JP3699687B2

JP3699687B2 - 積層誘電体アンテナ

Info

Publication number: JP3699687B2
Application number: JP2002089430A
Authority: JP
Inventors: 千尋牧原; 好正杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003283237A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信機器、その他の各種通信機器等において使用される積層誘電体アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信機器、その他の各種通信機器等において使用される、従来の積層誘電体アンテナを使用した偏波共用アンテナとしてパッチアンテナが知られている（例えば、最新平面アンテナ技術、総合技術センター、1993年発行を参照）。その構造の一例を、図４に透視斜視図で、図５に透視平面図で示す。これらの図において、111は誘電体層、121は誘電体層111の上面に配された放射導体、141は誘電体層111を貫通して配され、一端が放射導体121と電気的に接続された接続導体、131は誘電体層111の下面に配され、接続導体141が電気的に絶縁されて貫通する開口部142を有する接地導体である。なお、図５においては誘電体層111の図示は省略している。
【０００３】
この従来の積層誘電体アンテナでは、接続導体141の接地導体131側の一端から高周波電流を給電することにより、放射導体121上に共振電流が生じて電波が放射されることによってアンテナとして用いることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の積層誘電体アンテナにおいては、帯域幅を広げるためには誘電体層111の厚みを厚くする必要があり、広帯域化と低背化の両立が困難であるという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、低背で広帯域な積層誘電体アンテナを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層誘電体アンテナは、誘電体層と、この誘電体層の上面に配され、中央に形成された帯状の抵抗体によって二等分され、かつ電気的に接続される放射導体と、前記誘電体層を貫通して配され、一端が前記放射導体の二等分された一方と電気的に接続された接続導体と、前記誘電体層の下面に配され、前記接続導体が電気的に絶縁されて貫通する開口部を有する接地導体とを具備することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の積層誘電体アンテナによれば、接続導体の接地導体側の一端から高周波電流を給電することにより、放射導体および抵抗体上に共振電流が生じて電波が放射されるが、その共振電流の振幅が最大となる位置、すなわち放射導体を二等分する中央に帯状に抵抗体が配されており、抵抗体によって二等分された放射導体の一方に接続導体が接続されていることから、抵抗体の導体損によって共振電流が効果的に消費されてアンテナのＱが下がるので、反射特性を示す周波数特性曲線における共振点部分のピークをなだらかにすることができるため、放射効率は下がるものの帯域幅を広げることができる。すなわち、従来の一般的に知られている広帯域化の手法としての誘電体層の厚みを厚くするといった方法に対して、誘電体層の厚みを厚くすることなく広帯域なアンテナを提供することができ、低背化にも対応することができるものとなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の積層誘電体アンテナを図面を参照しつつ説明する。
【０００９】
図１および図２はそれぞれ、本発明の積層誘電体アンテナの実施の形態の一例を示す透視斜視図および透視平面図である。これらの図において、11は誘電体層、21ａおよび21ｂは誘電体層11の上面に配され、中央の帯状の部分で二等分された放射導体、51は放射導体21ａ・21ｂ間の中央の帯状の部分に配され、放射導体21ａおよび21ｂを二等分し、かつこれらを電気的に接続する抵抗体、41は誘電体層11を貫通して配され、一端が二等分された放射導体の一方21ａと電気的に接続された接続導体、31は誘電体層11の下面に配され、接続導体41が電気的に絶縁されて貫通する開口部42を有する接地導体である。なお、図２においては誘電体層11の図示は省略している。
【００１０】
このように構成された本発明の積層誘電体アンテナによれば、接続導体41の接地導体31側の一端から高周波電流を給電することにより、放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51上に共振電流が生じて電波が放射されるが、その共振電流の振幅が最大となる位置、すなわち二等分される放射導体21ａおよび21ｂの中央の帯状の部分に抵抗体51が配されており、抵抗体51によって二等分された放射導体21ａ・21ｂの一方21ａに接続導体41が接続されていることから、抵抗体51の導体損によって共振電流が効果的に消費されてアンテナのＱが下がるので、反射特性を示す周波数特性曲線における共振点部分のピークをなだらかにすることができるため、放射効率は下がるものの帯域幅を広げることができる。すなわち、従来の一般的に知られている広帯域化の手法としての誘電体層の厚みを厚くするといった方法に対して、誘電体層11の厚みを厚くすることなく広帯域なアンテナを提供することができ、従って低背化にも対応することができるものとなる。
【００１１】
本発明の積層誘電体アンテナにおいては、積層誘電体アンテナ全体の外形が図１および図２に示すような略直方体状である場合には、二等分される放射導体21ａ・21ｂをその形状に沿った形状の略四角形状とすると、放射導体21ａ・21ｂの面積を誘電体層11の上面で十分に広く取ることができるので、周波数帯域をさらに広帯域化させることができる。また同様に、積層誘電体アンテナ全体の外形が略円柱状である場合には、二等分される放射導体21ａ・21ｂをその形状に沿った形状の略円形状とすると、放射導体21ａ・21ｂの面積を誘電体層11の上面で十分に広く取ることができるので、周波数帯域をさらに広帯域化させることができる。
【００１２】
本発明の積層誘電体アンテナによれば、抵抗体51を放射導体21ａ・21ｂを二等分するようにその中央に帯状に配設し、放射導体21ａ・21ｂを二等分する中心線に対して放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の形状が左右対称な構造となるようにすることで、共振電流の分布が抵抗体51を挟んで対称となり、二等分される放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の真上方向に最大利得をもつ指向性を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の積層誘電体アンテナにおいては、抵抗体51の抵抗が大きいほど帯域幅を広げることができる。ただしその反面、抵抗を大きくしすぎると、帯域幅は広がるものの、放射効率が下がり、結果として利得が下がることとなるので、抵抗体51の抵抗値は、帯域幅と放射効率・利得に対する要求に応じて適切に設定する。
【００１４】
ここで、抵抗体51の幅Ｌ51を広くすると、抵抗が大きくなるので帯域幅を広げることができる。このとき、放射導体21ａ・21ｂを二等分する中心線から放射導体21ａ・21ｂの端に向かうにしたがって共振電流の振幅が小さくなり、放射電流の端の部分に抵抗体を設けてもその抵抗体ではあまり共振電流が消費されない。これに対し、共振電流の振幅が大きくなる、放射導体21ａ・21ｂを二等分する中心線付近の範囲を含むように中央に幅Ｌ51の帯状の抵抗体51を設けると、効果的に共振電流が消費されてアンテナのＱが下がるので、帯域幅を広げることができる。
【００１５】
なお、抵抗体51の幅Ｌ51は、放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の長さの合計（Ｌ21ａ＋Ｌ21ｂ＋Ｌ51）の約0.1倍以下であることが好ましい。これは、共振電流をその振幅のピークに対して放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の長さの合計の約0.1倍以下の幅で消費することで、放射導体21ａ・21ｂとして十分な導体の面積を確保することができ、かつ放射効率を下げすぎないで帯域幅を十分に広げることができるからであり、また、後述するように接続導体41を放射導体21ａの好ましい位置に接続するためにも、抵抗体51の幅Ｌ51を上記長さの約0.1倍以下に抑えておくことが望ましいからである。
【００１６】
また、抵抗体51の抵抗率を上げても抵抗が大きくなるので、抵抗率を上げることにより帯域幅を広げることができる。ただし、抵抗率を上げすぎると、帯域幅は広がるものの放射効率が下がり、結果として利得が下がるので、抵抗体51の抵抗率は、１Ωｍ以下で、十分な抵抗値を得るためには0.0001Ωｍ以上（すなわち導電率では１Ｓ／ｍ以上10000Ｓ／ｍ以下）であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の積層誘電体アンテナの接続導体41は、図４および図５に示す従来の積層誘電体アンテナの接続導体141の位置と同様に、抵抗体51により二等分された放射導体21ａ・21ｂの中心線から一方の放射導体21ａの方向に、放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の長さの合計（Ｌ21ａ＋Ｌ21ｂ＋Ｌ51）の約0.15倍オフセットした位置に接続することで、インピーダンス整合が取れて高効率なアンテナとして動作させることができる。なお、図２にこのオフセット量をρ₀で示す。
【００１８】
また、本発明の積層誘電体アンテナの接続導体41は直径が小さいほどインピーダンス整合を取りやすく、周波数帯域やＶＳＷＲの調整がしやすいものとなる。なお、接続導体41の接続位置は上述のように抵抗体51により二等分された放射導体21ａ・21ｂの中心線から一方の放射導体21ａの方向に、放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の長さの合計（Ｌ21ａ＋Ｌ21ｂ＋Ｌ51）の約0.15倍オフセットした位置にするとよいので、接続導体41を円柱状のものとして形成する場合、その半径は放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の長さの合計（Ｌ21ａ＋Ｌ21ｂ＋Ｌ51）の0.15倍以下に設定することが好ましい。また、接続導体41の直径が小さすぎると抵抗が高くなるので、接続導体41の直径は0.05ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１９】
本発明の積層誘電体アンテナを形成するに当たり、誘電体層11・放射導体21ａ・21ｂ・接地導体31・接続導体41には、周知の高周波用配線基板に使用される種々の材料・形態のものと同様のものを使用することができる。
【００２０】
誘電体層11としては、例えばアルミナセラミックス・ムライトセラミックス等のセラミックス材料やガラスセラミックス等の無機系材料、あるいは四フッ化エチレン−エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン；ＰＴＦＥ）・四フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合樹脂；ＥＴＦＥ）・四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂；ＰＦＡ）等のフッ素樹脂やガラスエポキシ樹脂・ポリイミド等の樹脂系材料等が用いられる。これらの材料による誘電体層11の形状や寸法（厚みや幅・長さ）は、使用される周波数や用途等に応じて設定される。
【００２１】
放射導体21ａ・21ｂ・接地導体31・接続導体41は、高周波信号伝送用の金属材料の導体層、例えばＣｕ層・Ｍｏ−Ｍｎのメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｗのメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｃｒ−Ｃｕ合金層・Ｃｒ−Ｃｕ合金層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｔａ₂Ｎ層上にＮｉ−Ｃｒ合金層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｔｉ層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、またはＮｉ−Ｃｒ合金層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの等を用いて、厚膜印刷法あるいは各種の薄膜形成方法やメッキ法等により形成される。その厚みや幅等も、伝送される高周波信号の周波数や用途等に応じて設定される。また、このとき放射導体を21ａと21ｂとに２等分するように、両者の中央に帯状に抵抗体51を形成するための導体の非形成部も同時に設けられる。
【００２２】
抵抗体51を形成するための抵抗材料としては、抵抗温度係数が低く、また許容電流値が大きいものとして、例えばタングステン・レニウム・モリブデンやニクロム・窒化タンタルあるいはそれらの合金を用いることができる。中でも、タングステン−レニウム合金を用いると、抵抗温度係数が約100×10^-6／℃と低く、誘電体層11にセラミックスを用いる場合に誘電体層11との同時焼成が可能である点で好適なものとなる。
【００２３】
本発明の積層誘電体アンテナの作製方法としては、例えば誘電体層11がガラスセラミックスから成る場合であれば、まず誘電体層11となるガラスセラミックスのグリーンシートを準備し、これに所定の打ち抜き加工を施して接続導体41としての貫通導体が配設される貫通孔を形成した後、スクリーン印刷法によりＣｕ等の導体ペーストを貫通孔に充填するとともに、放射導体21ａ・21ｂ・接地導体31となる導体層のパターンおよび必要に応じてその他の所定の伝送線路パターン、ならびに抵抗体51となる抵抗体層のパターンを印刷塗布する。次に、850〜1000℃で焼成を行ない、最後に各導体層の表面にＮｉメッキおよびＡｕメッキを施す。
【００２４】
図３は図１および図２に示す本発明の積層誘電体アンテナの実施の形態の一例についての反射特性を示す線図である。図３において、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）、縦軸はＶＳＷＲであり、特性曲線は反射特性、すなわちＶＳＷＲの周波数特性を示している。この線図に示す反射特性は、電磁界シミュレーションを用いて得たものである。この結果より、ＶＳＷＲが２以下の帯域幅は112ＭＨｚであることが分かる。また、このときアンテナのＱは27.2である。
【００２５】
また、このとき共振周波数の5.16ＧＨｚにおける利得の最大値は−0.86ｄＢｉであるが、抵抗体51の導電率をさらに下げる（すなわち、抵抗率をさらに上げる）と、帯域幅は広がるものの、放射効率が下がり、結果として利得が下がることとなる。
【００２６】
図３に示す反射特性を得た本発明の積層誘電体アンテナにおいては、誘電体層11の厚み：Ｈ11を１ｍｍ、放射導体21ａおよび21ｂの二等分された側の一辺の長さ：Ｌ21ａおよびＬ21ｂを4.2ｍｍ、抵抗体51の幅：Ｌ51を0.5ｍｍ、接続導体41の抵抗体51の中心（放射導体21ａ・21ｂを二等分する中心線）からのオフセット量：ρ₀を1.2ｍｍ（放射導体21ａ・21ｂおよび抵抗体51の長さの合計：Ｌ21ａ＋Ｌ21ｂ＋Ｌ51＝8.9ｍｍの0.13倍）、接続導体41の直径を0.2ｍｍ、誘電体層11の比誘電率を9.6、抵抗体51の導電率を1000Ｓ／ｍとした。
【００２７】
また、図６は図４および図５に示す従来の積層誘電体アンテナの実施の形態の一例についての反射特性を示す線図である。図６においても、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）、縦軸はＶＳＷＲであり、特性曲線は反射特性、すなわちＶＳＷＲの周波数特性を示している。この線図に示す反射特性は、図３に示した結果を得るのに使用したものと同一の電磁界シミュレーションを用いて得たものである。この結果より、ＶＳＷＲが２以下の帯域幅は75ＭＨｚであることが分かる。また、このときアンテナのＱは43.3である。
【００２８】
図６に示す反射特性を得た従来の積層誘電体アンテナにおいては、誘電体層111の厚み：Ｈ111を１ｍｍ、放射導体121の一辺の長さ：Ｌ121を8.9ｍｍ、接続導体141の放射導体141の中心からのオフセット量：ρ₀を１ｍｍ（放射導体121の長さＬ121＝8.9ｍｍの0.11倍）、接続導体141の直径を0.2ｍｍ、誘電体層11の比誘電率を9.6とした。
【００２９】
なお、この従来の積層誘電体アンテナは、図３に示す結果を得た本発明の積層誘電体アンテナと比べて、放射導体121が帯状の抵抗体によって二等分されていない点の他はすべて同じ条件である。放射導体121の一辺の長さＬ121は本発明の積層誘電体アンテナにおける二等分された放射導体21ａ・21ｂのそれぞれの一辺の長さＬ21ａ・Ｌ21ｂと抵抗体51の一辺の長さＬ51との和（Ｌ21ａ＋Ｌ21ｂ＋Ｌ51）に等しくなっている。
【００３０】
以上より、帯域幅に関しては、図３の結果を得た本発明の積層誘電体アンテナでは112ＭＨｚであるのに対して、図６の結果を得るのに用いた従来の積層誘電体アンテナでは75ＭＨｚであり、本発明の積層誘電体アンテナの方が広帯域であることが分かる。また誘電体層の厚みに関しては、図３の結果を得た本発明の積層誘電体アンテナでは１ｍｍであるのに対して、図６の結果を得るのに用いた従来の積層誘電体アンテナでも１ｍｍとなり、本発明の積層誘電体アンテナと従来の積層誘電体アンテナは同じ厚みである。すなわち、図１および図２に示す本発明の積層誘電体アンテナによれば、厚みを厚くすることなく広帯域なアンテナを提供することができ、従って、アンテナの低背化にも対応できるものであることが分かる。
【００３１】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、放射導体を接地導体に対向する位置に複数個配してもよく、そのような構成にすると、各放射導体で共振を起こさせて、多周波共用特性を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の積層誘電体アンテナによれば、誘電体層と、この誘電体層の上面に配され、中央に形成された帯状の抵抗体によって二等分され、かつ電気的に接続される放射導体と、前記誘電体層を貫通して配され、一端が前記放射導体の二等分された一方と電気的に接続された接続導体と、前記誘電体層の下面に配され、前記接続導体が電気的に絶縁されて貫通する開口部を有する接地導体とを具備することから、接続導体の接地導体側の一端から高周波電流を給電することにより、放射導体および抵抗体上に共振電流が生じて電波が放射されるが、その共振電流の振幅が最大となる位置、すなわち放射導体を二等分する中央に帯状に抵抗体が配されており、抵抗体によって二等分された放射導体の一方に接続導体が接続されていることから、抵抗体の導体損によって共振電流が効果的に消費されてアンテナのＱが下がるので、反射特性を示す周波数特性曲線における共振点部分のピークをなだらかにすることができるため、放射効率は下がるものの帯域幅を広げることができる。すなわち、従来の一般的に知られている広帯域化の手法としての誘電体層の厚みを厚くするといった方法に対して、誘電体層の厚みを厚くすることなく広帯域なアンテナを提供することができ、低背化にも対応することができるものとなる。
【００３３】
以上により、本発明によれば、低背で広帯域な積層誘電体アンテナを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層誘電体アンテナの実施の形態の一例を示す透視斜視図である。
【図２】本発明の積層誘電体アンテナの実施の形態の一例を示す透視平面図である。
【図３】本発明の積層誘電体アンテナの反射特性の一例を示す線図である。
【図４】従来の積層誘電体アンテナの一例を示す透視斜視図である。
【図５】従来の積層誘電体アンテナの一例を示す透視平面図である。
【図６】従来の積層誘電体アンテナの反射特性の一例を示す線図である。
【符号の説明】
11・・・誘電体層
21ａ・・・放射導体
21ｂ・・・放射導体
31・・・接地導体
41・・・接続導体
42・・・開口部
51・・・抵抗体

Claims

誘電体層と、該誘電体層の上面に配され、中央に形成された帯状の抵抗体によって二等分され、かつ電気的に接続される放射導体と、前記誘電体層を貫通して配され、一端が前記放射導体の二等分された一方と電気的に接続された接続導体と、前記誘電体層の下面に配され、前記接続導体が電気的に絶縁されて貫通する開口部を有する接地導体とを具備することを特徴とする積層誘電体アンテナ。