JP2005130333A - アンテナおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】時々刻々と変化する電波環境に応じてアンテナの指向性、利得、および効率などのパラメータを動的かつ適応的に変化させることができるアンテナを提供する。
【解決手段】本発明のアンテナは、上面および下面を有する誘電体層１０２と、誘電体層１０２の上面側に配置されたストリップ線路１０１と、誘電体層１０２の下面側に配置された接地側導体部１０４とを備え、誘電体層１０２は、比誘電率が位置によって異なる値を有している。
【選択図】図５

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波などの電磁波を利用した無線通信装置に利用されるアンテナに関する。本発明は、特に、携帯電話などの移動体通信端末やオフィスや家庭で利用される無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）に好適に用いられる。

マイクロ波からミリ波の周波数帯を利用した無線通信装置に利用される従来の高周波回路には、同軸線路や導波管を用いた回路と、平面基板を用いた回路がある。一般に、同軸線路や導波管を用いた回路は低損失であるが、重厚長大なシステムとなる。一方、マイクロストリップ回路やコプレーナ回路などの平面基板に形成する回路は、伝送損失が増加する傾向があるが、扁平・小型・軽量である。また、誘電体基板へのプリントで容易に形成できる、各種半導体デバイスが面実装できるなどの優れた特徴がある。従って、携帯電話や無線ＬＡＮなどの移動体通信端末局の無線回路には、これらの特徴を活用したアンテナが利用される。

移動体通信端末局と基地局との間には遮蔽物や反射物などの電波障害物が存在することが多い。また、そのような電波障害物または移動体通信端末局の位置が変化することにより、電波伝搬環境が複雑に変化する場合も多い。更に、移動体通信端末局は、小型かつ軽量であることが求められているため、利用可能な電力も限られている。そのため、長時間の無線通信を実現するためには、消費電力を可能な限り、抑えることが望ましい。

上述のような環境のもとで、無線による通信状態を適切なレベルに維持するためには、移動体通信端末局のアンテナ放射特性（利得や指向性など）を状況に応じて適応的に変化できることが望ましい。具体的には、基地局のアンテナとの間で適切に接続できる方向へアンテナの指向性を動的に変化させることが好ましい。このことは、ミリ波など、特に高い周波数帯を用いる通信において特に強く求められる。

以下、図１５を参照しながら、従来の平面アンテナの代表例であるマイクロストリップアンテナを説明する。マイクロストリップアンテナの従来例は、例えば、特許文献１に記載されている。

図１５は、特許文献１に記載されているマイクロストリップアンテナを示す概略図である。図１５に示されているアンテナは誘電体層７０１と、誘電体層７０１の上面側に配置された励振素子７０２と、誘電体層７０１の下面側に配置された接地導体７０３と、励振素子７０２に対向する位置に設けられた非励振素子７０４と、接地導体７０３の下方に位置する誘電体基板７０５と、誘電体基板７０５の下面に形成されたマイクロストリップ線路７０６とを備えている。接地導体７０３にはスロット７０７が形成されており、このスロット７０７は励振素子７０２とマイクロストリップ線路７０６との間に位置している。図１５における励振素子７０２および非励振素子７０４は方形形状を有しているが、円形形状を有するものであっても良い。

図１５からわかるように、励振素子７０２とマイクロストリップ線路７０６とは、接地導体７０３を挟むように配置され、スロット７０７は励振素子７０２の中心に対応する部分に配置されている。このため、マイクロストリップ線路７０６を伝搬してきたマイクロ波は、スロット７０７を介してアンテナ内部の磁界と結合し、アンテナ内部に基本モードの電磁界を励振する。図１６は、このような励振が生じたときの放射パターンを示している。
特開平５−３４３９１５号公報

前述のように、移動体通信端末局を使用して無線通信を行う場合や、人が行き来する室内で無線通信を行う場合は、遮蔽や反射など電波の伝搬環境の変化が次々と起こるため、良好な通信状態を維持するためには適応的にアンテナ特性を制御できることが望ましい。

しかしながら、図１５に示すような従来のアンテナでは、指向性、利得、効率などの諸特性が固定されたアンテナ形状パラメータ（主として励振素子、接地導体、誘電体層に関するパラメータ）によって決まるため、電波の伝搬環境の変化に応じてアンテナの諸特性を動的に変化させることが困難である。

また、仮に動的にアンテナ特性を変化させることが必要のない場合であって、種々の環境に応じて最適なアンテナ特性を決定するには、設計段階では励振素子の形状や誘電体層の誘電率分布などのアンテナの形状パラメータを変化させながらアンテナ特性を評価できることが好ましい。

本発明では、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、電波の伝搬環境に応じてアンテナの指向性、利得、および効率などのパラメータを総合的に最適化できるアンテナを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、必要なアンテナ特性を発揮することができるアンテナを容易に設計できる装置および方法を提供することにある。

本発明のアンテナは、上面および下面を有する誘電体層と、前記誘電体層の上面側に配置された給電側導体パターンと、前記誘電体層の下面側に配置された接地側導体部とを備えたアンテナであって、前記誘電体層は、比誘電率が位置によって異なる値を有している。

好ましい実施形態において、前記誘電体層は、複数の誘電体要素のアレイを含んでおり、前記複数の誘電体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させることができる。

好ましい実施形態において、前記複数の導体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させることができる電気熱力学的機構を備えている。

好ましい実施形態において、前記電気熱力学的機構は、前記複数の誘電体要素に含まれる個々の誘電体要素の比誘電率を独立して変化させることができる。

好ましい実施形態において、前記複数の誘電体要素の各々は、送受信する電磁波の波長より小さい寸法を有している。

好ましい実施形態において、前記複数の誘電体要素は、行および列からなるマトリクス状に配列されている。

好ましい実施形態において、前記複数の誘電体要素は、いずれも矩形の主面を有しており、各主面のサイズは略等しい。

好ましい実施形態において、前記誘電体層は空気の層である。

好ましい実施形態において、前記誘電体層は誘電体プレートである。

好ましい実施形態において、前記給電側導体パターンは、信号線ストリップを含んでいる。

好ましい実施形態において、前記基板は、前記導体部と前記給電側導体パターンの間に位置し、前記誘電体層として機能する。

好ましい実施形態において、前記基板の主面は、行および列からなるマトリクス状に配列された複数の単位領域を含み、各単位領域の比誘電率は、単位領域ごとに予め設定された値を有している。

好ましい実施形態において、前記基板は、位置によって異なる複数の平面領域を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記複数の平面領域の最小寸法は、送受信する電磁波の波長より小さい。

本発明の装置は、上記いずれかのアンテナと、前記アンテナの前記給電側導体パターンと接地側導体部に電気的に接続された回路とを備えている。

本発明の他の装置は、上記いずれかのアンテナと、前記アンテナの前記給電側導体パターンと接地側導体部に電気的に接続された回路と、前記複数の導体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させるように前記アンテナを制御する制御部とを備えている。

本発明によるアンテナの製造方法は、上記のいずれかのアンテナを用意する工程（ａ）と、前記複数の誘電体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させるように前記アンテナを制御する工程（ｂ）と、前記アンテナのアンテナ特性を評価する工程（ｃ）と、前記（ｂ）および前記（ｃ）を複数回行なうことにより得られたアンテナ特性に基づいて前記複数の誘電体要素の比誘電率を決定する工程（ｄ）とを含む。

本発明のアンテナによれば、アンテナの電磁場の存在する領域内の誘電率分布を電波の伝搬環境に応じて変化させることができる。また、この誘電率の分布を動的に変化させる場合、時々刻々と変化する伝搬環境に応じてアンテナの指向性、利得、および効率などのパラメータを動的かつ適応的に最適化することができる。

アンテナから放射される電磁場は、アンテナを流れる電流・磁流で決定される。ところで電流・磁流が引き起こす電磁場は伝搬する媒質の誘電率の影響を受ける。例えば、誘電体レンズアンテナは、所定の空間的配置に従って、電気長の異なるパスを実現するレンズ部の形状（または誘電率分布）を設計し、通過する電磁場の波面制御を行うものである。

このようなアンテナを設計する場合、マイクロストリップパッチアンテナなどでは電磁場が分布する媒質の誘電率は一様であり、レンズアンテナのように空間的な電気長の分布を考慮して設計されたアンテナであっても誘電率を動的に変化させることは、従来、行われてこなかった。また、複数のパスの間の位相差を作るために誘電体導波路の比誘電率を動的に制御することはあっても、実質的にレンズアンテナと同等の思想を越えていなかった。いずれの場合でも、誘電率の空間的な分布を最適に再設計することで、媒質中の電磁場、すなわち電流・磁流を制御しアンテナ特性を変更することができる。本願発明者は、この事実に着目し、アンテナの媒質中の誘電率分布を変えることによっても電磁場の制御が可能であり、それによってアンテナの放射特性が変化することを見出して、本発明を想到するに至った。

さらに、本発明の好ましい実施形態では、媒質内の任意の部分空間の誘電率を動的に変化できる可変機構をアンテナに付与することにより、アンテナの指向性や利得、共振周波数などの放射特性を随時変化させることができるため、電波の伝搬環境に応じて放射特性を制御し、常に最適な特性を発揮させることが可能になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態を説明する。

（実施形態１）
まず、図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明によるアンテナの第１の実施形態を説明する。図１（ａ）は、本実施形態のアンテナを示す分解斜視図であり、図１（ｂ）は、アンテナの断面図である。

図に示されるように、本実施形態のアンテナは、上面（給電線路側front side）および下面（接地導体側back side）を有する誘電体層（基板の基礎となる誘電体：誘電体Ａ）１０２と、誘電体層１０２の上面側に配置されたストリップ線路１０１と、誘電体層１０２の下面側に配置された接地側導体部１０３と、誘電体層内に存在し誘電体Ａと異なる比誘電率を持つ１種類以上の誘電体（誘電体Ｂおよび誘電体C）からなる誘電体要素１０４−１〜Ｎ（図１ではＮ＝３）とを備えている。

ここで誘電体とは静電場を印加したときに、電気分極を生じるが直流電流を生じない物質と考える。各種の結晶や非晶質、セラミックなどの固体や、液晶、空気などの気体、電解質を含まない液体、極性分子を含まない液体などが含まれる。一方、各種金属や電気伝導性を持つ高分子などは除く。

本実施の形態では、誘電体要素１０４−１〜Ｎのそれぞれは、正方形の上面をする単位構造からなり、誘電体層１０２を貫通して接地導体部１０３に達している。また、誘電体要素１０４−１〜１０４−Ｎは、ｎ行×ｍ列のマトリクス状に配列されている（Ｎ＝ｎ×ｍ、ｎおよびｍは正の整数）。詳細を図４に示す。

各誘電体要素１０４−１〜１０４−Ｎの上面は、送受信する電波の誘電体中の波長よりも小さい寸法を有しており、使用する周波数の実効波長において４分の１波長から２分の１波長程度以下の寸法が望ましい。例えば、アルミナ（比誘電率９．８）で作られた誘電体要素を周波数３０ＧＨｚにおいて用いる場合には、その上面の寸法は０．８ｍｍ×０．８ｍｍ程度かそれより小さい寸法であることが望ましい。また誘電体要素の材料は、アルミナなどのセラミック、ガリウム砒素（比誘電率１３）などの半導体、テフロン（Ｒ）（比誘電率２．１）、デュロイド（比誘電率２．３など）などの合成材料、エポキシなど樹脂材料（比誘電率４など）が用いられる。各誘電体要素１０４−１〜１０４−Ｎの上面形状は、正方形に限定されず、三角形またはＭ角形（Ｍは５以上の整数）であってもよい。

また、各誘電体要素１０４−１〜１０４−Ｎと周囲を取り巻く誘電体層１０２の間の誘電率の分布は、不連続であってもよいし、連続的に変化しても良い。これは実施の形態によって変わるものである。

また、誘電体要素１０４の各々は、周囲を取り巻く誘電体層１０２を貫通しなくてもよく、層内の一部を占める空間の比誘電率が変化する（誘電率の異なる材料に置き換わる）場合も考えられる。図２は、誘電体層１０２の接地導体側の一部が、比誘電率の異なる誘電体に置き換わる場合の例を示している。

また、誘電体要素１０４は上面、下面および側面が平面である必要はなく、一部もしくは全体が曲面でも良い。図３は上面が円筒面である場合の例を示す。

図４は、５行×５列のマトリクス状に配列された誘電体要素１０４−１〜１０４−Ｎ（Ｎ＝２５）を示す平面レイアウト図である。図４には、紙面に垂直な方向をｚ軸、ストリップ線路１０１が延びる方向をＸ軸とするｘ−ｙ−ｚ座標が示されている。図４の例では、２５個の誘電体要素を個別に誘電率を変えることができる。最も簡単なやり方は、基板の基礎となる誘電体層１０２から、比誘電率を変更できる誘電体要素１０４の占める空間を切り抜き、任意の異なる比誘電率を有する材料からなる所望の大きさの誘電体要素１０４を作成して、必要に応じて切り抜かれた部分に誘電体要素１０４をはめ込むというやり方である。この様子を図５に示す。図５（ａ）に示したように、基板の基礎となる誘電体層１０２のストリップ線路１０１下方に空隙１０５を空ける。その空隙には、図５（ｂ）に示したように異なる比誘電率を有する誘電体要素１０４を任意に並べたものをはめ込むことができる。このようにして、任意の誘電率分布を誘電体層の中に実現することができる。

このような方法では、誘電体分布の異なるアンテナを作成するごとにアンテナを分解しなければならず、アンテナ特性を適応的に変化させることは困難である。そこで、誘電体要素の誘電率を変化させる別な方法を提案する。

図６は、図３のような誘電体要素を用いる場合に、電気信号で誘電体要素１０４を駆動してアンテナ内の誘電率分布を変化させる方法である。図６（ａ）に示したように、誘電体要素１０４は球形もしくは円筒形であり、中心部を回転軸１０６が通過し、上記回転軸は周囲の接地導体１０３に固定されていて、この回転軸を中心に誘電体要素は回転する。その内部に接地導体用の金属が納められていて、この接地導体用金属によって誘電体要素は２分割され、そのそれぞれは比誘電率の異なる材料で形状が構成されている。なお、内部には永久磁石１０７が内蔵されている。アンテナの接地導体の下部には、極性可変電磁石からなる誘電体要素の回転制御機構１０８が納められている。回転制御機構内の電磁石の極性を電気信号でコントロールすることにより、誘電体要素１０４を回転させ、アンテナ内部に納められる部分の誘電率を変えることができる。図６（ｂ）は、この誘電体要素を一列に並べたものである。マトリクス状にこの球形（円筒形）誘電体要素を配列することにより、任意の２次元誘電率分布を構成することが可能になる。

他の方法としては、誘電率を変化させる部分を微小ヒータで加熱して、誘電体の構造相転移や組成、配列変化を引き起こし誘電率を変化させる方法（参考文献：Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ Ｄｅｓｉｇｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡ，２００１，ｐｐ．７６６−７６７）や、ＤＣ電圧に対して誘電率が変化する材料を利用し、所望の空間にＤＣ電圧を印加して誘電率を変化させる方法や、誘電率が光強度に依存して変化する材料を利用し、ホログラフィーの原理や微小レーザアレーなどを用いて誘電体層に空間的な光強度分布を実現し誘電率分布を実現する方法などが考えられる。

本実施形態のアンテナによれば、誘電体層１０２内部の誘電体要素１０４の誘電率を変化させることにより、アンテナ面内における電磁界の３次元的な分布を変化させ、それによって電流・磁流パターンを変化させることができる。こうして、電波信号の周波数やアンテナ周囲の電波伝搬の環境に応じてアンテナ特性を適正な状態に変化させることが可能になる。

（実施例１）
以下、本発明の第１の実施形態に係るアンテナの実施例を説明する。

まず図７を参照する。図７は本実施例のアンテナの斜視図である。次に図８を参照する。図８は本実施例のアンテナの大きさの詳細を示す。また図７と図８にはアンテナの方向とｘｙｚの各々の軸方向の関係が示されている。

図８に示したように、アンテナの上面は各辺が２０ミリメートルの正方形である。上面中央部には幅１．３ミリメートルのストリップ線路１０１が横断している。またストリップ線路の下部でアンテナの中央部、誘電体層１０２には誘電体要素１０４がマトリクス状に配列されている。図８では３行×３列のマトリクスの例を示している。マトリクスの上面は各辺０．８ミリメートルの正方形であり、厚さ０．５ミリメートルの誘電体層を貫通して、誘電体層の下の接地導体部に達している。また入力ポート１０９から電力を供給し、出力ポート１１０では電力を無反射としている。

本実施例で示す例では、誘電体層の基礎となり誘電体要素の周囲を囲う誘電体の比誘電率は３．５（例えば樹脂材料）である。以下図９以降では、一部の誘電体要素を比誘電率１０（例えばアルミナ）、および１．２（例えば発泡フォーム）のものと置き換えた例を示す。なお以下の計算結果の測定周波数はすべて３０ＧＨｚである。従って、誘電体要素の上面の各辺の長さは、比誘電率３．５において６分の１波長、比誘電率１．２において１０分の１波長、比誘電率１０において４分の１波長程度となる。

図９から図１１を参照する。図９はアンテナの概略図、図１０はｘｚ面、図１１はｙｚ面の遠方界指向性を示す。図９からわかるように、この例は誘電体要素は、すべて比誘電率３．５であり、一般的なマイクロストリップ回路の基板と同じ構造である。この図の例は、以下の誘電率分布を形成した例に対する参照用として示すものである。図１０から電力の進行方向（ｘ方向：仰角０度〜９０度）に弱い指向性が見られ、図１１からｙｚ面内ではｚ軸（仰角０度）に対して指向性は対称であり，全仰角において大きな差がないことがわかる。

図１２から図１４を参照する。図１２はアンテナの概略図、図１３はｘｚ面、図１４はｙｚ面の遠方界指向性を示す。図１２からわかるように、この例はストリップ線路に対してＹ方向側の一つの誘電体要素を、比誘電率１０のものに置き換えた例である。図１３からｘｚ面内の指向性はほぼＺ軸方向にあり，図１４からｙｚ面内では仰角（ＥｌｅｖａｔｉｏｎＡｎｇｌｅ）４５度の方向に指向性があることがわかる。

図１５から図１７を参照する。図１５はアンテナの概略図、図１６はｘｚ面、図１７はｙｚ面の遠方界指向性を示す。図１５からわかるように、この例はストリップ線路に対してーＹ方向側の一つの誘電体要素を、比誘電率１．２のものに置き換えた例である。図１６からｘｚ面内の指向性は仰角７０度近くにあり、図１７からｙｚ面内では仰角４５度の方向に指向性があることがわかる。

以上、図１２から図１７の結果より、図１２と図１５の誘電率分布ではｙｚ面内の遠方界指向性は似た特徴を示すことがわかる。

図１８から図２０を参照する。図１８はアンテナの概略図、図１９はｘｚ面、図２０はｙｚ面の遠方界指向性を示す。図１８からわかるように、ストリップ線路に対して対面になるように比誘電率１０および１．２の誘電体要素を配置していて，これは図１２と図１７のアンテナを重ね合わせた特徴を持つと推測できる。図１９と図２０は、それぞれ図１３と図１４に非常に良く似た結果となっている。これは、図１２と図１７のアンテナの指向性が同じ傾向を示すことから、図１８のアンテナもこれらと同様の指向性を示したと理解できる。

図２１から図２３を参照する。図２１はアンテナの概略図、図２２はｙｚ面、図２３はｘｙ面の遠方界指向性を示す。図２１からわかるように、この例はストリップ線路に対して対面になるように比誘電率１０の誘電体要素を配置している。図２２からｙｚ面内指向性は仰角６０度およびー６０度方向の二つの指向性を示し、Ｚ軸（０度）に対して対称である。また図２３からｘｙ面内では、方位角（Ａｚｉｍｕｔｈ Ａｎｇｌｅ）７５度とー７５度付近に指向性があり，０度方向にもやや弱い指向性が見られている。

図２４から図２６を参照する。図２４はアンテナの概略図、図２５はｙｚ面、図２６はｘｙ面の遠方界指向性を示す。図２４からわかるように、このアンテナは図２１のアンテナと比べ、比誘電率１０の誘電体要素を対面させずにｘ軸方向へ１セル分ずらせた配置となっている。図２５からｙｚ面内指向性は仰角４５度付近に指向性があり、全体的に図１２のアンテナ（ｙｚ面指向性は図１４）と似た特徴を示している。また図２６からｘｙ面内では、方位角９０度方向に指向性がある。

以上、図２１から図２６の結果より、比誘電率１０の誘電体要素がストリップ線路に対して対称に置かれている場合、電磁波はｘｚ面に対して対称に放射されているが、この二つの誘電体要素の位置が非対称になると、指向性も非対称となり指向性を示す方向も変わることがわかる。

以上の結果より、誘電体要素の比誘電率を変化させ、誘電体層の誘電率分布を作り出すことにより、放射される電磁波の指向性が変化することが明確に示された。従って、電波の伝搬環境の変化に応じて、誘電率分布を変化させることにより、アンテナの放射特性を動的かつ適応的に最適化することが可能になる。

（実施形態２）
以下、本発明の第１の実施形態に係るアンテナを用いて、接地側導体部の形態を最適化する方法を説明する。

図２７は、本発明によるアンテナを備えた装置の実施形態を示すブロック図である。

本実施形態の装置は、図２７に示すように、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ５０と、アンテナ５０に接続された通信回路６１と、アンテナ５０における誘電体層の誘電率分布（以下、誘電率分布）を制御する制御系とを備えている。

誘電率分布の制御系は，アンテナ５０に含まれる誘電体要素の比誘電率を変化させることができる誘電率変換手段５１と、誘電率分布を設計する誘電率分布設計部５３と、アンテナの特性を検出するためのモニター部７１を備えている。

誘電率分布設計部５３は、アンテナの要求仕様と、モニター部から送られてくる現在のアンテナの特性を示す諸特性値から、アンテナの特性を最善な状態に変更するために誘電率分布の設計を行う。そのため、誘電率分布を最適化するためのアルゴリズムを含むことが望ましい。また、アンテナの要求仕様に応じた誘電率分布のデータを格納する記憶部を含み、適切に既存のデータを利用して誘電率分布を設計できることが望ましい。誘電率分布設計部５３からの出力信号は誘電率分布の設計データであり、誘電率変換手段５１へ送られ、所望の誘電率分布が実現される。

モニター部７１は、アンテナの内部もしくは外部にあり、例えば，内部モニターは，サーキュレータと検波器で構成され，送信時のアンテナ５０のリターンロスや、受信時の受信パワーのモニターを行い、外部モニターでは、主アンテナに対して基準となる方向にパイロットアンテナを設けて，パイロットアンテナ方向での受信パワーをモニターすることにより指向性判別を行うことなどが考えられる。アンテナの要求仕様に応じて、これらで検出された諸特性値を誘電率分布設計部へ送出する。

次に、この装置の動作を説明する。

まず、誘電率分布設計部５３は、デフォルト，もしくは内部の記憶部に格納されている情報に基づいて、初期の誘電率分布を設計する。この設計部５３の設計結果に基づき、誘電率変換手段５１は、アンテナ５０における誘電体層の誘電率分布が所望の分布を形成するように誘電体要素を制御する。

アンテナ５０は送信用としても受信用としても用いることができるので、アンテナ５０の誘電率分布の最適化は、アンテナを送信用として機能させた場合と、アンテナを受信用として機能させた場合との双方において独立して行なうことが望ましい。

以下、アンテナ５０を送信用アンテナとして用いる場合の誘電率分布の調整手順について図２７のブロック図と図２８のフローチャートを用いて説明する。

まず、通信回路６１がアンテナ５０に送信用の信号を送る。アンテナからのリターンロスを内部モニター７１で、また外部パイロットアンテナ（外部モニター）での受信パワーとして基準方向の指向性を測定する。これらで測定された諸特性値は誘電率分布設計部５３へ送られる。誘電率分布設計部５３ではモニターから送られてきた特性値を元に評価関数を計算する（５３１）。評価関数とは，例えば，アンテナ５０のリターンロスと、所望放射方向および不要放射方向の受信パワーなどの線形和からなり、評価関数自体が増加するときに所望方向の放射パワーも大きくなるように作った任意の関数である。次に、最適化アルゴリズムにより、評価関数値を最大化（または最小化）できるような誘電率分布を設計する（５３２）。次に得られた誘電率分布を実現するため、アルゴリズムによる誘電率分布データを誘電率変換手段５１を直接制御する出力信号へ変換する（５３３）。この出力信号を取得した誘電率変換手段５１は、上記信号に基づいてアンテナ基板の誘電率分布を変更する。それによってアンテナの諸特性が変わるので、再度７１へ戻り諸特性をモニターする。以上のように処理は進行し，最終的に誘電率分布が最善の状態になると、アンテナ設計は終了する（５４）。

次に、アンテナ５０を受信用アンテナとして用いる場合の誘電率分布の調整手順について図２７のブロック図と図２８のフローチャートを用いて説明する。

アンテナ５０で受信した信号は通信回路６１と内部モニターへ入力される。以下は，送信用アンテナと同様に，モニターで測定した特性値を元に，評価関数を作り，所望の特性が得られるまで、アンテナの誘電率分布を変更する。例えば、受信利得を増大させたいときは，評価関数として内部モニターでの受信信号のパワーを用い，評価関数値を最大化するように，アンテナの誘電率分布を変更する。最終的に誘電率分布が最善の状態になると、アンテナ設計は終了する。

また、送信受信時ともに、所望のアンテナ特性が得られた状態での誘電率分布のデータは、誘電率分布設計部の記憶部に格納し，必要なときにリロードできる状態にしておくことが望ましい。また、誘電率分布のデータはアンテナの外部へ入出力できれば、データを持たない同等のアンテナの特性制御にも利用できるので望ましい。

上記の例では、アンテナの誘電率分布の変更とアンテナ特性の評価とを繰り返しているが、前もって、電波環境に応じたアンテナの誘電率分布の複数のパターンを記憶部に格納しておき、電波環境の変化を検出すると、適切な誘電率分布を上記の複数のパターンから選択するようにしてもよい。この選択は、装置が自動的に行なっても良いし、装置のユーザが選択してもよい。

このように、誘電体層の誘電率分布を制御する回路をアンテナと一体化したアンテナモジュールを携帯端末や携帯電話などの装置に組み込めば、アンテナの特性を動的かつ適応的に最適化できる装置が得られる。

本発明のアンテナは、電波伝搬環境に応じた放射特性を発揮しうるため、携帯電話や無線ＬＡＮなどの移動体通信端末のアンテナとして有用である。

（ａ）は、本発明によるアンテナの第１の実施形態の斜視図（ｂ）は断面図 本発明の第１の実施形態において、誘電体要素が誘電体層を貫通しない実施形態の斜視図および断面図 本発明の第１の実施形態において、誘電体要素が円筒形である実施形態の斜視図および断面図 本発明の第１の実施形態における誘電体層の平面図 本発明の第１の実施形態における誘電率を可変する方式を示す概略図（（ａ）誘電体要素部分を取り除いた斜視図（ｂ）誘電体要素の斜視図） （ａ）磁石を用いた誘電率可変機構の概略図（ｂ）（ａ）の方式を用いて誘電体要素をアレー状に配置する概略図 本発明の第１の実施形態の具体的な実施例を示す斜視図 本発明の第１の実施形態の実施例に関する具体的な寸法図 本発明の第１の実施形態の実施例のアンテナパターンの一つを示す図 本発明の第１の実施形態の図９に示した実施例のアンテナのＸＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の図９に示した実施例のアンテナのＹＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の実施例のアンテナパターンの一つを示す図 本発明の第１の実施形態の図１２に示した実施例のアンテナのＸＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の図１２に示した実施例のアンテナのＹＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の実施例のアンテナパターンの一つを示す図 本発明の第１の実施形態の図１５に示した実施例のアンテナのＸＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の図１５に示した実施例のアンテナのＹＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の実施例のアンテナパターンの一つを示す図 本発明の第１の実施形態の図１８に示した実施例のアンテナのＸＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の図１８に示した実施例のアンテナのＹＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の実施例のアンテナパターンの一つを示す図 本発明の第１の実施形態の図２１に示した実施例のアンテナのＹＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の図２１に示した実施例のアンテナのＸＹ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の実施例のアンテナパターンの一つを示す図 本発明の第１の実施形態の図２４に示した実施例のアンテナのＹＺ面遠方界指向性のグラフ 本発明の第１の実施形態の図２４に示した実施例のアンテナのＸＹ面遠方界指向性を示すグラフ 本発明の第１の実施形態に係るアンテナを備えた装置例のブロック図 本発明の第１の実施形態に係るアンテナを備えた装置例の誘電率分布設計のフローチャート 従来のマイクロストリップアンテナの概略図 従来のマイクロストリップアンテナの指向性の図

符号の説明

１０１ ストリップ線路（給電側導体パターン）
１０２ 誘電体層
１０３ 接地導体
１０４−１〜１０４−Ｎ 誘電体要素
１０５ 誘電体層の空隙
１０６ 回転軸
１０７ 永久磁石
１０８ 極性可変電磁石（回転制御機構）
１０９ 入力ポート
１１０ 出力ポート
１１１ 出力ポート
７０１ 誘電体層
７０２ 励振素子
７０３ 接地導体
７０４ 非励振素子
７０５ 第二誘電体層
７０６ マイクロストリップ線路
７０７ スロット

Claims (13)

1. 上面および下面を有する誘電体層と、
   前記誘電体層の上面側に配置された給電側導体パターンと、
   前記誘電体層の下面側に配置された接地導体とを、備えたアンテナであって，
   前記誘電体層は、比誘電率が位置によって異なる分布を有している、アンテナ。
2. 前記誘電体層は、複数の誘電体要素のアレイを含んでおり、
   前記複数の誘電体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させることができる請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記複数の誘電体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させることができる電気熱力学的機構を備えている請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記電気熱力学的機構は、前記複数の誘電体要素に含まれる個々の誘電体要素の比誘電率を独立して変化させることができる、請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記複数の誘電体要素の各々は、送受信する電磁波の波長より小さい寸法を有している、請求項２から４のいずれかに記載のアンテナ。
6. 前記複数の誘電体要素は、行および列からなるマトリクス状に配列されている、請求項２から５のいずれかに記載のアンテナ。
7. 前記複数の導体要素は、いずれも矩形の主面を有しており、各主面のサイズは略等しい、請求項６に記載のアンテナ。
8. 前記誘電体層および誘電体要素は空気の層である請求項１から７のいずれかに記載のアンテナ。
9. 前記誘電体層は誘電体プレートである請求項１から８のいずれかに記載のアンテナ。
10. 前記給電側導体パターンは、ストリップ線路を含んでいる請求項１から９のいずれかに記載のアンテナ。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のアンテナと、
    前記アンテナの前記給電側導体パターンと接地側導体部に電気的に接続された回路と、
    を備えている装置。
12. 請求項２から１１のいずれかに記載のアンテナと、
    前記アンテナの前記給電側導体パターンと接地側導体部に電気的に接続された回路と、
    前記複数の誘電体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させるように前記アンテナを制御する制御部と、
    を備えている装置。
13. 請求項２から１３のいずれかに記載のアンテナを用意する工程（ａ）と、
    前記複数の誘電体要素から選択された少なくとも１つの誘電体要素の比誘電率を変化させるように前記アンテナを制御する工程（ｂ）と、
    前記アンテナのアンテナ特性を評価する工程（ｃ）と、
    前記（ｂ）および前記（ｃ）を複数回行なうことにより得られたアンテナ特性に基づいて前記複数の誘電体要素の比誘電率を決定する工程（ｄ）と、
    を含むアンテナの製造方法。

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