JP2008160825A - 誘電体アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域、且つ無指向性であって、利得の高い小型の誘電体アンテナを提供する。
【解決手段】平行平板状の誘電体基板の対向する２広面の一方の面に帯状で平行な複数本のスパイラル形状のアンテナ電極を形成し、他方の面にアンテナ電極に対向して電磁界結合される給電用電極と整合用電極が形成されるとともに、前記アンテナ電極の給電用電極に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでが合流して一本のまとまった電極になったことを特徴とする誘電体アンテナ。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、超短波、準マイクロ波、マイクロ波、ミリ波の無線通信に使用される誘電体アンテナに関し、特に広帯域、且つ無指向性の小型の誘電体アンテナに関する。

誘電体アンテナは超短波、準マイクロ波、マイクロ波、ミリ波の無線通信に使用され、携帯電話に代表される無線通信機のアンテナは、その特性が得られる限りは小さければ小さい方が良く、現在でもなおより小型のアンテナが求められている。

アンテナの小型化に対しては、次に示す従来技術１，２に示される技術が代表的なものとしてあげることができる。
従来技術１：アンテナ部を積層構造とすることにより、立体電極とした積層アンテナ
従来技術２：波長短縮効果を狙った誘電体材料を使用した誘電体アンテナ
前記の技術は有効なものではあるが次の問題点もある。

従来技術１の積層構造は、一般的に誘電率の低い材料を使用しているので、ある程度広帯域であり、８００ＭＨｚ以上の周波数では小型化を達成しているが、それ以下の周波数帯、例えばテレメーター、テレコントローラー、トランシーバーに使用されている３００ＭＨｚ帯微弱無線、４００ＭＨｚ帯特定小電力無線では、アンテナ電極長を長くする必要があり、小型化が困難である。また、電極を同一方向に多く形成するため、指向性がある。

また、製造面からみると、積層構造を採用していることにより、製造工程が多く、製造時のイニシャルが高いという問題がある。

従来技術２の誘電体アンテナは、高誘電率材料を用い波長短縮効果により電極長を短くして小型することができ、また小型且つ電極長が短いため、ほぼ無指向性である。しかしながら、高誘電率材料を用いているため、共振のＱが大きくなり、狭帯域となる。アンテナは実装条件および製造条件により、共振周波数が変動するため、狭帯域では所望の周波数からのずれに対応できず、アンテナ特性を十分得られないという問題がある。

また従来技術１,２ともに、アンテナと回路との間にＬＣ整合回路を設ける必要があり、アンテナ自体は小さくなっても整合回路の面積により、アンテナ実装面積は大きくなってしまうという問題がある。

ＬＣ整合回路を設けない手法として、本出願人はアンテナにＬＣ整合回路を形成した発明について出願した（特開２００７−１２９３６０）。出願した誘電体アンテナは、一つの板状の誘電体基板にスパイラル状のアンテナ電極を形成し、この板状の誘電体基材の裏面にアンテナ電極に対向して電磁界結合されるコンデンサ電極を形成し、誘電体基材の側面にアンテナ電極に通電接続されたインダクタ電極を接地形成することで、コンデンサとインダクタからなる整合回路を形成したものである。

しかしながら、この誘電体アンテナは高誘電率材料を用いるため、共振のＱが大きくなり、狭帯域となる。このため実装条件および製造条件による共振周波数の変動に対応できず、アンテナ特性を十分得られないという問題がある。
特開２００７−１２９３６０号公報

本発明が解決しようとする課題は、広帯域、且つ無指向性であって、小型の誘電体アンテナを提供するものである。

本発明の誘電体アンテナは、アンテナ基材に比誘電率εｒがεｒ＞１０の高誘電率材料を用いることでアンテナを小型化し、且つ無指向性を実現する。さらに高誘電率材料を用いるために起こる、狭帯域を下記の手法にて解決する。

平行平板状の誘電体基板の対向する２広面の一方の面に帯状の複数本のスパイラル形状のアンテナ電極を形成し、他方の面にアンテナ電極に対向して電磁界結合される給電用電極と整合用電極が形成されるとともに、前記アンテナ電極の給電用電極に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでが合流して一本のまとまった電極とした構成にすることによって、はじめて前記課題を解決することができる。

帯状の複数本のスパイラル形状のアンテナ電極の一端から、前記長さＬまでを１本のまとまった電極としたアンテナ電極の一端に対向した位置に給電用電極を配置し、給電用電極から電磁界結合によりアンテナ電極へ電力を供給することにより、複数本のアンテナ電極は各々独立して共振する。さらにアンテナ電極の長さを所望の周波数の波長に依存した長さに設定することにより、各々の共振周波数を調整することができる。各々の共振周波数を最適に設定することで広帯域とすることができる。

さらに前記複数本のスパイラル形状のアンテナ電極の給電用電極に近い一端から、前記長さＬまでを１本のまとまった電極とした構成にすることにより、給電部のアンテナ電極の線幅は太くなり、線路の抵抗が下がることで放射効率は向上し、アンテナの利得が高くなる。

また本発明の誘電体アンテナは、誘電体基板の前記アンテナ電極に対向した面に形成された給電用電極と整合用電極、もしくは誘電体基板の側面に形成された接地電極によりインピーダンス整合を取ることが出来る。給電用電極は発振回路から給電され、電磁界結合により対向する前記アンテナ電極に電力を供給する役割を果たすと共に、アンテナ電極／誘電体基板／給電用電極と３層に重なり、いわゆるサンドイッチ構造となりコンデンサとして動作する。整合用電極は誘電体基板の前記アンテナ電極と対向した面に形成され、接地導体と接続されることでアンテナ電極／誘電体基板／給電用電極と３層に重なり、いわゆるサンドイッチ構造となりコンデンサとして動作する。接地電極は誘電体基板の側面にアンテナ電極に導通接続して形成され、接地導体と接続されることでインダクタとして動作する。給電用電極と整合用電極もしくは接地電極により整合回路を形成することで、誘電体基板上にアンテナと整合回路が一体化できる。これによりアンテナと回路との間にＬＣ整合回路を設ける必要がなくなり、アンテナ単体で整合を取ることができるため、アンテナ実装面積は小さくなる。

本発明の誘電体アンテナは、次の効果を奏する。

（１）電磁界結合による給電と、複数のスパイラル状のアンテナ電極による複共振を利用することで、広帯域化できる。

（２）比誘電率εｒがεｒ＞１０の高誘電率材料を使用し、スパイラル状のアンテナ電極とすることで無指向性且つ小型のアンテナにできる。

（３）基板上にアンテナと整合回路が一体化しているためアンテナの小型化ができる。

図１ａは本発明の誘電体アンテナの一例を示す斜視図、図１ｂは表面のスパイラル形状のアンテナ電極を示す平面図、図１ｃは裏面の給電用電極を示す平面図、図１ｄは図１ａの誘電体アンテナの等価回路を示す図、図１ｅはＶＳＷＲ特性である。

誘電体アンテナ１は、平行平板状の誘電体基板２の対向する２広面の一方の面に帯状で平行なスパイラル形状のアンテナ電極３が形成されるとともに、前記誘電体基板２の他面にアンテナ電極３と電磁界結合される給電用電極４と整合用電極６が形成される。給電用電極４は給電線路５を通して発振回路７に接続される。また整合用電極６は接地導体と接続される。

誘電体基板２には、従来の誘電体アンテナと同様に、例えば、ＢａＴｉＯ_３系、ＳｒＴｉＯ_３系、ＭｇＴｉＯ_３系、ＣａＴｉＯ_３系あるいは希土類酸化物などの高誘電率を有する板状の誘電体が使用できる。

誘電体基板２の広い対向する２面の一方の面には、帯状のスパイラル形状のアンテナ電極３を銀、金、銅、あるいはニッケルなどの導電体を印刷することにより形成する。帯状のスパイラル形状のアンテナ電極３は複数本間隔をおいて形成され、給電用電極４に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでを１本のまとまった電極として形成される。図１に示す形態では３本の帯状のスパイラル形状のアンテナ電極３ａ，３ｂ,３ｃが、給電用電極４に近い一端から長さＬ＝λg／５までを１本のまとまった電極３ｄとして、アンテナ電極３を形成している。

また、前記誘電体基板２の広い対向する２面の他面には給電用電極４をアンテナ電極３と同様に、銀、金、銅、あるいはニッケルなどの導電体を印刷することにより形成する。給電用電極４は給電線路５を通して発振回路７に接続されて給電され、電磁界結合によりアンテナ電極３に電力を供給する。給電用電極４は、アンテナ電極３／誘電体基板２／給電用電極４のように３層構造にすることにより、図１ｄに示されるコンデンサＣ１として動作する。給電用電極４の面積を調整する、もしくはアンテナ電極３と給電用電極４の距離を調整することによりコンデンサＣ１の容量値を任意に設定できる。

さらに前記誘電体基板２の広い対向する２面の他面には整合用電極６をアンテナ電極３と同様に、銀、金、銅、あるいはニッケルなどの導電体を印刷することにより形成する。整合用電極６は接地導体に接続され、アンテナ電極３／誘電体基板２／整合用電極６のように３層構造にすることにより、図１ｄに示されるコンデンサＣ２として動作する。整合用電極６の面積を調整するか、もしくはアンテナ電極３と整合用電極６の距離を調整することによりコンデンサＣ２の容量値を任意に設定できる。誘電用電極４と整合用電極６により、図１ｄに示す整合回路を形成し、誘電用電極４と整合用電極６の調整により、アンテナのインピーダンス整合を取ることができる。

複数本の前記アンテナ電極３は対向する給電用電極４から電磁界結合により電力が供給されることで、各々独立して共振する。図１に示す形態では３本のアンテナ電極３ａ，３ｂ,３ｃに対し、３つの共振が起こる。各々の共振は独立しているため、各々の共振周波数は波長に依存したアンテナ電極の長さを調整することで変更可能である。例えば共振周波数が所望の周波数より低い場合は、アンテナ電極長を短くして、共振周波数を高くする。共振周波数が所望の周波数より高い場合は、アンテナ電極長を伸ばして、共振周波数を低くする。このように、それぞれ共振を調整することで、図１ｅに示すような広帯域な特性が得られる。

またアンテナ電極３は給電用電極４に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでを１本のまとまった電極とした構成にすることで、複数本の単体のアンテナ電極と比較して給電部のアンテナ電極の線幅は太くなり、線路の抵抗が下がることで放射効率は向上し、アンテナの利得が高くなる。図１に示す形態では３本のアンテナ電極３ａ，３ｂ,３ｃの線幅は細いため線路抵抗は高いが、３本のアンテナ電極が一本にまとまった３ｄでは線幅が太いため、線路抵抗が低くなる。長さＬは実効波長をλgとしてＬ＜λg／１６であれば放射効率は向上せず、Ｌ＞λg／４であれば複共振が得られないため、λg／１６≦Ｌ≦λg／４とする必要がある。

本発明の誘電体アンテナのアンテナ電極３は、誘電体基板２の広い対向する２面の一方の面に複数本形成されていれば、矩形、円形、三角形、多角形など各種形状で同様の効果が得られる。

図２ａは本発明の誘電体アンテナの一例を示す斜視図、図２ｂは図２ａの誘電体アンテナの等価回路を示す図である。

誘電体アンテナ１は、平行平板状の誘電体基板２の対向する２広面の一方の面に帯状で平行なスパイラル形状のアンテナ電極３が形成されるとともに、前記誘電体基板２の他面にアンテナ電極３と電磁界結合される給電用電極４が形成される。給電用電極４は給電線路５を通して発振回路７に接続される。また誘電体基板２の側面には接地電極８が形成され、アンテナ電極３に通電接続されるとともに接地導体と接続される。

誘電体基板２の広い対向する２面の一方の面には、帯状のスパイラル形状のアンテナ電極３を銀、金、銅、あるいはニッケルなどの導電体を印刷することにより形成する。帯状のスパイラル形状のアンテナ電極３は複数本間隔をおいて形成され、給電用電極４に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでを１本のまとまった電極として形成される。図２ａに示す形態では３本の帯状のスパイラル形状のアンテナ電極３ａ，３ｂ,３ｃが、給電用電極４に近い一端から長さＬ＝λg／５までを１本のまとまった電極３ｄとして、アンテナ電極３を形成している。

また、前記誘電体基板２の広い対向する２面の他面には給電用電極４をアンテナ電極３と同様に、銀、金、銅、あるいはニッケルなどの導電体を印刷することにより形成する。給電用電極４は給電線路５を通して発振回路７に接続されて給電され、電磁界結合によりアンテナ電極３に電力を供給する。給電用電極４は、アンテナ電極３／誘電体基板２／給電用電極４のように３層のサンドイッチ構造となり、図２ｂに示されるコンデンサＣ１として動作する。給電用電極４の面積を調整する、もしくはアンテナ電極３と給電用電極４の距離を調整することによりコンデンサＣ１の容量値を任意に設定できる。

さらに誘電体基板２の側面には接地電極８をアンテナ電極３と同様に、銀、金、銅、あるいはニッケルなどの導電体を印刷することにより形成する。接地電極８はアンテナ電極３と導通接続されるとともに接地導体に接続され、図２ｂに示されるインダクタＬ１として動作する。接地電極８の位置および幅を調整することにより、インダクタＬ１の値を任意に設定できる。誘電用電極４と接地電極８により、図２ｂに示す整合回路を形成し、誘電用電極４と接地電極８の調整により、アンテナのインピーダンス整合を取ることができる。

複数本の前記アンテナ電極３は対向する給電用電極４から電磁界結合にて電力を供給されることで、各々独立して共振する。図１に示す形態では３本のアンテナ電極３ａ，３ｂ,３ｃに対し、３つの共振が起こる。各々の共振は独立しているため、各々の共振周波数は波長に依存したアンテナ電極の長さを調整することで変更可能である。例えば共振周波数が所望の周波数より低い場合は、アンテナ電極長を短くして、共振周波数を高くする。共振周波数が所望の周波数より高い場合は、アンテナ電極長を伸ばして、共振周波数を低くする。このように、それぞれ共振を調整することで、図１ｅに示すような広帯域な特性が得られる。

またアンテナ電極３は給電用電極４に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでを１本のまとまった電極とした構成にすることで、複数本の単体のアンテナ電極と比較して給電部のアンテナ電極の線幅は太くなり、線路の抵抗が下がることで放射効率は向上し、アンテナの利得が高くなる。図１に示す形態では３本のアンテナ電極３ａ，３ｂ,３ｃの線幅は細いため線路抵抗は高いが、３本のアンテナ電極が一本にまとまった３ｄでは線幅が太いため、線路抵抗が低くなる。長さＬは実効波長をλgとしてＬ＜λg／１６であれば放射効率は向上せず、Ｌ＞λg／４であれば複共振が得られないため、λg／１６≦Ｌ≦λg／４とする必要がある。

本発明の誘電体アンテナのアンテナ電極３は、誘電体基板２の広い対向する２面の一方の面に複数本形成されていれば、矩形、円形、三角形、多角形など各種形状で同様の効果が得られる。

図３ａに示す、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの誘電率２００の誘電体（チタン酸バリウム）基板２の表面に、帯状の矩形のスパイラル状のアンテナ電極３（３ａ、３ｂ、３ｄ）を銀電極印刷にて形成した。スパイラル状のアンテナ電極３ａ、３ｂが合流して一本にまとまったアンテナ電極３ｄの長さは所望の電波の実効波長をλgとして約λg／５とした。次いで誘電体基板２の裏面にアンテナ電極３に対向して給電用電極４および整合用電極６を銀電極印刷にて形成した。給電用電極４の一端を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのプリント基板上に形成された給電線路５に、整合用電極６を接地導体にそれぞれハンダ接続にて実装した。給電線路５は発振回路７に接続され、発振回路７からの電力は給電線路５から給電用電極４を介し、アンテナ電極３へ電磁界結合にて給電した。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図３ｂに、図３ｃにスミスチャート、図３ｄにＺＸ面の放射パターンを示す。この測定結果より、本実施例のアンテナは２本のアンテナ電極３ａ、３ｂを有するため、ＶＳＷＲ特性より共振周波数３１２.３ＭＨｚ及び共振周波数３２３．５ＭＨｚの２共振となり、その効果によりＶＳＷＲ＝２にて周波数帯域が約２０ＭＨｚと広帯域で、良好な特性が確保できた。またスミスチャートよりインピーダンスは５１Ωで発振回路の５０Ωに近く、整合が取れている。また放射パターンはほぼ無指向性であり、利得は−１５ｄＢｉと良好な特性が確保できた。

本実施例では、Ｌが約λg／５の場合を示したが、λg／１６以上でλg／４以下の範囲であれば、広帯域で無指向性で小型で高利得の本発明の誘電体アンテナを得ることができる。

図４ａに示す、縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×厚さ２ｍｍの誘電率１３０の誘電体（チタン酸バリウム）基板２の表面に、帯状の矩形のスパイラル状のアンテナ電極３（３ａ、３ｂ、３ｄ）を銀電極印刷にて形成した。スパイラル状のアンテナ電極３ａ、３ｂが合流して一本にまとまったアンテナ電極３ｄの長さは所望の電波の実効波長をλgとして約λg／６とした。次いで誘電体基板２の裏面にアンテナ電極３に対向して給電用電極４を銀電極印刷にて形成し、さらに誘電体基板２の側面にアンテナ電極３と導通接続した接地導体８を銀電極印刷にて形成した。給電用電極４の一端を縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ１．６ｍｍのプリント基板上に形成された給電線路５に、接地電極８を接地導体にそれぞれハンダ接続にて実装した。給電線路５は発振回路７に接続され、発振回路７からの電力は給電線路５から給電用電極４を介し、アンテナ電極３へ電磁界結合にて給電した。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図４ｂに、図４ｃにスミスチャート、図４ｄにＺＸ面の放射パターンを示す。この測定結果より、本実施例のアンテナは２本のアンテナ電極３ａ、３ｂを有するため、ＶＳＷＲ特性より共振周波数４４３．５ＭＨｚ及び共振周波数４５４．１ＭＨｚの２共振となり、その効果によりＶＳＷＲ＝２にて周波数帯域が約１６ＭＨｚと広帯域で、良好な特性が確保できた。またスミスチャートよりインピーダンスは５１Ωで発振回路の５０Ωに近く、整合が取れている。また放射パターンはほぼ無指向性であり、利得は−１５ｄＢｉと良好な特性が確保できた。

本実施例では、Ｌが約λg／６の場合を示したが、λg／１６以上でλg／４以下の範囲であれば、広帯域で無指向性で小型で高利得の本発明の誘電体アンテナを得ることができる。

図５の（ａ）に示す、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの誘電率２００の誘電体（チタン酸バリウム）基板２の表面に、帯状のスパイラル状のアンテナ電極３（３ａ、３ｂ、３ｄ）を銀電極印刷にて形成し、次いで誘電体基板２の裏面にアンテナ電極３に対向して給電用電極４および整合用電極６を銀電極印刷にて形成した。スパイラル状のアンテナ電極３ａ、３ｂが合流して一本にまとまったアンテナ電極３ｄの長さは所望の電波の実効波長をλgとして約２λg／９とした。給電用電極４の一端を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのプリント基板上に形成された給電線路５に、整合用電極６を接地導体にそれぞれハンダ接続にて実装した。給電線路５は発振回路７に接続され、発振回路７からの電力は給電線路５から給電用電極４を介し、アンテナ電極３へ電磁界結合にて給電した。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図６ａに示す。この測定結果より、本実施例図５の（ａ）のアンテナは２本のアンテナ電極３を有するため、ＶＳＷＲ特性より共振周波数３１５ＭＨｚ及び共振周波数３４１ＭＨｚの２共振である。２共振の周波数間隔が離れているため、所望の周波数３１５ＭＨｚを含む周波数帯域はＶＳＷＲ＝２にて約８ＭＨｚの帯域である。

所望の周波数３１５ＭＨｚを含む周波数帯域をより広帯域化するため、所望の周波数よりも高い周波数３４１ＭＨｚの共振を所望の周波数に近づける。そこで、図５の（ｂ）に示すアンテナ電極３ｂの長さＤを、図５の（ｃ）のように長く設定する。図５の（ｂ）と比較して、Ｄを長く設定した（図５の（ｃ））ことにより所望の周波数よりも高い周波数３４１ＭＨｚの共振は、共振周波数が低くなり、２共振の周波数間隔が近づく。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図５ｂに示す。この測定結果より、本実施例図５ｂのアンテナは、ＶＳＷＲ特性より共振周波数３１７．４ＭＨｚ及び共振周波数３２６．５ＭＨｚの２共振となり、所望の周波数３１５ＭＨｚを含む周波数帯域はＶＳＷＲ＝２にて約１７ＭＨｚと、良好な特性が確保できた。

本実施例では、Ｌが約２λg／９の場合を示したが、λg／１６以上でλg／４以下の
範囲であれば、広帯域で無指向性で小型で高利得の本発明の誘電体アンテナを得ることができる。

以上の実施例では、矩形のスパイラル状アンテナ電極を示したが、円形、三角形、多角形など各種形状のスパイラル状アンテナ電極でも同様の結果となった。

また、前記実施例では誘電体基板として、チタン酸バリウムを用いた場合を示したが、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、希土類酸化物などの高誘電率の材料を用いても同様の結果となった。

[比較例１]
図７ａに示す、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ２ｍｍの誘電率２００の誘電体（チタン酸バリウム）基板２の表面に、帯状の矩形のスパイラル状のアンテナ電極３を銀電極印刷にて１本形成し、次いで誘電体基板２の裏面にアンテナ電極３に対向して給電用電極４を銀電極印刷にて形成し、さらに誘電体基板２の側面にアンテナ電極３と導通接続した接地導体８を銀電極印刷にて形成した。給電用電極４の一端を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのプリント基板上に形成された給電線路５に、接地電極８を接地導体にそれぞれハンダ接続にて実装した。給電線路５は発振回路７に接続され、発振回路７からの電力は給電線路５から給電用電極４を介し、アンテナ電極３へ電磁界結合にて給電した。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図７ｂに、図７ｃにスミスチャートを示す。この測定結果より、本実施例のアンテナは、ＶＳＷＲ特性よりＶＳＷＲ＝２にて周波数帯域が２ＭＨｚとなった。またスミスチャートよりインピーダンスは５１Ωで発振回路の５０Ωに近く、整合が取れている。

しかし、本比較例のアンテナは、アンテナ電極が１本であることから、本発明の実施例１と比較して帯域が１８ＭＨｚ程度狭く、狭帯域である。そこで、本発明のように、少なくとも２本の平行なスパイラル状のアンテナにしなければ、広帯域で無指向性で高利得のアンテナを得ることができないことがわかる。

[比較例２]
図８ａに示す、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ２ｍｍの誘電率２００の誘電体（チタン酸バリウム）基板２の表面に、帯状のスパイラル状のアンテナ電極３（３ａ、３ｂ、３ｄ）を銀電極印刷にて形成し、次いで誘電体基板２の裏面にアンテナ電極３に対向して給電用電極４を銀電極印刷にて形成した。スパイラル状のアンテナ電極３ａ、３ｂが合流して一本にまとまったアンテナ電極３ｄの長さは所望の電波の実効波長をλgとして約λg／５とした。給電用電極４の一端を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのプリント基板上に形成された給電線路５にハンダ接続にて実装した。給電線路５は発振回路７に接続され、発振回路７からの電力は給電線路５から給電用電極４を介し、アンテナ電極３へ電磁界結合にて給電した。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図８ｂに、図８ｃにスミスチャートを示す。この測定結果より、本比較例の図８ａのアンテナは、ＶＳＷＲ特性より所望の共振周波数３１５ＭＨｚにてＶＳＷＲ＝２．５以上であり、スミスチャートよりインピーダンスは４１Ωで発振回路の５０Ωと不整合である。

これにより本比較例のアンテナは、整合用電極６もしくは接地電極８がなく、アンテナに整合回路が設けられていないため、インピーダンスが４１Ωで発振回路と不整合となり、良好な特性を確保できない。

[比較例３]
図９ａに示す、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの誘電率２００の誘電体（チタン酸バリウム）基板２の表面に、帯状のスパイラル状のアンテナ電極３（３ａ、３ｂ、３ｄ）を銀電極印刷にて形成し、次いで誘電体基板２の裏面にアンテナ電極３に対向して給電用電極４および整合用電極６を銀電極印刷にて形成した。スパイラル状のアンテナ電極３ａ、３ｂが合流して一本にまとまったアンテナ電極３ｄの長さは所望の電波の実効波長をλgとして約２λg／７とした。給電用電極４の一端を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのプリント基板上に形成された給電線路５に、整合用電極６を接地導体にそれぞれハンダ接続にて実装した。給電線路５は発振回路７に接続され、発振回路７からの電力は給電線路５から給電用電極４を介し、アンテナ電極３へ電磁界結合にて給電した。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図９ｃに示す。この測定結果より、本比較例図９ａのアンテナは、ＶＳＷＲ特性より共振周波数３３５ＭＨｚの１共振のみとなり、ＶＳＷＲ＝２にて周波数帯域が約２ＭＨｚと狭帯域となった。そのため、アンテナ電極３ｄの長さとしては、０．４λ以下とする必要があることがわかった。

これにより本比較例のアンテナは、複数本のアンテナ電極の一部を一本の電極にまとめる際、給電部に近い一端から長さＬをλg／４よりも大きな位置まで一本の電極にまとめてしまったため、アンテナ電極の本数分の共振が得られず狭帯域となり、良好な特性を確保できなかった。

[比較例４]
図１０ａに示す、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの誘電率２００の誘電体（チタン酸バリウム）基板２の表面に、帯状のスパイラル状のアンテナ電極３（３ａ、３ｂ、３ｄ）を銀電極印刷にて形成し、次いで誘電体基板２の裏面にアンテナ電極３に対向して給電用電極４および整合用電極６を銀電極印刷にて形成した。スパイラル状のアンテナ電極３ａ、３ｂが合流して一本にまとまったアンテナ電極３ｄの長さは実効波長をλgとして約λg／１７とした。給電用電極４の一端を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのプリント基板上に形成された給電線路５に、整合用電極６を接地導体にそれぞれハンダ接続にて実装した。給電線路５は発振回路７に接続され、発振回路７からの電力は給電線路５から給電用電極４を介し、アンテナ電極３へ電磁界結合にて給電した。

このアンテナを高周波ネットワークアナライザにて測定したＶＳＷＲ特性を図１０ｂに、図１０ｃにスミスチャートを、図１０ｄにＺＸ面の放射パターンを示す。この測定結果より、本比較例のアンテナは２本のアンテナ電極３を有するため、ＶＳＷＲ特性より共振周波数３１５．３ＭＨｚ及び共振周波数３２８．１ＭＨｚの２共振となり、その効果によりＶＳＷＲ＝２にて周波数帯域が約２０ＭＨｚと、良好な特性が確保できた。またスミスチャートよりインピーダンスは５１Ωで発振回路の５０Ωに近く、整合が取れている。

しかし、本比較例のアンテナは、複数本のアンテナ電極の一部を一本の電極にまとめる際、給電部に近い一端から長さＬをλg／１６よりも小さな位置で一本の電極にまとめてしまったため、線路の抵抗が下がらず、放射効率は上がらない。そのためＬの長さとしては、λg／１６以上必要であることがわかる。アンテナ利得は−２３ｄＢｉと低く、良好な特性を確保できなかった。

本発明の誘電体アンテナの一例を示す斜視図である。 表面のスパイラル形状のアンテナ電極を示す平面図である。 裏面の給電用電極を示す平面図である。 等価回路を示す図である。 ＶＳＷＲ特性を示す平面図である。 本発明の誘電体アンテナの一例を示す斜視図である。 等価回路を示す図である。 実施例１の誘電体アンテナを示す斜視図である。 ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 同スミスチャートを示す図である。 ＺＸ面の放射パターンを示す図である。 実施例２の誘電体アンテナを示す斜視図である。 ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 同スミスチャートを示す図である。 ＺＸ面の放射パターンを示す図である。 （ａ）は実施例３の誘電体アンテナを示す斜視図、（ｂ）は表面のスパイラル形状のアンテナ電極を示す平面図、（ｃ）は表面のスパイラル形状のアンテナ電極をＤ伸ばした状態を示す平面図である。 実施例３の誘電体アンテナのＶＳＷＲ特性を示すグラフであり、アンテナ電極長さ変更前を示すグラフである。 アンテナ電極長さ変更後を示すグラフである。 比較例１の誘電体アンテナを示す斜視図である。 ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 同スミスチャートを示す図である。 比較例２の誘電体アンテナを示す斜視図である。 ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 同スミスチャートを示す図である。 比較例３の誘電体アンテナを示す斜視図である。 表面の複数本のスパイラル形状のアンテナ電極の一部を長さＬでまとめて一本の電極とした状態を示す平面図である。 ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 比較例４の誘電体アンテナを示す斜視図である。 ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 同スミスチャートを示す図である。 ＺＸ面の放射パターンを示す図である。

符号の説明

１：誘電体アンテナ
２：誘電体基板
３：アンテナ電極
４：給電用電極
５：給電線路
６：整合用電極
７：発振回路
８：接地電極

Claims (4)

1. 平行平板状の誘電体基板の対向する２広面の一方の面に帯状の複数本のスパイラル形状のアンテナ電極を形成し、他方の面にアンテナ電極に対向して電磁界結合される給電用電極と整合用電極が形成されるとともに、前記アンテナ電極の給電用電極に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでが合流して一本のまとまった電極になったことを特徴とする誘電体アンテナ。
2. 平行平板状の誘電体基板の対向する２広面の一方の面に帯状の複数本のスパイラル形状のアンテナ電極を形成し、他方の面にアンテナ電極に対向して電磁界結合される給電用電極が形成され、前記誘電体基板の側面にアンテナ電極に導通接続された接地電極が形成されるとともに、前記アンテナ電極の給電用電極に近い一端から実効波長をλgとしてλg／１６≦Ｌ≦λg／４で規定される長さＬまでが合流して一本のまとまった電極になったことを特徴とする誘電体アンテナ。
3. 前記誘電体基板の対向する２広面の一方の面に帯状で平行な２本のスパイラル形状のアンテナ電極が形成された請求項１又は２に記載の誘電体アンテナ。
4. 前記スパイラル形状のアンテナ電極が矩形、曲線、円形、三角形又は多角形であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の誘電体アンテナ。

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