WO2005081364A1

WO2005081364A1 - 誘電体アンテナ

Info

Publication number: WO2005081364A1
Application number: PCT/JP2005/002551
Authority: WO
Inventors: Junxiang Ge; Shozaburo Kameda; Hiroshi Ichikawa
Original assignee: Yokowo Co., Ltd.; Ube Industries, Ltd.
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2005-09-01
Also published as: JP2005236624A

Abstract

　セラミックスなどの板状または直方体形状の誘電体基体１の一面（裏面）にグランド電極４が設けられ、誘電体基体１の内部またはグランド電極４が設けられた一面と対向する表面１ａに、一端部２ａが開放され他端部２ｂがグランド電極４と接続される放射電極２が設けられている。この放射電極２の開放端部２ａ側に一端部３ａを対向させて給電電極３が容量結合するように設けられ、その他端部３ｂが給電端子とされている。そして、放射電極２の開放端部２ａに装荷電極５の一端部５ａを対向させ、その他端部５ｂがグランド電極４と接続されている。その結果、誘電体の比誘電率を余り大きくしなくても、アンテナを小型化することができ、性能の低下しない小型の誘電体アンテナが得られる。

Description

明細書

誘電体アンテナ技術分野

[0001] 本発明は、たとえばセラミックスなどの誘電体を用い、放射電極と給電電極とを対向させて容量結合をさせる誘電体アンテナに関する。さらに詳しくは、高誘電率の誘電体を用いなくても小型化が可能な構造の誘電体アンテナに関する。

背景技術

[0002] 直線偏波平面アンテナを小型化する従来技術として、逆 Fアンテナが知られている。逆 Fアンテナは、 L型に折り曲げられた導電性線条 (もしくは板)の 2区間の内、短区間の一端側を接地し、長区間を接地面 (グランド電極）に平行に配置し、さらに短区間に略平行で、かつ、インピーダンス整合条件を満足するように適宜離間し、給電点と長区間を接続する導電性線条 (もしくは板)からなる第 3の導電体である給電区間を配置して構成される。

[0003] 具体例としては、図 7 (図 7Aおよび 7B)に斜視および構成の説明図が示されるように、基板 61の一面側力も側面にかけて導電膜が形成されることにより、 L型導電体（放射電極 62)が形成され、短区間である側面の導電体膜の端部は基板 61の裏面に設けられるグランド電極 63と接続されている。そして、基板 61およびグランド電極 63 に設けられる貫通孔を介して給電ピン 64が放射電極 62の結合部 62aに接続される構造になっている。この構造では、基板 61の表面側に設けられる導電体 (放射電極 62)の長辺側の長さは、原理的には略 1Z4波長の電気長で構成することができ、基本パッチモードと比較して、長さで 1Z2の小型化が可能となる。

[0004] このような逆 Fアンテナでは、給電系の 50 Ωや 75 Ωなどの特性インピーダンスと合せるためには、結合部 62aの位置を正確に合せる必要があり、周波数調整などにより放射電極 62の大きさを変化すると、その位置もずれるという問題がある。

[0005] 一方、図 8に示されるように、誘電体基板 61の表面に放射電極 62が給電電極 64と対向して容量結合をするように設けられ、誘電体基板 61の裏面にグランド電極 63が設けられる構造の誘電体アンテナも知られている（たとえば特許文献 1参照)。このような構造にすると、給電部と接続される給電電極 64の位置は固定した状態で放射電極 62と結合することができる。

特許文献 1 :特開平 9 - 98015号公報（図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 前述のように、従来のセラミックスなどの誘電体基板を用いたアンテナでは、逆 Fァンテナでも、容量結合型の誘電体アンテナでも、ある程度の小型化を達成することができ、しかも誘電体基板に比誘電率 ε の高い材料を用いることにより、 1Ζ ε ^1/2に比例してその長さを短くすることができ、さらなる小型化を達成することができる。しかし、誘電体基板の誘電率を高くすると、共振し得る周波数帯域が狭くなり、たとえば高さが 2mm、 ε 力 30程度の逆 Fアンテナは 2450MHzの中心周波数に対して、 ± 15M Hz程度までしか感度よく送受信をすることができず、それより広帯域の信号を送受信することができな、か、放射効率が減少すると、う問題がある。

[0007] さらに、先端容量結合型の誘電体アンテナでは、給電電極 64の電流方向と放射電極 62の電流方向とは同じであるため、その対向部分での容量のみによる結合となり、その間隔に依存する容量だけで結合特性が大きく変化し、結合効率が安定しないと共に、誘電体の誘電率を高くすると、インピーダンスが低下する。そのため、このような誘電体アンテナの設計中に給電部の整合を工夫する必要があるという問題がある

[0008] 一方において、移動体通信の無線を利用している各種のシステムが急速に普及している現在、アンテナに対する小型化、高性能化の要求は年々激しくなつている。たとえばブルートゥース（Bluetooth)用アンテナに対しては、その比帯域が 3.4%で、全方向平均利得が 5dBi以上で、アンテナの高さが 1一 2mm、体積が数十 mm³以下などの要求がなされて、る。このような特性上からも制約のあるアンテナを小型化するには、誘電体基板として単に比誘電率の高、材料を用いると、うことによっては、小型化をすると、うことができな、。

[0009] 本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、アンテナの性能を低下させないように、誘電体の比誘電率を余り高くしなくても、アンテナを小型化することができる構造の誘電体アンテナを提供することを目的とする。

[0010] 本発明の他の目的は、放射電極と給電電極との容量結合構造を改良し、安定した結合度を得ながら、小型化を図ることができる誘電体アンテナを提供することにある。課題を解決するための手段

[0011] 本発明による誘電体アンテナは、板状または直方体形状の誘電体基体と、該誘電体基体の一面の一部または全面に設けられるグランド電極と、該誘電体基体の内部または前記一面と対向する表面に設けられ、一端部が開放され他端部が前記グランド電極と接続される放射電極と、該放射電極の開放端部側に一端部を対向させて容量結合させ、他端部が給電端子とされる給電電極と、前記放射電極の開放端部と一端部が対向し他端部が前記グランド電極と接続される装荷電極とを有している。

[0012] ここに装荷電極とは、グランド電極とアンテナの放射電極の先端との間に容量を形成するように装荷されたものを意味する。

[0013] 具体的には、前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する一側面にかけて設けられ、前記装荷電極の前記一端部が前記表面に隣接し、前記一側面と対向する対向側面に設けられることにより、放射電極と装荷電極の間の容量 Cが増加するため

2

、アンテナの小型化に寄与する。

[0014] また、前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する一側面にかけて設けられ、前記給電電極の前記一端部が前記表面と隣接する側面または該表面と対向する前記一面に設けられる構造とすることができる。この場合、前述のように、アンテナの高さが 1一 2mm程度の薄いものが要求されるため、放射電極が設けられる表面と対向する一面に給電電極の一端部が設けられても、誘電体基体を介して充分に放射電極と結合させることができる。このような構造にすれば、放射電極の電流方向と給電電極の電流方向とを完全に同一面で対向させる結合ではないため、その対向部分での容量結合が強くなり、結合特性の再現性がよくなる。

[0015] 前記放射電極を複数本に分離して設けることにより、複数本の放射電極で共振周波数を異ならせることにより、広帯域のアンテナまたは複数周波数帯のアンテナとすることができる。また、前記放射電極の開放端側に、前記給電電極との対向部を形成する突起部が形成されることにより、結合度を調整しやすくすることができる。

発明の効果

[0016] 本発明によれば、容量結合型の誘電体アンテナにおいて、装荷電極が設けられているため、放射電極と装荷電極との間に装荷容量 Cが形成され、放射電極全体とし

2

ての容量が大きくなる。すなわち、先端給電の誘電体アンテナの等価回路において、共振周波数 f は、 f = 1/{2 π (LC) ^V2}で表されるが、その Cが大きくなるため、共

0 0

振周波数 f

0が低下し、共振周波数が同じになるようにすれば、放射電極の長さを短くすることができるため、同じ共振周波数に対して、アンテナを小型化することができる

。なお、上式で、 Lは放射電極のインダクタンス、 Cは、給電電極と放射電極との結合容量 C、放射電極とグランド電極との間の容量 Cおよび装荷電極と放射電極との間

0 1

の装荷容量 Cとの和である。

2

[0017] その結果、装荷容量 Cが寄与し、共振周波数を下げること、すなわち同じ周波数に

2

対しては、放射電極の物理的長さを短くすることができる。そのため、誘電体基体として、極端に誘電率の高い材料を用いなくても、アンテナの小型化を達成でき、たとえば比誘電率が 20程度のセラミックスを用いることができると共に、帯域幅を広く維持することができるし、入力インピーダンスを高く維持することができ、小型で高特性のアンテナが得られる。また、小型化しながら誘電体基体として誘電率の小さいものを使用することができるため、アンテナの放射効率を高く維持することができると共に、入力インピーダンスを調整しやすぐアンテナ特性を向上させることができるという効果がある。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]図 1A— 1Cは、本発明による誘電体アンテナの一実施形態の説明図である。

[図 2]図 2A— 2Dは、図 1のアンテナで、グランド装荷電極の高さを変えたときの周波数特性の変化を示す図である。

[図 3]図 1に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。

[図 4]図 1に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。

[図 5]図 1に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。

[図 6]図 1に示される放射電極および給電電極の構造の変形例を示す図である。 [図 7]図 7Aおよび 7Bは、従来の逆 Fアンテナの構造を示す説明図である。

[図 8]従来のセラミック基板を用いたアンテナの他の構造例を示す図である。

符号の説明

[0019] 1 誘電体基体

2 放射電極

3 給電電極

3b 給電部

4 グランド電極

5 装荷電極

発明を実施するための最良の形態

[0020] つぎに、図面を参照しながら本発明の誘電体アンテナについて説明をする。本発明による誘電体アンテナは、図 1Aおよび 1Bにその一実施形態の表面側および裏面側の斜視説明図が示されるように、セラミックスなどの板状または直方体形状の誘電体基体 1の一面 (裏面）の一部または全面にグランド電極 4が設けられ、誘電体基体 1 の内部またはグランド電極 4が設けられた一面と対向する表面 laに、一端部 2aが開放され他端部 2bがグランド電極 4と接続される放射電極 2が設けられてヽる。この放射電極 2の開放端部 2a側に一端部 3aを対向させて給電電極 3が容量結合するように設けられ、その他端部 3bが給電端子とされている。本発明は、放射電極 2の開放端部 2aに装荷電極 5の一端部 5aを対向させ、その他端部 5bをグランド電極 4と接続していることに特徴がある。

[0021] 誘電体基体 1としては、アンテナの小型化という観点からは、できるだけ誘電率の高い材料が好ましいが、前述のように、余り誘電率の高い材料を用いると、共振し得る周波数帯域が狭くなり、広帯域の信号を送受信することができな力つたり、放射効率が減少しやすい。そのため、比誘電率が 10— 20程度の、たとえば Al O、 SrTiOな

2 3 3 どを用いることが好ましい。しかし、帯域幅をそれほど必要としない場合には、たとえば BaO-TiO - SnO、 MgO-CaO-TiOなどの比誘電率が 30程度以上のセラミック

2 2 2

スを用いることもできる。また、この誘電体基体 1は、セラミックスなどの誘電体材料により一体に形成されたものでもよいし、薄いセラミックシートなどに適宜導電体膜が設けられたものを積層して焼結したものや適宜導電体膜が設けられたガラスエポキシフイルムなどを積層したものでもよい。大きさは、たとえば GPS用としては、前述の比誘電率が 20程度のものであれば、縦 X幅 X高さが 8mm X 5mm X 2mm程度のもので形成することができる。

[0022] 以下に説明する実施例では、この誘電体基体 1のグランド電極 4が形成される一面を裏面、放射電極 2が主として設けられる面を表面、放射電極 2の長手方向で、ダランド電極 4と接続される他端部 2b側が設けられる側面を一側面 (第 1の側面）、放射電極 2の一端部 2a側で、その長手方向に隣接する側面を対向側面 (第 2の側面)、放射電極 2の横側に隣接する側面をサイド側面 (第 3または第 4の側面）と呼ぶ。

[0023] 放射電極 2の一端部 2aは開放端とされ、他端部 2bは誘電体基体 1の一側面を介して裏面に設けられるグランド電極 4に接続されてヽる。この放射電極 2の一端部 2aから他端部 2bまでの長さ (長手方向の長さ；図 2Aの L +L )は、所望の周波数帯に対

1 2

し、ほぼ λ Ζ4の電気長になるように形成されている。この電気長は誘電体基体 1の比誘電率 ε の平方根に逆比例（ΐΖ ε ^1/2に比例)するため、誘電体基体 1の誘電率によって変る。図 1に示される例では、誘電体基体 1の幅全体に亘つて設けられないで、幅方向に突起部 2cが形成され、後述する給電電極 3と結合しやすく形成されている。その結果、放射電極 2の長さ方向、すなわち電流方向が対向するように結合させるのではなぐ直角方向力給電電極により結合されている。しかし、この放射電極 2の形状および給電電極 3との結合構造は、後述するように種々の構造を採用することがでさる。

[0024] 給電電極 3は、放射電極 2と送受信信号の給電部とを容量結合させるためのもので、図 1に示される例では、誘電体基体 1の裏面に設けられた給電端子 3bから、一端部 3aが放射電極 2の突起部 2cと対向するように 1つのサイド側面に設けられている。このように、放射電極 2の電流方向（長手方向）と対向させないで、放射電極 2の電流方向と給電電極 3の電流方向とが直角方向になるように結合させることにより、結合が密になりその間隔が広くなるため、特性が大きく変化するということが無くなるので、好ましい。

[0025] グランド電極 4は、誘電体基体 1の放射電極 2が設けられている表面と対向する裏面で、給電端子 3bが設けられる部分を除いたほぼ全面に設けられている。このダランド電極 4、放射電極 2および給電電極 3は、それぞれ誘電体基体 1の所定の面に銀被膜などの導電体膜を印刷または真空蒸着とパターユングなどにより設ければ、簡単に形成することができて好ましいが、その例に限らず、銅などの導電線または導体板を誘電体基体 1上に配設された構造のものでもよい。さらに、導電体膜が印刷などにより設けられた誘電体シートを積層することにより、これらの放射電極 2、給電電極 3 およびグランド電極 4それぞれまたはどれかの少なくとも一部を誘電体基体 1の内部に形成することちできる。

[0026] 装荷電極 5は、一端部 5aが放射電極 2の一端部 2aと対向し、かつ、他端部 5bがグランド電極 4と接続された、すなわちグランド電極 4と同電位の導体膜により誘電体基体 1の対向側面 (放射電極 2の他端部がグランド電極 4と接続するため表面力一側面に設けられたその側面と対向する側面）に設けられている。図 1に示される例では、この装荷電極 5は、その一端部 5aが対向側面に位置するように設けられているが、このようにすることにより、放射電極 2を誘電体基体 1の表面全体近くまで設けることができるため小型化の点から好ましい。しかし、放射電極 2が設けられる表面上で放射電極 2と対向するように形成されてもょヽ。

[0027] 本発明の構造のアンテナによれば、図 1Cにその等価回路図が示されるように、従来の容量結合型アンテナにおける、放射電極によるインダクタンス L、放射電極 2と

0

給電電極 3との間の容量 C、放射電極 2とグランド電極 4間の容量 Cの他に、装荷電

0 1

極 5と放射電極 2との間の容量 Cが加わる。これらの容量は、いずれも放射電極 2とグ

2

ランド電極 4との間の容量になるため、全容量 Cは、 C = C +C +Cとなる。一方、こ

0 1 2

の放射電極 2の共振周波数 f は、前述のように、 f = 1/{2 π (LC) ^1/2}で表される。

0 0

そのため、この Cが Cだけ大きくなれば、共振周波数 f は低下することになる。逆にい

2 0

えば、共振周波数 fが同じになるようにすれば、放射電極 2の長さを短くすることがで

0

き、アンテナの小型化に寄与することができる。なお、図 1Cにおいて、 Rは、放射抵

0

抗を示す。

[0028] たとえば誘電体基体 1の大きさが縦 X幅 X高さ = 8mm X 5mm X 3mmで、比誘電率が 20のものを使用して、図 2Aに示されるように、放射電極 2の一端部 2aと誘電体基体 1の表面の端部までの距離 kを、たとえば 0.5mmとし、その一端部に対向する誘電体基体 1の対向側面に設けられる装荷電極 5の高さ hを 3mm (側面全面に装荷電極を設けた構造)、 1.5mm, Omm (装荷電極を設けない構造)と変化させたときの周波数に対する VSWRを調べた結果が図 2B— 2Dに示されて!/、る。図 2B— 2Dから明らかなように、装荷電極 5を設けない構造では、共振周波数が 1.857GHzで、 VSW R力であったもの（図 2D)が、半分の高さまで設けると、共振周波数が 1.5525GHz で、 VSWRが 1.61となり（図 2C)、さらに高さ全体に設けた場合には、共振周波数が 1.295GHzで VSWRが 1.2であった（図 2B)。すなわち、装荷電極 5を全然設けない場合に比べて、装荷電極のアンテナは約 30%の範囲で共振周波数を低くすることができた。

[0029] 前述の例は、放射電極 2を誘電体基体 1の表面の幅より狭く形成し、幅方向に突起部 2cを形成して給電電極 3と結合しやすくしたが、放射電極 2の形状や給電電極 3との結合部は、図 3— 6に示されるように、種々の構造で形成することができる。なお、図 2— 6では、放射電極などの導電体膜の厚さを省略して示してある。

[0030] 図 3に示される例は、放射電極 2を幅方向のほぼ全面に形成し、そのサイド側面に放射電極 2の突起部 2cを形成して、そのサイド側面で給電電極 3と対向させた例である。このような構造にすることにより、放射電極 2が誘電体基体 1の幅方向ほぼ全面に設けられているため、放射電極 2の幅が広くなることにより、帯域幅を広くすることができ、小型化した誘電体基体 1を有効に利用して、アンテナ特性を向上させることができる。なお、図 3に示される例では、給電部 3bが、対向側面力も裏面にかけての幅方向のほぼ中心部に位置するように設けられている。このように、アンテナが搭載される回路基板の配線に応じて、給電部 3bを任意の位置に形成することができる。

[0031] 図 4に示される例は、放射電極 2に突起部は形成されないで、給電電極 3の一端部 3aが誘電体基体 1の裏面に設けられ、誘電基体 1の厚さを介して放射電極 2の一端部 2aと容量結合する構造になっている。なお、放射電極 2の幅がせまくなつているが、給電電極 3との結合方法とは直接には関係なぐ放射電極 2の一例としてこのような構造にすることもできるという例である。

[0032] 図 5に示される例は、放射電極 2の一端部の幅方向中心部に突起部 2cが形成され、その突起部 2cが対向側面まで延ばされ、対向側面で給電電極 3と対向して容量結合するように形成されている。この場合、装荷電極は、分割されて第 1および第 2の装荷電極 51、 52として形成されている。また、給電部 3bは誘電体基体 1の裏面に形成されている。

[0033] 図 6に示される例は、放射電極 2が第 1の放射電極 21と第 2の放射電極 22とにより構成された例で、給電電極 3との結合は、図 5に示される例と同様に、対向側面まで延出された放射電極の突起部 21c、 22cにより給電電極 3と容量結合する構造である。このような複数の放射電極が形成されることにより、両者の電気長を若干異ならせることで、両方の共振周波数で動作させることができ、帯域幅を広くすることができる。なお、装荷電極 51、 52および給電部（図示せず）は図 5に示される例と同じであるが、この例では、装荷電極 51、 52が対向側面だけではなぐサイド側面にも設けられている。このようにサイド側面にも設けることにより、容量をさらに大きくすることができ、前述の各例においても同様に形成することができる。なお、図 3— 6において、放射電極形状および給電電極との結合部以外の他の部分は図 1に示される例と同じである。

産業上の利用可能性

[0034] 本発明のアンテナは、携帯電話機や携帯端末機などの小型の無線機器のアンテナなどに用いることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 板状または直方体形状の誘電体基体と、該誘電体基体の一面の一部または全面に設けられるグランド電極と、該誘電体基体の内部または前記一面と対向する表面に設けられ、一端部が開放され他端部が前記グランド電極と接続される放射電極と、該放射電極の開放端部側に一端部を対向させて容量結合させ、他端部が給電端子とされる給電電極と、前記放射電極の開放端部と一端部が対向し他端部が前記ダランド電極と接続される装荷電極とを有する誘電体アンテナ。

[2] 前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する第 1の側面にかけて設けられ、前記装荷電極の前記一端部が前記表面に隣接し、前記第 1の側面と対向する側面である第 2の側面に設けられてなる請求項 1記載の誘電体アンテナ。

[3] 前記放射電極が、前記誘電体基体の前記表面から該表面に隣接する第 1の側面にかけて設けられ、前記給電電極の前記一端部が前記表面と隣接する側面または該表面と対向する前記一面に設けられてなる請求項 1または 2記載の誘電体アンテナ。

[4] 前記放射電極が複数本に分離して設けられてなる請求項 1、 2または 3記載の誘電体アンテナ。

[5] 前記放射電極の開放端側に、前記給電電極との対向部を形成する突起部が形成されてなる請求項 1な!、し 4のヽずれか 1項記載の誘電体アンテナ。

[6] 前記放射電極が前記誘電体基体の表面の幅より狭く形成され、前記放射電極の突起部が該誘電体基体表面で該誘電体基体の幅方向に形成されてなる請求項 5記載の誘電体アンテナ。

[7] 前記放射電極が前記誘電体基体の表面の幅方向全体に形成され、前記放射電極の突起部が前記誘電体基体の前記第 1の側面と第 2の側面との間の第 3の側面に形成されてなる請求項 5記載の誘電体アンテナ。

[8] 前記放射電極の突起部が、前記第 2の側面に延出して形成され、該第 2の側面で結合するように前記給電電極が前記突起部と対向して設けられてなる請求項 5記載の誘電体アンテナ。

[9] 前記放射電極の突起部が、前記誘電体基体の幅方向のほぼ中心部に形成され、前記給電電極が該第 2の側面から前記誘電体基体の裏面にかけて形成されてなる請求項 8記載の誘電体アンテナ。

[10] 前記給電電極の一端部が前記誘電体基体の裏面に設けられ、該誘電基体の厚さを介して前記放射電極の一端部と容量結合するように前記給電電極が設けられてなる請求項 3記載の誘電体アンテナ。

[11] 前記装荷電極が、前記第 2の側面から、該第 2の側面と前記第 1の側面とで挟まれる第 3の側面にかけて形成されてなる請求項 1記載の誘電体アンテナ。

[12] 前記装荷電極が、 2以上に分割して形成されてなる請求項 1記載の誘電体アンテナ。

[13] 前記給電電極および装荷電極の少なくとも一方は、前記誘電体基体の前記放射電極が設けられる表面上で該放射電極と対向するように形成されてなる請求項 1記載の誘電体アンテナ。

[14] 前記誘電体基体が、少なくとも 1層に前記放射電極の一部とする導電体膜が設けられた誘電体シートを積層して焼結することにより形成されてなる請求項 1記載の誘電体アンテナ。

[15] 前記導電体膜が前記誘電体基体の内部に隠れるように表面に導電体膜を有しない誘電体シートが重ねられて焼結されてなる請求項 14記載の誘電体アンテナ。