JPH10501384A - アンテナとその形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 アンテナ１０は、アンテナ素子１４と複合誘電構造１３とを具備する。複合誘電構造１３は、少なくとも部分的にアンテナ素子１４を囲む。誘電構造１３は、漸減する誘電率傾斜を有するように形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 アンテナとその形成方法 技術分野 本発明は、一般にアンテナに関し、さらに詳しくは、通信装置用のアンテナに 関する。 発明の背景 携帯無線機などの通信装置は、ますます小型化されつつある。通常の通信装置 は、無線通信信号の送受信に用いられるアンテナを通常備える。ＶＨＦ，ＵＨＦ および超マイクロ波無線周波数範囲で動作する通信装置に関しては、無線周波数 の波長は３００センチメートルないし１０センチメートルの範囲にある。この通 信装置は、このような電波の受信または放射を可能にする適切な長さを持つアン テナを必要とする。たとえば、簡単な構造のアンテナは、５ないし１５０センチ メートルの範囲の物理長を有して、上記の周波数範囲の波長に対応する導体を有 することが必要となる。小型のパッケージ構造を必要とする通信装置では、この ような長さのアンテナを備えることは困難である。従って、物理的により短いア ンテナをもつ設計を有することが望ま しい。 より短い物理長のアンテナを実現するために、多くの従来技術による手法があ る。これには、らせん型に巻かれたアンテナ素子，ループ・アンテナ素子および 種々の複雑性を備えるその他の設計がある。アンテナ素子は、見栄え，保護およ びその他の目的により容器に入れられることが多い。アンテナ素子を、誘電率の 高い材料で囲むと、特定の周波数における共鳴に必要とされるアンテナの物理長 が短くなることは周知である。このような封入により、帯域幅が狭まったり、ア ンテナの放射効率が下がってアンテナの性能が低下することが知られる。 小型化された用途で用いるのに適した短い物理長のアンテナ設計を有すること が当技術において望ましい。用途によっては、指向性アンテナを有することも望 ましい。好ましくは、このアンテナは、優れた性能特性を有し、製造コストを下 げるために簡単な構造である。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるアンテナの分解図である。 第２図は、本発明による非対称指向性アンテナの等角図である。 第３図は、第２図のアンテナの断面図である。 第４図は、本発明による非対称指向性アンテナの第２実 施例である。 第５図は、本発明による反射器部を有するアンテナである。 第６図は、本発明による無線機のブロック図である。 好適な実施例の詳細説明 一般に、本発明は、誘電率傾斜を有する複合構造内に埋め込まれたアンテナ素 子を有するアンテナを提供する。このように構築されたアンテナは、優れた性能 を提供しながら、実質的により短い物理長を有するアンテナ素子を可能にする。 本発明のアンテナは、特に小型化されたアンテナを必要とする設計において特に 有用である。このアンテナは、単極形，二極形，ループ形またはその他の設計と することができ、なおかつ本明細書で教示される概念を取り入れる。さらに、こ のアンテナは、用途の必要性に応じて、対称形または非対称形，指向性または非 指向性のいずれにも形成することができる。 第１図を参照して、本発明によるアンテナ１０の分解等角図が示される。アン テナ１０は、アンテナ素子１４を複合誘電構造１３内に埋め込む、あるいは挟む ことにより形成される。本発明においては、アンテナ素子１４は、電波の放射装 置および収集装置の両方として機能する長尺の導体から形成される。しかし、ア ンテナ素子１４は、その他 の設計でもよい。たとえば、アンテナ素子１４は、用途に応じて、らせん形，ル ープまたはその他の設計を含む様々な形状の１つ以上の導体を備えることもある 。アンテナ素子１４は、誘電構造１３上に行われた空洞をメッキまたは充填する ことなどによって、誘電構造１３に埋め込むか、あるいは付着させることができ る。あるいは、誘電構造１３をアンテナ素子１４の周囲に形成することもできる 。アンテナ１０は、一体型同軸給電点１２により給電される。 アンテナ素子を誘電率の高いマトリクスで囲むことにより、アンテナの長さを 大幅に短くすることができる。直線的長さの短縮の割合は、比誘電率の平方根に 比例する；すなわち（自由空間内の長さ）／（誘電マトリクス内の長さ）＝√ε となる。ただし、εは比誘電率である。しかし、各インタフェース媒体の誘電率 が一致しないとき、すなわち両媒体に関して実質的に異なる場合は、インタフェ ース媒体から媒体インタフェースへと伝わる電波の波反射率は大きくなる。反射 の程度は、それぞれの誘電率の比の関数である。数学的には、次のように表すこ とができる： 反射率＝（(√ε₁／√ε₂)−１）²／（(√ε₁／√ε₂)＋１）² ただし記号ε₁は、第１媒体の誘電率であり、ε₂は第２媒体の誘電率である。上 の式からわかるように、ε₂＝ε₁のとき、反射係数はゼロ（０）となり、誘電比 が増減するにつれて次第に大きくなる。本発明においては、誘電率を漸 次変化させた複合誘電構造１３を用いることにより、反射は最小限に抑えられる 。複合誘電構造１３は、漸減する誘電率傾斜を有し、連続して誘電率が小さくな る誘電材料の多重層１５，１６，１７，１８を用いて実現される。たとえば、好 適な実施例においては、第１誘電率を有する層１５は、アンテナ素子１４が埋め 込まれる芯部を形成する。第２層１６は、第１層１５の周囲に、第１層１５がア ンテナ素子１４から第２層１６を隔てるように配置される。同様に、第３層１７ は、第２層１５の周囲に、第１および第２層１５，１６がアンテナ素子１４から 第３層１７を隔てるように配置され、これが繰り返される。この目的は、複合誘 電構造１３内の層１５，１６，１７，１８間のインタフェースで、誘電率比をで きるだけ１に近づけることである。さらに、複合誘電構造１３が導波器として機 能する用途においては、誘電構造の外側部分１８の誘電率を包囲媒体の誘電率に できるだけ近づけることが望ましい。 本発明の多層誘電性複合物１３を構築するのに適した誘電性材料には、次のも のがある：Ｍg_1-xＣa_xＴiＯ₃，ε＝16〜22；Ｓr_1-xＣa_xＴiＯ₃，ε＝240〜280； Ｂa₂Ｔi₄Ｏ₉，ε＝38；Ｎd_1-xＢa_xＴiＯ₃，ε＝75〜95；Ａl₂Ｏ₃，ε＝6〜8；テ フロン，ε＝2〜4。これらの材料は代表的なものに過ぎず、可能な材料を網羅し たリストと考えるべきではない。誘電率が２，４，８，１６，３６，７２，１４ ４，２８８である誘電性材料の多重層から構築され、誘電率２８８の部分 に埋め込まれた導体を有する誘電性複合物を考える。これらの選択された材料に より、各インタフェースの反射率は、上記の反射率の公式を用いて、約０．０３ に抑えることができる。その結果、誘電性複合物を通じて送信または受信される 電波の総量は、各インタフェースを通過する小数部０．９７（１．００−０．０ ３）を８乗（インタフェースの数）したもので、結果として約７８％の効率が得 られる。従って、アンテナの物理的寸法は、１７分の１、すなわち２８８（導体 を囲む材料の誘電率）の平方根まで小さくなる。第１図の実施例の誘電性複合物 １３は、誘電率の高い誘電性材料１５の層がアンテナ素子１４を囲むか、あるい は少なくとも部分的に囲むように構築される。さらに、誘電性材料１６，１７， １８の連続層は、外層１８の誘電率が空気の誘電率に近づくように連続的に小さ くなる誘電率を有する。 誘電性複合物１３を形成するには、いくつかの代替の方法がある。１つは、無 線周波数損失の低いセラミックを用いる方法である。誘電性複合物は、異なる誘 電率を有するセラミック製グリーン・テープを積層することにより構築される。 別の方法としては、誘電性ベースを異なる有機複合誘電体で積層構造にディップ ・コートする工程によるものがある。さらに別の方法としては、非常に誘電率の 高い成分と非常に誘電率の低い成分の２成分系を設けて、導体に向けて単調に混 合比を増減させる方法がある。たとえば、 誘電率の高い材料内では、顕微鏡的多孔性傾斜を用いることができる。すなわち 、第２誘電体が空気で、材料は波の好適な伝播方向に向けて次第に多孔性を帯び る。 アンテナ長を短くするだけでなく、アンテナに指向性をもたせることもできる 。第２図は、本発明による非対称アンテナ２０である。第３図は、アンテナ２０ の断面図であり、誘電性複合物２３がアンテナ素子１４に対して放射形に配置さ れる。アンテナ２０が非対称と呼ばれるのは、複合誘電構造２３が部分的にしか アンテナ素子１４を囲まないからである。結果として得られる構造は、波の好適 な伝播方向が誘電性複合物２３の組成および形状と、アンテナ素子１４の相対的 位置付けとにより定義される指向性アンテナをも形成する。誘電性複合物２３と 放射が望まれない周囲の媒体との間に誘電性の不一致を設けることにより、アン テナ２０は指向性となる。アンテナ２０は、アンテナ２０の片側３５で誘電性不 一致を最大にし、アンテナ２０のもう一方の側３６で誘電性不一致を最小にする ように形成される。これにより、第３図の実施例においては、アンテナ素子１４ は、誘電性複合物２３の誘電率の高い部分１５内に埋め込まれる。任意で、アン テナ素子１４は、第４図のアンテナ４０のように誘電率の高い部分１５内に完全 に埋め込まれて、誘電性不一致の効果を最大にする。誘電率の高い材料が周囲の 媒体と界面を接する方向には波の伝播が妨げられる。これは、反射率も対応して 高くなるため である。波の伝播３２が望まれる方向では、複合材料２３の誘電率は、アンテナ 素子１４からの距離が大きくなるにつれて、すなわちアンテナ素子１４から遠ざ かる方向に漸減する。この構造では、アンテナ２０，４０とこの方向の周辺媒体 との間のインタフェースにおける反射率が低くなる。そのため、アンテナ２０， ４０は指向性となり、誘電性複合物２３が波の伝播を方向づける導波器として機 能する。 第５図には、指向性アンテナ５０の第２実施例の断面図が示される。このアン テナ５０は、誘電性複合物５３を用いて放射エネルギの方向を変え、波の伝播方 向を制御する反射器を形成する。誘電性複合物５３は、アンテナ素子１４に対す る誘電率の傾斜が逆になることを除いては、前記と同様に構築される。従って、 誘電性複合物５３は、漸増する誘電率傾斜を有する。すなわち、層１８，１７， １６，１５の誘電率が、アンテナ素子１４からの距離が大きくなるにつれて、す なわちアンテナ素子１４に向かう方向に連続的に大きくなる。この結果、誘電性 複合物５３の外層１５と、反射率が望まれる周辺媒体とのインタフェースにおい て高い反射率が得られる。しかし、反射器から離れてアンテナを通過する方向へ の波の伝播５２は、相対的に妨げられない。 第６図は、本発明によるアンテナを組み込む無線機のブロック図である。無線 機６０は、双方向通信に用いられる 電子通信装置であり、周知の原則を用いて受信および送信動作を行うことができ る。コントローラ６６は、電気的に結合されたメモリ部６８からの論理とその他 の情報とを用いて、無線機６０全体の動作を制御する。コントローラ６６は、受 信機６４２，送信機６４４およびアンテナ・スイッチ６４７を備える無線周波数 （ＲＦ）部６４に電気的に結合される。ＲＦ部６４は、アンテナ・スイッチ６４ ７を通じて、本発明により形成されたアンテナ６２（上記のアンテナ１０，２０ ，４０，５０など）に電気的に結合される。受信動作については、通信信号がア ンテナ６２により受信され、受信機６４２により選択的に処理される。同様に、 送信動作については、通信信号がトランシーバ６４４により処理されて、アンテ ナ６２を通じて放出される。送信機６４４，受信機６４２およびアンテナ・スイ ッチ６４７は、コントローラ６６の制御下で動作する。 本発明は、従来の技術に比していくつかの利点を提供する。誘電構造の組成は 、アンテナの物理長を大幅に短縮することができるように選択することができる 。さらに、優れた性能を犠牲にせずに、アンテナをより小さくすることができる 。これにより、小型化された通信装置の製造がきわめて容易になる。アンテナは 、指向性または非指向性、対称形または非対称形のいずれにも形成することがで きる。このために製品設計者にとって大きな融通性が提供される。さらに、本発 明の別の側面により、アンテナ素子の周囲に 波反射器を設けて、放射された波の伝播に対してよりよい制御が可能になる。 本発明の好適な実施例が図示および説明されたが、本発明はそれに制約されな いことは明らかである。添付の請求項により定義される本発明の精神および範囲 から逸脱せずに、数多くの改良，変更，変形，置換および等価物が当業者には可 能であろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の好適な方向において周辺媒体を通じて放射を行い、他の方向におい ては放射を阻止する指向性アンテナであって： アンテナ素子；および 前記アンテナ素子を少なくとも部分的に囲む複合誘電構造であって、前記誘電 構造は前記周辺媒体と界面を接する第１および第２インタフェース部を有し、第 １インタフェース部において第１誘電率を、第２インタフェース部において第１ 誘電率よりも周辺媒体の誘電率に実質的に近い第２誘電率を有し、前記第１イン タフェース部から前記第２インタフェース部に向かって漸次的に変化する誘電率 を有する複合誘電構造； によって構成され、前記複合誘電構造が前記アンテナ素子から前記第１インタ フェース部へ向かう方向への放射を実質的に阻止し、なおかつ前記アンテナ素子 から前記第２インタフェース部へ向かう方向への放射を可能にすることを特徴と する指向性アンテナ。 ２．前記誘電率傾斜が、前記アンテナ素子と前記第２インタフェース部との間 で漸次的に減少する請求項１記載のアンテナ。 ３．前記誘電率傾斜が、前記第１インタフェース部と前記アンテナ素子との間 で漸次的に減少する請求項１記載の アンテナ。 ４．アンテナ素子；および 前記アンテナ素子をその中に埋め込んだ複合誘電構造； によって構成され、前記誘電構造が前記アンテナ素子の周囲に形成された異な る誘電率を有する誘電性材料により構成され、前記アンテナ素子と周辺媒体との 間で第１表面を通じる経路内に高い誘電性不一致を設定し、前記アンテナ素子と 前記周辺媒体との間で第２表面を通じる経路内に、前記の高い誘電性不一致に相 対して低い誘電性不一致を設定して、前記誘電構造が前記アンテナ素子から前記 第２表面を通じる波の伝播を促進し、前記第１表面を通じる波の伝播を阻止する ことを特徴とする指向性アンテナ。 ５．前記誘電構造が、第１誘電率を有する第１誘電層と前記第１誘電層の周囲 に配置され、前記第１誘電率よりも小さい第２誘電率を有する第２誘電層とによ りさらに構成され、前記アンテナ素子が前記第２誘電層内に少なくとも部分的に 埋め込まれる請求項４記載のアンテナ。 ６．アンテナ素子；および 少なくとも部分的に前記アンテナ素子を囲む誘電性材料の第１層を有し、前記 アンテナ素子から遠ざかる方向に連続的に大きくなる誘電率を特徴とする誘電材 料の連続層を有する多層誘電構造反射器； によって構成され、前記多層誘電構造反射器が前記アンテナ素子からの放射を 反射して、反射された放射が、好適 な方向に実質的に阻止されない誘電材料の層を通じて伝播することを特徴とする アンテナ。 ７．アンテナを形成する方法であって： アンテナ素子を設ける段階； 第１表面から第２表面に対して漸次的に減少する誘電率傾斜を有する第１およ び第２表面を有する誘電構造を形成する段階；および 前記アンテナ素子を前記第１表面と前記第２表面との間の前記誘電構造内に埋 め込む段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ８．前記アンテナ素子を、前記誘電構造の、他の部分の誘電率よりも低い誘電 率を有する部分内に埋め込むことによりアンテナ反射器を形成する段階によって さらに構成される請求項７記載の方法。 ９．反射器を持つアンテナを形成する方法であって： 前記誘電構造の第１部分から第２部分へと漸次的に増加する誘電率傾斜を有す る誘電構造を形成する段階；および 前記第１部分内にアンテナ素子を少なくとも部分的に埋め込む段階； によって構成されることを特徴とする方法。