JP2008141653A

JP2008141653A - 微小スペース巻きヘリカルアンテナ

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Publication number: JP2008141653A
Application number: JP2006328128A
Authority: JP
Inventors: Masaki Suyama; 正樹須山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】外部コイル状導体を細径化しても成型性を悪化させることなく剛性を高めることができ、アンテナの一層の小型化が可能で、高周波帯域の電波を送受信するアンテナとしても好適なヘリカルアンテナを得る。
【解決手段】真直ワイヤ状の内部導体３２と外部コイル状導体３３とから成るヘリカルアンテナ３１の外部コイル状導体３３を、導電性と機械的強度が両立する金属（例えばベリリウム銅）のワイヤ３３ａからなる単一金属で絶縁被覆の無いワイヤを微小なコイル間隙ｓを持つスペース巻きでコイル状に成型したものとする。あるいは、高剛性金属（例えばステンレス鋼）の芯材の外周にメッキもしくはクラッドにより高導電性金属（例えば銅）の外周材を一体化した２層構造で絶縁被覆の無いワイヤを微小なコイル間隙ｓを持つスペース巻きでコイル状に成型したものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば移動体通信端末局に適用するのが好適な小型アンテナに関するものである。

近年、移動体通信の発展に伴い、端末局（移動体通信端末局）におけるアンテナの小型化並びに高効率化への要求が高まっている。しかし、従来のアンテナは、小型化によって波長比寸法が減少すると、急激に放射効率が低下してアンテナ利得が減少し、また、移動体通信端末局において一般的な５０Ω給電線とのインピーダンス整合が取れなくなる。そのため、波長比寸法が１／２０以下の小型アンテナでは５０Ω給電系との整合のために変成器を必要とするのが一般的であった。そこで、変成器を必要とせず、給電構造が単純で、携帯電話等の小型通信機に装着して使用可能な小型アンテナとして、図３（ａ）に示すような、真直ワイヤ状の内部導体２と、該内部導体２を中心として同軸に配置した密巻きコイル状で表面が絶縁被覆された外部コイル状導体３とで構成し、５０Ω系コネクタ上に形成する小型の密巻きヘリカルアンテナ１が開発された（例えば、非特許文献１、特許文献１参照。）。この密巻きヘリカルアンテナ１は、内部導体２の一端部を５０Ω給電線の給電側導体に接続自在とし、外部コイル状導体３の一端部を無給電側導体に接続自在とする。この密巻きヘリカルアンテナ１の外部コイル状導体３は、図３（ｂ）に拡大断面で示すように、円形断面の導体ワイヤ３ａの表面に絶縁被覆４を設けたものである。絶縁被覆４としてエナメルを被覆するのが一般的である。そして、エナメル被覆する導体ワイヤは一般的に銅線である。

この密巻きヘリカルアンテナ１は、密巻きコイル状の導体素子を外部導体（外部コイル状導体）として使用することでアンテナ軸方向の長さ（アンテナ高さ）を短縮（素子長が一定でアンテナ高最小）するとともに、給電する内部導体２（１次導体）を無給電の外部コイル状導体３（２次導体）の中心に同軸配置する構成により給電点インピーダンスをステップアップし、且つ、外部コイル状導体３（２次導体）を太くし、内部導体２（１次導体）の直径に対する外部コイル状導体３（２次導体）のコイル内径の比を大きくすることで変成比を高めて、整合器がなくても５０Ω給電線との整合が取れるようにしたものである。この場合、給電法としては、外部コイル状導体３と内部導体２の先端を短絡する方法と、先端を開放とする方法が可能で、先端を短絡した場合にはアンテナ高を約１／２６波長、先端を開放した場合にはアンテナ高を約１／８０波長と小型化できる。いずれの場合も、通常のモノポールアンテナ（ダイポール）と同様の指向性を有し、アンテナ利得はダイポール比で約−１５ｄＢｄに抑えることができ、また、地板を必要としない。

「電子情報通信学会論文誌」，２００４年４月、Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｂ、Ｎｏ．４、ｐ．５２４−５３４）特開２００３−１５２４２７号公報

上述のように、真直ワイヤ状の内部導体を中心として密巻きコイル状で表面が絶縁被覆された外部コイル状導体を同軸配置して成る密巻きヘリカルアンテナは、小型化が可能で、変成器を必要とせず、給電構造が単純で、移動体通信端末局である携帯電話等の小型通信機に装着して使用する小型アンテナとして好適である。しかしながら、上記従来の密巻きヘリカルアンテナの技術は、例えば２００〜５００ＭＨｚというＶＨＦ帯近傍の電波を送受信するアンテナを想定したものであり、一般的にマイクロ波と呼ばれる１０００ＭＨｚを超える例えば２４００ＭＨｚといったＧＨｚオーダーの高周波帯域の電波を送受信するアンテナに適用し、アンテナ自体が一層小型化する場合には問題が生ずる。

つまり、マイクロ波帯の電波を送受信するアンテナの場合には、波長に応じてアンテナ高さを更に短縮するよう外部導体（外部コイル状導体）となる導体ワイヤを細径化することになるが、外部導体（外部コイル状導体）となる導体ワイヤを細径化すると、外部コイル状導体が銅線である従来の密巻きヘリカルアンテナでは、外部コイル状導体の機械的強度（剛性）を確保できなくなって、剛性不足で形状（例えば、コイル間隔）が変化し、共振周波数に偏差が生じて、所望の周波数における送受信ができなくなるなど、アンテナとしての有効性に問題が生ずる。

そこで、外部コイル状導体の材料（導体ワイヤ）として、銅よりも機械的強度が高く、導電性と機械的強度が両立する金属、例えばベリリウム銅のワイヤを用いたり、ステンレス鋼等の高剛性金属の芯材の外周に銅等の高導電性金属をメッキもしくはクラッドした２層構造の導体ワイヤを用いることが考えられる。しかし、表面が絶縁被覆された導体ワイヤを成型して外部コイル状導体とする上記従来の密巻きヘリカルアンテナの構成では、外部コイル状導体の材料（導体ワイヤ）に、ベリリウム銅や、複層構造で芯材がステンレス鋼等の、銅よりも機械的強度の高い金属を用いたのでは、絶縁被覆を損なわずにコイル状に成型することが難しくなる。絶縁被覆したワイヤを絶縁被覆の損傷を避けながらコイル状に成型するには、軸巻式のコイル成型機（軸に素材を巻き付けて成型する方式の成型機）を用いてデリケートな運転制御により成型を行うことが要求されるが、導体ワイヤの剛性が高くなると、そうしたデリケートな運転制御による成型が困難となる。

本発明はこうした問題を解消するもので、外部コイル状導体を細径化しても、成型性を悪化させることなく剛性を高めて共振周波数の偏差を小さくすることができて、アンテナの一層の小型化が可能で、高周波帯域の電波を送受信するアンテナとしても好適なヘリカルアンテナを得ることを目的とする。

本発明は、ヘリカルアンテナを、外部コイル状導体をコイル間に微小な間隙を設けたスペース巻きコイル状に成型した微小スペース巻きヘリカルアンテナとするものである。この微小スペース巻きヘリカルアンテナは、真直ワイヤ状の内部導体と、内部導体を中心として同軸に配置した外部コイル状導体とから成り、内部導体の一端部を給電線の給電側導体に接続自在とし、外部コイル状導体の一端部を無給電側導体に接続自在とするヘリカルアンテナであって、外部コイル状導体が、コイル間に微小な間隙を設けたスペース巻きコイル状に成型されていることを特徴とする。

このヘリカルアンテナは、内部導体の他端部と外部コイル状導体の他端部とを導体で接続したもの（短絡型）であってよく、また、内部導体の他端部と外部導体の他端部とを接続しないもの（開放型）であってもよい。

そして、この微小スペース巻きヘリカルアンテナの外部コイル状導体は、外周面に絶縁被覆層が無い単一金属（例えばベリリウム銅）の導体ワイヤで形成されているものであってよい。

また、この微小スペース巻きヘリカルアンテナの外部コイル状導体は、外周面に絶縁被覆層が無い複層構造（例えば芯材がステンレス鋼で外周材が銅の２層構造）の導体ワイヤで形成されているものであってよい。

そして、この微小スペース巻きヘリカルアンテナは、コイル間の間隙の大きさが１０〜５０μｍであるのが望ましい。

この微小スペース巻きヘリカルアンテナは、外部コイル状導体がコイル間に微小な間隙を設けたスペース巻きコイル状に成型されるものであって、軸巻式のコイル成型機（軸に素材を巻き付けて成型する方式の成型機）を用いたデリケートな運転制御による成型の必要がなく、コイリング式のコイル成型機（素材を押し出して、金型に押し当てることで曲げ加工する方式の成型機）の運転制御により巻きピッチを管理でき、適切な精度を有するコイル成型機を用いることで、導体材料を選ばずに意図した寸法の外部コイル状導体を容易に作ることが可能となって、機械的強度（剛性）の高いアンテナを得ることができ（外部コイル状導体のワイヤ径が同じ場合）、高周波帯域での送受信のためにアンテナ高さを短縮するよう外部コイル状導体の導体ワイヤを細径化しても、成型性を悪化させることなく機械的強度（剛性）を確保して共振周波数の偏差を小さくすることができ、高周波帯域での送受信のためのアンテナの小型化を実現することができる。そして、コイリング式のコイル成型機が使用可能となるため、量産性が著しく向上する。また、ワイヤへ絶縁被覆層を被覆する必要が無くなり、被覆工程を削除できる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高周波帯域での送受信のためにアンテナ高さを短縮するよう外部コイル状導体の導体ワイヤを細径化しても、成型性を悪化させることなく機械的強度（剛性）を確保して共振周波数の偏差を小さくすることができ、高周波帯域での送受信のためのアンテナの小型化を実現することができる。そして、コイリング式のコイル成型機が使用可能となるため、量産性が著しく向上する。また、ワイヤへ絶縁被覆層を被覆する必要が無くなり、被覆工程を削除できる。

図１は本発明の実施形態の第１例の微小スペース巻きヘリカルアンテナを示している。（ａ）はアンテナ概略構成図、（ｂ）は外部コイル状導体のワイヤ断面図である。

図１（ａ）に符号３１で示すこの実施形態（第２例）のアンテナ（微小スペース巻きヘリカルアンテナ）は、真直ワイヤ状の内部導体３２と、該内部導体３２を中心として同軸に配置した微小なコイル間隙を持つスペース巻きの外部コイル状導体３３とで構成し、内部導体３２の一端部を５０Ω給電線の給電側導体（図示せず）に接続自在とし、外部コイル状導体３３の一端部を無給電側導体（図示せず）に接続自在とするものである。

内部導体３２は例えば銅線で形成する。また、外部コイル状導体３３は、図１（ｂ）に示すように、導電性と機械的強度が両立する金属（例えばベリリウム銅）のワイヤ３３ａからなる絶縁被覆の無い単一金属の導体ワイヤである。図示の例では、内部導体３２の断面形状は円形である。また、外部コイル状導体３３のワイヤの断面形状も円形である。そして、この単一金属の導体ワイヤを、微小なコイル間隙を持つスペース巻きでコイル状に成型する。すなわち、ワイヤ径をｄ₂とし、コイル間隙をｓとして、ｓ＝ｐ₂−ｄ₂を満足するピッチｐ₂でコイリングして外部コイル状導体３３とする。なお、外部コイル状導体３３の断面形状は、円形断面形状のワイヤをローラー圧延して成る平線状、あるいはその他の矩形に準じた略矩形の断面形状であってもよい。

コイル間隙ｓは、１０〜５０μｍとするのが望ましい。コイル間隙ｓが１０μｍより小さいスペース巻きは製作上困難である。また、コイル間隙ｓが大きくなるに従い、所望の周波数で共振するアンテナを得るために必要な外部コイル状導体の全長が長くなって、アンテナを小型化する効果が低下することがわかっており、コイル間隙ｓは５０μｍ程度を上限とすることが合理的である。

このアンテナ３１は、５０Ω系コネクタ（図示せず）上に直接形成してもよく、また、内部導体３２と外部コイル状導体３３を別途手段で固定し、一端側（下端側）をプリント基板上の伝送線路およびグラウンド（ＧＮＤ）に接続してもよい。

また、このアンテナ３１は、内部導体３２の他端部と外部コイル状導体３３の他端部とを導体で接続したもの（短絡型）であってよく、また、内部導体３２の他端部と外部コイル状導体３３の他端部とを接続しないもの（開放型）であってもよい。また、内部導体３２と外部コイル状導体３３の間に、ＰＴＦＥ、スチレン等の合成樹脂絶縁物を介在させてもよい。

図２は本発明の実施形態の第２例の微小スペース巻きヘリカルアンテナを示している。（ａ）はアンテナ概略構成図、（ｂ）は外部コイル状導体のワイヤ断面図である。

図２（ａ）に符号２１で示すこの実施形態（第２例）のヘリカルアンテナは、真直ワイヤ状の内部導体２２と、該内部導体２２を中心として同軸に配置した微小なコイル間隙を持つスペース巻きの外部コイル状導体２３とで構成し、内部導体２２の一端部を５０Ω給電線の給電側導体（図示せず）に接続自在とし、外部コイル状導体２３の一端部を無給電側導体（図示せず）に接続自在とするものである。

内部導体２２は例えば銅線で形成する。また、外部コイル状導体２３は、図２（ｂ）に示すように、高剛性金属（外周材２３ｂよりも高剛性の金属、例えばステンレス鋼）を芯材２３ａとして、この芯材２３ａの外周に高導電性金属（芯材２３ａよりも高導電性の金属、例えば銅）の外周材２３ｂを一体化した２層構造のワイヤ（導体ワイヤ）とする。この場合、外周材２３ｂの表面に絶縁被覆は設けない。図示の例では、内部導体２２の断面形状は円形であり、外部コイル状導体２３の断面形状も円形である。そして、この２層構造の導体ワイヤを、微小なコイル間隙を持つスペース巻きでコイル状に成型する。すなわち、ワイヤ径をｄ₂とし、コイル間隙をｓとして、ｓ＝ｐ₂−ｄ₂を満足するピッチｐ₂でコイリングして外部コイル状導体２３とする。なお、外部コイル状導体２３の断面形状は、円形断面形状のワイヤをローラー圧延して成る平線状、あるいはその他の矩形に準じた略矩形の断面形状であってもよい。

外部コイル状導体２３とする２層構造の導体ワイヤは、高剛性金属（例えばステンレス鋼）のワイヤの外周に高導電性金属（例えば銅）をメッキすることにより、あるいは、高剛性金属（例えばステンレス鋼）のワイヤに高導電性金属（例えば銅）の管を被せた後、伸線加工により圧接しクラッドすることにより、あるいはその他の方法で製造することができる。

このヘリカルアンテナ２１は、５０Ω系コネクタ（図示せず）上に直接形成してもよく、また、内部導体２２と外部コイル状導体２３を別途手段で固定し、一端側（下端側）をプリント基板上の伝送線路およびグラウンド（ＧＮＤ）に接続してもよい。

また、このヘリカルアンテナ２１は、内部導体２２の他端部と外部コイル状導体２３の他端部とを導体で接続したもの（短絡型）であってよく、また、内部導体２２の他端部と外部コイル状導体２３の他端部とを接続しないもの（開放型）であってもよい。また、内部導体２２と外部コイル状導体２３の間に、ＰＴＦＥ、スチレン等の合成樹脂絶縁物を介在させてもよい。

以上、実施形態を図示の例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他様々な形態で実施することが可能である。

本発明の実施形態のヘリカルアンテナの第１例を示すもので、（ａ）はアンテナ概略構成図、（ｂ）は外部コイル状導体のワイヤ断面図である。本発明の実施形態のヘリカルアンテナの第２例を示すもので、（ａ）はアンテナ概略構成図、（ｂ）は外部コイル状導体のワイヤ断面図である。従来のヘリカルアンテナを示すもので、（ａ）はアンテナ概略構成図、（ｂ）は外部コイル状導体のワイヤ断面図である。

符号の説明

２１、３１ヘリカルアンテナ
２２、３２内部導体
２３、３３外部コイル状導体
ｄ₂ ワイヤ径
ｐ₂ ピッチ
ｓコイル間隙

Claims

真直ワイヤ状の内部導体と、該内部導体を中心として同軸に配置した外部コイル状導体とから成り、内部導体の一端部を給電線の給電側導体に接続自在とし、外部コイル状導体の一端部を無給電側導体に接続自在とするヘリカルアンテナであって、
前記外部コイル状導体が、コイル間に微小な間隙を設けたスペース巻きコイル状に成型されていることを特徴とする微小スペース巻きヘリカルアンテナ。
前記外部コイル状導体は、外周面に絶縁被覆層が無い単一金属の導体ワイヤで形成されている請求項１記載の微小スペース巻きヘリカルアンテナ。
前記外部コイル状導体は、外周面に絶縁被覆層が無い複層構造の導体ワイヤで形成されている請求項１記載の微小スペース巻きヘリカルアンテナ。
前記間隙の大きさが１０〜５０μｍである請求項１、２または３記載の微小スペース巻きヘリカルアンテナ。