JP4303204B2 - 高効率スロット給電マイクロストリップパッチアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、概ねマイクロストリップパッチアンテナに関し、より詳細には、スロット給電マイクロストリップパッチアンテナに関する。

無線周波数（ＲＦ）回路、送電線及びアンテナ素子は、特別に設計された基板上に製造されるのが普通である。従来の回路基板は鋳造又は吹付塗装のような処理によって形成されるのが一般的であり、その結果、誘電定数を含む、均一な基板の物質的特性が得られるのが一般的である。

ＲＦ回路の目的のためには、インピーダンス特性に対する注意深い制御を維持することが一般的に重要である。回路の異なる部材のインピーダンスが適合しないならば、信号反射及び非効率的な電力伝達が起こり得る。これらの回路内の送電線及び放射器の電気的長さも重大な設計要因となり得る。

回路性能に影響を及ぼす２つの重大な要因は、誘電体基板材料の誘電定数（比誘電率又はεｒと呼ばれることもある）及び損失正接（散逸率と呼ばれることもある）である。比誘電率は、基板材料内の信号の速度、よって、送電線の電気的長さ及び基板上に配設されている他の部材を決定する。損失正接は、基板材料を横断する信号に生じる損失量を決定する。信号周波数の増大に応じて、誘電損失が増大する。従って、特に受信機の前部及び低ノイズ増幅回路を設計するときに、低損失材料は益々頻繁により一層重要となる。

ＲＦ回路において用いられるプリント送電線、受動回路及び放射素子は、３つ方法のうちの１つで形成されるのが典型的である。マイクロストリップとして知られる１つの構造は、信号線を基板面上に配置し、接地平面と普通呼ばれる第二導電層を設ける。埋設マイクロストリップとして知られる第二の種類の構造は、信号線が誘電基板材料で被覆されている点を除き、マイクロストリップと類似する。ストリップラインとして知られる第三の構造においては、信号線は２つの導電（接地）平面の間に挟装されている。

一般的に、ストリップライン又はマイクロストリップのような平行板送電線の特性インピーダンスは概ね以下と同等である。

ここで、Ｌｌは単位長さ当たりのインピーダンスであり、Ｃｌは単位長さ当たりのキャパシタンスである。Ｌｌ及びＣｌの値は、物理的幾何学ライン構造の間隔、並びに、送電線を分離するために用いられる静電体材料の誘電率及び透磁率によって決定されるのが一般的である。

従来のＲＦ設計においては、単一の比誘電率値及び単一の透磁率値を有する基板材料が選択され、比誘電率は約１である。基板材料が一旦選択されると、ライン特性インピーダンス値は、ラインの幾何学を制御することによって、排他的に設定されるのが一般的である。

ＲＦ回路はハイブリッド回路に具現化されるのが典型的である。この回路内では、複数の能動的及び受動的な回路部材がセラミック基板のような電気絶縁基板上に取り付けられ且つ連結される。多様な部材が銅、金又はタンタルのようなプリント金属導体によって連結されるのが一般的である。それらは、関心のある周波数範囲内で、送電線（例えば、ストリップライン、マイクロストリップ又はツインライン）として機能するのが一般的である。

送電線、受動ＲＦ装置又は放射素子のために選択された基板材料の誘電定数は、その構造のための所定周波数でのＲＦエネルギーの物理的な波長を決定する。ミクロ電子工学ＲＦ回路を設計するときに直面する１つの問題は、基板上に形成されるべき全ての多様な受動部材、放射素子及び送電線回路に無理なく適する誘電体基板材料の選択である。

特に、そのような素子のために必要な特異な電気的又はインピーダンス特性の故に、特定の回路素子の幾何学が物理的に大きいか或いは小型化されていることがあり得る。例えば、多くの回路素子又は同調回路は４分の１波長の長さを有することが必要であるかもしれない。同様に、例外的に高い或いは低い特性インピーダンス値のための所要ライン幅は、多くの場合、現実的な実施のためには、狭過ぎるか或いは広過ぎることがあり得る。マイクロストリップ又はストリップラインの物理的サイズは誘電体の比誘電率に反比例して関係するので、送電線又は放射器素子の寸法は基板材料の選択によって大きく影響され得る。

依然として、ある部材のために最適な基板材料の設計選択が、アンテナ素子のような他の部材のために最適な基板材料と合致しないこともあり得る。その上、回路部材のための幾つかの設計目標が相互に矛盾することもあり得る。例えば、アンテナ素子のサイズを低減することが望ましいことがあり得る。これは５０〜１００のような高い比誘電率を有する基板材料を選択することによって達成し得る。しかしながら、高比誘電率を有する誘電体の使用は、アンテナの放射効率の著しい低減を招くのが一般的である。

アンテナ素子は、マイクロストリップアンテナとして構成されることもある。マイクロストリップアンテナは有効なアンテナである。何故ならば、他の種類のアンテナと比較すると、概して、それらは余り空間を必要とせず、簡素であり、製造が余り高価ではないからである。加えて重要なことに、マイクロストリップアンテナは、プリント回路技術と極めて相性が良い。

高能率なマイクロストリップアンテナを構成することの１つの要因は、電力損失の最小化であり、それは誘電損失を含む幾つかの要因によって引き起こされ得る。誘電損失は拘束電荷の不完全な動作に起因するのが一般的であり、誘電体が時変磁界内に配置されるときにはいつでも存在する。誘電損失は動作周波数と共に増大するのが一般的である。

特定のマイクロストリップアンテナに関する誘電損失の程度は、単一のパッチを有するパッチアンテナのための、放射器パッチと接地平面との間の誘電空間の誘電定数によって主として決定される。自由空間又は殆どの目的のための空気は、概ね１に等しい誘電定数を有する。

１に近い比誘電率を有する誘電体は「良好な」誘電体と見做される。良好な誘電体は、関心のある動作周波数で低誘電損失を示す。周囲の材料と実質的に同等な比誘電率を有する誘電体が用いられると、誘電損失は効果的に排除される。従って、マイクロストリップアンテナシステムにおける高効率を維持するための１つの方法は、放射器パッチと接地平面との間の誘電空間内に低い誘電定数を有する材料を用いることを含む。

さらに、低比誘電率を有する材料の使用はより広い送電線の使用を許容し、換言すれば、それは導体損失を低減し且つマイクロストリップアンテナの放射効率をさらに向上する。しかしながら、低誘電定数を有する導電体の使用はある欠点を提示し得る。

１つの典型的な欠点は、低比誘電率を用いて、接地平面から離間して、高速小型パッチアンテナを製造することが困難なことである。低比誘電率（例えば、１−４）を有する誘電体がパッチと接地平面との間に配設されると、結果として生じるパッチサイズは大きく、あるＲＦ通信システムのような所定用途における使用を排除する程の大きさとなることもある。

マイクロストリップアンテナの他の問題は、パッチが接地平面から離間するに応じて、給電効率が実質的に悪化することが多い点である。とは言っても、パッチと接地平面との間のさらなる間隔は有利でもあり、よって、その間隔は、パッチと接地平面との間の空間を充満するために、より高い誘電定数を有する誘電体を使用して、収容されるのが普通である。残念ながら、他の設計パラメータを満足させるために、効率は実質的に妥協されるのが一般的である。

本発明は、従来技術の上記問題点を解決することをその目的とする。

スロット給電マイクロストリップパッチアンテナは導電性の接地平面を含む。接地平面は、少なくとも１つのスロットと、少なくとも第一パッチ放射器とを含む。アンテナ誘電体基板材料は、接地平面と、第一パッチ放射器との間に配設される。アンテナ誘電体の少なくとも一部は磁気粒子を含む。給電誘電体基板は、給電線と、接地平面との間に配設される。

従来、マイクロ波基板のために用いられてきた誘電体は非磁気的であった。マイクロ波回路の磁界の外側さえも、それらの誘電特性のために用いられる材料は、一般的に非磁気的であった。非磁気的とは、１（μｒ＝１）の比透磁率を有するものとして定義付けられる。

設計上の適用において、透磁性は絶対項ではなく相対項で表わされることが多い。もしμ０が自由空間（即ち、１．２５７×１０−６Ｈ／ｍ）の透磁性を表わし、μが問題の材料の透磁性を表わすなら、比透磁率、μｒは、μｒ＝μ／μｏ＝μ（７．９５８×１０５）によって得られる。

磁気材料は、１以上又は１以下のいずれかのμｒを有する材料である。磁気材料は以下に記載される３つのグループに分類されるのが普通である。

反磁性材料は、１以下の比透磁率をもたらす材料であるが、０．９９９００〜０．９９９９９であるのが典型的である。例えば、ビスマス、鉛、アンチモン、銅、亜鉛、水銀、金及び銀が既知の反磁性材料である。従って、磁界に晒されているとき、真空と比べると、これらの材料は磁束の僅かな減少を生む。

常磁性体材料は、１以上、約１０までの比透磁率をもたらす材料である。常磁性体材料は、アルミニウム、プラチナ、マグネシウム及びクロムのような材料を含む。常磁性体材料は、外部磁界の除去直後に、その磁気特性を失う。

強磁性体材料は、１０以上の比透磁率をもたらす材料である。強磁性体材料は、様々のフェライト、鉄、スチール、ニッケル、コバルト並びにアルニコ及びペラロイ(peralloy)のような商業用合金を含む。例えば、フェライトはセラミック材料で形成され、約５０〜２００の範囲の比透磁率を有する。

本明細書で用いられるときに、「磁気材料」という用語は、誘電体材料と混合されたときに、その結果得られる磁性体材料のために、１以上のμｒを生じる粒子を示す。従って、強磁性体及び常磁性体材料はこの定義に一般的に含まれるのに対し、誘電体材粒子は一般的に含まれない。

本発明に従ったマイクロストリップパッチアンテナは、誘電体基板における磁気粒子の使用を通じて、減少されたサイズであり、高比透磁率基板部分の使用を通じて、依然として効率的であり得る。従来の誘電体負荷基板は減少されたサイズのパッチアンテナをもたらしたが、給電線からスロットへ、並びに、スロットから自由空間へのインピーダンス整合が被害を被ったため、これらのアンテナは効率に欠けた。本発明に従って、アンテナ及び／又は給電線基板のような誘電体基板に磁気材料を加えることを通じて、一般的に高比透磁率基板の使用に関連する放射効率低下を実質的に低減し得る。

スロットとパッチとの間に配設されたアンテナ誘電体の部分は、磁気粒子を含む。この領域における磁気粒子の使用は、アンテナの動作周波数で、スロットと給電線との間の領域における給電線誘電体の固有インピーダンスと実質的に整合する固有インピーダンスをもたらし得る。本明細書で用いられるとき、誘電体の「実質的な整合」という表現は、アンテナの動作周波数で、２０％以内、好ましくは、１０％以内、より好ましくは、５％以内の２つの媒体のインピーダンス整合を示す。磁気粒子を有するアンテナ誘電体の部分は少なくとも２の比透磁率を有し得る。

スロットと給電線との間に配設されているような給電線誘電体の部分も磁気粒子を含み得る。磁気粒子はメタマテリアルを含み得る。

給電線をスロットに整合するために、給電線誘電体はスロット近傍に４分の１波長整合区域をもたらし得る。４分の１波長整合区域は磁気粒子を含み得る。

アンテナは、第一パッチ放射器及び第二パッチ放射器のような、２つ又はそれ以上のパッチ放射器を有し得る。第一及び第二パッチ放射器は、パッチ間誘電体によって分離される。パッチ間誘電体は、メタマテリアルのような磁気粒子を含み得る。

ＲＦプリント回路設計のために、低い誘電定数の基板材料が通常に選択される。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に基づいた合成材料、例えば、ＲＴ／ｒｕｄｏｉｄ（ＴＭ）６００２（２．９４の誘電定数；０．００９の損失正接）及びＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（ＴＭ）５８８０（２．２の誘電定数；０．０００７の損失正接）の双方が、Ｒｏｇｅｒｓ
Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，１００ Ｓ．Ｒｏｏｓｅｖｅｌｔ
Ａｖｅ，Ｃｈａｎｄｌｅｒ，ＡＺ ８５２２６から入手可能である。これらの材料の双方は一般的な基板材料の選択肢である。上記の基板材料は、厚さ及び物質的特性に関して、基板領域に亘って均一であり、付随的な低い損失正接を伴った比較的低い誘電定数を有する誘電層を提供する。これらの材料の双方の比誘電率は１に近い。

特定の回路層間の誘電体として、フォームが用いられることがある。例えば、積層体の放射器を有するマイクロチップアンテナ内のパッチ放射器間のアンテナスペーサとして、ＲＨ−４構造フォームが用いられることがある。従来の誘電基板のように、利用可能なフォームは、約２〜４の比誘電率及び１に近い比透磁率のような均一な誘電特性を有する。

図１を参照すると、従来技術の空気間隙パッチアンテナ１０１の側面図が示されている。この最も単純な形態において、マイクロストリップアンテナは、誘電空間によって接地平面から分離された放射器パッチを含む。この場合、図示の誘電体は空気である。

図１において、パッチアンテナ１０１は、適当な誘電及び剛性特性を有する誘電体で形成された薄い基板層１０７を含む。基板層１０７の底面に配設されているのは放射器パッチ１０９であり、導電性材料で形成されている。放射器パッチ１０９は、片面又は両面が導電性材料で完全に被覆された薄い基板１０７の適切なエッチング処理によって形成されるのが一般的である。

基板層１０７及び放射器パッチ１０９を支持しているのは、導電性材料で形成された接地平面１０３である。接地平面は、その１つの面から基板層１０７へ実質的に垂直に延びる複数の一体的な支持ポスト１０５を有する。接地平面１０３は結合スロット領域１１２を含み、結合スロット領域は接地平面内に開口をもたらす。空気充満領域１０８が基板層１０７及びパッチ放射器１０９の下方に位置している。

給電基板１１０が接地平面１０３の下方に位置している。マイクロストリップライン１１１が給電基板１１０上に配設され、主として結合スロット１１２を介して、信号エネルギーを放射器パッチとの間で送受信するための信号経路をもたらしている。

図１に示されている従来技術のパッチアンテナ１０１は特定の用途のためには満足であるが、ある設計における適用を排除するサイズを要求し得る。アンテナのサイズを低減する試みから、空気誘電体１０８は実質的に高い誘電定数を有する誘電体によって置換され得る。しかしながら、高誘電定数材料の使用はアンテナの放射効率を概して低減する。その結果、これらの二律背反の均衡を図るために、非効率及び二律背反を引き起こす。

比較すると、本発明は回路設計者に追加的なレベルの柔軟性を提供する。局地的に選択的に制御された誘電率及び透磁率特性を有する誘電層又はその一部の使用を許容することによって、アンテナを効率、機能性及び物理的プロファイルに関して最善化し得る。

誘電基板の局地的に選択可能な誘電及び磁気特性は、メタマテリアル(metamaterial)を誘電基板又はその一部に含めることによって実現し得る。メタマテリアルは２つ又はそれ以上の異なる材料を分子又はナノメータのレベルのような極めて精細なレベルで混合することによって形成される合成材料を指す。

本発明によれば、高い誘電定数のアンテナ基板又はその一部の使用を通じて減少されたサイズを有するアンテナを提供するのに加え、従来は放射アンテナを低い誘電定数のアンテナ基板に配設することによってのみ可能であった高い放射効率をもたらすアンテナ設計が提示されている。加えて、本発明は給電線からスロットへのインピーダンス整合も提供し得る。よって、本発明は従来技術のマイクロストリップパッチアンテナ設計における非効率性及び二律背反を実質的に解消し得る。

図２を参照すると、本発明の実施態様に従ったスロット給電マイクロストリップパッチアンテナ２００の側面図が示されている。アンテナ２００が最善化されたアンテナ基板誘電体２０５を含むこと除き、この実施態様は図１の従来技術のアンテナと類似する素子を有する。

アンテナ基板２０５は、パッチ放射器２０９の下方に位置する第一アンテナ誘電領域２１０と、アンテナ基板２０５の残部を成す第二アンテナ誘電領域２１１とを含む。アンテナ基板２０５は接地平面２０８上に配設されており、接地平面は少なくとも１つの結合スロット２０６を有している。

第一アンテナ誘電領域２１０は、その内部に埋設された複数の磁気粒子２１４を含む。図示されていないが、アンテナ２００はパッチ放射器２０９の上に配設された選択的な誘電カバーを含み得る。

給電誘電基板２１２が接地平面２０８の下方に位置している。信号エネルギーを結合スロット２０６を介してパッチ放射器２０９との間で送受信するために、マイクロストリップライン２１７が設けられている。適当なコネクタ又はインターフェイスを介して、マイクロストリップライン２１７を多様な駆動源によって駆動し得る。

給電誘電基板２１２は磁気粒子を有するものとして示されていないが、磁気粒子を含み得る。例えば、結合スロットと給電線との間の給電線誘電体内に磁気粒子を配設することで、この領域に所望の固有インピーダンスをもたらし得る。給電線を結合スロットにインピーダンス整合するよう、４分の１波長適合区域を結合スロット近傍に設けるためにも給電誘電基板２１２内の磁気粒子を用い得る。

特定の用途のために、アンテナ基板２０５は専ら第一アンテナ誘電領域２１０のみを含み得る。他の用途のためには、磁気粒子２１４は、例えば、第一アンテナ誘電領域の一部の表面だけのように、第一アンテナ誘電領域２１０の一部にのみ含まれてもよい。

磁気粒子２１４はメタマテリアル粒子であってもよく、後に詳述されるように、それらはアンテナ基板２０５内に生成された空隙に挿入され得る。磁気粒子を第一アンテナ誘電領域２１０に含め得ることによって、第一アンテナ誘電領域２１０と環境（例えば、空気）との間、並びに、第一アンテナ誘電領域２１０と結合スロットを成す領域における誘電媒体との間の双方に、インピーダンス整合の向上がもたらされる。第一アンテナ誘電領域２１０の比透磁率は、１．１、２、５、１０、２０又は１００のように、１よりも大きいのが一般的である。本明細書で用いられるとき、顕著な透磁率は、少なくとも約２の比透磁率を示す。

アンテナ２００は単一のパッチ放射器２０９と共に示されているが、パッチ間誘電体によって分離された上部及び下部のパッチ放射器を有するマイクロストリップパッチアンテナのような、積層パッチ放射器構造を用いても本発明を実施し得る。この２つのパッチの設定において、パッチ間誘電体は、磁気粒子を含み、且つ、１以上の比透磁率をもたらすのが好ましい。

図示の給電線はマイクロストリップ給電線２１７であるが、本発明がマイクロストリップ給電に限定されないのは明らかである。例えば、給電線はストリップライン又は他の適当な給電線構造であってもよい。

加えて、接地平面２０８は単一の結合スロット２０６を有するものとして示されているが、本発明は多スロット配置とも適合する。加えて、結合スロットは、三角形又は環状のような、マイクロストリップ給電線２１７とパッチ放射器２１０との間に適当な結合をもたらす如何なる形状でもよい。

第一アンテナ誘電領域２１０は、結合スロットを通じて放射された電磁場に著しい影響を及ぼす。誘電体の材料、形状及び場所を注意深く選択することによって、結合スロット２０６とパッチ２０９との間に相当な間隔があるとしても、それらの間に結合の向上がもたらされる。パッチ２０９を適切にロードすることによって、所定の設計基準に適合させるよう、共振周波数を含む動作特性及び動作帯域幅に関係する品質要因を修正し得る。

本発明は、効率を著しく損失することなく、パッチ２０９、その結果として、アンテナ２００全体の物理的サイズを減少し得る、より高い誘電率のアンテナ基板の使用を許容する。例えば、第一アンテナ基板領域２１０を含むアンテナ基板２０５の比透磁率は、２、４、６、８、１０、２０、３０、４０、５０、６０若しくはそれ以上又はそれらの値の中間の値であり得る。

パッチ２０９のような放射素子の下方の誘電領域における比透磁率を増大する従来技術の１つの問題は、アンテナ２００の放射効率がその結果低減することである。高い誘電定数を有し且つ比較的厚い基板上にプリントされたマイクロストリップアンテナは、貧弱な放射効率を示す傾向があることである。誘電基板が高い値の比透磁率を有することで、大量の電磁場が、導電性のアンテナ素子と接地平面との間の誘電体に集中する。そのような状況の下における貧弱な放射効率は、部分的には、空気／基板インターフェイスに沿って伝播する表面波モードに起因することが多い。

カスタマイズされたアンテナ基板として用いるために、局地的且つ選択可能な磁気及び誘電特性をもたらすメタマテリアル部分を有する誘電基板は、図３に示されるように準備され得る。ステップ３１０において、誘電基板材料を準備し得る。ステップ３２０において、アンテナ及び関連回路の物理的サイズを減少し、且つ、可能な限り最高の効率を達成するために、前述のように、誘電基板材料の少なくとも一部がメタマテリアルを用いて変更される。この変更は、誘電体に空隙を生成し、空隙の一部又は実質的に全てを磁気粒子で充填する工程を含む。最後に、アンテナ素子及びパッチ放射器のような関連する給電回路に関連付けられた導電トレースを定めるよう、金属層を適用し得る。

本明細書に定められるように、「メタマテリアル」という用語は、２つ又はそれ以上の異なる材料を例えばオングストローム又はナノメータのレベルのような極めて精細なレベルで混合され或いは配合されて形成される合成材料を指している。メタマテリアルは合成材料の電磁気特性の調整を可能とし、それは有効誘電率εｅｆｆ（又は誘電定数）及び有効透磁率μｅｆｆを含む有効電磁気パラメータによって定め得る。

ステップ３１０及び３２０で記載されたように誘電基板材料を準備し且つ変更する工程を以下に幾分詳細に記載する。しかしながら、ここに記載される方法は単なる例示に過ぎず、発明がそれに限定されることを意図していないことが理解されるべきである。

適当な誘電基板材料のバルクは、ＤｕＰｏｎｔ及びＦｅｒｒｏのような製造者から商業的に入手可能である。Ｇｒｅｅｎ
ＴａｐｅＴＭと普通呼ばれる未処理材料は、バルクの誘電テープから６インチ×６インチ部分のような標準サイズ化された部分に切断され得る。例えば、ＤｕＰｏｎｔ
Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓは９５１ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
Ｃｏｆｉｒｅ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ
ＴａｐｅのようなＧｒｅｅｎ Ｔａｐｅ材料システムを提供し、Ｆｅｒｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＵＬＦ２８−３０ Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｆｉｒｅ
ＣＯＧ誘電配合を提供している。一旦発射されたマイクロ波周波数での回路動作のために、付随する比較的低い損失正接を伴った比較的中程度の誘電定数を有する誘電層をもたらすよう、これらの基板材料を用い得る。

誘電基板材料の多シートを用いてマイクロ波回路を生成する工程において、ビア、空隙、穴又は凹部のような機能は、１つ又はそれ以上のテープの層を貫通してパンチされ得る。空隙は機械的手段（例えば、パンチ）又は統制エネルギー手段（例えば、レーザ穿孔又はフォトリソグラフィ）を用いて定められ得るが、他の任意の適当な方法を用いても定められ得る。一部のビアは標準サイズ化された基板の厚さ全体を貫通して達し得るのに対し、一部のビアは基板の厚さの様々な部分までのみ達し得る。

次に、埋め戻し(backfill)材料の正確な配置のためにステンシルを通常用いて、ビアは金属又は他の誘電又は磁気材料又はそれらの混合で充填され得る。完全で多層の基板を生成するために、テープの個々の層は、従来技術の工程において、互いに積み重ねられ得る。代替的に、テープの個々の層は積み重ねられて、サブ積層と一般的に呼ばれる不完全な多層基板を生成してもよい。

有空隙領域は空隙のままであってもよい。もし選択的な材料で埋め戻されるならば、選択される材料はメタマテリアルを含むのが好ましい。メタマテリアル合成材料の選択は、２以下〜約２６５０の比較的連続的な範囲に亘って調整可能な有効誘電定数をもたらし得る。調整可能な磁気特性は特定のメタマテリアルから入手可能である。例えば、適切な材料の選択を通じて、大部分の実際的なＲＦ用途のために、有効比透磁率は約４〜１１６の範囲にあり得る。しかしながら、有効比透磁率は２程度に低くてもよく、或いは、１０００に達し得る。

所定の誘電基板は差分変更され得る。本明細書で用いられている「差分変更」(differentially modified)という用語は、ドーパントを含む、誘電基板への変更であり、その結果、基板のある部分の誘電及び磁気特性の少なくとも１つは他の部分と比べて相違することになる。差分変更基板は、１つ又はそれ以上のメタマテリアル含有領域を含むのが好ましい。例えば、変更は選択的な変更であってよく、ここでは、ある誘電層部分は第一組の誘電又は磁気特性を生成するよう変更されるのに対し、他の誘電層部分は異なって変更され或いは変更されないままとされることで、第一組の特性とは異なる誘電及び／又は磁気特性をもたらす。差分変更は様々の異なる方法で実現され得る。

１つの実施態様によれば、補助的誘電層を誘電層に加え得る。補助誘電層を適用するために、様々な吹付け技術、スピン技法、様々な配置技法又はスパッタ法のような当業者に既知の技法を用い得る。補助的誘電層は、内部空隙又は孔を含む局地的な領域に、或いは、既存の誘電層の全体に亘って選択的に追加され得る。例えば、増大した有効誘電定数を有する基板部分をもたらすために、補助的誘電層を用い得る。補助層として加えられる誘電体は様々な重合体材料を含み得る。

差分変更ステップは、誘電層又は補助的誘電層に追加的材料を局地的に加えるステップをさらに含む。所定の設計目標を達成するよう、誘電層の有効誘電定数又は磁気特性をさらに制御するために、材料の追加を用い得る。

追加的な材料は、複数の金属及び／又はセラミック粒子を含み得る。金属粒子は、鉄、タングステン、コバルト、バナジウム、マグネシウム、特定の希土類金属、ニッケル又はニオビウム粒子を含むのが好ましい。粒子はナノメータのサイズの粒子であるのが好ましく、以後ナノ粒子と呼ぶサブミクロンの物理的寸法を有するのが一般的である。

ナノ粒子のような粒子は、好ましくは、有機官能基合成粒子であり得る。例えば、有機官能基合成粒子は、電気絶縁被覆を備えた金属コア又は金属被覆を備えた電気絶縁コアを有する粒子を含み得る。

本明細書に記載されている様々な用途のために誘電層の磁気特性を制御するのに概ね適した磁気メタマテリアル粒子は、フェライト有機セラミック（ＦｅｘＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）を含む。これらの粒子は、８〜４０ＧＨｚの周波数範囲における用途に良好に機能する。選択的に、又は、それに加えて、ニオビウム有機セラミック（ＮｂＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）１２〜４０ＧＨｚの周波数範囲で有用である。高周波数のために設計された材料は、低周波数の用途にも適用可能である。これら及び他の種類の合成粒子は商業的に入手可能である。

一般的に、被覆された粒子は本発明との使用のために好ましい。何故ならば、それらはポリママトリックス又は側鎖部分との結合に資するからである。誘電体の磁気特性を制御するのに加え、加えられた粒子は材料の有効誘電定数を制御するためにも用い得る。約１〜７０％の充填比率の合成粒子を用いることで、基板誘電層及び／又は補助的誘電層部分の誘電定数を著しく増大し、場合によっては、減少することが可能である。例えば、有機官能基ナノ粒子を誘電層に加えることは、変更された誘電層部分の誘電定数を上げることに用い得る。

ポリブレンド、混合及び攪拌を伴う充填を含む様々な技法によって、粒子を適用し得る。例えば、約７０％までの充填率を備える多様な粒子を用いることによって、誘電定数を２の値から１０程度の高さまで増大し得る。この目的のために有用な金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム及び酸化（ＩＩ、ＩＶ及びＶ）ニオビウムを含み得る。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）及びジルコン酸カルシウム及びジルコン酸マグネシウムのようなジルコン酸塩も用い得る。

選択可能な誘電特性は、約１０ナノメータと同等の小さい領域に局地化可能であり、或いは、基板面全体を含む大きな領域をカバーすることもできる。蒸着処理を伴うリソグラフィ及びエッチング処理のような従来技法を、局地化された誘電及び磁気特性の操作のために用い得る。

２〜２６５０の範囲の実質的に連続的な領域における有効比誘電率、並びに、他の潜在的に望ましい基板特性を生成するために、材料は他の材料と混合して或いは空隙領域（一般的に空気を導入する）の様々な密度を含めて準備され得る。例えば、低誘電定数（２〜約４）を示す材料は、様々な密度の空隙領域を備えたシリカを含む。様々な密度の空隙領域を備えた酸化アルミニウムは約４〜９の比誘電率をもたらす。シリカも酸化アルミニウム顕著な透磁率を有さない。しかしながら、これらの又は他の如何なる材料を著しく磁気的にするために、例えば２０ｗｔ．％までの磁気粒子を加え得る。例えば、磁気特性は有機官能基で調整され得る。磁性材料を加えることによる誘電定数に対する影響の結果、誘電定数の増大が一般的に生じる。

中位の誘電定数材料は、概ね７０〜５００±１０％の範囲の比誘電率を有する。上記の通り、所望の有効誘電定数値をもたらすために、これらの材料を他の材料又は空隙と混合し得る。これらの材料はフェライトでドープ処理されたチタン酸カルシウムを含み得る。ドープ材料はマグネシウム、ストロンチウム及びニオビウムを含み得る。これらの材料は４５〜６００の範囲の比透磁率を含む。

高誘電定数の用途のために、フェライト又はニオビウムでドープ処理されたチタン酸又はジルコン酸カルシウム又はバリウムを用い得る。これらの材料は約２２００〜２６５０の比誘電率を有する。これらの材料のためのドープ比率は概ね約１〜１０％である。他の材料に関して記された通り、所望の有効誘電定数値をもたらすために、これらの材料を他の材料又は空隙と混合し得る。

これらの材料は様々な分子変更処理を通じて変更され得る。変更処理は、空隙を生成する工程と、然る後に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような炭素及びフッ素基の有機官能材料で充填する工程とを含む。

有機官能基の統合の代わりに、或いは、それに加えて、固形自由形式製造（ＳＦＦ）、写真、紫外線、Ｘ線、電子ビーム又はイオンビーム照射を、処理に含めうる。写真、紫外線、Ｘ線、電子ビーム又はイオンビーム照射を用いて、リソグラフィも遂行し得る。

メタマテリアルを含む異なる材料を基盤層上の異なる領域（サブ積層）に適用し得ることで、基板層複数の領域領域（サブ積層）は異なる誘電及び／又は磁気特性を有する。上記の通り、所望の誘電及び／又は磁気特性を局地的に又はバルク基板部分に亘って得るために、埋め戻し材料を１つ又はそれ以上の追加的な処理ステップと共に用い得る。

最上層導体プリントが、次に、変更された基板層、サブ積層又は完全な積層に概ね適用される。薄膜技法、厚膜技法、電気メッキ又は他の適当な技法を用いて、導体トレースが提供され得る。導体パターンを定めるために用いられる処理は、標準的なリソグラフィ及びステンシルを含むが、それらに限定されない。

次に、複数の変更された基板を照合し且つ整列するために、ベースプレートが一般的に得られる。この目的のために、複数の基板の各々を貫通する整合孔を用い得る。

次に、全方向から材料に圧力をかける平衡加圧又は一方向のみから材料に圧力を加える一軸加圧を用いて、複数の層の基板、１つ若しくはそれ以上のサブ積層又は層及びサブ積層の組み合わせの全体がラミネート加工（例えば、機械的加圧）される。次に、ラミネート基板はさらに上述のように処理されるか、或いは、処理済み基板に適した温度（上記引用された材料のためには約８５０℃〜９００℃）に焼結されるべく炉内に配置される。

次に、用いられている基板材料に適した比率で温度を上昇させるよう制御し得る適当な加熱炉を用いて、複数のセラミック最上層及び基板のサブ積層を焼結し得る。温度上昇比率、最終温度、冷却プロファイル及び所要保持のような使用処理条件は、基板材料及び基板に埋め戻され或いは蒸着された如何なる材料にも留意して選択される。焼結に続いて、音響的、光学的、走査電子又はＸ線顕微鏡を用いて、積層基板は欠陥の検査をされるのが典型的である。

次に、積層化されたセラミック基板は、選択的に、回路の機能条件を満足するために必要な程度の小ささの帯状ピースに角切りにされる。最終検査に引き続いて、帯状基板ピースは、それらの様々な特性の評価のために試験装置に載置されることで、誘電的、磁気的及び／又は電気的特性が仕様限界内にあること等を確実にする。

よって、スロット給電マイクロストリップアンテナのようなマイクロストリップアンテナを成す回路を含む回路の密度及び性能を向上するために、誘電基板材料は、局地化された調整可能な誘電及び磁気特性を備え得る。

（実施例）
本発明に従って磁気粒子を含む誘電体を用いるインピーダンス整合を取扱う幾つかの特別の例が提示される。給電からスロットへのインピーダンス整合、並びに、スロット及び環境（例えば、空気）が実証される。

２つの無損失誘電媒体間のインターフェイスでの平面波の直入射（θｉ＝θ０）のための次の方程式が、

スロット内の誘電媒体と、近傍の誘電媒体、例えば、空気環境（例えば、空気を上方に備えたスロットアンテナ）又は他の誘電体（例えば、パッチアンテナの場合のアンテナ誘電体）との間のインピーダンス整合のために用いられている。環境への整合は周波数とは無関係である。多くの用途において、入射角がゼロであると想定することは、概ね合理的な近似である。しかしながら、入射角が実質的にゼロよりも大きいとき、コサイン項が上記方程式と共に用いられるべきである。

考えられている材料は全て等方性であると想定される。これらのパラメータを計算するために、コンピュータプログラムを用い得る。しかしながら、本発明以前にはマイクロ波回路のための磁気材料は用いられなかったので、インピーダンス整合のために必要な所要材料パラメータを計算するためのソフトは現存しない。

提示されている演算処理は、含まれる物理的原理を例示するために簡易化されている。ここに提示されている問題を追加的な正確性を持ってモデル化するために、有限要素解析のようなより厳密なアプローチを用い得る。

（例１）
空気を上方に備えたスロット
図４を参照すると、上方に空気（媒体１）を有するスロットアンテナ４００が示されている。アンテナ４００は、送電線４０５と、接地平面４１０とを含む。接地平面４１０はスロット４１５を含む。εｒ＝７．８を有する誘電体４３０が、送電線４０５と接地平面４１０との間に配設され、且つ、領域／媒体４と、領域／媒体３と、領域／媒体２とを含む。領域３は参照番号４３２によって指し示された関連する長さ（Ｌ）を有する。領域４２５はこの解析に余り影響を及ぼさないと考えられ、よって、ここでは無視されている。何故ならば、それは関心のある物理的処理を説明するためには不必要な追加的な複雑さを加えるからである。

媒体２及び３の透磁率値（μｒ２及びμｒ３）は近傍の媒体のインピーダンス整合に基づいて決定される。詳細には、μｒ２は環境（媒体１）へのインピーダンス整合を許容するために決定されるのに対し、μｒ３は媒体４へのインピーダンス整合を許容するために決定される。加えて、媒体２及び３を整合するために、媒体３内の整合区域の長さが次に決定され、それは選択動作周波数で４分の１波長の長さを有する。

先ず、次の方程式を用いて、媒体１及び媒体２のインターフェイスでの反射係数を理論的に排除するために、媒体１及び媒体２がインピーダンス整合される。

次の結果が得られる。

よって、スロットを環境（例えば、空気）に整合するために、μｒ２＝７．８である。

次に、媒体４を媒体２にインピーダンス整合し得る。３ＧＨｚと想定される選択動作周波数での４分の１波長の電気的長を有する媒体３内の整合区域４３２の長さ（Ｌ）を用いて、媒体２を媒体４に整合するために、媒体３が用いられる。よって、整合区域４３２は４分の１波長変換器として機能する。媒体４と媒体２とを整合するために、４分の１波長区域４３２は次の固有インピーダンスを有することが必要とされる。

領域２のための固有インピーダンスは次の通りである。

η０は自由空間の固有インピーダンスであり、次によって得られる。

よって、η２は次になる。

領域４のための固有インピーダンスは次の通りである。

（０．３）において（０．７）と（０．９）とを置換することで次が得られる。

次に、媒体３における比透磁率は次の通りでありことが分かる。

３ＨＧｚでの媒体３における誘導波長は次によって得られる。

ここで、ｃは光の速度であり、ｆは動作周波数である。

その結果、４分の１波長整合区域４３２の長さ（Ｌ）は、次によって得られる。

（例２）
誘電体を上方に備えるスロット。誘電体は１の比透磁率及び１０の誘電定数を有する。

図５を参照すると、εｒ＝１０及びμｒ＝１をもたらすアンテナ誘電体５１０上に形成されたスロット給電マイクロストリップパッチアンテナ５００の側面が示されている。アンテナ５００は、パッチ５１５と、接地平面５２０とを含む。接地平面５２０は、スロット５２５を成す切欠領域を含む。給電線誘電体５３０は、接地平面５２０と、給電線５４０との間に配設されている。

給電線誘電体５３０は、領域／媒体４と、領域／媒体３と、領域／媒体２とを含む。領域／媒体３は、参照番号５３２によって指し示される関連する長さ（Ｌ）を有する。領域５３５はこの解析に余り影響を及ぼさないと考えられ、よって、無視される。

アンテナ誘電体の比透磁率は１に等しく、且つ、導電定数は１０であるので、アンテナ誘電体は明らかに空気と整合せず、アンテナ誘電体のために、μｒ＝１０及びεｒ＝１０に等しいような比透磁率及び比誘電率が求められる。この例では実証されていないが、そのような整合は本発明を用いて実施され得る。この例において、媒体２と媒体４の間及び媒体１と媒体２との間の最適なインピーダンス整合のために、媒体２及び媒体３のための透磁率が計算される。加えて、次に、媒体３における整合区域の長さが決定され、それは選択動作周波数での４分の１波長の長さを有する。この例において、再度、未知数はμｒ２、μｒ３及びＬである。先ず、次の方程式を用いて、

次の結果が得られる。

媒体２を媒体４に整合するために、４分の１波長区域５３２は次の固有インピーダンスを有することが求められる。

媒体２のための固有インピーダンスは次の通りである。

η０は自由空間の固有インピーダンスであり、次によって得られる。

よって、η２は次の通りとなる。

媒体４のための固有インピーダンスは次の通りである。

（０．１４）における（０．１８）と（０．１７）とを置換することで次が得られる。

次に、媒体３のための比透磁率は次の通りであることが分かる。

３ＧＨｚでの媒体３における誘導波長は、次によって得られる。

ここで、ｃは光の速度であり、ｆは動作周波数である。その結果、長さＬは次によって得られる。

インピーダンス整合のために必要とされる比透磁率値は実質的に１以下であるので、そのような整合は既存の材料で実施することは困難である。従って、この例の現実的な実施は、１以下の比透磁率を有する媒体を必要とするこの又は類似の用途のために特別に用意された新規材料の開発を必要とする。

（例３）
誘電体を上方に備えるスロット。誘電体は、１０の比透磁率と、２０の誘電定数とを有する。

この例は例２と類似し、アンテナ誘電体５１０のεｒが２０であることを除き、図５に示される構造を有する。アンテナ誘電体５１０の比透磁率は１０であり、且つ、それはその透磁率と異なるので、再度、アンテナ誘電体５１０は空気と整合していない。この例において、前記の例と同様に、媒体２と媒体４との間及び媒体１と媒体２との間の最適なインピーダンス整合のために、媒体２及び媒体３のための透磁率が計算されている。加えて、次に、媒体３における整合区域の長さが決定され、それは選択動作周波数での４分の１波長の長さを有する。前記と同様に、近傍の誘電媒体をインピーダンス整合するために、μｒ２、μｒ３及びＬが決定される。

先ず、次の方程式を用いて、

次の結果が得られる。

媒体２を媒体４に整合するために、４分の１波長区域は次の固有インピーダンスを有することが求められる。

媒体２のための固有インピーダンスは次の通りである。

η０は自由空間の固有インピーダンスであり、次によって得られる。

よって、η２は次のようになる。

媒体４のための固有インピーダンスは次の通りである。

（０．２５）において（０．２９）と（０．２８）とを置換することで次が得られる。

次に、媒体３のための比透磁率が次の通りであることが分かる。

３ＧＨｚでの媒体３における誘導波長は次によって得られる。

ここで、ｃは光の速度であり、ｆは動作周波数である。その結果、長さ（Ｌ）が次によって得られる。

例２と例３とを比較すると、実質的に１以上の比透磁率を有するアンテナ誘電体５１０の仕様を通じて、媒体１と媒体２との間及び媒体２と媒体４との間のインピーダンス整合が促進される。何故ならば、ここに記載されている通り、これらの媒体を整合するための媒体２及び媒体３のための所要パラメータは双方とも容易に実現可能であるからである。

ここまで記載された後、本発明は限定的でないことが明らかであろう。特許請求の範囲に記載されている本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、数々の修正、変化、変更、置換及び均等物が当業者に生じるであろう。

従来技術に従ったスロット結合マイクロストリップパッチアンテナを示す側面図である。 本発明の実施態様に従って、アンテナの放射効率を向上するための磁気粒子を含むアンテナ誘電体上に形成されたスロット給電マイクロストリップパッチを示す側面図である。 低減された物理的サイズ及び高い放射効率のアンテナを製造する工程を示すフローチャートである。 本発明の実施態様に従って、磁気粒子を含むアンテナ誘電体上に形成されたスロット給電マイクロストリップアンテナを示す側面図であり、アンテナは、給電線からスロットへ、並びに、スロットから環境へのインピーダンス整合をもたらす。 本発明の実施態様に従って、磁気粒子を含むアンテナ誘電体上に形成されたスロット給電マイクロストリップアンテナを示す側面図であり、アンテナは、給電線からスロットへ、並びに、スロットからパッチ下方のアンテナ誘電体とのインターフェイスへのインピーダンス整合をもたらす。

Claims (9)

1. 少なくとも１つのスロットを有する導電性の接地平面と、
   少なくとも１つの導電性部分を含む少なくとも第一パッチ放射器と、
   前記接地平面と前記第一パッチ放射器との間に配設されるアンテナ誘電体基板材料と、
   前記スロットを通じて前記第一パッチ放射器との間で信号エネルギーの送受信をするための給電線と、
   前記給電線と前記接地平面との間に配設される給電誘電体基板とを含み、
   前記アンテナ誘電体基板材料は、磁気粒子を含む第一アンテナ誘電領域を含み、
   前記少なくとも１つの導電性部分は、前記給電線から電磁エネルギーを受け取り、前記給電線にエネルギーを供給するために構成される、
   スロット給電マイクロストリップパッチアンテナ。
2. 前記アンテナ誘電体基板材料は、第二アンテナ誘電領域をさらに含み、前記アンテナ誘電体基板材料は、前記スロットと前記パッチ放射器との間に配設され、前記第一アンテナ誘電領域は、前記第一パッチ放射器の下方に位置し、前記第一アンテナ誘電領域及び前記第二アンテナ誘電領域は、異なる透磁率及び異なる誘電率のうちの少なくとも１つを有するよう差分変更され、該差分変更は、前記第一アンテナ誘電領域又は前記第二アンテナ誘電領域中のメタマテリアル粒子の選択的な使用を通じて達成される、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記磁気粒子はメタマテリアルを含み、
   該メタマテリアルは、
   ２つ又はそれよりも多くの異なる材料を分子又はナノメートルレベルで混合し或いは配合することで形成される合成材料であり、
   フェライト有機セラミック粒子、
   ニオビウム有機セラミック粒子、又は、
   有機官能基合成セラミック粒子を含み、
   該有機官能基合成セラミック粒子は、
   酸化カルシウムと、酸化マグネシウムと、酸化ニッケルと、ニオブ酸リチウムとを含む金属酸化物と、
   ジルコン酸カルシウムと、ジルコン酸マグネシウムとを含むジルコン酸塩と、
   ドープ材料としてマグネシウム、ストロンチウム、又は、ニオビウムを使用するフェライトドープ処理されたチタン酸カルシウムと、
   フェライト又はニオビウムドープ処理されたチタン酸又はジルコン酸カルシウム又はバリウムとを含む、
   請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記給電誘電体基板の少なくとも一部は、磁気粒子を含む、請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記給電線を前記スロットに整合するために、前記給電線誘電体基板は、前記スロット近傍に４分の１波長整合区域をもたらす、請求項４に記載のアンテナ。
6. 前記少なくとも第一パッチ放射器は、上方及び下方のパッチ放射器を含み、前記上方及び下方のパッチ放射器は、パッチ間誘電体で分離される、請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記パッチ間誘電体は、磁気粒子を含む、請求項６に記載のアンテナ。
8. 前記磁気粒子はメタマテリアルを含む、請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記メタマテリアル粒子は、
   ２つ又はそれよりも多くの異なる材料を分子又はナノメートルレベルで混合し或いは配合することで形成される合成材料であり、
   フェライト有機セラミック粒子、
   ニオビウム有機セラミック粒子、又は、
   有機官能基合成セラミック粒子を含み、
   該有機官能基合成セラミック粒子は、
   酸化カルシウムと、酸化マグネシウムと、酸化ニッケルと、ニオブ酸リチウムとを含む金属酸化物と、
   ジルコン酸カルシウムと、ジルコン酸マグネシウムとを含むジルコン酸塩と、
   ドープ材料としてマグネシウム、ストロンチウム、又は、ニオビウムを使用するフェライトドープ処理されたチタン酸カルシウム、及び、
   フェライト又はニオビウムドープ処理されたチタン酸又はジルコン酸カルシウム又はバリウムを含む、
   請求項２に記載のアンテナ。

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