JP2005278067A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型で広帯域幅において単一指向性を持つ磁性体マイクロストリップ・パッチ・アンテナを提供する。
【解決手段】 放射導体と地導体を導通する短絡導体板を所望外のモードの励振を抑制する位置に適宜配設、帯域端における放射パターンの乱れを抑制する。また、放射導体板と地導体板との隙間を、磁性体ですべて充填する構成を採らず、磁性体層と空層を交互に挟んだ複層構造とし、比誘電率が１以上の磁性体の適用を可能にする。磁性体層としては単一の磁性体とすることも可能であるが、樹脂などと複合化させ、形状の自由度及び特性を最適化させた構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線信号の送受信に用いられるアンテナ装置に係り、特に、ウルトラ・ワイド・バンド通信のような超広帯域な周波数帯域を利用して送受信を行なう無線通信方式に適用することができる、超広帯域で且つ小型のアンテナ装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、絶縁性物質を介在物として放射導体と導体地板とを対向して配置することにより構成したパッチ・アンテナ構成のアンテナ装置に係り、特に、薄型で広帯域において単一指向性を持つマイクロストリップ・パッチ・アンテナに関する。

近年、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入の検討が行なわれている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システムが規定されている。

最近では、「ウルトラ・ワイド・バンド（ＵＷＢ）通信」と呼ばれる、データを例えば３ＧＨｚから１０ＧＨｚという超広帯域な周波数帯域に拡散して送受信を行なう無線通信を行なう方式が、近距離超高速伝送を実現する無線通信システムとして注目され、その実用化が期待されている。現在、ＩＥＥＥ８０２．１５．３などにおいて、ウルトラ・ワイド・バンド通信のアクセス制御方式が検討されている。

無線ＬＡＮを始めとする無線通信では、アンテナを介した情報伝送が行なわれる。アンテナにはさまざまな形式があるが、広帯域特性を持つアンテナは、ＵＷＢのような超広帯域な周波数帯域に拡散して送受信を行なう通信に利用することができる。また、小型のアンテナは、無線機器の小型軽量化に貢献する。

例えば、薄型アンテナとして、絶縁性物質を介在物として放射導体と導体地板とを対向して配置することにより構成したアンテナ装置すなわちマイクロストリップ・パッチ・アンテナが知られている。放射導体の形状は、特に決まりはないが、大体において矩形若しくは円形が用いられている。放射導体と導体地板との間に介在させる絶縁性物質の厚みは概ね、無線周波数の波長の１／１０以下とされる。このため、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、極めて薄型に構成できる。また、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、両面銅張りの絶縁性物質基板をエッチング加工して製造することができるなど、比較的に簡単に製造することができる。つまり、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、製造が比較的に容易である、又は、回路基板との一体化が容易であるなどの特徴を有している。

図７には、マイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成例とそのインピーダンス整合回路を示している。放射導体板の形状としては、図示のように矩形、若しくは円形が用いられる。絶縁性物体には誘電体が用いられ、その厚みは概ね、無線周波数の波長の１／１０以下とされ、ゆえに薄型である。実際の製造においては、両面銅張りの誘電体基板をエッチング加工して製作されることが多いので、製造が容易であり、又は回路基板との一体化が容易である。

このような構成のマイクロストリップ・パッチ・アンテナによれば、最低次モード（矩形の場合はＴＭ₁₀−ｍｏｄｅ）で励振された場合の放射指向性は、概ねz軸方向の単方向性を示し、数ｄＢｉ程度の指向性利得が得られる。また、励振させるために給電点は中心より若干オフセットした位置に設けられ、このオフセット長を調節することにより、５０オームに整合をとることが可能である。

ここで、マイクロストリップ・パッチ・アンテナ自体は、動作可能帯域が狭いため、動作可能帯域が広帯域である必要のあるＰＡＮシステムなどには不向きであるとされている。設計パラメータにも因るが、ＶＳＷＲ２以下の帯域幅は、概ね数％のオーダーとなる。この欠点のために、適用範囲がかなり限定されてきた。

これに対し、電力を伝送するための給電線により接続され、少なくともその一部が互いに対向するように配設された導体地板と放射導体とを備えた広帯域アンテナ装置において、導体地板と放射導体の対向する部位の間に、使用無線周波数における導電率が概ね０．１以上１０以下となる物質を介在させることにより、広帯域で、しかも十分な利得を得ることができる。これは、導電率が概ね０．１以上１０以下である導電率特性を有する物質を放射導体と導体地板との間に介在させることにより、当該導電率特性を有する物質によって、導体地板と放射導体間における信号の漏れ込みを適度に生じさせることができるからである（例えば、特許文献１を参照のこと）。

また、電力を伝送するための給電線により接続され、極近傍且つ略並行に互いに対向するように配設された導体地板と放射導体板とを備えた薄型広帯域アンテナ装置において、対向する導体地板と放射導体板との間に、使用無線周波数における比透磁率が１より大きく概ね８以下となる磁性体を介在させることにより、広帯域で、しかも十分な利得を得ることができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。

図８には、対向する導体地板と放射導体板との間に介在させる絶縁性物体として、誘電体を用いた場合と磁性体を用いた場合の動作帯域幅の比較例を、ＶＳＷＲ特性のシミュレーション結果により示している。但し、ここでは、アンテナの大きさが同一となるよう、比誘電率あるいは比透磁率を適宜調整して比較している。比誘電率３の誘電体を使用した場合の動作帯域幅６．５％（ＶＳＷＲ ２．５未満）に対し、比透磁率３．６の磁性体を使用した場合の帯域幅は、実に２１．２％に達している。

なお、磁性体を介在物として用いる場合、給電点のオフセット長の調節だけではインピーダンス整合が困難な場合があるが、このようなケースにおいては、例えば図７右に示すようなインピーダンス整合回路を適用して対応する。

特開２００３−３０４１１５号公報

ところが、磁性体を用いてマイクロストリップ・パッチ・アンテナを構成する場合、帯域幅が拡大する副作用として、所望外のモードの影響が無視し難くなる。何故ならば、各々のモードが広帯域で動作するため、重なり易くなるからである。このため、動作帯域内の下端並びに上端の周波数では、直前・直後の所望外のモードを励振する成分が見え始め、これが本来所望する放射パターンの妨げになる場合がある。

また、現存する磁性体の比誘電率は決して１ではなく、１以上のある値を持っている（大抵の場合、比透磁率と同等か、又はそれ以上の値の比誘電率を有する）。すなわち、磁性体であると同時に、誘電体としての性質も併せ持っている訳である。したがって、このような絶縁性物体を介在物として用いた場合、その誘電性によって（透磁性に伴って本来発揮される筈の）帯域幅拡大効果が減殺されてしまう、という問題がある。

現在、工学的に実用に供されている高周波用の酸化物系磁性材料は、概ね数百ＭＨｚまでの動作が限度である。これは、スピネル型フェライトにおける「スネークの限界則」と呼ばれている。この周波数を超える領域では、大抵の場合、その高い透磁性を期待することができない。その一方で、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、マイクロ波帯（すなわちＧＨｚ帯）以上での応用が期待されているというのが実情である。

したがって、実用的に有意な磁性体マイクロストリップ・パッチ・アンテナを実現するためには、マイクロ波帯向け磁性材料を新たに適用する必要がある。その登用に際して、帯域幅拡大効果が減殺されるという上記の問題を鑑み、可能な得る限り低誘電率となる組成を選択しなければならない

本発明は、上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その主な目的は、絶縁性物質として磁性体を介在物に用いて放射導体と導体地板とを対向して配置することにより構成された、マイクロストリップ・パッチ・アンテナ構成の優れたアンテナ装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、薄型で広帯域において単一指向性を持つ優れたマイクロストリップ・パッチ・アンテナを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、放射導体板と地導体板とが対向して配置され、放射導体板の中心よりオフセットした位置にて放射導体板と地導体板との間で給電が行なわれる平面型のアンテナ装置であって、
前記放射導体板と前記地導体板との隙間に介在する比透磁率が１を超える絶縁性物体層と、
所望外の励振を抑制する位置に配設された、前記放射導体板と前記地導体板とを電気的に導通させる短絡導体板と、
を具備することを特徴とするアンテナ装置である。

本発明の第１の側面に係るアンテナ装置では、絶縁性物体として磁性体（比透磁率＞１）を用い、広帯域動作をさせる。さらに、放射導体板と地導体板間を電気的に導通させる短絡導体板を、不要な高次モードの励振を抑制する位置に適宜配設する構成を採る。

例えば、図１に示した例では、ｙ軸（ｘ＝０）に沿って部分的に短絡導体板を配設しており、この点の板間電圧を強制的にゼロとすることで、不要な高次モードを立ち難くしている。一方、所望の最低次モード（ＴＭ₁₀−ｍｏｄｅ）においては、このｙ軸は元々ゼロ電位であるので、その励振を何ら抑制するものとはならない。すなわち、所望のモードの励振はそのままに、不要な高次モードの励振のみを抑制することができる。本発明者らは、広帯域特性を呈する磁性体マイクロストリップ・パッチ・アンテナにおいては、このような処置がとても重要な意味を持ってくると思料する。

また、本発明の第２の側面は、放射導体板と地導体板とが対向して配置され、放射導体板の中心よりオフセットした位置にて放射導体板と地導体板との間で給電が行なわれる平面型のアンテナ装置であって、
前記放射導体板と前記地導体板との隙間に、比誘電率及び比透磁率がともに１を超える絶縁性物体層と空層の複数層からなる介在層を備える、
ことを特徴とするアンテナ装置である。

本発明の第２の側面に係るアンテナ装置では、絶縁性物体として磁性体（比透磁率＞１）を用いるが、放射導体板と地導体板との間の隙間を、絶縁性物体ですべて充填する構成を採らず、空層（比誘電率・比透磁率ともに１）を適宜挟んだ複層構造とする。

これは、絶縁性物体として用いる磁性体といえども誘電性があることから、帯域幅拡大効果が減殺されるということを考慮したものであり、この絶縁性物体層に空層を挿入することで、放射導体板と地導体板との間の介在層全体として持つ比誘電率ε_rを１に近づけるという効果を得ている。ここで、空層は、電束方向に対しては誘電率が不連続となり、なお且つ磁束方向に対しては透磁率が連続となるように構成することが好ましい。このような場合、介在層全体としての透磁率の低減を避けつつ、誘電率の低減を達成することができる。

ここで、前記絶縁性物体層として、六方晶フェライトで構成することができる。六方晶フェライトとして、一般式Ｂａ₂Ｍｅ¹ ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂にて表されるＹ型フェライト化合物、一般式Ｂａ₃Ｍｅ¹ ₂Ｆｅ₂₄Ｏ₄₁にて表されるＺ型フェライト化合物、あるいは一般式ＢａＭｅ² _xＦｅ_(12-x)Ｏ₁₉にて表されるＭ型フェライト化合物からなる酸化物系磁性材料を挙げることができる。（但し、Ｍｅ¹はＮｉ²⁺、Ｚｎ²⁺、Ｍｎ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｃｕ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、及びこれらのうち複数を適宜選択して組成を調整したものであり、Ｍｅ²はＡｌ³⁺、Ｃｒ³⁺、Ｓｃ³⁺、Ｉｎ³⁺及びこれらのうち複数を適宜選択して組成を調整したもの、あるいは（Ｔｉ⁴⁺、Ｓｎ⁴⁺、Ｚｎ⁴⁺）とＭｅ¹を等量混合させたものである。）すなわち、本発明では、高い透磁率を保持しつつ、誘電率を低く抑えるため、基本組成に２価の金属イオンあるいは３価の金属イオンを持つ組成を調整している。これによって、マイクロ波帯用途の磁性体マイクロストリップ・パッチ・アンテナに好適な物性を得ることができる。

また、前記放射導体板と前記地導体板との隙間に配設される絶縁性介在物の誘電率が高過ぎると、磁性体アンテナとしての特徴が損なわれる。そこで、低誘電率化を図ることを目的として、上記の組成を持つ前記酸化物磁性材料を粉末原料とし、樹脂（比誘電率が２乃至３）を混合した複合化材料を前記絶縁性物体層として用いることも可能である。

本発明によれば、絶縁性物質として磁性体を介在物に用いて放射導体と導体地板とを対向して配置することにより構成された、マイクロストリップ・パッチ・アンテナ構成の優れたアンテナ装置を提供することができる。

また、本発明によれば、絶縁性物質として磁性体を介在物に用いた場合における、帯域幅拡大の副作用に関する問題を解決し、薄型で広帯域において単一指向性を持つ優れたマイクロストリップ・パッチ・アンテナを提供することができる。本発明に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナは、例えば超広帯域な周波数帯域を利用して送受信を行なうウルトラ・ワイド・バンド無線通信方式に好適に適用することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

図１には、本発明の一実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成を模式的に示している。

同図に示すように、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、適度な絶縁性を有する物体を介在物として、放射導体と地導体板とが対向して配置された平面型のアンテナである。同図において、放射導体板の中心にｘｙ座標系の原点を設定し、このｘｙ平面に直交する方向にｚ軸を設定する。そして、励振させるために、給電点は、放射導体板の中心すなわちｘｙ原点からｆｐだけオフセットした位置に設けられている。

本実施形態では、絶縁性物体として磁性体（比透磁率＞１）を用い、広帯域動作をさせる。さらに、放射導体板と地導体板間を電気的に導通させる短絡導体板を、不要な高次モードの励振を抑制する位置に適宜配設する構成を採る。

例えば、図示の例では、ｙ軸（ｘ＝０）に沿って部分的に短絡導体板を配設しており、この点の板間電圧を強制的にゼロとすることで、不要な高次モードを立ち難くしている。一方、所望の最低次モード（ＴＭ₁₀−ｍｏｄｅ）においては、このｙ軸は元々ゼロ電位であるので、その励振を何ら抑制するものとはならない。すなわち、所望のモードの励振はそのままに、不要な高次モードの励振のみを抑制することができる。本発明者らは、広帯域特性を呈する磁性体マイクロストリップ・パッチ・アンテナにおいては、このような処置がとても重要な意味を持ってくると思料する。

図２には、本実施形態に係る短絡導体板を持つマイクロストリップ・パッチ・アンテナが持つ特性例を、ｚ軸方向の内部電界分布のシミュレーション結果によって表している。同図では、比較のため、左側が「短絡導体板無し」、右側が「短絡導体板を付加した場合」を示しており、各々上段が３ＧＨｚを動作周波数とし、下段が４ＧＨｚを動作周波数としたときのシミュレーション結果である。但し、図８に示した特性例の場合と同様、概ね３〜４ＧＨｚにおいて最低次モードで動作するパラメータ（ε_r＝１、μ_r＝１０、σ＝０、ｌ＝２０ｍｍ、Ｌ＝５０ｍｍ、ｈ＝４ｍｍ）が選ばれている。各プロットの中央に見える正方形が放射導体板に当たる。

３ＧＨｚでは、短絡導体板がない場合並びに付加した場合のいずれであっても、ｙ軸上で電界強度が極小（板間電圧がほぼゼロ）となっており、なお且つ上下の端部に近づくにつれて電界強度が増すという、既知のＴＭ₁₀−ｍｏｄｅの電界分布が現れていることが示されている。すなわち、ｙ軸上の板間電圧がほぼゼロであるので、短絡導体板の有る無しに拘わらず、規定の分布が保たれている。

一方、４ＧＨｚでは、このＴＭ₁₀−ｍｏｄｅの分布が崩れ始めており、高次のモードの影響が色濃く現れていることが示されている。短絡導体板が無い場合では、強電界域が３つに分かれ、もはやＴＭ₁₀−ｍｏｄｅの面影は薄い。これに対し、短絡導体板が有る場合では、崩れながらも、強電界域が上下の端部に分かれており、ＴＭ₁₀−ｍｏｄｅの姿態がやや保たれていると言える。これは、短絡導体板の設置によって、所望外の高次モードが抑制されているためである。短絡導体板が設置された位置は、所望外の高次モードにとって、本来板間電圧がゼロでは無い。そこを強制的に短絡されているため、励振し難くなっているからであると考えられる。

さらに図３には、マイクロストリップ・パッチ・アンテナが持つ特性例を、放射パターンのシミュレーション結果によって表している。同図では、短絡導体板がない場合と短絡導体板が付加された場合を比較して示し、各々上段が３ＧＨｚを動作周波数とし、下段が４ＧＨｚを動作周波数としたときでのシミュレーション結果である。但し、図８に示した特性例の場合と同様、概ね３〜４ＧＨｚにおいて最低次モードで動作するパラメータ（ε_r＝１、μ_r＝１０、σ＝０、ｌ＝２０ｍｍ、Ｌ＝５０ｍｍ、ｈ＝４ｍｍ）が選ばれている。測定面はφ＝９０度面（ｙ−ｚ面）、すなわち、所望の最低次モード成分がφベクトル成分として現われ、直後の高次モード成分がθベクトル成分として現われる測定面を選択している。

３ＧＨｚでは、短絡導体板の有る無しに拘わらず、最低次モードのφベクトル成分のみが現れており、最低次モード本来のθ＝０度方向（ｚ軸方向）の単一指向性が得られている。図示のシミュレーション結果では、この方向のピーク利得は５．８ｄＢｉとの結果を得ている。

一方の４ＧＨｚでは、最低次モードのφベクトル成分のみならず、高次モードによるθベクトル成分も現出している。短絡導体板が無い場合では、この高次モード成分が大きく現れ、所望外の方向に電力が分散されており、その結果としてφベクトル成分のピーク利得は、３．０ｄＢｉまでに低下している。これに対し、短絡導体板が有る場合では、高次モード成分がかなり抑制されており、所望のφベクトル成分のピーク利得も４．７ｄＢｉと、比較的その低下が小さい。すなわち、短絡導体板を配設した場合には、所望外方向に放射される電力が抑制される分、所望方向の電力が向上している。先に説明した電界分布の差が、このような結果となって現れているものと考えられる。

図４には、本発明の他の実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成を模式的に示している。

同図に示すように、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、適度な絶縁性を有する物体を介在物として、放射導体と地導体板とが対向して配置された平面型のアンテナである。同図において、放射導体板の中心にｘｙ座標系の原点を設定し、このｘｙ平面に直交する方向にｚ軸を設定する。そして、励振させるために、給電点は、放射導体板の中心すなわちｘｙ原点からｆｐだけオフセットした位置に設けられている。

本実施形態では、絶縁性物体として磁性体（比透磁率＞１）を用いるが、放射導体板と地導体板との間の隙間を、絶縁性物体ですべて充填する構成を採らず、空層（比誘電率・比透磁率ともに１）を適宜挟んだ複層構造とする。

これは、絶縁性物体として用いる磁性体といえども誘電性があることから、帯域幅拡大効果が減殺されるということを考慮したものであり、本実施形態ではこの絶縁性物体層に空層を挿入することで、放射導体板と地導体板との間の介在層全体として持つ比誘電率ε_rを１に近づけるという効果を得ている。ここで、空層は、電束方向に対しては誘電率が不連続となり、なお且つ磁束方向に対しては透磁率が連続となるように構成することが好ましい。このような場合、介在層全体としての透磁率の低減を避けつつ、誘電率の低減を達成することができる。

なお、図４に示した例では、絶縁性物体・空層ともに一層のみの構成となっているが、交互に挟み込んで多層構造としても良い。

本実施形態は、１を超える比誘電率を有する磁性体、すなわち透磁性とともに誘電性を併せ持つ絶縁性物体を介在物として適用する際に有効となる。従来のアンテナ構成のままでは、このような絶縁性物体を用いる場合、その誘電性によって（透磁性に伴って本来発揮されるところの）帯域拡大効果が減殺されてしまう。

図５には、従来構成と本実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナの動作帯域幅を従来構成例と比較して示している。同図では、アンテナの動作帯域幅をＶＳＷＲ特性のシミュレーション結果として表している。但し、放射導体板の辺長を２６ｍｍとし、尚且つ動作帯域の下限周波数が３ＧＨｚとなるよう、比誘電率＝比透磁率という拘束の下、これらのパラメータを適宜調整している。

図５の左端には、絶縁性物体（比誘電率及び比透磁率ともに２）で隙間をすべて充填するという従来構成例に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナの動作帯域幅を示している。この場合、図示の通り、動作帯域幅が９．３％（ＶＳＷＲ ２．５未満）となっている。図８に示した純粋な磁性体（比誘電率１、比透磁率３．６）の場合に比べて帯域幅が減少しており、誘電性に因る帯域減少の効果が現われている。

また、図５の中央には、放射導体板と地導体板との間の隙間に絶縁性物体とともに空層を挟んだ本実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナにおける動作帯域幅を示している。但し、空層容積比１／２、絶縁性物体の比誘電率及び比透磁率はともに３．９とする。この場合、図示の通り帯域幅が１１．７％に回復している。これは、空層が電束を横切る方向に存在していることにより、透磁性の減退効果に対して誘電性のそれが上回るためであると考えられる。

また、図５の右端には、放射導体板と地導体板との間の隙間に挟んだ空層の容積比をより増した場合のマイクロストリップ・パッチ・アンテナにおける動作帯域幅を示している。この場合、図示の通りさらに帯域幅が１４．５％と一層の回復を見せている。

上述した本発明の各実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナは、それぞれ独自の作用効果を奏するが、勿論、これらを併用することによって、各々が持つ効果を同時に期待することも可能である。図６には、適度な絶縁性を有する物体を介在物として、放射導体と地導体板とが対向して配置された平面型のアンテナにおいて、放射導体板と地導体板間を電気的に導通させる短絡導体板を不要な高次モードの励振を抑制する位置に配設するという構成（図１を参照のこと）と、放射導体板と地導体板との間の隙間を絶縁性物体層と空層を交互に挟んだ複数層とする構成（図４を参照のこと）とを組み合わせて構成されるマイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成例を示している。

最後に、上述した各実施形態において放射導体板と地導体板との間の隙間に挟む絶縁性介在物について説明する。本実施形態では、動作帯域幅拡大の効果を得るために、絶縁性物体として磁性体を用いる。ここで、前述したように、スピネル型フェライトなどの酸化物系磁性材料においては高周波数帯域では高い透磁性を期待することができないという、「スネークの限界則」の問題がある。そこで、本実施形態では、以下に示す酸化物系の磁性体を適用する。

（１）Ｙ型フェライト
（ａ）Ｚｎ₂Ｙ （Ｂａ₂Ｍｅ¹ ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂）
（ｂ）ＮｉＺｎＹ （Ｂａ₃Ｍｅ¹ ₂Ｆｅ₂₄Ｏ₄₁）
（２）Ｍ型フェライト
（ｃ）ＢａＭ （ＢａＦｅ_9.75Ｓｎ₁Ｍｎ_1.25Ｏ₁₉）

これらのフェライトに関しては、例えばＪ．Ｓｍｉｔ、Ｈ．Ｐ．Ｊ．Ｗｉｊｎ共著“Ｆｅｒｒｉｔｅｓ”（Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｌｉｂｒａｒｙ（１９５９））に基本組成が公開されている。本発明では、絶縁性物体層として、六方晶フェライトで構成し、高い透磁率を保持しつつ、誘電率を低く抑えるため、基本組成に２価の金属イオンあるいは３価の金属イオンを持つ組成を調整している。これによって、マイクロ波帯用途の磁性体マイクロストリップ・パッチ・アンテナに好適な物性が得られる。

上述したように絶縁性介在物の誘電率が高過ぎると、磁性体アンテナとしての特徴が損なわれることが明らかとなっている。そこで、低誘電率化を図ることを目的として、上記組成に樹脂（比誘電率が２乃至３）を混合した複合化材料を用いることも可能である。例えば、上述した酸化物磁性材料を粉末原料とし、公知の樹脂（ＡＢＳ、ＰＣ、ＰＳ、フェノール、エポキシ、ＣＰゴム、アクリルなど）と複合化した樹脂複合体である。このようにすれば、軽量化・脆性破壊の防止、落下強度の向上、アンテナとしての形状自由度の増大、などのメリットも得られる。

ここで、一般的にフェライトの作製方法としては、湿式法と乾式法の２種類がある。以下では、乾式法にて作製を行なう場合について説明する。

原料粉末としては、ＢａＣＯ₃、αＦｅ₂Ｏ₃、Ｃｏ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＮｉＯを用いる。出発原料としてはいずれも純度９９％以上の粉末を用いるが、含有不純物を考慮の上、秤量された。後述する湿式ボールミル中でのポット及びボールからの金属磨耗粉の混入を考慮して、原料のＦｅ₂Ｏ₃を０．１〜１％程度の範囲で適宜調整する。また、高温で焼成時に酸化亜鉛ＺｎＯが揮発することを考慮して、ＺｎＯを０．１〜２％の範囲で適宜調整する。焼結性を向上する目的で、微量のＳｉＯ₂、ＣａＯなどを添加する。所定の組成に秤量した後、湿式遊星型ボールミルにて混合する。このとき、溶媒としては水、アルコール、トリクレンなどが好適に用いられる。ここでは、エチルアルコールを用いることにする。なお、出発原料としては本実施形態では炭酸化物、酸化物の形態が好適に用いられるが、金属アルコキシド、シュウ酸塩、有機金属錯体なども用いられる。

得られた混合スラリーを乾燥後、ペレット状に打錠した。これを１０００〜１４００℃(組成によって最適温度が異なる）にて焼成し、フェライト化合物を得る。このペレットを粗粉砕後、再びボールミルにて湿式微粉砕を行なう。ここで、一度フェライト化した後にまた粉砕するのは、原料中のガス成分、揮発成分が反応し、ペレットから抜ける際の悪影響を緩和するためである。

微粉砕後、再びペレット状に打錠し、最終焼成を行なう。このとき、酸素解離圧を考慮に入れ、不活性ガス中、あるいはＮ₂などの最適ガス中で焼成を行なう。得られたペレットは密度が９９％以上程度であり、ほぼ真密度に近いと言える。このペレットを粉砕し、篩いにかけることで粒度分布の異なった複数の粉末バリエーションを得る。得られた粉末を樹脂と粉末し、３本ロールあるいは既知のシート混練機を用いてシート化を行なう。使用した樹脂は、ＡＢＳ、ＰＣ、ＰＰＳなどである。フェライト粉末充填量は３０〜６０％の範囲で調整を行なう。高充填の場合は透磁率が高くなるという利点がある反面、誘電率も上昇し、本発明で求められるアンテナ特性を発現する特性範囲よりずれてしまうため、焼結体の値をもとに充填量を計算にて算出する。シート厚みは０．１ｍｍ〜４ｍｍ程度まで調整可能であるが、アンテナ設計上１ｍｍ程度が好適である。シート化には圧延ロールを用いることができるが、これ以外にもプレスやドクターブレードなどの方法も用いることができる。

なお、上述したすべての実施形態に共通して言えることであるが、絶縁性物体の導電率は必ずしもゼロである必要は無い。良導体としての特徴がほとんど現われなければ、たとえ導電率がゼロでなくとも、本発明の実現において何ら問題とはならない。なお、本発明の具体的な実施形態として挙げたフェライト、若しくはフェライト複合体の電気抵抗率は、概ね１０３〜１０１４Ωｃｍであり、金属の電気抵抗率（１０−７Ωｃｍ程度）と比較して高い値を示すが、その値は材料により種々変化することも付記しておく。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成を模式的に示した図である。 図２は、本発明に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナが持つ特性例を、ｚ軸方向の内部電界分布のシミュレーション結果によって表した図である。 図３は、本発明に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナが持つ特性例を、放射パターンのシミュレーション結果によって表した図である。 図４は、本発明の他の実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成を模式的に示した図である。 図５は、図４に示した本発明の実施形態に係るマイクロストリップ・パッチ・アンテナの動作帯域幅をＶＳＷＲ特性のシミュレーション結果として示した図である。 図６は、図１に示した短絡導体板を不要な高次モードの励振を抑制する位置に配設する構成と放射導体板と地導体板との間の隙間を絶縁性物体層と空層を交互に挟んだ複数層とする構成を組み合わせて構成されるマイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成例を示した図である。 図７は、マイクロストリップ・パッチ・アンテナの構成例とそのインピーダンス整合回路（従来例）を示した図である。 図８は、対向する導体地板と放射導体板との間に介在させる絶縁性物体として、誘電体を用いた場合と磁性体を用いた場合の動作帯域幅の比較例を、ＶＳＷＲ特性のシミュレーション結果により示した図である。

Claims (7)

1. 放射導体板と地導体板とが対向して配置され、放射導体板の中心よりオフセットした位置にて放射導体板と地導体板との間で給電が行なわれる平面型のアンテナ装置であって、
   前記放射導体板と前記地導体板との隙間に介在する比透磁率が１を超える絶縁性物体層と、
   所望外の励振を抑制する位置に配設された、前記放射導体板と前記地導体板とを電気的に導通させる短絡導体板と、
   を具備することを特徴とするアンテナ装置。
2. 放射導体板と地導体板とが対向して配置され、放射導体板の中心よりオフセットした位置にて放射導体板と地導体板との間で給電が行なわれる平面型のアンテナ装置であって、
   前記放射導体板と前記地導体板との隙間に、比誘電率及び比透磁率がともに１を超える絶縁性物体層と空層の複数層からなる介在層を備える、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記絶縁性物体層は、六方晶フェライトで構成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のアンテナ装置。
4. 前記絶縁性物体層は、一般式Ｂａ₂Ｍｅ¹ ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂にて表されるＹ型フェライト化合物からなる酸化物系磁性材料で構成される（但し、Ｍｅ¹はＮｉ²⁺、Ｚｎ²⁺、Ｍｎ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｃｕ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、及びこれらのうち複数を適宜選択して組成を調整したもの）、
   ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記絶縁性物体層は、一般式Ｂａ₃Ｍｅ¹ ₂Ｆｅ₂₄Ｏ₄₁にて表されるＺ型フェライト化合物からなる酸化物系磁性材料で構成される（但し、Ｍｅ¹はＮｉ²⁺、Ｚｎ²⁺、Ｍｎ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｃｕ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、及びこれらのうち複数を適宜選択して組成を調整したもの）、
   ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
6. 前記絶縁性物体層は、一般式ＢａＭｅ² _xＦｅ_(12-x)Ｏ₁₉にて表されるＭ型フェライト化合物からなる酸化物系磁性材料で構成される（但し、Ｍｅ²はＡｌ³⁺、Ｃｒ³⁺、Ｓｃ³⁺、Ｉｎ³⁺及びこれらのうち複数を適宜選択して組成を調整したもの、あるいは（Ｔｉ⁴⁺、Ｓｎ⁴⁺、Ｚｎ⁴⁺）とＭｅ¹を等量混合させたもの）、
   ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
7. 前記絶縁性物体層は、前記酸化物磁性材料を粉末原料とし、樹脂と複合化した樹脂複合体で構成される、
   ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のアンテナ装置。
   

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