携帯端末用アンテナおよびそれを用いた携帯端末
誘電体を共振させることにより電波を放出する誘電体共振器アンテナにおいて、誘電体に磁性体を含有させて、比透磁率を１より大きくすると共に、比誘電率を低下させることにより、波長短縮率を維持した状態で共振のＱ値を低下させ、これによって、広帯域の誘電体共振器アンテナを実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、携帯端末用アンテナ及び当該アンテナを含む携帯端末に関する。
【背景技術】
この種、携帯端末として、携帯電話、ＰＤＡ等、種々のデバイスが提案され、広く普及している。通常、携帯端末には、データベース等とデータ、或いは、音声の通信を無線により行うために、送信装置及び受信装置によって構成される無線機が搭載されている。この無線通信を行うために、これら携帯端末には、アンテナが必須的に設けられている。
この場合、携帯端末がどのような状態に配置されていても受信できるように、即ち、携帯端末の機動性を確保するために、携帯端末のアンテナは、無指向性のアンテナであることが普通である。したがって、これらのアンテナは、前述のように、機動性などの携帯端末としての利点を損なわないように設計されている。
従来、携帯端末用無指向性アンテナとして、１／４波長接地アンテナが用いられている。また、特許第２５５４７６２号公報（特許文献１）に記載されているように、１／４波長接地アンテナとヘリカルアンテナを組み合わせた構成を備え、通信中と待受け中の双方で良好な受信感度を示すように工夫されたアンテナも提案されている。携帯端末におけるアンテナは、通常、送信及び受信の双方において共用されている。
更に、携帯端末を小型化するためにアンテナとして、誘電率の大きい誘電体を用い、波長を１／√（εμ）に短縮する波長短縮効果を利用した誘電体共振器アンテナが普及してきている。
このような誘電体共振器アンテナをさらに小型化するために、誘電体中の信号の共振状態における電界対称面にて誘電体を半分に分割し、分割面を導電板に接触、もしくは、絶縁体を介して接地することにより導電板における電界の鏡像効果を利用してアンテナを小型化したものもある。これら誘電体共振器アンテナも全て無指向性である。
特開平１１−３０８０３９号公報（特許文献２）、特開２０００−２０９０２０号公報（特許文献３）、及び、特開２０００−２０９０１９号公報（特許文献４）には、誘電体共振器アンテナが開示されている。
しかしながら、これら特許文献２、３、及び、４には、高い比誘電率を有する誘電体を用い、当該誘電体の取り付け、及び、形状を改善することによって特性の改善を行える誘電体共振器アンテナが提案されているだけで、誘電体共振器アンテナを構成する誘電体の材料の改善等については何等検討されていない。
一方、特開平１０−１０７５３７号公報（特許文献５）には、誘電体によって構成された基体上に、放射電極、給電電極、及び、グランド電極を形成し、放射電極と給電電極との間における容量結合を利用して、電波を放射する表面実装型アンテナが開示されている。当該公報は、基体の比誘電率、比透磁率、及び、電極パターンにバラツキがあっても、所望の特性を得ることができる表面実装型アンテナを示している。
しかしながら、この公報には、誘電体によって構成された共振器中に、電波を放射し、放射された電波が誘電体中で共振することによって、電磁波を外部に放出する誘電体共振器アンテナについては、何等、言及されていない。
ここで、このような携帯端末において、最も電力を消費するのは、送信装置の消費電力を含む送信電力である。前述したように、携帯端末におけるアンテナは、携帯端末の機動性を確保するために、電波の放射特性として、無指向性を有している。このように、無指向性のアンテナを使用した場合、携帯端末からの電波の放射方向は、基地局の存在しない方向を含むあらゆる方向へ電力を送信しているため、携帯端末における電池寿命の短縮の一因ともなっている。
上述の問題を解決する方法としては、基地局の存在する所望の方位にのみ電力を送信する方法が考えられる。このように、携帯端末のアンテナに指向性を持たせることによって、送信電力を低電力化することが可能である。指向性アンテナを使用すれば、従来の無指向性アンテナを用いた技術では到達し得なかった電池寿命を実現することができる。
指向性送信ができるアンテナとしては、位相アレーアンテナ、適応アレーアンテナなどがある。しかしながら、このようなアンテナを用いるためには、空気中の波長に対してアンテナを設計するため、アンテナ自身を小型化しなければ携帯端末等に搭載できないと言う問題が生じる。
アンテナ自身の小型化のために、前述した特許文献２〜４に示されているように、誘電体共振器アンテナを用いる方法があり、アンテナの小型化のために誘電率のより高い誘電体を用いる必要がある。共振周波数におけるインピーダンス変化が大きくなり（共振のＱが大きくなり）、アンテナが狭帯域化する問題が生じてしまっていた。
また、導電体板上にアンテナを設置しアンテナを小型化する際には、電極と導電体板間に共振器を構成する高誘電率層が存在するため、寄生容量が大きくなりアンテナが狭帯域化する問題を生じてしまっていた。
このようにアンテナが狭帯域化した場合に、アンテナに電力を供給する整合回路において整合をとることで帯域を広くすることが可能であるが、アンテナ自身の帯域が狭いため、整合回路内での電力損失が大きくなり、携帯端末の電池寿命が低下する問題を生じてしまっていた。即ち、従来の誘電体共振器アンテナでは、アンテナ自身の帯域が狭く、この結果、整合回路における損失が大きいと言う欠点があった。
更に、上述のように効率の良い小型アンテナが実現しにくいため、アレーアンテナなどの構成をとりにくく、携帯端末の指向性を制御して送信電力を低減することも難しい問題がある。
【発明の開示】
本発明の目的は、上記した問題に鑑み、小型化できる携帯端末用アンテナを低コストで提供することである。
本発明の他の目的は、送信電力を低減し、電池寿命を向上させることができる携帯端末を提供することである。
本発明の具体的な目的は、整合回路における損失を低減することにより消費電力を削減できる携帯端末用アンテナとして使用できる誘電体共振器アンテナを提供することである。
本発明の他の目的は、携帯端末に搭載された場合に効率の低下を防止できる誘電体共振器アンテナを提供することである。
本発明の更に他の目的は、指向性を持たせることにより低消費電力を実現できる誘電体共振器アンテナを提供することである。
本発明の他の目的は、広帯域を有する誘電体共振器アンテナの設計方法を提供することである。
本発明によれば、広帯域化することにより、整合回路における損失を低減できるアンテナが得られる。このため、本発明の共振器アンテナは、絶縁体材料の外部もしくは内部に電極を有し、該電極から該絶縁体材料内に供給した信号を共振させることで電波を外部に放出する共振器アンテナにおいて、該絶縁体材料の比透磁率μｒａがμｒａ＞１であることを特徴としている。ここで、比誘電率μｒａ＞１とは、小数点１桁目を四捨五入した場合に、比誘電率μｒａが１より大きいことをあらわしている。
一方、アンテナの共振モードとして、共振ピークの低周波側の第１のモードと高周波側の第２のモードを見る場合、μｒａが大きい場合は、第２のモードが強くなり、εｒａが大きい場合は第１のモードが強くなる。このため、μｒａとεｒａは同等程度が好ましく、各モードを重ね合わせることで帯域が広く取れるようにμｒａとεｒａの値を調整することがより好ましい。
本発明でいうμｒａとεｒａが同等程度とは、図９に示すように、周波数対アンテナ入力インピーダンス特性において、共振ピークの低周波側の第１のモードと高周波側の第２のモードの共振ピークの半値周波数の一部を共有することを表す。
更に、本発明の共振器アンテナは、反射板として動作する導電板に、接触もしくは比誘電率εｒａ＞１なる絶縁体を介して実装されていることを特徴としている。
また、本発明の反射板付きアンテナは反射板のアンテナ実装面とは反対の面に、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとした場合、μｒｒ≧εｒｒなる磁性誘電体層を有することを特徴とする。
本発明の携帯端末は上述のアンテナを具備してなることを特徴とし、特に、上記アンテナを複数搭載することが好ましい。
以下、本発明の作用について述べる。
本発明の共振器アンテナによれば、アンテナ素子を構成する誘電体（絶縁体）の比透磁率μｒａがμｒａ＞１であるため、共振器内の電磁波の波長短縮率√（εｒａ・μｒａ）（注：共振器内波長λｒ＝３×１０８［ｍ／ｓ］／ｆ［Ｈｚ］／√（εｒ・μｒ）、空間波長λ０＝３×１０８［ｍ／ｓ］／ｆ［Ｈｚ］であるので、波長短縮率＝λ０／λｒにそれぞれの波長を代入すると、波長短縮率は比透磁率と比誘電率の積の平方根として求められる。）を増加することができ、μｒａ＝１なる一般的な誘電体を用いた場合に比べ、比誘電率を小さくすることができる。これによって、共振時のインビーダンス変化を小さくすることができ、以って、アンテナの広帯域化を実現できる。
比誘電率及び比透磁率の範囲は、通信周波数、通信帯域、許容部品体積等によって適宜選択されるが、アンテナ素子の短辺が小さくなりすぎるとアンテナ利得が低下するため、それぞれ２００以下が好ましく、１００以下がより好ましい。また、波長短縮率としては、図１０を参照すると、携帯端末の周波数範囲が８００ＭＨｚから５．２ＧＨｚであるから、共振器短辺が１ｍｍのときで２００以下、２ｍｍで１００以下であり、利得の低下を防ぐため５ｍｍ程度以上としたときは、５０から３程度となる。
また、本発明の共振器アンテナによれば、該アンテナを構成する誘電体が、導電板に、直接接触して、もしくは、εｒｄ＞１なる絶縁体を介して実装される。この場合、電界対称面にて電界の鏡像効果を利用できるためアンテナを小型化でき、さらにアンテナ自身の誘電率は、透磁率の効果によって小さくできるため、共振時におけるインピーダンス変化を小さくでき、これによって、広帯域化を実現できる。
更に、本発明のアンテナによれば反射板のアンテナ実装面とは反対の面に、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとしてあらわした場合、μｒｒ≧εｒｒの関係を有する磁性誘電体層が用いられている。このため、磁界に対しての鏡像効果が生じ、反射特性を向上でき、アンテナ利得を向上することができるため、少ない電力で基地局に電波を到達させることができ、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
本発明のアンテナを携帯端末に用いれば、アンテナ素子自身が広帯域であるため、整合回路での損失を低減することができ、以って、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
また、本発明のアンテナを複数個、携帯端末に用いれば、アンテナが小型でありながら高効率であるため、効率よくアレーアンテナを形成でき、携帯端末から送出される電波の方向を操向することができるので、基地局とは反対の方向への電波の放射を抑制でき、電力の有効利用を図れるため、携帯端末の電池寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態１に係る磁性誘電体共振器アンテナを示す概略図である。
図２は、本発明の実施形態１における磁性誘電体共振器アンテナの信号周波数に対する入力インピーダンスを示す特性図である。
図３は、本発明の実施形態１において、異なる組成成分を有する磁性誘電体を使用した場合における磁性誘電体共振器アンテナの信号周波数に対する入力インピーダンスを示す特性図である。
図４は、本発明の実施形態２に係る磁性誘電体を用いた共振器アンテナを示す概略図である。
図５は、本発明の実施形態２における共振周波数で規格化した規格化周波数に対して入力インピーダンスの実部の変化を示した特性図である。
図６は、本発明の実施形態３に係る磁性誘電体を用いた共振器アンテナを示す概略図である。
図７は、本発明の実施形態４における携帯端末を示す概略図である。
図８は、本発明の実施形態４における携帯端末の電波放射パターンを示す特性図である。
図９は、本発明のアンテナにおける周波数対アンテナ入力インピーダンス特性を示す特性図である。
図１０は、周波数（ＭＨｚ）と波長短縮率との関係を示す図であり、ここでは、本発明のアンテナを構成する共振器の短辺の長さを変化させた場合における波長短縮率を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る共振器アンテナについて、図１を用いて説明する。図１は本実施形態１の共振器アンテナを示す概略図であり、共振器を構成する誘電体（絶縁体）２０と、共振器に電力を供給する給電電極２２とを含んでいる。
図示された磁性誘電体２０を製造する場合、直径５０ｎｍのコバルト粉末と直径０．５μｍのＢＳＴ粉末（チタン酸バリウムストロンチウム）を用意し、両粉末をエポキシ樹脂中に分散した。この場合、エポキシ樹脂に対し、コバルトを５０体積％、ＢＳＴ粉末１０体積％分散し、２００℃で１時間焼成して、幅１４ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ５．９ｍｍに成形することによって、図示された誘電体２０が得られた。空洞共振器法によりこの誘電体材料の誘電率、透磁率を測定した結果、εｒａ＝１１、μｒａ＝９であり、これによって、約１０程度の波長短縮率が得られる。
次に、銀ペーストを用いて、幅０．５ｍｍの給電電極２２を直方体の長辺側面にフォトリソグラフィ法により形成し、図１に示した磁性誘電体アンテナを形成した。
ネットワークアナライザを用いて給電電極２２に信号を供給した際のインピーダンスの周波数特性を図２に示す。図２は入力インピーダンスの実数部を周波数に対してプロットしたものであり、比較としてＢＳＴ（εｒａ＝１００、μｒａ＝１）を用いて構成した同寸法のアンテナのインピーダンスを示す。
磁性体を含有することで低周波側の共振モードと高周波側の共振モードとがほぼ同等の周波数で励振され、アンテナの帯域を広げることができた。
本発明の効果をより詳細に把握するため、コバルト粉末を３０体積％、ＢＳＴ粉末を２０体積％の割合でエポキシ樹脂中に分散することによって、εｒａ＝２０、μｒａ＝５の磁性誘電体２０を得た。この磁性誘電体２０に幅０．５ｍｍの給電電極２２を、前述した誘電体２０と同様に、銀ペーストを用いて形成し共振器アンテナとした。
図３にこの共振器アンテナの周波数対入力インピーダンスの実部の特性を示す。低周波側の共振モードと高周波側の共振モードが周波数的に分離した状態で存在することがわかる。すなわち、μｒａを制御することで共振周波数を制御することができることがわかる。
本発明の磁性誘電体を用いた共振器アンテナによれば、誘電体と磁性体を混合してなる磁性誘電体で共振器が構成されており、εｒａとμｒａを制御することで共振周波数を制御することができ、さらにεｒａとμｒａを同等程度とすることで共振モードを重ね合わせることができるため、アンテナの帯域を広く取ることができる。
更に、本発明の共振器アンテナによれば、磁性体を誘電体に導入することによって、√（εｒａ・μｒａ）で示される波長短縮率を維持した状態で、誘電率を低下することができ、共振のＱ値を低下することができるため帯域を広げることができる。
更に、本発明の共振器アンテナを携帯端末に搭載すれば、アンテナ自身の帯域を広くできるため、整合回路における損失が低減でき、電池寿命を向上することができる。
（実施形態２）
本発明の実施形態２における磁性誘電体を用いた共振器アンテナについて図４を用いて説明する。
図４に示された本実施形態２に係る共振器アンテナは、信号を共振させ電波として空間に放出する磁性誘電体２０によって構成される共振器と、該共振器に信号を供給する給電電極２２と、該共振器本体を実益するプリント配線基板２４と、該プリント配線基板２４のアンテナとは反対側の面に位置し、アンテナからの電界を終端し電界の鏡像をつくる金属板２６とからなる。この実施形態では、金属板２６として、銅板を使用した。
実施形態１と同様な方法により、幅１４ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ５．９ｍｍ、εｒａ＝１１、μｒａ＝９の磁性誘電体２０の共振器を作成し、銀ペーストを用いて、幅０．５ｍｍの給電電極２２を作成した。このアンテナ素子を幅５ｃｍ、長さ５．３ｃｍ、厚さ０．１ｍｍで、アンテナを実装する面とは反対の面に厚さ３０μｍの銀箔膜を形成してなるプリント配線基板２４の中央に実装した。
上述のようにして形成した金属反射板２６を有する基板上に実装したアンテナの周波数に対する入力インビーダンスの変化を図５に示す。図５は共振周波数で規格化した規格化周波数に対して入力インピーダンスの実部の変化を示したものであり、実施形態１に関連して説明したＢＳＴで構成した共振器アンテナ（εｒａ＝１００、μｒａ＝１）を同じ基板上に実装したものを比較として示す。
図５からも明らかな通り、本実施形態のアンテナを用いると、磁性誘電体を用いることでεｒａを小さくでき、共振のＱ値を小さくすることができるため、アンテナ帯域を広くすることができることがわかる。
本実施形態の金属反射板２６を有する基板上に実装した共振器アンテナによれば、反射板上に実装しても共振のＱ値を小さくできるため、広帯域化ができるため、携帯端末に搭載した際に、広帯域化を行う整合回路における損失が低減し、これによって、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
（実施形態３）
本発明の実施形態３における磁性誘電体を用いた共振器アンテナについて図６を用いて説明する。図６に示された実施形態３に係る共振器アンテナは、信号を共振させ電波として空間に放出する磁性誘電体２０によって構成された共振器と、該共振器に信号を供給する給電電極２２と、該共振器本体を実装するプリント配線基板２４と、該プリント配線基板２４のアンテナとは反対側の面に位置し、アンテナを実装する面とは反対の面に形成された磁性体層２８とからなる。
実施形態２と同様に、幅１４ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ５．９ｍｍ、εｒａ＝１１、μｒａ＝９の磁性誘電体２０によって共振器を形成した。当該磁性誘電体２０をアンテナ素子として、幅５ｃｍ、長さ５．３ｃｍ、厚さ０．１ｍｍのプリント配線基板２４に搭載した。この場合、プリント配線基板２４のアンテナ実装面とは反対の面には、厚さ３０μｍの銅箔膜が形成されていた。前述した磁性誘電体２０は、プリント配線基板２４の中央に実装することにより、反射板付き共振器アンテナを構成した。更に、図示された共振器アンテナのアンテナ実装面とは反対の面には、比誘電率４、比透磁率１０の磁性板２８が厚さ５ｍｍとなるように形成された。この場合、磁性板２８は、溶液キャスト法を用いて、直径５０ｎｍのコバルト粉末をエポキシ樹脂に５０体積％の割合で分散した後、２００℃で３０分乾燥することによって形成された。
上記磁性板２８の形成条件と同様の条件で厚さ５ｍｍの薄膜を形成し、インピーダンスマテリアルアナライザを用いて比誘電率及び比透磁率を測定した結果、当該磁性板２８は、比誘電率４、比透磁率１０を有していた。
上記によって作成したアンテナの携帯端末に搭載した際の入力インピーダンスの変化を評価した。携帯端末における評価は人体頭部の影響の有無によるインピーダンスの変化として評価した。評価結果を表１に示す。
表１は上記アンテナを携帯端末に搭載した際の人体頭部の有無によるインピーダンスの変化を表しており、比較として、従来から携帯端末で用いられているモノポールアンテナ、実施形態２に示す反射板付き共振器アンテナのインピーダンス変化も合わせて示す。測定周波数は２ＧＨｚとした。磁性板２８を金属反射板２６の裏面に有することで、人体頭部の存在によってはインピーダンスが変化しにくいことがわかる。
実施形態３に係る共振器アンテナは、入力インピーダンスが人体頭部の影響を受けにくい。このため、整合回路との間の不整合によって、入力信号が給電電極２２で反射されるのを少なくすることができ、この結果、整合回路における損失を低減することができた。
（実施形態４）
本発明の実施形態４における携帯端末について図７を用いて説明する。図７に示された本実施形態４に係る携帯端末用アンテナは、携帯端末の信号送信アンテナとして使用され、この例では、実施形態２で示された反射板付きアンテナが２つ搭載されている。アンテナを実装した矩形形状の基板は、幅５ｃｍ、長さ１０ｃｍのプリント配線基板２４と、当該プリント配線基板２４のアンテナ実装面と反対側の面に設けられた金属板２６とによって構成されている。誘電体２０及び給電電極２２によって形成された２つのアンテナ素子は、両短辺から２５ｃｍの距離にある中央線に沿って、長辺方向に５ｃｍの間隔を置いて配置されている。
上記２つのアンテナ素子に位相が同相となる信号を供給し、フェーズドアレー動作させた際における放射パターンを図８に示す。図８に示されているように、実施形態４に係るアンテナは、指向性を有しており、アンテナ単体の場合に比べ、利得が向上し、電波の放射方向を基地局方向に操向できる。このため、図７に示されたアンテナは、空間に無駄な電力を送出せず、この結果、携帯端末における消費電力を低減でき電池寿命を向上することができた。
本実施形態における電池寿命の向上効果を表２に示す。
表２からも明らかなように、本発明の実施形態４に係る携帯端末は、従来の携帯端末に比較して、電池寿命を大幅に改善されていることが判る。このことは、本発明のように、磁性誘電体を用いた共振器アンテナを用いることで、反射板を用いても共振のＱ値が増加しないため広帯域で高効率のアンテナを小型に構成できたことを示している。
尚、上に述べた実施形態では、磁性誘電体２０を形成する磁性体材料としてコバルトを用いた例についてのみ説明したが、誘電体材料に含有される磁性体材料は、コバルト、マンガン、鉄のいずれかの単体、コバルト、マンガン、鉄のいずれかを少なくとも含む合金、または化合物磁性体であれば良い。例えば、コバルトと鉄の合金、希土類と鉄の合金、フェライトなどが例示される。また、これらの磁性体材料を複合させまたは複数混合して用いても良い。更に、実施例では誘電体材料としてＢＳＴ粉末をエポキシ樹脂に分散した例について説明したが、誘電体材料としては、所望の誘電率を持つ誘電体材料を適宜選択して用いることができ、それを磁性体材料と混合すればよい。誘電体材料としては、例えば、液晶樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料（樹脂材料）を単独または混合して用いてもよく、シリカ（ＳｉＯ２，ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４）、ジルコニア（ＺｒＯ，ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ，ＨｆＯ２）、チタニア（ＴｉＯ，ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ９、Ｓｒ２（（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ７などの無機材料を単独、複合または混合して用いてもよい。無機誘電体材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢｉＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３などの高誘電率材料を単独、複合または混合して用いてもよい。上記２例の無機誘電体材料を混合して用いてもよく、単独のまたは複合・混合した無機誘電体材料と単独のまたは混合した有機誘電体材料とを混合して用いてもよい。誘電体材料に磁性体材料を混合し、好ましくは磁性体材料微粉末を分散させて、磁性誘電体を得る。この場合における磁性誘電体の比透磁率は、１を越え５０（好ましくは１５）程度が好ましい。
本発明の共振器アンテナによれば、アンテナ素子を構成する絶縁体の比透磁率μｒａがμｒａ＞１であるため、共振器内の電磁波の波長短縮率１／√（εｒａ・μｒａ）を増加することができ、μｒａ＝１なる一般的な誘電体を用いた場合に比べ、比誘電率を小さくすることができる。これによって共振時のインピーダンス変化を小さくすることができ、以ってアンテナの広帯域化を実現できる。
また、本発明の共振器アンテナによれば、該アンテナが導電板に接触して、もしくεｒｄ＞１なる絶縁体を介して接地されるため、電界対称面にて電界の鏡像効果を利用できるためアンテナを小型化でき、さらにアンテナ自身の誘電率は透磁率の効果によって小さくできるため、共振時のインピーダンス変化を小さくでき広帯域化を実現できる。
更に、本発明のアンテナによれば、反射板のアンテナ実装面とは反対の面に、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとした場合、μｒｒ≧εｒｒとなるような磁性誘電体層を設けることにより、磁界に対して鏡像効果が生じ、反射特性を向上でき、アンテナ利得を向上することができるため、少ない電力で基地局に電波を到達させることができ、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
本発明のアンテナを携帯端末に用いれば、アンテナ素子自身が広帯域であるため、整合回路での損失を低減することができ、以って、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
更に、本発明のアンテナを複数個、携帯端末に用いれば、アンテナが小型でありながら高効率であるため、効率よくアレーアンテナを形成でき、携帯端末から送出される電波の方向を操向することができるので、基地局とは反対の方向への電波の放射を抑制でき、電力の有効利用を図れるため、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【技術分野】
本発明は、携帯端末用アンテナ及び当該アンテナを含む携帯端末に関する。
【背景技術】
この種、携帯端末として、携帯電話、ＰＤＡ等、種々のデバイスが提案され、広く普及している。通常、携帯端末には、データベース等とデータ、或いは、音声の通信を無線により行うために、送信装置及び受信装置によって構成される無線機が搭載されている。この無線通信を行うために、これら携帯端末には、アンテナが必須的に設けられている。
この場合、携帯端末がどのような状態に配置されていても受信できるように、即ち、携帯端末の機動性を確保するために、携帯端末のアンテナは、無指向性のアンテナであることが普通である。したがって、これらのアンテナは、前述のように、機動性などの携帯端末としての利点を損なわないように設計されている。
従来、携帯端末用無指向性アンテナとして、１／４波長接地アンテナが用いられている。また、特許第２５５４７６２号公報（特許文献１）に記載されているように、１／４波長接地アンテナとヘリカルアンテナを組み合わせた構成を備え、通信中と待受け中の双方で良好な受信感度を示すように工夫されたアンテナも提案されている。携帯端末におけるアンテナは、通常、送信及び受信の双方において共用されている。
更に、携帯端末を小型化するためにアンテナとして、誘電率の大きい誘電体を用い、波長を１／√（εμ）に短縮する波長短縮効果を利用した誘電体共振器アンテナが普及してきている。
このような誘電体共振器アンテナをさらに小型化するために、誘電体中の信号の共振状態における電界対称面にて誘電体を半分に分割し、分割面を導電板に接触、もしくは、絶縁体を介して接地することにより導電板における電界の鏡像効果を利用してアンテナを小型化したものもある。これら誘電体共振器アンテナも全て無指向性である。
特開平１１−３０８０３９号公報（特許文献２）、特開２０００−２０９０２０号公報（特許文献３）、及び、特開２０００−２０９０１９号公報（特許文献４）には、誘電体共振器アンテナが開示されている。
しかしながら、これら特許文献２、３、及び、４には、高い比誘電率を有する誘電体を用い、当該誘電体の取り付け、及び、形状を改善することによって特性の改善を行える誘電体共振器アンテナが提案されているだけで、誘電体共振器アンテナを構成する誘電体の材料の改善等については何等検討されていない。
一方、特開平１０−１０７５３７号公報（特許文献５）には、誘電体によって構成された基体上に、放射電極、給電電極、及び、グランド電極を形成し、放射電極と給電電極との間における容量結合を利用して、電波を放射する表面実装型アンテナが開示されている。当該公報は、基体の比誘電率、比透磁率、及び、電極パターンにバラツキがあっても、所望の特性を得ることができる表面実装型アンテナを示している。
しかしながら、この公報には、誘電体によって構成された共振器中に、電波を放射し、放射された電波が誘電体中で共振することによって、電磁波を外部に放出する誘電体共振器アンテナについては、何等、言及されていない。
ここで、このような携帯端末において、最も電力を消費するのは、送信装置の消費電力を含む送信電力である。前述したように、携帯端末におけるアンテナは、携帯端末の機動性を確保するために、電波の放射特性として、無指向性を有している。このように、無指向性のアンテナを使用した場合、携帯端末からの電波の放射方向は、基地局の存在しない方向を含むあらゆる方向へ電力を送信しているため、携帯端末における電池寿命の短縮の一因ともなっている。
上述の問題を解決する方法としては、基地局の存在する所望の方位にのみ電力を送信する方法が考えられる。このように、携帯端末のアンテナに指向性を持たせることによって、送信電力を低電力化することが可能である。指向性アンテナを使用すれば、従来の無指向性アンテナを用いた技術では到達し得なかった電池寿命を実現することができる。
指向性送信ができるアンテナとしては、位相アレーアンテナ、適応アレーアンテナなどがある。しかしながら、このようなアンテナを用いるためには、空気中の波長に対してアンテナを設計するため、アンテナ自身を小型化しなければ携帯端末等に搭載できないと言う問題が生じる。
アンテナ自身の小型化のために、前述した特許文献２〜４に示されているように、誘電体共振器アンテナを用いる方法があり、アンテナの小型化のために誘電率のより高い誘電体を用いる必要がある。共振周波数におけるインピーダンス変化が大きくなり（共振のＱが大きくなり）、アンテナが狭帯域化する問題が生じてしまっていた。
また、導電体板上にアンテナを設置しアンテナを小型化する際には、電極と導電体板間に共振器を構成する高誘電率層が存在するため、寄生容量が大きくなりアンテナが狭帯域化する問題を生じてしまっていた。
このようにアンテナが狭帯域化した場合に、アンテナに電力を供給する整合回路において整合をとることで帯域を広くすることが可能であるが、アンテナ自身の帯域が狭いため、整合回路内での電力損失が大きくなり、携帯端末の電池寿命が低下する問題を生じてしまっていた。即ち、従来の誘電体共振器アンテナでは、アンテナ自身の帯域が狭く、この結果、整合回路における損失が大きいと言う欠点があった。
更に、上述のように効率の良い小型アンテナが実現しにくいため、アレーアンテナなどの構成をとりにくく、携帯端末の指向性を制御して送信電力を低減することも難しい問題がある。
【発明の開示】
本発明の目的は、上記した問題に鑑み、小型化できる携帯端末用アンテナを低コストで提供することである。
本発明の他の目的は、送信電力を低減し、電池寿命を向上させることができる携帯端末を提供することである。
本発明の具体的な目的は、整合回路における損失を低減することにより消費電力を削減できる携帯端末用アンテナとして使用できる誘電体共振器アンテナを提供することである。
本発明の他の目的は、携帯端末に搭載された場合に効率の低下を防止できる誘電体共振器アンテナを提供することである。
本発明の更に他の目的は、指向性を持たせることにより低消費電力を実現できる誘電体共振器アンテナを提供することである。
本発明の他の目的は、広帯域を有する誘電体共振器アンテナの設計方法を提供することである。
本発明によれば、広帯域化することにより、整合回路における損失を低減できるアンテナが得られる。このため、本発明の共振器アンテナは、絶縁体材料の外部もしくは内部に電極を有し、該電極から該絶縁体材料内に供給した信号を共振させることで電波を外部に放出する共振器アンテナにおいて、該絶縁体材料の比透磁率μｒａがμｒａ＞１であることを特徴としている。ここで、比誘電率μｒａ＞１とは、小数点１桁目を四捨五入した場合に、比誘電率μｒａが１より大きいことをあらわしている。
一方、アンテナの共振モードとして、共振ピークの低周波側の第１のモードと高周波側の第２のモードを見る場合、μｒａが大きい場合は、第２のモードが強くなり、εｒａが大きい場合は第１のモードが強くなる。このため、μｒａとεｒａは同等程度が好ましく、各モードを重ね合わせることで帯域が広く取れるようにμｒａとεｒａの値を調整することがより好ましい。
本発明でいうμｒａとεｒａが同等程度とは、図９に示すように、周波数対アンテナ入力インピーダンス特性において、共振ピークの低周波側の第１のモードと高周波側の第２のモードの共振ピークの半値周波数の一部を共有することを表す。
更に、本発明の共振器アンテナは、反射板として動作する導電板に、接触もしくは比誘電率εｒａ＞１なる絶縁体を介して実装されていることを特徴としている。
また、本発明の反射板付きアンテナは反射板のアンテナ実装面とは反対の面に、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとした場合、μｒｒ≧εｒｒなる磁性誘電体層を有することを特徴とする。
本発明の携帯端末は上述のアンテナを具備してなることを特徴とし、特に、上記アンテナを複数搭載することが好ましい。
以下、本発明の作用について述べる。
本発明の共振器アンテナによれば、アンテナ素子を構成する誘電体（絶縁体）の比透磁率μｒａがμｒａ＞１であるため、共振器内の電磁波の波長短縮率√（εｒａ・μｒａ）（注：共振器内波長λｒ＝３×１０８［ｍ／ｓ］／ｆ［Ｈｚ］／√（εｒ・μｒ）、空間波長λ０＝３×１０８［ｍ／ｓ］／ｆ［Ｈｚ］であるので、波長短縮率＝λ０／λｒにそれぞれの波長を代入すると、波長短縮率は比透磁率と比誘電率の積の平方根として求められる。）を増加することができ、μｒａ＝１なる一般的な誘電体を用いた場合に比べ、比誘電率を小さくすることができる。これによって、共振時のインビーダンス変化を小さくすることができ、以って、アンテナの広帯域化を実現できる。
比誘電率及び比透磁率の範囲は、通信周波数、通信帯域、許容部品体積等によって適宜選択されるが、アンテナ素子の短辺が小さくなりすぎるとアンテナ利得が低下するため、それぞれ２００以下が好ましく、１００以下がより好ましい。また、波長短縮率としては、図１０を参照すると、携帯端末の周波数範囲が８００ＭＨｚから５．２ＧＨｚであるから、共振器短辺が１ｍｍのときで２００以下、２ｍｍで１００以下であり、利得の低下を防ぐため５ｍｍ程度以上としたときは、５０から３程度となる。
また、本発明の共振器アンテナによれば、該アンテナを構成する誘電体が、導電板に、直接接触して、もしくは、εｒｄ＞１なる絶縁体を介して実装される。この場合、電界対称面にて電界の鏡像効果を利用できるためアンテナを小型化でき、さらにアンテナ自身の誘電率は、透磁率の効果によって小さくできるため、共振時におけるインピーダンス変化を小さくでき、これによって、広帯域化を実現できる。
更に、本発明のアンテナによれば反射板のアンテナ実装面とは反対の面に、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとしてあらわした場合、μｒｒ≧εｒｒの関係を有する磁性誘電体層が用いられている。このため、磁界に対しての鏡像効果が生じ、反射特性を向上でき、アンテナ利得を向上することができるため、少ない電力で基地局に電波を到達させることができ、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
本発明のアンテナを携帯端末に用いれば、アンテナ素子自身が広帯域であるため、整合回路での損失を低減することができ、以って、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
また、本発明のアンテナを複数個、携帯端末に用いれば、アンテナが小型でありながら高効率であるため、効率よくアレーアンテナを形成でき、携帯端末から送出される電波の方向を操向することができるので、基地局とは反対の方向への電波の放射を抑制でき、電力の有効利用を図れるため、携帯端末の電池寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態１に係る磁性誘電体共振器アンテナを示す概略図である。
図２は、本発明の実施形態１における磁性誘電体共振器アンテナの信号周波数に対する入力インピーダンスを示す特性図である。
図３は、本発明の実施形態１において、異なる組成成分を有する磁性誘電体を使用した場合における磁性誘電体共振器アンテナの信号周波数に対する入力インピーダンスを示す特性図である。
図４は、本発明の実施形態２に係る磁性誘電体を用いた共振器アンテナを示す概略図である。
図５は、本発明の実施形態２における共振周波数で規格化した規格化周波数に対して入力インピーダンスの実部の変化を示した特性図である。
図６は、本発明の実施形態３に係る磁性誘電体を用いた共振器アンテナを示す概略図である。
図７は、本発明の実施形態４における携帯端末を示す概略図である。
図８は、本発明の実施形態４における携帯端末の電波放射パターンを示す特性図である。
図９は、本発明のアンテナにおける周波数対アンテナ入力インピーダンス特性を示す特性図である。
図１０は、周波数（ＭＨｚ）と波長短縮率との関係を示す図であり、ここでは、本発明のアンテナを構成する共振器の短辺の長さを変化させた場合における波長短縮率を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る共振器アンテナについて、図１を用いて説明する。図１は本実施形態１の共振器アンテナを示す概略図であり、共振器を構成する誘電体（絶縁体）２０と、共振器に電力を供給する給電電極２２とを含んでいる。
図示された磁性誘電体２０を製造する場合、直径５０ｎｍのコバルト粉末と直径０．５μｍのＢＳＴ粉末（チタン酸バリウムストロンチウム）を用意し、両粉末をエポキシ樹脂中に分散した。この場合、エポキシ樹脂に対し、コバルトを５０体積％、ＢＳＴ粉末１０体積％分散し、２００℃で１時間焼成して、幅１４ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ５．９ｍｍに成形することによって、図示された誘電体２０が得られた。空洞共振器法によりこの誘電体材料の誘電率、透磁率を測定した結果、εｒａ＝１１、μｒａ＝９であり、これによって、約１０程度の波長短縮率が得られる。
次に、銀ペーストを用いて、幅０．５ｍｍの給電電極２２を直方体の長辺側面にフォトリソグラフィ法により形成し、図１に示した磁性誘電体アンテナを形成した。
ネットワークアナライザを用いて給電電極２２に信号を供給した際のインピーダンスの周波数特性を図２に示す。図２は入力インピーダンスの実数部を周波数に対してプロットしたものであり、比較としてＢＳＴ（εｒａ＝１００、μｒａ＝１）を用いて構成した同寸法のアンテナのインピーダンスを示す。
磁性体を含有することで低周波側の共振モードと高周波側の共振モードとがほぼ同等の周波数で励振され、アンテナの帯域を広げることができた。
本発明の効果をより詳細に把握するため、コバルト粉末を３０体積％、ＢＳＴ粉末を２０体積％の割合でエポキシ樹脂中に分散することによって、εｒａ＝２０、μｒａ＝５の磁性誘電体２０を得た。この磁性誘電体２０に幅０．５ｍｍの給電電極２２を、前述した誘電体２０と同様に、銀ペーストを用いて形成し共振器アンテナとした。
図３にこの共振器アンテナの周波数対入力インピーダンスの実部の特性を示す。低周波側の共振モードと高周波側の共振モードが周波数的に分離した状態で存在することがわかる。すなわち、μｒａを制御することで共振周波数を制御することができることがわかる。
本発明の磁性誘電体を用いた共振器アンテナによれば、誘電体と磁性体を混合してなる磁性誘電体で共振器が構成されており、εｒａとμｒａを制御することで共振周波数を制御することができ、さらにεｒａとμｒａを同等程度とすることで共振モードを重ね合わせることができるため、アンテナの帯域を広く取ることができる。
更に、本発明の共振器アンテナによれば、磁性体を誘電体に導入することによって、√（εｒａ・μｒａ）で示される波長短縮率を維持した状態で、誘電率を低下することができ、共振のＱ値を低下することができるため帯域を広げることができる。
更に、本発明の共振器アンテナを携帯端末に搭載すれば、アンテナ自身の帯域を広くできるため、整合回路における損失が低減でき、電池寿命を向上することができる。
（実施形態２）
本発明の実施形態２における磁性誘電体を用いた共振器アンテナについて図４を用いて説明する。
図４に示された本実施形態２に係る共振器アンテナは、信号を共振させ電波として空間に放出する磁性誘電体２０によって構成される共振器と、該共振器に信号を供給する給電電極２２と、該共振器本体を実益するプリント配線基板２４と、該プリント配線基板２４のアンテナとは反対側の面に位置し、アンテナからの電界を終端し電界の鏡像をつくる金属板２６とからなる。この実施形態では、金属板２６として、銅板を使用した。
実施形態１と同様な方法により、幅１４ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ５．９ｍｍ、εｒａ＝１１、μｒａ＝９の磁性誘電体２０の共振器を作成し、銀ペーストを用いて、幅０．５ｍｍの給電電極２２を作成した。このアンテナ素子を幅５ｃｍ、長さ５．３ｃｍ、厚さ０．１ｍｍで、アンテナを実装する面とは反対の面に厚さ３０μｍの銀箔膜を形成してなるプリント配線基板２４の中央に実装した。
上述のようにして形成した金属反射板２６を有する基板上に実装したアンテナの周波数に対する入力インビーダンスの変化を図５に示す。図５は共振周波数で規格化した規格化周波数に対して入力インピーダンスの実部の変化を示したものであり、実施形態１に関連して説明したＢＳＴで構成した共振器アンテナ（εｒａ＝１００、μｒａ＝１）を同じ基板上に実装したものを比較として示す。
図５からも明らかな通り、本実施形態のアンテナを用いると、磁性誘電体を用いることでεｒａを小さくでき、共振のＱ値を小さくすることができるため、アンテナ帯域を広くすることができることがわかる。
本実施形態の金属反射板２６を有する基板上に実装した共振器アンテナによれば、反射板上に実装しても共振のＱ値を小さくできるため、広帯域化ができるため、携帯端末に搭載した際に、広帯域化を行う整合回路における損失が低減し、これによって、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
（実施形態３）
本発明の実施形態３における磁性誘電体を用いた共振器アンテナについて図６を用いて説明する。図６に示された実施形態３に係る共振器アンテナは、信号を共振させ電波として空間に放出する磁性誘電体２０によって構成された共振器と、該共振器に信号を供給する給電電極２２と、該共振器本体を実装するプリント配線基板２４と、該プリント配線基板２４のアンテナとは反対側の面に位置し、アンテナを実装する面とは反対の面に形成された磁性体層２８とからなる。
実施形態２と同様に、幅１４ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ５．９ｍｍ、εｒａ＝１１、μｒａ＝９の磁性誘電体２０によって共振器を形成した。当該磁性誘電体２０をアンテナ素子として、幅５ｃｍ、長さ５．３ｃｍ、厚さ０．１ｍｍのプリント配線基板２４に搭載した。この場合、プリント配線基板２４のアンテナ実装面とは反対の面には、厚さ３０μｍの銅箔膜が形成されていた。前述した磁性誘電体２０は、プリント配線基板２４の中央に実装することにより、反射板付き共振器アンテナを構成した。更に、図示された共振器アンテナのアンテナ実装面とは反対の面には、比誘電率４、比透磁率１０の磁性板２８が厚さ５ｍｍとなるように形成された。この場合、磁性板２８は、溶液キャスト法を用いて、直径５０ｎｍのコバルト粉末をエポキシ樹脂に５０体積％の割合で分散した後、２００℃で３０分乾燥することによって形成された。
上記磁性板２８の形成条件と同様の条件で厚さ５ｍｍの薄膜を形成し、インピーダンスマテリアルアナライザを用いて比誘電率及び比透磁率を測定した結果、当該磁性板２８は、比誘電率４、比透磁率１０を有していた。
上記によって作成したアンテナの携帯端末に搭載した際の入力インピーダンスの変化を評価した。携帯端末における評価は人体頭部の影響の有無によるインピーダンスの変化として評価した。評価結果を表１に示す。
表１は上記アンテナを携帯端末に搭載した際の人体頭部の有無によるインピーダンスの変化を表しており、比較として、従来から携帯端末で用いられているモノポールアンテナ、実施形態２に示す反射板付き共振器アンテナのインピーダンス変化も合わせて示す。測定周波数は２ＧＨｚとした。磁性板２８を金属反射板２６の裏面に有することで、人体頭部の存在によってはインピーダンスが変化しにくいことがわかる。
実施形態３に係る共振器アンテナは、入力インピーダンスが人体頭部の影響を受けにくい。このため、整合回路との間の不整合によって、入力信号が給電電極２２で反射されるのを少なくすることができ、この結果、整合回路における損失を低減することができた。
（実施形態４）
本発明の実施形態４における携帯端末について図７を用いて説明する。図７に示された本実施形態４に係る携帯端末用アンテナは、携帯端末の信号送信アンテナとして使用され、この例では、実施形態２で示された反射板付きアンテナが２つ搭載されている。アンテナを実装した矩形形状の基板は、幅５ｃｍ、長さ１０ｃｍのプリント配線基板２４と、当該プリント配線基板２４のアンテナ実装面と反対側の面に設けられた金属板２６とによって構成されている。誘電体２０及び給電電極２２によって形成された２つのアンテナ素子は、両短辺から２５ｃｍの距離にある中央線に沿って、長辺方向に５ｃｍの間隔を置いて配置されている。
上記２つのアンテナ素子に位相が同相となる信号を供給し、フェーズドアレー動作させた際における放射パターンを図８に示す。図８に示されているように、実施形態４に係るアンテナは、指向性を有しており、アンテナ単体の場合に比べ、利得が向上し、電波の放射方向を基地局方向に操向できる。このため、図７に示されたアンテナは、空間に無駄な電力を送出せず、この結果、携帯端末における消費電力を低減でき電池寿命を向上することができた。
本実施形態における電池寿命の向上効果を表２に示す。
表２からも明らかなように、本発明の実施形態４に係る携帯端末は、従来の携帯端末に比較して、電池寿命を大幅に改善されていることが判る。このことは、本発明のように、磁性誘電体を用いた共振器アンテナを用いることで、反射板を用いても共振のＱ値が増加しないため広帯域で高効率のアンテナを小型に構成できたことを示している。
尚、上に述べた実施形態では、磁性誘電体２０を形成する磁性体材料としてコバルトを用いた例についてのみ説明したが、誘電体材料に含有される磁性体材料は、コバルト、マンガン、鉄のいずれかの単体、コバルト、マンガン、鉄のいずれかを少なくとも含む合金、または化合物磁性体であれば良い。例えば、コバルトと鉄の合金、希土類と鉄の合金、フェライトなどが例示される。また、これらの磁性体材料を複合させまたは複数混合して用いても良い。更に、実施例では誘電体材料としてＢＳＴ粉末をエポキシ樹脂に分散した例について説明したが、誘電体材料としては、所望の誘電率を持つ誘電体材料を適宜選択して用いることができ、それを磁性体材料と混合すればよい。誘電体材料としては、例えば、液晶樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料（樹脂材料）を単独または混合して用いてもよく、シリカ（ＳｉＯ２，ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４）、ジルコニア（ＺｒＯ，ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ，ＨｆＯ２）、チタニア（ＴｉＯ，ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ９、Ｓｒ２（（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ７などの無機材料を単独、複合または混合して用いてもよい。無機誘電体材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢｉＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３などの高誘電率材料を単独、複合または混合して用いてもよい。上記２例の無機誘電体材料を混合して用いてもよく、単独のまたは複合・混合した無機誘電体材料と単独のまたは混合した有機誘電体材料とを混合して用いてもよい。誘電体材料に磁性体材料を混合し、好ましくは磁性体材料微粉末を分散させて、磁性誘電体を得る。この場合における磁性誘電体の比透磁率は、１を越え５０（好ましくは１５）程度が好ましい。
本発明の共振器アンテナによれば、アンテナ素子を構成する絶縁体の比透磁率μｒａがμｒａ＞１であるため、共振器内の電磁波の波長短縮率１／√（εｒａ・μｒａ）を増加することができ、μｒａ＝１なる一般的な誘電体を用いた場合に比べ、比誘電率を小さくすることができる。これによって共振時のインピーダンス変化を小さくすることができ、以ってアンテナの広帯域化を実現できる。
また、本発明の共振器アンテナによれば、該アンテナが導電板に接触して、もしくεｒｄ＞１なる絶縁体を介して接地されるため、電界対称面にて電界の鏡像効果を利用できるためアンテナを小型化でき、さらにアンテナ自身の誘電率は透磁率の効果によって小さくできるため、共振時のインピーダンス変化を小さくでき広帯域化を実現できる。
更に、本発明のアンテナによれば、反射板のアンテナ実装面とは反対の面に、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとした場合、μｒｒ≧εｒｒとなるような磁性誘電体層を設けることにより、磁界に対して鏡像効果が生じ、反射特性を向上でき、アンテナ利得を向上することができるため、少ない電力で基地局に電波を到達させることができ、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
本発明のアンテナを携帯端末に用いれば、アンテナ素子自身が広帯域であるため、整合回路での損失を低減することができ、以って、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
更に、本発明のアンテナを複数個、携帯端末に用いれば、アンテナが小型でありながら高効率であるため、効率よくアレーアンテナを形成でき、携帯端末から送出される電波の方向を操向することができるので、基地局とは反対の方向への電波の放射を抑制でき、電力の有効利用を図れるため、携帯端末の電池寿命を向上することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体材料によって形成された誘電体と、当該誘電体の外部もしくは内部に設けられた電極とを有し、該電極から該誘電体内に供給した信号を共振させることで電波を外部に放出する誘電体共振器アンテナにおいて、該誘電体の比透磁率（μｒａ）がμｒａ＞１であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項２】
前記誘電体は、反射板として設けられた導電板に、直接、もしくは、比誘電率εｒｄ＞１である絶縁体を介して、実装されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の誘電体共振器アンテナ。
【請求項３】
請求の範囲第２項記載において、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとしたとき、μｒｒ≧εｒｒの関係を有する磁性誘電体層が、前記反射板の誘電体実装面とは反対の面に設けられていることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかにおいて、前記誘電体は磁性体材料と誘電体材料とを含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項５】
共振ピークの低周波側の第１のモードと高周波側の第２のモードの共振ピークの半値周波数の一部を共有するような周波数対アンテナ入力インピーダンス特性を実現する比誘電率及び比透磁率を持つ誘電体を用意し、当該誘電体を使用して共振器を形成したことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項６】
請求の範囲第４項において、波長短縮率が２００以下であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項７】
請求の範囲第４項において、波長短縮率が１００以下であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項８】
請求の範囲第４項において、波長短縮率が５０乃至３であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項９】
請求の範囲第４項において、前記磁性体材料は、コバルト、マンガン、鉄のいずれかの単体、コバルト、マンガン、鉄のいずれかを少なくとも含む合金、および化合物磁性体の少なくとも一つを含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１０】
請求の範囲第４項において、前記誘電体材料は、液晶樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも一つを含む樹脂材料、およびシリカ（ＳｉＯ２，ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４）、ジルコニア（ＺｒＯ，ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ，ＨｆＯ２）、チタニア（ＴｉＯ，ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ９、Ｓｒ２（（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ７、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢｉＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３、およびＣａＴｉＯ３の少なくとも一つを含む無機誘電体材料のいずれかまたは両方を含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１１】
請求の範囲第１０項において、前記磁性体材料の微粉末が前記樹脂材料中に分散されていることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１２】
請求の範囲第１１項において、更に前記無機誘電体材料が前記樹脂材料中に分散されていることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１３】
請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれかに記載された誘電体共振器アンテナを含むことを特徴とする携帯端末。
【請求項１４】
請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれかに記載された誘電体共振器アンテナを複数備え、電波の放出方向を調整できることを特徴とする携帯端末。
【請求項１５】
誘電体によって形成された共振器に対して電波を放射し、当該放射された電波を前記誘電体内で共振させることによって電波を放出する誘電体共振器アンテナの製造方法において、比透磁率が１を越えることを条件として、比誘電率を調節して所定の波長短縮率が得られる磁性誘電体材料を得、当該磁性誘電体材料を用いて、前記誘電体を構成することを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１５項において、前記磁性誘電体材料は、磁性体材料と誘電体材料とを混合することで作成することを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１６項において、前記磁性体材料は、コバルト、マンガン、鉄のいずれかの単体、コバルト、マンガン、鉄のいずれかを少なくとも含む合金、および化合物磁性体の少なくとも一つを含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１８】
請求の範囲第１６項において、前記誘電体材料は、液晶樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも一つを含む樹脂材料、およびシリカ（ＳｉＯ２，ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４）、ジルコニア（ＺｒＯ，ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ，ＨｆＯ２）、チタニア（ＴｉＯ，ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ９、Ｓｒ２（（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ７、ＢＳＴ（チタン酸ウムストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢｉＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３、およびＣａＴｉＯ３の少なくとも一つを含む無機誘電体材料のいずれかまたは両方を含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１９】
請求の範囲第１８項において、前記磁性体材料の微粉末を前記樹脂材料中に分散させることを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項２０】
請求の範囲第１９項において、前記無機誘電体材料を前記樹脂材料中に更に分散させることを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１】
絶縁体材料によって形成された誘電体と、当該誘電体の外部もしくは内部に設けられた電極とを有し、該電極から該誘電体内に供給した信号を共振させることで電波を外部に放出する誘電体共振器アンテナにおいて、該誘電体の比透磁率（μｒａ）がμｒａ＞１であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項２】
前記誘電体は、反射板として設けられた導電板に、直接、もしくは、比誘電率εｒｄ＞１である絶縁体を介して、実装されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の誘電体共振器アンテナ。
【請求項３】
請求の範囲第２項記載において、比透磁率をμｒｒ、比誘電率をεｒｒとしたとき、μｒｒ≧εｒｒの関係を有する磁性誘電体層が、前記反射板の誘電体実装面とは反対の面に設けられていることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかにおいて、前記誘電体は磁性体材料と誘電体材料とを含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項５】
共振ピークの低周波側の第１のモードと高周波側の第２のモードの共振ピークの半値周波数の一部を共有するような周波数対アンテナ入力インピーダンス特性を実現する比誘電率及び比透磁率を持つ誘電体を用意し、当該誘電体を使用して共振器を形成したことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項６】
請求の範囲第４項において、波長短縮率が２００以下であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項７】
請求の範囲第４項において、波長短縮率が１００以下であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項８】
請求の範囲第４項において、波長短縮率が５０乃至３であることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項９】
請求の範囲第４項において、前記磁性体材料は、コバルト、マンガン、鉄のいずれかの単体、コバルト、マンガン、鉄のいずれかを少なくとも含む合金、および化合物磁性体の少なくとも一つを含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１０】
請求の範囲第４項において、前記誘電体材料は、液晶樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも一つを含む樹脂材料、およびシリカ（ＳｉＯ２，ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４）、ジルコニア（ＺｒＯ，ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ，ＨｆＯ２）、チタニア（ＴｉＯ，ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ９、Ｓｒ２（（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ７、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢｉＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３、およびＣａＴｉＯ３の少なくとも一つを含む無機誘電体材料のいずれかまたは両方を含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１１】
請求の範囲第１０項において、前記磁性体材料の微粉末が前記樹脂材料中に分散されていることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１２】
請求の範囲第１１項において、更に前記無機誘電体材料が前記樹脂材料中に分散されていることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
【請求項１３】
請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれかに記載された誘電体共振器アンテナを含むことを特徴とする携帯端末。
【請求項１４】
請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれかに記載された誘電体共振器アンテナを複数備え、電波の放出方向を調整できることを特徴とする携帯端末。
【請求項１５】
誘電体によって形成された共振器に対して電波を放射し、当該放射された電波を前記誘電体内で共振させることによって電波を放出する誘電体共振器アンテナの製造方法において、比透磁率が１を越えることを条件として、比誘電率を調節して所定の波長短縮率が得られる磁性誘電体材料を得、当該磁性誘電体材料を用いて、前記誘電体を構成することを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１５項において、前記磁性誘電体材料は、磁性体材料と誘電体材料とを混合することで作成することを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１６項において、前記磁性体材料は、コバルト、マンガン、鉄のいずれかの単体、コバルト、マンガン、鉄のいずれかを少なくとも含む合金、および化合物磁性体の少なくとも一つを含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１８】
請求の範囲第１６項において、前記誘電体材料は、液晶樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも一つを含む樹脂材料、およびシリカ（ＳｉＯ２，ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４）、ジルコニア（ＺｒＯ，ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ，ＨｆＯ２）、チタニア（ＴｉＯ，ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ９、Ｓｒ２（（Ｔａ１−ｘ，Ｎｂｘ）２Ｏ７、ＢＳＴ（チタン酸ウムストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢｉＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３、およびＣａＴｉＯ３の少なくとも一つを含む無機誘電体材料のいずれかまたは両方を含むことを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項１９】
請求の範囲第１８項において、前記磁性体材料の微粉末を前記樹脂材料中に分散させることを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【請求項２０】
請求の範囲第１９項において、前記無機誘電体材料を前記樹脂材料中に更に分散させることを特徴とする誘電体共振器アンテナの製造方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７５３４３
【国際公開日】平成１６年９月２日（２００４．９．２）
【発行日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０２６９８（Ｐ２００５−５０２６９８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００１６７７
【国際出願日】平成１６年２月１７日（２００４．２．１７）
【出願人】（０００２０５０４１）
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年９月２日（２００４．９．２）
【発行日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００１６７７
【国際出願日】平成１６年２月１７日（２００４．２．１７）
【出願人】（０００２０５０４１）
【Ｆターム（参考）】
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