JP2005005883A

JP2005005883A - 指向性アンテナ及びそのアンテナを用いた無線通信機並びにアンテナの指向性改善方法

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Publication number: JP2005005883A
Application number: JP2003165415A
Authority: JP
Inventors: Shoji Nagumo; 正二南雲; Kengo Onaka; 健吾尾仲; Takashi Ishihara; 尚石原; Hitoshi Sato; 仁佐藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】使用者による無線通信機の取扱いによって影響を受けるアンテナの指向特性や利得の劣化を低減する。
【解決手段】グランド板１０の上に誘電体部材１４を介して給電放射電極１１を配置し、給電放射電極１１には給電手段１２により励振電力を供給する。また、誘電体部材１５は、比誘電率が５．５以上の値となる高い比誘電率の材料で構成し、グランド板１０の裏側に比べて給電放射電極１１を設置したグランド板１０の表側の電波に強い指向性を持たせる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指向性アンテナ及びそのアンテナを用いた無線通信機並びにアンテナの指向性改善方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
携帯電話機等の移動体無線通信機には、逆Ｆ型アンテナ、ホイップアンテナ、ヘリカルアンテナ等が汎用されている。逆Ｆ型アンテナ３は、λ／４（λは使用周波数の波長）の電気長を有するアンテナとして、図１５に示すように、回路基板１の表側（Ｆｒｏｎｔ側）に設置して使用される。このアンテナ３は、接地電位となる回路基板１の一方の基板面にのみ設置されるため、例えば、９００ＭＨｚの共振周波数に於ける指向特性は、図１６に示すように、回路基板１の裏側（Ｂａｃｋ側）と比べて、表側（Ｆｒｏｎｔ側）の指向性がほんの僅か強くなる傾向を示す。
【０００３】
一方、ホイップアンテナ及びヘリカルアンテナは、無線通信機の筐体の外に突出して使用されるので、電波の放射方向に指向性の差異は殆ど認められない。このアンテナ２の共振周波数９００ＭＨｚに於ける指向特性は、図１７から明らかなように、回路基板の表側（Ｆｒｏｎｔ側）と裏側（Ｂａｃｋ側）に於ける指向性は均等である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２５０９１７号公報（第４−５頁、図１、図２，図４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無線通信機の使用時に、使用者による無線通信機の取扱いによって、使用者がアンテナの指向特性やアンテナの利得等に大きな影響を与えることがあった。この影響は、特に、ホイップアンテナ及びヘリカルアンテナに於いて顕著であり、逆Ｆ型アンテナ３に於いては、回路基板１の裏側（Ｂａｃｋ側）の指向性がより小さいことが望ましい。
【０００６】
本発明は上述の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、使用周波数に於ける十分な帯域幅を確保しながら指向特性を改善したアンテナ及びそれを用いた無線通信機を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、アンテナから放射される電波の指向性を高めるアンテナの指向性改善方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明は次に示す構成をもって課題を解決する手段としている。即ち、第１の発明の指向性アンテナは、接地電位となるグランド板と、このグランド板から離間してグランド板と向かい合わせに配置された少なくとも１つの給電放射電極と、この給電放射電極に励振電力を供給する給電電極と、給電放射電極とグランド板との間に介在する誘電体部材を備えるアンテナであって、誘電体部材の比誘電率を５．５以上の値に設定することによりグランド板の裏側に比べて給電放射電極を設置したグランド板の表側の電波を強い指向性とする構成をもって課題を解決する手段としている。
【０００９】
上述の発明によれば、給電放射電極とグランド板との間に介在する誘電体部材の比誘電率を５．５以上の高い比誘電率に設定するので、給電放射電極とグランド板との間に電界が集中し、給電放射電極に於ける放射エネルギー密度が高くなる。このため、グランド板を境にしてグランド板の裏側に比べて給電放射電極を設置したグランド板の表側に放射エネルギーが偏倚し、給電放射電極側の電波の指向性が強くなる。そして、放射エネルギーの偏倚は、放射エネルギーの損失なしに行われるので、アンテナの利得効率に影響を与えることはない。
【００１０】
第２の発明の指向性アンテナは、上述の第１の発明に於いて、複数の給電放射電極を備え、各給電放射電極は、給電電極を共通にして分岐した分岐放射電極であって、同一周波数帯域に於いて近接した共振周波数を有する実効線路長と、互いに異なる周波数帯域に属する周波数で共振する実効線路長との何れか一方の実効線路長を備えることを特徴として構成されている。
【００１１】
この構成に於いて、給電放射電極である各分岐放射電極は、同じ周波数帯域に属する周波数で共振する実効線路長を備えることも、また、異なる周波数帯域に属する周波数で共振する実効線路長を備えることも可能であり、単バンド、マルチバンドの何れのアンテナも構成できる。従って、各分岐放射電極を同一周波数帯域に於いて複共振させたときには、誘電体部材の比誘電率を高い値に設定しても、必要とする周波数帯域幅を確保することができ、また、夫々異なる周波数帯域に於いて共振させたときには、誘電体部材の比誘電率を必要な周波数帯域幅を確保する範囲に設定することにより、グランド板に対する給電放射電極側で強い指向性を示すものとなる。
【００１２】
第３の発明の指向性アンテナは、上述の第１又は第２の発明に於いて、複数の無給電放射電極と、この無給電放射電極を接地するグランド電極とを備え、給電放射電極に少なくとも１つの無給電放射電極を近接して配置すると共に、近接配置された給電放射電極及び無給電放射電極は、同一周波数帯域に於いて近接した共振周波数を有する実効線路長を備えることを特徴として構成されている。
【００１３】
この構成の採用により、夫々の給電放射電極と無給電放射電極は、同一周波数帯域に於いて複共振するので、広い周波数帯域幅を有する単バンドアンテナ又はマルチバンドアンテナが得られる。ここに、必要最小限度の周波数帯域幅を確保しつつ誘電体部材の比誘電率を大きくしてグランド板に於ける放射電極側の指向性を可能な限り強くしたアンテナとすることができる。
【００１４】
また、マルチバンドアンテナに於いて、１つの給電放射電極に複数の無給電放射電極が近接配置された構成では、例えば、給電放射電極の基本波の共振周波数と高次高調波の共振周波数が利用され、複数の無給電放射電極は、基本波の共振周波数及び高次高調波の共振周波数と複共振するように、それらの実効線路長が調整される。
【００１５】
第４の発明の指向性アンテナは、上述の何れかの発明に於いて、全部の放射電極の放射面をグランド板の表面に対して傾斜して設置することを特徴として構成されている。
【００１６】
上述の構成としても、放射電極とグランド板の電界は放射電極の開放端の付近に集中するので、グランド板に対する放射電極の開放端側の高さを、放射電極とグランド板を平行に配設した場合と同じ高さに設定することで、電波の指向性及び周波数帯域幅は放射電極を傾斜させない場合と殆ど同じになる。また、放射電極とグランド板の間に誘電体部材を介在すると、放射電極とグランド板の間の電界集中が強くなるが、放射電極の開放端側に於ける誘電体部材の実行比誘電率に応じて、グランド板を境にした放射電極側の電波の指向性を制御することができる。
【００１７】
第５の発明の指向性アンテナは、上述の何れかの発明に於いて、誘電体部材を、セラミック材料又は複合誘電体材料で形成することを特徴として構成されている。
【００１８】
アンテナの誘電体部材は、比誘電率が５．５以上の高い比誘電率を有する電気的絶縁材料で有れば良く、合成樹脂材、特に、複合誘電体材料を用いる場合には、射出成形により任意の形状に構成することができる。例えば、放射電極を配設する誘電体部材の主面を傾斜面や曲面に形成したり、或いは、誘電体部材を中空に形成する等、アンテナを搭載する無線通信機の筐体設計等に於ける要求に容易に適合させることが可能となり、また、アンテナを安価に作ることができる。
【００１９】
また、誘電体部材にセラミック材料を用いる場合には、誘電体部材の比誘電率を自由に且つ広範囲に設定することが可能であるので、電波の指向性を最優先にして誘電体部材の比誘電率を５．５以上に定めることができ、アンテナ設計の自由度が大きくなる利点がある。
【００２０】
ここに、複合誘電体材料は、ベースとなる樹脂材に、この樹脂材よりも比誘電率の高い誘電体材料、例えば、セラミック粉末を混合して所定の比誘電率を有する誘電体材料としたものである。また、セラミック材料は主成分とする粉末の種類、配合比により所定の比誘電率を有する誘電体材料となる。
【００２１】
第６の発明の指向性アンテナでは、上述の第５の発明に於いて、誘電体部材は、中空部を備えることを特徴として構成されている。
【００２２】
この構成の採用により、誘電体部材は中空部の容積の分、軽量になる。また、誘電体部材を無線通信機の回路基板に搭載したとき、中空部直下の基板面に空間的な余裕が生じるので、この基板面にも電子部品を配置することができ、回路設計が容易になる。
【００２３】
第７の発明の指向性アンテナは、上述の何れかの発明に於いて、給電放射電極及び無給電放射電極からなる複数の放射電極の内、少なくとも１つの放射電極の開放端に開放端容量を装荷することを特徴として構成されている。
【００２４】
この構成によれば、電界の強い開放端に開放端容量を装荷することで、グランド板を境にした放射電極側に於ける電波の指向性をより一層強くすることができると共に、開放端容量に誘電体部材の比誘電率の影響が加わることで、更にその効果は強まる。また、給電放射電極と無給電放射電極の間の電界結合量を、開放端容量の容量値を変えることにより調整することができ、給電素子と無給電素子の複共振マッチングが容易になる。
【００２５】
第８の発明の無線通信機は、無線周波の高周波回路を形成した回路基板を有し、この回路基板に高周波回路を被覆するシールドケースを設け、回路基板又はシールドケースをグランド板として兼用することにより上述の第１乃至第７に記載の指向性アンテナを備えることを特徴として構成されている。この構成により、アンテナの放射電極は回路基板と機能的に一体となる。
【００２６】
第９の発明のアンテナの指向性改善方法は、接地電位となるグランド板と、このグランド板から離間して前記グランド板と向かい合わせに配置された少なくとも１つの放射電極と、この放射電極に励振電力を供給する給電手段と、放射電極とグランド板との間に介在する誘電体部材を備えるアンテナであって、誘電体部材の比誘電率を５．５以上の比誘電率に設定すると共に、誘電体部材の比誘電率の値に応じて、グランド板の放射電極を設置した表側に発生する電波に、グランド板の裏側に発生する電波よりも強い指向性を与えることを特徴としている。
【００２７】
この方法によれば、誘電体部材の比誘電率をパラメータとして、グランド板の裏側に於ける電波の指向性に対する放射電極を設置したグランド板の表側に於ける電波の指向性の強さを制御することができる。即ち、誘電体部材の比誘電率を５．５以上としたとき、グランド板の裏側に比べてグランド板の表側に於いて電波の指向性の強さが顕在化するので、比誘電率５．５を起点として、誘電体部材の比誘電率を次第に増大することにより、グランド板の裏側に於ける電波の指向性を次第に弱くし、グランド板の表側に於ける電波の指向性を次第に強くする調整が可能となる。
【００２８】
第１０の発明のアンテナの指向性改善方法は、上述の第９の発明に於いて、同じ周波数帯域に於いて複共振する実効線路長を有する複数の放射電極を備え、それら放射電極の複共振により、必要とする周波数帯域幅を確保する範囲に於いて誘電体部材の比誘電率を高く設定することを特徴としている。
【００２９】
上述の方法によれば、複数の放射電極を同じ周波数帯域に於いて複共振させることにより、必要とする周波数帯域幅を確保しながら誘電体部材の比誘電率の値を自由に設定して、アンテナの指向特性を制御することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。図１を用いて本発明に係る指向性アンテナの原理を説明する。
【００３１】
図１に於いて、１０はグランド板で、高周波電流に対して接地電位となっている。具体的には、グランド板１０は、金属導体板又は電子部品を用いて電子回路が形成される回路基板である。１１はアンテナの放射電極で、グランド板１０の表面から一定間隔離し且つグランド板１０の何れかの端縁に寄せて配置されている。放射電極１１は、給電手段１２によりインピーダンス整合回路１３を介して高周波の信号源１４、例えば、無線通信機の送受信回路（ＲＦ回路）に接続されている。１５は比誘電率εｒが５．５以上（εｒ≧５．５）となる高い誘電率を有する誘電体部材で、グランド板１０と放射電極１１の間に介在し且つ放射電極１１に密着して設けられる。
【００３２】
この構成に於いて、放射電極１１に信号源１４から高周波電流を供給すると、放射電極１１は、その実効線路長（λ／４√εｒ）で定まる共振周波数ｆで励振され、放射電極１１に共振電流が流れると共に、グランド板１０には、その端縁に沿って筐体電流が流れる。このとき、放射電極１１とグランド板１０の間の電界結合は、誘電体部材１５を挿入した部分、特に、放射電極１１の開放端近傍に於いて強くなる。
【００３３】
この電界結合の強さは、誘電体部材１５の比誘電率εｒが高くなる程大きくなる。換言すれば、誘電体部材１５の比誘電率εｒを高くするにつれて放射電極１１を流れる高周波電流の電流量が増大し、逆にグランド板１０を流れる筐体電流が減少する。そして、グランド板１０から放射電極１１への電流の偏倚はアンテナに於ける放射エネルギーの損失なく行われる。
【００３４】
この結果、放射電極１１及びグランド板１０から放射される電波の電界強度は、放射電極１１を設置したグランド板１０の表側（Ｆｒｏｎｔ側）が放射電極１１を設置していないグランド板１０の裏側（Ｂａｃｋ側）よりも強くなる。
【００３５】
従って、グランド板１０の長手方向をＺ軸とし、グランド板１０の板面と垂直な方向をＸ軸としたときのＺＸ面に於ける指向特性１６は、図１のように、グランド板１０の表側に大きく片寄った形態となる。斯くして、電波の指向特性は、グランド板１０と放射電極１１の間に介在する誘電体部材１５の比誘電率εｒの値が大きくなるにつれて、グランド板１０の表側がグランド板１０の裏側よりも強い指向性を示すようになる。
【００３６】
このことから、無線通信機の使用時に、使用者が手等をグランド板１０の裏側に近づけたとき、使用者に起因してアンテナの指向特性及びアンテナの利得が影響を受けうる割合が小さくなる。
【００３７】
図２を用いて、上述したアンテナの原理を用いた指向性アンテナの第１実施形態例を説明する。アンテナのグランド板には、電子回路を形成することができる回路基板２０が用いられる。指向性アンテナは、回路基板２０と、回路基板２０の表面に貼着された直方体の誘電体部材２１と、この誘電体部材２１の表面に貼り付けられた導電板２２と、この導電板２２に励振電力を供給する給電ピン２３を有して構成される。
【００３８】
誘電体部材２１は、例えば、比誘電率が５．５以上の高い比誘電率を有する、合成樹脂材料、複合誘電体材料、セラミック材料等を用いて形成される。誘電体部材２１の厚みは、回路基板２０から表主面２６までの高さｈで示される。導電板２２は、銅、銅合金、アルミニウム等の薄い導電板をＬ字形に折り曲げて形成されており、電波を放射する放射電極２４と、この放射電極２４を接地するグランド電極２５とを有して構成されている。放射電極２４は、誘電体部材２１の表主面２６に接着されて回路基板２０から高さｈだけ離れて設置され、グランド電極２５は、誘電体部材２１の側面２７に接着固定されている。グランド電極２５の下端は、回路基板２０の接地ランド２８に半田付けされている。
【００３９】
また、給電ピン２３は、回路基板２０の給電ランド２９に接続されると共に、接地ランド２８から電気的に絶縁された状態で回路基板２０に植立されており、誘電体部材２１に設けた貫通孔３０を通して放射電極２４まで延び、その先端は、放射電極２４の入力インピーダンスがほぼ５０Ωとなる付近に接続されている。
【００４０】
上述の構成に於いて、導電板２２の放射電極２４は、使用周波数の波長λ、例えば、９００ＭＨｚの周波数の波長に対し、λ／４√εｒの実効線路長に設定され、誘電体部材２１の比誘電率εｒによる波長短縮効果により、誘電体部材２１が無い場合の実効線路長に比べて短い寸法に構成されている。また、回路基板２０は、高周波電流に対しては、接地ランド２８を設けなくてもグランドとして機能するので、接地ランド２８は、グランド電極２５との半田接続に必要な範囲で設けても良い。
【００４１】
導電板２２の放射電極２４に給電ピン２３を介して高周波の励振電力を供給すると、誘電体部材２１の存在により、放射電極２４と回路基板２０の間に電界が集中し、放射電極２４に於ける放射エネルギー密度が高くなる。この結果、回路基板２０に於ける放射電極２４を設置した側の電波の指向性が強くなる。
【００４２】
なお、上述のアンテナに於いて、回路基板２０にＲＦ回路を形成し、このＲＦ回路をシールドケースで覆ったときには、シールドケースは回路基板２０と共に高周波電流に対して接地電位となるので、アンテナのグランド板としてシールドケースの上面が利用できる。この場合、導電板２２への給電は、給電ピン２３に代えて同軸ケーブルが使用される。
【００４３】
図３及び図４を用いて、図２示す構成の指向性アンテナを用いて行った実験結果を説明する。図３は、回路基板２０の長手方向をＺ軸とし、回路基板２０の短手方向をＹ軸とし、回路基板２０の基板面と直交する方向をＸ軸としときのＺＸ面に於ける指向特性である。Ｚ軸を中心として左側が放射電極２４を設置した回路基板２０の表側の指向性を示し、右側が回路基板２０の裏側の指向性を示す。また、図４は、誘電体部材２１の比誘電率εｒを変数として変化させたときのＦ／Ｂ比（Ｆｒｏｎｔ側の指向性／Ｂａｃｋ側の指向性）を示す。なお、指向特性は、アンテナの利得を実測して求めた。
【００４４】
図３（Ａ）は、εｒ＝１のとき、即ち、空気の誘電率の場合、換言すれば、誘電体部材２１を装荷せず、導電板２２を単独で用いた場合に於ける電波の指向特性を示す。図３（Ａ）のＦｒｏｎｔ側の−９０°方向の利得が−０．５ｄＢｄで、Ｂａｃｋ側の＋９０°方向の利得が−１．３ｄＢｄとなるので、Ｆ／Ｂ比は、図４のＡ点に示すように、Ｆ／Ｂ＝０．８ｄＢｄとなり、僅かにＦｒｏｎｔ側の指向性が高くなる傾向を示す。導電板２２に誘電体部材２１を装荷し、誘電体部材２１の比誘電率εｒを徐々に高くしたとき、比誘電率がεｒ＝５．５の点で有為なＦ／Ｂ比になった（εｒ＝１：空気層時に比べて電波暗室の測定誤差±０．５ｄＢｄ分以上のＦ／Ｂ比上昇が認められた）と判断できた。
【００４５】
誘電体部材２１の比誘電率εｒをεｒ＝５．５から僅かに高くしてεｒ＝６とすると、図４のＢ点に示すように、Ｆ／Ｂ比は、ほぼＦ／Ｂ＝２ｄＢｄとなり、電波の指向特性は、図３（Ｂ）に示すように、回路基板２０のＢａｃｋ側に比べて導電板２２側（Ｆｒｏｎｔ側）の指向性が強くなることが理解できる。また、誘電体部材２１の比誘電率εｒをεｒ＝６から大きく増大してεｒ＝３８とすると、Ｆ／Ｂ比は、図４のＣ点に示すように、ほぼＦ／Ｂ＝２．８ｄＢｄとなり、電波の指向特性は、図３（Ｃ）に示すように、回路基板２０のＦｒｏｎｔ側に強い指向性を示し、Ｂａｃｋ側の指向性が顕著に縮小することが理解できる。
【００４６】
また、図４から明らかなように、誘電体部材２１の比誘電率εｒを徐々に高くすると、εｒ＝１からεｒ＝６の間でＦ／Ｂ比は急激に上昇するが、比誘電率εｒがεｒ＝６以上では、比誘電率εｒの増加の割合に比べてＦ／Ｂ比の上昇が緩やかな特性曲線となる。ここに、Ｆ／Ｂ比の特性曲線は、ほぼＦ／Ｂ＝２ｄＢｄを変更点として飽和状態となることが理解できる。
【００４７】
上述のように、導電板２２の放射電極２４と回路基板２０の間に介在する誘電体部材２１の比誘電率εｒを高くするほど、回路基板２０のＦｒｏｎｔ側に放射される電波の指向性が強くなり、逆に、回路基板２０のＢａｃｋ側に放射される電波の指向性が縮小する。しかし、放射電極２４と回路基板２０の間に誘電体部材２１を挿入すると、放射電極２４の共振時に於けるＱ値が高くなり、共振周波数に於けるリターンロス特性が深くなって、図５に示すように、共振周波数が属する周波数帯域の帯域幅が狭くなる。
【００４８】
図５は、図２示す構成の指向性アンテナを用いて行った実測値である。図５から明らかなように、放射電極２４と回路基板２０の間に誘電体部材２１を装荷しない比誘電率εｒ＝１のとき、アンテナの共振周波数が属する周波数帯域に於ける帯域幅Ｂｗが最も広くなり、ほぼＢｗ＝１７０ＭＨｚの帯域幅となる。そして、誘電体部材２１の比誘電率εｒを増大すると、Ｂｗ＝１７０ＭＨｚの帯域幅を起点として、アンテナの帯域幅Ｂｗは指数関数的に狭くなる。
【００４９】
即ち、誘電体部材２１の比誘電率εｒをεｒ＝６とすれば、ほぼＢｗ＝１２５ＭＨｚの帯域幅が得られるの対し、Ｂｗ＝７０ＭＨｚの帯域幅を確保しようとすれば、誘電体部材２１の比誘電率εｒは、εｒ＝１８程度に制限され、アンテナの指向特性の改善も制約される。アンテナの指向特性を優先してεｒ＝３８とすれば、帯域幅Ｂｗは、Ｂｗ＝３５ＭＨｚ程度となり、実用に供しないアンテナとなる。
【００５０】
従って、図２示すような単共振のアンテナに於いて、７０ＭＨｚから１２５ＭＨｚ程度の帯域幅Ｂｗを確保しようとすれば、誘電体部材２１の比誘電率εｒをεｒ＝６〜１８の範囲に設定する必要がある。ここに、アンテナの指向特性を最優先してアンテナを作製するときには、誘電体部材２１の比誘電率εｒはεｒ＝１８以上の設定となり、このような一段と高い比誘電率εｒの場合に於いても十分な帯域幅Ｂｗを確保するためには、複共振のアンテナを構成する必要がある。
【００５１】
図６に示す指向性アンテナの第２実施形態例は、図１の原理を用いた単バンド複共振のアンテナである。このアンテナでは、例えば、銅、銅合金等の薄い導電板を打ち抜いて形成した給電素子３５と無給電素子３６が用意される。給電素子３５は、板状の給電放射電極３７と、この給電放射電極３７の端縁の角部に於いて後述する如く折り曲げて形成したストリップ状の給電電極３８とを有して構成され、また、無給電素子３６は、板状の無給電放射電極３９と、この無給電放射電極３９の端縁の角部に於いて後述する如く折り曲げて形成したストリップ状のグランド電極４０とを有して構成されている。
【００５２】
給電素子３５及び無給電素子３６は、注型金型の中に並べて配置され、例えば、複合誘電体材料を用いた射出成形によりアウトサート成形される。即ち、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９の放射面と、給電電極３８及びグランド電極４０の表面は、誘電体部材４１の表面と面一の状態で露出している。給電素子３５及び無給電素子３６を一体に注型した断面四角形の誘電体部材４１は、回路基板４５の表面に、その基板端４５ａに寄せ且つ基板端４５ａ側に給電電極３８及びグランド電極４０を向けて固定されている。
【００５３】
また、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９を配置した誘電体部材４１の表主面４２は、回路基板４５の表面に対し、誘電体部材４１を設置した回路基板４５の基板端４５ａに向かって所定の傾斜角度θで傾いており、これに伴って、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９も、それらの開放端３７ａ，３９ａから給電電極３８及びグランド電極４０に向けて俯角θで傾いた形態となっている。給電放射電極３７及び無給電放射電極３９に対する給電電極３８及びグランド電極４０の折り曲げ角度は、鈍角（９０°＋θ）となる。
【００５４】
誘電体部材４１の垂直な側面４３に位置する給電電極３８及びグランド電極４０は、誘電体部材４１の裏主面４４側から表主面４２側へ近接して平行に延びた配置となっており、給電素子３５の給電電極３８の下端は、回路基板４５に設けた給電ランド４６に半田付けされ、同様に、無給電素子３６のグランド電極４０の下端は、接地ランド４７に半田付けされている。給電ランド４６と接地ランド４７は電気的に絶縁されている。
【００５５】
上述の構成に於いて、給電素子３５の給電放射電極３７は、例えば、９００ＭＨｚの周波数帯域に属する周波数ｆ１で共振する実効線路長に設定され、無給電素子３６の無給電放射電極３９は、給電素子３５と同じ周波数帯域に属し且つ給電素子３５の共振周波数ｆ１に近接した周波数ｆ２で共振する実効線路長に設定されている。
【００５６】
従って、給電ランド４６から給電電極３８を介して給電放射電極３７に励振電力を供給することにより、給電電極３８とグランド電極４０の磁界結合と、給電放射電極３７と無給電放射電極３９の電界結合により無給電素子３６に共振エネルギーが供給され、給電素子３５と無給電素子３６は、図７に示すように、共振周波数ｆ１，ｆ２に於いて複共振する。
【００５７】
このような複共振のアンテナとすることにより、使用周波数の帯域幅Ｂｗを２倍以上に広げることができる。このため、指向特性を重視したアンテナを設計するとき、アンテナの誘電体部材４１の比誘電率εｒを、図５に於いて、アンテナの帯域幅Ｂｗが最も狭くなるεｒ＝３８に設定することができる。この場合にも、帯域幅Ｂｗは７０ＭＨｚ以上を確保できるので、単バンドのアンテナとして十分に実用に供することができる。
【００５８】
また、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９を励振したとき、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９と回路基板４５との間の電界は、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９の開放端３７ａ，３９ａの付近に集中するので、開放端３７ａ，３９ａ側に於いて誘電体部材４１の比誘電率εｒの影響を強く受け、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９の開放端３７ａ，３９ａに於ける放射エネルギー密度が高くなる。
【００５９】
よって、誘電体部材４１の比誘電率εｒと、回路基板４５から給電放射電極３７及び無給電放射電極３９の開放端３７ａ，３９ａまでの高さｈ１とを図２に示すアンテナ同じに設定すれば、アンテナの指向特性及び帯域幅は、表主面２６を傾斜させない長方体の誘電体部材２１を用いた図２のアンテナの指向特性及び帯域幅と殆ど同じになる。換言すれば、給電放射電極３７及び無給電放射電極３９を傾斜させても、誘電体部材４１の比誘電率εｒに応じて回路基板４５のＢａｃｋ側に比べて回路基板４５のＦｒｏｎｔ側に於ける電波の指向性が強くなる。
【００６０】
そして、表主面２６を傾斜させたことで、図２のアンテナに比べて、誘電体部材４１の体積が小さくなってアンテナが小型、軽量になる。また、表主面２６を傾斜させたアンテナを携帯端末に用いるとき、そのアンテナは、回路基板４５の基板端４５ａに固定されて図示しない端末ケースに収納され、端末ケースのトップ側の丸みを帯びた先端部に配置されても、給電側がケース内壁と接触することはなく、ケースデザインとの親和性が良好となる。
【００６１】
なお、図８に示すように、誘電体部材４８は、裏主面側から開口して誘電体部材４８の内部を中空４９にしても良い。このような誘電体部材４８であっても、その実効比誘電率を大きくすることにより、上述と同様に、電波の指向特性を改善できる。
【００６２】
誘電体部材４８の内部を中空４９とすることにより、誘電体部材４８の高い比誘電率を保持しながら、誘電体部材４８を軽量化することができる。特に、誘電体部材４８をセラミック材料で形成するときには、誘電体部材４８の軽量化が顕著になる。また、中空４９を形成した誘電体部材４８を回路基板４５に搭載したとき、誘電体部材４８の中空部分に於ける回路基板４５のスペースを利用して電子部品を配置することができる。
【００６３】
図９は、図１の原理を用いて指向特性を改善した指向性アンテナの第３実施形態例を示す。このアンテナは、単共振の一対の給電素子を備えたデュアルバンドアンテナとして構成されている。
【００６４】
図９に於いて、アンテナは、誘電体部材となる高比誘電率εｒの基体５０と、この基体５０の表面に、例えば、銅、銅合金等の良導電体をスクリーン印刷法等を用いて形成される一対の給電素子５１，５２及び給電電極５９，６０と、基体５０を設置する回路基板５３とを有して構成される。基体５０は、例えば、セラミック材料を用いて形成され、傾斜した表主面５４と、これと対向する水平な裏主面５５と、垂直な側面５６とを有して構成されている。
【００６５】
一対の給電素子５１，５２は、夫々、基体５０の傾斜した表主面５４に並べて形成した給電放射電極５７，５８と、基体５０の側面５６に形成され裏主面５５側から表主面５４側へ平行に延びる給電電極５９，６０とを有して構成されている。給電電極５９，６０は、傾斜した表主面５４が下降した側の高さ寸法が短寸の側面５６ａに形成されている。そして、給電電極５９の上端は、給電放射電極５７に直接接続され、また、給電電極６０の上端は、給電放射電極５８に直接接続され、それらの下端は、回路基板５３に形成されたＲＦ回路の入出力端子となる共通の給電ランド６１に接続されている。
【００６６】
回路基板５３は、グランド板として用いており、無線通信機に内蔵されている長方形の回路基板が兼用される。給電ランド６１は回路基板５３の端縁５３ａに設けられており、給電素子５１，５２を形成した基体５０は、給電電極５９，６０を端縁５３ａに向けて回路基板５３の長手方向の一方端縁５３ａに寄せて配置されている。
【００６７】
上述のように、給電放射電極５７，５８を形成した基体５０の表主面５４は、アンテナを設置した回路基板５３の端縁５３ａに向けて傾斜しており、給電放射電極５７，５８は、給電電極５９，６０側に比べて給電放射電極５７，５８の開放端５７ａ，５８ａ側が回路基板５３の表面から離れるように傾いた配置となっている。また、給電電極５９，６０を形成した基体５０の側面５６ａの幅は、回路基板５３の短手方向の幅よりも若干狭く、給電電極５９，６０は、短寸の側面５６ａの略中央部分に配設されている。
【００６８】
また、給電素子５１の給電放射電極５７には、面中に側縁から切り込んだスリット５７ｂが設けられて長い実効線路長に形成されており、例えば、９００ＭＨｚの周波数帯域の周波数ｆ３で共振する実効線路長に設定され、もう一方の給電素子５２の給電放射電極５８は、例えば、１８００ＭＨｚの周波数帯域の周波数ｆ４で共振する実効線路長に形成されている。
【００６９】
上述の構成に於いて、給電素子５１，５２に給電ランド６１を介して励振電力を供給すると、給電素子５１，５２は、図１０に示すように、異なる周波数帯域で共振する。この場合、給電素子５１，５２は単共振であるので、上述したように、アンテナの指向特性を現すＦ／Ｂ比を２ｄＢｄ以上（Ｆ／Ｂ≧２ｄＢｄ）に改善し且つアンテナの周波数帯域幅Ｂｗとして、例えば、Ｂｗ＝７０ＭＨｚ以上の帯域幅を確保しようとすれば、図４及び図５の実測値から判断して、基体５０の比誘電率εｒは、εｒ＝６からεｒ＝１８程度の範囲に設定される。
【００７０】
また、基体５０の表主面を傾けたことにより、給電素子５１，５２の給電放射電極５７，５８の法線方向への放射特性が良くなり電波の指向性が強くなる。
【００７１】
更に、給電素子５１，５２の給電放射電極５７，５８は、給電電極５９，６０側に比べて開放端５７ａ，５８ａ側が接地電位となる回路基板５３の表面から離れた構成となっているので、給電放射電極５７，５８の開放端５７ａ，５８ａ側と回路基板５３の電界結合を弱める如く作用し、共振周波数ｆ３，ｆ４の帯域幅の減少を緩和する。
【００７２】
図１１は、図１の原理を用いて指向特性を改善した指向性アンテナの第４実施形態例を示す。このアンテナは、図９の第３実施形態例の基体よりも高い比誘電率の基体を用いると共に複共振する給電素子と無給電素子を備えたデュアルバンドアンテナとして構成されている。なお、第３実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００７３】
図１１に於いて、基体５０の表面には、給電素子６３と、この給電素子６３の両側に配置されて無給電素子６４，６５が形成されている。具体的に述べると、基体５０の傾斜した表主面５４には、給電素子６３の分岐放射電極６６，６７が並べて形成されており、分岐放射電極６６，６７は、基体５０の短寸側面５６ａに形成された共通の給電電極６８に接続されている。この給電電極６８は、回路基板５３の図示しないＲＦ回路の入出力端子となる給電ランド６１に接続されている。
【００７４】
分岐放射電極６６の面中には、その側縁から切り込んで開放端側に向けて延びるスリット６９が設けられており、分岐放射電極６６は、例えば、９００ＭＨｚの周波数帯域に属する周波数ｆ５で共振する実効線路長に形成されている。また、分岐放射電極６７は、分岐放射電極６６の共振周波数ｆ５とは異なる周波数帯域、例えば、１８００ＭＨｚ帯に属する周波数ｆ６で共振する実効線路長に設定されている。
【００７５】
給電素子６３の分岐放射電極６６の隣には、近接して無給電素子６４の無給電放射電極７０が形成され、基体５０の短寸側面５６ａに形成されたストリップ状のグランド電極７１を介して回路基板５３の図示しない接地ランドに接続されている。また、無給電放射電極７０の面中には、グランド電極７１を接続した部分から開放端７０ａ側に向けて延び且つ開放端７０ａ側で折り返した鉤形のスリット７２が設けられ、給電素子６３の分岐放射電極６６の共振周波数ｆ５よりも若干低い周波数ｆ７で共振する実効線路長に設定されている。
【００７６】
また、無給電放射電極７０の開放端７０ａは、基体５０の表主面５４が上昇した側の高さ寸法が長寸の側面（長寸側面）５６ｂに形成された容量装荷電極７３に接続されている。容量装荷電極７３は、基体５０の長寸側面５６ｂに形成された容量装荷グランド電極７４と向かい合っており、容量装荷電極７３と容量装荷グランド電極７４により無給電素子６４に開放端容量が装荷される。
【００７７】
更に、給電素子６３の分岐放射電極６７の隣には、無給電素子６５の無給電放射電極７５が形成されており、無給電放射電極７０と同様に、ストリップ状のグランド電極７６を介して回路基板５３の接地ランドに接続されている。そして、無給電放射電極７５は、分岐放射電極６７の共振周波数ｆ６よりも少し低い周波数ｆ８で共振する実効線路長に設定されている。
【００７８】
上述の給電素子６３の分岐放射電極６６と無給電素子６４の無給電放射電極７０は、対の放射電極となって、図１２に示すように、同じ周波数帯域、例えば、９００ＭＨｚの周波数帯域に於いて複共振する。このとき、例えば、無給電素子６４の開放端容量の容量値を調整することにより良好な複共振の整合を得ることができる。
【００７９】
同様に、給電素子６３の分岐放射電極６７と無給電素子６５の無給電放射電極７５は、対の放射電極を形成し、それらの実効線路長は、分岐放射電極６６と無給電放射電極７０が複共振する周波数帯域から離れた高い周波数帯域、例えば、１８００ＭＨｚの周波数帯域に於いて複共振する如く調整されている。
【００８０】
上述の構成に於いて、アンテナの体積を図９に示す第３実施形態例と同等に構成するときには、基体５０の比誘電率εｒを、εｒ＝１８からεｒ＝３８の範囲に定め、波長短縮効果を利用して分岐放射電極６６，６７と無給電放射電極７０，７５の実効線路長を設定する。分岐放射電極６６，６７及び無給電放射電極７０，７５と回路基板５３の間の電界は、基体５０の比誘電率εｒを高く設定したことにより、分岐放射電極６６，６７及び無給電放射電極７０，７５の夫々の開放端付近に集中する度合い強くなり、アンテナの電波の指向性は、図４の実測値を参照すると、Ｆ／Ｂ比が２．５ｄＢｄ以上（Ｆ／Ｂ≧２．５ｄＢｄ）と強くなる。
【００８１】
また、対となる放射電極６６，７０及び放射電極６７，７５を複共振させるので、第３実施形態例の単共振の場合に比べて、図１２に示すように、夫々の周波数帯域に於いて帯域幅Ｂｗが２倍以上に広がり、最小限度、７０ＭＨｚ以上の実用に供する帯域幅を確保することができる。このように、各周波数帯域に於いて複数の放射電極による複共振を実現すれば、アンテナに於ける放射電極を設置した側の指向性を強めても、実用に供する十分な広さの帯域幅を確保することができる。
【００８２】
上述した第３及び第４実施形態例に於いて、基体５０の比誘電率εｒが５．５以上であれば、基体５０の内部は中空であっても良い。例えば、基体５０を、図８に示すように、裏主面側から開口した箱形状としても良く、また、図１３に示すように、基体８０の傾斜した表主面８１と、短寸側面８２と、長寸側面８３を残し、両側側面と裏主面を除いて断面略Ｕ字形としても良く、更に、図１４に示すように、基体８５の傾斜した表主面８６と、短寸側面８７と、両側側面８８を残し、裏主面と長寸側面を除いて内部を中空とした構成としても良い。
【００８３】
【発明の効果】
請求項１の指向性アンテナによれば、給電放射電極とグランド板との間に介在する誘電体部材の比誘電率を５．５以上の高い比誘電率に設定することにより、誘電体部材の比誘電率の値に応じて、グランド板の裏側に於ける電波の指向性を縮小し、給電放射電極側の電波の指向性を強めることができる。従って、無線通信機の使用者の手等がグランド板の裏側から近づいてもアンテナ特性の劣化を抑えることができる。
【００８４】
また、アンテナの給電放射電極側に於ける電波の指向性の改善が、給電放射電極とグランド板との間に介在する誘電体部材の比誘電率の値により行われ、例えば、八木アンテナのように、導波器や反射器を必要としないので、アンテナの小型化ができ、更には、無線通信機の小型化、薄型化に資することができる。
【００８５】
請求項２の指向性アンテナによれば、複数の給電放射電極が、同一周波数帯域に於いて近接した共振周波数を有する実効線路長を備えるときは、それら給電放射電極を複共振させることができ、グランド板を境にして給電放射電極側に於ける電波の指向性を強く構成しても実用に供する周波数帯域幅を確実に確保することができる。また、複数の給電放射電極が、互いに異なる周波数帯域に属する周波数で共振する実効線路長を備えるときは、マルチバンドの指向性アンテナを得ることができる。
【００８６】
請求項３の指向性アンテナによれば、給電放射電極及び無給電放射電極は、同一周波数帯域に於いて近接した共振周波数を有する実効線路長を備えるので、給電放射電極及び無給電放射電極の複共振により広い周波数帯域幅を確保したマルチバンドの指向性アンテナを得ることができる。
【００８７】
請求項４の指向性アンテナによれば、全部の放射電極の放射面をグランド板の表面に対して傾斜して設置するが、放射電極とグランド板の間の電界は放射電極の開放端付近に集中するので、電波の指向性及び帯域幅は、放射電極の放射面をグランド板の表面に対し平行に設置したアンテナと殆ど同じになり、誘電体部材の比誘電率によって指向特性を設定することができる。また、放射電極の放射面が傾斜している分、誘電体部材の体積が小さくなり小型のアンテナとすることができる。
【００８８】
請求項５の指向性アンテナによれば、誘電体部材を、セラミック材料又は複合誘電体材料で形成するので、誘電体部材の比誘電率を自由に設定してアンテナの電波の指向性を改善することができる。
【００８９】
請求項６の指向性アンテナによれば、誘電体部材は中空部を備えるので、アンテナの軽量化、ひいては無線通信機の軽量化に資することができる。また、無線通信機の回路基板面を有効に活用することができる。
【００９０】
請求項７の指向性アンテナによれば、放射電極の開放端に開放端容量が装荷されるので、給電素子と無給電素子の複共振を容易に実現することができる。
【００９１】
請求項８の無線通信機によれば、指向特性の良いアンテナを用いるので、良好な無線通信を行うことができる。
【００９２】
請求項９のアンテナの指向性改善方法によれば、比誘電率を５．５以上とする誘電体部材の比誘電率の値に応じて、グランド板の放射電極を設置した表側に発生する電波に、グランド板の裏側に発生する電波よりも強い指向性を与えるので、誘電体部材の比誘電率の値によりアンテナの指向特性の強弱を制御することができる。
【００９３】
請求項１０のアンテナの指向性改善方法によれば、複数の放射電極の複共振により、必要とする周波数帯域幅を確保する範囲に於いて誘電体部材の比誘電率を高く設定するので、指向特性を改善した実用的なアンテナが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る指向性アンテナの原理を説明する概略構成図である。
【図２】本発明に係る指向性アンテナの第１実施形態例を説明する一部断面斜視図である。
【図３】図２の指向性アンテナに於ける電波の指向特性の実測図で、（Ａ）は比誘電率が１のときの実測図、（Ｂ）は比誘電率が６のときの実測図、（Ｃ）は比誘電率が３８のときの実測図である。
【図４】図２の指向性アンテナに於ける比誘電率に対するＦ／Ｂ比を示す特性図である。
【図５】図２の指向性アンテナに於ける比誘電率に対する周波数帯域幅を示す特性図である。
【図６】本発明に係る指向性アンテナの第２実施形態例を説明する一部斜視図である。
【図７】図６の指向性アンテナの周波数に対するリターンロス特性図である。
【図８】図６の指向性アンテナに於ける誘電体部材の他の実施形態例を示す一部断面側面図である。
【図９】本発明に係る指向性アンテナの第３実施形態例を説明する斜視図である。
【図１０】図９の指向性アンテナの周波数に対するリターンロス特性図である。
【図１１】本発明に係る指向性アンテナの第４実施形態例を説明する斜視図で、（Ａ）は正面斜視図、（Ｂ）は背面斜視図である。
【図１２】図１１の指向性アンテナの周波数に対するリターンロス特性図である。
【図１３】図９及び図１１の指向性アンテナに於ける基体の他の実施形態例を示す斜視図である。
【図１４】図９及び図１１の指向性アンテナに於ける基体の更に他の実施形態例を示す斜視図である。
【図１５】従来の逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。
【図１６】図１５の逆Ｆ型アンテナの比誘電率に対する電波の指向特性図である。
【図１７】従来周知のヘリカルアンテナの比誘電率に対する電波の指向特性図である。
【符号の説明】
１０グランド板
１１，２４放射電極
１２給電手段
１５，２１，４１，４８誘電体部材
２０，４５，５３回路基板
２２導電板
２３給電ピン
２５，４０，７１，７６グランド電極
３７，５７，５８給電放射電極
３８，５９，６０，６８給電電極
３９，７０，７５無給電放射電極
５０，８０，８５基体
６６，６７分岐放射電極
７３容量装荷電極
７４容量装荷グランド電極

Claims

接地電位となるグランド板と、該グランド板から離間して前記グランド板と向かい合わせに配置された少なくとも１つの給電放射電極と、該給電放射電極に励振電力を供給する給電電極と、前記給電放射電極と前記グランド板との間に介在する誘電体部材を備えるアンテナであって、前記誘電体部材の比誘電率を５．５以上の値に設定することにより前記グランド板の裏側に比べて前記給電放射電極を設置した前記グランド板の表側の電波を強い指向性とすることを特徴とする指向性アンテナ。
複数の給電放射電極を備え、各給電放射電極は、給電電極を共通にして分岐した分岐放射電極であって、同一周波数帯域に於いて近接した共振周波数を有する実効線路長と、互いに異なる周波数帯域に属する周波数で共振する実効線路長との何れか一方の実効線路長を備えることを特徴とする請求項１に記載の指向性アンテナ。
複数の無給電放射電極と、該無給電放射電極を接地するグランド電極とを備え、給電放射電極に少なくとも１つの無給電放射電極を近接して配置すると共に、近接配置された給電放射電極及び無給電放射電極は、同一周波数帯域に於いて近接した共振周波数を有する実効線路長を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の指向性アンテナ。
全部の放射電極の放射面をグランド板の表面に対して傾斜して設置することを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の指向性アンテナ。
誘電体部材を、セラミック材料又は複合誘電体材料で形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の指向性アンテナ。
誘電体部材は、中空部を備えることを特徴とする請求項５に記載の指向性アンテナ。
給電放射電極及び無給電放射電極からなる複数の放射電極の内、少なくとも１つの放射電極の開放端に開放端容量を装荷することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の指向性アンテナ。
無線周波の高周波回路を形成した回路基板を有し、該回路基板に前記高周波回路を被覆するシールドケースを設け、前記回路基板又は前記シールドケースをグランド板として兼用することにより請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の指向性アンテナを備えることを特徴とする無線通信機。
接地電位となるグランド板と、該グランド板から離間して前記グランド板と向かい合わせに配置された少なくとも１つの放射電極と、該放射電極に励振電力を供給する給電手段と、前記放射電極と前記グランド板との間に介在する誘電体部材を備えるアンテナであって、前記誘電体部材の比誘電率を５．５以上の比誘電率に設定すると共に、前記誘電体部材の比誘電率の値に応じて、前記グランド板の前記放射電極を設置した表側に発生する電波に、前記グランド板の裏側に発生する電波よりも強い指向性を与えることを特徴とするアンテナの指向性改善方法。
同じ周波数帯域に於いて複共振する実効線路長を有する複数の放射電極を備え、それら放射電極の複共振により、必要とする周波数帯域幅を確保する範囲に於いて前記誘電体部材の比誘電率を高く設定することを特徴とする請求項９に記載のアンテナの指向性改善方法。