JP2006173963A

JP2006173963A - マイクロストリップアンテナ、及びその製造方法

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Publication number: JP2006173963A
Application number: JP2004362307A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsuboi; 宏之坪井; Kengo Iwata; 賢吾岩田
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】アンテナ電極のサイズを大型化させず、アンテナの効率を向上させるようにする。
【解決手段】給電素子本体７の給電線路９との接続部位に、給電素子本体７側と給電線路９の基部側との間を隔てる２個のスリット状の切欠き１３が形成される。切欠き１３は略同一形状、略同一大きさに設定される。給電線路幅の値は、給電線路９のインピーダンスにより決定される。切欠き幅の値は、１０μｍ以上の値に決定される。１０μｍの値は、給電素子１を、誘電体板の表面に形成するためのエッチングにおける最小加工幅である。切欠き１３を外側から画定する、給電素子本体７の２つの細長い部分の幅の値は、１０μｍ以上の値に決定される。給電素子１と無給電素子３との間の空隙の幅、給電素子１と無給電素子５との間の空隙の幅を示すHの値は、１０μｍ以上の値に決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体として矩形平板形状を呈したアンテナ電極を有するマイクロストリップアンテナ、及びその製造方法に関する。

従来、給電素子の前方に、１層の無給電素子を配置する簡単な２層構造によって、これまで３層構造で達成されたと同程度の広帯域機能を得ることの可能な広帯域平面アンテナが提案されている。この広帯域平面アンテナでは、第１層の給電素子及び無給電素子の周波数を目標帯域の両端に設定し、これらの素子の真上に当たる位置に、目標帯域の中心付近の共振周波数を有する無給電素子を配置し、これら複数の周波数の合成により、簡単な２層構造による広帯域化を達成している（例えば特許文献１参照）。
特開平4-157905号公報

ところで、上述した従来の広帯域平面アンテナでは、上記のように広帯域化を図ることは可能であっても、そのままでは該アンテナからの放射パワーを大きくしたり、該アンテナの効率を向上させたりすることができない。

そこで、該アンテナからの放射パワーを大きくしたり、該アンテナの効率を向上させたりしようとすると、該アンテナと該アンテナへの給電周波数との間でインピーダンス整合をとる必要が生じるために、該アンテナを大型化せざるを得なくなる。よって、比較的小型のアンテナで、大きな放射パワーや効率の向上を図りたいとする要求に対応することができないという問題が生じる。

従って本発明の目的は、アンテナ電極のサイズを大型化させること無しに、効率を向上させることが可能なマイクロストリップアンテナを提供することにある。

本発明の第１の観点に従うマイクロストリップアンテナは、全体として矩形平板形状を呈したアンテナ電極を有し、上記アンテナ電極には、給電線路が接続されており、上記アンテナ電極は、励振方向に沿って伸びるように形成された複数の空隙により、複数の細長矩形状の電極に分割されており、上記細長形状の電極の少なくとも一つは、給電電極であり、他の細長形状の電極は、直接給電されない無給電電極であり、上記アンテナ電極のサイズは、もし上記空隙が存在しなかったならば、上記給電周波数に対してインピーダンス整合するようなサイズになっている。

本発明の第１の観点に係る好適な実施形態では、上記給電素子、上記無給電素子、及び上記空隙が夫々有する幅の比が、マイクロストリップアンテナへの供給電力に対するマイクロストリップアンテナからの出力電力の比率である効率の向上が見込める値に設定されている。

上記とは別の実施形態では、上記給電素子の長辺と上記無給電素子の長辺とが、略同一長さに設定されている。

また、上記とは別の実施形態では、上記給電素子の上記給電線路が接続されている短辺には、上記給電線路の長辺に沿って切り込まれた所定幅の２つの矩形状のスリットが形成されている。

また、上記とは別の実施形態では、上記給電線路の幅が、上記給電線路のインピーダンスによって決定される。

また、上記とは別の実施形態では、上記各スリットの幅が、１０μｍ以上である。

また、上記とは別の実施形態では、上記空隙の幅が、１０μｍ以上である。

また、上記とは別の実施形態では、上記各スリットと上記給電素子の各長辺とによって夫々画定される、上記給電素子の細長い矩形状の部位の幅が、１０μｍ以上である。

更に、上記とは別の実施形態では、上記給電線路と、上記給電素子、及び上記無給電素子とが、異なる平面上に配置されている。

本発明の第２の観点に従うマイクロストリップアンテナは、全体として矩形平板形状を呈したアンテナ電極を、アース板に裏打ちされた誘電体材料から成る基板表面に有し、上記アンテナ電極には、給電線路が接続されており、上記アンテナ電極は、励振方向に沿って伸びるように形成された複数の空隙により、複数の細長矩形状の電極に分割されており、上記空隙には、上記アース板に達しない深さを持った溝が形成されており、上記細長形状の電極の少なくとも一つは、給電電極であり、他の細長形状の電極は、直接給電されない無給電電極であり、上記アンテナ電極のサイズは、もし上記空隙が存在しなかったならば、上記給電周波数に対してインピーダンス整合するようなサイズになっており、上記給電素子には、上記アース板、及び上記基板を通じて上記給電素子に達し、且つ、上記アース板には電気的に接触しない貫通孔が形成され、上記貫通孔を通じて上記給電素子に給電されるようにした。

本発明の第２の観点に係る好適な実施形態では、上記溝の幅が、１０μｍ以上である。

本発明の第３の観点に従うマイクロストリップアンテナの製造方法は、全体として矩形平板形状を呈したアンテナ電極を有するマイクロストリップアンテナを製造するためのもので、上記アンテナ電極のサイズを、上記アンテナ電極への給電周波数に対してインピーダンス整合するようなサイズに設定するステップと、上記アンテナ電極に、励振方向に沿って伸びるように複数の空隙を形成して、複数の細長矩形状の電極に分割することにより、上記細長形状の電極の少なくとも一つを、給電電極とし、他の細長形状の電極を、直接給電されない無給電電極とするステップと、上記給電電極とされた上記細長形状の電極に、給電線路を接続するステップと、上記給電電極への供給電力に対する上記給電電極からの出力電力の比率である効率の所期の向上が見込めない場合には、上記給電電極に、その長辺に沿って矩形状のスリットを形成するステップと、を備える。

本発明によれば、アンテナ電極のサイズを大型化させること無しに、効率を向上させることが可能なマイクロストリップアンテナを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロストリップアンテナ（以下、「アンテナ」と略記する）の要部の構成を示す平面図である。

アンテナは、給電素子と複数の無給電素子とが、同一平面上に配置されている類型に属するもので、アンテナは、図１に示すように、給電素子１と２個の無給電素子３、５とを備え、給電素子１を挟んで給電素子１から略同一の幅の空隙を隔てて２個の無給電素子３、５が対称に配置された構成になっている。給電素子１と、２個の無給電素子３、５とは、例えば肉厚の薄い矩形状の金属板（即ち、アース板）（図示しない）に裏打ちされた肉厚の薄い矩形状の誘電体板（図示しない）の表面に、夫々上述した態様で配置され、固定されている。
この誘電体板には、例えば高周波特性が良好なＡＬ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等を主成分とするセラミック材料、フッ素樹脂やポリイミド樹脂を主成分とする樹脂材料から成るものが使用されている。

２個の無給電素子３、５は、細長い矩形状を呈しており、略同一形状、略同一大きさに設定されているものとする。

給電素子１は、全体として細長い略矩形状を呈する給電素子本体７と、給電素子本体７の短辺の略中央部から延在する、給電素子本体７と一体的に形成されている細長い矩形状を呈する給電線路９とから構成されている。給電素子本体７の給電線路９との接続部位には、給電素子本体７側と給電線路９の基部側との間を隔てる２個のスリット状の切欠き（以下、「切欠き」と略記する）１１、１３が夫々形成されている。切欠き１１と切欠き１３とは略同一形状、略同一大きさに設定されているものとする。

アンテナには、発振部（図示しない）より符号Pで示す方向から給電線路９を通じて高周波の電流が給電素子１に供給される。

ここで、給電素子１の幅（即ち、給電素子１の短辺の長さ）Wは、下記の（１）式で表すことができる。

W＝給電線路９の幅＋（切欠き幅×２）＋（α×２）・・・・・・（１）

（１）式において、給電線路幅の値は、発振部（図示しない）から出力される高周波の電流を、アンテナに供給するための給電線路９のインピーダンスにより決定される。切欠き幅の値は、１０μｍ以上の値に決定される。より詳しくは、１０μｍ以上、給電線路９の幅の値と同程度の大きさ以下の範囲内で決定される。更に、切欠き１１、１３を夫々外側から画定する、給電素子本体７の２つの細長い部分の幅を示すαの値は、１０μｍ以上の値に決定される。

次に、給電素子１と無給電素子３との間の空隙の幅、及び給電素子１と無給電素子５との間の距離を示すHの値は、１０μｍ以上の値に決定される。

上述した切欠き幅、α、及びHの値は、５０μｍ〜０.２ｍｍに決定するのが妥当である。

更に、無給電素子３、５の長辺（励振方向の辺）の長さLの値によって、共振周波数が決定される。ここで、共振周波数とは、上述した発振部（図示しない）からアンテナに供給される電力の周波数（給電周波数）と一致するアンテナの固有の周波数のことである。

本実施形態では、給電素子１、及び無給電素子３、５の適宜な箇所に、スルーホール（図示しない）が設けられているものとする。このスルーホールとは、上述した誘電体板を通じてアース板と給電素子１、無給電素子３、５との間を電気的に接続するためのもので、例えば高周波の電流の伝送経路となっている。なお、このスルーホールにON／OFF動作するスイッチング機構を設けて、該スイッチング機構をOFF動作させれば、給電素子１側から無給電素子３、５への高周波の電流の流入を、殆ど阻止することが可能である。

上述した切欠き１１、１３の幅は、可能な限り小さい方が望ましく、また、上記αの値も、可能な限り小さい方が望ましい。

即ち、固有の周波数が上述した給電周波数と一致するアンテナの給電素子１に、切欠き１１、１３を形成することによって、アンテナのゲイン（アンテナから放射される電波の指向性強度）や、アンテナの効率（アンテナに供給された電力と、アンテナからの出力電力との割合）を向上させることが可能になる。また、アンテナから放射される電波の到達距離についても、適度な距離範囲に設定することも可能になる。

本実施形態では、給電素子１に、２つの切欠き３、５を形成しているが、給電素子（１）に形成する切欠きは１つでも良い。

因みに、上記Hの値を０.２ｍｍに決定すると、上記Hの値は、４０分の１波長に対応するものとなる。

上記構成によれば、小型で高性能な（指向性の良好な）マイクロストリップアンテナを安価で提供することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す平面図である。

本実施形態では、給電素子１５と、複数（図２では、４個）の無給電素子１７、１９、２１、２３とを含むアンテナと、給電素子１５を通じてアンテナに発振部（図示しない）からの高周波の電流を供給するための給電線路２５とが、夫々別の平面上（例えば、アース板（図示しない）が裏打ちされている誘電体基板（図示しない）の裏面）に配置されている。符号Pで示した部位は、給電点であり、この給電点には、誘電体基板（図示しない）からアース板（図示しない）に達するスルーホール（図示しない）が形成されている。このスルーホール（図示しない）は、アース板（図示しない）と電気的に非接触状態に保たれており、このスルーホール（図示しない）を通じて例えば誘電体基板（図示しない）の裏面側に設けられる発振部（図示しない）から給電素子１５に対し、高周波の電流が供給される。
本実施形態では、給電素子１５には、図１で示したような切欠き（１１、１３）が形成されていない。給電素子１５を挟んで左右対称に無給電素子１７、１９が、更に、無給電素子１７の外側に無給電素子２１が、無給電素子１９の外側に無給電素子２３が、夫々配置された構成になっている。給電素子１５と無給電素子１７、１９との間の空隙の幅、無給電素子１７と無給電素子２１との間の空隙の幅、及び無給電素子１９と無給電素子２３との間の空隙の幅は、夫々略同一に決定されている。給電素子１と、４個の無給電素子１７、１９、２１、２３とは、例えば肉厚の薄い矩形状のアース板（図示しない）に裏打ちされた肉厚の薄い矩形状の誘電体板（図示しない）の表面に、夫々上述した態様で配置され、固定されている。この誘電体板には、例えば高周波特性が良好なＡＬ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等を主成分とするセラミック材料、フッ素樹脂やポリイミド樹脂を主成分とする樹脂材料から成るものが使用されている。

本実施形態においても、第１の実施形態におけると同様に、小型で高性能な（指向性の良好な）マイクロストリップアンテナを安価で提供することができる。

図３は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す平面図である。

本実施形態では、図１で示した第１の実施形態に係るアンテナと同一構成のアンテナが、複数個（図３では、２個）設けられている。即ち、図３に示すように、２個のアンテナ２５、２７は、相当の距離を隔てて配置されている。アンテナ２５側の給電素子２９と、アンテナ２７側の給電素子３１とは、略コ字状に分岐している給電線路３３と電気的に接続されており、アンテナ２５、２７には、給電線路３３を通じて上述した発振部（図示しない）からの高周波の電流が供給される。

アンテナ２５、２７と、給電線路３３とは、例えば肉厚の薄い矩形状のアース板（図示しない）に裏打ちされた肉厚の薄い矩形状の誘電体板（図示しない）の表面に、夫々上述した態様で配置され、固定されている。この誘電体板には、例えば高周波特性が良好なＡＬ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等を主成分とするセラミック材料、フッ素樹脂やポリイミド樹脂を主成分とする樹脂材料から成るものが使用されている。

本実施形態においても、上述したスルーホール（図示しない）が、給電素子２９、３１、及び無給電素子３５、３７、３９、４１の適宜な箇所に設けられているものとする。

本実施形態においても、第１、第２の実施形態におけると同様に、小型で高性能な（指向性の良好な）マイクロストリップアンテナを安価で提供することができる。

図４は、本発明の第４の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す断面図である。

本実施形態では、肉厚の薄い矩形状のアース板４３に裏打ちされた肉厚の厚い直方体形状の誘電体板（基板）４５の表面に、エッチング法により、給電素子４７、及び複数（２個）の無給電素子４９、５１が形成されている。給電素子４７、及び無給電素子４９、５１は、例えば図１で示した態様で、基板４５の表面に配置、固定されている。基板４５には、例えば高周波特性が良好なＡＬ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等を主成分とするセラミック材料、フッ素樹脂やポリイミド樹脂を主成分とする樹脂材料から成るものが使用されている。

本実施形態においても、第１乃至第３の実施形態におけると同様に、小型で高性能な（指向性の良好な）マイクロストリップアンテナを安価で提供することができる。

図５は、本発明の第４の実施形態の変形例に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す断面図である。

本変形例では、肉厚の薄い矩形状のアース板４３に裏打ちされた肉厚の厚い直方体形状の誘電体板（基板）４５の表面に、レーザ加工や、サンドブラスト加工により給電素子４７をトリミングして無給電素子４９を形成すると共に、給電素子４７と無給電素子４９との間の空隙５１、５３に溝を形成している。溝５１、５３の深さTは、深い程良いがアース板４３にまで達すると、アンテナにおけるインピーダンスの整合がずれる。そのため、溝５１、５３の深さTは、アース板４３に達しない深さに設定する必要がある。

上記溝５１、５３によって、アンテナから放射される電波の周波数調整や、出力調整が可能になる。

本変形例によれば、誘電体板４５に溝５１、５３を形成することにより、誘電体板４５の容積が小さくなるので、アンテナからの出力、及びアンテナの効率（アンテナに供給された電力と、アンテナからの出力電力との割合）を向上させることが可能になる。

本変形例においても、第１乃至第４の実施形態におけると同様に、小型で高性能な（指向性の良好な）マイクロストリップアンテナを安価で提供することができる。

図６は、本発明に係る給電素子の形状の最適化についての実験データを示した図、図７は、本発明に係る給電素子と無給電素子との間の空隙の幅の最適化についての実験データを示した図、図８は、本発明に係る無給電素子の形状の最適化についての実験データを示した図である。

図６において、図６（a）の横軸は給電素子の幅（単位mm）を、縦軸はアンテナからの放射パワー（単位mW）を、夫々示し、また、図６（b）の横軸は給電素子の幅（単位mm）を、縦軸はアンテナにおける効率（単位%）を、夫々示す。

図６（a）から、給電素子の幅が０.５mmのときに、アンテナからの放射パワーが最大（略１.７５mV）になり、また、図６（b）から、給電素子の幅が略０.３mmのときに、アンテナにおける効率が最大（６６%）になることが分かる。

よって、図６（a）、及び図６（b）で示したデータと、アンテナの製造設備の標準的な工程能力とを考慮すると、給電素子の幅を０.３mm、又は０.５mmに決定するのが最も望ましいと思料される。

次に、図７において、図７（a）の横軸は給電素子と無給電素子との間の空隙の幅（単位mm）を、縦軸はアンテナからの放射パワー（単位mW）を、夫々示し、また、図７（b）の横軸は給電素子と無給電素子との間の空隙の幅（単位mm）を、縦軸はアンテナにおける効率（単位%）を、夫々示す。

図７（a）から、給電素子と無給電素子との間の空隙の幅が０.０５mmのときに、アンテナからの放射パワーが最大（略１.５３mV）になり、また、図７（b）から、給電素子と無給電素子との間の空隙の幅が０.２mmのときに、アンテナにおける効率が最大（６８%）になることが分かる。

よって、図７（a）、及び図７（b）で示したデータと、アンテナの製造設備の標準的な工程能力とを考慮すると、給電素子と無給電素子との間の空隙の幅を０.２mm、又は０.１mmに決定するのが最も望ましいと思料される。

次に、図８において、図８（a）の横軸は無給電素子の幅（単位mm）を、縦軸はアンテナからの放射パワー（単位mW）を、夫々示し、また、図８（b）の横軸は無給電素子の幅（単位mm）を、縦軸はアンテナにおける効率（単位%）を、夫々示す。

図８（a）から、無給電素子の幅が０.７５mm、又は１.７５mmのときに、アンテナからの放射パワーが最大（略１.５５mV）になり、また、図８（b）から、無給電素子の幅が０.３５mmのときに、アンテナにおける効率が最大（６５%）になることが分かる。

よって、図８（a）、及び図８（b）で示したデータと、アンテナの製造設備の標準的な工程能力とを考慮すると、無給電素子の幅を０.７５mm、又は１.７５mmに決定するのが最も望ましいと思料される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す平面図。本発明の第２の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す平面図。本発明の第３の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す平面図。本発明の第４の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す断面図。本発明の第４の実施形態の変形例に係るマイクロストリップアンテナの要部の構成を示す断面図。本発明に係る給電素子の形状の最適化についての実験データを示した図。本発明に係る給電素子と無給電素子との間の空隙の幅の最適化についての実験データを示した図。本発明に係る無給電素子の形状の最適化についての実験データを示した図。

符号の説明

１給電素子
３、５無給電素子
７給電素子本体
９給電線路
１１、１３スリット状の切欠き
５１、５３溝

Claims

全体として矩形平板形状を呈したアンテナ電極を有し、
前記アンテナ電極には、給電線路が接続されており、
前記アンテナ電極は、励振方向に沿って伸びるように形成された複数の空隙により、複数の細長矩形状の電極に分割されており、
前記細長形状の電極の少なくとも一つは、給電電極であり、
他の細長形状の電極は、直接給電されない無給電電極であり、
前記アンテナ電極のサイズは、もし前記空隙が存在しなかったならば、前記給電周波数に対してインピーダンス整合するようなサイズになっているマイクロストリップアンテナ。
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記給電素子、前記無給電素子、及び前記空隙が夫々有する幅の比が、マイクロストリップアンテナへの供給電力に対するマイクロストリップアンテナからの出力電力の比率である効率の向上が見込める値に設定されているマイクロストリップアンテナ。
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記給電素子の長辺と前記無給電素子の長辺とが、略同一長さに設定されているマイクロストリップアンテナ。
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記給電素子の前記給電線路が接続されている短辺には、前記給電線路の長辺に沿って切り込まれた所定幅の２つの矩形状のスリットが形成されているマイクロストリップアンテナ。
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記給電線路の幅が、前記給電線路のインピーダンスによって決定されるマイクロストリップアンテナ。
請求項４記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記各スリットの幅が、１０μｍ以上であるマイクロストリップアンテナ。
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記空隙の幅が、１０μｍ以上であるマイクロストリップアンテナ。
請求項４記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記各スリットと前記給電素子の各長辺とによって夫々画定される、前記給電素子の細長い矩形状の部位の幅が、１０μｍ以上であるマイクロストリップアンテナ。
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記給電線路と、前記給電素子、及び前記無給電素子とが、異なる平面上に配置されているマイクロストリップアンテナ。
全体として矩形平板形状を呈したアンテナ電極を、アース板に裏打ちされた誘電体材料から成る基板表面に有し、
前記アンテナ電極には、給電線路が接続されており、
前記アンテナ電極は、励振方向に沿って伸びるように形成された複数の空隙により、複数の細長矩形状の電極に分割されており、
前記空隙には、前記アース板に達しない深さを持った溝が形成されており、
前記細長形状の電極の少なくとも一つは、給電電極であり、
他の細長形状の電極は、直接給電されない無給電電極であり、
前記アンテナ電極のサイズは、もし前記空隙が存在しなかったならば、前記給電周波数に対してインピーダンス整合するようなサイズになっており、
前記給電素子には、前記アース板、及び前記基板を通じて前記給電素子に達し、且つ、前記アース板には電気的に接触しない貫通孔が形成され、
前記貫通孔を通じて前記給電素子に給電されるようにしたマイクロストリップアンテナ。
請求項１０記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記溝の幅が、１０μｍ以上であるマイクロストリップアンテナ。
全体として矩形平板形状を呈したアンテナ電極を有するマイクロストリップアンテナの製造方法において、
前記アンテナ電極のサイズを、前記アンテナ電極への給電周波数に対してインピーダンス整合するようなサイズに設定するステップと、
前記アンテナ電極に、励振方向に沿って伸びるように複数の空隙を形成して、複数の細長矩形状の電極に分割することにより、前記細長形状の電極の少なくとも一つを、給電電極とし、他の細長形状の電極を、直接給電されない無給電電極とするステップと、
前記給電電極とされた前記細長形状の電極に、給電線路を接続するステップと、
前記給電電極への供給電力に対する前記給電電極からの出力電力の比率である効率の所期の向上が見込めない場合には、前記給電電極に、その長辺に沿って矩形状のスリットを形成するステップと、
を備えるマイクロストリップアンテナの製造方法。