JP2007067596A - 平面アンテナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘電性基板10に接地導体板12及び放射導体板13を設けた平面アンテナAであり、誘電性基板10は第1誘電性基板11と第2誘電性基板21とを積層した積層基板であり、第1誘電性基板11は一方の面に接地導体板12を、反対側の他方の面に放射導体板13を有しており、第2誘電性基板21は第1誘電性基板11の該他方の面に積層されており、該第1、第2の誘電性基板11、21のそれぞれは、複数の誘電体(a1、a2、b)(c1、c2、d)を配列して構成されており、該複数の誘電体群は比誘電率が異なる少なくとも2種類の誘電体からなっている平面アンテナA。
【選択図】 図1
Description
誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナにおいては、少なくとも誘電性基板について、その構造や各部の比誘電率につきアンテナ設計者の自由な設計に委ねることができれば、それだけアンテナ設計の自由度を高くすることができる。また、送受信可能の電波周波数帯域に影響する比誘電率について、誘電性基板の各部の比誘電率につきアンテナ設計者の自由な設計に委ねることができれば、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能になる。
前記第1誘電性基板については、それを構成している複数の誘電体のうち、該第1誘電性基板の中央部を形成している誘電体の比誘電率が、該第1誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の比誘電率より高い場合を例示できる。
前記第2誘電性基板については、それを構成している複数の誘電体のうち、該第2誘電性基板の中央部を形成している誘電体の比誘電率が、該第2誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の比誘電率より低い場合を例示できる。
なお、第1、第2の各誘電体基板において、外側領域に位置する誘電体の比誘電率は各部一定でもよいし、各部で異なっていてもよい。
この場合も、該比誘電率εra及びεrbは、例えばεrb>εra且つ概ねεrb<2.3×εraの関係を満たす場合を例示できる。
この場合も、該比誘電率εrc及びεrdは、例えばεrc>εrd且つ概ねεrc<4×εrdの関係を満たす場合を例示できる。
また、例えば第2の誘電性基板について言えば、中央部を形成する誘電体は空気からなる誘電体でもよい。この場合は、第2誘電性基板の空気からなる誘電体部分(空気雰囲気空間部分)から第1誘電性基板上の放射導体板を外部へ覗かせることが可能になる。
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明に係る平面アンテナの1例Aの斜視図であり、図2は該平面アンテナAの平面図である。平面アンテナAは、誘電性基板10を含んでいる。誘電性基板10は、積層された第1誘電性基板11と第2誘電性基板21からなっている。図3は第1誘電性基板11の斜視図であり、図4は第2誘電性基板21の斜視図である。
なお、誘電体a1、a2の比誘電率は同一である必要はないが、送受信可能の電波周波数の広帯域化のためには、誘電体bの比誘電率εrbを、誘電体a1、a2の比誘電率のいずれよりも大きくするとよい。
なお、誘電体c1、c2の比誘電率は同一である必要はないが、送受信可能の電波周波数の広帯域化のためには、誘電体dの比誘電率εrdを、誘電体c1、c2の比誘電率のいずれよりも小さくするとよい。
図3に示す一層構造のアンテナと、図1及び図2に示す本発明に係るアンテナAのそれぞれにつき、FDTD(Finite Difference Time Domain)法、すなわち、電磁気の基本方程式であるMaxwell 方程式を差分化(Finite Difference)し、時間領域(Time Domain) で解く方法により、アンテナ性能を解析し、評価した。
比帯域〔%〕=(S11が−10dB以下となる帯域幅)
÷(S11が−10dB以下となる帯域の中心周波数)×100
図3に示すアンテナの解析においては、いずれも、
誘電性基板11の寸法をL1×W1×t1=64mm×64mm×3mm
放射導体板13の寸法を32mm×32mm
接地導体板12の寸法を64mm×64m
の一定とした。
誘電体a1、a2の比誘電率をεra=3
誘電体bの比誘電率をεrb=5
の一定とし、誘電体bの幅d1を変化させた。
比帯域については以下のとおりであった。
d1〔mm〕 0 10 20 22 25 30 35 64
比帯域〔%〕 4.33 3.48 8.15 8.96 9.09 5.45 0.00 1.20
誘電体bの幅をd1=22mm、
誘電体a1、a2の比誘電率をεra=3
の一定とし、誘電体bの比誘電率εrbを変化させた。
比帯域については以下のとおりであった。
εrb 2 3 4 4.5 5 6
比帯域〔%〕 4.13 4.33 5.11 7.54 8.96 1.66/3.88
誘電体bの幅をd1=22mm、
誘電体bの比誘電率をεrb=5
の一定とし、誘電体a1、a2の比誘電率εraを変化させた。
比帯域については以下のとおりであった。
εra 2 3 3.5 4 5 6
比帯域〔%〕 3.79/4.24 8.96 6.84 4.26 1.20 0.00.
誘電体a1、a2の比誘電率をいずれもεra=3、誘電体bの比誘電率をεrb=5、誘電体bの幅をd1=22mmとしたときのアンテナ指向性を図8に示す。このアンテナは給電点を中心に配置しているため、2次モードでの共振となる。そのため、θ=0°と180°でnull点となっている。
以上の解析により、異なる比誘電率の誘電体を縞状に配列した誘電体基板を用いると、アンテナの送受信可能の周波数帯域が広がることが分かる。また、εra=3、εrb=5、d1=25mmのとき比帯域は最大の9.09%となる。これは誘電体a1(a2)や誘電体bのみを採用した誘電性基板によるアンテナの場合の2.1倍から8倍程度である。
アンテナAの解析においては、いずれも、
誘電性基板11の寸法をL1×W1×t1=64mm×64mm×3mm
放射導体板13の寸法を32mm×32mm
接地導体板12の寸法を64mm×64mm
の一定とするとともに、第1誘電性基板11の誘電体(a1、a2)、bの比誘電率εra、εrb及び誘電体bの幅d1については、既述の解析で最も帯域の広い
εra=3、εrb=5、d1=25mm の一定とした。
また、第2誘電性基板21の寸法をL2×W2×t2=64mm×64mm×3mm
の一定とした。
誘電体c1、c2の比誘電率をεrc=3
誘電体dの比誘電率をεrd=1
の一定とし、誘電体dの幅d2を変化させた。
比帯域については以下のとおりであった。
d2〔mm〕 0 1 0 20 30 35 50 64
比帯域〔%〕 9.34 9.30 10.04 10.69 10.13 8.96 8.96
誘電体dの幅をd2=30mm、
誘電体c1、c2の比誘電率をεrc=3
の一定とし、誘電体dの比誘電率εrdを変化させた。
比帯域については以下のとおりであった。
εrd 1 2 3 4
比帯域〔%〕 10.7 10.0 9.34 8.22
εrdが大きくなると、高い方の共振周波数が低くなり、帯域が狭くなっている。εrd=1のとき、帯域は最も広くなっている。
誘電体dの幅をd2=30mm、
誘電体dの比誘電率をεrd=1
の一定とし、誘電体c1、c2の比誘電率εrcを変化させた。
なお、空気の誘電率は略1であるから、εrd=1の誘電体dは空気からなる誘電体と見なして差し支えない。
比帯域については以下のとおりであった。
εrc 1 2 3 4
比帯域〔%〕 8.96 9.77 10.69 4.33/3.35
誘電体c1、c2の比誘電率をいずれもεrc=3、誘電体dの比誘電率をεrd=1、誘電体dの幅をd2=30mmとしたときのアンテナ指向性を図12に示す。このアンテナは給電点を中心に配置しているため、2次モードでの共振となる。そのため、θ=0°と180°でnull点となっている。
以上の解析により、εrcを大きくすると低域側の共振周波数が低くなり、εrdを小さくすると高域側の共振周波数が高くなる。従って、第1誘電性基板11からなるアンテナの放射導体板13の上に第2誘電性基板21を積層すると、アンテナの二つの共振周波数を個別に制御することが可能となり、それにより、アンテナの送受信可能周波数帯域をそれだけ広くできることが分かる。
また、第2誘電性基板21については、εrc>εrdが好ましく、さらには、例えば、概ねεrc<4×εrdであることが好ましいと言える。
図3に示す一層構造アンテナと同タイプのアンテナと、図1及び図2に示す本発明に係るアンテナAと同タイプのアンテナのそれぞれにつき、実験によりアンテナ性能を評価した。
図14に示す2層構造のアンテナは、図13に示すアンテナに第2の誘電性基板を積層したごとき構造のものである。図13に示すアンテナの放射導体板13が設けられている面に間隔d2=30mmをおいて誘電体c1、c2を瞬間接着剤で貼り合わせてある。
誘電体c1、c2はいずれも、長手方向寸法Wo=50mm、短手方向寸法L’=20mm、厚さt2=3mmのものであり、比誘電率は両者同一とした。誘電体c1、c2とその間の空気からなる誘電体dとで縞状の第2誘電性基板が形成されている、とみることができる。
アンテナYW−3a:誘電体a1、a2の比誘電率εra=3.4(公称値)
誘電体bの比誘電率εrb=5.1(公称値)
アンテナYW−4a:誘電体a1、a2の比誘電率εra=3.4(公称値)
誘電体bの比誘電率εrb=7.8(公称値)
(εrb<略2.3×εra)
アンテナYW−3aEX:
誘電体a1、a2の比誘電率εra=3.4(公称値)
誘電体bの比誘電率εrb=5.1(公称値)
誘電体c1、c2の比誘電率εrc=3.4(公称値)
誘電体d(空気)の比誘電率εrd=1
アンテナYW−4aについてのS11特性は図16に示すとおり、
アンテナYW−3aEXについてのS11特性は図17に示すとおりであった。
図16には、誘電性基板を比誘電率が3.4の誘電体αのみで形成した比較例アンテナのS11特性、誘電性基板を比誘電率が7.8の誘電体γのみで形成した比較例アンテナのS11特性も併せて示してある。
図17には、アンテナYW−3aについてのS11特性も併せて示してある。
図19に、アンテナYW−4aについて、実験により確認したS11特性とFDTD解析によるS11特性とを併せ示す。
図20に、アンテナYW−3aEXについて、実験により確認したS11特性とFDTD解析によるS11特性とを併せ示す。
図21に、アンテナYW−3aについて、実験により確認したアンテナ指向性とFDTD解析によるアンテナ指向性とを併せて示す。
図22に、アンテナYW−3aEXについて、実験により確認したアンテナ指向性とFDTD解析によるアンテナ指向性とを併せて示す。
これら図から、実験結果とFDTD解析結果とは略同じ傾向を示していることがわかる。
10 誘電性基板
11 第1誘電性基板
12 接地導体板
13 放射導体板
P 給電点
a1、a2、b 誘電体
21 第2誘電性基板
c1、c1、d 誘電体
Claims (5)
- 誘電性基板に接地導体板及び放射導体板を設けた平面アンテナにおいて、該誘電性基板は第1誘電性基板と第2誘電性基板とを積層した積層基板であり、該第1誘電性基板は一方の面に接地導体板を、反対側の他方の面に放射導体板を有しており、該第2誘電性基板は該第1誘電性基板の該他方の面に積層されており、該第1、第2の誘電性基板のそれぞれは、複数の誘電体を配列して構成されており、該複数の誘電体群は比誘電率が異なる少なくとも2種類の誘電体からなっていることを特徴とする平面アンテナ。
- 前記第1誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該第1誘電性基板の中央部を形成している誘電体の比誘電率が、該第1誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の比誘電率より高く、前記第2誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該第2誘電性基板の中央部を形成している誘電体の比誘電率が、該第2誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の比誘電率より低い請求項1記載の平面アンテナ。
- 前記第1誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該第1誘電性基板の中央部を形成している誘電体の比誘電率がεrb、該第1誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の比誘電率がεraであり、εrb>εraの関係にあり、前記第2誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該第2誘電性基板の中央部を形成している誘電体の比誘電率がεrd、該第2誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の比誘電率がεrcであり、εrc>εrdの関係にある請求項2記載の平面アンテナ。
- 前記第1誘電性基板を構成している複数の誘電体が縞状に配列されており、該複数の誘電体のうち中央部の誘電体の比誘電率がεrb、該誘電率εrbの誘電体の両外側に位置する誘電体の比誘電率がεraであり、εrb>εraの関係にあり、前記第2誘電性基板を構成している複数の誘電体が縞状に配列されており、該複数の誘電体のうち中央部の誘電体の比誘電率がεrd、該誘電率εrdの誘電体の両外側に位置する誘電体の比誘電率がεrcであり、εrc>εrdの関係にある請求項1記載の平面アンテナ。
- 前記第1、第2の誘電性基板のそれぞれを構成している複数の誘電体のうち、少なくとも一つは誘電性樹脂から形成されている請求項1から4のいずれかに記載の平面アンテナ。
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