JPH10335927A

JPH10335927A - アンテナ基板

Info

Publication number: JPH10335927A
Application number: JP14175897A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Uchimura; 弘志内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックスのような比較的比誘電率の高い材
料を誘電体基板として用いても、高い製作精度なしに作
製でき、しかも優れた特性をもつアンテナ基板を提供す
る。【解決手段】セラミックスなどの比較的高い比誘電率を
有する誘電体基板の表面に、導体層からなるダイポール
アンテナなどのアンテナ２を被着形成してなるアンテナ
基板において、導体層の周囲に位置する前記誘電体基板
の一部に切り欠き部を形成して、アンテナにおける実効
誘電率を低減するとともに、誘電体基板１のｔａｎδを
低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主にマイクロ波及
びミリ波用として適した、誘電体基板の表面に平面状の
アンテナが形成されてなるアンテナ基板に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、高周波用の平面アンテナとして
は、プリントダイポール、スロット、マイクロストリッ
プ、ループ、マイクロストリップライン等の様々なアン
テナが開発されている。これらのアンテナは、アンテナ
素子のサイズの中にλ／２（λ：放射する電磁波のアン
テナ面における波長）あるいはこの整数倍のサイズ(放
射部の長さ）を持っており、一種の共振器を形成してい
るものである。

【０００３】この共振器としての無負荷Ｑｏは放射損に
よるＱをＱｒ、導体損によるＱをＱｃ、誘電体損による
ＱをＱｄとすると、１／Ｑｏ＝１／Ｑｒ＋１／Ｑｃ＋１／Ｑｄと表される。また、アンテナの放射効率ηは η ＝Ｑｏ／Ｑｒとなり、周波数をｆとし帯域幅をΔｆとするとＱｏ＝ｆ／Δｆの関係にある。

【０００４】まず、アンテナとしては高い放射効率が要
求される。従って、Ｑｏ≒Ｑｒである必要があり、この
結果、ＱｃとＱｄは大きな値を持つ必要がある。このた
め、多くの場合、アンテナを形成する導体には低抵抗の
銅が用いられ、誘電体基板にはｔａｎδの小さい材料が
用いられる。また、周波数の多少のズレにも対応できる
ように、できるだけ帯域幅Δｆが広い方がよい。したが
って、無負荷Ｑｏは小さい方がよい。誘電体基板の比誘
電率をε、厚みをｈとすると、Ｑｒはε／ｈに比例する
ので、比誘電率εの小さい材料を選択するか、または基
板の厚さｈを大きくすることによりＱｒが小さくなり、
その結果、無負荷Ｑｏを小さくすることができる。

【０００５】一方、アンテナサイズに着目すると、マイ
クロ波領域では、誘電体基板の比誘電率εは大きい方が
よいが、ミリ波領域ではεは小さい方がよい。これはつ
ぎの理由による。つまり、マイクロは領域では、波長が
数ｃｍの単位の大きさであるため、比誘電率εの高い材
料を用いた方がアンテナ素子が小さくできるので小型化
のメリットがある。ただし、多数のアンテナ素子を並べ
てアレー化する場合は、高誘電率材料を用いても、アン
テナ素子が小さくなるだけで、アレー全体のサイズを小
さくすることはできない。

【０００６】これに対して、ミリ波領域では、波長がｍ
ｍの単位であるので、アンテナサイズがもともと小さ
く、さらに高誘電率材料を用いると、逆に作製精度が厳
しくなり生産性に乏しいものとなる。

【０００７】以上をまとめると、誘電体基板表面に平面
状のアンテナが被着形成されたプリント型のアンテナ基
板、特に、アレー型のアンテナが形成された基板におい
て用いられる誘電体基板としては、つぎのようなものが
望ましいことが分かる。

【０００８】１）ｔａｎδが小さいこと２）低抵抗の導体層の形成が可能であること３）比誘電率が小さいこと４）基板の厚みを厚くできることこのため、従来からプリント型のアンテナ基板には、誘
電率の低い有機樹脂系誘電体基板が用いられることが多
かった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この有
機樹脂系誘電体基板は、誘電率が低い反面、基板自体の
強度が弱く、また、耐候性に劣ることから、長期安定性
に欠けるという問題があった。

【００１０】これに対して、セラミックスからなる誘電
体基板は、高強度であること、耐候性に優れること、低
ｔａｎδ化できること、さらには、配線基板や半導体パ
ッケージと一体化する事ができるなど、の長所を有す
る。しかしながら、このようなセラミックス誘電体基板
は、一般に有機樹脂系に比べ、比誘電率が高いことであ
る。これは、上述したように、アンテナの帯域幅を狭め
たり、高い製作精度を要求される結果となってしまう。

【００１１】従って、本発明は、セラミックスのような
比較的比誘電率の高い材料を誘電体基板として用いて
も、高い製作精度なしに作製でき、しかも優れた特性を
もつアンテナ基板を提供することを目的とするものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
点に関して検討を重ねた結果、誘電体基板の表面に、金
属膜からなるアンテナを被着形成してなるアンテナ基板
において、前記金属膜の周囲の一部に切り欠き部を形成
することにより、アンテナから見た実効的な比誘電率を
低減でき、しかも誘電体基板のｔａｎδを低減できるこ
とを見いだし、本発明に至った。

【００１３】本発明によれば、セラミックスのような比
誘電率の高い材料を用いても、切り欠き部を設けること
により、アンテナから見た実効的な比誘電率が低減でき
る結果、高い製作精度が要求されないために製造し易
く、低コスト化が図られ、さらに広い帯域幅を持つアン
テナ基板を製造することができる。しかも、一部の誘電
体基板の表面の一部を切り欠いた構造からなるので、誘
電損失が低減されるために、アンテナの放射効率も向上
する。さらにはアンテナ基板の軽量化も図ることができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。まず、図７に従来のダイポール型
アンテナ基板の概略斜視図を示す。図７（ａ）によれ
ば、誘電体基板２２の表面には、帯状の導体層からなる
ダイポールアンテナ２３が被着形成される。また、誘電
体基板２２の裏面には、反射板として導体層からなるグ
ランド層２４が形成されている。この図７（ａ）のアン
テナ基板の電界を図７（ｂ）の断面図によって説明する
と、電界は、アンテナ２３から直下に向かう電界Ｅ１
と、アンテナ２３の上面からアンテナ２３の側部を回っ
てグランド層２４に向かう電界Ｅ２とが存在し、アンテ
ナ２３からの電界のほとんどが誘電体基板２２部分に分
布する。このため、このような従来のダイポール型アン
テナ基板におけるアンテナ２３に対する実効誘電率εｅ
は、ほぼ誘電体基板の比誘電率εに等しい（εｅ≒
ε）。また、誘電体損によるＱ、即ち、Ｑｄは１／ｔａ
ｎδ（ここで、ｔａｎδは誘電体基板の誘電正接）とな
る。

【００１５】一方、図１（ａ）は、本発明をダイポール
型アンテナ基板に適用した場合の一例を示す斜視図であ
り、図１（ｂ）は、Ｙ−Ｙ’断面図である。図１によれ
ば、誘電体基板１の表面には、帯状の導体層からなるダ
イポールアンテナ２が被着形成されており、また、誘電
体基板１の裏面には、グランド層３が形成されている。
そして、ダイポールアンテナ２の長手方向の両側に位置
する誘電体のみを切り欠いて設けられた切り欠き部４が
誘電体基板１のみを貫通するように形成されている。こ
の図１の回路基板の場合、図８の従来の回路基板の断面
図における電界Ｅ２の部分の誘電体が空気（比誘電率＝
１）に置き変わった構造となる。ダイポールアンテナ２
における電界分布は、誘電体基板の比誘電率ε、誘電体
基板の厚みおよびダイポールアンテナ２の幅に依存する
が、残った誘電体１ａの部分には全体の２割の電界が分
布していると仮定すると、ダイポールアンテナ２に対す
る実効誘電率εｅは、εｅ＝０．２ε＋０．８×１で近
似することができ、その結果、実効誘電率εｅを図７の
場合に比較して小さくすることができる。また、誘電体
損によるＱ、すなわちＱｄは１／（ｔａｎδ×０．２）
となり、Ｑｄも大きくすることができる。

【００１６】なお、切り欠き部４内のグランド層３は、
誘電体基板１の下面にグランド層３を表面に形成した別
の誘電体基板を積層することによっても形成される。

【００１７】図２は、本発明をコプレーナ給電スロット
アンテナに適用した場合の一例を示す概略斜視図であ
る。図２によれば、誘電体基板５の表面には、中心導体
６と、その両側に形成されたグランド層７からなるコプ
レーナ線路８が形成され、中心導体６の終端の両側に、
グランド層７が形成されていないスロット９が設けられ
ている。このスロットアンテナの場合、スロット９で共
振が起こり、電磁波が放射されるが、このスロット９に
位置する部分の誘電体を切り欠くことにより、実効誘電
率の低減と、誘電体損の低減を図ることができる。

【００１８】図３は、本発明を方形パッチアンテナに適
用した場合の一例を示す概略斜視図である。図３によれ
ば、誘電体基板１０の表面に、方形状の導体層からなる
パッチアンテナ１１が被着形成されている。この場合、
パッチアンテナ１１の平行な端面の両側の誘電体を切り
欠いて形成した切り欠き部１２が設けられ、この切り欠
き部１２を形成することにより、実効誘電率の低減と、
誘電体損の低減を図ることができる。

【００１９】図４は、本発明を短冊状パッチアンテナに
適用した場合の一例を示す概略図である。図４によれ
ば、誘電体基板１３の表面に、短冊状の導体層を平行に
所定の間隙をもって複数形成したパッチアンテナ１４が
形成されている。直線偏波のパッチアンテナの場合、パ
ッチ上を流れる電流は一方向のみで十分であるため図４
のようにパッチを短冊状にカットし並列させることがで
きる。

【００２０】このパッチアンテナの場合、図４に示すよ
うに、短冊状の導体層間の間隙およびの端部の導体層の
外側の側部に位置する誘電体を切り欠いて形成された複
数の切り欠き部１５が設けられている。この切り欠き部
１５を形成することにより、図３の実施例よりも、さら
に効果的に実効誘電率の低減と、誘電体損の低減を図る
ことができる。

【００２１】図５は、本発明をリング状パッチアンテナ
に適用した場合の一例を示す概略斜視図である。図５に
よれば、誘電体基板１６の表面には、リング状の導体層
からなるリング状パッチアンテナ１７が形成されてい
る。このリング状パッチアンテナ１７に電流が流れ共振
するので、アンテナ１７のリングの内側または外側の誘
電体を切り欠くことにより実効誘電率の低減と、誘電体
損の低減を図ることができるが、図５では、誘電体基板
１６のシート形状を保つために、リング内側に位置する
誘電体を切り欠いて形成された切り欠き部１８が誘電体
基板１を貫通するように形成される。

【００２２】図６は、本発明をループアンテナに適用し
た場合の一例を示す概略斜視図である。図６によれば、
誘電体基板１９の表面には、導体層からなるループアン
テナ２０が形成されている。この場合も、図５のリング
状パッチアンテナと同様に、ループの部分で共振するの
で、このループアンテナの周囲の一部に切り欠き部を形
成することにより、実効誘電率の低減と、誘電体損の低
減を図ることができる。なお、図６では、誘電体基板１
９のシート形状を保つために、ループアンテナの内側に
位置する誘電体を切り欠いて形成された切り欠き部２１
が誘電体基板１９を貫通するように形成される。

【００２３】上述した各種のアンテナ基板においては、
誘電体基板１を特に限定するものではないが、本発明の
構造は、特に、誘電体基板１がセラミックスなどの比誘
電率が比較的高い材料から構成される場合に有効的であ
る。具体的には、比誘電率が５以上のＡｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ
₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ムライトなどを主体とする焼結体や、
原料にガラス粉末を用い、所望によりセラミックフィラ
ーなどを配合して焼成したガラス焼結体やガラスセラミ
ック焼結体などに対して有効である。

【００２４】なお、アンテナを形成する導体層は、Ｃ
ｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏなどのあらゆる導体か
ら構成されることでき、上記のセラミックスに対して
は、焼成後のセラミックス表面に、アンテナパターンを
導体ペーストで印刷後、焼き付け処理したり、メッキ法
や、蒸着法により所定のアンテナパターンを形成するこ
とができる。また、焼成前のセラミック成形体表面に印
刷塗布して同時焼成して形成することも可能である。

【００２５】特に、高周波における導体損を低減する上
では、アンテナを形成する導体層は、Ｃｕ、Ａｕおよび
Ａｇの群から選ばれる少なくとも１種から形成されるこ
とが望ましい。

【００２６】なお、上述した図１乃至図６のアンテナ基
板によれば、いずれも切り欠き部は、誘電体基板１を貫
通するように設けられたものであるが、この切り欠き部
は、必ずしも貫通する必要はなく、凹状の切り欠き部で
あってもよく、その場合には、アンテナの全周囲に切り
欠き部を形成してもよい。

【００２７】また、図１乃至図６のアンテナ基板によれ
ば、アンテナへの給電を行うために、適宜アンテナ形成
面に給電線を設けたり、アンテナ形成面の裏面に給電用
のグランド層を形成してもよい。

【００２８】

【実施例】図１に示すダイポール型アンテナ基板におい
て、誘電体基板の比誘電率εを１０、ｔａｎδ＝０．０
０５、導体損Ｑc を５００、放射損Ｑｒは実効誘電率ε
ｅに比例するのでその比例常数を５として、実効誘電率
εｅ、放射効率η、比帯域幅Ｂを計算したものを表１に
示す。さらに、周波数を６０ＧＨｚとしたときのアンテ
ナサイズλ／２と、一般的なメタライズ印刷によるばら
つきｄが２０μｍとした時の前記ばらつきの前記アンテ
ナサイズに対する比δ（＝ｄ／（λ／２））を示した。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１に示されるように、本発明の構造によ
るアンテナ基板では、実効誘電率は２．８と小さくな
り、しかもＱｄが大きくなっていることが分かる。この
結果、放射効率ηは従来例よりも２０％改善され、同時
に比帯域幅Ｂも５％程度広くなっている。さらに、実効
誘電率εｅが小さくなったため、アンテナサイズが大き
くなり、メタライズ印刷によるズレのばらつきは、従来
の２．５％から１．３％と小さくなっている。比帯域幅
Ｂとズレのばらつきδとを比較すると、実際に製造した
場合、従来例では設計通りの周波数を得るには通常のメ
タライズにおける最も高いレベルの印刷精度が要求され
るが、本発明の場合、さほど高い印刷精度が要求され
ず、通常レベルの精度でのバラツキの範囲を許容できる
ものであることが分かる。このことは、製造における歩
留まりを高め、低コスト化が図れることを意味してい
る。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明は、誘電体基板表
面に形成されたアンテナの周囲に位置する誘電体基板の
一部に切り欠き部を設けることにより、アンテナにおけ
る実効誘電率を低減できることから、セラミックスなど
の比誘電率の高い材料により誘電体基板を形成した場合
においても、アンテナ寸法を精度的に製造し易く調整で
き、その結果、低コストで、さらに広い帯域幅を持つア
ンテナを製造することが可能となる。しかも、誘電体基
板の一部の誘電体を切り欠くので誘電体損失が低減され
る結果、アンテナの放射効率も向上する。また、アンテ
ナ基板の軽量化も図ることができる。これにより、前述
したような優れた長所を有するセラミックスを誘電体基
板として使用でき、高強度で、耐候性に優れた高信頼性
のアンテナ基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明をダイポール型アンテナ基板に
適用した場合の一例を示す概略斜視図であり、（ｂ）
は、（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。

【図２】本発明をコプレーナ給電スロットアンテナ基板
に適用した場合の一例を示す概略斜視図である。

【図３】本発明を方形パッチアンテナ基板に適用した場
合の一例を示す概略斜視図である。

【図４】本発明を短冊状パッチアンテナ基板に適用した
場合の一例を示す概略斜視図である。

【図５】本発明をリング状パッチアンテナ基板に適用し
た場合の一例を示す概略斜視図である。

【図６】本発明をループアンテナ基板に適用した場合の
一例を示す概略斜視図である。

【図７】（ａ）は従来のダイポール型アンテナ基板の構
造を説明するための概略斜視図であり、（ｂ）は、その
電界分布を説明するためのＸ−Ｘ’断面図である。

【符号の説明】

１、５、１０、１３、１６、１９誘電体基板２ダイポールアンテナ９スロット（切り欠き部）１１パッチアンテナ１４短冊状パッチアンテナ１７リング状パッチアンテナ２０ループアンテナ４、１２、１５、１８、２１切り欠き部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板の表面に、導体層からなるアン
テナを被着形成してなるアンテナ基板において、前記導
体層の周囲に位置する前記誘電体基板の一部に切り欠き
部を形成したことを特徴とするアンテナ基板。