JP2007036618A

JP2007036618A - アンテナ

Info

Publication number: JP2007036618A
Application number: JP2005216410A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Shimoda; 秀昭下田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-02-08
Also published as: US20070024517A1

Abstract

【課題】アンテナの大型化を抑えつつアンテナの動作周波数帯域幅を拡大する。
【解決手段】アンテナ（１０）は、基体（１１）と、この基体（１１）に接するアンテナ素子（１２）とを備えている。基体の比誘電率と基体の比透磁率との積は、アンテナ素子から放射され又はアンテナ素子によって受信される電波の周波数に対して負の傾きで変化する。比誘電率と比透磁率の積の負の傾きの変化は、周波数に応じた波長の変化を打ち消すように作用する。これにより、周波数に応じた波長の変化が鈍くなるので、波長の増加に伴うアンテナの大型化を抑えつつ、アンテナの動作周波数帯域幅を拡大することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電波を放射または受信するアンテナに関する。

基体上にアンテナ素子を設けた構造を有する様々なアンテナが知られている。例えば、下記の特許文献１には、磁性体からなる基体を備えるマイクロストリップアンテナが開示されており、下記の特許文献２には、誘電体からなる基体を備えるマイクロストリップアンテナが開示されている。また、下記の特許文献３および４には、誘電材料または磁性材料からなる基体を備えるアンテナが開示されている。
特開２０００−８２９１４号特開平９−１２１１１４号特開２００４−３６３８５９号特開２００２−３７４１２２号

移動体など、小型の装置に実装されるアンテナに関しては、物理的な寸法の縮小が重要な課題である。小型のアンテナを得るためには、高誘電率または高透磁率の基体上にアンテナ素子を設けることが有効である。しかしながら、その場合、動作周波数帯域幅が狭くなるという問題が生じる。逆に、動作周波数帯域幅を広げるために基体の誘電率または透磁率を低減すると、アンテナが大型化してしまう。

そこで、本発明は、アンテナの大型化を抑えつつアンテナの動作周波数帯域幅を拡大することを課題とする。

本発明に係るアンテナは、基体と、この基体に接する第１のアンテナ素子とを備えている。基体の比誘電率と基体の比透磁率との積は、第１のアンテナ素子から放射され又は第１のアンテナ素子によって受信される電波の周波数に対して負の傾きで変化する。

一般に、アンテナ素子の長さは、そのアンテナ素子が放射または受信する電波の波長の増加に伴って大きくなりがちである。電波の波長は、電波の周波数だけでなく、アンテナ素子に接する基体の比誘電率および比透磁率からも影響を受ける。比誘電率と比透磁率との積の周波数に対する負の傾きの変化は、周波数に応じた波長の変化を打ち消すように作用する。これにより、周波数に応じた波長の変化が鈍くなるので、波長の増加に伴うアンテナの大型化を抑えつつ、アンテナの動作周波数帯域幅を拡大することができる。

比誘電率と比透磁率との積は、全ての周波数に対して負の傾きで変化する必要はなく、ある周波数領域において負の傾きで変化してもよい。この周波数領域の少なくとも一部を含む周波数帯域でこのアンテナを使用すれば、その動作周波数帯域幅を拡大することが可能である。

より好ましくは、基体の比誘電率と基体の比透磁率との積が周波数の自乗に反比例する。この場合、周波数が変化しても波長は一定に保たれるので、アンテナを大型化することなくアンテナの動作周波数帯域幅をいっそう拡大することができる。

本発明の第１の態様では、基体は、上面および下面を有する板であってもよい。第１のアンテナ素子は、基体の上面に設けられた導体膜であってもよい。このアンテナは、基体の下面に接する導体膜からなる第２のアンテナ素子を更に備え、ダイポールアンテナとして動作してもよい。

本発明の第２の態様では、基体は、上面および下面を有する板であってもよい。第１のアンテナ素子は、基体の上面に設けられた導体膜であってもよい。このアンテナは、基体の下面に接する接地導体を更に備え、パッチアンテナとして動作してもよい。

本発明によれば、大型化を抑えつつ動作周波数帯域幅を拡大することの可能なアンテナを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第１実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナを示す概略斜視図である。このアンテナ１０は、プリントダイポールアンテナと呼ばれるものであり、平板状の基体１１と、その基体１１に接する薄膜状の導体１５および２５から構成されている。導体１５中の部分１２、および導体２５中の部分２２は、電波を放射または受信するアンテナ素子である。以下では、アンテナ１０を送信アンテナとして説明し、これらのアンテナ素子１２、２２を放射素子と呼ぶことにする。ただし、当然のことながら、アンテナ１０は電波を受信する能力も有しており、したがって、アンテナ素子１２、２２は受信素子でもある。

基体１１は、互いに平行で平坦な上面１１ａおよび下面１１ｂを有している。導体１５は、上面１１ａ上に設けられており、第１の放射素子１２および第１の給電線１４を含んでいる。放射素子１２および給電線１４は共に帯状である。放射素子１２は、開放された先端１２ａと、給電線１４に接続された基端１２ｂとを有している。給電線１４は、放射素子１２に対してほぼ垂直に延びている。

一方、導体２５は、基体１１の下面１１ｂ上に設けられており、第２の放射素子２２、第２の給電線２４、および接地電極２６を含んでいる。放射素子２２および給電線２４は共に帯状である。放射素子２２は、開放された先端２２ａと、給電線２４に接続された基端２２ｂとを有している。給電線２４は、放射素子２２に対してほぼ垂直に延びている。

第１の放射素子１２と第２の放射素子２２とは、互いに反対の方向に沿って同軸に延在しており、一つのダイポールアンテナ素子を構成している。放射素子１２および２２の長さの合計、すなわち放射素子１２の先端１２ａから放射素子２２の先端２２ａまでの距離は、約２分の１波長に等しい。

第１および第２の給電線１４、２４は、それらの間に基体１１を挟んで上下に重なり合うように配置されている。接地電極２６は、給電線２４のうち放射素子２２の反対側に位置する端部２４ａに接続されており、十分に広い面積を有している。第１の給電線１４のうち接地電極２６と対向する部分１４ａは、接地電極２６と共に一つのマイクロストリップ線路２８を構成している。

上述のように、放射素子１２、２２は、電波を放射することに加えて電波を受信するために使用することも可能である。マイクロストリップ線路２８および給電線１４、２４を介して放射素子１２、２２に電力が供給されると、その電力がそれらの放射素子から電波として放射される。逆に、放射素子１２、２２が到来電波を受信すると、その電波は電力に変換され、給電線１４、２４およびマイクロストリップ線路２８を介して出力される。

本実施形態では、基体１１の材料として、図２に示されるような特性を有する六方晶系フェライトを使用する。ここで、図２は、この六方晶系フェライトの透磁率および誘電率の周波数特性を示している。六方晶系フェライトは、酸化鉄を主成分とする磁性体であるが、誘電体としての性質も有している。図２（ａ）において、μ’、μ”は、透磁率μの複素数表示における実数成分、虚数成分をそれぞれ表している。ここで、透磁率μは、μ＝μ’−ｊμ”と表される。透磁率μの大きさは、（μ’^２＋μ”^２）^１／２に等しい。また、図２（ｂ）において、ε’、ε”は、誘電率εの複素数表示おける実数成分、虚数成分をそれぞれ表している。ここで、誘電率εは、ε＝ε’＋ｊε”と表される。誘電率εの大きさは、（ε’^２＋ε”^２）^１／２に等しい。

図２（ａ）に示されるように、低い周波数の電磁波に対して、μ’は、ほぼ一定である。しかし、周波数が十分に高くなると、μ’は周波数の増加に伴って低下、すなわち、周波数に対して負の傾き（微分係数）で変化する。μ”も、低い周波数のもとでは０であるが、高い周波数のもとでは、周波数に対して負の傾きで変化する。この結果、十分に高い周波数領域では、透磁率μが周波数に対して負の傾きで変化する。一方、ε’およびε”は、周波数に関係なく、ほぼ一定である。したがって、高い周波数領域では、基体１１の透磁率と誘電率との積が周波数に対して負の傾きで変化する。

上述した特許文献１の第１３段落に記載されるように、従来は、高周波数における透磁率の低下が抑制された材料をアンテナの基体に使用することが望ましいと考えられていた。しかし、本発明者は、周波数に対して透磁率または誘電率が負の傾きで下降する特性を利用することで、アンテナの動作周波数帯域幅を拡大できることを見出した。以下では、この点について詳細に説明する。

一般に、アンテナ素子の長さは、そのアンテナ素子が放射または受信する電波の波長の増加に伴って大きくなりがちである。したがって、波長が小さいほどアンテナ素子を短くでき、それに応じてアンテナを小型化することができる。アンテナ素子が放射または受信する電波の波長は、電波の周波数だけでなく、アンテナ素子に接する基体の誘電率および透磁率からも影響を受ける。具体的には、電波の波長は次の式で表される。

ここで、λは電波の波長、ｃは基体１１中の光速、ｆは電波の周波数、ｃ_０は真空中の光速、εｒは基体１１の比誘電率、μｒは基体１１の比透磁率である。比誘電率は、真空の誘電率に対する基体１１の誘電率の比であり、比透磁率は、真空の透磁率に対する基体１１の透磁率の比である。

上述のように、基体１１の誘電率と透磁率との積および比誘電率と比透磁率との積は、高周波領域において周波数ｆに対して負の傾きで変化する。周波数ｆの増加に伴ってεｒ×μｒが減少するので、（１）式から理解されるように、周波数ｆに応じた波長λの変化が抑制される。このように、比誘電率と比透磁率の積の負の傾きの変化は、周波数に応じた波長の変化を打ち消すように作用する。これにより、周波数に応じた波長の変化が鈍くなるので、アンテナ１０が動作可能な（すなわち、アンテナ１０を使用可能な）周波数帯域幅を拡大することができ、また、アンテナ１０の大型化を抑えることができる。

基体１１の比誘電率と比透磁率との積は、周波数の自乗に反比例することが好ましい。この場合、（１）式から明らかなように、周波数が変化しても波長は一定に保たれる。これは、周波数が変化してもアンテナの良好な動作状態が保たれることを意味する。したがって、アンテナの動作周波数帯域をいっそう拡大することができる。

（１）式から分かるように、基体１１の比誘電率と比透磁率との積が大きいと波長が短くなるので、それに応じて放射素子１２、２２を短くし、アンテナ１０を小型にすることができる。アンテナ１０をポータブル装置に実装できる程度に小型化するためには、基体１１の比誘電率と比透磁率の積は、アンテナ１０の動作周波数帯域において９以上であることが好ましく、２５以上であると更に好ましい。図２に示される特性を有する六方晶系フェライトはこの条件を満たしている。
第２実施形態
図３は、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示しており、図３（ａ）は、このアンテナ装置の斜視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。アンテナ装置４０は、パッチアンテナ３０と、そのパッチアンテナ３０を搭載する基板３７を有している。基板３７の一方の主面（上面）は接地電極３６で覆われており、パッチアンテナ３０はその接地電極３６上に載置されている。

パッチアンテナ３０は、平板状の基体３１と、その基体３１の上面に接する薄膜状の導体３２と、基体３１を貫通する給電導体３３と、基体３１の下面に接する薄膜状の接地導体３４から構成されている。導体３２は、電波を放射または受信するアンテナ素子である。以下では、パッチアンテナ３０を送信アンテナとして説明し、このアンテナ素子３２を放射素子と呼ぶことにする。ただし、当然のことながら、パッチアンテナ３０は電波を受信する能力も有しており、したがって、アンテナ素子３２は受信素子でもある。

基体３１は、互いに平行で平坦な上面３１ａおよび下面３１ｂを有している。上面３１ａおよび下面３１ｂには、それぞれ放射素子３２および接地導体３４が設けられている。放射素子３２は、方形の平面形状を有している。接地導体３４は接地電極３６に接しており、したがってグランド電位を有している。

給電導体３３は、放射素子３２からほぼ垂直に延在し、基体３１、接地導体３４、接地電極３６および基板３７を貫通している。給電導体３３の一端は放射素子３２に接続されており、他端は基板３７の下面から突出している。この他端は、交流電圧を発生する給電部４８に接続されている。給電部４８から給電導体３３を介して放射素子３２と接地導体３４の間に高周波電圧が印加されると、放射素子３２から電波が放射される。

基体３１は、基体１１と同様に、図２に示される特性を有する六方晶系フェライトから構成されており、したがって、基体３１の比誘電率と比透磁率との積は、周波数に対して負の傾きで変化する。この変化は周波数に応じた波長の変化を打ち消すように作用するので、アンテナ３０が動作可能な周波数帯域幅を拡大すると共に、アンテナ３０の大型化を抑えることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本発明に係るアンテナは、実施形態のプリントダイポールアンテナやパッチアンテナに限られるものではなく、基体と、基体に接する導体を備える他の任意のアンテナであってもよい。実施形態では、基体の表面上にアンテナ素子が設けられているが、この代わりに、アンテナ素子が基体の内部に設けられていてもよい。

第１実施形態のアンテナを示す概略斜視図である。基体の透磁率および誘電率の周波数特性の例を示す図である。第２実施形態のアンテナを概略的に示す図である。

符号の説明

１０…プリントダイポールアンテナ、１１…基体、１２、２２…放射素子、１４、２４…給電線、１５、２５…導体、２６…接地電極、２８…マイクロストリップ線路、３０…パッチアンテナ、３１…基体、３２…放射素子、３３…給電導体、３４…接地導体、３６…接地電極、３７…基板、４０…アンテナ装置。

Claims

基体と、前記基体に接する第１のアンテナ素子とを備えるアンテナにおいて、
前記基体の比誘電率と前記基体の比透磁率との積が、前記第１のアンテナ素子から放射され又は前記第１のアンテナ素子によって受信される電波の周波数に対して負の傾きで変化することを特徴とするアンテナ。
前記基体の比誘電率と前記基体の比透磁率との積が前記周波数の自乗に反比例している、請求項１に記載のアンテナ。
前記基体は、上面および下面を有する板であり、
前記第１のアンテナ素子は、前記上面に設けられた導体膜であり、
前記下面に接する導体膜からなる第２のアンテナ素子を更に備え、ダイポールアンテナとして動作する請求項１または２に記載のアンテナ。
前記基体は、上面および下面を有する板であり、
前記第１のアンテナ素子は、前記上面に設けられた導体膜であり、
前記下面に接する接地導体を更に備え、パッチアンテナとして動作する請求項１または２に記載のアンテナ。