JP2000209019A - 誘電体共振アンテナ - Google Patents

誘電体共振アンテナ

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JP2000209019A
JP2000209019A JP11359946A JP35994699A JP2000209019A JP 2000209019 A JP2000209019 A JP 2000209019A JP 11359946 A JP11359946 A JP 11359946A JP 35994699 A JP35994699 A JP 35994699A JP 2000209019 A JP2000209019 A JP 2000209019A
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resonance antenna
dielectric resonance
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Rebekka Dr Porath
ポラス レベッカ
Frank Heinrichs
ハインリヒス フランク
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、誘電体共振アンテナ及び誘電体共
振アンテナを含む送信器、受信器及び移動式無線電話機
に係わる。 【解決手段】 ＤＲＡの対称面で提供されたＤＲＡ９の
体積を減少する既知の可能性を改善するために、導電性
コーティングを誘電体共振アンテナに割当てられた固有
モードの電界の接線成分が消失する少なくとも一つの曲
面上に与えることを提供する。結果として、残る部分は
同じ周波数で同じモード現れるものの、ＤＲＡの体積は
かなり減少される。このような特徴を有する複数の曲面
があるため、例えば所望の小型化の度合い、アンテナの
要求される帯域幅及び製造条件によって具体的に有利な
表面が選択され得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体共振アンテ
ナ（ＤＲＡ）に関する。本発明は更に、誘電体共振アン
テナを含む送信器、受信器及び移動式無線電話機に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】誘電体共振アンテナ（ＤＲＡ）は、マイ
クロ波周波数のためのセラミック又は他の誘電性媒体の
小型化されたアンテナとして知られている。比誘電率ε
r ＞＞１を有する誘電性媒体が空気で囲まれている誘電
体共振アンテナは、誘電性媒体の境界面における電磁気
学の制限条件によって、固有周波数及び固有モードの離
散スペクトルを有する。これらの条件は、境界面の所与
の制限条件の下で誘電性媒体のための電磁気学公式の特
別な解によって定義される。放射損失が回避されると非
常に高い品質を有する共振器とは反対に、電力の放射は
共振アンテナの主な事項である。どの導電構造も放射素
子として使用されないため、表皮効果は影響され得な
い。従って、このようなアンテナは高い周波数では低い
抵抗損失を有する。
【０００３】高い比誘電率を有する材料が使用される場
合、εr を増加することで予め選択された固有周波数
（送信及び受信周波数）の寸法が減少され得るためコン
パクトな小型化された構造が達成され得る。所与の周波
数のＤＲＡの寸法は実質的に√εr に反比例する。共振
周波数が同じに保たれる間、εr を係数αで増加させる
ことによって、全ての寸法を係数√αで、又体積を係数
α3/2 で減少する。更に、ＤＲＡの材料は高い周波数で
の使用に適しており、小さい誘電損失及び温度安定性を
有する。これは使用されうる材料を強く制限する。適当
な材料は、εr 値が典型的に最大で１２０を有する材料
である。小型化の可能性の制限以外ではＤＲＡの放射特
性はεr が増大すると共に減少する。
【０００４】このような例によって考慮されたＤＲアン
テナ１の基本型は図１に示される。直方体の形態に限ら
ず、円筒形又は球形の幾何学的形状のような他の形状で
も可能である。誘電体共振アンテナは、その共振周波数
（固有周波数）のうちの一つの付近に狭い帯域でのみ動
作する共振モジュールである。アンテナの小型化の問題
は、所与のアンテナの寸法で動作周波数を下げることと
同じである。従って、最低共振（ＴＥZ 111 ）モードが
使用される。このモードはその電磁界に対称面を有し、
そのうち電界の一つの対称面は基準対称面２である。ア
ンテナが対称面２で二分され導電性表面３（例えば、金
属コーティング）が配置されるとき、共振周波数は元の
寸法のアンテナの共振周波数と等しいままである。この
ようにして同じ周波数で同じモードが形成される構造が
得られる。これは、図２に示される。更なる小型化は、
高い比誘電率εr を有する誘電性媒体を用いてこのアン
テナで達成されうる。好ましくは、低い誘電損を有する
材料が選択される。
【０００５】このような誘電体共振アンテナはRajesh
K. MongiaとPrakash Barthia によるIntern．Journal o
f Microwave and Millimeter-Wave Computer-aided E
ngineering, vol.4,no.3,1994,pp.230-247 記載の文献
「Dielectric Resonator Antennas-A review and ge
neral design relations for resonant frequency an
d bandwidth 」で説明される。この文献は、円筒形、球
形、及び長方形の様に様々な形のＤＲＡのモード及び放
射特性の概略を提供する。異なる形について、可能なモ
ード及び対称面が示される（上記文献第４，５，６図及
び第２４０頁、左欄、第１−２１行参照）。具体的に
は、直方体の誘電体共振アンテナが図９及び関連記述に
示される。ｙ＝０のときのｘ−ｚ平面上又はｘ＝０のと
きのｙ−ｚ平面上の金属の表面によって、元の構造は、
電界の構造又はＴＥZ 111 モード（上記文献第２４４
頁、右欄、第１−７行）の他の共振特性を変更すること
なく二分されてもよい。ＤＲＡは、マイクロ波線（例え
ばマイクロストリップ線又は同軸線の端）の近傍の漂遊
界に挿入される点で、マイクロ波リード線を介して励起
される。
【０００６】相互に直角な二つの対称面があるため、小
型化する可能性は制限される。このように、ＤＲＡの体
積は周波数が同じに保たれつつ係数４で減少されうる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は寸法を減少するより良い可能性を提供する誘電体共振
アンテナを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、導
電性コーティングが誘電体共振アンテナに割当てられた
固有モードの電界の接線成分が消失する少なくとも一つ
の曲面上で与えられることによって達成される。アンテ
ナは球形、立方形又は例えば、製造や審美的条件を考慮
した上で選択される別の幾何学的形状を有してもよい。
誘電体共振の形態及び寸法によって、アンテナは所与の
境界条件の下で電磁界のマクスウェルの公式を解くこと
によって決定され伝搬されうる固有モード及び固有周波
数の離散スペクトルを有する。従って、定められた固有
モードは常に所与のＤＲアンテナに割当てられる。最低
モード（ＴＥZ 111 モードが最小共振に相当する）を考
慮したとき、ＤＲＡの最小寸法が見つかる。アンテナ内
の関連する電界の一定の区画が固有モードのために得ら
れ、電界の場のベクトルは任意の場所で接線及び法線成
分にどこでも区画されうる。本発明によると、このよう
な曲面は導電性コーティングを与えられ、その曲面上は
電界の消失する接線成分によって特徴付けられる。これ
は、誘電体共振アンテナのこれら曲面上では理想的な導
電体中と同じ境界条件が持たれることを意味する。導電
コーティングは電界、従って割当てられた固有モードに
対してもこれらの要件を保持する。曲面上の導電性コー
ティングは、曲面に沿ってＤＲＡを切り、交差する表面
を金属コーティング（例えば銀ペースト）で覆うことに
よって得られることが好ましい。結果として、残る部分
は同じ周波数で同じモードで現れるものの、ＤＲＡの体
積はかなり減少される。このような特徴を有する複数の
曲面があるため、例えば所望の小型化の度合い、アンテ
ナの要求される帯域幅及び製造条件によって非常に有利
な表面が選択される。
【０００９】本発明の更なる実施例では、直交方向ｘ、
ｙ及びｚにある辺の長さａ、ｂ及びｄを有する誘電性材
料の直方体が誘電体共振アンテナを形成するために与え
られ、ｙ（ｘ）＝ｂ／πａｒｃｓｉｎ｛Ｃ［ｓｉｎ（ｘ
π／ａ）］a2/b2 ｝のとき｛（ｘ，ｙ（ｘ），ｚ），ｘ
∈[ ０，ａ／２］，ｚ∈[ ０，ｄ］｝の形を有する曲面
は導電性コーティングで覆われる。直方体は誘電体共振
アンテナに使用される基本型の一つである。この基本型
は直方体の頂点がｘ、ｙ及びｚ軸にあり正の辺の長さ
ａ，ｂ及びｃが得られるようにゼロが利点的に直方体の
コーナーで選択されたデカルト座標系を用いて詳しく説
明されうる。これによって、曲面は上記式に非常に簡単
な方法で表される。関数ｙ（ｘ）はｚ＝定数∈［０，
ｄ］の平面内の曲線に対して成立するので、このような
切断平面に垂直な曲面が得られる。このような曲面は多
数あるため、式は任意の正の値（Ｃ＞０）をとるパラメ
ータＣを含む。
【００１０】本発明の更なる実施例の利点は、パラメー
タＣ＜１によって形成されるこのような表面が曲面を形
成するために与えられる点である。本発明の利点は、Ｃ
＜１のパラメータを用いて説明された曲面の使用にあ
り、これによって誘電体共振アンテナの寸法を減少する
目的がよく達成される。これは、曲面上に導電性コーテ
ィング無しで減少するよりも誘電体共振アンテナの体積
を非常に大幅に減少することを達成する。
【００１１】本発明の目的は更に、アンテナ内で導電性
コーティングが誘電体共振アンテナに割当てられた固有
モードの電界の接線成分が表面上に消失する少なくとも
一つの曲面上に所与のこのような誘電体共振アンテナを
有する送信器、受信器、及び移動式無線電話機によって
達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の上記及び他の特徴は、以
下の実施例を参照に明らかとなり、明確にされる。図３
は長方形の側面と、デカルト座標系のｘ、ｙ、及びｚの
方向にある辺の長さａ、ｂ及びｄを有する基本型の誘電
体共振アンテナＤＲＡ１を示す。ＤＲＡ１は、幾何学的
形状及び外寸と使用される材料の比誘電率εr によって
決定される固有周波数の離散スペクトルを有する。ＤＲ
Ａ１を定められた周波数でのマイクロ波電力のアンテナ
として使用するためには、固有周波数は定められた周波
数の近傍になくてはならない。実施例では、ＤＲＡ１は
所与の周波数としてＧＳＭ９００標準の中心周波数９４
２．５メガヘルツ用に設計される。典型的にεr ＝８５
の値を有する温度安定セラミックを材料として使用す
る。これによって直方体ＤＲＡ１の寸法はａ≒ｂ≒３０
ミリメートル及びｄ≒５．５ミリメートル程度になる。
この寸法は移動式通信装置の中に組込むには大きすぎる
ため、図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）で示されるとお
り、ＤＲＡ１の寸法は減少される。
【００１３】図４の（Ａ）は最短の辺の長さｄに垂直な
平面上の長方形の形状を有するＤＲＡ１を通る断面を示
す図である。辺の長さａ及びｂは夫々ｘ軸及びｙ軸の方
向にある。このため、ＤＲＡ１の最低周波数での固有モ
ードに属する電界の場の構造が示される。この場の構造
はｘ＝ａ／２でｙ＝ｂ／２のとき、断面図では破線で示
される相互に垂直な二つの対称面４及び５を明らかに示
している。二つの対称面４及び５は交線に対して垂直で
ある。仮にＤＲＡ１がこれらの平面の一つに沿って切り
取られ、現れる切り取られた表面がコーティング６及び
７で金属化されれば、同じ周波数で同じモードが形成さ
れる構造が得られる。この方法が二度使用されると、図
４の（Ｂ）で示されるように減少なった寸法のＤＲＡ８
が得られる。既知の対称面４及び５を用いて、ＤＲＡ１
の体積は一定周波数において係数４乃至ａ／ 2＊ｂ／２
＊ｄ（ｘ＊ｙ＊ｚ）で減少されうる。実施例の例の結果
は寸法１５＊１５＊５．５立方ミリメートルを有するＤ
ＲＡ８である。しかしながら、この寸法は依然として大
きすぎるため特に移動式電話機ではその使用は障害とな
り得る。
【００１４】図５は金属化された側面６及び７を有する
寸法が減少されたＤＲＡ８を同じ断面図で再度示す図で
ある。追加された線はＤＲＡ８の中の曲面の交線であ
り、これらの線は図の平面に垂直である。これらの表面
上では図４の（Ａ）によるとＤＲＡ１及びＤＲＡ８の最
低周波数を有する固有モードに夫々属する電界の接線成
分は消失される。任意の曲面は更なる金属コーティング
で覆われる。結果として、この表面でもその後ＤＲＡ８
の上部分が取り除かれるとき、境界条件は一定に保たれ
る。この結果として、アンテナの残る部分は同様に励起
されたときと同じ周波数で同じ固有モードを有する。こ
の特性を有する幾つかの表面があるため、共振周波数が
同じに保たれる一方でＤＲＡ８の寸法は更に減少されて
もよい。
【００１５】図５は、曲面が数学的に説明されうるよう
にデカルト座標系のゼロ０を示す。寸法ａ／２×ｂ／２
×ｄを有する直方体ＤＲＡ８では、ａ／２及びｂ／２は
ｘ及びｙ方向にある辺の長さである（図４の（Ｂ）及び
図５を比較のこと）。ゼロ０は直方体ＤＲＡ８のコーナ
ーに位置する。このような曲面はｚ方向（ｚ＝定数）に
垂直な断面図で以下の式、 （１）ｔ＝ａ2 ／ｂ2 のとき、 ｙ（ｘ）＝ｂ／πａｒｃｓｉｎ（Ｃ（ｓｉｎｘπ／
ａ））t ） によって説明される。
【００１６】接線成分が消失する曲面は、結果として、
｛（ｘ，ｙ（ｘ），ｚ），ｘ∈［０，ａ／２］，ｚ∈
［０，ｄ］｝の形を有する。このような曲面は幾つかあ
るため、０＜Ｃ＜∞が満たされる積分パラメータＣがあ
る。積分パラメータＣは残りのＤＲＡの高さｈを決定す
る。図５はＣ＝１及び様々なＣ＜１の値の交線を示す。
選択されるＣが小さいほど、高さｈは小さくなり、従っ
て残りのＤＲＡの体積も小さくなる。高さｈ＝ｙ（ａ／
２）＜ｂ／２になるようにパラメータＣ＜１が選択され
ることが好ましい。取り除かれた部分は従って、対称面
を使用して達成される寸法ａ／２＊ｂ／２よりも小さ
い。原理的には、この方法は同じ共振周波数を維持する
一方でＤＲＡ１の寸法を減少することに基本的制限が無
いよう、Ｃの任意の値、更には任意の小さいｈにも適用
可能である。しかしながら、帯域幅のような他のパラメ
ータは小型化の実質的に使用可能な小型化の度合いを制
限しうる。
【００１７】結果として得られるＤＲＡ９は図６に示さ
れる。図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）で既に示された金
属化された対称面１０に加え、ＤＲＡ９は金属化された
曲面１１も有する。高さｈがｂ／２よりもはるかに小さ
くてもよいため共振周波数は寸法ｄ×ａ／２×ｂ／２を
有する平坦な表面を有する直方体ＤＲＡ８の周波数に等
しくとも、同じ共振周波数を有する小型化されたＤＲＡ
９が設けられる。
【００１８】曲面１１を持つこのような小型化されたＤ
ＲＡ９の製造は、例えば焼結された又はプレスされた非
焼結セラミックブロックを機械的に処理するか又はその
ために形成されたノズルを通してセラミックの質量を押
出すこと及びそれに続く焼結によって実施されうる。図
７はＧＳＭ標準を満たす例えば移動式電話機のようなＤ
ＲＡ９を含む移動式無線電話機の送信路及び受信路の機
能ブロックを示すブロック図である。ＤＲＡ９は、受信
又は送信モードで受信路又は送信路をＤＲＡ９に接続す
るアンテナスイッチ又は周波数デュプレクサ１２に結合
される。受信モードでは、アナログ無線信号は受信回路
１３を介してＡ／Ｄ変換器１４に到達する。発生したデ
ジタル信号は復調器１５で復調され、その後デジタル信
号プロセッサー（ＤＳＰ）１６に与えられる。ＤＳＰ１
６では、別々に示されてはいない、等化、解読、チャネ
ル復号化及び音声復号化の機能を連続して実行する。ス
ピーカ１８を介して伝えられるアナログ信号は、Ｄ／Ａ
変換器１７によって生じる。
【００１９】送信モードでは、マイクロホン１９によっ
て捕捉されるアナログ音声信号は、Ａ／Ｄ変換器２０で
変換されＤＳＰ２１に与えられる。ＤＳＰ２１は、全て
の機能が単一のＤＳＰによって実行される受信モードに
補足的な音声符号化、チャネル符号化及び暗号化の機能
を実行する。２進符号化データ語は変調器２２でＧＭＳ
Ｋ変調され、次にＤ／Ａ変換器２３でアナログ無線信号
に変換される。電力増幅器を含む送信端段２４はＤＲＡ
９を介して送信されるべき無線信号を生じさせる。
【００２０】送信路９，１３，１４，１５，１６，１
７，１８及び受信路９，１９，２０，２１，２２，２
３，２４の説明は、単一の送信器又は受信器の路に対応
する。周波数デュプレクサ１２は設けられる必要はな
く、送信路及び受信路は夫々のＤＲＡ９をアンテナとし
て使用してもよい。移動式無線の分野で使用する他に無
線送信器の他の分野での使用も考えられる（例えば、Ｄ
ＥＣＴ又はＣＴ標準によるコードレス電話機、無線中継
装置、トランキングセット、ページャ）。ＤＲＡ９は常
に伝送周波数に適合され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘電体共振アンテナを示す図である。
【図２】対称面に導電性コーティングを有する二分され
た誘電体共振アンテナを示す図である。
【図３】辺の長さａ、ｂ及びｄを有する誘電体共振アン
テナの直方体の基本型を示す図である。
【図４】（Ａ）は最短の長さの辺に直角な平面にある直
方体の誘電体共振アンテナの固有モードの電界の場の構
造を示す図であり、（Ｂ）は場の構造で誘電体共振アン
テナの対称面に沿って寸法を減少したアンテナを示す図
である。
【図５】電界の接線成分が消失する曲面を有する小型化
された誘電体共振アンテナの断面を示す図である。
【図６】曲面に沿って体積を減少した減少された誘電体
共振アンテナを示す図である。
【図７】送信路及び受信路及び誘電体共振アンテナを有
する移動式無線電話機の簡略化されたブロック図を示す
図である。
【符号の説明】
１、８、９ ＤＲＡ ２、４、５、１０ 対称面 ３ 導電性表面 ６、７ コーティング １１ 曲面 １２ 周波数デュプレクサ １３ 受信回路 １４、２０ Ａ／Ｄ変換器 １５ 復調器 １６、２１ デジタル信号プロセッサー １７、２３ Ｄ／Ａ変換器 １８ スピーカ １９ マイクロホン ２２ 変調器 ２４ 送信端段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 フランク ハインリヒス ドイツ連邦共和国，52070 アーヘン，フ リードリヒシュトラーセ 46

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 誘電体共振アンテナに割当てられた固有
    モードの電界の接線成分が消失する少なくとも一つの曲
    面上に導電性コーティングを施してなることを特徴とす
    る誘電体共振アンテナ。
  2. 【請求項２】 上記誘電体共振アンテナを形成するため
    に、直交方向ｘ、ｙ及びｚの辺の長さａ、ｂ及びｄを有
    する誘電性材料から作られた直方体が設けられ、 ｙ（ｘ）＝ｂ／πａｒｃｓｉｎ｛Ｃ［ｓｉｎ（ｘπ／
    ａ）］a2/b2 ｝のとき｛（ｘ，ｙ（ｘ），ｚ），ｘ∈[
    ０，ａ／２］，ｚ∈[ ０，ｄ］｝ の形を有する曲面を導電性コーティングで覆ってなるこ
    とを特徴とする請求項１記載の誘電体共振アンテナ。
  3. 【請求項３】 上記曲面を形成するために、パラメータ
    Ｃ＜１を用いて形成される表面が与えられてなることを
    特徴とする請求項２記載の誘電体共振アンテナ。
  4. 【請求項４】 誘電体共振アンテナを含む移動式無線電
    話機であって、 誘電体共振アンテナに割当てられた固有モードの電界の
    接線成分が消失する誘電体共振アンテナの少なくとも一
    つの曲面上に導電性コーティングを施してなることを特
    徴とする移動式無線電話機。
  5. 【請求項５】 誘電体共振アンテナを含む受信器であっ
    て、 誘電体共振アンテナに割当てられた固有モードの電界の
    接線成分が消失する誘電体共振アンテナの少なくとも一
    つの曲面上に導電性コーティングを施してなることを特
    徴とする受信器。
  6. 【請求項６】 誘電体共振アンテナを含む送信器であっ
    て、 誘電体共振アンテナに割当てられた固有モードの電界の
    接線成分が消失する誘電体共振アンテナの少なくとも一
    つの曲面上に導電性コーティングを施してなることを特
    徴とする送信器。
JP11359946A 1998-12-18 1999-12-17 誘電体共振アンテナ Withdrawn JP2000209019A (ja)

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DE (2) DE19858799A1 (ja)
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