JP2013157982A - 高効率広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】高効率広帯域アンテナを提供する。
【解決手段】本発明のアンテナは、導体部と、前記導体部上に配置された誘電体基板と、前記誘電体基板の上に形成されたスロット部と、前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域に形成された空洞部とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高効率及び広帯域特性を有するアンテナに関する。

スロットアンテナの裏面に空洞（ｃａｖｉｔｙ）を設けた空洞−バックスロットアンテナ（ｃａｖｉｔｙ−ｂａｃｋｅｄ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ）は、アンテナが置かれる場所に存在する物質の電気的特性による影響が少ないので、高効率アンテナ製造に適する。このため、空洞−バックスロットアンテナは、アンテナ裏面に地面及び人体などの損失媒質が存在するシステムにおいて数多く用いられる。

スロットアンテナの広帯域特性を取得するためには、スロットの幅を広げて広帯域を確保する技術を適用できる。ところが、高さの低い空洞−バックスロットアンテナのようなスロットアンテナの後側に導体が位置する場合、スロットの幅が基板の高さよりも大きい場合には帯域幅の増加に関する効果が少ないという問題がある。

本発明の目的は、スロット部の下方の誘電体の除去によって高い効率を有すると同時に、広帯域特性を確保できる、高さの低いアンテナを実現する。
また、本発明の他の目的は、高誘電率の基板を用いて空洞の大きさを減らすことにある。

本発明に係る一実施形態のアンテナは、導体部と、前記導体部上に配置された誘電体基板と、前記誘電体基板の上に形成されたスロット部と、前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域に形成された空洞部とを備える。

前記空洞部は、前記誘電体基板の上面から下面まで貫通して形成されてもよい。
前記空洞部は、前記誘電体基板の上面から下面方向に形成され、前記下部導体部と接触しないように形成されてもよい。
前記誘電体基板は、高誘電率の基板を含んでもよい。
前記スロット部は、前記アンテナの中心部に対して対称になるように前記アンテナの外側から延長する第１スロット部及び前記第１スロット部の両端から延長する第２スロット部を含んでもよく、前記スロット部は「Ｈ」の形状を有してもよい。
また、前記スロット部は、前記アンテナの中心部に対して対称になるように前記アンテナの外側から延長し、蛇行（ｍｅａｎｄｅｒ）形状、ジグザグ形状、波形、階段形状またはこの組合せの形状を有してもよい。
前記アンテナは、前記誘電体基板の上面に形成され、スロット部が形成された上部導体部をさらに備えてもよい。
前記空洞部の形状は、前記スロット部の形状に対応する。

本発明の別の実施形態に係るアンテナでは、誘電体基板と、前記誘電体基板の下面に形成された下部導体と、前記誘電体基板の上面に形成されたスロット部とを含み、前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域は空気で満たされて前記スロット内の誘電率が減少する。

前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域の空気で満たされた部分は、前記誘電体基板を貫通して形成されてもよい。
前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域の空気で満たされた部分は、前記下部導体と接触しないように形成されてもよい。
前記誘電体基板は高誘電率の基板を含み、前記スロット部は、蛇行状または「Ｈ」の形状を有してもよい。
前記誘電体基板の上面に形成され、前記スロット部が形成された上部導体をさらに含んでもよい。

本発明のさらに別の実施形態に係るアンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板の一面に結合された導体基板と、前記導体基板上に形成されたスロット部と、前記スロット部に対応する誘電体基板内に形成された穴とを備える。

本発明によれば、スロット部の下方の誘電体を除去することによって高い効率を有すると同時に、広帯域特性を確保できるため、低い高さのアンテナを実現できる。
また、高誘電率の基板を用いて空洞の大きさを減らすことができる。

本発明の一実施形態に係る高効率広帯域アンテナの平面図である。 図１に示すＡ部分の拡大斜視図である。 図１に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 本発明に係る高効率広域アンテナの等価回路図である。 高効率広帯域アンテナに蛇行状のスロット部が適用された平面図である。 本発明の他の実施形態に係る高効率広帯域アンテナの一部を示した斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付する図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施形態によって制限されたり限定されることはない。また、各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を示す。

図１は、本発明の一実施例に係る高効率広帯域アンテナの平面図であり、図２は、図１に示すＡ部分の拡大斜視図である。

図１及び２を参照すると、高効率広帯域アンテナ１００は、誘電体基板１１０、下部導体部１２２、上部導体部１２４、スロット部１３０、空洞部１４０を備える。

高効率広帯域アンテナ１００は人体に接触するアンテナとして用いられてもよく、人体で発生する損失が大きいが、安全のために送信機のパワーが制限されるという場合に、高い効率と広い帯域幅を実現できるように設計されうる。
したがって、高効率広帯域アンテナ１００は、厚さが薄い空洞−バックスロットアンテナ（ｃａｖｉｔｙ−ｂａｃｋｅｄ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ）で実現され得る。参考までに、スロットアンテナの裏面に空洞（ｃａｖｉｔｙ）を設けて製造した空洞−バックスロットアンテナは、アンテナが置かれる場所に存在する物質の電気的特性による影響が少ないため、アンテナの裏面に地面及び人体などの損失媒質が存在するシステムに適する。

誘電体基板１１０の上面には上部導体部１２４が配置され、下面には下部導体部１２２が配置される。
本実施形態では、誘電体基板１１０がほぼ四角プレートの形状を有するものを例示及び図示するが、これに限定されることなく、多角形または円形のプレートで形成されてもよい。

誘電体基板１１０の上面にはスロット部１３０が形成され、上部導体部１２４が所定のパターンで除去され、誘電体層が一部露出したスロット部の形態に形成される。スロット部１３０は、送受信電波の１／２波長の長さを有して直線に延びて形成される部分を含む。

さらに、以下で詳細説明するが、スロット部１３０の下方に投影される誘電体基板１１０の領域には空気が満たされる空洞部１４０が形成される。

図３は図１におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、図４は一実施形態に係る高効率広帯域アンテナ１００の等価回路図である。

図２及び３に示すように、空洞部１４０はスロット部１３０の下方に位置する誘電体が除去された空間であって、誘電体基板１１０の上面から下面まで貫通して形成される。すなわち、空洞部１４０はスロット部１３０に対応する誘電体基板１１０の下方部分が除去されることによって空洞部１４０の形状がスロット部１３０の形状に整列されるように形成され、空洞部１４０は空洞底面が、下部導体部１２２と接する位置まで形成される。
また、空洞部１４０は誘電体基板１１０の上面から下面方向に形成されるが、下部導体部１２２と接しない深さまで形成されてもよい。すなわち、空洞部１４０は、スロット部１３０の下方に投影される誘電体基板１１０の一部だけを除去することによって形成されてもよい。

空洞部１４０による高効率広帯域アンテナ１００の効率増加及び帯域幅増加については以下で詳細に説明する。
図４に示すように、半波長の長さの空洞−バックスロットアンテナは先端が短絡（ｓｈｏｒｔ）されている１／４波長の長さの送信回路と等価であるので、並列共振器に類似のインピーダンス特性を有する。
並列共振器のＱ−ｆａｃｔｏｒは次の数式（１）の通りである。
参考までに、Ｑ−ｆａｃｔｏｒは同調回路の共振の鋭さを示し、インダクタンスＬあるいはキャパシタンスＣ（静電容量）の両端における電圧（直列共振の場合）または、その部分に流れる電流（並列共振の場合）の全体電圧または電流に対する倍数を示す。

［数１］
Ｑ＝ω_０ＣＲ （１）
ここで、ＱはＱ−ｆａｃｔｏｒ、ω_０は共振時周波数、Ｃはキャパシタンス、Ｒは抵抗である。

そして、帯域幅（ＢＷ；ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）は次の数式（２）のように示される。
［数２］
ＢＷ＝１／Ｑ
＝１／ω_０ＣＲ （２）

したがって、キャパシタンスＣと帯域幅ＢＷは反比例の関係であり、キャパシタンスＣが小さくなるほど帯域幅ＢＷは広くなる。

再び図３を参照すると、スロット部１３０の下方に投影される誘電体基板１１０の部分を除去すれば、スロット部１３０間の誘電率が減少する。すなわち、空洞部１４０には空気が満たされ、空気の誘電率ε_０は誘電体基板１１０の誘電率よりも低い。
空洞部１４０に誘電体基板１１０の誘電体が満たされた場合に比べて空洞部１４０に空気が満たされたとき、スロット部１３０間の誘電率が減少するためキャパシタンスＣは減少する。
このように減少したキャパシタンスＣによって共振器のＱ−ｆａｃｔｏｒが減少し、これによって高効率の広帯域アンテナ１００の帯域幅が広くなる。

また、スロット部内には強い電場Ｅが発生するが、高効率広帯域アンテナ１００によれば、誘電体基板１１０で発生する誘電損失が減少するのでアンテナ効率は増加する。

高効率広帯域アンテナ１００は、空洞部１４０によって広帯域特性を示すように、低いキャパシタンスＣを有するが、下記の数式（３）に示すように、キャパシタンスＣとインダクタンスＬは共振周波数ω_０が同一である時互いに反比例の関係にある。
［数３］
ω_０＝１／（ＬＣ）^０．５ （３）

すなわち、共振時各周波数ω_０を一定にするためには、キャパシタンスＣが低くなる分、インダクタンスＬを増加させる必要があり、スロット部１３０の追加的な長さを確保することによってインダクタンスＬを増加できる。

再び、図１を参照すれば、スロット部１３０は、誘電体基板１１０の中心部に対して対称になるよう誘電体基板１１０の外側に向かって延長する第１スロット部１３２及び第１スロット部１３２の両端で折り曲げられた第２スロット部１３４を含む。このようなスロット部１３０は「Ｈ」の形状を有する。すなわち、スロット部１３０は、第１スロット部１３２の両端にそれぞれ形成された第２スロット部１３４だけの追加的な長さを確保することによって、インダクタンスＬを増加させてキャパシタＣの減少された量だけ補償できる。

図５は、蛇行（ｍｅａｎｄｅｒ）形状を有するスロット部１３０が適用された高効率広帯域アンテナ１００の平面図を示す。
図５に示すように、スロット部１３０は、誘電体基板１１０の中心部に対して対称になるように外側から延長形成されるが、ここで、スロット部１３０の少なくとも一部分は蛇行状のスロット部１３６のように形成される。
スロット部１３０を蛇行状に折れ曲がって形成することで追加的な長さが確保され、これによってインダクタンスＬを増加させてキャパシタＣの減少された量だけ補償できる。

また、スロット部１３０は、誘電体基板１１０の中心部に対して対称になるように外側から延長形成され、ジグザグ形状、波形または階段形状のうち少なくとも１つの形状を含んで構成されてもよい。

本実施形態ではスロット部１３０がＨ形状、蛇行状、ジグザグ形状、波形または階段形状を有するものを例示及び図示したが、これに限定されることなく、追加的な長さを確保することでインダクタンスＬを増加させてキャパシタＣの減少した量だけ補償できる形状であれば、いずれの形状であってもよい。

図６は、本発明の他の実施形態に係る高効率広帯域アンテナ２００の平面図である。
図６を参照すれば、高効率広帯域アンテナ２００は、誘電体基板２１０、誘電体基板２１０の一面に結合して少なくとも１つのスロット部２３０が形成された導体基板２２０を含み、スロット部２３０の下方に投影される誘電体基板２１０の領域は部分的に除去されて穴を形成する。前記穴は空気で満たされてもよい。
このような高効率広帯域アンテナ２００はスロットアンテナに具現され、空洞の下に位置する導体基板が別に形成されていない。

スロット部２３０の下方に投影される誘電体領域は除去されて空気で満たされており、これによってスロット部２３０間の誘電率が減少することからキャパシタンスが減少する。減少したキャパシタンスによりスロット部２３０の帯域幅が広くなる。
また、スロット部２３０内には強い電場が発生するが、高効率広帯域アンテナ２００では、誘電体基板２１０で発生する誘電損失が減少するためアンテナ効率は増加する。

スロット部２３０の下方に投影される誘電体領域は、誘電体基板２１０の一面から他面に貫通するように形成されてもよく、または、誘電体基板２１０の上面から一部だけ除去されてもよい。
スロット部２３０は、蛇行状またはＨ形状に形成されてキャパシタンスの減少に対応してインダクタンスを増加するよう、スロット部２３０の長さを効率的に確保できる。

一般の空洞−バックスロットアンテナと本発明に係る高効率広帯域アンテナ１００の帯域幅及び効率を比較した実験を行い、その結果を示す。
人体に接して、アンテナを配置することを仮定してシミュレーションを行い、人体は誘電率ε_ｒが３５．１５、導電率σは１．１６Ｓ／ｍである１００ｘ１００ｘ３０ｍｍの大きさを有する材料にモデリングした。また、スロット部の幅は１ｍｍにし、３種類の異なる基板（ＲＴ６０１０、ＲＴ５８００、ＦＲ−４）にそれぞれ３個のアンテナ高さ１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍをもって実験して帯域幅及び効率を測定した。

［試験例１］
ＲＴ５８８０基板を使用した。ＲＴ５８８０基板の誘電率は２．２であり、損失タンジェントは０．０００９である。

試験例１によれば、一般的な空洞−バックスロットアンテナ（ｎｏｔ ａｐｐｌｉｅｄ）と比較すると、アンテナの高さによらず、本発明に係る高効率広帯域アンテナ（ａｐｐｌｉｅｄ）の帯域幅（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）が増加し、効率（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）も全て増加した。

［試験例２］
ＲＴ６０１０基板を使用した。ＲＴ６０１０基板の誘電率は１０．２であり、損失タンジェントは０．００２３である。

試験例２によれば、一般的な空洞−バックスロットアンテナと比較すると、アンテナの高さによらず、本発明に係る高効率広帯域アンテナの帯域幅が増加し、効率も全て増加した。

［試験例３］
ＦＲ−４基板を使用した。ＦＲ−４基板の誘電率は４．７であり、損失タンジェントは０．０２５である。

試験例３によれば、一般的な空洞−バックスロットアンテナと比較すると、アンテナの高さによらず、本発明に係る高効率広帯域アンテナの帯域幅が増加し、効率も全て増加した。

上記の試験例から把握されるように、本発明に係る高効率広帯域アンテナを利用すれば、帯域幅と効率が全て増加することが分かり、高さの低いアンテナを設計でき、大きさを減少できる。

上述したように、本発明を限定された実施形態を図面によって説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形が可能である。
したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と同等なものを含むものである。

１００、２００ 高効率広帯域アンテナ
１１０、２１０ 誘電体基板
１２２ 下部導体部
１２４ 上部導体部
１３０、２３０ スロット部
１３２ 第１スロット部
１３４ 第２スロット部
１３６ 蛇行状スロット部
１４０ 空洞部
２２０ 導体基板

Claims (16)

1. 導体部と、
   前記導体部上に配置された誘電体基板と、
   前記誘電体基板の上に形成されたスロット部と、
   前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域に形成された空洞部と、
   を備えることを特徴とするアンテナ。
2. 前記空洞部は、前記誘電体基板の上面から下面まで貫通し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。
3. 前記空洞部は、前記誘電体基板の上面から下面方向に形成され、前記下部導体部と接触しないように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。
4. 前記スロット部は、前記アンテナの中心部に対して対称になるように前記アンテナの外側から延長する第１スロット部及び前記第１スロット部の両端から延長する第２スロット部を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記スロット部は「Ｈ」の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記スロット部は、前記アンテナの中心部に対して対称になるように前記アンテナの外側から延長し、蛇行（ｍｅａｎｄｅｒ）形状、ジグザグ形状、波形、階段形状またはこの組合せの形状を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記空洞部の形状は、前記スロット部の形状に整列されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
8. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の下面に形成された下部導体と、
   前記誘電体基板の上面に形成されたスロット部と、
   を含み、
   前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域は空気で満たされて前記スロット部内の誘電率が減少することを特徴とするアンテナ。
9. 前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域の空気で満たされた部分は、前記誘電体基板を貫通して形成されることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記スロット部の下方に投影される誘電体基板領域の空気で満たされた部分は、前記下部導体と接触しないように形成されることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
11. 前記誘電体基板の上面に形成され、前記スロット部が形成された上部導体をさらに含むことを特徴とする請求項１又は８に記載のアンテナ。
12. 誘電体基板と、
    前記誘電体基板の一面に結合された導体基板と、
    前記導体基板上に形成されたスロット部と、
    前記スロット部に対応する誘電体基板内に形成された穴と、
    を備えることを特徴とするアンテナ。
13. 前記穴は、前記誘電体基板の一面から他面に貫通するように形成されることを特徴とする請求項１２に記載のアンテナ。
14. 前記穴は、前記誘電体基板内で部分的に形成されることを特徴とする請求項１２に記載のアンテナ。
15. 前記誘電体基板は、高誘電率の基板を含むことを特徴とする請求項３、１０及び１４のいずれか１に記載のアンテナ。
16. 前記スロット部は、蛇行状またはＨ形状を有することを特徴とする請求項８又は１２に記載のアンテナ。

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