JP2002171118A

JP2002171118A - 誘電体アンテナ

Info

Publication number: JP2002171118A
Application number: JP2000365544A
Authority: JP
Inventors: Hironori Okado; 広則岡戸; 俊祥 ▲葛▼; Shiyunsho Katsura; Senzo Toyoda; 千造豊田
Original assignee: Yokowo Co Ltd; Yokowo Mfg Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-14

Abstract

(57)【要約】【課題】放射素子の一端部側から給電され、他端部側
が接地導体と接続される逆Ｆ構造の誘電体アンテナであ
りながら、その厚さを薄くしても広帯域化を図ることが
できる、非常に小形で高性能な誘電体アンテナを提供す
る。【解決手段】誘電体基板１の表面に放射素子２が、そ
の一端側２ａから給電されると共に他端側２ｂが誘電体
基板１の一側壁１ａを介して実装基板６などの接地導体
に接続されるように設けられている。放射素子２の長さ
Ｌは、送受信する信号周波数帯の１／４波長の電気長を
有するように形成され、放射素子２の一端側２ａに一定
間隙を介して励振電極３が設けられ、その一端部３ａに
給電部が形成されている。誘電体基板１の裏面には接地
導体が形成されず、このアンテナ部５が取り付けられる
実装基板６も、アンテナ部５がマウントされる部分６ａ
には接地導体７が設けられていない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブルートゥース
（blue tooth）用または無線ＬＡＮ（local area netwo
rk）用などに用いられる、たとえばセラミックスなどの
誘電体基板を用いた小形の誘電体アンテナに関する。さ
らに詳しくは、逆Ｆアンテナ構造で、一端部から容量結
合で給電され、他端部が接地される構造でありながら、
薄型に形成し得る小形誘電体アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、直線偏波平面アンテナを小形化す
る技術として、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
接地面と平行に配置し、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。

【０００３】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、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２３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、長さで１／２の小形化が
可能となる。しかし、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。

【０００４】この問題を解決すべく、たとえば図６に示
されるように、誘電体基板２１の表面に放射素子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の裏面に接地導体２３が設けられる
構造の誘電体アンテナも知られている。この構造では、
放射素子２２の一端側から給電され、放射素子２２の他
端部は誘電体基板２１の裏面に設けられる接地導体２３
と接続されることにより逆Ｆアンテナ構造となってい
る。そして、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素子２２と結合することができるた
め、放射素子２２を共振周波数の調整のため削っても、
結合特性に余り影響を与えることなく、安定した結合を
得ることができる。

【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アンテナ構
造にすることにより、ある程度の小形化を達成すること
ができる。さらに、基板として誘電率の大きいセラミッ
クスなどを用いることにより、その比誘電率をε _rとす
ると、１／ε_r ^1/2に比例してその物理的長さを短くする
ことができるため、同じ１／４波長の電気長を得るのに
物理長を短くすることができ、一層小形化を図ることが
できる。しかし、誘電体基板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ε_rが３０
の場合に、２４５０ＭＨｚの中心周波数に対して、±１
５ＭＨｚ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ず、
帯域が狭くなるという問題がある。

【０００６】一方、この種のセラミック基板を用いた誘
電体アンテナでは、その基板の厚さを厚くすることによ
り広帯域化し得ることが知られており、また、放射素子
の幅を広くするほど大きなゲインが得られることが知ら
れており、一般的にセラミック基板のボリュームを大き
くするほどアンテナ性能が向上すると考えられている。
しかし、セラミック基板のボリュームを大きくすると、
その材料費が高くなるのみならず、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、より一層薄形化されたアンテナが要求
されている。

【０００７】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たもので、容量結合により放射素子の一端部側から給電
され、他端部側が接地導体と接続される逆Ｆ構造の誘電
体アンテナでありながら、その厚さを薄くしても広帯域
化を図ることができる、非常に小形で高性能な誘電体ア
ンテナを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、誘電体基
板の表面に放射素子が設けられ、その一端部から容量結
合により給電されると共に、その他端部が接地導体と接
続される構造の誘電体アンテナにおいて、誘電体基板を
従来の４〜６ｍｍ程度から１ｍｍ程度に薄くしながら、
送受信する信号を２４５０ＭＨｚ帯で１００ＭＨｚ程度
の広帯域化をするため鋭意検討を重ねた結果、誘電体基
板裏面の接地導体の少なくとも一部、およびその誘電体
基板がマウントされる実装基板の接地導体のうち、放射
素子と対向し、前記誘電体基板の接地導体が設けられて
いない部分に対応する部分の接地導体を除去することに
より、誘電体基板を薄くしても、その帯域を広くするこ
とができることを見出した。

【０００９】すなわち、放射素子とその裏面の接地導体
との間の容量（Ｃ）は、誘電体基板が薄くなるほど、ま
た、誘電体基板の誘電率が大きいほど、大きくなる。こ
の容量が大きいと、放射素子と接地導体との間の電界が
放射素子直下の接地導体部分に集中するために共振特性
のＱが大きくなり、その結果帯域が狭くなる。すなわ
ち、従来誘電率の大きい誘電体を用いると帯域が狭くな
り、誘電体基板の厚さを厚くしないと帯域を広くできな
いという理由が、この放射素子と接地導体との間の容量
に起因しており、従来は、誘電体基板を厚くすることに
より、この容量が小さくなり、その結果Ｑが小さくなっ
て帯域を広げていた。

【００１０】一方、一端部から給電され、他端部が接地
される放射素子は、その電界が放射素子の中心ライン
（給電端側と接地端側を結ぶラインで、そのラインと直
交する幅の中心部を通るライン）で最も電界が強くなる
性質を有している。この観点から、たとえば誘電体基板
裏面および実装基板のその中心ラインに対応する部分の
接地導体が除去されることにより、本来電界の強い中心
ラインでは電界が弱くなり、電界は放射素子の側端部
（前述の直交する幅の端部）と実装基板の最も近い部分
の接地導体との間に形成され、その電界は中心ライン上
から周囲に分散し、放射素子と接地導体との間の容量が
非常に小さくなる。その結果、たとえ誘電率の大きい誘
電体を用いても、その容量を小さくすることができ、Ｑ
が小さくなり、逆に共振の帯域を広くすることができ
る。すなわち、本発明では、接地導体の一部を除去する
ことにより、放射素子と接地導体との間の容量を小さく
し、Ｑを小さくしていることに特徴がある。

【００１１】本発明によるアンテナは、誘電体基板と、
該誘電体基板の表面に設けられ、一端側から給電される
と共に他端側が前記誘電体基板の側壁を介して接地導体
に接続され、かつ、その長さが送受信する信号周波数帯
の１／４波長の電気長を有する放射素子と、該放射素子
の前記一端側に一定間隙を介して設けられる励振電極
と、接地導体を有すると共に、前記誘電体基板が前記放
射素子を上面にして取り付けられる実装基板とからな
り、前記誘電体基板の前記放射素子が設けられる面と反
対側の裏面で前記放射素子に対向する部分および前記実
装基板の前記放射素子と対向する部分のそれぞれの少な
くとも一部には接地導体が設けられない構造になってい
る。

【００１２】前記接地導体が設けられない部分が前記誘
電体基板裏面で前記放射素子の他端部の接地導体と接続
される部分を除く全面、および該部分に対向する前記実
装基板の部分であったり、さらに、前記放射素子の一端
部と他端部とを結ぶ方向と直角方向の前記誘電体基板の
幅より広い範囲で前記実装基板の接地導体が設けられな
い構造にすることもできる。

【００１３】また、前記放射素子が設けられる誘電体基
板が、該誘電体基板の幅方向側端部の一方が前記実装基
板の端部と一致するように、前記実装基板に取り付けら
れることにより、実装基板上の電子部品のマウントに影
響を受けることなく、側縁部での電界を弱くすることが
でき、より一層帯域を広くすることができる。

【００１４】

【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アンテナ部
分５およびその実装基板６とに分離した斜視説明図およ
びその幅方向の断面図による電界Ｅの様子が示されるよ
うに、誘電体基板１の表面に放射素子２が設けられてお
り、その一端側２ａから給電されると共に他端側２ｂが
誘電体基板１の一側壁１ａを介して実装基板６などの接
地導体に接続される構造になっている。放射素子２の長
さＬは、送受信する信号周波数帯の１／４波長の電気長
を有するように形成されている。そして、放射素子２の
一端側２ａに一定間隙を介して励振電極３が設けられ、
その給電部３ａが誘電体基板１の側壁または裏面に形成
されている。そして、その裏面には接地導体は形成され
ていない。このアンテナ部５が取り付けられる実装基板
６は、接地導体７を有し、アンテナ部５がマウントされ
る部分６ａはその接地導体７が除去されていることに特
徴がある。

【００１５】アンテナ部５は、図１に示される例では、
たとえばセラミックスからなる誘電体基板１の表面の励
振電極部３を除いたほぼ全面に放射素子２が設けられ、
一端部２ａが励振電極３と一定間隙を介して容量結合さ
れている。そして、放射素子２の他端部は誘電体基板１
の一側面１ａを介して裏面に延び、実装基板６の接地導
体７と接続しやすい構造になっている。放射素子２の一
端部２ａと対向して励振電極３が設けられ、その端部は
給電部３ａとして誘電体基板１の長手側側面１ｂを経て
誘電体基板１の裏面に延び、実装基板１の給電線８と接
続し得るように形成されている。

【００１６】誘電体基板１としては、できるだけ誘電率
の大きい材料が、放射素子２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、Ｍｇ
Ｏ-ＣａＯ-ＴｉＯ₂などのセラミックスを用いること
が、比誘電率が３０程度以上となり好ましい。また、放
射素子２および励振電極３は、それぞれ誘電体基板１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１上に配列した構造のもの
でもよい。この誘電体基板１は、従来構造では帯域特性
の点から４〜６ｍｍ程度の厚さが必要であったが、本発
明では、１ｍｍ程度の厚さのものが用いられる。

【００１７】放射素子２は、その長手方向の長さＬが、
前述のように、送受信する信号波長帯の１／４波長の電
気長になるように形成され、幅Ｗは、たとえばブルート
ゥース用の２.４〜２.５ＧＨｚ帯で、２〜５ｍｍ程度に
形成される。幅Ｗは１／４波長より小さい必要がある
が、大きいほどゲインが大きくなり、スペースとの関係
で選択される。この放射素子の幅は誘電体基板１と同じ
幅に設けられないで、誘電体基板１の一部の幅で形成さ
れてもよい。この放射素子２の物理的長さＬは、前述の
ように、誘電体基板１の誘電率が大きいほど小さくな
り、その比誘電率をε_rとすると、１／ε_r ^1/2に比例し
てその物理長を短くすることができる。

【００１８】励振電極３は、その給電部が誘電体基板１
の長手側面１ｂを介してその側面または裏面にかけて形
成されており、放射素子２の電流方向（長手方向）と励
振電極３の電流方向とが交差（図１の例ではほぼ直交）
する方向になるように形成されている。このような結合
方法を用いることにより、幅の広い放射素子２でも、そ
の端（幅方向の端）から端まで効率よく励振電極３によ
り結合されるので、安定した結合を得ることができる。
しかし、後述するように放射素子の電流方向（長手方
向）と同じ方向で対向するように形成されてもよい。

【００１９】実装基板６は、たとえばガラスエポキシ樹
脂などからなる通常のプリント基板が用いられ、たとえ
ばその裏面または中間層に接地導体７が形成されてお
り、その表面側にプリント配線が施され、トランジスタ
などの電子部品が接続されて信号処理回路などが形成さ
れている。図１に示される例では、電子部品の接続は省
略して、表面に接地導体７が形成されたように示されて
いるが、表面には絶縁層が設けられ、その表面に配線パ
ターンが設けられると共に、電子部品などが実装されて
いる。前述のように、通常はこの実装基板７の裏面また
はその中間層の全面に接地導体７が形成されているが、
本発明では、アンテナ部５がマウントされる部分６ａの
接地導体７が刳り貫かれている。そして、前述の放射素
子他端部２ｂが接地導体７と接続され、アンテナ部５の
給電部３ａが給電線８と接続されるようにアンテナ部５
がハンダ付けなどにより取り付けられる。

【００２０】つぎに、本発明のアンテナによれば、誘電
体基板１が薄くても、帯域が広くなる理由について説明
する。図１（ｂ）に、実装基板６にアンテナ部５をマウ
ントした状態の幅（Ｗ）方向での断面説明図が示される
ように、放射素子２の下側には誘電体基板１にも実装基
板６にも接地導体が設けられていない。そのため、放射
素子２から接地導体７に向う電界Ｅは、図１（ｂ）に示
されるように、放射素子２と一番近い接地導体７に向
い、前述のように、この種の放射素子２では、その中心
線上が一番電界が強いが、その部分からの電界Ｅは接地
導体７までの距離が大きくなり小さくなる。そのため、
放射素子２の側端部に分散した弱い電界となり、容量も
誘電率の大きい誘電体を挟んだ部分は接地導体がないた
め非常に小さくなる。その結果、Ｑが非常に小さくな
り、帯域が広くなる。

【００２１】前述の例では、誘電体基板１の裏面のう
ち、放射素子２の他端部２ｂが接地導体７との接続用に
設けられた部分以外のほぼ全面に接地導体が設けられな
い例であったが、この接地導体を設けない範囲を種々変
化させ、アンテナの特性を調べた。すなわち、アンテナ
部５の誘電体基板１裏面にはほぼ全面に亘って接地導体
を形成しないで、実装基板の接地導体を刳り貫く範囲を
種々変化させた。まず、図１（ａ）に示される励振電極
３側の一端部２ａから放射素子２の他端部２ｂ側に向っ
て１ｍｍずつ実装基板６の接地導体７を誘電体基板１の
幅に亘って除去しながら共振周波数の分布を調べた。そ
の結果、図２に示されるように、刳り貫く量が多くなる
ほど共振周波数が高い方にシフトしながら、その帯域が
広くなることが分る。なお、図中数字は一端部から他端
部側に向って刳り貫く量をｍｍで示した数値であり、縦
軸は、給電線８での反射量（ｄＢ）を示している。

【００２２】また、他端部２ｂ側から刳り貫く量を同様
に１ｍｍづつ段々増やしていくと、最初の５ｍｍぐらい
は共振周波数が低い方にシフトし帯域も余り変化しない
が、５ｍｍより多く刳り貫くと、段々共振周波数が高い
方にシフトし、同様に帯域が広くなった。さらに、幅方
向の刳り貫きを誘電体基板１の幅より広くしていくと、
同様に共振周波数が高くなり、帯域も広くなった。しか
し、前述のように、このアンテナ部５の周囲には、信号
処理回路などの電子部品が搭載されるため、それらの裏
面に接地導体が設けられる必要のある場合が多く、あま
り刳り貫く量を多くすると、実装効率が低下し、誘電体
基板の横側（放射素子の長手方向と直角方向）の誘電体
基板より外側に刳り貫く量は５ｍｍ以下程度にすること
が好ましい。なお、放射素子２の長手方向側における誘
電体基板１の外側は、電界が形成されないため刳り貫く
メリットは余りなく、少なくとも他端部側には接地導体
と接続する必要があり、接地導体を刳り貫く意義は殆ど
ない。

【００２３】図１に示される放射素子２のパターンで、
従来の誘電体基板裏面に接地導体がほぼ全面に設けられ
ていた場合は、誘電体基板の大きさが縦（長手方向）×
横（幅方向）×厚さが、１５ｍｍ×７ｍｍ×６ｍｍで帯
域が１００ＭＨｚであったものが、厚さを１ｍｍにし
て、帯域が１００ＭＨｚになった。このときのゲイン
は、前者が２ｄＢｉであったものが、本発明による場合
は１.５ｄＢｉで、殆ど影響はなかった。なお、共振周
波数のシフトは、放射素子の長さにより調整されてい
る。

【００２４】前述の例では、放射素子２として、誘電体
基板の長手方向一端側に励振電極３が誘電体基板１の幅
全体に亘って設けられ、その励振電極３と直交するよう
に放射素子２が誘電体基板１の幅全体に形成されていた
が、放射素子２および励振電極３のパターンはこの例に
限定されず、たとえば図３に示されるような種々のパタ
ーンに形成されてもよい。図３（ａ）に示される構造
は、励振電極３を誘電体基板１の幅全体に設けないで、
少し小さくして、その開いた部分にも放射素子２を形成
したもので、全体の長さを短くすることができる。ま
た、図３（ｂ）に示される例は、放射素子２と励振電極
３の電流方向を同じ方向にして対向させたパターン、図
３（ｃ）および（ｄ）に示される例は、放射素子２を２
本または３本で形成した例で、２本または３本の放射素
子２の共振周波数を僅かに異ならせることにより、さら
に帯域を広くすることができる。

【００２５】このようなアンテナ部５を携帯端末機など
に用いる実装基板６に取り付ける場合に、実装基板と取
り付けるセットとの関係もあるが、たとえば図４（ａ）
または（ｂ）に示されるように、アンテナ部５の一方の
側部（幅方向の側部）が実装基板６の端縁と一致するよ
うに取り付けることにより、実装基板６より外側では接
地導体がないため、前述の誘電体基板１の一方側端面よ
り外側の接地導体を刳り貫いたのと同様の構造となり、
さらに帯域が広くなりながら、電子部品のマウントは接
地導体上の基板表面にマウントすることができるため好
ましい。なお、アンテナ部５の縦方向は接地導体があっ
ても無くてもアンテナ特性としては余り影響がないた
め、図４（ａ）と４（ｂ）との構造上の差は、アンテナ
特性に関しては余りないが、電子部品をマウントする際
のレイアウトなどを考慮して適宜選択することができ
る。図４においても、実装基板６の接地導体７は基板表
面に形成されている訳ではないが、便宜上表面に図示し
てあり、アンテナ部５の下側は、接地導体７が刳り貫か
れている。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、逆Ｆアンテナと同様に
接地導体を有する実装基板上にアンテナ部をマウントす
ることができるため、アンテナに接続される信号処理回
路などを構成する電子部品を、接地導体を有する実装基
板表面に形成することができ、周囲の電子部品の影響を
受けることなく安定したアンテナの電気的性能を得るこ
とができる。しかも、放射素子裏面側の接地導体が刳り
貫かれているため、誘電体基板に誘電率の大きな材料を
使用しても、放射素子と接地導体間の容量が小さくなっ
てＱが低くなり、帯域を非常に広くすることができる。
その結果、誘電体基板を１ｍｍ程度と非常に薄くするこ
とができ、材料費が安くなると共に、携帯端末器などに
搭載するため、非常に薄型のアンテナが要求される場合
でも、アンテナの高性能を維持しながら、その要求を満
たすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアンテナの一実施形態の構成説明
図である。

【図２】図１の構造で、誘電体基板裏面側の接地導体を
刳り貫く量を変化させたときの放射素子による共振状態
の変化を調べた結果を示す図である。

【図３】本発明によるアンテナの放射素子のパターン例
を説明する図である。

【図４】本発明によるアンテナのアンテナ部を実装基板
にマウントする位置の例を示す説明図である。

【図５】従来の逆Ｆアンテナの構造を示す説明図であ
る。

【図６】従来の逆Ｆアンテナ構造の異なる例を示す説明
図である。

【符号の説明】

１誘電体基板２放射素子３励振電極５アンテナ部６実装基板７接地導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者豊田千造群馬県富岡市神農原1112番地株式会社ヨコオ富岡工場内Ｆターム(参考） 5J045 AA02 AA05 DA10 EA07 HA01 HA03 5J046 AA03 AB13 PA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板と、該誘電体基板の表面に設
けられ、一端側から給電されると共に他端側が前記誘電
体基板の側壁を介して接地導体に接続され、かつ、その
長さが送受信する信号周波数帯の１／４波長の電気長を
有する放射素子と、該放射素子の前記一端側に一定間隙
を介して設けられる励振電極と、接地導体を有すると共
に、前記誘電体基板が前記放射素子を上面にして取り付
けられる実装基板とからなり、前記誘電体基板の前記放
射素子が設けられる面と反対側の裏面で前記放射素子に
対向する部分および前記実装基板の前記放射素子と対向
する部分のそれぞれの少なくとも一部には接地導体が設
けられない構造の誘電体アンテナ。
【請求項２】前記接地導体が設けられない部分が前記
誘電体基板裏面で前記放射素子の他端部の接地導体と接
続される部分を除く全面、および該部分に対向する前記
実装基板の部分である請求項１記載の誘電体アンテナ。
【請求項３】前記放射素子の一端部と他端部とを結ぶ
方向と直角方向の前記誘電体基板の幅より広い範囲で前
記実装基板の接地導体が設けられない構造の請求項１ま
たは２記載の誘電体アンテナ。
【請求項４】前記放射素子が設けられる誘電体基板
が、前記誘電体基板の幅方向側端部の一方が前記実装基
板の端部と一致するように、前記実装基板に取り付けら
れてなる請求項１、２または３記載の誘電体アンテナ。