JP2005236624A - 誘電体アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナの性能を低下させないように、誘電体の比誘電率を余り大きくしなくても、アンテナを小型化することができる構造の誘電体アンテナを提供する。
【解決手段】 セラミックスなどの板状または直方体形状の誘電体基体１の一面（裏面）にグランド電極４が設けられ、誘電体基体１の内部またはグランド電極４が設けられた一面と対向する表面１ａに、一端部２ａが開放され他端部２ｂがグランド電極４と接続される放射電極２が設けられている。この放射電極２の開放端部２ａ側に一端部３ａを対向させて給電電極３が容量結合するように設けられ、その他端部３ｂが給電端子とされている。そして、放射電極２の開放端部２ａに装荷電極５の一端部５ａを対向させ、その他端部５ｂがグランド電極４と接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえばセラミックスなどの誘電体を用い、放射電極と給電電極とを対向させて容量結合をさせる誘電体アンテナに関する。さらに詳しくは、高誘電率の誘電体を用いなくても小型化が可能な構造の誘電体アンテナに関する。

直線偏波平面アンテナを小型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（グランド電極）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。

具体例としては、図７に斜視および構成の説明図が示されるように、基板６１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（放射電極６２）が形成され、短区間である側面の導電体膜の端部は基板６１の裏面に設けられるグランド電極６３と接続されている。そして、基板６１およびグランド電極６３に設けられる貫通孔を介して給電ピン６４が放射電極６２の結合部６２ａに接続される構造になっている。この構造では、基板６１の表面側に設けられる導電体（放射電極６２）の長辺側の長さは、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の小型化が可能となる。

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、結合部６２ａ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電極６２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。

一方、図８に示されるように、誘電体基板６１の表面に放射電極６２が給電電極６４と対向して容量結合をするように設けられ、誘電体基板６１の裏面にグランド電極６３が設けられる構造の誘電体アンテナも知られている（たとえば特許文献１参照）。このような構造にすると、給電部と接続される給電電極６４の位置は固定した状態で放射電極６２と結合することができる。
特開平９−９８０１５号公報（図１）

前述のように、従来のセラミックスなどの誘電体基板を用いたアンテナでは、逆Ｆアンテナでも、容量結合型の誘電体アンテナでも、ある程度の小型化を達成することができ、しかも誘電体基板に比誘電率ε_rの高い材料を用いることにより、１／ε_r ^1/2に比例してその長さを短くすることができ、さらなる小型化を達成することができる。しかし、誘電体基板の誘電率を高くすると、共振し得る周波数帯域が狭くなり、たとえば高さが２ｍｍ、ε_rが３０程度の逆Ｆアンテナは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か、放射効率が減少するという問題がある。

さらに、先端容量結合型の誘電体アンテナでは、給電電極６４の電流方向と放射電極６２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共に、誘電体の誘電率を高くすると、インピーダンスが低下する。そのため、このような誘電体アンテナの設計中に給電部の整合を工夫する必要があるという問題がある。

一方において、移動体通信の無線を利用している各種のシステムが急速に普及している現在、アンテナに対する小型化、高性能化の要求は年々激しくなっている。たとえばブルートゥース（Bluetooth）用アンテナに対しては、その比帯域が３.４％で、全方向平均利得が−５ｄＢｉ以上で、アンテナの高さが１〜２ｍｍ、体積が数十ｍｍ³以下などの要求がなされている。このような特性上からも制約のあるアンテナを小型化するには、誘電体基板として単に比誘電率の高い材料を用いるということによっては、小型化をするということができない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、アンテナの性能を低下させないように、誘電体の比誘電率を余り高くしなくても、アンテナを小型化することができる構造の誘電体アンテナを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、放射電極と給電電極との容量結合構造を改良し、安定した結合度を得ながら、小型化を図ることができる誘電体アンテナを提供することにある。

本発明による誘電体アンテナは、板状または直方体形状の誘電体基体と、該誘電体基体の一面の一部または全面に設けられるグランド電極と、該誘電体基体の内部または前記一面と対向する表面に設けられ、一端部が開放され他端部が前記グランド電極と接続される放射電極と、該放射電極の開放端部側に一端部を対向させて容量結合させ、他端部が給電端子とされる給電電極と、前記放射電極の開放端部と一端部が対向し他端部が前記グランド電極と接続される装荷電極とを有している。

ここに装荷電極とは、グランド電極とアンテナの放射電極の先端との間に容量を形成するように装荷されたものを意味する。

この構造にすることにより、放射電極と装荷電極との間に装荷容量Ｃ₂が形成され、放射電極全体としての容量が大きくなる。すなわち、先端給電の誘電体アンテナの等価回路において、共振周波数ｆ₀は、ｆ₀＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝で表されるが、そのＣが大きくなるため、共振周波数ｆ₀が低下し、共振周波数が同じになるようにすれば、放射電極の長さを短くすることができるため、同じ共振周波数に対して、アンテナを小型化することができる。なお、上式で、Ｌは放射電極のインダクタンス、Ｃは、給電電極と放射電極との結合容量Ｃ₀、放射電極とグランド電極との間の容量Ｃ₁および装荷電極と放射電極との間の装荷容量Ｃ₂との和である。その結果、装荷容量Ｃ₂が寄与し、誘電体基体として、誘電率の高い材料を用いなくても、アンテナの小型化を達成できるため、たとえば比誘電率が２０程度のセラミックスを用いることができ、帯域幅を広く維持することができるし、入力インピーダンスを高く維持することができ、小型で高特性のアンテナが得られる。

具体的には、前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する一側面にかけて設けられ、前記装荷電極の前記一端部が前記表面に隣接し、前記一側面と対向する対向側面に設けられることにより、放射電極と装荷電極の間の容量Ｃ₂が増加するため、アンテナの小型化に寄与する。

また、前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する一側面にかけて設けられ、前記給電電極の前記一端部が前記表面と隣接する側面または該表面と対向する前記一面に設けられる構造とすることができる。この場合、前述のように、アンテナの高さが１〜２ｍｍ程度の薄いものが要求されるため、放射電極が設けられる表面と対向する一面に給電電極の一端部が設けられても、誘電体基体を介して充分に放射電極と結合させることができる。このような構造にすれば、放射電極の電流方向と給電電極の電流方向とを完全に同一面で対向させる結合ではないため、その対向部分での容量結合が強くなり、結合特性の再現性がよくなる。

前記放射電極を複数本に分離して設けることにより、複数本の放射電極で共振周波数を異ならせることにより、広帯域のアンテナまたは複数周波数帯のアンテナとすることができる。また、前記放射電極の開放端側に、前記給電電極との対向部を形成する突起部が形成されることにより、結合度を調整しやすくすることができる。

本発明によれば、容量結合型の誘電体アンテナにおいて、装荷電極が設けられているため、共振周波数を下げること、すなわち同じ周波数に対しては、放射電極の物理的長さを短くすることができる。その結果、極端に誘電率の大きい誘電体基体を用いなくても、アンテナの小型化を図ることができる。また、小型化しながら誘電体基体として誘電率の小さいものを使用することができるため、アンテナの放射効率を高く維持することができると共に、入力インピーダンスを調整しやすく、アンテナ特性を向上させることができるという効果がある。

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（ａ）および（ｂ）にその一実施形態の表面側および裏面側の斜視説明図が示されるように、セラミックスなどの板状または直方体形状の誘電体基体１の一面（裏面）の一部または全面にグランド電極４が設けられ、誘電体基体１の内部またはグランド電極４が設けられた一面と対向する表面１ａに、一端部２ａが開放され他端部２ｂがグランド電極４と接続される放射電極２が設けられている。この放射電極２の開放端部２ａ側に一端部３ａを対向させて給電電極３が容量結合するように設けられ、その他端部３ｂが給電端子とされている。本発明は、放射電極２の開放端部２ａに装荷電極５の一端部５ａを対向させ、その他端部５ｂをグランド電極４と接続していることに特徴がある。

誘電体基体１としては、アンテナの小型化という観点からは、できるだけ誘電率の高い材料が好ましいが、前述のように、余り誘電率の高い材料を用いると、共振し得る周波数帯域が狭くなり、広帯域の信号を送受信することができなかったり、放射効率が減少しやすい。そのため、比誘電率が１０〜２０程度の、たとえばＡｌ₂Ｏ₃、ＳｒＴｉＯ₃などを用いることが好ましい。しかし、帯域幅をそれほど必要としない場合には、たとえばＢａＯ-ＴｉＯ₂-ＳｎＯ₂、ＭｇＯ-ＣａＯ-ＴｉＯ₂などの比誘電率が３０程度以上のセラミックスを用いることもできる。また、この誘電体基体１は、セラミックスなどの誘電体材料により一体に形成されたものでもよいし、薄いセラミックシートなどに適宜導電体膜が設けられたものを積層して焼結したものや適宜導電体膜が設けられたガラスエポキシフィルムなどを積層したものでもよい。大きさは、たとえばＧＰＳ用としては、前述の比誘電率が２０程度のものであれば、縦×幅×高さが８ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍ程度のもので形成することができる。

以下に説明する実施例では、この誘電体基体１のグランド電極４が形成される一面を裏面、放射電極２が主として設けられる面を表面、放射電極２の長手方向で、グランド電極４と接続される他端部２ｂ側が設けられる側面を一側面、放射電極２の一端部２ａ側で、その長手方向に隣接する側面を対向側面、放射電極２の横側に隣接する側面をサイド側面と呼ぶ。

放射電極２の一端部２ａは開放端とされ、他端部２ｂは誘電体基体１の一側面を介して裏面に設けられるグランド電極４に接続されている。この放射電極２の一端部２ａから他端部２ｂまでの長さ（長手方向の長さ；図２（ａ）のＬ₁＋Ｌ₂）は、所望の周波数帯に対し、ほぼλ／４の電気長になるように形成されている。この電気長は誘電体基体１の比誘電率ε_rの平方根に逆比例（１／ε_r ^1/2に比例）するため、誘電体基体１の誘電率によって変る。図１に示される例では、誘電体基体１の幅全体に亘って設けられないで、幅方向に突起部２ｃが形成され、後述する給電電極３と結合しやすく形成されている。その結果、放射電極２の長さ方向、すなわち電流方向が対向するように結合させるのではなく、直角方向から給電電極により結合されている。しかし、この放射電極２の形状および給電電極３との結合構造は、後述するように種々の構造を採用することができる。

給電電極３は、放射電極２と送受信信号の給電部とを容量結合させるためのもので、図１に示される例では、誘電体基体１の裏面に設けられた給電端子３ｂから、一端部３ａが放射電極２の突起部２ｃと対向するように１つのサイド側面に設けられている。このように、放射電極２の電流方向（長手方向）と対向させないで、放射電極２の電流方向と給電電極３の電流方向とが直角方向になるように結合させることにより、結合が密になりその間隔が広くなるため、特性が大きく変化するということが無くなるので、好ましい。

グランド電極４は、誘電体基体１の放射電極２が設けられている表面と対向する裏面で、給電端子３ｂが設けられる部分を除いたほぼ全面に設けられている。このグランド電極４、放射電極２および給電電極３は、それぞれ誘電体基体１の所定の面に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体１上に配設された構造のものでもよい。さらに、導電体膜が印刷などにより設けられた誘電体シートを積層することにより、これらの放射電極２、給電電極３およびグランド電極４それぞれまたはどれかの少なくとも一部を誘電体基体１の内部に形成することもできる。

装荷電極５は、一端部５ａが放射電極２の一端部２ａと対向し、かつ、他端部５ｂがグランド電極４と接続された、すなわちグランド電極４と同電位の導体膜により誘電体基体１の対向側面（放射電極２の他端部がグランド電極４と接続するため表面から一側面に設けられたその側面と対向する側面）に設けられている。図１に示される例では、この装荷電極５は、その一端部５ａが対向側面に位置するように設けられているが、このようにすることにより、放射電極２を誘電体基体１の表面全体近くまで設けることができるため小型化の点から好ましい。しかし、放射電極２が設けられる表面上で放射電極２と対向するように形成されてもよい。

本発明の構造のアンテナによれば、図１（ｃ）にその等価回路図が示されるように、従来の容量結合型アンテナにおける、放射電極によるインダクタンスＬ₀、放射電極２と給電電極３との間の容量Ｃ₀、放射電極２とグランド電極４間の容量Ｃ₁の他に、装荷電極５と放射電極２との間の容量Ｃ₂が加わる。これらの容量は、いずれも放射電極２とグランド電極４との間の容量になるため、全容量Ｃは、Ｃ＝Ｃ₀＋Ｃ₁＋Ｃ₂となる。一方、この放射電極２の共振周波数ｆ₀は、前述のように、ｆ₀＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝で表される。そのため、このＣがＣ₂だけ大きくなれば、共振周波数ｆ₀は低下することになる。逆にいえば、共振周波数ｆ₀が同じになるようにすれば、放射電極２の長さを短くすることができ、アンテナの小型化に寄与することができる。なお、図１（ｃ）において、Ｒ₀は、放射抵抗を示す。

たとえば誘電体基体１の大きさが縦×幅×高さ＝８ｍｍ×５ｍｍ×３ｍｍで、比誘電率が２０のものを使用して、図２（ａ）に示されるように、放射電極２の一端部２ａと誘電体基体１の表面の端部までの距離ｋを、たとえば０.５ｍｍとし、その一端部に対向する誘電体基体１の対向側面に設けられる装荷電極５の高さｈを３ｍｍ（側面全面に装荷電極を設けた構造）、１.５ｍｍ、０ｍｍ（装荷電極を設けない構造）と変化させたときの周波数に対するＶＳＷＲを調べた結果が図２（ｂ）〜（ｄ）に示されている。図２（ｂ）〜（ｄ）から明らかなように、装荷電極５を設けない構造では、共振周波数が１.８５７ＧＨｚで、ＶＳＷＲが４であったもの（図２（ｄ））が、半分の高さまで設けると、共振周波数が１.５５２５ＧＨｚで、ＶＳＷＲが１.６１となり（図２（ｃ））、さらに高さ全体に設けた場合には、共振周波数が１.２９５ＧＨｚでＶＳＷＲが１.２であった（図２（ｂ））。すなわち、装荷電極５を全然設けない場合に比べて、装荷電極のアンテナは約３０％の範囲で共振周波数を低くすることができた。

前述の例は、放射電極２を誘電体基体１の表面の幅より狭く形成し、幅方向に突起部２ｃを形成して給電電極３と結合しやすくしたが、放射電極２の形状や給電電極３との結合部は、図３〜６に示されるように、種々の構造で形成することができる。なお、図２〜６では、放射電極などの導電体膜の厚さを省略して示してある。

図３に示される例は、放射電極２を幅方向のほぼ全面に形成し、そのサイド側面に放射電極２の突起部２ｃを形成して、そのサイド側面で給電電極３と対向させた例である。このような構造にすることにより、放射電極２が誘電体基体１の幅方向ほぼ全面に設けられているため、放射電極２の幅が広くなることにより、帯域幅を広くすることができ、小型化した誘電体基体１を有効に利用して、アンテナ特性を向上させることができる。なお、図３に示される例では、給電部３ｂが、対向側面から裏面にかけての幅方向のほぼ中心部に位置するように設けられている。このように、アンテナが搭載される回路基板の配線に応じて、給電部３ｂを任意の位置に形成することができる。

図４に示される例は、放射電極２に突起部は形成されないで、給電電極３の一端部３ａが誘電体基体１の裏面に設けられ、誘電基体１の厚さを介して放射電極２の一端部２ａと容量結合する構造になっている。なお、放射電極２の幅がせまくなっているが、給電電極３との結合方法とは直接には関係なく、放射電極２の一例としてこのような構造にすることもできるという例である。

図５に示される例は、放射電極２の一端部の幅方向中心部に突起部２ｃが形成され、その突起部２ｃが対向側面まで延ばされ、対向側面で給電電極３と対向して容量結合するように形成されている。この場合、装荷電極は、分割されて第１および第２の装荷電極５１、５２として形成されている。また、給電部３ｂは誘電体基体１の裏面に形成されている。

図６に示される例は、放射電極２が第１の放射電極２１と第２の放射電極２２とにより構成された例で、給電電極３との結合は、図５に示される例と同様に、対向側面まで延出された放射電極の突起部２１ｃ、２２ｃにより給電電極３と容量結合する構造である。このような複数の放射電極が形成されることにより、両者の電気長を若干異ならせることで、両方の共振周波数で動作させることができ、帯域幅を広くすることができる。なお、装荷電極５１、５２および給電部（図示せず）は図５に示される例と同じであるが、この例では、装荷電極５１、５２が対向側面だけではなく、サイド側面にも設けられている。このようにサイド側面にも設けることにより、容量をさらに大きくすることができ、前述の各例においても同様に形成することができる。なお、図３〜６において、放射電極形状および給電電極との結合部以外の他の部分は図１に示される例と同じである。

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１のアンテナで、グランド装荷電極の高さを変えたときの周波数特性の変化を示す図である。 図１に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。 図１に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。 図１に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。 図１に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。 従来の逆Ｆアンテナの構造を示す説明図である。 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 誘電体基体
２ 放射電極
３ 給電電極
３ｂ 給電部
４ グランド電極
５ 装荷電極

Claims (5)

1. 板状または直方体形状の誘電体基体と、該誘電体基体の一面の一部または全面に設けられるグランド電極と、該誘電体基体の内部または前記一面と対向する表面に設けられ、一端部が開放され他端部が前記グランド電極と接続される放射電極と、該放射電極の開放端部側に一端部を対向させて容量結合させ、他端部が給電端子とされる給電電極と、前記放射電極の開放端部と一端部が対向し他端部が前記グランド電極と接続される装荷電極とを有する誘電体アンテナ。
2. 前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する一側面にかけて設けられ、前記装荷電極の前記一端部が前記表面に隣接し、前記一側面と対向する対向側面に設けられてなる請求項１記載の誘電体アンテナ。
3. 前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する一側面にかけて設けられ、前記給電電極の前記一端部が前記表面と隣接する側面または該表面と対向する前記一面に設けられてなる請求項１または２記載の誘電体アンテナ。
4. 前記放射電極が複数本に分離して設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。
5. 前記放射電極の開放端側に、前記給電電極との対向部を形成する突起部が形成されてなる請求項１ないし４のいずれか１項記載の誘電体アンテナ。

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