JP2007067994A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 移動体通信機器などの機器に内蔵可能で、比較的波長の長いＵＨＦテレビ帯域における電波を受信可能な、優れた小型アンテナを提供する。
【解決手段】 小型アンテナは、共振点周波数において共振する放射導体及びグランド導体と、放射導体に給電する給電部と、誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体を放射導体に近接して配置して、該誘電特性及び磁気特性に基づいて得られる波長短縮効果により共振点周波数を所望周波数帯域よりも低い帯域に移動させる波長短縮手段と、磁性体に磁界を印加して磁気的損失を低減させる磁界印加手段とで構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動体通信機器などの機器に内蔵可能な小型のアンテナに係り、特に、比較的波長の長いＵＨＦテレビ帯域における電波を受信可能な小型のアンテナに関する。

さらに詳しくは、本発明は、波長短縮効果により共振点周波数をより低い帯域に移動させて使用帯域での定在波比を改善して小型に構成されるアンテナに係り、特に、誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体から得られる波長短縮効果を利用して小型に構成されるアンテナに関する。

携帯電話機に代表される携帯用無線機器では、機能向上を図りながらも、さらなるセットの小型化、軽量化が求められており、そのためこれら携帯機器に搭載された送受信を行なうアンテナに対しても、小型化への要求は益々高まっている（例えば、非特許文献１を参照のこと）。

アンテナは、基本的には、放射素子と、これに給電する給電線と、放射素子を接地するグランドで構成される。ここで、送受信を行なうアンテナの大きさ、すなわちアンテナの素子長と動作周波数との間には密接な関係があり、例えば、放射素子をグランド上に設置するモノポール系のアンテナでは、小型化を図った場合であっても、効率などの観点から素子長は動作周波数の１／４波長程度に設定されることが多い。このため、放射素子とグランド導体間の電磁界の波長を短縮し、これによってアンテナの小型化を図ることが一般的である。

例えば、誘電体が持つ波長短縮効果に着目して、アンテナの放射素子を誘電体に密接して配置することで、アンテナの素子長を短縮した誘電体アンテナが知られている。これは、物質中では真空中に比べて電磁波の速度が遅くなること（例えば、非特許文献２を参照のこと）に依拠する。電磁波の周波数をｆ、真空中の電磁波の速度をｃとすると波長λ₀は下式（１）のように表される。

一方、真空中での電磁波の伝搬速度ｃ並びに物質中の電磁波の速度ｖは、それぞれ下式（２）、（３）のように表される。ここで、ε₀、μ₀はそれぞれ真空中の誘電率と透磁率であり、ε_r、μ_rはそれぞれ物質中の比誘電率と比透磁率である。

周波数ｆの電磁波の物質中の波長λは、λ＝ｖ／ｆで求まることから、真空中での波長λ₀との比をとると、下式（４）の通りとなる。

例えば、比誘電率ε_rを持つ誘電体中での電磁波の波長λは下式（５）によって表され、誘電体による波長短縮効果により真空中での波長λ₀よりもε_r分の１だけ短くなる。

誘電体の表面あるいは誘電体中に放射素子を設けた、いわゆる誘電体チップ・アンテナや誘電体パッチ・アンテナは、主にＧＨｚ帯域での小型送受信アンテナとして最近ではさまざまな分野で実用化されている。

また、比誘電率ε_r及び比透磁率μ_rを持つ磁性体中を伝播する電磁波の波長λは下式（６）のように表される。言い換えれば、誘電特性と磁気特性とを併せ持った磁性体は、誘電体を用いた場合よりもさらにμ_r分の１だけ波長を短くすることができる。

上式（６）によれば、原理的には、例えば比誘電率が５、比透磁率が５の材料中では、比誘電率２５の誘電体と等価な波長短縮効果を示す筈である。しかしながら、本出願時までのところ、磁性体のアンテナへの応用例は極めて限られており、高周波で低損失を示すフェライトであっても、ＡＭ放送受信機のバー・アンテナとして用いられているに過ぎず、ＭＨｚ帯以上での周波数領域での応用例は殆ど知られていない。磁性体が誘電体としての特性を併せ持つ場合、磁気的損失と誘電損失の両方が生じ、放射効率の低下を招くこととなる（例えば、特許文献１を参照のこと）。

最近になって、少数例ながら、アンテナの小型化を図る観点から、磁性材料に対する検討も加えられている。例えば、材料特性をパラメータとするシミュレーションを行ない、ある条件を満たす磁性体を用いるならば、パッチ・アンテナやヘリカル・アンテナを小型化し得ることが示唆されている（例えば、非特許文献３を参照のこと）。

また、大きさ５５ｍｍ×４０ｍｍの９００ＭＨｚ帯の平板逆Ｆアンテナを基準とし、アンテナの基板を磁性体に置き換えることで、その大きさを３４ｍｍ×３０ｍｍ程度まで、すなわち面積比で５０％程度まで縮小できることも報告されている（例えば、非特許文献４を参照のこと）。

しかしながら、アンテナの基板を磁性体で置き換える場合、アンテナの形状が平板状に限られている。また、周波数のさらに低い、例えば５００ＭＨｚ〜８００ＭＨｚ程度のＵＨＦ帯のテレビ放送の受信などを考えた場合には、その占有面積は上記の報告例よりも当然大きくなることが予想される。したがって、携帯機器への搭載を考えた場合には、なお一層アンテナを小型化する技術の開発が望まれている。

特開２００４−７５１０号公報、段落番号０００６ 「携帯機器向けアンテナ『広帯域でも小さく』に挑む」（日経エレクトロニクス ２００４．１１．２２ ＰＰ．６９−８０） 高橋英俊著「電磁気学」（３２９頁 物理学選書３ 裳華房 １９７０年） 角 比呂武著「磁性材料を利用したアンテナに関する研究」（２００２年度卒業論文 横浜国立大学工学部） 田中 智輝、林田 章吾、今村 和史、森下 久、小柳 芳雄著「磁性材料を用いた携帯端末用アンテナの小型化に関する一検討」（電子情報通信学会論文誌 Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｂ，Ｎｏ．９，ＰＰ．１３２７−１３３５，２００４）

本発明の目的は、移動体通信機器などの機器に内蔵可能で、比較的波長の長いＵＨＦテレビ帯域における電波を受信可能な、優れた小型アンテナを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、波長短縮効果により共振点周波数をより低い帯域に移動させて使用帯域での定在波比を改善して小型に構成される、優れたアンテナを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体から得られる波長短縮効果を利用して小型に構成される、優れた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、所望周波数帯域の電波を受信するアンテナであって、
共振点周波数において共振する放射導体及びグランド導体と、
前記放射導体に給電する給電部と、
誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体を前記放射導体に近接して配置して、該誘電特性及び磁気特性に基づいて得られる波長短縮効果により、前記共振点周波数を前記所望周波数帯域よりも低い帯域に移動させる波長短縮手段と、
前記磁性体に磁界を印加して、前記磁性体による磁気的損失を低減させる磁界印加手段と、
を具備することを特徴とするアンテナである。

携帯機器に搭載された送受信を行なうアンテナに対する小型化への要求は益々高まっているが、効率などの観点から素子長は動作周波数の１／４波長程度に設定されるため、小型化を図るには、放射導体とグランド導体間の電磁界の波長短縮を行なう必要がある。

誘電特性と磁気特性を併せ持った磁性体を用いて波長短縮を行なう場合、誘電体を用いて場合に比べ、比誘電率に比透磁率を乗算した分だけより高い効果を得ることができる。ところが、磁性体が誘電体としての特性を併せ持つ場合、磁気的損失と誘電損失の両方が生じ、放射効率の低下を招くという問題もある。

そこで、本発明では、誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体を前記放射導体に近接して配置して、該誘電特性及び磁気特性に基づいて波長短縮効果を得る場合に、前記磁性体に磁界を印加して、前記磁性体による磁気的損失を低減させるようにした。この結果、誘電的特性と磁気的特性とを併せ持つ磁性材料を波長短縮の材料に用い、非磁性誘電体では得られない大きな波長短縮効果を得ることができる。

ここで、前記磁界印加手段は、基本的には、前記磁性体に直流磁界を印加する。

また、１／４波長接地アンテナの場合、電流分布は給電端が最大であって、開放端では０になる。したがって、磁性体の透磁率を効果的に利用するためには、電流密度の高い部位に磁性体を配置することが効果的であり、また磁性体の損失を低減するために印加する外部磁界も電流密度の高い部位に印加することが効果的である。

前記波長短縮手段が前記磁性体を前記放射導体に近接して配置する方法として、例えば、前記放射導体を前記磁性体の内部に形成したり、前記放射導体を前記磁性体の表面に形成したりすることが考えられる。

前記放射導体は、導電性金属の印刷、金属箔、金属線のうちいずれかの導体で構成することができる。あるいは、前記放射導体は、導電性金属のスパッタ、蒸着、鍍金又はその他の薄膜プロセスを用いて形成することができる。あるいは、前記放射導体は、樹脂フイルム、又は薄い樹脂基板上の導体パターンで構成することができる。

また、前記磁性体の一部を非磁性セラミックスに置き換えるようにしてもよい。

また、前記磁界印加手段は、永久磁石を用いて前記磁性体に磁界を印加してもよいし、あるいは電磁石を用いて前記磁性体に磁界を印加するようにしてもよい。

また、前記磁性体と前記磁界印加手段の代替手段として、残留磁化を有するバリウム・フェライトなどの永久磁石材料を波長短縮手段として用いることもできる。

本発明によれば、移動体通信機器などの機器に内蔵可能で、比較的波長の長いＵＨＦテレビ帯域における電波を受信可能な、優れた小型アンテナを提供することができる。

また、本発明によれば、波長短縮効果により共振点周波数をより低い帯域に移動させて使用帯域での定在波比を改善して小型に構成される、優れたアンテナを提供することができる。

また、本発明によれば、誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体から得られる波長短縮効果を利用して小型に構成される、優れたアンテナを提供することができる。

本発明によれば、直流磁界を帯びた磁性体をアンテナ導体に近接させることで得られる波長短縮効果により、共振点周波数をより低い帯域に移動させ、使用帯域での定在波比を改善することができるので、アンテナの著しい小型化が可能となる。本発明に係るアンテナは、例えば地上はデジタル放送の１セグ放送（ＵＨＦ帯）受信用の小型アンテナとして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。

本発明は、移動体通信機器などの機器に内蔵可能な小型アンテナに関するものであり、とりわけ比較的波長の長いＵＨＦテレビ帯域における電波を受信可能なアンテナに関する。

一般に、効率などの観点から素子長は動作周波数の１／４波長程度に設定されるため、小型化を図るには、放射導体とグランド導体間の電磁界の波長短縮を行なう必要がある。誘電体や磁性体などの波長短縮効果のある材料を放射導体の近傍に配置するという方法が従来から知られている。特に、磁性体を用いたときには、比誘電率に比透磁率を乗算した分だけより高い波長短縮効果を得ることができる筈であるが、磁気的損失と誘電損失の両方が生じ、放射効率の低下を招くという問題がある。

そこで、本発明では、誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体を用いて波長短縮効果を得る場合に、磁性体に磁界を印加して磁気的損失を低減させ、非磁性誘電体では得られない大きな波長短縮効果を得るようにした。

図１には、本発明の一実施形態に係るチップ・アンテナの外観構成を示している。また、図２には、同チップ・アンテナの構成部品を図解している。また、図３には、各構成部品の寸法の具体例を示している。

放射導体１１は、銅箔の逆Ｆ字パターンで構成され、２枚の磁性体ブロック１２−１及び１２−２によって挟持されている。また、Ｆ字の突端部は両磁性体ブロック１２−１及び１２−２から露出し、放射導体に給電する給電部を形成する。

１／４波長接地アンテナの場合、電流分布は給電端が最大であって、開放端では０になる。したがって、磁性体の透磁率を効果的に利用するためには、電流密度の高い部位に磁性体を配置することが効果的であり、また磁性体の損失を低減するために印加する外部磁界も電流密度の高い部位に印加することが効果的である。そこで、本実施形態では、給電部の近傍で磁界が加わるように、両磁性体ブロック１２−１の外側に磁界印加部１３を取り付けた。磁界印加部１３は、永久磁石あるいは電磁石で構成することができる。

放射電極１１を挟持する両磁性体ブロック１２−１及び１２−２、並びに磁界印加部１３は、例えばポリイミド・テープ（図示しない）を巻設して固定されるが、これらの固定・接着方法は特に限定されない。

磁性体ブロック１２−１及び１２−２は、例えば、鉄（Ｆｅ）の一部をアルミニウム（Ａｌ）、及びマンガン（Ｍｎ）で置き換えた、飽和磁束密度１，７５０Ｇを有するＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）系フェライトの多結晶体に研削加工を施して作製される、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのブロック材である。

放射電極１１は、例えば厚さ３５μｍの銅箔を図示の逆Ｆ字に切り出したパターンである。図１及び図２に示した例では、放射電極１１は同寸法の両磁性体ブロック１２−１及び１２−２に挟持された、電極内蔵型のアンテナであるが、磁性体ブロックの表面に放射電極パターンを形成するタイプであってもよい。

磁界印加部１３に永久磁石を用いる場合、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系のチップ磁石を利用することができる。図１で用いられる角型チップ磁石の大きさは４ｍｍ×４ｍｍ×１．４ｍｍであり、着磁方向はチップ磁石の板面（すなわち放射電極１１の銅箔パターン表面）に対して垂直とした。このチップ磁石の積層枚数を増減することで、磁極近傍の磁界強度はある範囲内で変化する。本実施形態では積層枚数を５枚としたが、この際の磁極近傍の磁界強度は約５，４００Ｏｅである。

なお、チップ・アンテナは直方体且つ平坦な形のアンテナの総称であり、小型・軽量化に適しているという一般的性質を持つ。但し、本発明の要旨はチップ・アンテナに限定されるものではなく、それ以外のアンテナにも当然適用することができる。

図４には、図１に示したチップ・アンテナの動作特性を評価するための評価基板の外観構成を示している。また、図５には、この評価基板を用いて測定を行なう際の結線図を示している。

評価基板２１は、４０ｍｍ×７０ｍｍ×１ｍｍの両面銅貼りガラス・エポキシ基板で構成され、基板の外周に銅箔テープを貼り、さらに半田付けによって両面銅貼り基板２１の表面及び裏面の導体が接続されている。この銅貼り基板２１は、図４に示すようにチップ・アンテナ１０を取り付けた際にグランドとして動作する。

図１に示したようにチップ・アンテナ１０の放射導体は逆Ｆ字の銅箔パターンからなるが、図５に示すように、このＦ字が持つ２つの突端のうち一方をグランドに接続するとともに、他の一端を１００ｐＦのチップ・コンデンサを介し給電端としている。また、給電端には特性インピーダンス５０Ωのセミリジッド同軸ケーブル２２の中心導体を接続し、同軸ケーブル２２の他端には測定器（図示しない）への接続のため、ＳＭＡコネクタ２３を取り付けている。（ＳＭＡ（ＳｕｂＭｉｎｉａｔｕｒｅ Ｔｙｐｅ Ａ）コネクタは、マイクロ波帯で、最も一般的に使われているコネクタであり、内径が１．２７ｍｍ、外径が４．２ｍｍで、内導体を支持する絶縁物にはテフロン（登録商標）（比誘電率は約２．０）が用いられている。）

評価基板２１をネットワーク・アナライザ（図示しない）に接続して、ＳパラメータのうちＳ１１を測定することができる。Ｓ（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：散乱）パラメータとは、２つのポート（出入り口）を持つブラックボックスに交流信号という波が出入りする状況を想定し、その波の反射や透過の具合によりブラックボックスを表わしたものであり、下式（７）のように定義される。但し、ａ１及びａ２は入力電圧、ｂ１及びｂ２は反射電圧である。

上式（７）において、ＳパラメータのＳ１１は反射係数、Ｓ２１は結合係数を表す。反射係数Ｓ１１が小さいほどアンテナとしてマッチングが取れていることを示す。また、Ｓ２１は、アンテナの結合特性、すなわち送信機から受信機への送信信号の振幅特性（減衰率）に相当し、所望の周波数帯域で高く且つ平坦であれば、マルチパスの影響が少なくて良い。ここでは、さらにＳ１１から電圧定在波比（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ：ＶＳＷＲ）を求めている。ＶＳＷＲは伝送線路の電圧の極大値と極小値の比のことであるが、反射係数が０のときはＶＳＷＲ＝１となり、反射係数が１に近づくとＶＳＷＲが高くなる。

図６には、図１に示したチップ・アンテナについて２００ＭＨｚから１ＧＨｚの間で測定したＶＳＷＲを示している。同図から判るように、ＶＳＷＲは５２６ＭＨｚ付近を極小値とする共振特性を示している。また、ＶＳＷＲ≦３となる周波数帯域は、５２６ＭＨｚを中心として５３ＭＨｚである。アンテナの放射電極が空気中に孤立していると仮定すれば（ε_r＝１、μ_r＝１）、共振周波数である５２６ＭＨｚの１／４波長は１４３ｍｍとなる。本実施形態に係る放射導体の素子長が２７ｍｍであり、この長さが共振周波数の１／４波長であることを考えると、放射導体の両面にフェライトを密接して設けることによって、実効的なアンテナの素子長が約１／５に短縮されたことになる。また、波長短縮をもたらす媒質として誘電特性と磁気特性とを併せ持つフェライトを用い、且つ外部から静磁界を印加するならば、アンテナを小型化し得ることは明らかである。

また、チップ・アンテナを取り付けた評価基板２１をスペクトラム・アナライザに接続し、対数周期アンテナを接続した信号源より電磁波を輻射することで、チップ・アンテナの受信感度を測定することができる。この測定は電波暗室内で行ない、送信アンテナより３ｍ離れた位置で評価基板を図４に示したＸ、Ｙ、Ｚ各軸の回りに回転させ、その間の受信感度の変化を測定する。図７には、測定結果の一例として、４７１ＭＨｚから７１１ＭＨｚの間で測定した最大利得の周波数変化を示している。同図に示す例では、最大利得は５２０ＭＨｚで−２２ｄＢｄであった。

図６及び図７に示した測定結果からは、波長短縮をもたらす媒質として誘電特性と磁気特性とを併せ持つフェライトを用い、且つ外部から静磁界を印加するならば、アンテナを小型化し得ることが判った。これは、フェライトが持つ誘電特性及び磁気特性に基づいてより高い波長短縮効果を得ることと、直流磁界を印加することで、フェライトによる磁気的損失を低減させることの相乗効果であると本発明者らは理解している。

そこで、確認のために、図１に示したチップ・アンテナ１０から永久磁石１３を取り外し、フェライトに対して直流磁界を印加しないで同様の測定を行なってみた。

図８には、永久磁石１３を取り外したチップ・アンテナ１０について２００ＭＨｚから１ＧＨｚの間で測定したＶＳＷＲを示している。図６と比較して明らかなように、ＶＳＷＲは周波数の増加に伴い単調に減少する傾向を示すものの、明確な共振点は認められない。

また、図９には、永久磁石１３を取り外したチップ・アンテナの受信感度の測定結果を示している。同図と図７の比較結果からも判るように、アンテナに磁界を印加しない場合には、ＶＳＷＲが低下しないのみならず、利得が極めて低く、アンテナとしては全く機能していない。

図８及び図９に示した測定結果から判るように、磁性体によって構成されたチップ・アンテナの場合、外部からの磁界を除去した場合には、アンテナとしてはほとんど動作しなくなる。この理由を明らかにするために、図１に示したチップ・アンテナにおいて磁性体ブロック１２として使用するフェライト材料の透磁率を測定してみた。

透磁率の測定に際して、まず超音波加工機を用いて、磁性体基板から外形７ｍｍ、内径３ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのリング状の試料を切り出す。そして、このリング状試料に直径０．３φの２重絹巻線を５回だけ巻く。ここで、２重絹巻線のインダクタンスをＬとし、この２重絹巻線に損失がある場合、それを抵抗Ｒで表すと、ＬとＲの直列インピーダンスＺは下式（８）のように表される。

このインピーダンスＺをｊωμＬ’とおき、比透磁率μの実部及び虚部をそれぞれμ’、μ”とおいて複素形式にすると、上式（８）は下式（９）のように変形される。

したがって、Ｌ＝μ’Ｌ’、Ｒ＝ωμ”Ｌ’となることから、インピーダンス・アナライザによって測定し、得られたインピーダンスのインダクタンスＬから比透磁率の実部μ’を、抵抗Ｒから虚部μ”をそれぞれ求めることができる（例えば、大田恵造著「磁気工学の基礎ＩＩ」（ｐｐ３０４−３０７、共立全書２０１ 共立出版 ２００４）を参照のこと）。さらに、これらの値から磁気による損失係数ｔａｎδを算出することができる。

図１０には、磁界を印加しない場合の１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの区間における上記リング状磁性体の透磁率の変化を示している。同図から明らかなように、外部から磁界を加えない場合、１ＭＨｚ程度の低周波数領域では比透磁率の実部μ’は１００前後の高い値を示すものの、周波数の増加に伴いμ’が急激に低下するとともに虚部μ”が急激に増加する。その結果、１０ＭＨｚ以上の周波数領域では、損失係数ｔａｎδはほぼ１となり、大きな損失を生じることが判る。

また、図１１には、直流磁界を印加した場合の１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの区間における上記リング状磁性体の透磁率の変化を示している。但し、直流磁界の印加には永久磁石を用い、また印加する磁界の方向は透磁率を測定する際の磁路方向（リング周方向）に対して直交する方向とし、リング試料表面近傍に約５，０００Ｏｅの磁界を印加した。μ’の値は無磁界の場合よりも低下するものの、１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの区間で殆ど周波数に依存せず、ほとんど平坦な周波数特性を示す。さらに特徴的なこととして、広い周波数範囲にわたって透磁率の虚数部μ”の値が極めて小さくなり、その結果、損失係数ｔａｎδも１ＭＨｚから４０ＭＨｚの区間でほぼ零の値を示している。

これまで示した測定結果を要約すると、アンテナに外部磁界を印加しない場合には高々数十ＭＨｚの領域で大きな磁気的損失が生じ、これがアンテナとしての特性を大きく損なうが、磁界を印加した場合にはこの損失が大幅に減少することによって高周波領域におけるアンテナ特性が維持される、と言うことができる。

続いて、磁性体が有する磁束密度が波長短縮効果に与える影響について考察してみる。図１に示したチップ・アンテナにおいて、放射導体１１を挟持する磁性体ブロック１２を、飽和磁束密度４００Ｇを有するＭｎ、Ａｌを添加したＹＩＧ系フェライト多結晶体に研削加工を施し、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍに作製したブロックに置き換えた。そして、上述と同様に、このチップ・アンテナの放射素子の給電部近傍に磁界が印加されるように永久磁石を設けた。但し、ここでは、フェライト・ブロックと永久磁石との間に空隙を設け、フェライトに印加される磁界が約１，０００Ｏｅになるよう調節した。

この場合も、図４に示したように、４０ｍｍ×７０ｍｍ×１ｍｍの両面銅貼りガラス・エポキシ基板上に取り付けて評価基板２１を作製し、この評価基板２１をネットワーク・アナライザ（図示しない）に接続し、Ｓ１１を測定することでＶＳＷＲを求めた。図１２には、このときのＶＳＷＲの測定結果を示している。図示のように、ＶＳＷＲは６４５ＭＨｚ付近で極小値をとり、そのＶＳＷＲの値はほぼ１となった。また、この周波数を中心に、ＵＨＦＴＶの放送周波数帯域である４７０ＭＨｚから７７０ＭＨｚの間でＶＳＷＲの値は３．５を示した。

また、図１３には、直流磁界を印加した効果を確認するために、飽和磁束密度４００Ｇを有するＭｎ、Ａｌを添加したＹＩＧ系フェライト多結晶体を磁性体に用いたチップ・アンテナから永久磁石を取り外したときに、同様にＳ１１の測定値からＶＳＷＲを求めた結果を示している。図１２と比較すると、直流磁界を印加したときにはＶＳＷＲの周波数特性上に現れる、共振を示すピークは不明確となり、さらにＶＳＷＲも４以下には低下しない。

また、飽和磁束密度４００Ｇを有するＭｎ、Ａｌを添加したＹＩＧ系フェライト多結晶体からなる磁性体ブロックから外形７ｍｍ、内径３ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのリング状の試料を切り出し、このリング状試料に直径０．３φの２重絹巻線を５回だけ巻いて、透磁率を測定してみた。

図１４及び図１５には、リング状試料に磁界を印加しない場合と印加した場合それぞれについての透磁率の測定結果を示している。但し、後者では、印加する磁界の方向は透磁率を測定する際の磁路方向（リング周方向）に対して直交する方向とし、リング試料表面近傍に約５，０００Ｏｅの磁界を印加した。図１０及び図１１に示した場合と同様に、外部から磁界を印加しない場合には、数十ＭＨｚの比較的周波数の低い領域から急激に損失が増大するのに対し、透磁率の測定方向と直交する方向に直流磁界を印加することで、磁気的損失が著しく低減することが判る。

続いて、誘電特性と磁気特性を併せ持った磁性体を用いたチップ・アンテナにおける透磁率による波長短縮の効果について考察する。ここでは、磁性体の効果を確認するために、磁性体に代えて誘電体を用いて図１に示したものと同様のチップ・アンテナを作製し、その波長短縮効果について確認してみた。但し、誘電体として、比誘電率２０を有するアルミナ系セラミックを用いた。

この場合も、図４に示したように、４０ｍｍ×７０ｍｍ×１ｍｍの両面銅貼りガラス・エポキシ基板上に取り付けて評価基板２１を作製し、この評価基板をネットワーク・アナライザ（図示しない）に接続し、Ｓ１１を測定することでＶＳＷＲを求めた。図１２には、このときのＶＳＷＲの測定結果を示している。同図から判るように、磁性体の替りに非磁性の誘電体を用いた場合には、共振点は１．３３ＧＨｚ近傍の高周波領域に現れるだけであって、図６及び図１２に示したような５００〜６００ＭＨｚ付近でのＶＳＷＲの低下は見られない。

比較的低い飽和磁束密度４００Ｇの磁性体を用いて構成されるチップ・アンテナについての２００ＭＨｚから１ＧＨｚの区間におけるＶＳＷＲについては、図１２を参照しながら既に説明した通りである。ここでは、参考のため、より広い周波数範囲でＶＳＷＲを測定し、その結果を図１７に示した。ＶＳＷＲの極小値は既に述べた５００〜６００ＭＨｚ近傍に加え、１．５５ＧＨｚ付近にもピークが現れていることが確認できた。ちなみに、比誘電率２０の誘電体で構成されるチップ・アンテナでは、１．３３ＧＨｚに共振点が現れた。

また、ここで用いたフェライト材料のＧＨｚ帯における比誘電率が１４程度であることを考慮すると、このＧＨｚ領域でのＶＳＷＲのピークは、透磁率が１に近づくものの誘電率が残っているためにもたらされたものであると考えられる。すなわち、誘電的特性と磁気的特性とを併せ持つ磁性材料を波長短縮の材料に用いるならば、非磁性誘電体では得られない大きな波長短縮効果が得られることを示していると言える。

本明細書では、アンテナ素子として基本的と考えられる１／４波長型接地アンテナを例に取り上げ、磁性体による波長短縮の効果を検証した。その結果、仮に空気を誘電体とした場合には１２ｃｍ程度の長さを要するアンテナを、僅か３ｃｍ程度まで短縮可能であることを明らかにした。また、従来から知られている通常の誘電体セラミックによって構成した場合に比べても、さらに長さをその１／２程度まで短縮できることも明らかにした。

本明細書では、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が、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。

例えば、本発明に係るアンテナを例えば携帯用ＴＶ受信機に適用した場合、従来からの長いロッド・アンテナを廃することが可能となり、さらには機器への内蔵も可能であることから、機器の携帯性を格段に高めることができる。また、アンテナを内蔵することによって、機器の外観デザインの自由度を高めるとともに、アンテナの折損などへの配慮を不要にするなど、副次的な効果も期待できる。

また、本明細書では、１／４波長型の接地アンテナを例に取り、その効果を説明してきたが、波長短縮の効果はここで例示した接地アンテナだけに限定されるものではないことは明白である。

本明細書で取り上げた実施形態では、放射導体として銅箔を用いたが、当然のことながら導電性の塗料などによって放射電極パターンを描いても同等の効果が得ることができる。さらには放射電極のパターンをフレキシブル配線板あるいはガラス・エポキシなどからなる配線板上に描いても、同様の効果がもたらされる。

また、本明細書で取り上げた実施形態では、外部磁界を印加する手段として永久磁石を用いたが、アンテナの外部から電磁石によって直流磁界を印加しても全く等価である。さらにフェライトとして、残留磁化を有するバリウム・フェライトなどの永久磁石材料で構成した場合には、外部から磁界を印加する手段を省くことも可能である。

本発明に係るアンテナは、小型化を実現するための波長短縮手段を、放射導体に密接して波長短縮効果をもたらすための誘電特性を示す磁性体と、この磁性体の磁気的損失を低減させるための磁界印加手段により構成しているが、自発的に磁化される永久磁石材料を波長短縮手段として適用することも可能である。

要するに、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、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係るチップ・アンテナの外観構成を示した図である。 図２は、図１に示したチップ・アンテナの構成部品を示した図である。 図３は、図１に示したチップ・アンテナの各構成部品の寸法の具体例を示した図である。 図４は、図１に示したチップ・アンテナを評価するための評価基板の外観構成を示した図である。 図５は、図４に示した評価基板を用いて測定を行なう際の結線図である。 図６は、図１に示したチップ・アンテナについて２００ＭＨｚから１ＧＨｚの間で測定したＶＳＷＲを示した図である。 図７は、図１に示したチップ・アンテナの受信感度の測定結果を示した図である。 図８は、永久磁石１３を取り外したチップ・アンテナについて２００ＭＨｚから１ＧＨｚの間で測定したＶＳＷＲを示した図である。 図９は、永久磁石１３を取り外したチップ・アンテナの受信感度の測定結果を示した図である。 図１０は、磁界を印加しない場合の１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの区間におけるリング状磁性体の透磁率の変化を示した図である。 図１１は、直流磁界を印加した場合の１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの区間におけるリング状磁性体の透磁率の変化を示した図である。 図１２は、より低い飽和磁束密度を持つ磁性体に置き換えられたチップ・アンテナについて２００ＭＨｚから１ＧＨｚの間で測定したＶＳＷＲを示した図である。 図１３は、永久磁石を取り外したチップ・アンテナについて２００ＭＨｚから１ＧＨｚの間で測定したＶＳＷＲを示した図である。 図１４は、磁界を印加しない場合の１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの区間におけるリング状磁性体の透磁率の変化を示した図である。 図１５は、磁界を印加した場合の１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの区間におけるリング状磁性体の透磁率の変化を示した図である。 図１６は、磁性体に代えて誘電体を用いて構成されるチップ・アンテナについてのＶＳＷＲ測定結果を示した図である。 図１７は、飽和磁束密度４００Ｇの磁性体を用いて構成されるチップ・アンテナについてより広い周波数範囲でＶＳＷＲを測定した結果を示した図である。

符号の説明

１０…チップ・アンテナ
１１…放射導体
１２…磁性体ブロック
１３…磁界印加部
２１…評価基板
２２…セミリジッド同軸ケーブル
２３…ＳＭＡコネクタ

Claims (14)

1. 所望周波数帯域の電波を受信するアンテナであって、
   共振点周波数において共振する放射導体及びグランド導体と、
   前記放射導体に給電する給電部と、
   誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体を前記放射導体に近接して配置して、該誘電特性及び磁気特性に基づいて得られる波長短縮効果により、前記共振点周波数を前記所望周波数帯域よりも低い帯域に移動させる波長短縮手段と、
   前記磁性体に磁界を印加して、前記磁性体による磁気的損失を低減させる磁界印加手段と、
   を具備することを特徴とするアンテナ。
2. 前記磁界印加手段は、前記磁性体に直流磁界を印加する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記波長短縮手段は、前記放射導体の電流密度が高い部位に前記磁性体を配置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記磁界印加手段は、前記放射導体の電流密度が高い部位にて前記磁性体に対し外部磁界を印加する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記放射導体は前記磁性体の内部に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記放射導体は前記磁性体の表面に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記磁性体の一部は非磁性セラミックスに置き換えられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記放射導体は、導電性金属の印刷、金属箔、金属線のうちいずれかの導体で構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
9. 前記放射導体は、導電性金属のスパッタ、蒸着、鍍金又はその他の薄膜プロセスを用いて形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
10. 前記放射導体は、樹脂フイルム、又は薄い樹脂基板上の導体パターンで構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
11. 前記磁界印加手段は、永久磁石を用いて前記磁性体に磁界を印加する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
12. 前記磁界印加手段は、電磁石を用いて前記磁性体に磁界を印加する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
13. 所望周波数帯域の電波を受信するアンテナであって、
    共振点周波数において共振する放射導体及びグランド導体と、
    前記放射導体に給電する給電部と、
    誘電特性と磁気特性を併せ持つ磁性体を前記放射導体に近接して配置して、該誘電特性及び磁気特性に基づいて得られる波長短縮効果により、前記共振点周波数を前記所望周波数帯域よりも低い帯域に移動させる波長短縮手段を備え、
    前記磁性体は永久磁石で構成される、
    を具備することを特徴とするアンテナ。
14. 前記永久磁石は、残留磁化を有するバリウム・フェライトで構成される、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のアンテナ。
    

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