JP2003198239A - 表面実装型アンテナ - Google Patents

表面実装型アンテナ

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JP2003198239A
JP2003198239A JP2001391738A JP2001391738A JP2003198239A JP 2003198239 A JP2003198239 A JP 2003198239A JP 2001391738 A JP2001391738 A JP 2001391738A JP 2001391738 A JP2001391738 A JP 2001391738A JP 2003198239 A JP2003198239 A JP 2003198239A
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bridge
radiation electrode
surface mount
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JP2001391738A
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Tatsuro Ayaka
辰朗 綾香
Hidetoshi Hagiwara
英俊 萩原
Hiroshi Aoyama
博志 青山
Keiko Kikuchi
慶子 菊地
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Hitachi Metals Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面実装型アンテナの小型低背化と共に広帯
域で高効率等の両立をはかったアンテナとすること。 【解決手段】 一端を接地して他端を開放端とするスト
ライプ状放射電極を誘電材の基体に配置した表面実装型
アンテナにおいて、前記基体の下面側をブリッジ状に形
成する。また、前記ブリッジは前記放射電極の接地端側
あるいは開放端側に橋脚部を形成する。よって、アンテ
ナ基体の下面側にブリッジ部もしくは凹部を設けること
によって、上部に位置する放射電極内の電流分布を制御
して、アンテナの効率あるいは帯域幅を向上することが
できる。基体は所要の組成に調整された造粒粉末を金型
で成形し焼成された焼成体であり、少なくとも前記ブリ
ッジ部もしくは凹部が切削、研磨等の機械加工によって
形成されたものではない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は携帯電話あるいはブ
ルートゥース等に使用される小形アンテナに係わり、特
に高い放射効率が得られ重量も軽減できる表面実装型ア
ンテナに関する。
【0002】
【従来の技術】携帯電話やブルートゥース等のモバイル
機器には、回路基板に直接搭載できる表面実装型アンテ
ナが使用されている。図6は特開平9−98015号公
報に記載される表面実装型アンテナである。図示するよ
うに表面実装型アンテナ20は、直方体の誘電材を用い
た基体21と主上面に配置された放射電極23、下面に
配置された接地電極25および端面に配置された給電電
極27からなる。放射電極23は基体21の主上面から
下面にかけてストライプ状に形成される。図中の放射電
極23は右端が開放端29であり、左端が接地電極25
に接続された接地端となる。また、給電電極27は開放
端29と接地電極25の間に配置され、両電極とはギャ
ップを介して非接触で対向する構成である。
【0003】このように構成された表面実装型アンテナ
20による送信時の動作を簡単に説明する。給電端28
を経由して給電電極27に高周波信号が印加されると、
給電電極27と放射電極23との間に形成される静電容
量を通じて、放射電極23に高周波信号が伝達される。
放射電極23自身のインダクタンス分と開放端29およ
び接地電極25間の静電容量とによって、共振回路が形
成される。その際、共振エネルギの一部が電波として空
間に放射され、アンテナとして機能する。逆に、表面実
装型アンテナ20に入射した電波は、放射電極23で共
振し、そのエネルギは放射電極23と給電電極27間の
静電容量を通して給電電極27に伝達され、給電端28
から出力されて図には示してない受信回路に入力され
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】さて、モバイル機器は
軽薄短小化に対する強い市場要求があり、そのため搭載
されるアンテナに対しても小形低背であると共に広帯域
で高効率が要請されている。しかしながら一般に、共振
特性の帯域幅をBW、アンテナの共振時の良さをQ値と
すると、共振周波数f0、BWおよびQとの間には、BW
=f0/Qの関係を有し、一方でアンテナ高さhとQとの
関係を表すと、Q∝εr/hとなる。また、アンテナ基
体の比誘電率εrが大きいほど放射電極長さを短くでき
ることも知られている。以上のことから小型低背化をは
かると狭帯域となり、広帯域化をとると小型低背化は犠
牲になると言うことが言える。よって、図6で説明した
ような従来の表面実装型アンテナでは、両方を満足する
ことが困難であった。例えば、ブルートゥース等では
2.4GHz帯が割り与えられているが、従来のアンテ
ナ構造では帯域幅が50MHzとブルートゥース・シス
テムにおける周波数利用帯域84MHzを充分カバーす
ることは相当難しく、根本的な対策が必要であった。ま
た、接地された回路基板上に表面実装型アンテナを搭載
した場合、放射効率、帯域幅などの特性の低下がみら
れ、その対策を必要としていた。
【0005】また、アンテナの基体には磁器組成物から
なる誘電材が使用され、所要の誘電特性を有する材料が
適宜選定される。例えばアンテナ基体材として、比誘電
率5〜9のアルミナ系、比誘電率20程度のMg−Ti
あるいはMg−Ti−Ca−Zn系、最近では800〜
1000℃の低温で焼成できるLTCC(Low Temperat
ure Co-fired Ceramics)材等が使用される。一般に、
磁器組成物は硬く脆いため精度良く加工することは難し
く加工費が嵩むため、直方体や平板状等の切断、研削な
どが容易な形状に限られ、曲面や溝付など機械加工が困
難な形状の基板は使用されていない。
【0006】そこで、本発明はアンテナ基体の小型低背
化及び軽量化をはかると共に広帯域と高放射利得を両立
することができる表面実装型アンテナを提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者等はアンテナ基
体の形状寸法を基に検討を行い、アンテナ特性との関係
を解明した結果、従来の直方体形状のままでは厳しい特
性の要求を満たすことができないことが分かり、最適な
基体形状を製造方法と併せて摸索し本発明を想到したも
のである。即ち、本発明は、一端を接地し他端を開放す
るストライプ状放射電極を誘電材の基体に配置した表面
実装型アンテナにおいて、基体の下面側をブリッジ状に
形成することを特徴とする表面実装型アンテナである。
これは基体の少なくとも上面に放射電極を配し、回路基
板に接する下面側に凹部を設け一部を取り除いたような
構造とするもので、これを本発明ではブリッジと呼んで
いる。このようなブリッジ形状は、アンテナの効率を勘
案したものでブリッジとすることによって接地導体を持
つ回路基板への搭載時の特性および実装性が改善される
等の副次的な効果が得られる。
【0008】また、前記ブリッジは前記放射電極の接地
端側あるいは開放端側に橋脚部を有する構造とすること
が出来る。ブリッジの範囲あるいは規模によって得られ
る効果は異なるが、少なくともブリッジ部は放射電極の
下側に位置すると共に、接地電極あるいは地導体に近い
ため共振回路の静電容量に影響を持つ。したがって、こ
の静電容量の大小からアンテナの効率あるいは帯域幅が
変化することになる。本発明では、ブリッジの存在によ
って放射電極への電流を集中し、アンテナ基体の実効的
なεrを減少させることにより、アンテナ効率を高める
効果がある。例えば、放射電極の接地端に近い部分に橋
脚部を設け接地端側のブリッジを大きくすることは、開
放端側のコンデンサ容量を増加させると共に電流(電磁
波)を集中させることになる。すなわち、小型化に寄与
する開放端側のコンデンサ容量を大きく、効率低下の原
因となる接地端側のコンデンサ容量を小さく制御するこ
とにより、小型アンテナにおける効率向上が可能とな
る。逆に、放射電極の開放端部に橋脚部を設けブリッジ
を近づければ、開放端側のコンデンサ容量減少に伴いQ
値が減少するため、広帯域化する。すなわち、効率は若
干落ちるものの帯域幅重視のアンテナ特性とすることが
可能である。この橋脚部は複数形成しても、発明の趣旨
に反しないことは明らかである。橋脚部は予想される応
力に耐え得る構造と寸法を備えていることは当然である
が、特に根元付近をリブ構造にして補強することも可能
である。これは後述する金型を用いた製造方法による基
体ならば容易に実施できる構造である。
【0009】また本発明は、ストライプ状放射電極を誘
電体の基体に配置し、回路基板等に搭載する表面実装型
アンテナにおいて、前記基体は横置きのC、EまたはF
字型の構造であることを特徴とする表面実装型アンテナ
である。この発明で基板に設ける凹部は、C、Eまたは
F字の形状にするための除去部分を指すもので、所望の
特性が得られる程度の大きさあるいは形が適宜選ばれ
る。さらに、実装上回路基板との間に空間が設けられる
ことになって、回路基板側の影響を抑制あるいは制御で
きる。例えば、接地導体からの距離を適宜選択できるた
め、放射電極に対するイメージ電流の影響を抑制するこ
とが可能である。また、実装時の回路基板の凹凸による
固定の不確実さを解消できるという効果もある。このよ
うな特異な形状も後述する金型を用いた製造方法によれ
ば容易に実施できる構造である。
【0010】また本発明は、基体に設けられたブリッジ
部もしくは凹部に基体材とは異なる誘電材を充填または
配置することを特徴とする表面実装型アンテナである。
アンテナ特性が基体の物性に影響されることは周知であ
るが、従来は複合的な基体を利用することができなかっ
た。基体のブリッジ部あるいは凹部は比誘電率1の部材
が充填されているものと考えることができる。したがっ
て、比誘電率1以上の誘電材で置換することが容易であ
り、上記のような基体の複合化が可能となる。これは基
板が波長短縮効果をもつことを利用するものである。し
たがって、効率あるいは指向性を向上させることが可能
となる。よって、特異な特性を付与できるものである。
また、充填もしくは配置する誘電材は複数から構成され
る場合でもよく、薄膜とバルク材の組み合わせも可能で
ある。
【0011】また、本発明は基体の製法に由来した内容
の発明を含んでいる。すなわち、アンテナの基体は、所
要の組成に調整された造粒粉末を金型で成形し焼成され
た焼結体からなる表面実装型アンテナである。少なくと
も前記ブリッジ部もしくは凹部が切削、研磨等の機械加
工によって形成されたものではなく、金型によって成形
された形状が所望の基体となる。これにより本発明は容
易にかつ安価に実施することが出来る。しかし、金型に
起因する軽微な部分修正加工は必要に応じて実施される
が、発明の本質を変えるものではない。
【0012】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について説
明する。図1は本発明による第1の実施例である。基体
21の下面側にブリッジ部11を設けたもので、他の構
成は図6の従来例のアンテナと本質的に同一である。な
お、以下の図面では機能的に同じ部材に対しては同一符
号を使用することにする。図1に示す接地電極25は下
面全体に亘って配置しているが、必要に応じて部分的に
配置したり、あるいは省略することも可能である。ま
た、ブリッジ部11を大きくすることで、軽量化の効果
が得られる。
【0013】図2は第2の実施例である。この実施例
は、ブリッジ部11を最小限に止め、放射電極13を上
面と側面に亘って台形状に形成すると共に、接地端側に
ミアンダ状の電極15を設けたものである。放射電極を
台形にすることによって帯域特性を改善でき、一部ミア
ンダ状にすることで小型化を図ることができる。放射電
極の形状や配置は特性との絡みで適宜選択できるが、基
体21の上面および側面に放射電極23を配置すること
は、放射電極の好ましい電流の分布に作用して、効率、
指向性等に良い影響を与える。
【0014】第3の実施例を図3に示す。同図(a)は
放射電極の開放端側により大きなブリッジ部11を形成
するような橋脚部13を形成した場合であり、反対に同
図(b)は接地端側にブリッジ部11を移動するような
橋脚部13を設けた場合である。両者のアンテナの効率
を比較すると、後者の方が優れている。この理由は、コ
ンデンサ容量は開放端側を大きく接地端側を小さくする
ほど高効率かつ小型化に有利と考えられ、放射電極の接
地端近傍に橋脚部を設け接地端側のブリッジを大きくし
た後者では、このようなコンデンサ容量分布が実現でき
るためである。しかし、しかし、前者では100MHz
に帯域幅特性が改善することができた。この理由は、一
般に開放端におけるコンデンサ容量が小さいほど、アン
テナのQ値が減少し広帯域となり、開放端側のブリッジ
を大きくした前者の場合の方が、開放端におけるコンデ
ンサ容量が小さくなるためである。なお、図3(a)
(b)には前述の特性とは関係なく、ブリッジ部に誘電
材を配置するようにしても良い。
【0015】第4の実施例を図4に示す。同一部分につ
いては同一符号を付して説明は省略する。図2、3の実
施例では放射電極を側面にも設けた例を挙げたが、ブリ
ッジ形状にさらに自由度を持たせるため、ここでは放射
電極を主に上面に設けた。さて、同図(a)は基体の形
状を横に倒したC字型にした例を示し、(b)はE字型
を、また(c)はF字型をの例をそれぞれ示している。
(a)のC字型アンテナについてはブリッジ部11の中
に他の誘電材17を配置しており有利な特性にすること
が出来ている。(a)では誘電材17の配置により、小
型化が期待できる。(b)では中央位置にも橋脚部を設
けたことにより、誘電基体の応力的な強度設計の自由度
が増し、また給電電極の設置位置についても自由度が増
しインピーダンス整合がより取り易くなる。一方(c)
では開放端のコンデンサ容量を小さくできることから、
高効率が期待される。
【0016】以下に焼成体の製造方法の一例を説明す
る。出発原料として、純度99.0%、平均粒径0.5
μmのAl粉末、純度99.9%以上、平均粒径
2μm以下のSiO粉末、純度99.9%、平均粒径
2μmのPbO粉末、純度99.9%、平均粒径0.5
〜5μmのCaCO粉末、SrCO粉末、Na
粉末およびKCO粉末を用い、所要の重量比率
に従って秤量する。これらの粉末をポリエチレン製のボ
ールミルに投入し、更に酸化ジルコニウム製のボールと
純水を加えて、20時間湿式混合する。
【0017】混合工程を終えたスラリーを加熱乾燥して
水分を蒸発させた後、ライカイ機で解砕し、アルミナ製
の坩堝に入れて700〜850℃で2時間仮焼する。仮
焼粉末を前述のボールミルに投入し、20〜40時間湿
式粉砕を行い、乾燥させて原料粉体とする。この粉体に
バインダとしてポリビニルアルコールの10%水溶液を
10〜15重量%添加し、乳鉢にて混練後、32メッシ
ュのふるいを通過させ整粒し、造粒粉末を得る。次に、
この粉末を基体チップ用の金型に投入し、2ton/cm2の
圧力で加圧成形し、基体チップの直方体状の試料成形体
を作製する。この試料成形体を空気中にて、600℃ま
で100℃/hrで昇温し、2時間持続後800〜900
℃まで200℃/hrで昇温し、さらに2時間持続後、20
0℃/hrの速度で冷却して焼成工程を終える。
【0018】このようにして作製した試料サンプルの特
性を評価すると、電気的特性は従来による方法と比較し
て有意差が認められなかった。また、15mmx3mmx3
mm程度の焼成体では、面粗さの差は殆ど認めることがで
きなかったが、面の反り等は5μm程度が測定された。
しかし、直角度あるいは平行度は従来の方法による基体
チップと同程度であり、外観的な相違はないものと考え
られる。さらに、電極を表面に形成してアンテナ素子の
単体評価を行ったところ、アンテナ特性として変化は全
く認められず、金型による基板チップは実用的には問題
ないことがわかった。表1は、サンプル数100個に対
する金型および機械加工方法に対して、各検討項目の測
定結果と評価を示す。この表から明らかなように、金型
あるいは機械による加工方法の差はなく、従来と同程度
のアンテナを製造することが確認できた。
【0019】
【表1】
【0020】さて、上記したように本発明に使用可能な
材料は粉体の形態を取るものならば、基本的には無条件
で使用可能である旨を説明したが、特に顕著な発明の効
果が得られる低温焼成材について、具体的に材料の組成
等に言及することにする。低温焼成材を大別すると、結
晶化ガラス系、ガラス複合系および非ガラス系に分ける
ことできる。結晶化ガラス系としては、コージェライト
系ZnO-MgO−SiO2、同じくコージェライト系β−スポジ
ュメン等をあげることができる。これらの材料は、結晶
とガラスが混在し、結晶量が全体の30〜40%近く含
有するものである。このため、熱膨張係数が非常に小さ
く、機械的な性能が高い特性を有する。
【0021】ガラス複合系として、SiO2-B2O3系ガラス
+Al2O3、PbO- SiO2-CaO系ガラス+Al2O3、CaO- Al2O3-
SiO2-B2O3系ガラス+SiO2、MgO-Al2O3- SiO2-B2O3系ガ
ラス+SiO2、ガラス+Al2O3+CaZrO3、コージェライト
系+Al2O3 およびSiO2-B2O3系ガラス+Al2O3 ,2MgO‐B
2O3等が適用可能である。また、非ガラス系ではBaSn(BO
3)2、Al2O3-CaO-SiO2‐MgO‐B2O3 、BaO-Al2O3-SiO2-B2
O3およびSrO - SiO2- Al2O3 - PbO系等がある。
【0022】上記の低温焼成材は非常に硬いAl23
含んでいるため、焼成された基板は部分的に硬い領域と
粘い領域が混在する。このような組成構成では、ダイシ
ング用カッター等の目詰まりを誘発し、難加工性を呈す
るものである。一方、Al,Si,Pb,Na,K,C
a,Srの酸化物から構成される磁器組成物であって、
その組成比は重量%で、Al:40〜60%、S
iO:25〜40%、PbO:5〜15%、Na
O:0.1〜3%、KO:1〜3、CaO:1〜6
%、SrO:1〜6%からなるアルミナ系セラミック
は、空気中の雰囲気下900℃付近の低温で、Agをベ
ースにした導電塗料と同時焼成が可能であり、本発明の
実施に適した材質を備えるものである。
【0023】また、PbOを含まず、かつホウ素化合物
をも含有しない磁器組成物であって、εrが6〜8程度
で、Q値が高く、温度−周波数変動比の比例定数である
τfが小さく、しかも1000℃以下の低温、さらに好
ましくは、900℃以下の低温で焼成することが可能な
マイクロ波用誘電磁器組成物がある。それは、主成分が
Al,Si,Srの酸化物で構成され、Al,Si,S
rをそれぞれAl、SiO、SrOに換算して
合計100質量%としたとき、Al換算で10〜
60質量%、SiO換算で25〜60質量%、SrO
換算で7.5〜50質量%のAl,Si,Srを含有
し、前記合計100質量%に対し副成分として、Bi
換算で0.1〜10質量%のBiを含有しているこ
と、さらに前記基体チップの組成の副成分としてBi
換算で0.1〜10質量%のBi含有すると共に、
NaO換算で0.1〜5質量%のNa、KO換算で
0.1〜5質量%のK、CoO換算で0.1〜5質量%
のCo、CuO換算で0.01〜5質量%のCu、Mn
2換算で0.01〜5質量%のMn、0.01〜5質
量%のAgのうち少なくとも1種以上を含有するLTC
Cである。
【0024】さらに、前記基体チップの組成として主成
分がAl,Si,Sr,Tiの酸化物で構成され、A
l,Si,Sr,TiをそれぞれAl、Si
、SrO、TiO2に換算し合計100質量%としたと
き、Al換算で10〜60質量%、SiO換算
で25〜60質量%、SrO換算で7.5〜50質量
%、TiO2の換算で20質量%以下のAl,Si,S
r,Tiを含有し、前記合計100質量%に対し副成分
として、Bi換算で0.1〜10質量%のBiを
含有し、さらにNa2O換算で0.1〜5質量%のN
a、K2O換算で0.1〜5質量%のK、CoO換算で
0.1〜5質量%のCoのうち少なくとも1種以上を含
有していること、前記基体チップの組成で合計100質
量%に対し副成分としてBi換算で0.1〜10
質量%のBiを含有し、さらにNa2O換算で0.1〜
5質量%のNa、K2O換算で0.1〜5質量%のK、C
o換算で0.1〜5質量%のCo、CuOの換算で0.
01〜5質量%のCu、MnO換算で0.01〜5質
量%のMn、0.01〜5質量%のAgのうち少なくと
も1種以上を含有するものが適している。
【0025】以上、製造工程をまとめると図5のように
なる。機械加工を用いる従来の方法と比較すると、本発
明との違いが明らかになる。図中、バリを除去した後、
工程Aと工程Bの2方法が本発明によって可能であるこ
とを示す。工程Aは焼成を1回で済ますことができ、工
程合理化の効果が大きい。一方、工程Bは従来の製造条
件がそのまま有効とすることが可能であり、製造の管理
が容易である。
【0026】
【発明の効果】本発明によって、従来問題となっていた
小型化に伴うアンテナの効率低減が抑制され、高い効率
と広い帯域を有する表面実装型アンテナを製造すること
が可能である。同時に、アンテナの軽量化にも効果があ
る。アンテナの基体が金型による成形であるため、機械
加工がなく生産性優れ安価な表面実装型アンテナを提供
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による第1の実施例である表面実装型ア
ンテナの斜視図である。
【図2】本発明による第2の実施例である表面実装型ア
ンテナの斜視図である。
【図3】本発明による第3の実施例である表面実装型ア
ンテナの斜視図である。
【図4】本発明による第4の実施例である表面実装型ア
ンテナの斜視図である。
【図5】本発明の表面実装型アンテナの製造工程であ
る。
【図6】従来技術によるアンテナの斜視図である。
【符号の説明】
11:ブリッジ部、13:橋脚部、15:ミアンダ状電
極部、17:誘電材、20:表面実装型アンテナ、2
1:基体、23:放射電極、25:接地電極、27:給
電電極、28:給電端、29:開放端、30:金型
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地 慶子 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属株 式会社先端エレクトロニクス研究所内 Fターム(参考) 4G030 AA03 AA04 AA08 AA09 AA36 AA37 AA40 BA09 5J045 AA02 AA05 AB05 AB06 BA01 DA09 EA07 GA05 HA03 JA01 NA03 5J046 AA04 AA07 AA09 AB13 PA04 PA07 5J047 AA04 AA07 AA09 AB13 FD01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一端を接地して他端を開放端とするスト
    ライプ状放射電極を誘電材の基体に配置した表面実装型
    アンテナにおいて、前記基体の下面側に凹部を設けブリ
    ッジ状に形成することを特徴とする表面実装型アンテ
    ナ。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記ブリッジは前記
    放射電極の接地端側あるいは開放端側に橋脚部を有する
    ことを特徴とする表面実装型アンテナ。
  3. 【請求項3】 ストライプ状放射電極を誘電体の基体に
    配置し、回路基板等に搭載する表面実装型アンテナにお
    いて、前記基体は下面側に凹部を設けることにより略
    C、EまたはF字型に形成することを特徴とする表面実
    装型アンテナ。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかにおいて、前記
    基体のブリッジ部もしくは凹部に前記基体とは異なる誘
    電材を充填または配置することを特徴とする表面実装型
    アンテナ。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかにおいて、前記
    基体は所要の組成に調整された造粒粉末を金型で成形し
    焼成した焼成体であることを特徴とする表面実装型アン
    テナ。
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