JP3899024B2 - 送電線給電に電磁接続された三次元アンテナ形状のフレックス回路 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、超高周波フェーズドアレーアンテナの応用（例えば、数ＧＨＺから数十ＧＨｚまで）のために使用されるタイプの精密に巻かれた螺旋状アンテナのような小型の三次元アンテナの製造と組立に関する。本発明は、フレックス回路（ｆｌｅｘ ｃｉｒｃｕｉｔ）の輪郭部分の三次元アンテナを形成する、低コストで複雑さが解消されたアンテナの組立スキームを特に導く。アンテナにおける信号を接続するインタフェースは、フレックス回路に電磁的に接続される送電線給電の部分の手段によって達成される。
【０００２】
高周波通信システムで使用される小型の構成部分における回路製造技術での最近の改良は、関連する無線周波数アンテナ構造と同様に、信号処理構成部分とインタフェース回路類サポートハードウェアの両方の大きさを縮小する必要性によって伴われている。フェーズドアレーアンテナのサブシステムを含む構造を有している、かかる縮小されたサイズの高周波通信システムは、低損失のフォームコアに巻きつけられた螺旋状アンテナ要素などの三次元型のアンテナ要素の分配を頻繁に採用する。システムの放射特性及び比較的狭い物理的な形状は、電子的に制御された型づくりとアンテナの指向性パターンのポインティングを提供する、物理的に小型でフェーズドアレー構造を容易に実施することに適しているので、前述のタイプのアンテナ要素はかかるシステムにおいて特に魅力的である。
【０００３】
しかしながら、通信システムの操作上の周波数がマルチディジットＧＨｚ範囲（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｇｉｔ ＧＨｚ ｒａｎｇｅ）に到達したように、類似の構成部分の大多数において大きさの耐久性を達成することは特に低コストで、システム設計者及びメーカーに対する主な挑戦になった。例えば、１５乃至３５ＧＨｚの範囲の周波数で操作する、比較的大多数の要素のフェーズドアンテナの各アンテナ要素と、及び数百から千以上のアンテナ要素を含むことは、例えば、ほんの数インチの長さと四分の一インチ未満の直径内で２０回も螺旋に巻かれて含まれるかもしれない。
【０００４】
螺旋形状に形成されたアンテナ巻線１４を形成するために１ペアの十字のスロットの形板１１と１２を使用する、図１の斜視図に概略して示されるような従来の組立技術は比較的大きなサイズの適用（大きさ又は形状における比較的わずかな変化がアンテナ全体の電気的特性を著しく劣化しないため）に充分であるが、微細なパラメーターの変化が、各要素の大きさの本質的な割合として反映される場合、それらの技術は、非常に小型の要素（マルチ−ＧＨｚ応用）の大数の模写に不適切である。かかる適用において、与えられた規格に一致するために各アンテナ要素が有効に同一に形成されることは必須であるが、そうでなければ、意図されるように、全面的なアンテナ構成が実行する保証はない。すなわち、予期の欠如は、多数の多重要素アンテナ構造の成功した製造及び配備（特に千か、又は千以上まで要素を持っているかもしれない）にとって実際上致命的である。
【０００５】
有利に、本発明は、非常に小型の螺旋状に巻かれたアンテナ要素（各々が同一の予測可能な反復形態のパラメータを有する）の大量製造が可能である、精密でキャストコア（ｃａｓｔ ｃｏｒｅ）に基づく製造工程により高周波設計の従来の螺旋形アンテナ組立技術の欠点を成功裡に克服する。キャストコアに基づく組立スキームによって生成された螺旋状に巻かれたアンテナは、精密に成形された誘電性のコア３０が保持されているところへ、誘電性のコア３０の外面に形成された螺旋状の溝４２に巻かれている多重に巻かれたワイヤー４０を備えてカップ形状でコアをサポートする構造２０の統合配置を含むように、図２の側面図で概略的に示されている。カップ形状のコアを保持するサポート構造２０はまた、標準の関連する送受信モジュールにアンテナを相互連結させるための自己結合コネクタと同様に、基板、アンテナの同調回路を収容するように形成される。
【０００６】
精密に成形された誘電体コア３０は、キャップの基板２０に固定された基部端３１を有する、円筒形状で、拡張された誘電体ロッドである。誘電体ロッドの主に長い部分３２は、コアの末端部３４で終了する、直径が一定の円筒形状に接続する先細部分３３を有する。螺旋状の溝４２は、コア３０の外部表面に精密に形成されており、基部端３１とコア３０の末端部３４から突出するワイヤー拡張を残して、コアの螺旋状の溝４２にしっかりと巻きつけられたアンテナワイヤー４０の長さのためのサポート径路であるか、又はトラックとしての役割をする。
【０００７】
規模的に安定しており、精密な螺旋溝４２と正確に一致する、誘電性のコアサポート型螺旋状巻線を実現するために、ワイヤー４０はコア溝において粘着的に固定される。アンテナワイヤーが覆われたコアは、キャップ形状のコアサポート構造２０に機械的及び電気的に付着され、アンテナはサポート要素に物理的に設置され、関連する送受信モジュールに接続される。かかるサポート構造２０において、螺旋状のアンテナワイヤー４０の給電端は自己結合コネクタ５０の中心ピンにハンダ付けによって物理的に取り付けられて、コネクタ５０は、既に記載のように送受信モジュールに直接の低損失接続を提供する。
【０００８】
本発明は、絶縁物質上か又は内に形成された送電線給電と、アンテナの幾何学的配置に一致して、送電線給電の選択された部分とは絶縁し、電磁的に近接して接続している、フレックス回路の三次元型部分とを有するアンテナを含む。
【０００９】
本発明と一致して、これらの欠点は、アンテナの放射要素としてワイヤーではなく、薄く軽量のフレックス回路デカル（ｄｅｃａｌ）の部分を使用する、低コストで複雑さが解消したアンテナ組立スキームによって回避される。目的とする三次元形状のフレックス回路デカルをサポートし、輪郭を作成するために、フレックス回路は、アンテナの目的とする（三次元）形状に一致する、サポートコアに付着される。放射／感知ワイヤー及びそれに関する給電をインタフェースする電子機械的接続を用いてハードウェアと組立の複雑さを減少するために、アンテナにおける信号を接続するインタフェースは、送電線の一部がフレックス回路に対する電磁的接続によって形成される。
【００１０】
螺旋形状のアンテナにおいて、アンテナ巻き線の目的とする幾何学的形状と一致するように、コアは円筒形状であるかもしれない。一般的に縦に細長いポリイミドコーティングの銅コンダクタ又はフレックス回路のような、比較的薄く、誘電体コーティングでリボン形状のコンダクタは、コアの外面のまわりに巻きつけられて粘着的に固定されており、それによって“デカル”タイプの螺旋状アンテナ巻き線を形成する。これによってフレックス回路は、コアと有効に表面の一致を可能にして、それによって、アンテナの目的とする幾何学的な規模のパラメーターに精密に一致することができる。フレックス回路をアンテナの目的とする放射プロファイルを生ずる、規定された型に正確に一致させることを促進するために、標準の配列マークのような配置援助が提供されるかもしれないし、又は、通路はロボットの機械加工、配置及び組立装置の手段によるコアの外部表面においてパターン化されるかもしれない。
【００１１】
コアの円筒状の表面の周りに巻きつけられて固定されることに加えて、フレックス回路はコアの基部の平面の下側部分に延在する。コアの基部の下側にフレックス回路のかかる追加的な長さの周りを取り囲み、付加することによって、巻き線は、パネル状のアンテナモジュールの前面シートなどの誘電性の基板に提供されたマイクロストリップ給電の同様の形状部分との近接の電磁接続のための位置まで延在する。フレックス回路の給電接続部分は、フレックス回路の給電と接続する部分のポリイミドコーティング層などの、薄い絶縁層によってマイクロストリップ給電のフレックス回路と接続する給電部分から分離される。これは、誘電的にマイクロストリップ給電からフレックス回路を分離して、さらにその間に電磁結合を与える。相互に重なり、電磁的につながれたフレックス回路及びマイクロストリップ給電部分の比較的狭い規模は、アンテナから分離したマイクロストリップの一つ以上の位置と電気的に接続される信号処理要素を備えてコアに固定された三次元のアンテナのコネクターがない統合を提供する。
【００１２】
本発明はまた、
（ａ）絶縁基板の表面又は絶縁基板の多重層内に印刷された送電線給電形態を提供するステップと、
（ｂ）フレックス回路の部分をアンテナの幾何学的配置に一致させるようにフレックス回路の第一セグメントを三次元型にするステップと、
（ｃ）フレックス回路の第二セグメントが送電線給電の選択された部分で電磁的な近接の接続するように、絶縁基板の表面で形成される送電線給電に関して、ステップ（ｂ）で三次元型にしたようにフレックス回路の第一セグメントをサポートするステップと、
よりなるアンテナの組立方法を含む。
【００１３】
本発明は、ここで添付の図面に関して、実施例の方法によって記載される。
【００１４】
下記の記載は、ここに記載の方法と構成部品を用いて低コストで組立の複雑さを解消して製造される、三次元アンテナの限定しない実施例として、多要素のフェーズドアレーで採用されるような、比較的小型の螺旋状アンテナ要素の製造に対する本発明の適用を詳細に説明する。しかしながら、本発明が採用するであろうアンテナ形態は螺旋に限定されず、多種にわたる他の三次元アンテナ形状を含み、既に記載のような一つ以上のワイヤーと関連する電子機械的なワイヤー接続給電コネクタを従来から形成することが理解される。同様に、本発明で採用される送電線給電形態は、マイクロストリップラインに限定されず、当業者によって認識されるように多様に“印刷された”送電線型を含むかもしれない。
【００１５】
電磁的に供給された、本発明と一致して形成されたフレックス回路形態の螺旋状アンテナの実施態様は、図３の斜視図と図４の部分的な側面図に概略して示されている。図面に例示されるように、アンテナは、一般的に、主軸又はコアの上にサポートされるために巻線の幾何学的形状に一致する、円筒形状のサポート主軸又はコア（フォームコアなどの）１００を含み、アンテナの照準軸と一致する縦方向の軸１０１を有する。一般的に、ポリイミドコーティングの銅コンダクタ又は“フレックス回路”の縦方向のストリップなどの比較的薄くて誘電体コーティングのリボン形態のコンダクタ１０２の第一部分は、“デカル”タイプの螺旋状アンテナ巻き線１０４を形成するようにコア１００の外面１０３のまわりに巻きつけられて粘着して固定される。
限定しない実施例として、フレックス回路のストリップ１０２は、空間制限される粘着性の物質など、例えば、米国の３Ｍ社製造の９６６アクリルの感圧性の粘着性の転送テープとして周知の“剥がして貼る”２ミルの厚い層の市販の接着剤によってサポートコア１００の外面１０３に固定される。この手法でコアにフレックス回路１０２を付着することは、コア１００を備えて有効に表面が一致するフレックス回路を可能にして、それによってアンテナの目的とする幾何学的な寸法のパラメーターと正確に一致する。フレックス回路１０２をアンテナの目的とする放射パターンを生成する、規定された型（ここでは螺旋）に正確に一致させることを促進するために、例えば、１乃至数ミルオーダーの深度を有する、標準の配列マークのような配置援助、又は溝或いは通路１１０は、（ロボット（例えば、数値制御コンピュータ（ＣＮＣ））の機械加工、配置及び組立装置によって）コア１００の外面１０３にパターン化されるかもしれない。
【００１６】
コアの円筒状の表面１０３の周りに巻きつけられて固定されることに加えて、フレックス回路１０２の第二の給電接続セグメント又は部分１０６は、表面１０３を越えて、一般的にコアの基部１０８の平面の下側領域１０７に延在する。コアの基部の下側にフレックス回路のかかる追加的な長さの周りを取り囲み、付加することによって、アンテナ巻き線（フレックス回路１０２）は、マイクロストリップ給電の同様の形状部分との近接の電磁接続を容易にする位置まで延在できる。
【００１７】
すなわち、フレックス回路部分１０６は、１２４で部分的に示されるコアが設置しているブラケットの手法によってコア１００がサポートされている上に、コアの下側領域１０７へ付けられることによって誘電性のサポート基板１２０の一般的に平らな表面１２２を備える比較的近接した間隔の関係でサポートできる。実施例を限定しないように、誘電性の基板１２０は、Ｕｌｔｒａｌａｍなどの１０ミル厚の織られたガラスのＴｅｆｌｏｎ（登録商標）を含む（Ｔｅｆｌｏｎはデュポン社の商標であり、Ｕｌｔｒａｌａｍはロジャーズコーポレーションの製品である）。かかる薄い誘電体基板１２０は、フェーズドアレーをサポートする、パネル形成型アンテナモジュールの前面シートなどの粉砕された平らな伝導性の層１３０に重なる。
【００１８】
ハンダ継ぎ目などの電気／機械的結合の取り付けを必要とするであろう、アンテナ巻き線に対する固いワイヤー型の電気機械的な給電接続を提供するよりも、フレックス回路１０２の部分１０６に対し、及びフレックス回路１０２の部分１０６からの信号接続は、特に、一般的な縦方向のマイクロストリップ給電層１４０の電磁場と接続するセグメント１４６である、接近給電の手段によってもたらされる。フェーズドアレーアンテナの場合において、マイクロストリップ給電層１４０は、複数の放射要素のサブアレーに関する規定の信号分配の幾何学的配置と一致してパターン化される、マイクロストリップの領域から延在する。
【００１９】
図４の側面図に示されるように、かかるマイクロストリップ給電層１４０は、誘電性のサポート基板１２０の平らな表面１２２に固定されて、コア１００の基部の一般的に平らな下側領域１０７の真下に直接的に位置する、マイクロストリップ給電層のフレックス回路と接続する給電部分１４６を有し、フレックス回路１０２の給電接続部分１０６と重なっている配列である。典型的には、マイクロストリップラインは、Ｕｌｔｒａｌａｍなどの前処理クラッディングのマイクロ波ラミネート物質のエッチングによって形成される。典型的には銅である、金属クラッディングは、製造者によってコアのラミネート物質に一般的には電着される。
【００２０】
アンテナ巻き線のフレックス回路１０２の給電接続部分１０６は、マイクロストリップ給電からフレックスル回路を誘電的に分離し、さらにその間に電磁接続を提供するように、フレックス回路１０２の給電接続部分１０６のポリイミドのコーティング層などの薄い絶縁層１５０及びフィルム粘着層１５２によってマイクロストリップ給電１４０のフレックス回路接続給電部分１４６から分離される。相互に重なり、電磁的によってつながれたフレックス回路部分１０６及びマイクロストリップ給電部分１４６の比較的狭い規模は、アンテナから分離されたマイクロストリップの１つ以上の位置と電気的に接続される信号処理要素を備えてコア１００に固定された三次元の（螺旋状の）アンテナのコネクターがない統合を提供する役目をする。
【００２１】
本発明の複雑性を解消したアンテナの組立スキームは、送電線給電でフレックス回路を容易に操作した軽量の輪郭部分の使用を組み合わせることによって三次元的に反復する、小型の三次元アンテナの低コストの組立を容易にする。フレックス回路の物理的な形態は隣接してサポートされ、それによって送電線給電と電磁的な接続を可能にするだけでなく、かかる電磁的な接続は、アンテナ／給電アセンブリが隣接して自動（ロボットによる制御）組立機械によって電子信号処理構成部分（例えば、前面端のマイクロストリップの開回路ラインの出力、受信専用のフェーズドアレーアンテナシステムの低ノイズ増幅器）に位置されることを可能にする。
【００２２】
低コストで複雑さを解消したアンテナ組立スキームは、アンテナの放射要素としてワイヤーよりも、薄くて軽量のフレックス回路デカルの部分を採用する。三次元（例えば、螺旋）形状にフレックス回路デカルをサポートして輪郭を取るために、フレックス回路は、アンテナの目的とする三次元形状と一致する、サポートコアに取り付けられる。アンテナ放熱器とそれに関連する給電を接続する電機機械的コネクタを使用するハードウェアとアセンブリの複雑さを解消するために、アンテナにおける信号を接続するインタフェースは、アンテナに近接して部分的に位置する、送電線の部分にフレックス回路のセグメントを電磁的に接続することによってもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 比較的大型で低周波の螺旋状アンテナを形成するための１ペアの十字のスロットの形板の従来の使用を例示する概略図である。
【図２】 ’０７３の出願で開示された発明によって生成された精密でキャストコアに巻かれた螺旋状アンテナの形態を概略する側面図である。
【図３】 本発明と一致して電磁的に接続されたマイクロストリップ給電を有するフレックス回路形態のアンテナを概略する斜視図である。
【図４】 図３のフレックス回路形態のアンテナを概略する部分的な側面図である。

Claims (2)

1. 絶縁基板上に形成された送電線給電、サポートコア及び三次元形状のフレックス回路よりなるアンテナであって、
   該サポートコアは、該サポートコアの第二の下側領域から延在する第一の外面部分を有し、該サポートコアの第二の下側領域は、該サポートコアの第一の外面部分に対して垂直であり、
   該三次元形状のフレックス回路は、前記サポートコアの前記第一の外面部分に固定され、前記サポートコアの前記第一の外面部分と一致している該フレックス回路の第一セグメント及び前記サポートコアの前記第二の下側領域に固定され、前記送電線給電の一部から絶縁し、且つ、前記送電線給電の一部に電磁的に接続される該フレックス回路の第二セグメントを含むことを特徴とするアンテナ。
2. 前記フレックス回路の前記第一セグメントは一般的に螺旋形状を有し、
   前記フレックス回路の前記第二セグメントは一般的に平らな形状有し、
   前記送電線給電の前記部分と前記フレックス回路の前記第二セグメントを絶縁し、電磁的に接続するための粘着層をさらに含み、
   前記送電線給電の前記部分から前記フレックス回路の前記第二セグメントを電磁的に分離する、絶縁層をさらに含み、
   前記サポートコアの前記第一の外面部分は、前記サポートコアの前記外面を前記三次元形状の前記フレックス回路と正確に一致するためのガイド通路を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

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