素子４給電部６誘電体基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡戸広則東京都北区滝野川７丁目５番11号株式会社ヨコオ内 (72)発明者 ▲葛▼ 俊祥東京都北区滝野川７丁目５番11号株式会社ヨコオ内 (72)発明者紅谷みぎわ東京都北区滝野川７丁目５番11号株式会社ヨコオ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板と、該誘電体基板の一面側に
設けられる励振用電極と、該誘電体基板の一面側に設け
られ、かつ、前記励振用電極に一端部が近接すると共
に、前記励振用電極の電流方向と非平行な電流方向を有
し、他端部が接地されるように設けられる放射素子と、
前記誘電体基板の他面側に設けられる接地導体と、前記
励振用電極と電気的に接続して設けられる給電部とから
なる誘電体アンテナ。
【請求項２】前記放射素子が、導体膜からなり、か
つ、電気的に略１／４波長になるように形成されてなる
請求項１記載のアンテナ。
【請求項３】前記放射素子が複数個設けられ、該複数
個の放射素子の共振周波数を僅かに離調することによ
り、送受信し得る周波数の広帯域化が図られてなる請求
項１または２記載のアンテナ。
【請求項４】前記誘電体基板の裏面に給電部が設けら
れ、該給電部と前記励振用電極とが前記誘電体基板の側
面を介して電気的に接続されてなる請求項１、２または
３記載のアンテナ。
【請求項５】一端側に給電部が接続される励振用電極
と、該励振用電極と一端部が容量結合をするように近接
して設けられる放射素子とからなり、前記放射素子は、
その電流方向が前記励振用電極の電流方向と非平行にな
るように接地板に対して空間または誘電体を介して配列
されてなるアンテナ。