JP2004120168A - ヘリカルアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】主としてマイクロ波帯における移動体通信用無線機器に使用されるアンテナにおいて、表面実装に適した小形なアンテナを実現することを目的とする。
【解決手段】誘電体ブロック１１に、バランス給電端子電極１５と、らせん状スロットを有するアンテナ電極１６、１８を形成したヘリカルアンテナ１０へバランス給電することで、周囲状況によるインピーダンスの変動を抑えた、製造が容易で、表面実装に対応し、良好なインピーダンス特性を備えたアンテナの実現を可能とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてマイクロ波帯における移動体通信用無線機器に使用されるヘリカルアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヘリカルアンテナとしては、図１３に示す構造が知られている。ヘリカルアンテナ１０１は、直方体の誘電体基体１０２の表面に、一端が給電部１０３で、他端が自由端１０４の導体１０５を螺旋状に巻回させることにより形成される。誘電体基体１０２の下面には、導体１０５の給電部１０３が接続される給電用端子１０６が形成されている。この給電用端子１０６は、ヘリカルアンテナ１０１を外部回路が設けられた実装基板等に固定するための固定用端子を兼ねている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３１６７２５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のヘリカルアンテナにおいては、給電用端子が接続される基板のグランドとアンテナの位置関係によりアンテナの入力インピーダンスが決まるため、アンテナのインピーダンス特性が実装状態の影響を大きく受け、実装基板が変わるとアンテナ特性が変わる等、アンテナ特性が安定しないという課題を有している。
【０００５】
また、ヘリカル長さにより決まる特定の周波数帯にのみ対応するため、周波数の調整性に欠け、更には、十分な周波数帯域が得られないという課題を有している。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決し、製造が容易で、表面実装に対応し、良好なインピーダンス特性を備えたアンテナを提供することを目的とする。また、周波数の調整が可能なヘリカルアンテナを提供することを目的とする。更には、複数の周波数帯あるいは広帯域な周波数帯に対応するアンテナを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、誘電体ブロックと、バランス給電端子と、らせん状スロットを有するアンテナ電極でアンテナを構成し、アンテナ電極へバランス給電することで、周囲状況によるインピーダンスの変動を抑え、安定したアンテナ特性が得られるようにしたものである。これにより、製造が容易で、表面実装に対応し、良好なインピーダンス特性を備えたアンテナを提供する。
【０００８】
また、アンテナ固定端子を加え、アンテナ固定端子によりらせん状スロット端の短絡位置を変えることで、らせん状スロットの長さを変えて動作周波数の変更を可能としたものである。これにより、周波数の調整が可能なヘリカルアンテナを提供する。
【０００９】
更には、アンテナ電極が複数のらせん状スロットを有し、各々異なるらせん状スロット長さにすることで多共振化し、複数の周波数帯で動作可能としたものである。これにより、複数の周波数帯あるいは広帯域な周波数帯に対応するアンテナを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、誘電体ブロックと、１つ以上のギャップを挟んで分離された前記誘電体ブロック上の複数の端子電極からなるバランス給電端子と、複数の端子電極に各々接続するらせん状スロットと、らせん状スロットを有する前記誘電体ブロック上の複数のアンテナ電極とから構成されることを特徴とするヘリカルアンテナであり、らせん状スロットによりアンテナ電極をヘリカル状に分割し、複数個に分割しバランス給電することで、インピーダンスへの周囲の影響を削減し、製造が容易な、小型なアンテナを実現する作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項５に記載の発明は、誘電体ブロックの端部に複数のアンテナ電極に各々接続された１つまたは複数の端部電極を有すること特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナであり、強固に固定可能な、表面実装に対応したアンテナを実現する作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項６に記載の発明は、四角柱状の誘電体ブロックを有することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ、より小型なアンテナを実現する作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項９に記載の発明は、バランス給電端子周辺および端部電極周辺で誘電体ブロックが太いこと特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナであり、表面実装時に基板の影響を受け難いアンテナを実現する作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項１０に記載の発明は、バランス給電端子および端部電極に接続された固定端子を有することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナであり、安定して表面実装可能なアンテナを実現する作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項１１に記載の発明は、実装基板に設けられた穴に落とし込んだ状態で給電可能なアンテナ固定端子を有することを特徴とする請求項１０記載のヘリカルアンテナであり、安定して表面実装可能なアンテナを実現する作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項１２に記載の発明は、端面がテーパ上のアンテナ固定端子を有し、誘電体ブロックを回すことでらせん状スロットの長さが変化し、動作周波数の調整が可能なことを特徴とする請求項１０記載のヘリカルアンテナであり、周波数調整可能なアンテナを実現する作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項１３に記載の発明は、アンテナ電極１つが複数のらせん状スロットを有することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナであり、広帯域なアンテナを実現する作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項１６に記載の発明は、各々のらせん状スロットの長さが異なることを特徴とする請求項１３記載のヘリカルアンテナであり、複数の周波数帯に対応するアンテナを実現する作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項１７に記載の発明は、１本の誘電体ブロックに、バランス給電端子および複数のアンテナ電極からなるバランス給電ヘリカル電極を複数備え、前記バランス給電端子に各々給電し複数の周波数帯に対応することを特徴とするヘリカルアンテナであり、複数の周波数体に対応するアンテナを実現する作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項１９に記載の発明は、各々のバランス給電ヘリカル電極は、誘電体ブロックの径が異なることを特徴とする請求項１７記載のヘリカルアンテナであり、帯域ごとに適した誘電体径を使用可能なアンテナを実現する作用を有する。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１２を用いて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるアンテナの基板実装状態での斜視図であり、図２は該アンテナの電極展開図である。図１および図２において、１０は実施の形態１のヘリカルアンテナ、１１は四角柱状のアンテナ誘電体ブロック、１５はギャップ１２で分離された第一の端子電極１３と第二の端子電極１４から構成されるバランス給電端子、１６は端子電極１３に接続された第一のアンテナ電極、１７は第一のらせん状スロット、１８は端子電極１４に接続された第二のアンテナ電極、１９はアンテナ電極１８に形成された第二のらせん状スロット、２０は誘電体ブロック１１の端部に設けられた１つ以上の端部電極、２１はアンテナ１０を実装する基板、２２はアンテナへの入出力となるマイクロストリップ線路、２３はバラン、２４、２５はバラン２３からアンテナ１０への接続用パターンである。ギャップ１２、らせん状スロット１７、１９は誘電体ブロック１１表面の電極の一部をレーザ加工、研削、エッチング等により削ることで容易に形成可能であり、例えば誘電体ブロック１１の全面に金属層を形成し、ギャップ１２、らせん状スロット１７、１９を形成することで、容易にバランス給電型のヘリカルアンテナ電極が形成可能である。
【００２３】
第一のアンテナ電極１６ａ〜１６ｃは、らせん状スロット１７により分割されることで、図２の電極展開図に示すように、らせん状に誘電体ブロック１１を巻くヘリカル電極となり、ギャップ１２で分割されたバランス給電端子から給電することで、アンテナ１０はバランス給電型のヘリカルアンテナとして動作することで、給電系のグランドの影響を受け難い安定したインピーダンス特性が得られる。
【００２４】
第一および第二のらせん状スロットの巻き方向は、図１，２に示すように逆方向の方が望ましいが、図３に示す様に同一方向でもよい。図３において、３０は実施の形態１による別な形態のアンテナで、３１は第一のらせん状スロット３２を有する第一のアンテナ電極、３３はらせん状スロット３２と同じ巻き方向の第二のらせん状スロット３４を有する第二のアンテナ電極である。
【００２５】
図１の基板実装においては、図４（ａ）のように、バランス給電端子を接続するバランス給電端子用パッド４０（基板２１のマイクロストリップ線路２２に接続）、４１と、端部電極２０を接続する端部電極用パッド４２を基板２１上に設け、アンテナ１０を表面実装した状態を示したが、図４（ｂ）のように、基板にアンテナはめ込み用穴４３を設けることで、より強固に実装が可能となる。
【００２６】
なお、誘電体ブロックが四角柱状の例を示したが、円柱状、多角柱状でもよいが、同じ誘電体ブロック径を用いた場合、四角柱において電極長さが長くなり、小型化には望ましい。
【００２７】
また、図１に示すようにバランを用いてマイクロストリップ線路から平衡給電へ変換して給電することが望ましいが、マイクロストリップ線路、同軸線路等の非平衡伝送路に直接接続して使用しても良い。
【００２８】
以上により、誘電体ブロック上の電極を削り、ギャップ、らせん状スロットを設けることで、バランス給電型ヘリカルアンテナ電極を形成し、製造が容易で、表面実装に対応し、良好なインピーダンス特性を備えたアンテナの実現が可能となる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、誘電体ブロックが１つのギャップ、２つの端子電極、２つのらせん状スロットおよび２つのアンテナ電極などからなる構成について説明したが、これに限らず２つ以上のギャップ、３つ以上の端子電極、３つ以上のらせん状スロットおよび３つ以上のアンテナ電極などからなる構成としても同様な効果が得られる。以下の実施の形態についても同様である。
【００３０】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２によるアンテナの側面図である。図５において、５０は実施の形態２のヘリカルアンテナ、５１はバランス給電端子１５周辺および端部電極２０周辺で径が太くなっている誘電体ブロックである。
【００３１】
端子部分周辺で誘電体ブロック５１の径が大きくなることで、らせん状スロット１７、１９が基板から離れ、基板材料等の影響を受け難くなり、安定したアンテナ特性が得られる。
【００３２】
なお、径の変化が端子１５および端部電極２０部のみの例を示したが、連続的な変化や、誘電体ブロック形成時の丸みなどあっても良い。
【００３３】
また、四角柱状の誘電体ブロックを想定して説明したが、円柱状、多角柱状などでも良く、四角柱状誘電体ブロックに限定するものではない。
【００３４】
以上により、端子部分周辺で誘電体ブロックの径が大きくなることで、基板材料等の影響を受け難く、安定したアンテナ特性が得られるアンテナの実現が可能となる。
【００３５】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３によるアンテナの斜視図である。図６において、６０は実施の形態３のアンテナ、６１は円柱状誘電体ブロック、６２、６３は誘電体ブロック６１が貫通する金属製の端子電極、６４は端子電極用固定端子６２，６３からなるバランス給電端子、６５は第一の端子電極に接続する第一のアンテナ電極、６６はアンテナ電極６５に形成されたらせん状スロット、６７は第二の端子電極６３に接続する第二のアンテナ電極、６８はアンテナ電極６７に形成されたらせん状スロット、６９は誘電体ブロック６１が貫通する金属製の端部電極用固定端子である。　固定端子を用いて基板に実装することで、強固な表面実装が可能となる。
【００３６】
図７は実施の形態３の別な形態のアンテナの分解図であり、アンテナ１０を、バランス給電端子に接続する給電用固定端子７１（マイクロストリップ線路２２に接続）、７２と端部電極用固定端子７３を用いて、基板に設けられた穴に落とし込み、固定端子７１，７２をバランス給電用パッドに、固定端子７３を端部電極用パッドに接続することで、より強固に実装可能となる。
【００３７】
以上により、固定端子を用いることで、強固に基板実装可能なアンテナの実現が可能となる。
【００３８】
（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４によるアンテナの側面からの部分図である。図７において、７６は実施の形態４の円柱状誘電体ブロックを用いたヘリカルアンテナ、７７はヘリカル状スロット７８を有するアンテナ電極、７９はアンテナ７６端を固定する端面がテーパ状に変化している固定端子である。以下動作を説明する。
【００３９】
ヘリカルアンテナ７６を誘電体ブロックの軸方向に回すことで、ヘリカル状スロット７８が固定端子７９で短絡される位置がかわり、アンテナ電極７７の展開時の長さが変わる。これにより、ヘリカルアンテナ７６が対応する周波数帯が変化する。これにより、同じアンテナ電極形状の対応する周波数帯を調整可能となる。
【００４０】
以上により、円柱状誘電体ブロックと端面がテーパ状の固定端子を用いることで、対応する周波数帯を調整可能なアンテナの実現が可能となる。
【００４１】
（実施の形態５）
図９（ａ）は本発明の実施の形態５によるアンテナの斜視図、（ｂ）は該アンテナの電極展開図である。図９において、８０は実施の形態５のヘリカルアンテナ、８１ａ、ｂは第一のアンテナ電極１６に設けられた第一のらせん状スロット、８２ａ、ｂは第二のアンテナ電極１６に設けられた第二のらせん状スロットである。第一のらせん状スロット８１ａと８１ｂは誘電体ブロック１１の対向する面から開始するらせん状の形状となっている。第二のらせん状スロット８２ａと８２ｂについても同様である。
【００４２】
第一のらせん状スロット８１ａと８１ｂ、および第二のらせん状スロット８２ａと８２ｂの長さを変えることで、２つの近接する共振周波数を持つ２共振アンテナとして動作し、２つの共振周波数が十分に近い場合には広帯域アンテナとして動作する。
【００４３】
なお、図９ではらせん状スロットを２つ形成した例を示したが、図１０に示すように誘電体ブロックの各面から開始する４つのらせん状スロットを形成してもよい。なお、図１０（ａ）は斜視図、（ｂ）はアンテナ電極の展開図であり、８５は実施の形態５の別な形態のヘリカルアンテナ、８６ａ、ｂ、ｃ、ｄは第一のアンテナ電極１６に設けられた第一のらせん状スロット、８２ａ、ｂ、ｃ、ｄは第二のアンテナ電極１６に設けられた第二のらせん状スロットである。
【００４４】
なお、四角柱状の誘電体ブロックを用いた例を示したが、円柱状、多角柱状の誘電体ブロックを用いても良い。また、円柱状の誘電体ブロックを用いる場合、らせん状スロット間の位置関係が均等になる配置が望ましいが、これに限定するものではない。
【００４５】
以上により、複数のらせん状スロットを設けることで、複数のあるいは広帯域な周波数帯に対応可能なアンテナの実現が可能となる。
【００４６】
（実施の形態６）
図１１は本発明の実施の形態６によるアンテナの斜視図である。図１１において、９０は実施の形態６のヘリカルアンテナ、９１は四角柱状の誘電体ブロック、９２はらせん状スロットを有するアンテナ電極とバランス給電端子を備えた第一のバランス給電ヘリカル電極、９２はバランス給電ヘリカル電極９１とは異なるらせん状スロット長さを有する第二のバランス給電ヘリカル電極である。
【００４７】
第一および第二のバランス給電ヘリカル電極のらせん状スロットの長さが異なるため、対応する周波数が異なり、各々のバランス給電ヘリカル電極へ給電することで、２つの周波数帯への対応が可能となる。
【００４８】
図１２は実施の形態６の別な形態のヘリカルアンテナの斜視図であり、９５はヘリカルアンテナ、９６は第一のバランス給電ヘリカル電極、９７は第ニのバランス給電ヘリカル電極で、９８は第一および第二のバランス給電ヘリカル電極部で径が異なる誘電体ブロックである。高い周波数帯に対応するほど、らせん状スロット長さが短くなるため、相対的に誘電体ブロック径が細い方が望ましくなる。各々の周波数帯に適した誘電体ブロック径とすることで、安定したアンテナ特性が得られる。
【００４９】
なお、表面実装を考慮すると四角柱状の誘電体ブロックが望ましいが、これに限定するものではない。
【００５０】
また、２周波数帯に対応する例を示したが、対応する周波数帯の数を限定するものではない。
【００５１】
以上により、らせん状スロットを有するアンテナ電極とバランス給電端子を備えたバランス給電ヘリカル電極を複数備え各々に給電することで、複数の周波数帯に対応可能なアンテナの実現が可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、誘電体ブロックと、バランス給電端子と、らせん状スロットを有するアンテナ電極でアンテナを構成し、アンテナ電極へバランス給電することで、製造が容易で、表面実装に対応し、良好なインピーダンス特性を備えることができるという効果が得られる。
【００５３】
また、アンテナ固定端子を加え、アンテナ固定端子によりらせん状スロット端の短絡位置を変えることで、らせん状スロットの長さを変えて動作周波数の変更を可能とし、対応する周波数帯の調整ができるという効果が得られる。
【００５４】
更には、アンテナ電極が複数のらせん状スロットを有し、各々異なるらせん状スロット長さにすることで多共振化することで、複数の周波数帯あるいは広帯域な周波数帯に対応することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるアンテナの基板実装状態での斜視図
【図２】本発明の実施の形態１によるアンテナの電極展開図
【図３】本発明の実施の形態１の別な形態によるアンテナの斜視図
【図４】本発明の実施の形態１によるアンテナの別な形態による基板実装状態での斜視図
【図５】本発明の実施の形態２によるアンテナの側面図
【図６】本発明の実施の形態３によるアンテナの斜視図
【図７】本発明の実施の形態３の別な形態によるアンテナの斜視図
【図８】本発明の実施の形態４によるアンテナの斜視図
【図９】（ａ）は本発明の実施の形態５によるアンテナの斜視図（ｂ）は該アンテナの電極展開図
【図１０】（ａ）は本発明の実施の形態５の別な形態によるアンテナの斜視図（ｂ）は該アンテナの電極展開図
【図１１】本発明の実施の形態６によるアンテナの斜視図
【図１２】本発明の実施の形態６の別な形態によるアンテナの斜視図
【図１３】従来のヘリカルアンテナの斜視図
【符号の説明】
１０　誘電体ヘリカルアンテナ
１１　誘電体ブロック
１２　ギャップ
１３　第一の端子電極
１４　第二の端子電極
１５　バランス給電端子
１６　第一のアンテナ電極
１７　第一のらせん状スロット
１８　第二のアンテナ電極
１９　第二のらせん状スロット
２０　端部電極
２１　基板
２２　給電マイクロストリップ線路
２３　バラン
２４　第一の給電パターン
２５　第二の給電パターン
３０　誘電体ヘリカルアンテナ
３１　第一のアンテナ電極
３２　第一のらせん状スロット
３３　第二のアンテナ電極
３４　第二のらせん状スロット
６２　端子電極用固定端子
６３　端子電極用固定端子
６９　端部電極用固定端子
８１　らせん状スロット
８２　らせん状スロット
８６　らせん状スロット
８７　らせん状スロット
９１　バランス給電ヘリカル電極
９２　バランス給電ヘリカル電極
９６　バランス給電ヘリカル電極
９７　バランス給電ヘリカル電極
９８　誘電体ブロック
１０１　ヘリカルアンテナ
１０２　誘電体基体
１０３　給電部
１０４　自由端
１０５　導体
１０６　給電用端子

Claims (21)

1. 誘電体ブロックと、前記誘電体ブロックに１つ以上のギャップを挟んで分離されて配置された複数の端子電極からなるバランス給電端子と、前記複数の端子電極に各々接続するらせん状スロットと、前記誘電体ブロックに配置され、前記らせん状スロットを有する複数のアンテナ電極とから構成されることを特徴とするヘリカルアンテナ。
2. 前記誘電体ブロックに配置した前記ギャップから誘電体ブロックの端部の方向に、端子電極、らせん状スロット、アンテナ電極という順序に配置されたことを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
3. 前記複数のアンテナ電極が巻き方向の異なるらせん状スロットを有することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
4. 前記複数のアンテナ電極が同じ巻き方向のらせん状スロットを有することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
5. 前記複数のアンテナ電極に各々接続された１つまたは複数の端部電極を誘電体ブロックの端部に有すること特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
6. 前記誘電体ブロックは、四角柱状であることを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
7. 前記誘電体ブロックは、円柱状であることを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
8. 前記誘電体ブロックは、多角柱状であることを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
9. 前記バランス給電端子の周辺および前記端部電極の周辺で誘電体ブロックが太い形状であること特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
10. 前記バランス給電端子および端部電極に接続された固定端子を有することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
11. 前記ヘリカルアンテナを実装する基板に設けられた穴に落とし込んだ状態で給電可能な固定端子を有することを特徴とする請求項１０記載のヘリカルアンテナ。
12. 端面がテーパ状の前記固定端子を有し、誘電体ブロックを回転することでアンテナ電極の展開時の長さを変化させることを特徴とする請求項１０記載のヘリカルアンテナ。
13. １つの前記アンテナ電極が、複数のらせん状スロットを有することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
14. 前記複数のアンテナ電極が、対向する面から開始する２つのらせん状スロットを有することを特徴とする請求項１３記載のヘリカルアンテナ。
15. 前記複数のアンテナ電極が、電極各面から開始する４つのらせん状スロットを有することを特徴とする請求項１３記載のヘリカルアンテナ。
16. 各々の前記らせん状スロットの長さが異なることを特徴とする請求項１３記載のヘリカルアンテナ。
17. １本の誘電体ブロックに、バランス給電端子と複数のアンテナ電極からなるバランス給電ヘリカル電極を複数備え、前記バランス給電端子に各々給電し複数の周波数帯に対応することを特徴とするヘリカルアンテナ。
18. 各々の前記バランス給電ヘリカル電極のらせん状スロットの長さが異なることを特徴とする請求項１７記載のヘリカルアンテナ。
19. 各々の前記バランス給電ヘリカル電極は、誘電体ブロックの径が異なることを特徴とする請求項１７記載のヘリカルアンテナ。
20. 請求項１から１９のいずれかに記載のヘリカルアンテナを用いたことを特徴とする無線機。
21. 請求項２０記載の無線機を使用したことを特徴とする無線システム。

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