JP2006109462A - アンテナ - Google Patents
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Abstract
【課題】 バラン変換器を有する新型アンテナ構造を提供する。
【解決手段】 アンテナは中央連結領域を有する中心コアを有する。1対の螺旋状アンテナラインは中心コアの表面に形成される。バラン変換器は回路基板に形成され、1対の放射アンテナラインに電気的に接続される。そして、回路基板は中心コアの中央連結領域内に取り付けられる突出構造を有する。アンテナの信号入力/出力(I/O)端はバラン変換器の他端にある。半波長の差を良好に生成するために、バラン変換器は、好ましくは、所望の等価共振長を有する2つの経路においてLC共振器を用いる。
【選択図】 図4
【解決手段】 アンテナは中央連結領域を有する中心コアを有する。1対の螺旋状アンテナラインは中心コアの表面に形成される。バラン変換器は回路基板に形成され、1対の放射アンテナラインに電気的に接続される。そして、回路基板は中心コアの中央連結領域内に取り付けられる突出構造を有する。アンテナの信号入力/出力(I/O)端はバラン変換器の他端にある。半波長の差を良好に生成するために、バラン変換器は、好ましくは、所望の等価共振長を有する2つの経路においてLC共振器を用いる。
【選択図】 図4
Description
本発明はアンテナ構造に関するものである。特に、本発明は誘電体コア上のヘリカルアンテナに関するものである。
アンテナは無線通信において必要な要素である。通常、情報を運ぶ無線周波数(RF)信号は、アンテナにて送信または受信される。そして、RF信号は運ばれる実際の情報を取得するためにさらに処理される。信号処理回路の設計のため、電磁波のRF信号は所望の偏波状態を有する。通常、それは直線偏波または円偏波である。偏波状態は特定のアンテナ構造により生成可能である。
現代生活において、携帯電話は非常にポピュラーな無線通信装置となっている。携帯電話は位置を特定するためにGPSを使用する必要もある。GPSユニットの体積を減らすためには、アンテナのサイズを小さくする必要がある。特に、携帯電話の体積を減らすことを目的としている場合には、アンテナのサイズも小さくする必要がある。
円偏波RF信号を生成する基本的なアンテナ構造はこの技術においてよく知られている。図1は、基本的な従来の円偏波のアンテナの構成である。図1では、2つのアンテナライン構造100,102は互いに直交交差して構成されている。2つのアンテナライン構造100,102はまっすぐな信号ケーブル104に設けられる。2つのアンテナライン構造100,102は個々に、先端106にて信号ケーブル104に電気的に接続される。他端108の2つのアンテナライン構造100,102は共通に接続される。2つのアンテナライン構造100,102のアンテナの長さの差を調整することにより、円偏波が取得可能である。
図1のアンテナ構造はやや従来のものである。その上動作については詳細に説明しない。図1のアンテナ構造では誘電体材料が使用されていないため、所望の波長を生成するためにはそのサイズは大きくなる。図2は、ヘリカルアンテナの他の従来デザインである。この従来のアンテナ製品は、ヘリカルクワッドアンテナ(QHA)の一種である。基本的に、2対のアンテナライン120は螺旋構造であり、誘電体ロッドコア122上に形成される。高誘電率を有する誘電体コアを使用する際、アンテナの入力インピーダンスZinは約1〜5オームである。しかしながら、通常の信号ケーブルのインピーダンスは信号処理側において、50オームである。従って、長い低インピーダンスケーブル124がインピーダンス変換には必要とされる。この種のケーブルはかなり高価である。そしてまた、このアンテナには信号接続端とは反対の底部側に大きなバラン変換器126が必要である。このように、バラン変換器126はかなりのスペースを占めるため、アンテナのサイズをさらに小さくすることは不可能である。
さらに小型化されたアンテナのより良い性能を得るために、アンテナのいくつかの他の設計が今もなお開発中である。製造者は小型化され十分な機能を有するアンテナをなお積極的に設計しようとしている。これにより、アンテナは種々の無線通信装置において幅広く利用可能となる。
本発明は、回路基板上に形成されたバラン変換器を有するアンテナ構造を提供する。その結果、螺旋状線部およびバラン変換器は互いに電気的に接続される。バラン変換器は螺旋状線部の1対のアンテナ線の間における良好なバランスを維持することができる。本発明のヘリカルアンテナは、例えば、ヘリカルクワッドアンテナ(QHA)や二重ヘリカルアンテナ(BHA)とすることができる。
本発明の一の形態では、本発明は中央連結領域を有する中心コアを備えるアンテナを提供する。少なくとも1対の螺旋状アンテナラインが中心コアの表面に形成される。バラン変換器は回路基板上に形成され、1対の放射アンテナラインに電気的に接続される。そして、回路基板は中心コアの中央連結領域内に取り付けられる突出構造を有する。アンテナの信号入力/出力(I/O)端はバラン変換器の他端にある。
本発明の他の形態では、1対の放射アンテナラインは、電流が最小となる位置に、蛇行構造または線幅調整構造を含む。通常、その位置は螺旋状アンテナラインのおよそ中央領域にある。
本発明の他の形態では、バラン変換器は2つの経路を含み、各経路の所望の等価長が得られるように、各経路はコンデンサおよびインダクタを含む。そしてまた、バラン部はインピーダンスマッチングのための変換機能を提供することもできる。
本発明の他の形態では、バラン変換器の2つの経路は回路基板の同一面、または、回路基板の異なる面に形成される。
本発明の他の形態では、本発明はアンテナ放射部に対する電気的な接続における利用に適しているバラン変換器を提供する。バラン変換器は回路基板を備える。第一等価長を有する第一経路は回路基板に形成される。第一経路はコンデンサおよびインダクタからなる回路を含む。第二等価長を有する第二経路は回路基板に形成され、コンデンサおよびインダクタからなる回路を含む。そして、第一経路および第二経路は、信号入力/出力(I/O)端として機能するとともに共通に接続される節点を有する。
既述の一般的な説明および下記の詳細な説明は典型例であり、クレームされる発明のさらなる説明を提供することを目的としていることが理解される。
本発明において、アンテナの設計原理は、分離した回路基板上にバラン変換器を配置することである。アンテナ放射部は分離され、セラミックロッドコアのような誘電体コアに形成される。そして、バラン変換器はアンテナ放射部に電気的に接続される。信号はバラン変換器の他端から供給される。バラン変換器はバラン効果およびインピーダンス変換の効果を有する。
実施の形態は説明のための例として設けられる。図3.Aおよび図3.Bは、本発明の実施の形態に係るヘリカルアンテナの構成を概略的に示す斜視図である。図3.Aでは、アンテナコア130はアンテナの中間材として用いられる。アンテナコア130は、例えば、セラミックロッドのような誘電体ロッドであってもよい。スルーホールは、例えば、中央領域に形成される。しかしながら、このスルーホールは、後述するように、回路基板132をアンテナコア130に容易に接続するための設計上の選択にすぎない。このスルーホールは唯一の選択ではない。一般的に、これは中央連結領域または中央連結構造といわれる。放射アンテナラインは、後述するように、アンテナコア130の表面に形成されることになっている。
図3.Bでは、回路基板132が示されている。アンテナのバラン変換器は回路基板132上に別途形成される。回路基板132をしっかりと取り付けるために、回路基板132は、回路基板132を機械的に合わせるための溝を含むアンテナコア130のスルーホール内に挿入される突出構造134を有する。回路の設計については以下に述べる。
図4、図5.A、図5.B、図6.Aおよび図6.Bは、本発明の実施の形態に係る螺旋状ライン、および、螺旋状ラインとバラン基板との連結構造について種々のデザインを概略的に示す斜視図である。
図4においては、アンテナは通常1対または2対の放射ライン140で形成される。ここで、QHAのような2対を例として示す。十分な放射長を得るために、放射ライン140は螺旋型とされる。この例は円偏波状態を生成するQHAであるが、本発明における一例であってこれに限定されない。螺旋状放射ライン140はアンテナコア130の表面に形成される。本発明によれば、複数対の螺旋状ラインは回路基板132上のバラン変換器に接続される末端とは反対の他端で金属リング142により相互に接続さる。リング142は従来のバランではないため、リング142の幅を小さくすることが可能であることに注目すべきである。
各対の螺旋状ライン140はそれぞれ回路基板132上のバラン変換器の回路経路に接続される。詳細については後述する。このように、放射螺旋状ライン140はアンテナコア130に形成される。すなわち、バラン変換器はアンテナコア130には形成されない。従って、アンテナコア130の長さを効果的に小さくすることができる。
螺旋状ラインの十分な長さを得るために、図5.Aでは他の設計を示している。1つのBHAに関して、ライン幅は1対上の位置144にて狭い。狭い幅によって、実際の物理的長さが同じであっても短い等価長が生成される。電磁波理論によれば、2対のBHAの異なる作動長はQHAのような円偏波を生成する。位置144の選択は大きな放射損失を防止することが考慮される。この考慮においては、最小電流のアンテナ位置が好ましい。従って、位置144は、通常は電流が小さくなる螺旋状ラインのおよそ中央領域に好ましくは位置される。位置144は、図5.Bに示すように、金属リング142付近の螺旋状ラインの端に位置されてもよい。
図6.Aでは、螺旋状ラインの他のデザインが示されている。この例では、十分な長さを得るために蛇行構造146が用いられるが、拡張はこれよりは短い。図5.Aまたは図5.Bに示すように、螺旋状ライン140の線幅は必ずしも小さくされなくてもよい。しかしながら、蛇行構造146は必要とされる長さを提供するので、螺旋状ライン140全体の拡張長さは短くなる。従ってアンテナ全体のサイズも効果的に小さくされる。蛇行構造146の位置は、図5.Aまたは図5.Bの位置144と同様に考慮される。すなわち、蛇行構造146は好ましくは比較的小さい電流、または、最小電流の場所に位置される。図6.Bでは、螺旋状ラインと回路基板132との間における接続点の他の設計が示されている。図5.Aまたは図5.Bの細線化した位置144および図6.Aの蛇行構造146がなくても、コアに応じて回路基板132を回転することにより2対の螺旋状ライン140の間における異なる長さを提供することが可能である。図6.Bに示すように、回路基板132および螺旋状ライン140の間において電気的に接続されるX点およびY点は非対称である。従って、X−a−(螺旋状ライン)−d−Yの全長は、X−e−(螺旋状ライン)−h−Yよりも短くなる。
図4、図5.A、図5.B、図6.Aおよび図6.Bで説明した構成の場合、これらの方法はBHAの異なる共振周波数を提供することができる。適切な異なる共振周波数を有する2つのBHAのものを用いると、2つのBHAから形成されるQHAの設計は1つの円偏波のQHAを実現することができる。共振周波数は等価作動長を調整することにより調整される。
螺旋状放射ライン140は2対で形成され、螺旋構造は例としてQHAである。しかしながら、供給信号は通常はこのようではない。通常の技能を有する当業者に知られるように、アンテナには信号を1つから1対にバランス良く変換するバランが必要である。本発明では、バラン変換器は回路基板に別途形成される。そしてまた、バラン変換器はインピーダンスを合わせる能力を提供することもできる。本発明において、従来の高価な変換ケーブル124(図2参照)は必要ではない。図7は、本発明の実施の形態に係るバラン回路基板の構成を概略的に示す図である。図7では、バラン回路は2つの経路1および2を有する回路基板132上に形成される。各経路はコンデンサおよびインダクタを含む。例えば、経路1には、LC共振器174を形成する、コンデンサ174aおよびインダクタ174bが含まれる。インダクタ174bは単に細い金属線で形成されてもよい。LC共振の特性により、3/4λのような等価長を生成することができる。経路1の他端170は、すなわち、50オームの入力信号を受信している。同様に、経路2にもまたLC共振器172を形成する、コンデンサ172aおよびインダクタ172bが含まれる。その相違はコンデンサ172aおよびインダクタ172bの連結構造にある。インダクタ172bおよび174bの数量は容易に実施するために同じであってもよい。コンデンサ172aおよび174aの数量も同様である。経路2は長さ1/4λを有することが望まれる。その結果、2つの経路は半波長の差を有し、180度の位相差を生成し、バラン機能を果たす。経路2の他端は、端170で経路に接続される。これにより、50オームの入力信号がバラン回路に供給され、螺旋状ライン140に入る。他端での入力インピーダンスは、約1〜5オームである。従って、インピーダンス変換が追加の変換ケーブルなしに同時に実現される。
図8は、本発明の実施の形態に係る図7のバラン回路の等価回路を概略的に示す回路図である。図8では、50オームの信号が経路1および経路2に同時に供給される。経路1では、入力信号はグランドに接続されるインダクタL、および、第1出力端に接続されるコンデンサCを有するLC共振器を通過する。経路2では、入力信号はグランドに接続されるコンデンサC、および、第2出力端に接続されるインダクタLを有するLC共振器を通過する。バラン回路は、1対の螺旋状ライン140のバランスが実現されるように、例えば、180度の位相差を生成するために用いられる。
図9は、本発明の実施の形態に係るQHAタイプの螺旋状ラインとバラン回路との連結構造を概略的に示す構成図である。図9では、本発明のQHAは両側から示される。一方の側の図(左図)では、回路基板132はスルーホール(図3.Aおよび図3.B参照)に挿入される。そして、経路1および経路2はそれぞれ螺旋状ライン140に接続される。信号バランスの要因は、より良い性能を有するために非常に重要であるため、本発明のバラン回路は螺旋状ライン140に等しく供給されてバランス動作を維持することができる。本発明では、バラン回路は回路基板132上に形成されるため、回路基板132の突出構造134を設計することにより、バラン回路は螺旋状ライン140に適切に電気的に接続される。説明は単なる一例である。ここで、接地領域は回路基板の裏側に形成される。
既述のアンテナはQHAタイプである。しかしながら、QHAは基本的には異なる共振周波数を有する2対のBHAにより構成される。図7に示すバラン回路は一例であり、ここでは2つの経路1および2は回路基板の同一面に形成される。あるいは、2つの経路は多層構造を有する回路基板132の両面にそれぞれ形成されてもよい。回路基板の両面上のバラン回路の設計は下記に示される。
図10.aないし図10.cは、本発明の実施の形態に係るBHAタイプの螺旋状ラインとバラン回路との連結構造を概略的に示す構成図である。ここで、BHAは一例として取り上げられているが、同様の設計原理はQHAにも適用可能である。図10.aは、BHAの一方の側について示している。例えば、経路1のみがこの側面に形成される。回路基板132を中心コア130に取り付けた後、出力端が1つの螺旋状ラインに適切に電気的に接続される。図10.bは、図10.aに示すものとは反対側からの図である。経路2は、もう一方の螺旋状ラインに電気的に接続するために、この側に形成される。接地面は、信号を2つの経路で分離するために、多層回路基板132の中間層に配置される。入力信号は経路1および経路2に同時に供給される。2つの経路に対する信号入力設計はこの技術において種々の選択肢がある。図10.cでは、側面図が示されている。回路基板132の両側における2つの経路1,2が1対の螺旋状ラインに適切に接続可能であることが分かる。
図11.aおよび図11.bは、本発明の他の実施の形態に係るBHAタイプの螺旋状ラインとバラン回路との連結構造を概略的に示す構成図である。図7のバラン回路も中心コア130に適用可能である。図11.aは一方の側を示し、図11.bはその反対側を示している。しかしながら、接続におけるより良いバランスを得るために、回路基板132は、経路に合わせるように90度回転される。
一般的に、本発明のバラン回路は対構造を有するいずれのタイプのアンテナにも適用可能である。QHAまたはBHAは説明のための例である。バラン回路は回路基板上に形成されるため、2つの経路は同一面、あるいは、異なる面に形成可能である。接続バランスは容易に実現される。これにより、動作における信号バランスがさらに向上される。既述の説明における設計特性は、QHAまたはBHAにのみ限定することなく互いに組み合わせ可能である。さらに、バラン回路は一般的なアンテナ設計に適用可能である。バラン回路は回路基板上に形成されるため、バラン回路は種々の可能性のあるアンテナ設計に容易に適合できる。
さらに、本発明の新型アンテナは無線通信装置にも適用可能である。図12は、無線通信装置における本発明のアンテナの適用を概略的に示す図である。図12では、無線通信装置は、例えば、携帯電話を含む。携帯電話のような無線通信装置は、必要ないずれの信号処理および/または表示をも行う機能ユニット300を含む。本発明の新型アンテナ302にはRF信号を受信および送信することが含まれる。本発明では小型化されたアンテナを提案している。特に、バラン回路は、例えばLC共振器によって回路基板上に分離して形成される。
発明の範囲や精神を逸脱しない限り、種々の改良および変形が本発明の構成になされてもよいことは当業者にとって明らかである。既述の説明を考慮すると、改良および変形が下記クレームおよびそれらの均等の範囲内であるならば、発明はこの発明の改良および変形を含むと意図される。例えば、バラン変換器はマッチングユニットに置き換え可能である。マッチングユニットは2つの経路に接続されるコンデンサで実現される。
付随する図面は発明のさらなる理解を提供するために含まれて、この明細書に組み込まれ、そしてその一部を構成している。図面は発明の実施の形態を示し、説明と併せて発明の原理を説明するために役立てられる。
Claims (6)
- アンテナであって、
中央連結領域を有する中心コアと、
前記中心コアの表面に形成された1対または2対の放射アンテナラインと、
前記対の放射アンテナラインに電気的に接続された回路基板と、
を備え、
前記回路基板は前記中心コアの前記中央連結領域内に取り付けられる突出構造を有し、前記アンテナの信号入力/出力(I/O)端は前記回路基板に電気的に接続される。 - 請求項1のアンテナであって、
前記対の放射アンテナラインは蛇行構造または線幅調整構造を含む。 - 請求項1のアンテナであって、
前記対の放射アンテナラインは前記中心コアの先端に近接する領域に線幅調整構造を含む。 - 請求項1のアンテナであって、
前記回路基板と前記放射アンテナラインとの間において電気的に接続される位置は非対称である。 - 請求項1のアンテナであって、
前記中心コアの前記中央連結領域は前記回路基板の前記突出構造に合うように溝のある穴を有する。 - 無線通信装置であって、
データ処理および情報表示を行う主機能ユニットと、
無線周波数(RF)信号を送信および受信する請求項1に記載のアンテナと、
を備える。
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