JP4379470B2 - 広帯域アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）技術を利用したＢｒｏａｄｂａｎｄ−ＰＡＮ（Personal Area Network）などの、超広帯域かつ小型なアンテナ装置が必要とされる通信システムに用いられる薄型広帯域アンテナおよび広帯域アンテナ装置に関する。

ＵＷＢ技術を利用したＢｒｏａｄｂａｎｄ−ＰＡＮを実現するには、「超広帯域」かつ「小型」なアンテナが必要とされる。特に薄型の要求に答えるものとして、いわゆるパッチアンテナ（薄型アンテナ）がある。パッチアンテナは、絶縁性物質を介在物として放射導体と導体地板とを対向して配置することにより構成したものである。

放射導体の形状は、特に決まりはないが、大体において矩形若しくは円形が用いられている。放射導体と導体地板との間に介在させる絶縁性物質の厚みは概ね、無線周波数の波長の１／１０以下とされる。このため極めて薄型に構成できる。

また、パッチアンテナは、両面銅張りの絶縁性物質基板をエッチング加工して製造することができるなど、比較的に簡単に製造することができる。つまり、パッチアンテナは、製造が比較的に容易である、または、回路基板との一体化が容易である等の特徴も有するものである。

ところで、上述したパッチアンテナは、動作可能帯域が狭い。このため、動作可能帯域が広帯域である必要のあるＰＡＮシステムなどには不向きである。例えば、比誘電率εｒ＝４、導電率＝０.００３［／Ωｍ］、厚さｔ＝２ｍｍの絶縁性物質を介在物として用い、一辺の長さが６８ｍｍの正方形の導体地板と一辺の長さが１５ｍｍの正方形の放射導体とをそれらの中心が一致するように対向させて形成したパッチアンテナであって、導体地板の中心と放射導体の中心とを短絡ピンにより接続し、短絡ピンから３ｍｍ離れた位置に給電点を設けるようにしたパッチアンテナの特性についてシミュレーションを行うと以下のような結果が得られる。

図１９は、上述のパラメータを持つパッチアンテナのインピーダンス特性を示すスミスチャート（図１９Ａ）と、ＶＳＷＲ特性を示す図（図１９Ｂ）であり、図２０は、放射パターン特性（φ＝０度面内のθパターン）を示す図である。図２０において、図２０Ａは周波数ｆが３．５ＧＨｚの信号を放射した場合の放射パターン特性を、図２０Ｂは周波数ｆが４ＧＨｚの信号を放射した場合の放射パターン特性を、また、図２０Ｃは、周波数ｆが４．５ＧＨｚの信号を放射した場合の放射パターン特性をそれぞれ示している。

図１９から分かるように、動作可能帯域をＶＳＷＲが２以下の帯域とした場合、約３％の比帯域幅しか得られていない。また、図２０Ａ、Ｂ、Ｃを比較すると分かるように、周波数ｆが４ＧＨｚの信号を用いた場合には、良好に利得を確保しているのに対し、周波数ｆが３．５ＧＨｚの信号を用いた場合と、４．５ＧＨｚの信号を用いた場合は、いずれも十分な利得を確保できていないことが分かる。

このため、極めて薄型で、製造しやすく、回路基板との一体化が容易であるなどのパッチアンテナの利点を踏襲し、しかもＰＡＮシステムなどのように広帯域を必要とする通信システムに適用可能な薄型の広帯域アンテナ装置、より低背位化した広帯域アンテナ装置の提供が望まれている。

以上のことにかんがみ、この発明は、薄型広帯域アンテナ装置、より低背位化した広帯域アンテナ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の広帯域アンテナ装置は、
少なくともその一部が互いに対向するように配設された導体地板と放射導体板とを備えた広帯域アンテナ装置であって、
前記導体地板と前記放射導体板との間に、使用無線周波数における比透磁率が１より大きく概ね８以下となる磁性体を介在させ、
前記磁性体の使用無線周波数における導電率が、概ね０．１［／Ωｍ］以上１０［／Ωｍ］以下となるものである。

この発明による広帯域アンテナ装置によれば、小型化・低背位化を保ちながら広帯域な放射特性を有するアンテナ装置を安価に実現することができる。

また、この発明による薄型広帯域アンテナ装置によれば、従来からあるいわゆるパッチアンテナ（薄型アンテナ装置）の有益な特徴をそのままに、狭帯域特性を大きく改善し、その適用範囲を飛躍的に高めた薄型広帯域アンテナ装置を実現することができる。

また、整合用容量（キャパシタ）を給電部に直列または並列に、あるいは、直列および並列に接続することにより、整合を容易に取ることができる。

以下、図を参照しながら、この発明による広帯域アンテナ装置、薄型広帯域アンテナ装置の一実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
この第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置は、導体地板と放射導体との間に介在させる物質の導電率σに着目してなされたものであり、導電率σを比較的に大きな値となる所定の範囲に属する物質を用い、信号を導体地板と放射導体間に適度に漏れ込ませて損失を持たせる事により反射波を低減し、低背位化すると共に、動作可能帯域の広帯域化を図るようにしたものである。

なお、この発明による広帯域アンテナ装置は、導体地板と放射導体との間に所定の導電率特性をもつ物質を介在させて形成する種々のアンテナ装置に適用可能であるが、以下においては、いわゆるパッチアンテナに適用した場合を例にして説明する。

図１は、この第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置の構成を説明するための図である。図１において、図１Ａはこの第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置の断面図であり、図１Ｂはこの第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置の上面図である。

図１Ａに示すように、この第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置は、導体地板１と放射導体２とを対向して配置し、これら導体地板１と放射導体２との間に、導電率σが使用無線周波数において、概ね０.１［／Ωｍ］以上の値である導電性特性を有する物質を介在物３として介在させて形成したものである。この第１の実施の形態において、介在物３は、損失性の高い誘電体であり、その厚みｔは、例えば２［ｍｍ］程度である。

そして、この第１の実施の形態において、誘電体である介在物３の導電率σは、前述したように、概ね０.１［／Ωｍ］以上であればよいが、実際の使用に際して好適な特性を得られる導電率の範囲は、概ね０.１［／Ωｍ］以上１０.０［／Ωｍ］以下となる。この範囲の導電率特性を持つ種々の誘電体を介在物３として用いることが可能である。

そして、図１Ｂに示すように、この第１の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置において、導体地板１は、一辺が長さｌｇである正方形のものであり、放射導体２は、一辺が長さｌｅである正方形のものである。これら導体地板１と放射導体２とをそれらの中心の位置が一致するように対向させている。

さらに、図１Ａ、Ｂに示すように、この第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置においては、導体地板１の中心（導体地板１の２本の対角線同士の交点）と、放射導体２の中心（放射導体２の２本の対角線同士の交点）とを接続する短絡ピン４を設けている。この短絡ピン４から長さｇｆ［ｍｍ］分離れた位置に、導体地板１側にはグラウンド給電点１ｆを、放射導体２側には信号給電点２ｆを設けている。なお、この短絡ピン４は、主には高次モード励振を抑制するためのものである。

このように構成される広帯域アンテナ装置について、介在物３として用いる誘電体の導電率σを、０.１[/Ωm]、１.０[/Ωm]、１０.０[/Ωm]とした場合のそのそれぞれの導電率σにおいてのインピーダンス特性と整合特性とのシミュレーション結果について説明する。

図２は、この第１の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置についてのシミュレーション時におけるパラメータリストである。すなわち、図２に示すように、導体地板１と放射導体２との間に介在させる介在物３として、比誘電率εｒがいずれも４．０である誘電体であり、しかも比透磁率μrおよびアンテナ寸法は共通であるが、導電率σが、０.１[/Ωm]、１.０[/Ωm]、１０.０[/Ωm]と異なる３種類の誘電体を介在物３として用いている。これらのパラメータを使用して、この第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置についてシミュレーションを行った。但し、導体地板１及び介在物３の一辺の長さは、ｌｇ＝６８[mm]である。

図２において、ｔａｎδは、導電率σを変えることにより変わる従属的なパラメータである。ｔａｎδは、実部と虚部とで表される複素誘電率εあるいは複素透磁率μの虚部と実部との比であり、虚部が大きい場合に大きな値となり、ロスが大きいことが分かるものである。

また、図２において、整合用容量値は、用いたキャパシタの容量を示すものであり、Ｃｐ：０.５は、並列に０.５［ｐＦ］のキャパシタを給電部（給電点）に接続したことを示し、Ｃｐ：１.５は、並列に１.５［ｐＦ］のキャパシタを給電部に接続したことを示している。

そして、図２の左端に示すように、各パラメータに応じたシミュレーション結果が、図３、図４、図５である。すなわち、図３は、介在物３として、導電率σ＝０.１［／Ωｍ］である誘電体を用いた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート（図３Ａ）と、整合特性を示すＶＳＷＲ特性図（図３Ｂ）である。

また、図４は、介在物３として、導電率σ＝１.０［／Ωｍ］である誘電体を用いた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート（図４Ａ）と、整合特性を示すＶＳＷＲ特性図（図４Ｂ）であり、図５は、介在物３として、導電率σ＝１０.０［／Ωｍ］である誘電体を用いた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート（図５Ａ）と、整合特性を示すＶＳＷＲ特性図（図５Ｂ）である。

図２に示したように、導電率σ＝０.１［／Ωｍ］の誘電体を介在物３とした場合には、整合を取るためのキャパシタは用いないが、導電率σ＝１.０［／Ωｍ］の誘電体を介在物３とした場合と、導電率σ＝１０.０［／Ωｍ］の誘電体を介在物３とした場合においては、整合用キャパシタを用いている。

整合の効果を示すため、図４、図５において、マル印でプロットした線で示した整合用キャパシタを用いない場合のシミュレーション結果及び、バツ印でプロットした線で示した整合用キャパシタを用いた場合のシミュレーション結果の両方を図示している。

そして、図３に示したスミスチャート、ＶＳＷＲ特性の図から分かるように、導電率σ＝０.１［／Ωｍ］の場合において、ＶＳＷＲが３以下である帯域を動作可能帯域とすると、４ＧＨｚ近辺を中心として、約７００ＭＨｚ（比帯域１５％程度）が動作可能帯域として確保されていることが分かる。また、ＶＳＷＲが２以下である部分を動作可能帯域とすると、４ＧＨｚ近辺を中心として、約５００ＭＨｚが動作可能帯域として確保されていることが分かる。

また、図４、図５から分かるように、導電率σが１.０［／Ωｍ］、１０.０［／Ωｍ］の介在物３を用いるようにした場合には、整合を取るためのキャパシタを給電部に接続することによって、整合を大きく改善し、動作可能帯域をＶＳＷＲが３以下の帯域とすると、少なくとも比帯域５０％以上に渡る広帯域特性を実現することができるし、動作可能帯域をＶＳＷＲが２以下の帯域とした場合であっても、約２ＧＨｚの帯域を動作可能帯域として確保することができる。

そして、図１９、図２０を用いて前述した、介在物３として、比誘電率εｒ＝４.０、導電率σ＝０.００３［／Ωｍ］、厚みｔ＝２［ｍｍ］の絶縁性物質を用いた従来のパッチアンテナの図１９Ａに示したスミスチャート、および、図１９Ｂに示したＶＳＷＲ特性図と、この第１の実施の形態のシミュレーション結果（図３〜図４）とを比較すると明らかなように、この第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置の動作可能帯域の広帯域化が確実に実現されていることが確認できる。

このように、介在物３として上述したように所定の導電率特性を持つ物質（この第１の実施の形態においては誘電体）を用いることで、低背位化した極めて薄型の広帯域アンテナ装置を実現することができる。

［第２の実施の形態］
この第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置は、導体地板と放射導体との間に介在させる物質の比透磁率μｒに着目してなされたものであり、介在物を磁性体とし、その磁性体の比透磁率μｒを所定の範囲に属するものとすることにより、動作可能帯域の広帯域化を図るようにしたものである。

図６は、この第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の構成を説明するための図である。図６において、図６Ａはこの実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の断面図であり、図６Ｂはこの実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の上面図である。図６に示したように、この第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置は、図１に示した第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置と同様に構成されるものである。

しかし、この第２の実施の形態の広帯域アンテナ装置の場合には、介在物３として、誘電体に替えて、磁性体を用いるという全く新しい着想のもとになされたものである。この第２の実施の形態の広帯域アンテナ装置は、比透磁率が１.０より大きく概ね８.０以下の磁性体を用いることにより、波長短縮効果をそのまま利用すると共に、さらに動作可能帯域の広帯域化を実現するものである。

［介在物３として磁性体を用いた場合のシミュレーション結果］
図６に示した構成を有し、介在物３として、比透磁率μｒ＝４.０、比誘電率εｒ＝１.０、導電率σ＝０.００３［／Ωｍ］、厚みｔ＝２［ｍｍ］の磁性体を用いると共に、導体地板１の一辺の長さｌｇ＝６８［ｍｍ］、放射導体２の一辺の長さｌｅ＝１５［ｍｍ］、短絡ピン４と給電点１ｆとの間隔ｇｆ＝３．０［ｍｍ］というパラメータを備えたこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の特性シミュレーション結果について説明する。

図７は、介在物３として、比透磁率μｒ＝４.０の磁性体を用いたこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図である。図７において、ＶＳＷＲの下限が６近傍となるマル印が付いている線が、この第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の生のＶＳＷＲ特性（アンテナ装置自体のＶＳＷＲ特性）であり、ＶＳＷＲ値の下限が１近傍となるバツ印が付いている線が、キャパシタ０．３５ｐＦを給電部（給電点）に直列接続して整合を取った場合のこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性である。

図７から分かるように、キャパシタを用いない場合であっても、概ね４ＧＨｚに共振点が存在する。しかし、インピーダンスの虚部の値が完全にゼロとならないため、このままでは、規格化インピーダンスである５０オームに整合することができない。

そこで、キャパシタ０．３５ｐＦを給電部に直列接続して整合を取るようにする。これにより、ＶＳＷＲ特性は大幅に改善される。例えば、ＶＳＷＲが２以下となる帯域を動作可能帯域とした場合、２２％もの比帯域幅が得られる。一般に、誘電体を用いた従来構成では概ね数％のオーダーであり、本発明による広帯域化の効果が確認できる。

また、図８は、介在物３として、比透磁率μｒ＝４.０の磁性体を用いたこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の放射パターン特性（φ＝０度面内のθパターン）を示す図である。図８において、図８Ａは周波数ｆが３．５ＧＨｚの信号を放射した場合の放射パターン特性を、図８Ｂは周波数ｆが４ＧＨｚの信号を放射した場合の放射パターン特性を、また、図８Ｃは、周波数ｆが４．５ＧＨｚの信号を放射した場合の放射パターン特性をそれぞれ示している。これら図８Ａ、Ｂ、Ｃから分かるように、３.５ＧＨｚ〜４.５ＧＨｚの広範囲に渡って約５ｄＢｉの利得が確保できていることが分かる。

そして、さらに、比透磁率μｒ＝２.０である磁性体を介在物３として用いた薄型広帯域アンテナ装置と、比透磁率μｒ＝８.０である磁性体を介在物３として用いた薄型広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性を図９Ａ、Ｂに示す。

図９Ａは、比透磁率μｒ＝２.０である磁性体を介在物３として用いたこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図である。図９Ａにおいて、ＶＳＷＲの下限が２近傍となるマル印が付いている線が、この第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の生のＶＳＷＲ特性（アンテナ装置自体のＶＳＷＲ特性）であり、ＶＳＷＲ値の下限が１近傍となるバツ印が付いている線が、キャパシタ０.７５ｐＦを給電部に直列接続して整合を取った場合のこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性である。

この図９Ａから分かるように、比透磁率μｒ＝２.０である磁性体を介在物３として用いた場合であっても、ＶＳＷＲが２以下の帯域を動作可能帯域とした場合には、４ＧＨｚを中心周波数として約１０％の比帯域幅が得られている。

また、図９Ｂは、比透磁率μｒ＝８.０である磁性体を介在物３として用いたこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図である。図９Ｂにおいて、この第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の生のＶＳＷＲ特性（アンテナ装置自体のＶＳＷＲ特性）は図示されておらず、ＶＳＷＲ値の下限が１近傍となるバツ印が付いている線が、キャパシタ０．１９ｐＦを給電部に直列接続して整合を取った場合のこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置のＶＳＷＲ特性である。この場合にも、ＶＳＷＲが２以下の帯域を動作可能帯域とした場合には、４ＧＨｚを中心周波数として約１３％の比帯域幅が得られている。

つまり、比透磁率μｒ＝２.０、４.０、８.０のいずれの場合にも、比較的に広い動作可能帯域を確保できていることが確認できる。ここでは、動作可能帯域をＶＳＷＲが２以下の帯域としたが、動作可能帯域をＶＳＷＲが３以下の帯域とした場合には、いずれの場合にもより広い動作可能帯域を確保することができる。

なお、比透磁率μｒ＝８.０の場合には、高次モードが縮退する傾向があり、放射指向性の安定性がやや失われると考えられるため、比透磁率μｒが８.０より大きな磁性体は介在物３として用いるのは難しい。このため、介在物３として用いる磁性体の比透磁率μｒの使用可能範囲は、比透磁率μｒが１.０より大きく、おおむね８.０までの範囲（１.０＜μｒ≦８.０）が好ましい。

そして、介在物３として磁性体を用いたこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置についての図７、図８、図９に示したシミュレーション結果と、介在物３として従来から用いられている絶縁性物質を用いることにより一般的に構成可能な従来のパッチアンテナについての図１９、図２０に示したシミュレーション結果とを比較すると、以下の点が明確になる。

狭帯域であっても、十分な利得と安定した放射パターン特性を得る必要のある従来の適用範囲を想定して形成するパッチアンテナ装置の場合には、介在物３として従来からの絶縁性物質を用いても、図１９、図２０に示したように、その目的を十分に達成することが可能な特性のパッチアンテナ装置を形成することができる。

しかし、近年注目されているＵＷＢ技術を用いたＰＡＮシステムなどのように、動作可能帯域が広帯域となり、指向特性も無指向性が好ましい新たな適用範囲に使用する場合には、図７、図８、図９に示したように、介在物３として比透磁率が、１.０より大きく概ね８.０以下の範囲となる磁性体を用いることにより実現可能なこの第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置でなければ対応できない。

つまり、従来のパッチアンテナの場合には、良好な通信を行うためには高利得を実現しなければならず、介在物としては絶縁性物質を用いなければならなかった。しかし、ＰＡＮシステムなどの新たな適用分野に対応するために、従来の考え方から脱却し、介在物３として磁性体を用いるという新たな着想に基づくことにより、極めて薄型で、しかも広帯域のアンテナ装置の実現が可能となった。

なお、介在物３として磁性体を用いた場合にも、また、一般的な絶縁性物質を用いた場合にも、給電点については、中心より若干オフセットした位置に取られ、導体地板と放射導体とを励振する。

このように、介在物として絶縁性物質が用いられて形成される従来のパッチアンテナに比べて、この第２の実施の形態において説明した磁性体を介在物３として用いた薄型広帯域アンテナ装置の方が、実際の適用に際して、使用条件が厳しくなったり、あるいは、特別の注意が必要になったりするなどの不都合を生じさせることもない。

このように、介在物３として、比透磁率が１より大きく概ね８以下である磁性体を用いることによって、従来からのパッチアンテナの有益な特徴をそのまま踏襲した薄型広帯域アンテナ装置を実現することができる。

［第３の実施の形態］
前述した第１の実施の形態においては、導体地板１と放射導体２との間に介在させる介在物３として、導電率σが、概ね０．１［／Ωｍ］以上１０.０［／Ωｍ］以下となる誘電体を用いるようにした。しかし、第２の実施の形態において説明したように、介在物として、磁性体を用いることも考えられる。

そこで、この第３の実施の形態においては、介在物として磁性体を用いるが、第２の実施の形態の場合のように、介在させる磁性体を比透磁率μｒのみによって規定するのではなく、導体地板と放射導体との間に介在させる磁性体が持つ導電率でも規定するようにしたものである。

すなわち、この第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置は、導体地板と放射導体との間に介在させる物質を磁性体とすると共に、その導電率σを比較的に大きな値となる所定の範囲に属するものとすることにより、信号を導体地板と放射導体間に適度に漏れ込ませて損失を持たせる事により反射波を低減し、動作可能帯域の広帯域化を図るようにしたものである。

図１０は、この第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置の構成を説明するための図である。図１０において、図１０Ａはこの実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置の断面図であり、図１０Ｂはこの実施の形態の広帯域アンテナ装置の上面図である。

図１０に示したように、この第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置は、導体地板１と放射導体２との間に介在させる介在物３が、誘電体でなく、導電率σが、概ね０．１［／Ωｍ］以上１０.０［／Ωｍ］以下となる磁性体を用いるようにした点を除けば、図１に示した第１の実施の形態の広帯域アンテナ装置、および、図６に示した第２の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置と同様に構成されるものである。

この第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置について、介在物３として用いる磁性体の導電率σを、０.１[/Ωm]、１.０[/Ωm]、１０.０[/Ωm]とした場合のそのそれぞれの導電率σにおいてのインピーダンス特性と整合特性とのシミュレーション結果について以下に説明する。

図１１は、この第３の実施の形態の薄型広帯域アンテナ装置についてのシミュレーション時におけるパラメータリストである。すなわち、図１１に示すように、この第３の実施の形態においては、導体地板１と放射導体２との間に介在させる介在物３として、比透磁率μｒがいずれも４.０である磁性体であり、しかも比誘電率εｒおよびアンテナ寸法は共通であるが、導電率σが、０.１[/Ωm]、１.０[/Ωm]、１０.０[/Ωm]と異なる３種類の磁性体を介在物３として用いている。これらのパラメータを使用して、この第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置についてシミュレーションを行った。但し、導体地板１及び介在物３の一辺の長さは、ｌｇ＝６８[mm]である。

また、図１１において、ｔａｎδは、前述もしたように、導電率σを変えることにより変わる従属的なパラメータである。また、図１１において、整合用容量値は、用いたキャパシタの容量を示すものであり、Ｃｓ：０.４は、直列に０.４［ｐＦ］のキャパシタを給電部に接続したことを示している。また、Ｃｓ：０.５は、直列に０.５［ｐＦ］のキャパシタを給電部に接続したことを示している。そして、導電率σ＝１０.０の場合のみにおけるＣｓ：１.５＋Ｃｐ：０.５は、直列に１.５［ｐＦ］のキャパシタを接続すると共に、並列に０.５［ｐＦ］のキャパシタを給電部に接続したことを示している。

そして、図１１の左端に示すように、各パラメータに応じたシミュレーション結果が、図１２、図１３、図１４である。すなわち、図１２は、介在物３として、導電率σ＝０.１［／Ωｍ］で、比透磁率μｒが４.０である磁性体を用いた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート（図１２Ａ）と、整合特性を示すＶＳＷＲ特性図（図１２Ｂ）である。

また、図１３は、介在物３として、導電率σ＝１.０［／Ωｍ］で、比透磁率μｒが４.０である磁性体を用いた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート（図１３Ａ）と、整合特性を示すＶＳＷＲ特性図（図１３Ｂ）であり、図１４は、介在物３として、導電率σ＝１０.０［／Ωｍ］で、比透磁率μｒが４.０である磁性体を用いた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート（図１４Ａ）と、整合特性を示すＶＳＷＲ特性図（図１４Ｂ）である。

整合の効果を示すため、図１２、図１３、図１４において、マル印でプロットした線で示した整合用キャパシタを用いない場合のシミュレーション結果及び、バツ印でプロットした線で示した整合用キャパシタを用いた場合のシミュレーション結果の両方を示している。

図１２に示したスミスチャートおよびＶＳＷＲ特性図から分かるように、介在物３である磁性体が導電率σ＝０.１［／Ωｍ］の場合において、整合用キャパシタを用いることにより、整合を大きく改善でき、ＶＳＷＲが３以下である部分を動作可能帯域とすると、４ＧＨｚ近辺を中心として、約２ＧＨｚ（比帯域５０％程度）を動作可能帯域として確保できていることが分かる。また、ＶＳＷＲが２以下である部分を動作可能帯域としても、４ＧＨｚ近辺を中心として、約１.５ＧＨｚが動作可能帯域として確保されていることが分かる。

図１３に示したスミスチャートおよびＶＳＷＲ特性図から分かるように、介在物３である磁性体が導電率σ＝１.０［／Ωｍ］の場合において、整合用キャパシタを用いることにより、整合を大きく改善でき、ＶＳＷＲが３以下である部分を動作可能帯域とすると、４.５ＧＨｚ近辺を中心として、約３ＧＨｚ（比帯域７０％程度）を動作可能帯域として確保できていることが分かる。また、ＶＳＷＲが２以下である部分を動作可能帯域としても、４ＧＨｚ近辺を中心として、約１.５ＧＨｚが動作可能帯域として確保されていることが分かる。

また、図１４に示したスミスチャートおよびＶＳＷＲ特性図から分かるように、介在物３である磁性体が導電率σ＝１０.０［／Ωｍ］の場合において、整合用キャパシタを用いることにより、整合を大きく改善でき、ＶＳＷＲが３以下である部分を動作可能帯域とすると、５ＧＨｚ近辺を中心として、約４ＧＨｚ（比帯域８０％程度）を動作可能帯域として確保できていることが分かる。また、ＶＳＷＲが２以下である部分を動作可能帯域としても、５ＧＨｚ近辺を中心として、約２ＧＨｚが動作可能帯域として確保されていることが分かる。

そして、図１２〜図１４のシミュレーション結果を勘案すると、概ね０．１［／Ωｍ］から１０.０［／Ωｍ］程度の値であるような導電率特性を有する磁性体を導体地板１と放射導体２との間に挿入して介在させる事により、ＶＳＷＲ＜３を使用可能な周波数範囲（動作可能帯域）の目安と考えると、４〜５ＧＨｚ近辺を中心として比帯域５０％以上に渡る広帯域特性を実現できることが分かる。

ＶＳＷＲが３以下の帯域を動作可能帯域として、図１９に示した、導電率σ＝０.００３［／Ωｍ］の絶縁性物質（誘電体）を介在物３として用いた一般的なアンテナ装置と、図１２に示した、導電率σ＝０.１［／Ωｍ］、比透磁率μｒ＝４.０のこの第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置とを比べると、この第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置の場合には、十分に広帯域となっていることが判る。また、図１２〜図１４に示したように、外部に整合用の容量を装荷することにより、整合を大きく改善することができ、使用に十分耐えうる極めて薄型の広帯域アンテナ装置を実現することができる。

なお、この第３の実施の形態においては、導電率が概ね０.１以上１０.０以下となる磁性体を用いるものとして説明した。しかし、これに加え、前述した第２の実施の形態の広帯域アンテナ装置の場合と同様に、比透磁率μｒを、１.０より大きく概ね８.０以下とする磁性体を用いることにより、さらに特性をよくすることができる。つまり、導電率σが概ね０.１以上１０.０以下であって、かつ、比透磁率μｒが、１.０より大きく概ね８.０以下である磁性体を介在物３として用いることにより、より特性のよい薄型広帯域アンテナ装置を実現することができる。

［目的とする導電率を有する物質の形成方法の一例について］
前述した第１、第３の実施の形態においては、使用周波数帯において、導電率σが、０.１以上１０.０以下となる誘電体、あるいは、磁性体を導体地板１と放射導体２との間に介在させる介在物３として用いるようにした。

そして、使用周波数帯において、導電率σが、０.１以上１０.０以下となる物質の形成方法としては、種々の方法が考えられる。介在物３として用いる物質が誘電体であれば、カーボンなどの導電性材料を適量混入するようにしたり、また、介在物３として用いる物質が磁性体であれば、フェライトの混成比率を変えたりするなど、介在物としての誘電体、磁性体の組成を種々変更するようにする方法が考えられる。

この他、導体地板１と放射導体２との間に介在物３を介在させるというこの発明による広帯域アンテナ装置の構成に基づいて、使用周波数帯において、導電率σが、０.１以上１０.０以下となる物質を形成するようにすることも可能である。

図１、図１０に示したように、介在物３の表面に放射導体を設ける場合には、介在物３の表面に放射導体２を塗布、蒸着、接着、メッキ等の手法で形成することになる。この場合、放射導体２を設ける側の介在物の表面が粗い場合には、誘電正接ｔａｎδが大きくなり、損失が大きくなる。これを利用することによって、導電率σを目的とする値にしたり、目的の値に近づけたりすることが可能である。

すなわち、上述した第１、第３の実施の形態においては、一般的な誘電体材料などを使用する場合に比べて、より大きなｔａｎδの領域で、即ち大きな導電率の領域でその材料を使用することにより広帯域なアンテナ実現するようにした。このため、誘電体や磁性体などの介在物の表面に放射導体２を形成する場合には、その放射導体２を形成する側の介在物表面（材料表面）を一般的に使用される平均表面粗さよりも粗くすることによって、所望の導電率特性に近いものを得ることができる。

介在物表面（材料表面）の粗さによるｔａｎδの劣化に関しては、放射導体単体の導電率と使用周波数の関数である表皮深さが目安となっていると考えられる。したがって、例えば、上述した場合（導電率σ＝０.１から１０.０）のような大きなｔａｎδ (大きな導電率)を得る平均表面粗さの目安として、表皮深さの約１0倍以上を目安とすることができる。

ちなみに、表皮の深さは以下の（１）式によって与えられる。すなわち、
表皮深さＤ［ｍ］＝Ｓｑｒｔ［２／（μ σｍ ω）］ …（１）
（１）式において、μは使用する金属材料の透磁率であり、一般にμ=μ₀=１.２６×１０^-6[H/m]であり、σｍは金属材料の導電率[/Ωｍ]であり、ωは使用角周波数[ｒａｄ／ｍ]である。

このように、放射導体２の導電率と使用周波数とから計算される表皮深さＤ［ｍ］に基づいて、導体地板1と放射導体２との間に介在させる介在物３の放射導体側の表面粗さを決め、その粗さの表面を持つ介在物３を形成することにより、所望の導電率により近い導電率を有する介在物３として用いることが可能な物質を得ることができる。

このように、所望の導電率σを持つ介在物３として用いられる物質の形成方法としては、組成物の割合を調整したり、放射導体２を設ける側の介在物３の表面粗さを粗くしたりするなどの方法を用いることが可能である。もちろん、上述した方法の他の方法により、導電率σが、０.１以上１０.０以下となるような介在物となる物質を形成し、これを用いるようにしてももちろんよい。

［第４の実施の形態］
前述した第１、第２、第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置は、導体地板１と放射導体２との間に介在させる介在物に着目することによりなされたものである。そして、前述した第１、第２、第３の実施の形態のように広帯域アンテナ装置を構成した場合であっても、より動作可能帯域を広げたいとする場合もある。

そこで、この第４の実施の形態においては、導体地板１と放射導体２との間に存在する給電線をテーパー上に形成することによって、さらに広帯域特性を得ようとするものである。

図１５は、この第４の実施の形態の第１の例を説明するための図であり、前述した第１、第２、第３の実施の形態の場合と同様に、いわゆる薄型アンテナ装置にこの発明を適用した場合の例を説明するための図である。

図１５に示すように、導体地板１と放射導体２との間に存在する給電線の形状をいわゆるテーパー状にする。この図１５に示す例の場合には、放射導体２から導体地板１に向かって、幅を徐々に狭くして行くように給電線２ａを形成することによって、いわゆるテーパー状に給電線２ａを形成する。

この時、信号給電点fdは導体地板１と概ね同一平面に存在するが、導体地板１とは絶縁されている。又、導体地板１の図示しないグラウンド給電点は、この信号給電点fdに近接して設けられている。このように、給電線２ａをテーパー状に形成することにより、より広帯域化することが可能である。

この図１５に示したように、給電線２ａをテーパー状に形成する構成を前述した第１、第２、第３の実施の形態の広帯域アンテナ装置に適用することによって、動作可能帯域をより広帯域化することができるようにされる。

また、図１５においては、放射導体２の全面を導体地板１と対向させるようにして形成するいわゆる薄型のアンテナ装置に適用した場合を例にして説明したが、これに限るものでない。

例えば、図１６に示すように、導電率σが、０.１以上１０.０以下の介在物５の側面と上面に放射導体２を貼り付けるように形成し、側面側に設ける給電線２ａをテーパー状に形成するようにしてもよい。

また、図１７に示すように、導体地板１の面上に直方体の介在物５を設け、この介在物５の導体地板１と直交する面と、平行となる面に円形平板上の放射導体２を貼付するようにして、広帯域アンテナ装置を形成するようにしても良い。

この場合、介在物５は、その導電率σが、０.１以上１０.０以下となる誘電体または磁性体、または、比透磁率が１.０より大きく概ね８.０以下である磁性体、または、導電率σが、０.１以上１０.０以下であって、比透磁率が１.０より大きく概ね８.０以下である磁性体などを用いることができる。

また、図１８に示すように、導体地板１の面上に立方体の介在物５を設け、この介在物５の隣り合う３つの面であって、導体地板１と直交する２つの面と、平行となる１つの面とに円形平板状の放射導体を貼付するようにして、広帯域アンテナ装置を形成するようにしても良い。この場合においても、介在物５は、その導電率σが、０.１以上、１０.０以下となる誘電体または磁性体、比透磁率が１.０より大きく概ね８.０以下である磁性体、または、導電率σが、０.１以上１０.０以下であって、比透磁率が１.０より大きく概ね８.０以下である磁性体などを用いることが可能である。

なお、図１５、図１６、図１７、図１８のそれぞれにおいて、符号ｆｄは信号給電点を示している。この時、信号給電点fdは導体地板１と概ね同一平面に存在するが、導体地板１とは絶縁されている。又、導体地板１の図示しないグラウンド給電点は、この信号給電点fdに近接して設けられている。また、図１５、図１６、図１７、図１８のそれぞれにおいて、介在物５の面上への放射導体２の形成は、塗布、蒸着、接着、メッキ等の種々の方法を用いることが可能である。

このように、給電線の形状をいわゆるテーパー状に形成することによって、動作可能帯域をより広帯域化することが可能となる。

なお、前述した第１、第２、第３の実施の形態において、放射導体２は矩形のものを用いたが、円形のものを用いるなど、種々の形状の放射導体を用いることが可能である。そして、実際の製造時においては、両面銅張りの誘電体基板、あるいは、磁性体基板をエッチング加工して製作することができるので、製造がきわめて容易であり、安価な広帯域アンテナ装置を実現できる。

また、介在物３の大きさや形状は、前述した実施の形態に示した例に限られるものではなく、種々の大きさ、種々の形状のものを用いることが可能である。例えば、放射導体２が設けられる面が、放射導体２の平面よりも小さな面の介在物を用いることも可能である。また、介在物と導体地板、介在物と放射導体とは、前述した実施の形態のように、必ずしも密着している必要はなく、隙間を空ける構成としてもよい。

また、前述した第１の実施の形態においては、介在物３として誘電体を用い、前述した第３の実施の形態においては、介在物３として磁性体を用いるようにした。また、第４の実施の形態においては、介在物５として、誘電体あるいは磁性体を用いるようにした。しかし、介在物は、誘電体、磁性体に限るものではなく、例えば、発泡性の固形物（比誘電率、比透磁率とも略１の物質）を用いるようにしてもよい。

この発明による広帯域アンテナ装置の第１の実施の形態の構成を説明するための図である。 図１に示した構成の広帯域アンテナ装置についてのシミュレーション時のパラメータを示す図である。 図１に示した広帯域アンテナの介在物３として、導電率σが０.１［／Ωｍ］である誘電体を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１に示した広帯域アンテナの介在物３として、導電率σが１.０［／Ωｍ］である誘電体を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１に示した広帯域アンテナの介在物３として、導電率σが１０.０［／Ωｍ］である誘電体を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 この発明による広帯域アンテナ装置の第２の実施の形態の構成を説明するための図である。 図６に示した構成を有する広帯域アンテナ装置の介在物３の比透磁率μｒが４.０の場合のＶＳＷＲ特性を示す図である。 図６に示した構成を有する広帯域アンテナ装置の介在物３の比透磁率μｒが４.０の場合の放射パターン特性を示す図である。 図６に示した構成を有する広帯域アンテナ装置の介在物３の比透磁率μｒが２.０と、８.０の場合のＶＳＷＲ特性を示す図である。 この発明による広帯域アンテナ装置の第３の実施の形態の構成を説明するための図である。 図１０に示した構成の広帯域アンテナ装置についてのシミュレーション時のパラメータを示す図である。 図１０に示した広帯域アンテナの介在物３として、導電率σが０.１［／Ωｍ］である磁性体を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１０に示した広帯域アンテナの介在物３として、導電率σが１.０［／Ωｍ］である磁性体を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１０に示した広帯域アンテナの介在物３として、導電率σが１０.０［／Ωｍ］である磁性体を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 この発明による広帯域アンテナ装置の第４の実施の形態の一例の構成を説明するための図である。 この発明による広帯域アンテナ装置の第４の実施の形態の他の例の構成を説明するための図である。 この発明による広帯域アンテナ装置の第４の実施の形態の他の例の構成を説明するための図である。 この発明による広帯域アンテナ装置の第４の実施の形態の他の例の構成を説明するための図である。 介在物として一般的な絶縁性物質を用いた薄型アンテナ装置の特性を説明するための図である。 介在物として一般的な絶縁性物質を用いた薄型アンテナ装置の放射パターン特性を説明するための図である。

符号の説明

１…導体地板、２…放射導体、３…介在物、４…短絡ピン、１ｆ…グラウンド給電点、２ｆ…信号給電点

Claims (8)

1. 少なくともその一部が互いに対向するように配設された導体地板と放射導体板とを備えた広帯域アンテナ装置であって、
   前記導体地板と前記放射導体板との間に、使用無線周波数における比透磁率が１より大きく概ね８以下となる磁性体を介在させ、
   前記磁性体の使用無線周波数における導電率が、概ね０．１［／Ωｍ］以上１０［／Ωｍ］以下となる広帯域アンテナ装置。
2. 請求項１に記載の広帯域アンテナ装置であって、
   給電線と前記放射導体上の信号給電点が接続される部位に、直列または並列に、あるいは、直列および並列に容量が装荷される広帯域アンテナ装置。
3. 請求項１に記載の広帯域アンテナ装置であって、
   給電線と前記放射導体上の信号給電点が接続される部位が、テーパー状である広帯域アンテナ装置。
4. 請求項１に記載の広帯域アンテナ装置であって、
   前記磁性体は多面体部材であり、
   前記放射導体は、前記多面体部材の少なくとも２つの隣り合う面に設けられる広帯域アンテナ装置。
5. 請求項４に記載の広帯域アンテナ装置であって、
   前記磁性体は立方体部材であり、
   前記放射導体は、前記立方体部材の互いに隣り合う３つの面に設けられる広帯域アンテナ装置。
6. 請求項４に記載の広帯域アンテナ装置であって、
   前記放射導体は、前記導体地板と並行となる前記多面体部材の上面と、前記導体地板と直行する前記多面体部材の側面とに設けられ、
   前記多面体部材の側面に設けられる給電線がテーパー状である広帯域アンテナ装置。
7. 請求項４に記載の広帯域アンテナ装置であって、
   前記放射導体は、複数の半円形状パターンを前記多面体部材の面に形成して構成するものである広帯域アンテナ装置。
8. 請求項５に記載の広帯域アンテナ装置であって、
   前記放射導体は、扇状パターンを前記立方体部材の面に形成して構成するものである広帯域アンテナ装置。

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