KR20060044359A

KR20060044359A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20060044359A
Application number: KR1020050022354A
Authority: KR
Inventors: 신이치 구로다; 도모야 야마우라; 아키라 이가; 가츠미 오카야마
Original assignee: 소니 가부시키가이샤
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2006-05-16
Also published as: JP2005278067A; CN1674355B; CN1674355A; US7482977B2; US20050253756A1

Abstract

박형이고 광대역폭에 있어서 단일 지향성을 가지는 자성체 마이크로 스트립 패치 안테나를 제공하기 위해 이루어진 것으로서, 방사 도체와 지도체를 도통하는 단락 도체판을 소망 외의 모드의 여진을 억제하는 위치에 적절히 배치하고, 대역단에 있어서의 방사 패턴의 흐트러짐을 억제한다. 또, 방사 도체판과 지도체판 사이의 간극을, 자성체로 모두 충전하는 구성을 취하지 않고, 자성체층과 공층을 교대로 사이에 둔 복층 구조로 하고, 비유전률이 1이상인 자성체의 적용을 가능하게 한다. 자성체층로서는 단일의 자성체로 하는 일도 가능하지만, 수지 등과 복합화시켜, 형상의 자유도 및 특성을 최적화시킨 구조로 한다.

방사 도체판, 지도체판, 절연성 물체층, 공층, 단락 도체판.

Description

안테나 장치{ANTENNA APPARATUS}

도 1은 본 발명의 1 실시형태에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성을 모식적으로 도시하는 도면,

도 2는 본 발명에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나가 갖는 특성을, z축방향의 내부 전계 분포의 시뮬레이션 결과에 의해 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나가 갖는 특성을, 방사 패턴의 시뮬레이션 결과에 의해 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성을 모식적으로 도시한 도면,

도 5는 도 4에 도시한 본 발명의 실시 형태에 관한 마이크로 스트립패치 안테나의 동작 대역폭을 VSWR 특성의 시뮬레이션 결과로서 도시한 도면,

도 6은 도 1에 도시한 단락 도체판을 불필요한 고차 모드의 여진을 억제하는 위치에 배치하는 구성 및 방사 도체판과 지도체판(reference conductor) 사이의 간극을 절연성 물체층과 공층을 교대로 사이에 둔 복수층으로 하는 구성을 조합해 구성되는 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성예를 도시한 도면,

도 7은 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성예와 그 임피던스 정합 회로(종래예)를 도시한 도면,

도 8은 대향하는 도체지판과 방사 도체판 사이에 개재시키는 절연성 물체로서 유전체를 이용한 경우와 자성체를 이용한 경우의 동작 대역폭의 비교예를 VSWR 특성의 시뮬레이션 결과에 의해 도시한 도면.

　본 발명은 무선 신호의 송수신에 이용되는 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히, 울트라 와이드 밴드 통신과 같은 초광대역의 주파수대역을 이용해서 송수신을 행하는 무선 통신 방식에 적용가능한 초광대역이고 또한 소형의 안테나 장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 본 발명은 절연성 물질을 개재물로 해서 방사 도체와 도체지판(referecne conductor)을 대향해서 배치하는 것에 의해 구성한 패치 안테나 구성의 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히, 박형이고 광대역에 있어서 단일 지향성을 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것이다.

근래, 무선 LAN 시스템의 고속화, 저가격화에 따라 그 수요가 현저히 증가하고 있다. 특히 최근에는 사람의 몸의 주위에 존재하는 복수의 전자기기간에 소규모의 무선 네트워크를 구축해서 정보통신을 실행하기 위해, 퍼스널 에리어 네트워크(PAN)의 도입의 검토가 행해지고 있다. 예를 들면, 2. 4 ㎓대나, 5 ㎓대 등, 감독 관청의 면허가 불필요한 주파수대역을 이용해서, 다른 무선 통신 시스템이 규정되고 있다.

최근에는 「울트라 와이드 밴드(UWB) 통신」이라고 불리는 데이터를 예를 들면 3㎓ 내지 10㎓와 같은 초광대역의 주파수대역으로 확산해 송수신을 실행하는 무선 통신을 행하는 방식이, 근거리 초고속 전송을 실현하는 무선 통신 시스템으로서 주목받아 그 실용화가 기대되고 있다. 현재, IEEE802. 15. 3 등에 있어서, 울트라 와이드 밴드 통신의 액세스 제어 방식이 검토되고 있다.

무선 LAN을 비롯한 무선 통신에서는 안테나를 거쳐 정보 전송이 실행된다. 안테나에는 다양한 형식이 있지만, 광대역 특성을 가지는 안테나는 UWB와 같은 초광대역인 주파수대역으로 확산해서 송수신을 행하는 통신에 이용할 수 있다. 또, 소형의 안테나는 무선기기의 소형 경량화에 공헌한다.

예를 들면, 박형 안테나로서 절연성 물질을 개재물로 해서 방사 도체와 도체지판을 대향해서 배치하는 것에 의해 구성한 안테나 장치 즉 마이크로 스트립 패치 안테나가 알려져 있다. 방사 도체의 형상은 특히 한정되는 것은 아니지만, 대체적으로 직사각형 혹은 원형이 이용되고 있다. 방사 도체와 도체지판 사이에 개재시키는 절연성 물질의 두께는 대략 무선 주파수의 파장의 1/10 이하로 된다. 이 때문에, 마이크로 스트립 패치 안테나는 극히 박형으로 구성할 수 있다. 또, 마이크로 스트립 패치 안테나는 양면이 동박인 절연성 물질 기판을 에칭 가공해서 제조할 수 있는 등, 비교적 간단하게 제조할 수 있다. 즉, 마이크로 스트립 패치 안테나는 제조가 비교적 용이하다, 또는 회로 기판과의 일체화가 용이하다는 등의 특징을 가지고 있다.

도 7에는 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성예와 그 임피던스 정합회로가 도시되어 있다. 방사 도체판의 형상으로서는 도시한 바와 같이 직사각형, 혹은 원형이 이용된다. 절연성 물체에는 유전체가 이용되며, 그 두께는 대략 무선 주파수의 파장의 1/10 이하로 되기 때문에 박형이다.

실제의 제조에 있어서는 양면이 동박인 유전체 기판을 에칭 가공해서 제작되는 경우가 많으므로, 제조가 용이하거나 또는 회로 기판과의 일체화가 용이하다.

이와 같은 구성의 마이크로 스트립 패치 안테나에 의하면, 최저차 모드(직사각형인 경우에는 TM₁₀－모드)로 여진된 경우의 방사 지향성은 대략 z축방향의 단방향성을 나타내며, 수㏈i 정도의 지향성 이득이 얻어진다. 또, 여진시키기 위해 급전점(전기공급점)은 중심보다 약간 오프셋된 위치에 마련되고, 이 오프셋길이를 조절하는 것에 의해, 50Ω으로 정합을 취하는 것이 가능하다.

여기서, 마이크로 스트립 패치 안테나 자체는 동작 가능 대역이 좁기 때문에, 동작 가능 대역이 광대역일 필요가 있는 PAN 시스템 등에는 부적합하게 된다. 설계 파라미터에도 의존하지만, VSWR2 이하의 대역폭은 대략 수%의 수치로 된다. 이 결점으로 인해, 적용 범위가 상당히 한정되어 왔다.

이것에 대해, 전력을 전송하기 위한 급전선(전원공급선)에 의해 접속되고, 적어도 그 일부가 서로 대향하도록 배치된 도체지판과 방사 도체를 구비한 광대역 안테나 장치에 있어서, 도체지판과 방사 도체의 대향하는 부위 사이에, 사용 무선 주파수에 있어서의 도전율이 대략 0.1이상 10 이하로 되는 물질을 개재시키는 것에 의해, 광대역이고 또한 충분한 이득을 얻을 수 있다. 이것은 도전율이 대략 0. 1 이상 10이하인 도전율 특성을 가지는 물질을 방사 도체와 도체지판 사이에 개재시키는 것에 의해, 해당 도전율 특성을 가지는 물질에 의해서 도체지판과 방사 도체 사이에 있어서의 신호의 누설(리크)을 적당하게 생기게 할 수 있기 때문이다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

또, 전력을 전송하기 위한 급전선에 의해 접속되고, 가장 근방이고 또한 대략 병행하게 서로 대향하도록 배치된 도체지판과 방사 도체판을 구비한 박형 광대역 안테나 장치에 있어서, 대향하는 도체지판과 방사 도체판 사이에, 사용 무선 주파수에 있어서의 비투자율이 1보다 크고 대략 8이하로 되는 자성체를 개재시키는 것에 의해, 광대역이고 또한 충분한 이득을 얻을 수 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

도 8에는 대향하는 도체지판과 방사 도체판 사이에 개재시키는 절연성 물체로서 유전체를 이용한 경우와 자성체를 이용한 경우의 동작 대역폭의 비교예를, VSWR 특성의 시뮬레이션 결과에 의해 도시하고 있다. 단, 여기서는 안테나의 크기가 동일하게 되도록, 비유전률 혹은 비투자율을 적절히 조정해서 비교하고 있다. 비유전률이 3인 유전체를 사용한 경우의 동작 대역폭이 6. 5%(VSWR 2. 5 미만)인 것에 대해, 비투자율이 3. 6인 자성체를 사용한 경우의 대역폭은 실제로 21. 2%에 달하고 있다.

또한, 자성체를 개재물로서 이용하는 경우, 급전점의 오프셋길이의 조절만으로는 임피던스 정합이 곤란한 경우가 있지만, 이러한 케이스에 대해서는 예를 들면 도 7의 우측에 도시하는 바와 같은 임피던스 정합 회로를 적용해서 대응한다.

[특허 문헌1] 일본국 특개 2003－304115호 공보

그런데, 자성체를 이용해서 마이크로 스트립 패치 안테나를 구성하는 경우, 대역폭이 확대하는 부작용으로서, 소망(원하는 것) 외의 모드의 영향을 무시 하기 어려워진다. 왜냐하면, 각각의 모드가 광대역에서 동작하기 때문에, 쉽게 중첩되기 때문이다. 이 때문에, 동작 대역내의 하단 및 상단의 주파수에서는 직전/직후의 소망 외의 모드를 여진하는 성분이 보이기 시작하여, 이것이 본래 소망의 방사 패턴의 방해로 되는 경우가 있다.

또, 현존하는 자성체의 비유전률은 결코 1이 아니고, 1이상의 임의의 값을 가지고 있다(대부분의 경우, 비투자율과 동등하거나 또는 그 이상의 값의 비유전률을 가진다). 즉, 자성체임과 동시에, 유전체로서의 성질도 아울러 갖고 있는 것이다. 따라서, 이와 같은 절연성 물체를 개재물로서 이용한 경우, 그 유전성에 따라서(투자성에 따라 본래 발휘되어야 할) 대역폭 확대 효과가 감쇠되어 버린다고 하는 문제가 있다.

현재, 공학적으로 실용에 기여하고 있는 고주파용의 산화물계 자성 재료는 대략 수백 ㎒까지의 동작이 한도이다. 이것은 스피넬형 페라이트에 있어서의 「스네크의 한계칙(snoek's limit)」이라고 불리고 있다. 이 주파수를 넘는 영역에서는 대개의 경우, 그 높은 투자성을 기대할 수 없다. 한편, 마이크로 스트립 패치 안테나는 마이크로파대(즉 ㎓대) 이상에서의 응용이 기대되고 있다는 것이 실정이다.

따라서, 실용적으로 의미가 있는 자성체 마이크로 스트립 패치 안테나를 실현하기 위해서는 마이크로파 대(帶)용 자성 재료를 새로이 적용할 필요가 있다. 그 등용시에 대역폭 확대 효과가 감쇠된다는 상기의 문제를 감안해서 가능한 한 저유전율로 되는 조성을 선택해야 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 과제를 감안해서 이루어진 것으로서, 그 주된 목적은 절연성 물질로서 자성체를 개재물에 이용해서 방사 도체와 도체지판을 대향해서 배치하는 것에 의해 구성되어, 마이크로 스트립 패치 안테나 구성이 우수한 안테나 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 박형이고 광대역에 있어서 단일 지향성을 가지는 우수한 마이크로 스트립 패치 안테나를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 상기 과제를 참작해서 이루어진 것이며, 그 제1의 측면은 방사 도체판과 지도체판이 대향해서 배치되고, 방사 도체판의 중심에서 오프셋한 위치에 있어서 방사 도체판과 지도체판 사이에 급전이 행해지는 평면형의 안테나 장치로서, 상기 방사 도체판과 상기 지도체판간의 간극에 개재하는 비투자율이 1을 넘는 절연성 물체층과, 소망 외의 여진을 억제하는 위치에 배치되고, 상기 방사 도체판과 상기 지도체판을 전기적으로 도통시키는 단락 도체판을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치이다.

본 발명의 제1의 측면에 관한 안테나 장치에서는 절연성 물체로서 자성체(비투자율＞1)를 이용하여 광대역 동작을 시킨다. 또한, 방사 도체판과 지도체판 사 이를 전기적으로 도통시키는 단락 도체판을, 불필요한 고차 모드의 여진을 억제하는 위치에 적절히 배치하는 구성을 취한다.

예를 들면, 도 1에 도시한 예에서는, y축(x=0)을 따라 부분적으로 단락 도체판을 배치하고 있고, 이 점의 판간(板間) 전압을 강제적으로 0으로 함으로써, 불필요한 고차 모드를 인에이블 하기 어렵게 하고 있다. 한편, 소망의 최저차 모드(TM₁₀－모드)에 있어서는 이 y축은 원래 0전위이므로, 그 여진을 하등 억제하는 것으로는 되지 않는다. 즉, 소망 모드의 여진은 그대로, 불필요한 고차 모드의 여진만을 억제할 수 있다. 본 발명자들은 광대역 특성을 띠는 자성체 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서는 이와 같은 조치가 매우 중요한 의미를 가져온다고 생각한다.

또, 본 발명의 제2의 측면은 방사 도체판과 지도체판이 대향해서 배치되고, 방사 도체판의 중심에서 오프셋한 위치에 있어서 방사 도체판과 지도체판 사이에 급전이 행해지는 평면형의 안테나 장치로서, 상기 방사 도체판과 상기 지도체판과의 간극에 비유전률 및 비투자율이 모두 1을 넘는 절연성 물체층과 공층의 복수층으로 이루어지는 개재층을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치이다.

본 발명의 제2의 측면에 관한 안테나 장치에서는 절연성 물체로서 자성체(비투자율＞1)를 이용하지만, 방사 도체판과 지도체판 사이의 간극을, 절연성 물체로 모두 충전하는 구성을 취하지 않고, 공층(비유전률/비투자율 모두 1)을 적절히 사이에 둔 복층 구조로 한다.

이것은 절연성 물체로서 이용하는 자성체라 해도 유전성이 있으므로, 대역폭 확대 효과가 감쇠된다는 것을 고려한 것이며, 이 절연성 물체층에 공층을 삽입함으로써, 방사 도체판과 지도체판 사이의 개재층 전체로서 가지는 비유전률ε_r을 1에 접근시키다는 효과를 얻고 있다. 여기서, 공층은 전속(電束)방향에 대해서는 유전율이 불연속으로 되고, 또한 자속 방향에 대해서는 투자율이 연속으로 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 개재층 전체로서의 투자율의 저감을 피하면서, 유전율의 저감을 달성할 수 있다.

여기서, 상기 절연성 물체층으로서 육방정 페라이트로 구성할 수 있다. 육방정 페라이트로서 일반식 Ba₂Me¹ ₂Fe₁₂O₂₂로 나타내지는 Y형 페라이트 화합물, 일반식 Ba₃Me¹ ₂Fe₂₄O₄₁에서 나타내지는 Z형 페라이트 화합물, 또는 일반식 BaMe² _xFe_(12-x)O₁₉에서 나타내지는 M형 페라이트 화합물로 이루어지는 산화물계 자성 재료를 들 수 있다.(단, Me¹은 Ni²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Co²⁺ 및 이들 중 복수를 적절히 선택해서 조성을 조정한 것이며, Me²는 Al³⁺, Cr³⁺, Sc³⁺, In³⁺및 이들 중 복수를 적절히 선택해서 조성을 조정한 것, 또는 (Ti4⁴⁺, Sn⁴⁺, Zn⁴⁺)와 Me¹을 등량 혼합시킨 것이다.) 즉, 본 발명에서는 높은 투자율을 보존 유지하면서, 유전율을 낮게 억제하기 위해, 기본 조성에 2가의 금속 이온 혹은 3가의 금속 이온을 가지는 조성을 조정하고 있다. 이것에 의해서, 마이크로파대 용도의 자성체 마이크로 스트립 패치 안테나에 바람직한 물성을 얻을 수 있다.

또, 상기 방사 도체판과 상기 지도체판과의 간극에 배치되는 절연성 개재물의 유전율이 너무 높으면, 자성체 안테나로서의 특징이 손상된다. 그래서, 저유전율화를 도모하는 것을 목적으로 해서, 상기의 조성을 가지는 상기 산화물 자성 재료를 분말 원료로 하고, 수지(비유전률이 2∼3)를 혼합한 복합화 재료를 상기 절연성 물체층으로서 이용하는 것도 가능하다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징이나 이점은 후술하는 본 발명의 실시 형태나 첨부하는 도면에 근거하는 보다 상세한 설명에 의해서 명확하게 될 것이다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명의 1실시 형태에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성을 모식적으로 도시하고 있다.

동일 도면에 도시하는 바와 같이, 마이크로 스트립 패치 안테나는 적당한 절연성을 가지는 물체를 개재물로서 방사 도체와 지도체판이 대향해 서 배치된 평면형의 안테나이다. 동일 도면에 있어서, 방사 도체판의 중심에 xy좌표계의 원점을 설정하고, 이 xy평면에 직교하는 방향으로 z축을 설정한다. 그리고, 여진시키기 위해, 급전점은 방사 도체판의 중심 즉 xy원점에서 fp만큼 오프셋한 위치에 마련되어 있다.

본 실시 형태에서는 절연성 물체로서 자성체(비투자율＞1)를 이용하여 광대역 동작을 시킨다. 또한, 방사 도체판과 지도체판 사이를 전기적으로 도통시키는 단락 도체판을, 불필요한 고차모드의 여진을 억제하는 위치에 적절히 배치하는 구성을 취한다.

예를 들면, 도시한 예에서는 y축(x=0)을 따라 부분적으로 단락 도체판을 배치하고 있고, 이 점의 판간 전압을 강제적으로 0으로 함으로써, 불필요한 고차 모드를 인에이블 하기 어렵게 하고 있다. 한편, 소망의 최저차 모드(TM₁₀－모드)에 있어서는 이 y축은 원래 0전위이므로, 그 여진을 억제하는 것으로는 되지 않는다. 즉, 소망 모드의 여진은 그대로, 불필요한 고차 모드의 여진만을 억제할 수 있다. 본 발명자들은 광대역 특성을 띠는 자성체 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서는 이러한 조치가 매우 중요한 의미를 가져온다고 생각한다.

도 2에는 본 실시 형태에 관한 단락 도체판을 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나가 가지는 특성예를, z축방향의 내부 전계 분포의 시뮬레이션 결과에 의해서 나타내고 있다. 동일 도면에서는 비교를 위해, 좌측이 「단락 도체판 없음」, 우측이 「단락 도체판을 부가한 경우」를 나타내고 있고, 각각 상단이 3㎓를 동작 주파수로 하고, 하단이 4㎓를 동작 주파수로 했을 때의 시뮬레이션 결과이다. 단, 도 8에 도시한 특성예의 경우와 마찬가지로, 대략 3∼4㎓에 있어서 최저차 모드에서 동작하는 파라미터(ε_r=1,μ_r=10,σ=0, l=20㎜, L=50㎜, h=4㎜)가 선택되고 있다. 각 플롯의 중앙에 보이는 정방형이 방사 도체판에 해당한다.

3㎓에서는 합선 도체판이 없는 경우 및 부가한 경우의 어느 하나라도, y축상에서 전계 강도가 극소(판간 전압이 거의 0)로 되어 있고, 또한 상하의 단부에 근 접함에 따라 전계 강도가 증가한다는, 기지(旣知)의 TM₁₀－모드의 전계 분포가 나타나고 있는 것이 도시되어 있다. 즉, y축상의 판간 전압이 거의 0이므로, 단락 도체판의 유무에 관계없이, 규정 분포가 유지되고 있다.

한편, 4㎓에서는 이 TM₁₀－모드의 분포가 변화하기 시작하고 있으며, 고차 모드의 영향이 현저히 나타나고 있는 것이 도시되고 있다. 단락 도체판이 없는 경우에는 강전계역이 3개로 나뉘어지고, 벌써 TM₁₀－모드의 영향은 엷다. 이것에 대해, 단락 도체판이 있는 경우에는 변화하면서도 강전계역이 상하의 단부로 나뉘어져 있고, TM₁₀－모드의 자태가 약간 유지되고 있다고 할 수 있다. 이것은 단락 도체판의 설치에 의해서, 소망 외의 고차 모드가 억제되고 있기 때문이다. 단락 도체판이 설치된 위치는 소망 외의 고차 모드에 있어서 본래 판간 전압이 0은 아니다. 그곳을 강제적으로 단락시키고 있기 때문에, 여진하기 어렵게 되어 있기 때문이다고 생각된다.

또한, 도 3에는 마이크로 스트립 패치 안테나가 가지는 특성예를, 방사 패턴의 시뮬레이션 결과에 의해 도시하고 있다. 동일 도면에서는 단락 도체판이 없는 경우와 단락 도체판이 부가된 경우를 비교하여 도시하고, 각각 상단이 3㎓를 동작 주파수로 하고, 하단이 4㎓를 동작 주파수로 했을 때에서의 시뮬레이션 결과이다. 단, 도 8에 도시한 특성예의 경우와 마찬가지로, 대략 3∼4㎓에 있어서 최저차 모드에서 동작하는 파라미터(ε_r=1,μ_r=10,σ=0, l=20㎜, L=50㎜, h=4㎜)가 선택되고 있다 측정면은 φ=90°면(y-z면), 즉, 소망의 최저차 모드 성분이 φ벡터성분으로서 나타나지고, 직후의 고차 모드 성분이 θ벡터 성분으로서 나타나지는 측정면을 선택하고 있다.

3㎓에서는 단락 도체판의 유무에 관계없이, 최저차 모드의 φ벡터 성분만이 나타나고 있고, 최저차 모드 본래의 θ=0°방향(z축방향)의 단일 지향성이 얻어지고 있다. 도시한 시뮬레이션 결과에서는 이 방향의 피크 이득은 5.8㏈와의 결과를 얻고 있다.

한편, 4㎓에서는 최저차 모드의 φ벡터 성분 뿐만 아니라, 고차 모드에 의한 θ벡터 성분도 출현하고 있다. 단락 도체판이 없는 경우에는 이 고차 모드 성분이 크게 나타나, 소망외의 방향으로 전력이 분산되고 있고, 그 결과로서 φ벡터 성분의 피크이득은 3. 0㏈i까지 저하하고 있다. 이것에 대해, 단락 도체판이 있는 경우에는 고차 모드 성분이 상당히 억제되고 있어,소망의 φ벡터 성분의 피크 이득도 4. 7㏈i로 비교적 그 저하가 작다. 즉, 단락 도체판을 배치한 경우에는 소망외의 방향으로 방사되는 전력이 억제되는 분만큼, 소망 방향의 전력이 향상하고 있다. 앞서 설명한 전계 분포의 차가, 이와 같은 결과로 되어 나타나고 있는 것으로 생각된다.

도 4에는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성을 모식적으로 도시하고 있다.

*동일 도면에 도시하는 바와 같이, 마이크로 스트립 패치 안테나는 적절한 절연성을 가지는 물체를 개재물로 해서 방사 도체와 지도체판이 대향하여 배치된 평면형의 안테나이다. 동일 도면에 있어서, 방사 도체판의 중심에 xy좌표계의 원점을 설정하고, 이 xy평면과 직교하는 방향으로 z축을 설정한다. 그리고, 여진시키기 위해, 급전점은 방사 도체판의 중심 즉 xy원점에서 fp만큼 오프셋 한 위치에 마련되어 있다.

본 실시 형태에서는 절연성 물체로서 자성체(비투자율＞1)를 이용하지만, 방사 도체판과 지도체판 사이의 간극을, 절연성 물체로 모두 충전하는 구성을 취하지 않고, 공층(비유전률/비투자율 모두 1)을 적절히 사이에 둔 복층 구조로 한다.

이것은 절연성 물체로서 이용하는 자성체라고 해도 유전성이 있으므로, 대역폭 확대 효과가 감쇠된다는 것을 고려한 것이며, 본 실시 형태에서는 이 절연성 물체층에 공층을 삽입함으로써, 방사 도체판과 지도체판 사이의 개재층 전체로서 가지는 비유전률ε_r을 1에 접근시킨다는 효과를 얻고 있다. 여기서, 공층은 전속(電束)방향에 대해서는 유전율이 불연속으로 되고, 또한 자속 방향에 대해서는 투자율이 연속으로 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 개재층 전체로서의 투자율의 저감을 회피하면서, 유전율의 저감을 달성할 수 있다.

또한, 도 4에 도시한 예에서는 절연성 물체/공층이 모두 1층만의 구성으로 되어 있지만, 교대로 사이에 두어 다층 구조로 해도 좋다.

본 실시 형태는 1을 넘는 비유전률을 가지는 자성체, 즉 투자성과 함께 유전성을 아울러 갖는 절연성 물체를 개재물로서 적용할 때에 유효하게 된다. 종래의 안테나 구성 그 자체에서는 이와 같은 절연성 물체를 이용하는 경우, 그 유전성에 의해서(투자성에 수반해서 본래 발휘되는 것의) 대역 확대 효과가 감쇠되어 버린다.

도 5에는 종래 구성과 본 실시 형태에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나의 동작 대역폭을 종래 구성예와 비교해서 도시하고 있다. 동일 도면에서는 안테나의 동작 대역폭을 VSWR특성의 시뮬레이션 결과로서 도시하고 있다. 단, 방사 도체판의 변길이를 26㎜로 하고 또한 동작 대역의 하한 주파수가 3㎓로 되도록, 비유전률=비투자율이라는구속 하에서, 이러한 파라미터를 적절히 조정하고 있다.

도 5의 좌단에는 절연성 물체(비유전률 및 비투자율 모두 2)로 간극을 모두 충전한다는 종래 구성예에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나의 동작 대역폭을 도시하고 있다. 이 경우, 도시한 바와 같이, 동작 대역폭이 9. 3%(VSWR　2. 5미만)으로 되어 있다. 도 8에 도시한 순수한 자성체(비유전률 1, 비투자율 3. 6)의 경우에 비해 대역폭이 감소되어 있어, 유전성에 기인하는 대역 감소의 효과가 나타나고 있다.

또, 도 5의 중앙에는 방사 도체판과 지도체판 사이의 간극에 절연성 물체와 함께 공층을 사이에 둔 본 실시 형태에 관한 마이크로 스트립 패치안테나에 있어서의 동작 대역폭을 도시하고 있다. 단, 공층 용적비 1/2, 절연성 물체의 비유전률 및 비투자율은 모두 3. 9로 한다. 이 경우, 도시한 바와 같이, 대역폭이 11. 7%로 회복되어 있다. 이것은 공층이 전속을 횡단하는 방향에 존재하고 있는 것에 의해, 투자성의 감퇴 효과에 대해 유전성의 그것이 상회하기 때문이라고 생각된다.

또, 도 5의 우단에는 방사 도체판과 지도체판 사이의 간극에 끼워진 공층의 용적비를 보다 증가시킨 경우의 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서의 동작 대역폭을 도시하고 있다. 이 경우, 도시한 바와 같이, 더욱 대역폭이 14. 5%로 더욱 회복을 보이고 있다.

상술한 본 발명의 각 실시 형태에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나는 각각 독자의 작용 효과를 얻지만, 물론, 이들을 병용하는 것에 의해, 각각이 가지는 효과를 동시에 기대하는 것도 가능하다. 도 6에는 적당한 절연성을 가지는 물체를 개재물로 해서, 방사 도체와 지도체판이 대향해서 배치된 평면형의 안테나에 있어서, 방사 도체판과 지도체판 사이를 전기적으로 도통시키는 단락 도체판을 불필요한 고차 모드의 여진을 억제하는 위치에 배치한다는 구성(도 1 참조)과, 방사 도체판과 지도체판 사이의 간극을 절연성 물체층과 공층을 교대로 사이에 둔 복수층으로 하는 구성(도 4 참조)을 조합해서 구성되는 마이크로 스트립 패치 안테나의 구성예를 도시하고 있다.

마지막으로, 상술한 각 실시 형태에 있어서 방사 도체판과 지도체판 사이의 간극에 끼워진 절연성 개재물에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는 동작 대역폭 확대의 효과를 얻기 위해, 절연성 물체로서 자성체를 이용한다. 여기서, 상술한 바와 같이, 스피넬형 페라이트 등의 산화물계 자성 재료에 있어서는 고주파수 대역에서는 높은 투자성을 기대할 수 없다고 하는, 「스네크의 한계칙」의 문제가 있다. 그래서, 본 실시 형태에서는 이하에 나타내는 산화물계의 자성체를 적용한다.

[1] Y형 페라이트

[a] Zn₂Y(Ba₂Me¹ ₂Fe₁₂O₂₂)

[b] NiZnY(Ba₃Me¹ ₂Fe₂₄O₄₁)

[2] M형 페라이트

[c] BaM(BaFe_9.75Sn₁Mn_1.25O₁₉)

이러한 페라이트에 관해서는 예를 들면 J. Smit, H. P. J. Wijn 공저"Ferrites”(Philips Technical Library(1959))에 기본 조성이 공개되어 있다. 본 발명에서는 절연성 물체층으로서 육방정 페라이트로 구성하고, 높은 투자율을 보존 유지하면서, 유전율을 낮게 억제하기 위해, 기본 조성에 2가의 금속 이온 혹은 3가의 금속 이온을 가지는 조성을 조정하고 있다. 이것에 의해, 마이크로파대 용도의 자성체 마이크로 스트립 패치 안테나에 바람직한 물성이 얻어진다.

상술한 바와 같이 절연성 개재물의 유전율이 너무 높으면, 자성체 안테나로서의 특징이 손상되는 것이 분명하게 되어 있다. 그래서, 저유전율화를 도모하는 것을 목적으로 해서, 상기 조성에 수지(비유전률이 2∼3)를 혼합한 복합화 재료를 이용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 상술한 산화물 자성 재료를 분말 원료로 하고, 공지의 수지(ABS, PC, PS, 페놀, 엑폭시, CP고무, 아크릴 등)와 복합화한 수지 복합체이다. 이와 같이 하면, 경량화/취성(무름성) 피막의 방지, 낙하 강도의 향상, 안테나로서의 형상 자유도의 증대 등의 이점도 얻어진다.

여기서, 일반적으로 페라이트의 제작 방법으로서는 습식법과 건식법의 2종류가 있다. 이하에서는 건식법으로 제작을 하는 경우에 대해 설명한다.

원료 분말로서는 BaCO₃, αFe₂O₃, Co₂O₃, ZnO, NiO를 이용한다. 출발 원료로서는 모두 순도 99%이상의 분말을 이용하지만, 함유 불순물을 고려하여 칭량되었다. 후술하는 습식 볼 밀중에서의 포트 및 볼로부터의 금속 마모분의 혼입을 고려하여, 원료의 Fe₂O₃을 0. 1∼1%정도의 범위에서 적절히 조정한다. 또, 고온에서 소성시에 산화 아연 ZnO가 휘발하는 것을 고려해서, ZnO를 0. 1∼2%의 범위에서 적절히 조정한다. 소결성을 향상시킬 목적으로, 미량의 SiO₂, CaO 등을 첨가한다. 소정의 조성으로 칭량한 후, 습식 유성형(遊星型) 볼 밀로 혼합한다. 이 때, 용매로서는 물, 알코올, 트리크렌 등이 바람직하게 이용된다. 여기서는 에틸 알코올을 이용하는 것으로 한다. 또한, 출발 원료로서는 본 실시 형태에서는 탄산화물, 산화물의 형태가 바람직하게 이용되지만, 금속 알콕시드, 슈우산염(oxalate), 유기 금속 착체 등도 이용된다.

얻어진 혼합 슬러리를 건조시킨 후, 펠릿형상으로 타정(打錠)했다. 이것을 1000∼1400℃(조성에 따라 최적 온도가 다름)로 소성하여, 페라이트 화합물을 얻는다. 이 펠릿을 대략 분쇄한 후, 재차 볼 밀에서 습식 미분쇄를 행한다. 여기서, 한 번 페라이트화한 후에 또 분쇄하는 것은 원료내의 가스 성분, 휘발 성분이 반응하여, 펠릿에서 빠질 때의 악영향을 완화시키기 위해서이다.

미분쇄 후, 재차 펠릿형상으로 타정하고 최종 소성을 행한다. 이 때, 산소 해리압을 고려하여, 불활성 가스 중, 혹은 N₂등의 최적 가스내에서 소성을 행한다. 얻어진 펠릿은 밀도가 99%이상 정도이며, 거의 진(眞) 밀도에 가깝다고 할 수 있다. 이 펠릿을 분쇄하고, 체로 거르는 것에 의해 입도 분포가 다른 복수의 분말 배리에이션을 얻는다. 얻어진 분말을 수지와 분말 하고, 3개의 롤 혹은 기지의 시트혼련기를 이용하여 시트화를 행한다. 사용한 수지는 ABS, PC, PPS 등이다. 페라이트 분말 충전량은 30∼60%의 범위에서 조정을 행한다. 고충전의 경우는 투자율이 높아진다고 하는 이점이 있는 반면, 유전율도 상승하여, 본 발명에서 요구되는 안테나 특성을 발현하는 특성 범위에서 어긋나 버리기 때문에, 소결물체의 값을 기초로 하여 충전량을 계산에서 산출한다. 시트 두께는 0. 1㎜∼4㎜정도까지 조정 가능하지만, 안테나 설계상 1㎜정도가 바람직하다. 시트화에는 압연 롤을 이용할 수 있지만, 이외에도 프레스나 독터 블레이드 등의 방법도 이용할 수 있다.

또한, 상술한 모든 실시 형태에 공통해서 말할 수 있는 것이지만, 절연성 물체의 도전율은 반드시 0일 필요는 없다. 도체로서의 특징이 거의 나타나지 않으면, 가령 도전율이 0이 아니어도, 본 발명의 실현에 대해 하등 문제로는 되지 않는다. 또한, 본 발명의 구체적인 실시 형태로서 열거한 페라이트, 또는 페라이트 복합체의 전기 저항율은 대략 103∼1014Ω㎝이며, 금속의 전기 저항율(10－7Ω㎝정도)과 비교해서 높은 값을 나타내지만, 그 값은 재료에 따라 여러 가지로 변화하는 것도 부기해 둔다.

[산업상의 이용 가능성]

이상, 특정의 실시 형태를 참조하면서, 본 발명에 대해서 상세하게 설명했다. 그러나, 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위에서 당업자가 해당 실시 형태의 수정이나 대용을 할 수 있는 일은 자명하다. 즉, 예시라는 형태로 본 발명을 개시해 왔기 때문에 있어, 본 명세서의 기재내용을 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는 특허청구범위의 란을 참작해야 한다.

본 발명에 의하면, 절연성 물질로서 자성체를 개재물에 이용해서 방사 도와 도체지판을 대향해서 배치하는 것에 의해 구성되고, 마이크로 스트립 패치 안테나 구성이 우수한 안테나 장치를 제공할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 절연성 물질로서 자성체를 개재물로 이용한 경우에 있어서의, 대역폭 확대의 부작용에 관한 문제를 해결하여, 박형이고 광대역에 있어서 단일 지향성을 가지는 우수한 마이크로 스트립 패치 안테나를 제공할 수 있다. 본 발명에 관한 마이크로 스트립 패치 안테나는 예를 들면 초광대역인 주파수대역을 이용해서 송수신을 행하는 울트라 와이드 밴드 무선 통신 방식에 바람직하게 적용할 수 있다.

Claims

방사 도체판과 지도체판이 대향해서 배치되고, 방사 도체판의 중심에서 오프셋한 위치에서 방사 도체판과 지도체판 사이에 급전이 행해지는 평면형의 안테나 장치로서,

상기 방사 도체판과 상기 지도체판과의 간극에 개재하는 비투자율이 1을 넘는 절연성 물체층과,

소망 외의 여진을 억제하는 위치에 배치되고, 상기 방사 도체판과 상기지도체판을 전기적으로 도통시키는 단락 도체판을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
방사 도체판과 지도체판이 대향해서 배치되고, 방사 도체판의 중심에서 오프셋한 위치에서 방사 도체판과 지도체판 사이에 급전이 실행되는 평면형의 안테나 장치로서,

상기 방사 도체판과 상기 지도체판과의 간극에 비유전률 및 비투자율이 모두 1을 넘는 절연성 물체층과 공층의 복수층으로 이루어지는 개재층을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 절연성 물체층은 육방정 페라이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테 나 장치.
제3항에 있어서,

상기 절연성 물체층은 일반식 Ba₂Me¹ ₂Fe₁₂O₂₂로 나타내지는 Y형 페라이트 화합물로 이루어지는 산화물계 자성 재료로 구성되는(단, Me¹은 Ni²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Co²⁺ 및 이들 중 복수를 적절히 선택해서 조성을 조정한 것) 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3항에 있어서,

상기 절연성 물체층은 일반식 Ba₃Me¹ ₂Fe₂₄O₄₁로 나타내지는 Z형 페라이트 화합물로 이루어지는 산화물계 자성 재료로 구성되는(단, Me¹은 Ni²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Co²⁺ 및 이들 중 복수를 적절히 선택해서 조성을 조정한 것) 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3항에 있어서,

상기 절연성 물체층은 일반식 BaMe² _xFe_(12-x)O₁₉로 나타내지는 M형 페라이트 화 합물로부터 이루어지는 산화물계 자성 재료로 구성되는(단, Me²는 Al³⁺, Cr³⁺, Sc³⁺, In³⁺및 이들 중 복수를 적절히 선택해서 조성을 조정한 것, 혹은 (Ti⁴⁺, Sn⁴⁺, Zn⁴⁺)와 Me¹을 등량 혼합시킨 것) 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제4항 내지 제6항중의 어느 한항에 있어서,

상기 절연성 물체층은 상기 산화물 자성 재료를 분말 원료로 하고, 수지와 복합화한 수지 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.