JP2008236705A - 超広帯域通信用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃に強く、しかも十分に小型の超広帯域通信用アンテナを提供する。
【解決手段】超広帯域通信用アンテナ１０によれば、非磁性金属粉末５０が混入された絶縁性の第１樹脂層２４および第２樹脂層２６によってアンテナ素子１４の両面が被覆されていることから、アンテナ素子１４は高い複素誘電率を有する第１樹脂層２４および第２樹脂層２６で覆われた状態となるので、寸法が大幅に小型化される。しかも、非磁性金属粉末５０が用いられているので、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内で発生する磁気の損失がなく、アンテナの損失が低く維持される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＵＷＢ（ウルトラワイドバンド：超広帯域）において用いられる超広帯域通信用アンテナに関するものである。

上記ＵＷＢを用いた通信は、中心周波数の２０％または５００ＭＨｚ以上の帯域を利用した通信方式であり、数百ＭＨｚ乃至数ＧＨｚの極めて広い帯域を使用する。その出力は、パソコンのノイズレベルよりも低いことから、既に利用されている周波数と共用可能であるだけでなく、高速通信が可能、測位、測距に応用、搬送波を用いないため回路がインパルス方式等で構成され得るために簡単となるという種々の特徴がある。このため、近い将来において種々の分野で利用の拡大が予想される。

上記ＵＷＢは非常に広範な帯域を利用するため、たとえばフルバンドで３．１乃至１０．６ＧＨｚ、ハイバンドで５乃至１０．６ＧＨｚ、ローバンドで３．１乃至５ＧＨｚの、従来にはなかったような超広帯域のアンテナが必要とされる。非特許文献１および特許文献１には、そのような超広帯域のアンテナが記載されている。
技術情報誌「ＦＩＮＤ」(vol.23 No.1)32-35頁 2005年 1月 富士通株式会社電子デバイス事業部発行 特開２００５−２１７８９７号公報

ところで、上記非特許文献１の第３５頁に開示された超広帯域のアンテナ、および特許文献１の段落００６５乃至００６９、図２２および図２３に開示された超広帯域のアンテナは平面アンテナ形式であるため、薄型化が可能となるものの、未だ十分に小型化ができず、用途が限定されるという欠点があった。たとえば上記非特許文献１の第３５頁に記載された平面形の超広帯域通信用のアンテナでは、３０ｍｍ×４０ｍｍの縦横寸法を必要とする。

これに対し、高い複素比誘電率を有するセラミックスを用いてアンテナ素子の周囲を覆うことや、樹脂を用いてアンテナ素子の周囲を覆うことにより、小型化することが考えられる。これは、セラミックスや樹脂の高い複素比誘電率によって電磁波の波長が圧縮されることを利用したものである。しかし、セラミックスを用いてアンテナ素子の周囲を覆う場合には、高価となるとともに衝撃に弱いという欠点がある。また、樹脂を用いてアンテナ素子の周囲を覆う場合には、高い複素比誘電率の樹脂を得ることが困難であるため未だ十分に小型化できないという欠点がある。さらに、高い複素比誘電率を得るために樹脂に磁性粉末を混入することも考えられるが、誘電と磁気の損失が大きくなり、アンテナ特性が低下するという不都合が発生する。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、衝撃に強く、損失が小さく、しかも十分に小型の超広帯域通信用アンテナを提供することにある。

本発明者は以上の事情を背景として種々研究を重ねた結果、アンテナ素子を覆う樹脂に非磁性金属粉末を混入させると、ＵＷＢの波長帯域においてその樹脂の誘電の損失係数 tanδ（＝ε”／ε’、但しε’およびε”は複素比誘電率の実部および虚部である。）＝０．０５以下と小さく、しかも非磁性金属粉末が用いられることから樹脂層内で発生する磁気の損失係数 tanδ（＝μ”／μ’、但しμ’およびμ”は複素比透磁率の実部および虚部である。）が小さく、アンテナの損失が低く維持される。従って、その樹脂層の比誘電率が格段に高くなり、衝撃に強く、寸法を大幅に小型化できる超広帯域通信用のアンテナが得られ、しかもアンテナの損失も好適に低く維持できることを見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、請求項１に係る発明の超広帯域通信用アンテナは、非磁性金属粉末が混入された絶縁性の樹脂層によって少なくとも一部が被覆されたアンテナ素子を含むことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の超広帯域通信用アンテナは、請求項１の発明において、前記アンテナ素子は平面状の導体から構成されたものであり、前記樹脂層は、前記アンテナ素子の少なくとも一面を覆うものであることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の超広帯域通信用アンテナは、請求項１または２の発明において、前記非磁性金属粉末は，前記樹脂層に対して１０乃至５０容積％の割合で混入されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の超広帯域通信用アンテナは、請求項１乃至３のいずれかの発明において、前記アンテナ素子は平面状の導体から構成されたものであり、前記樹脂層は、その平面状の導体の面方向において８乃至９０の範囲の複素比誘電率を備えたものであることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明の超広帯域通信用アンテナは、請求項１乃至４のいずれかの発明において、前記樹脂層は、前記アンテナ素子の少なくとも一面を一定の厚みで覆うものであり、成形型内に予め配置されたそのアンテナ素子と共に射出成形されたものであることを特徴とする。

請求項１に係る発明の超広帯域通信用アンテナによれば、非磁性金属粉末が混入された絶縁性の樹脂層によってアンテナ素子の少なくとも一部が被覆されていることから、アンテナ素子は高い複素比誘電率の樹脂で覆われた状態となる。したがって、電磁波の波長が大きく圧縮されて寸法を大幅に小型化することができる。また、セラミックスで被覆した場合に比較して衝撃に強い。しかも、非磁性金属粉末が用いられているので、樹脂層内で発生する磁気の損失がなく、すなわちその磁気の損失を示す損失係数 tanδ（＝μ”／μ’）が小さく、アンテナの損失が低く維持される。

また、請求項２に係る発明の超広帯域通信用アンテナによれば、前記アンテナ素子は平面状の導体から構成され、前記樹脂層はそのアンテナ素子の少なくとも一面を覆うものであることから、３次元的なアンテナとは異なり、平面状の導体の一面に樹脂層を設けることでアンテナ全体を薄くできるので、厚み寸法が大幅に小型化される。

また、請求項３に係る発明の超広帯域通信用アンテナによれば、前記非磁性金属粉末は、前記樹脂層に対して１０乃至５０容積％の割合で混入されていることから、その樹脂層の複素比誘電率が好適に高められるので、寸法が大幅に小型化される。

また、請求項４に係る発明の超広帯域通信用アンテナによれば、前記アンテナ素子は平面状の導体から構成されたものであり、前記樹脂層は、その平面状の導体の面方向において８乃至９０の範囲の複素比誘電率を備える。特に、樹脂層の厚み方向ではなく、面方向の複素比誘電率を規定することで、効果的に波長圧縮効果が得られ、大幅に小型の平面アンテナが構成される。

また、請求項５に係る発明の超広帯域通信用アンテナによれば、前記樹脂層は、前記アンテナ素子の少なくとも一面を一定の厚みで覆うものであり、成形型内に予め配置されたそのアンテナ素子と共に射出成形されたものであることから、成型と固着とが同時に行われ得て、量産性が高くなり、安価に製造できる利点がある。

ここで、好適には、前記非磁性金属粉末は、ＵＷＢの周波数帯で用いられたときに発生する磁気の損失が問題とならないほど小さな値であるという磁気的性質を有する金属粉末という意味であり、仮に磁化されたとしても上記損失が極めて小さいものであれば磁性体であっても差し支えない。一般には、所謂強磁性体を除く金属粉末であって、導電性に優れた金、銀、アルミ、銅、それらの合金、珪素鋼、それらの表面にメッキを施した金属粉末が好適に用いられる。

上記非磁性金属粉末は、前記樹脂層に対して混入させる割合を増加させるほどその樹脂層の複素比誘電率の増加に寄与し、金属粉末間の接触により樹脂層の絶縁が低下する割合となるまでは混入可能である。しかし、非磁性金属粉末の割合が前記樹脂層に対して１０容積％を下まわると樹脂層の複素比誘電率の増加が十分ではなく、超広帯域通信用アンテナの小型化に大幅に寄与できない。また、非磁性金属粉末の割合が前記樹脂層に対して５０容積％を上まわると、複素比誘電率が大きくなり過ぎて空気との間の整合性が乱れ、放射特性が低下する。また、前記樹脂層の複素比誘電率で言うと、アンテナ素子の面方向において複素比誘電率が８以下では小型化に十分な寄与が得られない。また、複素比誘電率の上限値を９０としたのは、製造上の限界からである。非磁性金属粉末の割合が前記樹脂層に対して５０容量％（偏平粉であれば４０容積％）を上まわると、射出成形を行う際の樹脂の流動性が悪くなり、十分な成形ができなくなる。

前記非磁性金属粉末は、粒径が小さくなるほど分散が偏在して複素比誘電率が不均一となり易く、粒径が大きくなるほど粉末間の接触等によって複素比誘電率が不均一となり易い。よって、非磁性金属粉末の粒径は、３乃至１００μｍの範囲が望ましい。なお、非磁性金属粉末は、球形の粉末だけでなく、偏平の形状の粉末であっても差し支えない。また、本明細書において、非磁性金属粉末の粒径は、平均粒径（Ｄ５０）を意味している。

また、前記超広帯域通信用アンテナは、モノポールアンテナ以外のアンテナ、たとえばダイポールアンテナなどの他の形式のアンテナであってもよいし、必ずしも平面アンテナでなくてもよい。

また、好適には、前記樹脂層は、半田の溶融温度に十分に耐える耐熱性とを有する点でポリフェニールサルファイド（ＰＰＳ）樹脂が好適に用いられるが、それだけでなく、用途に応じた一定の強度、絶縁性、半田の溶融温度に耐える耐熱性などを満足する絶縁性の樹脂であればよく、たとえばＰＥＴ樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、フェノール樹脂なども用いられるし、繊維が混入された繊維強化樹脂であってもよい。

以下、本発明の一実施例の超広帯域通信システムに用いられるアンテナを図面を用いて説明する。

図１は超広帯域通信に用いられる平面アンテナ（モノポール型。以下、単にアンテナという）１０の平面図、図２はそのアンテナ１０の側面図である。図１および図２のアンテナ１０において、長方形状の基板１２の一端部にはアンテナ素子１４が固定され、基板１２の他端部には同軸ケーブルを接続するためにＳＭＡコネクタ１６が設けられ、アンテナ素子１４とＳＭＡコネクタ１６との間はマイクロストリップ線路１８によって接続されている。アンテナ素子１４とＳＭＡコネクタ１６との間の基板１２の一部において、基板１２の幅寸法Ｗ１と同じ幅寸法を有する面状のＧＮＤ導体２０とそれよりも狭い幅寸法Ｗ３を有するライン状導体２２とが基板１２の裏面および表面に固着されており、それらＧＮＤ導体２０およびライン状導体２２によって所定長さＬ１の導波路すなわちマイクロストリップラインが構成されている。上記基板１２はたとえばガラス繊維で強化されたエポキシ樹脂板であるガラスエポキシ板から構成され、上記アンテナ素子１４、ＧＮＤ導体２０、およびライン状導体２２は、板状の導体たとえば銅板から構成されている。

上記アンテナ素子１４の両面、すなわちアンテナ素子１４の基板１２側の面１４ａおよびアンテナ素子１４の基板１２側とは反対側の面１４ｂは、一定の厚みを有する第１樹脂層（樹脂層）２４および第２樹脂層（樹脂層）２６によってそれぞれ被覆されており、アンテナ素子１４はその第１樹脂層２４を介して基板１２の表面に固着されている。アンテナ素子１４は、基板１２の幅寸法Ｗ１よりも小さく上記ライン状導体２２の幅寸法Ｗ３よりも大きい幅寸法Ｗ２と、長さＬ１よりも短い長さＬ２とを備え、ライン状導体２２側の一部が給電部２８に向かうほと幅寸法が小さく形成されて、全体として五角形状を成している。

上記給電部２８にはライン状導体２２の一端部が半田付により接続されるとともに、そのライン状導体２２の他端部にはＳＭＡコネクタ１６の端子が半田付により接続されており、ＳＭＡコネクタ１６に接続される図示しない同軸ケーブルコネクタから、ＳＭＡコネクタ１６およびライン状導体２２を介してアンテナ素子１４へ給電されるようになっている。

本実施例では、上記基板１２の長さ寸法（Ｌ１＋Ｌ２）は３１ｍｍ、基板１２の幅寸法Ｗ１は１０ｍｍ、基板１２の厚み寸法ＴＢは１．６ｍｍ、ライン状導体２２の長さ寸法Ｌ１は２２ｍｍ、アンテナ素子１４の長さ寸法Ｌ２は９ｍｍ、アンテナ素子１４の幅寸法Ｗ２は５．６ｍｍ、アンテナ素子１４の厚み寸法ＴＡは０．１ｍｍ、第１樹脂層２４の厚み寸法Ｔ１は０．３ｍｍ、第２樹脂層２６の厚み寸法Ｔ２は１ｍｍである。

上記第１樹脂層２４および第２樹脂層２６は、成形型内に予め配置されたアンテナ素子１４と共に射出成形されたものである。図３は、その射出成形に用いられる原料ペレット３０を造粒する原料ペレット造粒機３２および原料ペレット造粒工程を説明する図であり、図４は、その第１樹脂層２４および第２樹脂層２６を射出成形する射出成形機５６および射出成形工程を説明する図である。

図３に示される原料ペレット造粒機３２は、外周面に螺旋状のフィン３４を有し、駆動装置３６によって回転駆動されるスクリュー軸３８と、先端部のノズル４０を有し、スクリュー軸３８を同心位置に収容する円筒状のバレル４２と、そのバレル４２の外周面に巻き着けられたヒータ４４と、バレル４２に取り付けられてそのバレル４２内に材料を供給するための金属粉末ホッパ４６および樹脂ペレットホッパ４８とを備えている。このように構成された原料ペレット造粒機３２では、金属粉末ホッパ４６内の非磁性金属粉末５０および樹脂ペレットホッパ４８内の樹脂ペレット５２がバレル４２内に所定の割合で供給されるとともにスクリュー軸３８によってノズル４０側へ送られる過程で、樹脂ペレット５２がヒータ４４によって約３００℃程度に加熱されることにより溶融状態とされ且つ非磁性金属粉末５０がそれに均一に混合され、次いで、その非磁性金属粉末５０が混合された溶融状態の樹脂がノズル４０から連続的に押し出される。そして、その押し出された溶融状態の樹脂は速やかに固化しようとするが、その過程で図示しないカッターによってペレット状に切断されることにより、原料ペレット３０が造粒される。この原料ペレット３０の組成は、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６と同様であり、たとえばポリフェニールサルファイド樹脂中に、１０乃至５０容積％の割合で非磁性金属粉末５０が均一に混入させられたものである。

上記非磁性金属粉末５０は、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ガス水アトマイズ法などのよく知られた金属粉末製造方法を用いて３乃至１００μｍ程度の平均粒径Ｄ５０で造粒されたものである。上記ガスアトマイズ法では、垂直に配置された円筒状のチャンバー内において、上端部に設けられたタンディッシュの底に形成された細孔から溶湯を落下させる際に、円環状のノズルを用いて不活性ガスを落下中の溶湯の周囲からその溶湯に向かってテーパ状に噴射して溶湯を細粒化すると同時に凝固させ、次いで、回収された金属粉末から所望の平均粒径のものを分級により得るものである。このガスアトマイズ法を用いる場合は、比較的球形の金属粉末が得られる特徴がある。上記水アトマイズ法では、内部に水が貯留されたチャンバー内において、上端部に設けられたタンディッシュの底に形成された細孔から溶湯を落下させる際に、円環状のノズルを用いて高圧水を落下中の溶湯の周囲からその溶湯に向かってテーパ状に噴射して溶湯を細粒化すると同時に凝固させ、次いで、回収された金属粉末を乾燥後にそれから所望の平均粒径のものを分級により得るものである。この水アトマイズ法を用いる場合は、比較的偏平な形状の金属粉末が得られる特徴がある。ガス水アトマイズ法では、上記水アトマイズ法において、噴射するための高圧水が不活性ガスに変更される他は同様である。

図４に示される射出成形機５６は、外周面に螺旋状のフィン５８を有し、駆動装置６０によって回転駆動されるスクリュー軸６２と、先端部の射出ノズル６４を有し、スクリュー軸６２を同心位置に収容する円筒状のバレル６６と、そのバレル６６の外周面に巻き着けられたヒータ６８と、バレル６６に取り付けられてそのバレル６６内に前記原料ペレット３０を供給するための原料ペレットホッパ７０とを備えている。上記バレル６６の先端部には、トグル機構などにより構成された図示しない開閉機構によって開閉可能な射出成形金型（成形型）７２が固定されている。この射出成形金型７２は、一対の固定金型７２ａおよび可動金型７２ｂが組み合わされることにより構成されており、それら固定金型７２ａおよび可動金型７２ｂの組み合わせ面には、前記第１樹脂層２４および第２樹脂層２６を射出成形するための成形キャビティ（成形空間）７４が形成されている。このように構成された射出成形機５６では、原料ペレットホッパ７０内の原料ペレット３０がバレル６６内に供給されるとともにスクリュー軸６２によって射出ノズル６４側へ送られる過程で、ヒータ６８によって約３００℃程度に加熱されることにより溶融状態とされ、その溶融状態の原料が射出ノズル６４から射出される。上記射出成形金型７２内の成形キャビティ７４内には、前記アンテナ素子１４が所定の位置に予め設置されており、上記溶融状態の原料が射出ノズル６４を経て成形キャビティ７４内に充填された後、冷却により固化されて可動金型７２ｂが固定金型７２ａから離されると、成形された第１樹脂層２４および第２樹脂層２６がアンテナ素子１４の両面に固着した状態で得られる。すなわち、図１および図２に示されるような、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６により両面が覆われたアンテナ素子１４が得られる。

以下に、上述のアンテナ１０において、非磁性金属粉末として種々の材料を用いた場合および非磁性金属粉末５０の混入率を種々に変化させた場合の評価試験およびその結果を説明する。

[実験例１]
本実験例１では、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６として表１に示す材料成分を用いる他は前述のアンテナ１０と同様のアンテナ試料１０ａおよび１０ｂを作成した。なお、表１〜４において、複素比誘電率は４ＧＨｚの測定周波数を用いて測定されたものである。また、表１乃至表２に示す材料成分（金属成分）の添加量の数字は重量％表示である。

（表１）
アンテナ試料１０ａの樹脂層 アンテナ試料１０ｂの樹脂層
金属粉末成分 Ni-3.5Fe-3.5 B-3Mo-3Cu-3.8Si-0.5C Fe-13Cr
金属粉末の磁性 非磁性 磁性
体積充填率 ３０％ ３０％
金属粉末製造法 ガスアトマイズ法 ガス水アトマイズ法
金属粉末の形状 球状 偏平状
平均粒径 ５０μｍ ９μｍ
樹脂 ＰＰＳ樹脂 ＰＰＳ樹脂
複素比誘電率(4GHz) ８．４ １０．１
tan δ( ＝μ”／μ’） ０ ０．５
tan δ( ＝ε”／ε’） ０．０２ ０．０７

次いで、図５に示すように、垂直軸心Ｃまわりに回転可能なターンテーブル８０上において、アンテナ試料１０ａまたは１０ｂをその垂直軸心Ｃに沿って１．２ｍの高さ位置Ｈに立設し、そのアンテナ試料１０ａ、１０ｂに対して発信器（アジレントテクノロジー (株) 社製、Ｅ４４２２Ｂ型）８２から同軸ケーブル８４を介して、強度が−４ｄＢｍ、周波数が４ＧＨｚの信号を給電し、アンテナ試料１０ａまたは１０ｂから信号をそれぞれ放射させる。次いで、垂直軸心Ｃから３ｍの距離Ｋだけ離隔した位置に検出用のホーンアンテナ８６を支柱８８により支持し、そのホーンアンテナ８６で受けられた信号の強度（ｄＢｍ）をスペクトルアナライザ（アジレントテクノロジー (株) 社製、８５６５Ｅ型）９０を用いて測定し、上記アンテナ１０を垂直軸心Ｃまわりに回転させながら１０°毎にその測定を繰り返した。

図６は、上記アンテナ試料１０ａおよび１０ｂの測定結果を示している。図６において、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に非磁性の金属粉末を含有するアンテナ試料１０ａからの放射強度は実線で示され、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に磁性の金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｂからの放射強度は破線で示されている。アンテナ試料１０ａからの放射強度はアンテナ試料１０ｂからの放射強度を上まわり、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に磁性の金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｂでは、その磁性の金属粉末の持つ磁気の損失によりＵＷＢ帯域での電波の放射特性（アンテナゲイン）が劣化していることが示されている。つまり、図６では、非磁性の金属粉末を第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に含有させることで、アンテナ１０の放射特性が向上することが示されている。

[実験例２]
本実験例２では、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６として表２に示す材料成分を用いる他は前述のアンテナ１０と同様のアンテナ試料１０ｃおよび１０ｄを作成した。

（表２）
アンテナ試料１０ｃの樹脂層 アンテナ試料１０ｄの樹脂層
金属粉末成分 Ni-3.5Fe-3.5 B-3Mo-3Cu-3.8Si-0.5C SUS304
金属粉末の磁性 非磁性 非磁性
体積充填率 ３０％ ２４％
金属粉末製造法 ガスアトマイズ法 ガス水アトマイズ法
金属粉末の形状 球状 偏平状
平均粒径 ５０μｍ ２０μｍ
樹脂 ＰＰＳ樹脂 ＰＰＳ樹脂
複素比誘電率(4GHz) ８．４ ８．２
tan δ( ＝μ”／μ’） ０ ０
tan δ( ＝ε”／ε’） ０．０４ ０．０４

次いで、図５に示すように、垂直軸心Ｃまわりに回転可能なターンテーブル８０上において、アンテナ試料１０ｃまたは１０ｄをその垂直軸心Ｃに沿って１．２ｍの高さ位置Ｈに立設し、そのアンテナ試料１０ｃまたは１０ｄに対して発信器（アジレントテクノロジー (株) 社製、Ｅ４４２２Ｂ型）８２から同軸ケーブル８４を介して、強度が−４ｄＢｍ、周波数が４ＧＨｚの信号を給電し、アンテナ試料１０ｃまたは１０ｄから信号をそれぞれ放射させる。次いで、垂直軸心Ｃから３ｍの距離Ｋだけ離隔した位置に位置する検出用のホーンアンテナ８６を支柱８８により支持し、そのホーンアンテナ８６で受けられた信号の強度（ｄＢｍ）をスペクトルアナライザ（アジレントテクノロジー (株) 社製、８５６５Ｅ型）９０を用いて測定し、上記アンテナ１０を垂直軸心Ｃまわりに回転させながら１０°毎にその測定を繰り返した。

図７は、上記アンテナ試料１０ｃおよび１０ｄの測定結果を示している。図７において、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に球状の非磁性金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｃからの放射強度は実線で示され、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に偏平形状の非磁性金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｄからの放射強度は破線で示されている。アンテナ試料１０ｃからの放射強度はアンテナ試料１０ｄからの放射強度と同等であり、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内の非磁性の金属粉末の形状および平均粒径の変化に拘わらず、ＵＷＢ帯域での電波の放射特性が同等であることが示されている。

[実験例３]
本実験例３では、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６として表３に示す材料成分を用いる他は前述のアンテナ１０と同様のアンテナ試料１０ｅおよび１０ｆを作成した。

（表３）
アンテナ試料１０ｅの樹脂層 アンテナ試料１０ｆの樹脂層
金属粉末成分 SUS316 Cu
金属粉末の磁性 非磁性 非磁性
体積充填率 ２０％ ２５％
金属粉末製造法 ガス水アトマイズ法 ガスアトマイズ法
金属粉末の形状 球状 球状
平均粒径 ２４μｍ ８．２μｍ
樹脂 ＰＰＳ樹脂 ＰＰＳ樹脂
複素比誘電率(4GHz) ９．２ ９．８
tan δ( ＝μ”／μ’） ０ ０
tan δ( ＝ε”／ε’） ０．０３ ０．０２

次いで、図５に示すように、垂直軸心Ｃまわりに回転可能なターンテーブル８０上において、アンテナ試料１０ｅまたは１０ｆをその垂直軸心Ｃに沿って１．２ｍの高さ位置Ｈに立設し、そのアンテナ試料１０ｅまたは１０ｆに対して発信器（アジレントテクノロジー (株) 社製、Ｅ４４２２Ｂ型）８２から同軸ケーブル８４を介して、強度が−４ｄＢｍ、周波数が４ＧＨｚの信号を給電し、アンテナ試料１０ｅまたは１０ｆから信号をそれぞれ放射させる。次いで、垂直軸心Ｃから３ｍの距離Ｋだけ離隔した位置に位置する検出用のホーンアンテナ８６を支柱８８により支持し、そのホーンアンテナ８６で受けられた信号の強度（ｄＢｍ）をスペクトルアナライザ（アジレントテクノロジー (株) 社製、８５６５Ｅ型）９０を用いて測定し、上記アンテナ１０を垂直軸心Ｃまわりに回転させながら１０°毎にその測定を繰り返した。

図８は、上記アンテナ試料１０ｅおよび１０ｆの測定結果を示している。図８において、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に球状の非磁性金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｅからの放射強度は実線で示され、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に球状の非磁性金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｆからの放射強度は破線で示されている。アンテナ試料１０ｅからの放射強度はアンテナ試料１０ｆからの放射強度と同等であり、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内の非磁性の金属粉末の平均粒径の変化に拘わらず、ＵＷＢ帯域での電波の放射特性が同等であることが示されている。

[実験例４]
本実験例４では、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６として表４に示す材料成分を用いる他は前述のアンテナ１０と同様のアンテナ試料１０ｇおよび１０ｈを作成した。本実験例４では、金属粉末が偏平形状とされ且つ粒径が大きくされたものが用いられるとともに、アンテナ試料１０ｈでは体積充填率が高められている。

（表４）
アンテナ試料１０ｇの樹脂層 アンテナ試料１０ｈの樹脂層
金属粉末成分 SUS316 SUS316
金属粉末の磁性 非磁性 非磁性
体積充填率 ３０％ ４０％
金属粉末製造法 ガス水アトマイズ法 ガスアトマイズ法
金属粉末の形状 偏平状 偏平状
平均粒径 ４６μｍ ４６μｍ
樹脂 ＰＰＳ樹脂 ＰＰＳ樹脂
複素比誘電率(4GHz) ３６．８ ８６．３
tan δ( ＝μ”／μ’） ０ ０
tan δ( ＝ε”／ε’） ０．０３ ０．０３

次いで、図５に示すように、垂直軸心Ｃまわりに回転可能なターンテーブル８０上において、アンテナ試料１０ｇまたは１０ｈをその垂直軸心Ｃに沿って１．２ｍの高さ位置Ｈに立設し、そのアンテナ試料１０ｇまたは１０ｈに対して発信器（アジレントテクノロジー (株) 社製、Ｅ４４２２Ｂ型）８２から同軸ケーブル８４を介して、強度が−４ｄＢｍ、周波数が４ＧＨｚの信号を給電し、アンテナ試料１０ｇまたは１０ｈから信号をそれぞれ放射させる。次いで、垂直軸心Ｃから３ｍの距離Ｋだけ離隔した位置に位置する検出用のホーンアンテナ８６を支柱８８により支持し、そのホーンアンテナ８６で受けられた信号の強度（ｄＢｍ）をスペクトルアナライザ（アジレントテクノロジー (株) 社製、８５６５Ｅ型）９０を用いて測定し、上記アンテナ１０を垂直軸心Ｃまわりに回転させながら１０°毎にその測定を繰り返した。

図９は、上記アンテナ試料１０ｇおよび１０ｈの測定結果を示している。図９において、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に偏平状の非磁性金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｇからの放射強度は実線で示され、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内に偏平状の非磁性金属粉末を含有するアンテナ試料１０ｈからの放射強度は破線で示されている。アンテナ試料１０ｇからの放射強度はアンテナ試料１０ｈからの放射強度と同等であり、ＵＷＢ帯域での電波の放射特性が同等であることが示されている。

[実験例５]
本実験例５では、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６として，前述のアンテナ試料１０ａ、１０ｃと同様の材料成分（金属粉末の成分：Ni-3.5Fe-3.5 B-3Mo-3Cu-3.8Si-0.5C 、金属粉末の磁性：非磁性、金属粉末の製造方法：ガスアトマイズ法、金属粉末の平均粒径：５０μｍ、樹脂：ＰＰＳ樹脂）および形状であるが、表５に示す３種類の体積充填率（％：体積割合）のアンテナ試料１０ｉ、１０ｊ，および１０ｋを作成した。

（表５）
試料１０ｉの樹脂層 試料１０ｊの樹脂層 試料１０ｋの樹脂層
体積充填率 ５０％ ３０％ １０％
複素比誘電率(4GHz) ２０ ８．４ ７

次いで、図１０に示すように、アンテナ試料１０ｉ、１０ｊ、１０ｋと前述の実験例４で作成されたアンテナ試料１０ｇ、１０ｈとを図５と同様に実装し、それにネットワークアナライザ（ヒーレットパッカード (株) 社製、ＨＰ８５１０Ｃ）９２を同軸ケーブル９４を介して接続し、電圧定在波比ＶＳＷＲ（voltage standing wave ratio ）を周波数を変化させつつ測定した。この電圧定在波比ＶＳＷＲは、進行波と反射波との干渉から生まれる、伝送線路上の定在波の最大電圧の絶対値｜Vmax｜を最少電圧の絶対値｜Vmin｜で割った値であり、その値が小さいほど、反射が小さく、アンテナとして良い特性となる。

ＶＳＷＲ＝｜Vmax｜／｜Vmin｜＝（１＋｜Γ｜）／（１−｜Γ｜）
但し、Γは反射係数であり、Γ＝反射波電圧ｖ_Ｒ／進行波電圧ｖ_Ｆである。

図１１は、上記アンテナ試料１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋについての電圧定在波比ＶＳＷＲの測定結果を示している。図１１において、アンテナ試料１０ｉの電圧定在波比ＶＳＷＲは実線で示され、アンテナ試料１０ｊの電圧定在波比ＶＳＷＲは１点鎖線で示され、アンテナ試料１０ｋの電圧定在波比ＶＳＷＲは２点鎖線で示され、アンテナ試料１０ｇの電圧定在波比ＶＳＷＲは３点鎖線で示され、アンテナ試料１０ｈの電圧定在波比ＶＳＷＲは４点鎖線で示されている。図１１から明らかなように、約３ＧＨｚを超える周波数領域において、アンテナ試料１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋはいずれも電圧定在波比ＶＳＷＲが３以下の良好な値を示している。図１１に示すように、周波数がＵＷＢの下限値である３．１ＧＨｚのとき、アンテナ試料１０ｋは電圧定在波比ＶＳＷＲが３を示し、アンテナ性能上の限界である。また、非磁性金属粉末が５０容量％を超えると、十分な成形性が得られず、製造上の限界である。したがって、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６において、非磁性金属粉末の割合が１０乃至５０容積％であれば、好適な低い電圧定在波比ＶＳＷＲが得られる。

上述のように、本実施例のアンテナ１０によれば、非磁性金属粉末５０が混入された絶縁性の第１樹脂層２４および第２樹脂層２６によってアンテナ素子１４の両面が被覆されていることから、アンテナ素子１４は高い複素比誘電率を有する第１樹脂層２４および第２樹脂層２６で覆われた状態となる。したがって、電磁波の波長が圧縮されて寸法が大幅に小型化される。しかも、非磁性金属粉末５０が用いられているので、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６内で発生する磁気の損失がなく、アンテナの損失が低く維持される。

また、本実施例のアンテナ１０によれば、アンテナ素子１４は平面状の導体から構成され、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６はそのアンテナ素子１４の一面を覆うものであることから、アンテナ全体を薄くすることができ、小型化が可能となる。因みに、非特許文献１の写真２に示される平面モノポールアンテナの縦横寸法は４０×３０ｍｍであるのに対し、本実施例のアンテナ１０の縦横寸法は、３１×１０ｍｍであり、大幅に小型化されている。

また、本実施例のアンテナ１０によれば、非磁性金属粉末５０は，第１樹脂層２４および第２樹脂層２６に対して１０乃至５０容積％の割合で混入されていることから、その第１樹脂層２４および第２樹脂層２６の複素比誘電率が好適に高められるので、寸法が大幅に小型化される。

また、本実施例のアンテナ１０によれば、アンテナ素子１４は平面状の導体から構成されたものであり、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６は、その平面状の導体の面方向において８乃至２０の範囲の複素比誘電率を備えたものである。したがって、波長圧縮効果が得られて、大幅に小型の平面アンテナが構成される。

また、本実施例のアンテナ１０によれば、第１樹脂層２４および第２樹脂層２６は、アンテナ素子１４を一定の厚みで覆うものであり、成形型７２内に予め配置されたアンテナ素子１４と共に射出成形されたものであることから、成型と固着とが同時に行われ得て、量産性が高くなり、安価に製造できる利点がある。

また、本実施例のアンテナ１０は、ＵＷＢ（ウルトラワイドバンド：超広帯域）通信システムで使用される３〜５ＧＨｚ帯の周波数帯域で良好な特性が得られる。

また、本実施例のアンテナ１０によれば、アンテナ素子１４は、ストリップ型導波路の一端部に接続された平面アンテナ（モノポール型）であることから、一層小型に構成される利点がある。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例において、アンテナ素子１４の両面が第１樹脂層２４および第２樹脂層２６によって覆われていたが、アンテナ素子１４の両面のうちの一方のみが第１樹脂層２４または第２樹脂層２６によって覆われるようにしても一応の小型化の効果が得られる。

また、前述のアンテナ１０の形状は、五角形であったが、他の形状であってもよいし、線状或いは櫛型のアンテナであってもよい。

また、前述の実施例において、マイクロストリップの長さＬ１は、アンテナ素子１４の長さＬ２よりも長く設定されていたが、そのアンテナ素子１４の長さＬ２と同等であってもよいし、そのアンテナ素子１４の長さＬ２よりも短く設定されていてもよい。それらの長さＬ１およびＬ２は、必要とするアンテナ素子１４の放射性能に応じて、適宜設定される。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明の一実施例の超広帯域通信用アンテナを示す平面図である。 図１の実施例の超広帯域通信用アンテナを示す側面図である。 図１の実施例の第１樹脂層および第２樹脂層の成形原料となる原料ペレットを造粒する原料ペレット造粒機の要部構成を説明する図である。 図１の実施例の第１樹脂層および第２樹脂層を射出成形する射出成形機の要部構成を説明する図である。 実験例１および４において用いられた測定装置の構成を説明する図である。 実験例１の実験結果を示す図である。 実験例２の実験結果を示す図である。 実験例３の実験結果を示す図である。 実験例４の実験結果を示す図である。 実験例５において用いられた測定装置の構成を説明する図である。 実験例５の実験結果を示す図である。

符号の説明

１０：超広帯域通信用アンテナ（アンテナ）
１４：アンテナ素子
２４：第１樹脂層（樹脂層）
２６：第２樹脂層（樹脂層）
５０：非磁性金属粉末
７２：射出成形金型（成形型）

Claims (5)

1. 非磁性金属粉末が混入された絶縁性の樹脂層によって少なくとも一部が被覆されたアンテナ素子を含むことを特徴とする超広帯域通信用アンテナ。
2. 前記アンテナ素子は平面状の導体から構成されたものであり、
   前記樹脂層は、前記アンテナ素子の少なくとも一面を覆うものであることを特徴とする請求項１の超広帯域通信用アンテナ。
3. 前記非磁性金属粉末は，前記樹脂層に対して１０乃至５０容積％の割合で混入されていることを特徴とする請求項１または２の超広帯域通信用アンテナ。
4. 前記アンテナ素子は平面状の導体から構成されたものであり、
   前記樹脂層は、該導体の面方向において８乃至９０の範囲の複素比誘電率を備えたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの超広帯域通信用アンテナ。
5. 前記樹脂層は、前記アンテナ素子の少なくとも一面を一定の厚みで覆うものであり、成形型内に予め配置された該アンテナ素子と共に射出成形されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの超広帯域通信用アンテナ。

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