特定小電力無線のための誘電体アンテナに関する研究  平松

孝仁

指導教員

はじめに無線通信の技術の進展によって人々の電波利用に対する需要が飛躍的に増加し，特に工場やビル内，また一般社会・家庭等において比較的狭い範囲内をサービスエリアとする無線通信の需要が高まっている．これまでの電波利用や無線通信に対する需要には，免許不要で非常に微弱な電波を利用した無線局が使用されてきたが，雑音や混信に弱く，非常に短い距離の間でしか使用できなかった．この問題を改善するために，空中線電力が 程度の特定小電力無線局が制度化され，現在もより良い無線局にしていくために、特定小電力無線設備の高度化が行われている．
以上の背景の下で、現在Ｙ社から市販されているテレコントロールエンジンスターターの改良・小形化を目的として研究を進める．昨年の研究ではエンジンスターターの送信用リモコンの改良を行った  ．そこで本研
帯車載アンテナ
究では特定小電力無線である の改良を行う．放射電力の効率を上げることにより，送信用リモコンとの電波到達距離の拡大を目指す．

   岩橋大輔

稲垣 直樹
壁や天井の設置など，車内でアンテナの突出を避けたい場合に適している．受信用アンテナは車体内部に取り付けることを前提としているため，平面アンテナを用いることが利便性の面からも適していると考えられる  ．
 アンテナの設計
パッチアンテナ素子の放射エッジ間の寸法 は，波長λ，比誘電率  とすると式  で求められる パッチアンテナ素子の寸法は通常 分の  波長である．








比誘電率    とし，   等の寸法を図  のように設定し数値解析を行った．この設計したアンテナを以後，パッチアンテナと呼ぶ．

 研究方法
本研究で改良の対象とされるＹ社の車載アンテナに使用しているアンテナの概要を表  に示す
表車載アンテナ概要

中心周波数



帯域幅
指向性
利得

無指向性
 以下

リターンロス 以下

近年の携帯用無線端末の急速な普及により，電波需要の増大や無線サービスの多様化が進んでいる．それらの要求を受けて通信機器の小形化に伴い，電波を効率良く送受信する小形アンテナの開発が望まれるようになってきた．小形アンテナの多くは，誘電体共振器アンテナに代表されるように，誘電体を含む構造になっている。
本研究では誘電体を用いたアンテナを設計し，設計したアンテナを  次元電磁界解析シュミレーションソフト
 を用いて電磁界解析を行う ．解析結果を  社の車載用アンテナ概要と比較することにより，設計したアンテナが車載用アンテナとして実用化するのに十分かどうかを考察する．

図

パッチアンテナの構造

指向性
図 ，図  にパッチアンテナの指向性を示す．指向性とはアンテナの方向に対する感度特性を表すものである．パッチアンテナは受信アンテナとして用いるので無指向性に近い指向性を持つことが理想である．

 パッチアンテナ
平面アンテナの一種であるパッチアンテナは線状アンテナに比べ面積を必要とするが，低姿勢という利点から

図  パッチアンテナの垂直面指向性表  に   の時の解析結果をまとめる．
表  解析結果 誘電率ε ε ε 図  パッチアンテナの水平面指向性

リターンロス図  にパッチアンテナのリターンロスを示す．リターンロス図を検証することでアンテナの中心周波数，帯域幅を調べる．リターンロスが  以下になることが良いアンテナとしての最低条件である．

表

解析結果にパッチアンテナの解析結果をまとめる．
表  パッチアンテナ：解析結果

中心周波数帯域幅
最大利得
最小リターンロス 


アンテナの小形化
表 の数値解析では 分の  波長に合わせて，アンテナ素子の大きさを  ，   としているが実際に車載アンテナとして実用化するには ，   以内にすることが望ましい．そこで誘電体の誘電率を変化させアンテナを小形化する．
誘電率を変化させると，波長が変化するのでアンテナ素子の寸法 を短くすることができる．幅  は十分な大域幅を得られるように  と  で解析を行った．誘電体の誘電率を ε  から  →  →  のように増加させて，各誘電率における数値を小形化を行う前のパッチアンテナの数値と比較するとともに誘電率の変化によって，アンテナの小形化がきちんと行われているか検証する．

 

帯域幅

最大利得 最 小 リターンロス 

  表  に   の時の解析結果をまとめる．
表  解析結果 誘電率ε ε ε 

図  パッチアンテナのリターンロス特性



帯域幅



最大利得 

最 小 リターンロス 






表  のアンテナ概要と表 の解析結果を比較すると帯と若干狭く，垂直上方向に指向性を持域幅が つアンテナであることがわかる．以上から  ，   の場合のパッチアンテナは数値からみると 社の基準を満たし車載用アンテナとして用いるのに十分な結果得られた．
次に表 ，表  から誘電率を増加することでアンテナ全体の小形化が行われていることが証明できる．パッチの大きさ については実際に車載アンテナとして利用できる   を満たすことができたいえる．しかし，表 の数値と小形化した時の数値を比較してみると，最大利得と最小リターンロスは小形化する前よりも数値が低下しているので今回のパッチアンテナの小形化は数値からみると成功したとはいえない．

 誘電体共振器アンテナ 誘電体共振器アンテナ  !"!#$%# &!'()*$(% +)$!)
)*', &+ は，電気絶縁体としての誘電損率が小さく，ミリメートルの周波数帯での利用に強誘電体アンテナとしてのポテンシャルを示している．また，低周波数帯での使用にも小形で低コストのアンテナとして利用できる．
 アンテナの設計
図  で示したような構造の &+ の数値解析を行う．
設計したアンテナを以後， &+ と呼ぶ．
プローブの中央にアンテナの給電点を配置し，- 平面で対称になるように直方体誘電体を配置する． +&の構造デー タは以下の通 りである．プ ローブの高さ.，プローブの半径 *，プローブ中心から誘電体側面までの距離 ，グラウンド板の一辺 '/，誘電体の誘電率ε ，誘電体の大きさ -，0， ．



解析結果
表  に &+ の解析結果をまとめる．
表  ：解析結果




 

中心周波数
帯域幅
最大利得
最小リターンロス

図

指向性
図 ，図  に の構造&+ の指向性を示す．

表  から &+ について検証する．帯域幅が となっているので前章のパッチアンテナと比べると約倍となっている．また放射効率も高くなっている．しかし，指向性利得は垂直上方向が最も強く約  で，水平方向の利得は約 で要求を満たしているが，パッチアンテナと比べると値が小さくなってしまった．

アンテナの図   の垂直面指向性による考察

小形化を行ったアンテナが理論的によりよく整合できているかどうか判断するための指標として，設計したアンテナの 1 値とその大きさの下限 1 値を比較する方法がある．
 下限  値とは
下限 1 値は， を定めたときに可能な 1 の最小値と定義する．この * はアンテナを取り囲む球体の半径を示している．下限 1 値の算出方法については 2.3 による文献から導き出すことができる  ．2.3 は球面座標系で展開される電磁界表現を使用し，アンテナを取り囲む半径 * の球体の中で蓄積されてたエネルギーを回路的に導出することにより下限 1 値を算出した．理論的な下限 1 値を式  4 として示す．
図

 の水平面指向性

リターンロス図  に &+ のリターンロスを示す．





設計したアンテナの計算結果

アンテナ名
パッチアンテナ&+ のリターンロス特性 

上の式から導き出すことができる下限 1 値と設計したアンテナの 1 値とを比較することによって設計したアンテナが本研究の目的である特定小電力無線用車載アンテナの小形化を効率良く行われているか判断することができる．
 設計したアンテナの評価設計したアンテナが効率良く小形化されているか評価
する．評価するアンテナとして受信用車載アンテナであるパッチアンテナと &+ を取り上げる．以下に取り上げたアンテナの 1 値の計算結果を表  に示す．
表図

 5  ¾
 ¿  5  ¾ 

6*



下限 1 値




1値



下限 1 値と設計したアンテナの 1 値を比較してみると誤差は多少出たが近い数値を得ることができた．よって今回設計したアンテナは効率良く小形化を行うことができたと考えられる．

リモコン送信用アンテナとの組み合わせにおける総合特性の解析・評価
リモコン送信用アンテナと受信用車載アンテナを組み合わせて送受信における総合特性を解析・評価する．
送信アンテナは共同研究で設計する三重折り返し板状
逆  アンテナ %7"0 ("! 8"*)*% 9):!%$! +)
$!))*,89+ を用い，受信アンテナは本研究で設計したパッチアンテナと &+ を用いて電磁界解析し，算出した値と， 社の基準アンテナをフリスの伝達公式から求めた理論値で評価する  ．また， 社の基準アンテナと我々が設計するアンテナを比較し電波到達距離の拡大を検証する．基準とする送信アンテナの利得は ，受信アンテナの利得は である．
 フリスの伝達公式
アンテナが置かれた地点の電界強度からアンテナの受信電力を算出することができる．このときフリスの伝達公式を利用して送受信における総合特性を解析・評価する  ．送信アンテナから放射された電波が同じ偏波のアンテナで受信されるときの電波は，式  によって求めることができる．また式  はアンテナにおける電界強度を求める公式である．ここで，各パラメーターは  ;送信電力，  ;受信電力， ;利得 送信， ;利得 受信，¾    ;自由空間損失，%;送受信距離，;電界強度，;波長である．
  Ｌ 

¾   ¾









 総合特性の解析・評価
解析結果を表 ，表  に示す．

 距離    角度     表パッチアンテナと基準アンテナの受信電力



 

基準アンテナ

 


 
 

  と基準アンテナの受信電力

距離    角度
     表 基準アンテナ      

本研究で設計するパッチアンテナ・ &+ と 89+における受信電力の実効値は  社が基準として定めているアンテナの受信電力の理論値を上回る結果を得られた．89+ とパッチアンテナにおける受信電力は 社の基準アンテナより，最大利得である   Æ の時は約 ，水平面である   Æ の時は約  増加し良い結果を得られた．これは送受信距離に換算すると約 倍，約  倍になり電波到達距離の拡大に成功したと考えられる．次に，89+ と &+ における受信電力は  社の基準アンテナより，最大利得である   Æのとき，約 ，水平面である   Æ の時は約 増加し良い結果を得られた．これは，送受信距離に換算すると約  倍，約  倍になり， &+ においても電波到達距離の拡大に成功したと考えられる．

おわりに
本研究では，小形化するために誘電体アンテナに着目した 誘電体アンテナは，誘電体が共振することによって波長が 倍になることを利用している．


車載受信用アンテナとしてアンテナ高を低姿勢にできる平面アンテナを採用し，パッチアンテナを設計して電磁界解析を行った結果，帯域が若干狭いが電力放射が行われ十分な値をとることができた．しかし，アンテナ全体が大きくなり過ぎてしまい実用化には向かなかった．
次に，小形で放射効率の良い &+ を設計した結果パッチアンテナに比べ 倍の帯域をとることができた．
しかし最大利得が  と低いので改良の必要がある．
今後の課題として，本研究で作成した二つのアンテナは総合特性の評価から， 社が定める基準値を上回り結果として電波到達距離を大幅に拡大することに成功した．しかし数値の面では十分満足できる結果を得ることができたが，実用化の面から考えるとまだアンテナのサイズが大きいのでさらなる小形化が必要である．また実際には道路や障害物等の影響があるので反射波を考慮して解析することでより実用化に向けて精度を高い解析をすることができる．

参考文献
 登坂展与，吉田朋子; 特定小電力無線に関する研究，
南山大学  年度卒業論文  ．
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