(57)【要約】【課題】誘電性基板の一方の面に接地導体板を、他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナであって、従来の同種の平面アンテナと比べると、設計の自由度が高く、送受信可能な電波周波数の広帯域化が可能である平面アンテナを提供する。【解決手段】誘電性基板１の一方の面に接地導体板２を、反対側にある他方の面に放射導体板３を設けた平面アンテナにおいて、誘電性基板１が複数の誘電体１１、１２、１３を配列して構成されており、該複数の誘電体群は誘電率が異なる少なくとも２種類の誘電体１１と（１２、１３）からなっている平面アンテナ。例えば中央部誘電体１１の誘電率εαと両外側の誘電体１２、１３の誘電率εβとはεα＞εβ且つεα＜２×εβの関係にある。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナにおいて、該誘電性基板が複数の誘電体を配列して構成されており、該複数の誘電体群は誘電率が異なる少なくとも２種類の誘電体からなっていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
前記誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該誘電性基板の中央部を形成している誘電体の誘電率が、該誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の誘電率より高い請求項１記載の平面アンテナ。
【請求項３】
前記誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該誘電性基板の中央部を形成している誘電体の誘電率がεα、該誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の誘電率がεβであり、εα＞εβの関係にある請求項２記載の平面アンテナ。
【請求項４】
前記誘電率εα及びεβは、εα＞εβ且つεα＜２×εβの関係にある請求項３記載の平面アンテナ。
【請求項５】
前記誘電性基板を構成している複数の誘電体が縞状に配列されており、該複数の誘電体のうち中央部の誘電体の誘電率がεα、該誘電率εαの誘電体の両外側に位置する誘電体の誘電率がεβであり、εα＞εβの関係にある請求項１記載の平面アンテナ。
【請求項６】
前記誘電率εα及びεβは、εα＞εβ且つεα＜２×εβの関係にある請求項５記載の平面アンテナ。
【請求項７】
前記誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、少なくとも一つは誘電性樹脂から形成されている請求項１から６のいずれかに記載の平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体通信用の送受信用小型アンテナ等として利用できる平面アンテナ、特に、誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナは、ＧＰＳナビゲーションシステムや無線ＬＡＮ等においてパッチ状アンテナ或いは平面状アンテナとして今日広く採用されており、今後とも広く用いられると考えられる。
【０００３】
かかる平面アンテナにおける誘電性基板は、要求されるアンテナ特性に応じて基板材料、基板厚み等が適宜選択されて形成されるのであるが、従来、一般的には、誘電性基板として、セラミックスの単純焼結体、プレプリグ等を適宜積層してなる積層板が採用されてきた。また、一方では平面アンテナ用基板材料についてさらなる研究が進められ、例えば特許第２８７３５４１号公報は、高周波帯域電波にも対応できる基板材料として有用な高誘電率及び低誘電正接を有する樹脂組成物を開示している。
【０００４】
【特許文献１】特許第２８７３５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、いずれにしてもこれまでの平面アンテナにおける誘電性基板は、積層構造のものであれ、単層構造のものであれ、アンテナ特性を決定する誘電率等が各部一定であり、従って、アンテナ設計者は、その一定の誘電率等を前提としてアンテナ設計を行わなければならず、その結果、アンテナ設計の自由度が小さくなり、また、アンテナ特性、特に、送受信可能の電波周波数帯域が、その一定の誘電率に支配される狭い範囲のものに限定されていた。
【０００６】
かかる誘電性基板は、近年の移動体通信の発展に伴って要求される高度化、複雑化したアンテナ形状やアンテナ特性に対応できない。特に、送受信可能な電波周波数の広帯域化の要求に応じ難い。
【０００７】
そこで本発明は、誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナであって、従来の同種の平面アンテナと比べると、設計の自由度が高く、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である平面アンテナを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は前記課題を解決すべく鋭意研究を重ね、次のことに着目するに至った。
誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナにおいては、少なくとも誘電性基板について、その構造や各部の誘電率につきアンテナ設計者の自由な設計に委ねることができれば、それだけアンテナ設計の自由度を高くすることができる。また、送受信可能の電波周波数帯域に影響する誘電率について、誘電性基板の各部の誘電率につきアンテナ設計者の自由な設計に委ねることができれば、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能になる。
【０００９】
本発明者は、さらに研究を重ね、このことの実現には、誘電性基板として、誘電率の点で異なる少なくとも２種類の誘電体を含む複数の誘電体を配列して構成されるものを採用すればよいことを見いだした。
【００１０】
かかる着目、知見に基づき本発明は、誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナにおいて、該誘電性基板が複数の誘電体を配列して構成されており、該複数の誘電体群は誘電率が異なる少なくとも２種類の誘電体からなっている平面アンテナを提供する。
【００１１】
本発明に係るこの平面アンテナによると、誘電性基板は、誘電率の点で異なる少なくとも２種類の誘電体を含む複数の誘電体を配列して構成されるものであるため、それだけアンテナ設計の自由度が高く、また、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である。
【００１２】
誘電性基板を構成する複数の誘電体の配列は、基板を構成するうえで代表的には平面的な配列となるが、かかる平面的配列状態としては、複数の誘電体の縞（ストライプ）状配列、複数の誘電体の同心リング状配列など、求められるアンテナ特性に応じて適宜選択採用できる。
【００１３】
いずれにしても、誘電性基板を構成する複数の誘電体のそれぞれについては、積層構造のものでもよいし、単層構造のものでもよい。従って、誘電性基板としては、それぞれが積層構造を示す複数の誘電体を配列してなるもの、それぞれが単層構造を示す複数の誘電体を配列してなるもの、少なくとも一つの誘電体は積層構造のものであり、他の誘電体は単層構造のものである複数の誘電体を配列してなるものを例示できる。
【００１４】
誘電率の点について言えば、送受信可能な電波周波数の広帯域化のうえで、誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該誘電性基板の中央部を形成している誘電体の誘電率が、該誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の誘電率より高い場合を例示できる。なお、この場合、外側領域に位置する誘電体の誘電率は各部一定でもよいし、各部で異なっていてもよい。
【００１５】
外側領域に位置する誘電体の誘電率が各部一定である例として、誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該誘電性基板の中央部を形成している誘電体の誘電率がεα、該誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の誘電率がεβであり、εα＞εβの関係を満たす場合を挙げることができる。この場合、広帯域化をより達成する条件として、該誘電率εα及びεβは、εα＞εβ且つεα＜２×εβの関係にあることが好ましい。
【００１６】
誘電性基板を構成している複数の誘電体のうち、該誘電性基板の中央部を形成している誘電体の誘電率が、該誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の誘電率より高い場合のより具体的な例として、誘電性基板を構成している複数の誘電体が縞状（ストライプ状）に配列されており、該複数の誘電体のうち中央部の誘電体の誘電率がεα、該誘電率εαの誘電体の両外側に位置する誘電体の誘電率がεβであり、εα＞εβの関係にある場合を挙げることができる。
この場合も、該誘電率εα及びεβは、εα＞εβ且つεα＜２×εβの関係を満たすものでもよい。
【００１７】
誘電性基板の他方の面に設ける前記の放射導体板は、アンテナ設計条件を満たす限りは該基板面のうちいずれに設けてもよいが、代表例として、該基板面の中央部に設ける場合を挙げることができる。
【００１８】
さらに言えば、誘電性基板を構成する複数の誘電体を前記のように縞状に配列する場合であれ、或いは、同心リング状配列等の他の配列状態で配列する場合であれ、誘電性基板の中央部を形成する誘電体の誘電率が、該誘電性基板中央部を形成している誘電体の外側領域に位置する誘電体の誘電率より高い場合において、前記放射導体板を基板面の中央部に設ける場合を例示できる。
【００１９】
前記誘電性基板を構成している複数の誘電体のそれぞれの材質については、所望の誘電率等が得られるのであれば特に制限はなく、例えば、複数の誘電体のうち少なくとも一つを誘電性樹脂から形成する場合を挙げることができる。
【００２０】
例えば、複数の誘電体が縞状に配列されてなる誘電性基板では、各誘電体材料として誘電性樹脂を採用すれば、これらを押し出し成形による２色成形法と同様の手法で押し出し成形して容易に該誘電性基板を得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によると、誘電性基板の一方の面に接地導体板を、反対側にある他方の面に放射導体板を設けた平面アンテナであって、従来の同種の平面アンテナと比べると、設計の自由度が高く、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である平面アンテナを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る平面アンテナの１例を示している。この平面アンテナは、誘電性基板１の下面に接地導体板２を設けるとともに、上面に放射導体板３を設けたものである。このアンテナの基板１は直方体形状を呈しており、平面から見ると四角形を呈するＸＹ平面のＸ軸方向の長さはａ、Ｙ軸方向の長さはｂである。Ｘ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸方向の長さ（厚み）はｃである。
【００２３】
接地導体板２は基板１の下面に全面的に設けられており、放射導体板３は基板１の上面の中央部に設けられている。放射導体板３は平面から見ると四角形を呈しており、該四角形を呈するＸＹ平面のＸ軸方向の長さはａ’、Ｙ軸方向の長さはｂ’である。なお、図１におてい放射導体板における点Ｐは給電点である。
【００２４】
誘電性基板１は、本例では縞状に配列され、一体化されている中央部の誘電体１１とその両外側の誘電体１２、１３からなっている。この誘電性基板１は例えば、誘電体１１、１２、１３のそれぞれの材料として誘電性樹脂を採用し、これら樹脂を押し出し成形による２色成形法と同様の手法で押し出し成形して得ることができる。
【００２５】
基板中央部の誘電体１１はＹ軸方向の幅がｄであり、誘電体１２、１３のそれぞれのＹ軸方向の幅はここでは同一である。各誘電体のＸ軸方向の長さはａであり、Ｚ軸方向の長さ（厚み）はｃである。
誘電体１１の誘電率はεαであり、誘電体１２、１３の誘電率はいずれもεβであり、εα＞εβ且つεα＜２×εβの関係にある。
なお、誘電体１２、１３の誘電率は同一である必要はないが、送受信可能の電波周波数の広帯域化のためには、誘電体１１の誘電率εαを、誘電体１２、１３の誘電率のいずれよりも大きくするとよい。
【００２６】
接地導体板２や放射導体板３は、それを基板１に接着剤で貼着したり、基板１に対し各種薄膜形成技術を利用して導体板を形成する等により基板に設けることができる。
【００２７】
この平面アンテナによると、誘電性基板１は、送受信可能な電波周波数帯域に影響する誘電率の点で異なる２種類の誘電体を含む複数の誘電体１１〜１３を配列して構成されるものであるため、それだけアンテナ設計の自由度が高く、また、送受信可能の電波周波数の広帯域化が可能である。
【００２８】
次に、図１に示す平面アンテナについて、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain)法、すなわち、電磁気の基本方程式であるMaxwell 方程式を差分化（Finite Difference)し、時間領域(Time Domain) で解く方法により、平面アンテナの反射係数Ｓ１１特性、送受信可能の電波周波数帯域の幅（帯域幅）及びＥθ成分を求めたのでそのことについて説明する。
【００２９】
平面アンテナの各部寸法につき、基板１については、ａ（６４ｍｍ）×ｂ（６４ｍｍ）×ｃ（３ｍｍ）の一定とするが、中央部誘電体１１の幅ｄを図２に例示するように変化させた。より詳しくは、図４に示すように、幅ｄ〔ｍｍ〕を０、１０、２０、２２、３５、６４と変化させた。
【００３０】
放射導体板３についてはａ’（３２ｍｍ）×ｂ’（３２ｍｍ）の一定とした。誘電率については、誘電体１１の誘電率εα＝５、誘電体１２、１３の誘電率εβ＝３とした。中央部誘電体１１の幅ｄ＝０は基板１が誘電率εβ＝３の誘電体１２、１３のみで構成されていることを意味し、幅ｄ＝６４ｍｍは基板１が誘電率εα＝５の誘電体１１のみで構成されていることを意味し、いずれも比較例に相当する。
給電点Ｐは放射導体３の中央に配置した。
【００３１】
ＦＤＴＤ法による解析にあたっては、セルサイズを０．５ｍｍ、タイムステップを０．９６３ｐｓ（０．９６３／秒）とし、吸収境界条件はＬｉａｏを採用した。
【００３２】
かかる条件でアンテナ性能を解析したところ、図４に示す反射係数Ｓ１１、図５に示す帯域幅を得ることができた。
図４からは中央部誘電体１１の幅ｄを変化させると、電波周波数に対する反射係数Ｓ１１が変化することが、図５からは中央部誘電体１１の幅ｄを変化させると、帯域幅が変化することが分かる。帯域幅は、誘電体１１の幅ｄを変化させたときのそれぞれの反射係数Ｓ１１が−１０ｄＢ以下になる帯域と、基板誘電率がεα＝５に均一化されたとき（ｄ＝６４ｍｍのとき）の中心周波数（３．９６ＧＨｚ）の比率〔％〕としている。
ここで中心周波数とは、Ｓ１１が最小となる周波数とする。
【００３３】
図５に示すように、中央部誘電体１１の幅ｄが２０ｍｍ、２２ｍｍのとき、帯域幅が８．９％、１０％と大きくなり、幅ｄが０の場合や６４ｍｍの場合のように基板１の誘電率が各部一定化される場合と比べると、帯域幅が広くなっており（ｄ＝０では６％程度、ｄ＝６４ｍｍでは１．５％程度にすぎない）、送受信可能な電波周波数帯域に関するアンテナ特性が向上している、換言すれば、広帯域化が達成されている。
【００３４】
図６は、図４上のＡ点（４．１２ＧＨｚ）、Ｂ点（４．３１ＧＨｚ）での電波放射パターンを示す。両方ともにＥθ成分が主偏波となっており、最大利得はＡ点で６．５ｄＢｉ、Ｂ点では３．７ｄＢｉである。
【００３５】
なお、図１、図２に示す平面アンテナでは、基板１を構成する誘電体１１、１２、１３を縞状に配列したが、誘電体の配列はこれに限定されるものではなく、例えば図３に示すように、外側の誘電体１２’が中央部の誘電体１１’を囲むような誘電体配列の誘電性基板１’等も採用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、移動体通信用の送受信用小型アンテナ等として利用する平面アンテナを提供することに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る平面アンテナの１例の斜視図である。
【図２】図（Ａ）〜図（Ｃ）は図１に示す平面アンテナにおいて基板中央部の誘電体幅を変化させる例を示すものである。
【図３】図（Ａ）〜図（Ｃ）はそれぞれ誘電性基板における複数誘電体の配列の他の例を示す図である。
【図４】基板中央部誘電体幅を変化させたときのアンテナの反射係数Ｓ１１特性を示す図である。
【図５】基板中央部誘電体幅を変化させたときのアンテナの帯域幅変化を示す図である。
【図６】図４のＡ点、Ｂ点での電波放射パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１’  誘電性基板
１１、１１’  中央部の誘電体
１２、１３、１２’  外側の誘電体
２  接地導体板
３  放射導体板
Ｐ  給電点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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