JP2007067596A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】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であって、従来の同種の平面アンテナと比べると、設計の自由度が高く、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である平面アンテナを提供する。
【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

本発明は、移動体通信用の送受信用小型アンテナ等として利用できる平面アンテナ、特に、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関する。

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は、一般的には、誘電性基板の一方の面に接地導体板が、反対側の他方の面に放射導体板が設けられたものである。かかる平面アンテナは、ＧＰＳナビゲーションシステムや無線ＬＡＮ等においてパッチ状アンテナ或いは平面状アンテナとして今日広く採用されており、今後とも広く用いられると考えられる。

かかる平面アンテナにおける誘電性基板は、要求されるアンテナ特性に応じて基板材料、基板厚み等が適宜選択されて形成されるのであるが、従来、一般的には、誘電性基板として、セラミックスの単純焼結体、プレプリグ等を適宜積層してなる積層板が採用されてきた。また、一方では平面アンテナ用基板材料についてさらなる研究が進められ、例えば特許第２８７３５４１号公報は、高周波帯域電波にも対応できる基板材料として有用な高誘電率及び低誘電正接を有する樹脂組成物を開示している。

特許第２８７３５４１号公報

しかしながら、いずれにしてもこれまでの平面アンテナにおける誘電性基板は、積層構造のものであれ、単層構造のものであれ、アンテナ特性を決定する比誘電率等が各部一定であり、従って、アンテナ設計者は、その一定の比誘電率等を前提としてアンテナ設計を行わなければならず、その結果、アンテナ設計の自由度が小さくなり、また、アンテナ特性、特に、送受信可能の電波周波数帯域が、その一定の比誘電率に支配される狭い範囲のものに限定されていた。

かかる誘電性基板は、近年の移動体通信の発展に伴って要求される高度化、複雑化したアンテナ特性等に対応できない。特に、送受信可能な電波周波数の広帯域化の要求に応じ難い。

そこで本発明は、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であって、従来の同種の平面アンテナと比べると、設計の自由度が高く、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である平面アンテナを提供することを課題とする。

本発明者は前記課題を解決すべく鋭意研究を重ね、次のことに着目するに至った。
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。

本発明者は、さらに研究を重ね、このことの実現には、誘電性基板として、比誘電率が異なる少なくとも２種類の誘電体を含む複数の誘電体を配列して構成されるものを採用すればよいこと、かかる誘電性基板を積層して用いれば、一層、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能になることを見いだした。

かかる着目、知見に基づき本発明は、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平面アンテナを提供する。

本発明に係るこの平面アンテナによると、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、第１、第２の各誘電性基板は、誘電率が異なる少なくとも２種類の誘電体を含む複数の誘電体を配列して構成されるものであるため、それだけアンテナ設計の自由度が高く、また、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である。

特に、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、その誘電体基板構造により、誘電率が異なる少なくとも２種類の誘電体を含む複数の誘電体を配列して構成された一層構造の誘電体基板に接地導体及び放射導体を設けただけの場合より、送受信可能の電波周波数の、一層の広帯域化が可能である。

第１、第２の誘電性基板のそれぞれについて、その基板を構成する複数の誘電体の配列は、基板を構成するうえで代表的には平面的な配列となるが、かかる平面的配列状態としては、複数の誘電体の縞（ストライプ）状配列、複数の誘電体の同心リング状配列など、求められるアンテナ特性に応じて適宜選択採用できる。

第１、第２のいずれの誘電性基板についても、該誘電性基板を構成する複数の誘電体のそれぞれについては、積層構造のものでもよいし、単層構造のものでもよい。従って、第１、第２の各誘電性基板としては、それぞれが積層構造を示す複数の誘電体を配列してなるもの、それぞれが単層構造を示す複数の誘電体を配列してなるもの、少なくとも一つの誘電体は積層構造のものであり、他の誘電体は単層構造のものである複数の誘電体を配列してなるものを例示できる。

比誘電率の点について言えば、送受信可能な電波周波数の広帯域化のうえで、
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。

第１誘電性基板について、外側領域に位置する誘電体の比誘電率が各部一定である例として、該第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の関係を満たす場合を挙げることができる。この場合、広域化をより達成する条件として、該比誘電率εｒａ及びεｒｂは、εｒｂ＞εｒａ且つ概ねεｒｂ＜２．３×εｒａの関係にある場合を例示できる。

同様に第２誘電性基板についても、外側領域に位置する誘電体の比誘電率が各部一定である例として、該第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の関係を満たす場合を挙げることができる。この場合、広帯域化をより達成する条件として、該比誘電率εｒｃ及びεｒｄは、εｒｃ＞εｒｄ且つ概ねεｒｃ＜４×εｒｄの関係にある場合を例示できる。

第１誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該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のより具体的な例として、誘電性基板を構成している複数の誘電体が縞状（ストライプ状）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、該比誘電率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の関係にある場合を挙げることができる。
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。

第２誘電性基板については、第２誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該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のより具体的な例として、誘電性基板を構成している複数の誘電体が縞状（ストライプ状）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、該比誘電率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の関係にある場合を挙げることができる。
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。

第１誘電性基板の前記他方の面に設ける前記の放射導体板は、アンテナ設計条件を満たす限りは該基板面のうちいずれの部位に設けてもよいが、代表例として、該基板面の中央部に設ける場合を挙げることができる。

さらに言えば、第１誘電性基板を構成する複数の誘電体を前記のように縞状に配列する場合であれ、或いは、同心リング状配列等の他の配列状態で配列する場合であれ、第１誘電性基板の中央部を形成す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において、前記放射導体板を基板面の中央部に設ける場合を例示できる。

第１、第２のいずれの誘電性基板についても、該誘電性基板を構成している複数の誘電体のそれぞれの材質については、所望の誘電率等が得られるのであれば特に制限はなく、例えば、複数の誘電体のうち少なくとも一つを誘電性樹脂から形成する場合を挙げることができる。
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。

また、第１、第２のいずれの誘電性基板についても、それが、例えば、複数の誘電体が縞状に配列されてなる誘電性基板である場合、各誘電体材料として誘電性樹脂を採用すれば、これらを押し出し成形による２色成形法と同様の手法で押し出し成形して容易に該誘電性基板を得ることができる。

以上説明したように本発明によると、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であって、従来の同種の平面アンテナと比べると、設計の自由度が高く、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である平面アンテナを提供することができる。

＜本発明の実施形態＞
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。

第１誘電性基板１１の下面には接地導体板１２が設けられており、上面に放射導体板１３が設けられている。第１誘電性基板１１は、直方体形状を呈しており、平面から見ると四角形を呈するＸＹ平面のＸ軸方向の長さはＬ１、Ｙ軸方向の長さはＷ１、Ｚ軸方向の長さ（厚み）はｔ１である。

接地導体板１２は、図１〜図３の例では、基板１の下面に全面的に設けられており、放射導体板１３は基板１の上面の中央部に設けられている。放射導体板１３は平面から見ると四角形を呈しており、該四角形を呈するＸＹ平面のＸ軸方向の長さはＬｏ、Ｙ軸方向の長さはＷｏである。点Ｐは放射導体板１３の中央における給電点である。

第１誘電性基板１１は、本例では縞状に配列され、一体化されている中央部の誘電体ｂとその両外側の誘電体ａ１、ａ２からなっている。この誘電性基板１１は、例えば、誘電体ａ１、ａ２、ｂのそれぞれの材料として誘電性樹脂を採用し、これら樹脂を押し出し成形による２色成形法と同様の手法で押し出し成形して得ることができる。

基板１１の中央部の誘電体ｂはＹ軸方向の幅がｄ１であり、誘電体ａ１、ａ２のそれぞれのＹ軸方向の幅はここでは同一である。各誘電体のＸ軸方向の長さはＬ１であり、Ｚ軸方向の長さ（厚み）はｔ１である。

誘電体ａ１、ａ２の比誘電率は、本例ではいずれもεｒａであり、誘電体ｂの比誘電率はεｒｂである。εｒｂ＞εｒａ且つ概ねεｒｂ＜２．３×εｒａの関係にある。
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。

接地導体板１２や放射導体板１３は、それを基板１１に接着剤で貼着したり、基板１１に対し各種薄膜形成技術を利用して導体板を形成する等により基板に設けることができる。

第２誘電性基板２１も、直方体形状を呈しており、平面から見ると四角形を呈するＸＹ平面のＸ軸方向の長さはＬ２、Ｙ軸方向の長さはＷ２、Ｚ軸方向の長さ（厚み）はｔ２である。図１〜図４に示す例では、第２誘電性基板１２は第１誘電性基板１１と全体的には同一寸法のものである。すなわち、Ｌ１＝Ｌ２、Ｗ１＝Ｗ２、ｔ１＝ｔ２である。

第２誘電性基板２１は、本例では、第１誘電性基板１１における誘電体ａ１、ａ２、ｂの長手方向に対し直角をなす方向に縞状に配列され、一体化されている中央部の誘電体ｄとその両外側の誘電体ｃ１、ｃ２からなっている。この誘電性基板２１も、例えば、誘電体ｃ１、ｃ２、ｄのそれぞれの材料として誘電性樹脂を採用し、これら樹脂を押し出し成形による２色成形法と同様の手法で押し出し成形して得ることができる。

基板２１の中央部の誘電体ｄはＸ軸方向の幅がｄ２であり、誘電体ｃ１、ｃ２のそれぞれのＸ軸方向の幅はここでは同一である。各誘電体のＹ軸方向の長さはＷ２である。

誘電体ｃ１、ｃ２の比誘電率はいずれもεｒｃであり、誘電体ｄの比誘電率はεｒｄである。εｒｃ＞εｒｄ且つ概ねεｒｃ＜４×εｒｄの関係にある。
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。

誘電体ｄについては後ほど説明する、図１４に示すアンテナにおけるように、空気であってもよい。換言すれば、誘電体ｃ１、ｃ２を距離ｄ２離して配置し、誘電体ｃ１、ｃ２の間の空気が存在する空間を誘電体ｄとしてもよい。

平面アンテナＡによると、誘電性基板１０を構成する第１誘電性基板１１、第２誘電性基板２１は、いずれも、送受信可能な電波周波数帯域に影響する比誘電率が異なる２種類の誘電体を含む複数の誘電体（基板１１ではａ１、ａ２とｂ、基板２１ではｃ１、ｃ２とｄ）を縞状に配列して構成されたものであるため、それだけアンテナ設計の自由度が高く、また、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である。

特に、平面アンテナＡによると、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、平面アンテナとして接地導体板１２及び放射導体板１３を設けた第１誘電性基板１１（図３の構造体からなるアンテナ）だけを採用する場合と比べると、送受信可能の電波周波数の、一層の広帯域化が可能である。

＜アンテナ性能のＦＤＴＤ解析による評価＞
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。

ＦＤＴＤ法による解析においては、セルサイズを０．５ｍｍ、タイムステップを０．９６３ｐｓ（０．９６３×１０^-12 秒）、タイムステップ数を６０００とし、吸収境界条件はＬｉａｏを採用した。

アンテナ性能の評価には、平面アンテナの反射係数Ｓ１１特性と比帯域を用いた。比帯域は以下のとおりである。
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

（１）図３に示すアンテナについて
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。

(1-1) 誘電体ｂの幅ｄ１を変化させた場合
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。

Ｓ１１特性は図５に示すとおりであった。なお、図５においては、ｄ１は単にｄと示してある。
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

ｄ１＝２０ｍｍから二つ目の共振周波数があらわれ、帯域が広くなっている。ｄ１＝２５ｍｍで比帯域が最も高く、それは、ｄ１＝０、すなわち、基板１１が誘電体ａ１、ａ２のみからなり、誘電体ｂが無い場合の２．１倍、ｄ１＝６４ｍｍ、すなわち、基板１１が誘電体ｂのみからなる場合の８倍程度となり、異なる比誘電率を有する誘電体を縞状に配列した場合の方が、送受信可能の周波数帯域が広くなることが分かる。

(1-2) 誘電体ｂの比誘電率εｒｂを変化させた場合
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。

Ｓ１１特性は図６に示すとおりであった。
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

εｒｂが５までは、εｒｂが大きくなるほど、送受信可能の周波数帯域が広くなっている。しかし、εｒｂが６になると、帯域が二つに分かれ、広帯域ではなく２周波共用アンテナとなっている。この例では、εｒｂ＜２×εｒａであることが好ましいことが分かる。

(1-3) 誘電体ａ１、ａ２の比誘電率（いずれも同じεｒａ）を変化させた場合
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。

Ｓ１１特性は図７に示すとおりであった。なお、図７ではεｒａが３．５の場合のＳ１１特性曲線の図示を省略している。
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.

εｒａが小さくなるにつれアンテナの送受信可能の周波数帯域が広くなっている。しかし、εｒａが小さくなりすぎると（例えばεｒａ＝２）、帯域が二つに分かれ、広帯域ではなく２周波共用アンテナとなっている。

(1-4) 指向性について
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。

(1-5) 全体評価
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。

また、εｒａ＜εｒｂのとき帯域は広くなり、これら二つの比誘電率の差が大きくなるにつれ、比帯域が増加する。しかし、その差が大きくなりすぎると帯域が二つに分かれ、広帯域アンテナではなく、２周波共用アンテナとなる。従って、例えば、概ねεｒｂ＜２×εｒａ程度であることが好ましい。

（２）図１、図２に示すアンテナＡについて
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。

(2-1) 第２誘電性基板２１の誘電体ｄの幅ｄ２を変化させた場合
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。

Ｓ１１特性は図９に示すとおりであった。なお、図９においては、ｄ２は単にｄと示してある。また、ｄ２＝１０ｍｍ、３５ｍｍについては図示を省略している。
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

ｄ２が大きくなるにつれ比帯域は高くなり、ｄ２＝３０ｍｍで比帯域は最大となる。しかし、ｄ２が放射導体板１３の幅３２ｍｍより大きくなってくると、比帯域は減少し、放射導体板１３の上部に誘電体がない場合に近づいていく。

(2-2) 誘電体ｄの比誘電率εｒｄを変化させた場合
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。

Ｓ１１特性は図１０に示すとおりであった。
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。

(2-3) 誘電体ｃ１、ｃ２の比誘電率（いずれも同じεｒｃ）を変化させた場合
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。

Ｓ１１特性は図１１に示すとおりであった。
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

εｒｃが大きくなるにつれ、低域側の共振周波数が低くなり、アンテナの帯域は広くなっていく。しかし、低域側の共振周波数が低くなりすぎると、帯域が二つに分かれ、２周波共用アンテナとなる。また、この例では、比帯域から、概ねεｒｃ＜４×εｒｄが好ましいと言える。

(2-4) 指向性について
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。

(2-5) 全体評価
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。

＜アンテナ性能の実験による評価＞
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。

実験においては、図３に示す一層構造アンテナと同タイプのアンテナとして図１３に示す構造のアンテナを採用した。このアンテナは、誘電性基板（第１誘電性基板）の全体寸法（Ｌ１×Ｗ１×ｔ１）が５０ｍｍ×６６ｍｍ×３ｍｍである。中央部の誘電体ｂの幅ｄ１は２２ｍｍである。両側の誘電体ａ１、ａ２の幅もそれぞれ２２ｍｍである。誘電体ａ１、ａ２の比誘電率は同じとした。

接地導体板１２は６４ｍｍ×６４ｍｍ×（厚さ０．５ｍｍ）の真鍮板からなっている。 放射導体板１３は、３２ｍｍ×３２ｍｍ×（厚さ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）の銅テープからなっている。誘電体ａ１、ｂ、ａ１は瞬間接着剤により縞状に貼り合わせ、接地導体板１２は瞬間接着剤により誘電体ａ１、ｂ、ａ１からなる誘電性基板に貼り付けた。放射導体板１３は銅テープの粘着剤にて貼り合わせた。

また、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として、図１４に示す構造のアンテナを準備した。
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。

図１３に示すアンテナとして次の２種類のアンテナＹＷ−３ａと、ＹＷ−４ａとを作製し、図１４に示すアンテナとして次のアンテナＹＷ−３ａＥＸを作製した。

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−３ａについてのＳ１１特性は図１５に示すとおり、
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１５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５．１の誘電体β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。

比帯域は、アンテナＹＷ−３ａについては６．３５％、アンテナＹＷ−４ａについては８．３９％と良好であり、本発明に係る２層構造のアンテナＹＷ−３ａＥＸでは１０．６％とであり、ＹＷ−３ａと比べると１．７倍であり、本発明に係る２層構造のアンテナでは、送受信可能の周波数帯域が一層、広域化することが確認できた。

図１８に、アンテナＹＷ−３ａ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。

本発明は、移動体通信用の送受信用小型アンテナ等として利用する平面アンテナを提供することに利用できる。

本発明に係る平面アンテナの１例の斜視図である。 図１に示す平面アンテナの平面図である。 図１に示すアンテナの第１誘電性基板部分の斜視図である。 図１に示すアンテナの第２誘電性基板部分の斜視図である。 図３に示すアンテナについて、縞状配列誘電体のうち中央部誘電体幅を変化させた場合の、ＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図３に示すアンテナについて、縞状配列誘電体のうち中央部誘電体の比誘電率を変化させた場合の、ＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図３に示すアンテナについて、縞状配列誘電体のうち中央部誘電体の両側に位置する誘電体の比誘電率を変化させた場合の、ＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図３に示す平面アンテナの、ＦＤＴＤ解析による指向性を示す図である。 図１に示すアンテナについて、第２誘電性基板の縞状配列誘電体のうち中央部誘電体幅を変化させた場合の、ＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図１に示すアンテナについて、第２誘電性基板の縞状配列誘電体のうち中央部誘電体の比誘電率を変化させた場合の、ＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図１に示すアンテナについて、第２誘電性基板の縞状配列誘電体のうち中央部誘電体の両側に位置する誘電体の比誘電率を変化させた場合の、ＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図１に示す平面アンテナの、ＦＤＴＤ解析による指向性を示す図である。 実験に用いた一層構造平面アンテナの構造を示す斜視図である。 実験に用いた２層構造アンテナの構造を示す斜視図である。 図１３に示すタイプのアンテナの１例及び比較例アンテナのＳ１１特性を示す図である。 図１３に示すタイプのアンテナの他の例及び比較例アンテナのＳ１１特性を示す図である。 図１４に示すタイプのアンテナの１例及び図１３に示すタイプのアンテナの１例のＳ１１特性を示す図である。 図１３に示すタイプのアンテナの１例の実験及びＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図１３に示すタイプのアンテナの他の例の実験及びＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図１４に示すタイプのアンテナの１例の実験及びＦＤＴＤ解析によるＳ１１特性を示す図である。 図１３に示すタイプのアンテナの１例の実験及びＦＤＴＤ解析による指向性を示す図である。 図１４に示すタイプのアンテナの１例の実験及びＦＤＴＤ解析による指向性を示す図である。

符号の説明

Ａ 平面アンテナ
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。