JP5248678B2 - 誘電体および磁性体の垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、従来の高誘電率を有する誘電体を用いたアンテナの長所である小型化を維持しつつも、アンテナの利得と効率および帯域幅を向上させるために、低誘電率を有する誘電体と、高透磁率を有する磁性体とを垂直周期構造に配列した複合構造体を用いたアンテナに関する。

最近、地上波ＤＭＢをはじめとする様々なデジタルマルチメディア放送システムが本格的なサービスの提供を開始した。これと伴って、放送システムはもとより、かようなＤＭＢ放送を受信することができる携帯端末の開発も盛んに行われている。

また、現在広く商用化しつつある移動携帯電話システムを取り込んで、２種類のサービスを一つの携帯端末で同時に受けることができる複合型端末の開発も盛んに行われている。

しかしながら、これらのＤＭＢに採択されている周波数帯域は１７４〜２１６ＭＨｚであって、主としてＵＨＦやＶＨＦなどの低周波帯域であるため、いくつかの種類の携帯端末の開発に制約があった。

その代表的な制約として、携帯端末に基本的に用いられるアンテナのサイズが挙げられる。

一般に、アンテナのサイズは、使用する周波数が低くなるに伴って大きくなる。ＵＨＦやＶＨＦ帯域用にアンテナを製作するためには、普通、数十センチメートル（ｃｍ）の長さを必要とする。しかしながら、かようなアンテナは携帯用端末機器に適用するには不向きである。この理由から、近年、携帯端末用のアンテナのサイズを縮小するための研究及び開発も盛んになされている。

従来から広く使用されてきているモノポール型のホイップアンテナやヘリカルアンテナは、携帯端末の外部に突出するような構造を有しているが、最近には、このような形態のアンテナの使用が回避されており、アンテナを携帯端末の内部に完全に納めて外部に全く突出しない内蔵型アンテナが多大な関心を引き寄せるとともに、内蔵型アンテナを採用した様々な携帯端末が登場している。

内蔵型アンテナの一つが、プリント回路基板アンテナ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ Ａｎｔｅｎｎａ：以下、「ＰＣＢアンテナ」と称する。）である。

ＰＣＢアンテナの特徴は、アンテナの形状が主に平らであり、巻線状のアンテナに比べて回路の実装が容易であり、かつ安価であることから、工程上の問題点を解消することができるというところにある。

図１は、従来の内蔵型アンテナであるＰＣＢアンテナを示す図であり、（ａ）は平面図で、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ’線に沿って切り取った（ｂ）断面図である。

図１を参照すれば、既存のＰＣＢアンテナは、携帯端末の部品が実装されるプリント回路基板（ＰＣＢ）１０と、プリント回路基板１０の上に所定の形状にパターニングされて放射体としての役割を果たすアンテナパターン２０と、を備える。通常、ＰＣＢに汎用される材質はＦＲ４であり、アンテナパターンの印刷は銅（Ｃｕ）を用いて行う。

しかしながら、図１に示す内蔵型アンテナであるＰＣＢアンテナの場合にも、周波数とアンテナのサイズとの間の相関関係に影響されるため、現時点では、内蔵型アンテナのサイズも非常に大きい。サイズはますます小型化されつつも、機能はますます多くなっている現在の携帯端末の傾向からみるとき、かような内蔵型アンテナもまた携帯端末の小型化を妨げる一つの重大な制限要素となる。

特に、ＤＭＢ用の携帯端末の場合、１７４〜２１６ＭＨｚのＵＨＦやＶＨＦなどの低周波帯域において動作するため、図１に示す既存のＰＣＢアンテナを使用するのに多くの難点がある。この理由から、アンテナのさらなる小型化が切望されている。

これらの問題点を解消するために、高誘電体を用いて基板を形成し、当該基板の上に放射パターンを形成する技術が開発されて利用されている。しかしながら、高誘電体を用いてアンテナを製作する場合、アンテナの小型化は達成することができるとはいえ、アンテナの利得および帯域幅が減少するといった欠点は避けられない。

このように高誘電体を用いたアンテナは、広い帯域幅および利得が求められる地上波ＤＭＢをはじめとする各種のデジタルマルチメディア放送システムには不向きであり、このため、アンテナの小型化とあいまって、広帯域幅および高利得が得られる方法の開発が望まれるのが現状である。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の高誘電率を有する誘電体を用いたアンテナの長所である小型化を維持しつつも、アンテナの利得と効率および帯域幅を向上させるために、低誘電率を有する誘電体と、高透磁率を有する磁性体とを垂直周期構造に配列した複合構造体を用いたアンテナを提供するところにある。

このような目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板の上に形成される放射パッチと、を備え、前記基板は複数の層に形成され、各層は棒状の前記誘電体および前記磁性体が互い違いに配置され、高さ方向にも前記誘電体および前記磁性体が互い違いに積層されるような構造に形成されることを特徴とする、誘電体および磁性体の垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナを提供する。

また、前記目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板の上に形成される放射パッチと、を備え、前記基板は複数の層に形成され、各層は棒状の誘電体および磁性体が互い違いに配置され、各層の誘電体および磁性体は互いにずれるように配置されて前記誘電体および前記磁性体の長軸が互いに垂直をなすように形成されることを特徴とする、誘電体および磁性体の垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナを提供する。

好ましくは、前記アンテナは多重帯域において共振する。

また、好ましくは、前記誘電体および前記磁性体は正方形の断面を有し、前記誘電体および前記磁性体の各辺は５ｍｍまたは１０ｍｍの長さに形成される。

さらに、好ましくは、前記誘電体は誘電率２．２、透磁率１．０を有し、前記磁性体は誘電率１６、透磁率１６を有する。

さらに、本発明は、前記アンテナを備える無線端末装置を提供する。

本発明によれば、従来の高誘電率を有する誘電体を用いたアンテナの長所である小型化を維持しつつも、アンテナの利得と効率および帯域幅を向上させるために、低誘電率を有する誘電体と、高透磁率を有する磁性体とを垂直周期構造に配列した複合構造体を用いたアンテナを提供することができる。

従来の内蔵型アンテナであるＰＣＢアンテナを示す図であり、（ａ）は平面図で、（ｂ）は平面図のＩ−Ｉ’線に沿って切り取った断面図である。 本発明の第１の実施の形態による誘電体および磁性体の多重垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナを示す図である。 様々な多重垂直周期構造に配列された複合構造体の上に実現されたパッチアンテナの反射損失を示す図である。 様々な多重垂直周期構造に配列された複合構造体の上に実現されたパッチアンテナの反射損失を示す図である。 誘電率が約４０である高誘電体を用いて実現した、本発明の第１の実施の形態と同じサイズを有するパッチアンテナの反射損失を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による誘電体および磁性体の交差垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナを示す図である。 様々な交差垂直周期構造に配列された複合構造体の上に実現されたパッチアンテナの反射損失を示す図である。 様々な交差垂直周期構造に配列された複合構造体の上に実現されたパッチアンテナの反射損失を示す図である。 誘電率が約４０である高誘電体を用いて実現した、本発明の第２の実施の形態と同じサイズを有するパッチアンテナの反射損失を示す図である。

本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の好適な実施形態を例示する添付図面及び添付図面に記載の内容を参照する必要がある。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態を説明することにより、本発明を詳述する。

（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態による誘電体および磁性体の多重垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナを示す図である。

図２を参照すれば、本発明の第１の実施の形態によるアンテナは、概ね、第１の基板１００と、第１の基板１００の上に形成される放射パッチ２００と、を備え、第１の基板１００は、誘電体１１０および磁性体１２０が多重垂直周期構造を有する複合構造体に形成される。すなわち、第１の基板１００は複数の層に形成され、各層は棒状の誘電体１１０および磁性体１２０が互い違いに配置され、高さ方向にも誘電体１００および磁性体１２０が互い違いに積層される。

ここで、誘電体１１０は、誘電率２．２、透磁率１．０程度の低誘電率を有する誘電体であり、磁性体１２０は、誘電率１６、透磁率１６程度の高透磁率を有する磁性体であることが好ましい。

例えば、放射パッチ２００のサイズは１７０ｍｍ×１７０ｍｍであってもよく、第１の基板１００全体のサイズは３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍであってもよい。

以下、図面および表に基づき、上記の構成を有する本発明の第１の実施の形態によるアンテナの動作特性を説明する。

図３および図４は、様々な多重垂直周期構造に配列された複合構造体の上に実現されたパッチアンテナの反射損失を示す図である。

より具体的に、図３は、第１の基板１００を、誘電体５ｍｍ、磁性体５ｍｍの周期をもって垂直配列した場合の反射損失を示し、図４は、第１の基板１００を、誘電体１０ｍｍ、磁性体１０ｍｍの周期をもって垂直配列した場合の反射損失を示す。

垂直配列したそれぞれの場合において、多重垂直周期構造を有する第１の基板１００の全長は、上述したように、３００ｍｍに等しく、各層は同じ周期を有する。

この場合、多重帯域アンテナが実現され、高利得・高効率・広帯域幅が得られることを確認することができる。

図５は、誘電率が約４０である高誘電体を用いて実現した、本発明の第１の実施の形態と同じサイズを有するパッチアンテナの反射損失を示す図である。

図５を参照すれば、誘電体１１０および磁性体１２０が多重垂直周期構造に配列された第１の基板１００を有する本発明の第１の実施の形態によるアンテナと比較したとき、高誘電体を用いて基板を実現した従来のアンテナの場合、帯域幅が狭く、効率が低いということを確認することができる。

表１は、図３および図４に示す本発明の第１の実施の形態に対する２種類の構成と、図５に示すパッチアンテナに対するアンテナ特性とを比較して示すものである。

ここで、比較データは、最初の共振周波数に対する帯域幅、利得及び効率を計算したものである。表１を参照すれば、本発明の第１の実施の形態に対する２種類の構成の方が、高誘電率を有する誘電体を用いたパッチアンテナと比較して、同じアンテナのサイズにおいて帯域幅、利得および効率などが向上することを確認することができる。なお、それぞれの多重垂直周期構造に対して給電位置を変えることにより、様々な共振周波数が得られる。

このように、本発明の第１の実施の形態は、低誘電率を有する誘電体および高透磁率を有する磁性体を多重垂直周期構造に配列した複合構造体を用いて、アンテナの小型化を図ることができ、しかも、向上したアンテナ利得と、効率及び帯域幅、様々な共振周波数を有するアンテナを設計することができる。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態による誘電体および磁性体の交差垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナを示す図である。

図６を参照すれば、本発明のアンテナは、概ね、第２の基板３００と、第２の基板３００の上に形成される放射パッチ２００と、を備え、第２の基板３００は、誘電体１１０および磁性体１２０が交差垂直周期構造を有する複合構造体に形成される。すなわち、第２の基板３００は複数の層に形成され、各層は棒状の誘電体１１０および磁性体１２０が互い違いに配置され、各層の誘電体１１０および磁性体１２０は互いにずれるように配置されて誘電体１１０および磁性体１２０の長軸が互いに垂直をなすように形成される。

ここで、誘電体１１０は、誘電率２．２、透磁率１．０程度の低誘電率を有する誘電体であり、磁性体１２０は、誘電率１６、透磁率１６程度の高透磁率を有する磁性体であることが好ましい。

例えば、放射パッチ２００のサイズは１７０ｍｍ×１７０ｍｍであってもよく、第２の基板３００全体のサイズは３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍであってもよい。

以下、図面および表に基づき、上記の構成を有する本発明のアンテナの動作特性を説明する。

図７および図８は、様々な交差垂直周期構造に配列された複合構造体の上に実現されたパッチアンテナの反射損失を示す図である。

より具体的に、図７は、第２の基板３００を、誘電体５ｍｍ、磁性体５ｍｍの周期をもって垂直配列した場合の反射損失を示し、図８は、第２の基板３００を、誘電体１０ｍｍ、磁性体１０ｍｍの周期をもって垂直配列した場合の反射損失を示す。

垂直配列されたそれぞれの場合に対する交差垂直周期構造を有する第２の基板３００の全長は、上述したように、３００ｍｍに等しく、各層は同じ周期を有する。

この場合、多重帯域アンテナが実現され、高利得・高効率・広帯域幅が得られることを確認することができる。

図９は、誘電率が約４０である高誘電体を用いて実現した、本発明の第２の実施の形態と同じサイズを有するパッチアンテナの反射損失を示す図である。

図９を参照すれば、誘電体１１０および磁性体１２０が交差垂直周期構造に配列された第２の基板３００を有する本発明の第２の実施の形態によるアンテナと比較したとき、高誘電体を用いて基板を実現した従来のアンテナの場合、帯域幅が狭く、しかも、効率が低下することを確認することができる。

表２は、図７および図８に示す本発明の第２の実施の形態に対する２種類の構成と、図９に示す高誘電率を有する誘電体の実施の形態に対するアンテナ特性とを比較して示すものである。

ここで、比較データは、最初の共振周波数に対する帯域幅、利得及び効率を計算したものである。表２を参照すれば、本発明の第２の実施の形態に対する２種類の構成の方が、高誘電率を有する誘電体を用いた場合と比較して、同じアンテナのサイズにおいて、帯域幅、利得および効率などが向上することを確認することができる。なお、それぞれの交差垂直周期構造に対して給電位置を変えることにより、様々な共振周波数が得られる。

本発明は図面に開示された一実施の形態を参考として説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、この技術分野において通常の知識を有する者であれば、これより様々な変形および均等な他の実施の形態が可能であるということが理解できるであろう。よって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲に記載の技術的思想によって定まるべきである。

Claims (5)

1. 基板と、前記基板の上に形成される放射パッチと、を備え、
   前記基板は複数の層に形成され、各層は棒状の誘電体および磁性体が互い違いに配置され、高さ方向にも前記誘電体および前記磁性体が互い違いに積層されるような構造に形成されることを特徴とする、
   誘電体および磁性体の垂直周期構造を有する複合構造体を用いたアンテナ。
2. 前記アンテナは多重帯域において共振することを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記誘電体および前記磁性体は正方形の断面を有し、
   前記誘電体および前記磁性体の各辺は５ｍｍまたは１０ｍｍの長さ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. 前記誘電体は誘電率２．２、透磁率１．０を有し、
   前記磁性体は誘電率１６、透磁率１６を有することを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のアンテナを備える、無線端末装置。

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