JP2008530860A - 小型広帯域ヘリカルアンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、金属テープストリップを非金属テープ上に斜めに配置することによって構成されるヘリカルアンテナアセンブリのための方法および装置を提供する。テープアセンブリは次いで、誘電体コアに巻かれる。金属テープストリップは、電気コネクタおよび中心導体に結合され、その中心導体は誘電体コアの中心を通って配置されている。テープアセンブリは、テープアセンブリが誘電体コアから分離するのを防止するために、誘電体コアの端部において折り曲げられる１つまたは２つのタブを有してもよい。タブは、中心導体に固定されるアイレットによってピン留めすることができる。テープアセンブリの導電部分のピッチは、そのテープアセンブリを誘電体コアに巻き付けたときに所望の電気特性が得られるように決定される。テープアセンブリの導電部分は、所望の電気特性が得られるようにトリミングすることができる。

Description

この国際出願は、「Ｓｍａｌｌ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｈｅｌｉｃａｌ Ａｎｔｅｎｎａ」と題された２００５年２月４日出願の米国仮出願第６０／６５０，２４９号、ならびに、出願番号は未割り当ての、２００６年２月１日に出願された対応する正規の米国出願に対する優先権を主張するものであり、これらの出願のそれぞれは、その全てが引用により本明細書に援用される。

本発明は、小型広帯域アンテナに関し、より具体的には、ワイヤレスマイクと共に使用することができるヘリカルアンテナに関する。

ワイヤレスアプリケーションは、繋がれていないコンピュータ、ワイヤレス電話、および他のワイヤレス装置の利用が増加するに伴ってより一般的になりつつある。しかしながら、ワイヤレスアプリケーションを効果的に支援するために、高周波信号は通常、無線アンテナを介してワイヤレス装置の間で送受信される。無線アンテナは、典型的には大きなものであり、また、不都合にもワイヤレス装置の価格を増加させ得るコストを生じる。「ラバーダッキー」アンテナは、ワイヤレスアプリケーションにおいて広く使用されている無線アンテナの一例である。「ラバーダッキー」アンテナはしばしば、コアインシュレータにワイヤを巻きつけることによって構成され、保護材料で覆われる。その結果、「ラバーダッキー」アンテナはしばしば、大きくかつ邪魔になり、またコストを要するものとなる。さらに、「ラバーダッキー」アンテナの電気特性は、不十分であることがある。例えば、動作周波数帯域幅は狭くなりがちであるが、多くのワイヤレスアプリケーションでは広帯域動作が要求されることがある。加えて、使用者の手に近接することによる信号の損失が、過度なものとなることがある。

従来技術の手法は、前述のように、ワイヤレスアプリケーションにはしばしば不十分な構造特性、電気特性、および関連コストを有するアンテナアセンブリを提供するものである。したがって、低コストであり、小型であり、組立てが容易であり、かつ手の接近に対して低感度でありながら広帯域である無線アンテナ、例えばヘリカルアンテナを提供することが、市場において真に必要とされている。

（発明の要約）
本発明の態様により、上記の問題のうちの少なくとも１つに対する解決策が得られ、それによって、テープに貼り付けられる導電材料を有する無線アンテナを構成することが可能となる。そのテープは支持材料に固着されている。

本発明の一態様では、ヘリカルアンテナアセンブリは、金属テープストリップを矩形の非金属テープ片に斜めに配置することによって構成される。次いで、テープアセンブリが誘電体コアに巻かれる。次いで、金属テープストリップが電気コネクタに結合される。

本発明の他の態様では、中心導体が誘電体コアの中心を貫通して挿入される。中心導体は電気コネクタに電気的に結合される。テープアセンブリは、テープアセンブリが誘電体コアから分離するのを防止するために、誘電体コアの端部において折り曲げられる１つまたは２つのタブを有している。そのタブはさらに、アイレットによってピン留めされてもよい。

本発明の他の態様では、テープアセンブリの導電部分のピッチは、そのテープアセンブリを誘電体コアに巻き付けたときに所望の電気特性が得られるように決定される。

本発明の他の態様では、テープアセンブリの導電部分は、中心動作周波数を含めて所望の電気特性が得られるように長さがトリミングされる。周囲の構成要素の寄生効果は、アンテナアセンブリを同調するときに補正することができる。

本発明の他の態様では、ヘリカルアンテナは、ヘリカルアンテナの所望の特性が得られるように導電部分の長さを決定し、その導電部分を支持部分に貼り合わせて、導電部分が支持部分に斜めに配置されたテープアセンブリを形成し、そのテープアセンブリを誘電体コアに巻き付け、電気コネクタを導電部分に電気的に結合することによって形成される。

本発明の他の態様では、ヘリカルアンテナアセンブリは、誘電体コアと、その誘電体コアに巻き付けられる、支持部分と導電部分とをさらに備えるテープアセンブリと、テープアセンブリの導電部分に結合される電気コネクタとを有している。導電部分は、支持部分上に所定のピッチで斜めに配置されており、また、所望の電気特性が得られる長さおよび幅を有している。

本発明の他の態様では、二重ヘリカルアンテナアセンブリは、誘電体コアと、その誘電体コアに巻き付けられる、支持部分と導電部分とをさらに備えるテープアセンブリと、導電部分の中心給電ポイントに結合される電気コネクタとを有している。導電部分は、中心給電ポイントにおいて所定のピッチで合流する２つの斜めの導電区間を有している。各斜めの導電部分は、所望の電気特性が得られる長さおよび幅を有している。

図１は、本発明の実施形態による広帯域ヘリカルアンテナの構成要素を示す。テープアセンブリ１０１は、支持部分１０４と導電部分１０３（図示の実施形態においては銅テープを備える）とを備えている。本実施形態において、支持部分１０４は、電気スズめっきを有する銅テープ１０３を貼り合わされたビニル系コア材料から構成されている。（図示の実施形態においては、適切な厚さ２．０ミルを有する３Ｍ（商標）の番号９４７１の接着剤が、銅テープ１０３を支持部部１０４に貼り合わせるために使用されている。）銅テープ１０３は、支持部分１０４上に電気めっきされ、所望の幅および長さの寸法となるようにレーザーでトリミングされるかまたは機械的にトリミングされてもよい。また、後に論じるように、銅テープ１０３は後に線１５１において切断されてもよく、ヘリカルアンテナアセンブリを調整し同調するために、過剰な長さの銅テープが除去される。周波数特性は、銅テープ１０３の長さ（Ｌ）１５３、幅（Ｗ）１５５、およびピッチ（θ）１５６を含む複数のパラメータによって決まる。図１に示す例示的実施形態において、テープアセンブリ１０１は、長さが約１０ｃｍ、幅が約１４ｍｍであり、約７ｍｍの幅１５５を有しかつ５７８ＭＨｚ〜６５０ＭＨｚの周波数動作範囲に対応する導電部分１０３を有している。

図１に示すように、テープアセンブリ１０１はタブ１１１を有しており、そのタブ１１１上には、後に説明するように、銅テープ１０３が、アンテナアセンブリの他の構成要素と電気的に結合するように延びている。銅テープ１０３は、タブ１１１上にホール１０５を形成して、電気的結合を補助している。

テープアセンブリ１０１はタブ１１１を備えているが、本発明の他の実施形態は、１つを超えるタブを支持することもできる（例えば、図２に示すタブ２１１ａおよび２１１ｂ）。

後に説明するように、テープアセンブリ１０１は誘電体コア１０７（上面図の１０７ａおよび側面図の１０７ｂに対応）に巻き付けられる。中心導体１０９（上面図の１０９ａおよび側面図の１０９ｂに対応）が、誘電体コア１０７のほぼ中心に配置され、誘電体コア１０７の全長にわたって延びている。中心導体１０９の長さは典型的には、誘電体コア１０７の長さよりも長く、したがって、中心導体１０９の端部は、機械的にかつ電気的に結合するために誘電体コア１０７を越えて延びている。説明するように、アイレットフランジおよびＳＭＡコネクタが中心導体１０９の端部に取り付けられてもよい。本実施形態において、誘電体コア１０７の長さは（テープアセンブリ１０１の幅に整合するように）約１４ｍｍであり、また、誘電体コア１０７の直径は約０．６８０インチ（１．７２７センチメートル）から０．６８４インチ（１．７３７センチメートル）である。

本発明のある実施形態において、誘電体コア１０７は、テキシン（Ｔｅｘｉｎ）（登録商標）２８５ウレタン系熱可塑性エラストマー（バイエル・マテリアルサイエンス社により製造）から形成されている。テキシン（登録商標）２８５は、相当に一貫した誘電特性を備えており、５．６と６．５の間の誘電率ならびに約４４５ＫＶ／インチ（１７５．２ＫＶ／センチメートル）の絶縁耐力を有している。

図２は、テープアセンブリ２０１を示すと共に、そのテープアセンブリ２０１を誘電材料２０７に巻き付けて、本発明の実施形態によるアンテナアセンブリを形成する手順を示す。テープアセンブリ２０１（上面図の２０１ａおよび側面図の２０１ｂに対応）は、導電部分２０３と支持部分２０４とを備えている。

テープアセンブリ２０１はタブ２１１ａおよび２１１ｂを有しており、そのタブ２１１ａおよび２１１ｂは、ホール２０５ａおよび２０５ｂをそれぞれ形成している。ホール２０５ａは、導電部分２０３を貫通して形成されている。ホール２０５ａを突き出る中心導体（不図示）に電気コネクタ（例えば、図３に示すＳＭＡコネクタ３１５）をはんだ付けすることによって、電気コネクタを、ホール２０５ａの付近で導電部分２０３に電気的に結合することができる。アイレットフランジ（不図示）を、ホール２０５ｂを介して中心導体の他の端部に締結してもよい。

テープアセンブリ２０１（側面図の２０１ｂとして示す）は、誘電体コア２０７に巻き付けられる。（接着剤をテープアセンブリ２０１に塗布して、テープアセンブリ２０１が誘電体コア２０７から分離しないようにしてもよい。）本実施形態において、誘電体コア２０７は、テープアセンブリ２０１上に存在し得るしるし（不図示）が見えるように、右から左へと巻かれる。そのしるしは、アンテナアセンブリを識別する目的で使用することができる。しかしながら、テープアセンブリ２０１は、アンテナアセンブリの電気特性を著しく変化させることなく、左から右へと巻くこともできる。

テープアセンブリ２０１が、誘電体コア２０７に巻き付けられると、タブ２１１ａおよび２１１ｂは、誘電体コア２０７の端部と同一平面で曲げられる。図２に示す例示的実施形態において、タブ２１１ａおよび２１１ｂを曲げやすくするために、各タブ２１１ａおよび２１１ｂとアセンブリ２０１の主要部分との間に切り欠きが形成されている。

本実施形態において、導電部分２０３のピッチは、テープアセンブリ２０１が誘電体コア２０７に巻き付けられるとき導電部分２０３が重なり合わないように選択される。

図３は、本発明の実施形態によるヘリカルアンテナアセンブリ３２１（側面図の３２１ａ、底面図の３２１ｂ、および上面図の３２１ｃに対応する）を示す。側面図の３２１ａは、誘電体コア（符号なし）に巻き付けられた導電部分３０３を示す。中心導体３０９は、誘電体コアの中心を通過する。ＳＭＡコネクタ３１５（側面図の３１５ａおよび底面図の３１５ｂに対応する）のコアピンは、導電延長部３１１（導電部分３０３の延長部）および中心導体３０９にはんだ付けされている。ヘリカルアンテナアセンブリ３２１に対するアースは、マイクエンクロージャの導電特性によって確立される。フランジ３１３（上面図の３１３ｂおよび側面図の３１３ａに対応する）は、中心導体３０９の他方の端部（ＳＭＡコネクタ３１５の反対側）に締結される。フランジ３１３は、中心導体３０９の一部として機械加工されてもよく、また、アイレットを中心導体３０９上に締結することによって形成されてもよい。また、アイレットは、ＳＭＡコネクタ３１５を組み立てる前に導電延長部３１１の配置を維持するためにコネクタ端部に締結されてもよい。

アンテナアセンブリ３２１は、１つのタブ（導電延長部３１１に対応する）を利用する。しかしながら、本発明の他の実施形態では、１つ以上のタブ（例えば、図２に示すタブ２１１ａおよび２１１ｂ）を利用してもよい。２つのタブを利用すると、銅テープが多湿の環境で広がることを防止するのに役立つ。関連する実施形態において、タブは、誘電体コアの頂部および底部を横切って曲げられ、アンテナを高周波コネクタに接続するために使用されるアイレットでピン留めされる。タブは、テープアセンブリの金属端部が巻き付け後に被覆されるように延長されてもよい。

図４は、ヘリカルアンテナアセンブリの構成要素、および、結果として組み立てられた、本発明の実施形態によるアンテナアセンブリ４２１を示す。アンテナアセンブリ４２１は、テープアセンブリ４０１と、誘電体コア４０７と、ＳＭＡコネクタ４１５とを有している。図４は、誘電体コア４０７に対するアイレット４１３の位置を示している。図２および３に示す実施形態と同様に、誘電体コア４０７は、中心導体（不可視）を収容するために、中心を貫通して穴あけされたホールを有している。

図５は、本発明の実施形態によるヘリカルアンテナアセンブリ５２７を有するマイクアセンブリ５００を示す。（マイクアセンブリ５００は、音響トランスデューサ（不図示）と、図５の左側に位置するマイクカバー（不図示）とを有している。）ヘリカルアンテナアセンブリ５２７は、可聴信号を電気信号に変換する電気回路に接続されており、その電気信号は、ヘリカルアンテナアセンブリ５２７を通じて伝送される。ヘリカルアンテナアセンブリ５２７は、ハウジング５３１によって配置され、アンテナカバー５２９によって覆われている。

図５に示す実施形態において、アンテナカバー５２９は、アドバンスト・エラストマー・システムズ社によって製造されている熱可塑性ゴムのサントプレーン（登録商標）１０３−５０を備えている。サントプレーン（登録商標）１０３−５０は、約４９８ＫＶ／インチ（１９６．１ＫＶ／センチメートル）の絶縁耐力と共に約２．３の誘電率を示す。

図６は、本発明の実施形態による、異なる周波数の動作範囲に対するテープアセンブリを示す。テープアセンブリ６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄ、および６０１ｅは、５１８ＭＨｚ〜５７８ＭＨｚ、５７８ＭＨｚ〜６３８ＭＨｚ、６３８ＭＨｚ〜６８９ＭＨｚ、７４０ＭＨｚ〜８１４ＭＨｚ、および７９８ＭＨｚ〜８６２ＭＨｚの周波数範囲にそれぞれ対応する。導電部分６０３ａ〜６０３ｅは、予想される寄生効果にさらされたときに所望の電気特性が得られるようにトリミングされている。アンテナアセンブリの特性を識別するために、テープアセンブリにしるしをレーザー切断するか、型押しするか、または印刷してもよい。テープアセンブリを誘電体コアに巻くとき、アンテナアセンブリの構成中または構成後の識別が容易となるように、そのしるしを視認することができる。

各テープアセンブリ６０１ａ〜６０１ｅは同じピッチを用いている。しかしながら、導電部分の長さは、所望の電気特性をもたらすように調整されている。適切な長さは、アンテナカバーおよびマイクケースの寄生効果なしに決定される。例えば、アンテナカバーおよびマイクケースの形状および材料は、電気特性に影響を与えることになる。しかしながら、寄生効果は、通常は大きなものではなく、テープアセンブリの導電部分（例えば、貼り合わされた銅テープ）をトリミングすることによって補正することができる。

図１〜６は、ワイヤレスマイク（機能上、手持形送信器として動作する）を支援する本発明の例示的実施形態を示す。しかしながら、本発明の実施形態は、無線周波信号が生成される他のワイヤレスアプリケーションを支援することもできる。実験データが示唆するところによれば、図１〜６に示す実施形態は、低コストでかつ小型であり、また組立てが容易である。

アンテナアセンブリ（例えばアンテナアセンブリ５２７）は、５００ＭＨｚを超える中心周波数で１０％を超える帯域幅を有する広帯域周波数特性を有している。本実施形態は、手に配置されることまたは手の近接することに対し低感度を示す。

図１〜６に示す実施形態では、動作の中心周波数を容易に調整することが可能となる。例えば、導電部分１０３（銅テープを備える）の長さは、図１に示すように、線１５１に沿って導電部分１０３を切断することによって短縮することができる。アンテナアセンブリは通常、導電部分１０３を調整することによって、寄生効果（例えば、図５に示すアンテナケース５２９の効果）を補正するように同調される。さらに、図１〜６に示す実施形態は、再現可能な結果を示す。

図１〜６に示す実施形態は、マイクがスタンドに配置されているかまたは使用者によって把持されているかに関わらず、動作周波数範囲内で１．２：１のＶＳＷＲ値を示した。本実施形態は通常、全周波数範囲に対して３：１未満のＶＳＷＲ値を示す。

図１〜６に示す実施形態において、導電部分（例えば、図６に示す導電部分６０３ａ〜６０３ｄ）のピッチは本質的に同じである。所望の周波数範囲を得るために、導電部分は必要な長さにトリミングされる。しかしながら、本発明の他の実施形態は、他のパラメータ、例えば誘電体コアの誘電率または導電部分の幅を調整することによって、周波数特性を調整することができる。さらに、導電部分が広くなるにつれて、アンテナアセンブリのＱはより低くなり、それによって、動作の周波数帯域幅はより広くなる。（しかしながら、導電部分の幅が増すと、導電部分の重なりを避けるために、誘電体コアの所定の直径に対する導電部分の最大長さは減少する。）
図１〜６に示す実施形態は、ワイヤレスマイクの例示的実施形態を示しているが、本発明の他の実施形態によって、高周波信号の受信または送信のいずれかのためにワイヤレス装置を必要とする他のワイヤレスアプリケーションを支援することもできる。

図１〜６に示す実施形態は、ヘリカルアンテナの例示的実施形態を示しているが、本発明の他の実施形態は他の種類のアンテナを支援する。図７は、本発明の実施形態による二重ヘリカル（ラムズホーン）アンテナアセンブリを示す。テープアセンブリ７０１は、中心給電ポイント７５１ａと共に「Ｖ字」形状を形成する銅テープ７０３を備えている。テープアセンブリ７０１は、誘電体コアに巻き付けられてアンテナアセンブリ７２１を形成する。高周波エネルギーは、中心給電ポイント７５１ｂにはんだ付けされたＳＭＡコネクタ７１５を介して、アンテナアセンブリ７２１に供給される。

本発明について、本発明を実施する現時点で好ましい方式を含めた特定の例に関連して説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記述する本発明の精神および範囲に含まれる上述のシステムおよび技術の多数の変型および置換が存在することが、当業者には理解されよう。

図１は、本発明の実施形態による広帯域ヘリカルアンテナの構成要素を示す。 図２は、テープアセンブリを示すと共に、そのテープアセンブリを誘電材料に巻き付けて、本発明の実施形態によるアンテナアセンブリを形成する手順を示す。 図３は、本発明の実施形態によるヘリカルアンテナアセンブリを示す。 図４は、ヘリカルアンテナアセンブリの構成要素、および、結果として組み立てられた、本発明の実施形態によるアンテナアセンブリを示す。 図５は、本発明の実施形態によるヘリカルアンテナアセンブリを含むマイクアセンブリを示す。 図６は、本発明の実施形態による、異なる周波数の動作範囲に対するテープアセンブリを示す。 図７は、本発明の実施形態による二重ヘリカルアンテナアセンブリを示す。

Claims (11)

1. ヘリカルアンテナを形成する方法であって、
   （Ａ）前記ヘリカルアンテナの所望の電気特性が得られるように導電部分の長さを決定するステップと、
   （Ｂ）前記導電部分を支持部分に貼り合わせてテープアセンブリを形成するステップであって、前記導電部分が前記支持部分上に斜めに配置されるステップと、
   （Ｃ）前記テープアセンブリを誘電体コアに巻き付けるステップと、
   （Ｄ）電気コネクタを前記導電部分に電気的に結合するステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   （Ｅ）周囲の構成要素の寄生効果を補正するように前記テープアセンブリの前記導電部分をトリミングするステップをさらに含む方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   （Ｅ）前記誘電体コアのほぼ中心を通して中心導体を挿入するステップをさらに含む方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、
   （Ｆ）前記テープアセンブリの少なくとも１つのタブを前記誘電体コアの少なくとも１つの端部に折り曲げるステップをさらに含む方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、
   （Ｇ）前記少なくとも１つのタブをアイレットにピン留めするステップをさらに含む方法。
6. ヘリカルアンテナアセンブリであって、
   誘電体コアと、
   前記誘電体コアに巻き付けられるテープアセンブリであって、
   支持部分と、
   前記支持部分上に所定のピッチで斜めに配置され、所望の電気特性が得られる長さおよび幅を有する導電部分と、を備えるテープアセンブリと、
   前記テープアセンブリの前記導電部分に結合される電気コネクタと、を備えるヘリカルアンテナアセンブリ。
7. 請求項６に記載のヘリカルアンテナアセンブリであって、
   前記誘電体コアの中心を通って配置され、テープアセンブリの前記導電部分および前記電気コネクタに電気的に結合される中心導体をさらに備えるヘリカルアンテナアセンブリ。
8. 請求項７に記載のヘリカルアンテナアセンブリであって、
   前記誘電体コアの電気的に結合された端部において前記中心導体に固定されるアイレットをさらに備えるヘリカルアンテナアセンブリ。
9. 請求項８に記載にヘリカルアンテナアセンブリであって、前記テープアセンブリが少なくとも１つのタブを備え、前記少なくとも１つのタブが、前記誘電体コアの少なくとも１つの端部において折り曲げられるヘリカルアンテナアセンブリ。
10. 請求項７に記載のヘリカルアンテナアセンブリであって、前記テープアセンブリが２つのタブを備え、各タブが前記誘電体コアの対応する端部において折り曲げられ、前記ヘリカルアンテナアセンブリが、
    前記誘電体コアの各端部において前記中心導体に固定される２つのアイレットであって、それぞれが前記２つのタブの１つにピン留めされるアイレットをさらに備えるヘリカルアンテナアセンブリ。
11. 二重ヘリカルアンテナアセンブリであって、
    誘電体コアと、
    前記誘電体コアの周りに巻き付けられるテープアセンブリであって、
    支持部分と、
    前記支持部分上に配置され、中心給電ポイントにおいて所定のピッチで合流する２つの斜めの導電区間を含み、所定のピッチで前記支持部分上に斜めに配置される導電部分であって、各斜めの導電区間が、所望の電気特性が得られる長さおよび幅を有する導電部分と、を備えるテープアセンブリと、
    前記導電部分の前記中心給電ポイントに結合される電気コネクタと、
    を備える二重ヘリカルアンテナアセンブリ。

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