JP4147260B2 - アンテナ - Google Patents

Description

この発明は２００ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナに関し、さらに詳しくは、三次元のアンテナエレメント構造を有するアンテナに関する。

イギリス国特許第２，２５８，７７６号には、共通の軸のまわりに複数の螺旋エレメントが配置された三次元アンテナエレメント構造を有するアンテナが開示されている。こうしたアンテナは、例えばＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）受信機における場合など、特に衛星からの信号を受信するのに有用である。

このアンテナはアンテナの真上、すなわちその軸上にある送信源か、あるいはアンテナ軸に直角でアンテナを通る平面から上方へ数度の場所にある送信源から、あるいはこれら両極端の間の立体角内の任意の場所に位置する送信源からの円偏波信号を受信することができる。

このアンテナは主として円偏波信号を受信することを意図しているが、このアンテナは三次元構造を有していることから、垂直偏波信号や水平偏波信号を受信するための無指向性アンテナとしても適している。

こうしたアンテナの欠点の一つは、ある用途においては頑丈さが十分ではなく、性能を落とさずにはこうした困難を克服する変形が容易ではないことである。

このため、航空機胴体の外側など、厳しい条件下にある空からの信号を受信するアンテナは、通常は、単に航空機胴体の一部である絶縁表面と同じ高さに取り付けられる導電性材料から形成されたプレート（一般にはメッキされた金属製の方形パッチである）からなるパッチアンテナである。しかし、パッチアンテナは仰角が小さいところではゲインが低い。この欠点を克服する方法として、様々な方向を有する複数のパッチアンテナを使用して単一の受信機に給電するものがある。この方法は、必要とするエレメント数だけでなく、受信した信号を合成する困難さのために高価なものになる。

この発明の一つの側面においては、２００ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナは、５以上の比誘電率を有する材料から形成された電気絶縁性を有するアンテナコアと、コアの外側表面上あるいは外側表面に隣接して配置されていて内部スペースを形成している三次元アンテナエレメント構造と、このエレメント構造へ接続されていてコアの中を貫いているフィーダ構造とを有している。コア材料は上記内部スペースの大部分を占めている。

一般にエレメント構造は、長手方向の中心軸上に位置するフィーダ構造を中心にしたエンベロープを形成する複数のアンテナエレメントを有している。コアは円筒形状を有していることが好ましく、アンテナエレメントはコアと同軸の円筒状エンベロープを形成していることが好ましい。コアは円筒状部材であり、フィーダ構造を収容している細い軸方向通路を除いては中実である。コアのうちの中実部分の容積は、エレメントによって形成されるエンベロープの内部容積の少なくとも５０％であることが好ましい。エレメントはコアの外側円筒表面上に配置されている。エレメントは、蒸着によって、あるいはまえもって施された金属コーティングをエッチングすることによってコアの外側表面へ接合される
金属導体のトラックからなっている。

物理的及び電気的な安定性のために、コア材料はセラミックから形成されている。例えば、ジルコニウムチタネートをベースとした材料や、マグネシウムカルシウムチタネート、バリウムジルコニウムタンタレート、バリウムネオジミウムチタネートなどのマイクロ波セラミック材料か、あるいはこれらの組合せである。好ましい比誘電率は１０以上、実際には２０以上である。ジルコニウムチタネートをベースとした材料を利用した場合には３６の値が可能である。こうした材料の誘電体損は無視でき、アンテナのＱ値はコア損失よりもアンテナエレメントの電気抵抗によって大きく支配される。

この発明は特に好ましい態様において、円筒状のコアを有しており、コアはその外径と少なくとも同じ軸方向長さを有する中実材料から形成されており、中実材料の直径方向の寸法は外径の少なくとも５０％である。従って、コアは、大きくてもコアの全直径の半分の大きさの直径を有する比較的狭い軸方向通路を有するチューブの形をしている。内側の通路は導電性のライニングを有している。ライニングはフィーダ構造の一部、あるいはフィーダ構造に対する遮蔽部材を形成しており、フィーダ構造とアンテナエレメントとの間に半径方向に厳密な隙間を形成している。このため、製造において良好な再現性が得られる。この形態においては、複数の螺旋アンテナエレメントはコアの外側表面上に金属トラックとして形成されており、一般に軸方向に同じだけ延びていることが好ましい。各エレメントはその一端がフィーダ構造へ接続されており、他端はグラウンドあるいはバーチャル（ｖｉｒｔｕａｌ）グラウンドへ接続されている。フィーダ構造への接続は一般に半径方向の導電性エレメントによって形成されている。グラウンド導体は螺旋エレメントすべてに共通である。

この発明の別の側面においては、２００ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナは、中実の電気絶縁性を有するアンテナコアと、フィーダ構造と、放射エレメント構造を有している。コアは長手方向の中心軸を有しており、５以上の比誘電率を有する材料から形成されている。フィーダ構造はコアの中心軸上を延びて、コアの外側表面上に位置している。放射エレメント構造は、コアの一端においてフィーダ構造へ接続された複数のアンテナエレメントを有している。これらのアンテナエレメントは、コアの他端の方へ向けて共通の連結導体まで延びている。コアは軸方向には一定の断面外形を有し、アンテナエレメントはコアの表面へメッキされた導体であることが好ましい。アンテナエレメントは、一定の断面外形を有するコア部分上を長手方向に延びる複数の導体エレメントと、この長手方向に延びるエレメントをコアの上記一端においてフィーダ構造へ接続している複数の半径方向の導体エレメントとを有している。ここで、”放射エレメント構造”という用語は当業者により理解される意味で用いている。すなわち、送信機に接続したときに必ずしもエネルギを放射しないエレメント、すなわち、電磁放射エネルギを収集するか、あるいは放射するエレメントを意味している。従って、本願の主題であるアンテナ装置は、信号を受信するだけのアンテナ装置だけでなく、信号の送信と受信の両方を行うアンテナ装置にも利用できる。

アンテナは、上述したコアの他端におけるフィーダ構造への接続部からコアの長手方向の一部にわたって延びる導電性スリーブによって形成された一体のバランを有しているのが有利である。従って、バランのスリーブは、長手方向に延びる導体エレメントに対する共通の導体も形成する。内側導体と外側遮蔽導体とを有する同軸ラインからなるフィーダ構造の場合には、バランの導電性スリーブは、コアの上記他端においてフィーダ構造の外側遮蔽導体へ接続される。

中実円筒からなるコアを有する好ましいアンテナは、コアの円筒状外側表面上を長手方向に延びる少なくとも４つのエレメントと、この長手方向に延びるエレメントをフィーダ
構造の導体へ接続している、コア末端の端面上に設けられた対応する半径方向のエレメントとを有するアンテナエレメント構造を有している。

長手方向に延びるアンテナエレメントは長さが異なっている。特に、長手方向に延びる４つのエレメントを有するアンテナの場合には、コアの外側表面上で蛇行した経路を有していることから、二つのエレメントは他の二つのエレメントよりも長くなっている。円偏波信号のためのアンテナの場合には、４つのエレメントのすべてがほぼ螺旋経路を有している。長い方の二つのエレメントの各々は、螺旋の中心線の両側で好ましくは正弦波状に偏移した蛇行経路を有している。長手方向に延びるエレメントをコア末端においてフィーダ構造へ接続する導体エレメントは、内側へテーパ状になっている単純な半径方向のトラックであることが好ましい。

上述した特徴を利用すると、寸法が小さいため、またエレメントが剛性材料からなる中実コアの上に支持されているために、極めて頑丈なアンテナを作製することが可能である。こうしたアンテナは、主として空気コアである従来のアンテナと同じ低−水平無指向性（ｌｏｗ−ｈｏｒｉｚｏｎ ｏｍｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）感度を有するような配置が可能であり、しかも、或る用途においてはパッチアンテナの代用として十分に使用できる頑丈さを備えている。その小型さと頑丈さによって、目立たない自動車取り付け用や携帯式の装置としての利用に適したものになっている。ある状況においては、このアンテナをプリント回路基板の上へ直接取り付けることさえ可能である。このアンテナは円偏波信号だけでなく、垂直偏波信号や水平偏波信号を受信するのにも適していることから、衛星ナビゲーション受信機だけでなく、携帯式の移動電話などの様々なタイプの無線通信において使用が可能である。

受信する信号がやってくる方向や、反射によってもたらされる偏波変動において受信信号の特性が予測できないような場合の使用に特に適している。

空気中の動作波長λで表すと、アンテナエレメントの長手方向すなわち軸方向の長さは、一般に０．０３λ〜０．０６λの範囲であり、コアの直径は一般に０．０２λから０．０３λである。エレメントのトラック幅は一般に０．００１５λ〜０．００２５λである。一方、蛇行したトラックの螺旋平均経路からの偏移は、蛇行経路の中心から測って平均経路の両側において０．００３５λから０．００６５λである。バランのスリーブの長さは一般に０．０３λ〜０．０６λの範囲である。

この発明の第３の側面においては、２００ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナが提供されており、このアンテナは、共通の中心軸を有する螺旋として形成された少なくとも２対の螺旋エレメントの形態のアンテナエレメント構造と、内側の給電導体と外側の遮蔽導体とを有するほぼ軸方向に配置されたフィーダ構造とを有して、アンテナエレメントの各々の一端がフィーダ構造の末端に接続され、他端が共通のグラウンドあるいはバーチャルグラウンド導体に接続されており、さらにフィーダ構造のまわりに同軸に配置された導電性スリーブを有するバランを有している。スリーブは、５以上の比誘電率を有する絶縁材料の同軸層によって、フィーダ構造の外側遮蔽導体から離間されている。スリーブの初端はフィーダ構造の外側遮蔽導体へ接続されている。好ましくは、螺旋エメントの軸長はバランのスリーブの長さよりも長く、バランのスリーブ導体は共通導体も形成しており、各螺旋エレメントはスリーブの末端で終わっているのが好ましい。別の形態においては、スリーブの末端は開放された回路になっており、フィーダ構造の外側遮蔽導体が共通導体になっている。

また別の側面において、上述したアンテナの製造方法は、誘電体材料からアンテナのコアを形成する段階と、予め決められたパターンに従ってコアの外側表面を金属被覆する段
階とを有する。この金属被覆は、コアの外側表面を金属材料でコーティングし、次にコーティングの一部を取り除いて予め決められたパターンを残すか、あるいはこれとは違って、予め決められたパターンのネガを有するマスクを形成し、次にコアの一部を遮蔽するマスクを使用してコアの外側表面上に金属材料を蒸着することによってパターンに従って金属材料を付着させる。必要な形の導電性パターンを蒸着する他の方法を使用することもできる。

バランスリーブと、放射エレメント構造の一部を形成する複数のアンテナエレメントとを有するアンテナを製造する特に好ましい方法は、誘電体材料のバッチを提供する段階と、このバッチから少なくとも一つのテストアンテナコアを作製する段階と、好ましくは放射エレメント構造を持たないバラン構造を形成する段階とを有し、バラン構造の形成は、バラン構造の共振周波数に影響する所定の呼び寸法を有するバランスリーブをコアに金属被覆することによって行う。このテスト共振器の共振周波数を次に測定し、測定した周波数を使って、バラン構造の必要な共振周波数を得るためのバランスリーブの寸法の調節値を導き出す。同じ測定周波数を使って放射エレメント構造のアンテナエレメントの少なくとも一つの寸法を導き出すことで、必要なアンテナエレメント周波数特性を得ることができる。次に、材料の同じバッチから作られたアンテナを、導き出した寸法を有するバランスリーブ及びアンテナエレメントで製造する。

次に、この発明を図面を参照して例示説明する。図面を参照すると、この発明による４線巻（ｑｕａｄｒｉｆｉｌａｒ）アンテナは、長手方向に延びる４つのアンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを備えたアンテナエレメント構造を有している。アンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄは、セラミックのコア１２の円筒状の外側表面上の金属導体トラックとして形成されている。コアは軸方向の通路１４を有しており、この通路は内側に金属のライニング１６を有する。またこの通路には軸方向の内側導体１８が収容されている。この場合の内側導体１８とライニング１６は、フィーダーラインをアンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄに接続するフィーダ構造を形成している。アンテナエレメント構造は、対応する半径方向のアンテナエレメント１０ＡＲ、１０ＢＲ、１０ＣＲ、１０ＤＲも有しており、アンテナエレメント１０ＡＲ〜１０ＤＲはコア１２の末端の端面１２Ｄ上の金属トラックとして形成されており、長手方向に延びるアンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄの各々の端部をフィーダ構造へ接続している。アンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄの他端は、コア１２の初端部を囲むメッキされたスリーブ２０の形を有する共通のバーチャルグラウンド導体へ接続されている。このスリーブ２０は、コア１２の初端の端面１２Ｐ上に施されたメッキ２２によって軸方向の通路１４のライニング１６へ接続されている。

図１に見られるように、長手方向に延びる４つのエレメント１０Ａ〜１０Ｄは異なる長さを有しており、二つのエレメント１０Ｂ、１０Ｄは蛇行した経路を有しているために他の二つのエレメント１０Ａ、１０Ｃよりも長くなっている。円偏波信号を対象としているこの実施の形態においては、長手方向に延びる短い方のエレメント１０Ａ、１０Ｃは単純な螺旋であり、各螺旋はコア１２の軸のまわりで半回転している。これに対して、長い方のエレメント１０Ｂ、１０Ｄはそれぞれ正弦波状の蛇行経路を有しており、螺旋の中心線の両側で偏移している。長手方向に延びるエレメントと、これらに対応する半径方向のエレメントの対（例えばエレメント１０Ａ、１０ＡＲ）は、予め決められた電気長を有する導体を構成している。この実施の形態においては、長さが短いエレメントの対１０Ａ、１０ＡＲ、１０Ｃ、１０ＣＲの各々の全長は、動作波長において約１３５度の伝送遅延に対応している。一方、エレメントの対１０Ｂ、１０ＢＲ、１０Ｄ、１０ＤＲの各々は、ほぼ２２５度に対応するより大きな遅延を生じる。従って、平均の伝送遅延は１８０度であり、動作波長においてλ／２の電気長に等価である。異なる長さにすることによって、ザ・マイクロウェーブジャーナル（Ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ），１９７
０年１２月号、４９−５４ページに記載のキルガス（Ｋｉｌｇｕｓ）の”レゾナント・クワドリフィラ・ヘリックス・デザイン（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｑｕａｄｒｉｆｉｌａｒ Ｈｅｌｉｘ Ｄｅｓｉｇｎ）”に述べられている円偏波信号に対する４線巻螺旋アンテナに対して必要な位相シフト条件が得られる。二つのエレメントの対１０Ｃ、１０ＣＲ、１０Ｄ、１０ＤＲ（すなわち、長いエレメントの一対と、短いエレメントの一対）は、半径方向のエレメント１０ＣＲ、１０ＤＲの内側端部において、コア１２の末端におけるフィーダ構造の内側導体１８へ接続されている。一方、他の二つのエレメントの対１０Ａ、１０ＡＲ、１０Ｂ、１０ＢＲの半径方向エレメントは、金属のライニング１６によって形成されたフィーダの遮蔽部材へ接続されている。フィーダ構造の末端において、内側導体１８とライニング１６の上に存在する信号はほぼ平衡がとれており、アンテナエレメントは以下で説明するように、ほぼ平衡がとれた源あるいは負荷へ接続されている。

エレメント１０Ｂ、１０Ｄの蛇行によって、エレメントに沿った円偏波信号の伝搬が、単純な螺旋を描くエレメント１０Ａ、１０Ｃの伝搬速度に比べて螺旋方向に遅くなる効果を得られる。蛇行によって長くなる経路長のシーリングファクタ（ｓｅａｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）は、以下の式を使って評価することができる。

ここで、φはラジアンで表された、蛇行したトラックの中心線に沿った距離、ａはこれもラジアンで表された蛇行経路の振幅、ｎは蛇行のサイクル数である。

長手方向に延びるエレメント１０Ａ〜１０Ｄの左手系の螺旋経路により、アンテナは右円偏波信号に対して最大のゲインを有する。

一方、そうではなくアンテナを左円偏波信号に対して使用する場合には、螺旋の方向を逆にし、半径方向エレメントの接続のパターンを９０度回転する。アンテナを右円偏波信号と左円偏波信号の両方を受信するのに適するようにするには、ゲインは落ちるけれども、長手方向に延びるエレメントを、ほぼ軸と平行な経路を辿るように配置する。こうしたアンテナは垂直及び水平に偏波した信号にも適している。

この実施の形態においては、導電性のスリーブ２０はアンテナのコア１２の初端部分を覆っており、フィーダ構造１６、１８を取り囲んでいる。スリーブ２０と、軸方向の通路１４の金属のライニング１６との間のスペース全体をコア１２の材料が満たしている。スリーブ２０は図２に示されているように平均軸長１Ｂを有する円筒を形成している。スリーブ２０は、コア１２の初端の端面１２Ｐのメッキ２２によってライニング１６へ接続されている。スリーブ２０とメッキ２２が組み合わさってバランを形成している。その結果、フィーダ構造１６、１８によって形成される伝送ラインの中の信号は、アンテナの初端における平衡がとれていない状態と、初端からの距離がスリーブ２０の上側の連結端部２０Ｕが形成する平面内にほぼ位置する軸上位置におけるほぼ平衡のとれた状態との間で変換が行われる。これを実現するために、比較的大きな比誘電率を有する下層コアが存在するときには、平均スリーブ長１Ｂは、バランがアンテナの動作周波数においてλ／４の平均電気長を有するようなものになっている。アンテナのコア材料は縮小（ｆｏｒｅｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇ）効果を有しており、また内側導体１８を囲んでいる環状のスペースには比較的小さな誘電率を有する誘電体材料が充填されているため、スリーブ２０から離れたところのフィーダ構造は短い電気長を有する。その結果、フィーダ構造１６、１８の末端
における信号は少なくともほぼ平衡がとれている。（半硬質ケーブル中の絶縁体の誘電率は一般に上述したセラミックコア材料のそれよりもずっと小さい。例えば、ＰＴＦＥの比誘電率εｒは約２．２である。）
このアンテナは５００ＭＨｚあるいはそれ以上の主共振周波数を有している。共振周波数はアンテナエレメントの実効電気長によって、また程度は小さいがその幅によって決まる。所定の共振周波数についてのエレメントの長さはコア材料の比誘電率にも依存する。アンテナの寸法は、空気のコアからなる同じような構造のアンテナに対してかなり小さくなる。

コア１２に好ましい材料は、ジルコニウムチタネートをベースとした材料である。この材料は、上述した３６の比誘電率を有しており、温度変化に対するその寸法的、電気的安定性についても注目すべきものがある。誘電体損は無視できる。コアは押し出しあるいはプレスによって製造される。

アンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄ、１０ＡＲ〜１０ＤＲは、コア１２の外側円筒状表面及び端面へ接合された金属導体のトラックである。トラックの各々は、その動作長にわたって、厚みの少なくとも４倍の幅を有している。これらトラックは、まずコア１２の表面へ金属層をメッキし、次にこの層を選択的にエッチングして取り除き、プリント回路基板をエッチングするために使用されるものと類似の写真層に設けられたパターンに従ってコアを露出させる。これとは違って、選択的な蒸着あるいは印刷技術によって金属材料を付着させてもよい。いずれの場合にも、寸法的に安定したコアの外側へ一体化した層としてトラックを形成することによって、寸法的に安定したアンテナエレメントを有するアンテナになる。

空気よりもかなり大きな比誘電率、例えばεｒ＝３６を有するコア材料を用いると、１５７５ＭＨｚにおいてＬバンドＧＰＳ受信を行うための上述したアンテナは一般に約５ｍｍのコア直径を有し、長手方向に延びるアンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄは約１６ｍｍの長手方向（すなわち中心軸に平行）の長さを有する。エレメント１０Ａ〜１０Ｄの幅は約０．３ｍｍであり、蛇行したエレメント１０Ｂ、１０Ｄは平均経路の両側において、蛇行したトラックの中心から測って螺旋の平均経路から最大で約０．９ｍｍまで偏移している。一般に、各エレメント１０Ｂ、１０Ｄには五つの蛇行正弦波サイクルが存在していて、長い方のエレメントと短い方のエレメント１０Ａ〜１０Ｄとの間に必要な９０度の位相差が得られるようになっている。１５７５ＭＨｚにおいては、バランを形成するスリーブ２０の長さは一般に８ｍｍ以下の範囲である。空気中における動作波長λで表すと、これらの寸法は、長手方向に（軸方向に）延びるエレメント１０Ａ〜１０Ｄに対しては０．０４２λであり、コア直径に対しては０．０２６λであり、バランスリーブに対しては０．０４２λ以下であり、トラック幅に対しては０．００２λであり、蛇行トラックの偏移に対しては最大で０．００５λである。アンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄの正確な寸法は、必要な位相差が得られるまで、固有値（ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ）遅延測定を行う試行錯誤によって設計段階で決定することができる。

しかし、一般にエレメント１０Ａ〜１０Ｄの長手方向の長さは０．０３λ〜０．０６λの間であり、コア直径は０．０２λ〜０．０３λの間であり、バランスリーブは０．０３λ〜０．０６λの間であり、トラック幅は０．００１５λ〜０．００２５λの間であり、蛇行トラックの偏移は最大で０．００６５λである。

このアンテナは非常に寸法が小さいために、製造における公差により、ある用途においてはアンテナの共振周波数の精度を十分に維持できない。これらの場合には、メッキされた材料をコアから取り除くことによって、例えば図３に示されているように一つあるいは複数のアンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄがつながっているスリーブ２０の部分をレーザ
浸食させることによって、共振周波数の調節を行うことができる。ここでは、スリーブ２０を浸食させてアンテナエレメント１０Ａとの接合部の両側にノッチ２８を形成してエレメントを長くし、その共振周波数を下げる。これとは違って、例えばエッチングされる材料に合わせた開口部を有するレジストコーティングを利用して、金属材料をエッチングして化学的に取り除くこともできる。そのかわりにショットブラスト浸食を用いてもよい。研磨材料の小さな粒子を、浸食させる金属部分へ細かいノズルで投射する。周囲の材料を保護するために、開口部を備えたマスクを使用してもよい。

共振周波数の製造変動の大きな原因は、コア材料の比誘電率がバッチによって異なることである。上述した好ましいアンテナの製造方法においては、セラミック材料のそれぞれの新しいバッチから少量のテスト共振器サンプルを製造する。これらサンプル共振器の各々は、アンテナのコアの呼び寸法に対応したアンテナコア寸法を有しており、図４に示されているようにバランのところのみがメッキされている。図４を参照すると、テスト用のコア１２Ｔはメッキされたスリーブ２０Ｔに加えて、メッキされた初端の端面１２ＰＴも有している。コア１２Ｔの内側の通路１４Ｔは、初端の端面１２ＰＴとスリーブ２０Ｔの上側端部２０ＵＴの高さ位置との間でメッキされるか、あるいは、図４に示されているように通路１４Ｔの長さ全体にわたってライニング１６Ｔがメッキされる。スリーブ２０Ｔから離れたところのコア１２Ｔの外側表面はメッキされないままに残されているのが好ましい。

コア１２Ｔはセラミック材料バッチからプレスあるいは押し出しにより、呼び寸法にされる。バランスリーブは軸方向の呼び長さにわたってメッキされる。この構造は１／４波長共振器を形成し、コアの初端の端面１２ＰＴとつながる通路１４Ｔの初端部に給電されたとき、スリーブ２０Ｔの電気長の約４倍に対応する波長λで共振する。

次に、テスト共振器の共振周波数を測定する。これは図５に示されているように、ネットワークアナライザ３０を用いて、その掃引周波数信号源３０Ｓを例えば同軸ケーブル３４により、参照番号３２Ｔで表された共振器へ接続することによって行うことができる。同軸ケーブル３４はその短い端部３４Ｅのところの外側の遮蔽部材が取り除かれている。同軸ケーブル３４の外側遮蔽部材を、コア１２Ｔの近端の端面１２ＰＴに隣接する金属被覆１６Ｔに接続し、同軸ケーブル３４の内側導体を通路１４Ｔのほぼ中央に配置した状態で端部３４Ｅを通路１４Ｔ（図４参照）の初端に挿入することで、通路１４Ｔ内側の掃引周波数信号源の容量的結合が得られる。端部３６Ｅの外側の遮蔽部材を同じように取り除いた別のケーブル３６がネットワークアナライザ３０の信号リターン３０Ｒに接続され、またコア１２Ｔの通路１４Ｔの末端に挿入される。ネットワークアナライザ３０は信号源３０Ｓと信号リターン３０Ｒの間の信号伝送特性を測定するように設定されており、１／４波長共振周波数における特性の不連続が観測される。これとは違って、ネットワークアナライザは、図６に示されている１本のケーブルを用いた配置によって、掃引周波数信号源３０Ｓにおける反射信号を測定するように設定することもできる。この場合にも共振周波数を観測することができる。

テスト共振器の実際の共振周波数は、コア１２Ｔを形成するセラミック材料の比誘電率に依存する。一方においてはバランのスリーブ２０Ｔの寸法、例えばその軸長と、他方においては共振周波数との間の実験的に導き出された関係あるいは計算された関係を用いて、任意の所定のセラミック材料のバッチに対してその寸法をどのように変更すべきかを決定することで、必要な共振周波数を得ることができる。従って、測定された周波数を使って、そのバッチから製造されるすべてのアンテナに対して必要なバランスリーブ寸法を計算することができる。

簡単なテスト共振器から得られたこの測定周波数を用いて、放射エレメント構造の寸法
、特にスリーブ２０（図１及び図２の参照番号を使用）から離れたところのコアの円筒状外側表面上にメッキされたアンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄの軸長を調節することができる。このようなバッチごとの比誘電率の変動に対する補償は、テスト共振器から得られた共振周波数の関数としてコアの全長を調節することによって行うことができる。

上述した方法を用いることによって、設定すべきアンテナ周波数特性の精度に応じて、図３を参照して先に説明したレーザートリミングプロセスをなくすこともできる。テストサンプルとして完全なアンテナを使用することもできるが、図４を参照して前述した共振器を使用すること、すなわち放射エレメント構造を用いないことの利点は、放射構造に伴う干渉性共振のない状態で、単純な共振を識別し測定することができることである。

アンテナエレメントと同じコアの上にメッキされている上述したアンテナのバランはアンテナエレメントと同時に形成され、アンテナの残りの部分と一体化されており、頑丈さと電気的安定性を共有している。バランはコア１２の初端部のためのメッキされた外部シェルを形成しているために、図２に示されているようにプリント回路基板の上へアンテナを直接取り付けることができる。例えば、アンテナを端部取り付けするなら、初端の端面１２Ｐをプリント回路基板２４（図において鎖線で表されている）の上側表面のグラウンド面へ直接ハンダ付けする。内側導体１８については基板のメッキされた穴２６へ直接通して下側表面上の導体トラックへハンダ付けする。スリーブ２０は比較的大きな比誘電率を有する材料からなる中実のコアの上に形成されているため、必要な９０度の位相シフトを達成するためのスリーブの寸法は、空気中の等価的なバラン部分のそれよりもずっと小さい。コア１２の初端部におけるフィーダのライニング１６と上端２０Ｕとの間の電気長はλ／４である。その結果、上端２０Ｕはグラウンドから電気的に絶縁される。螺旋エレメント１０Ａ〜１０Ｄ中の電流は、上端２０Ｕにおいて環状に流れ、合計はゼロになる。

この発明の範囲内において、別のバラン構造及びフィーダ構造を利用することが可能である。例えば、フィーダ構造は、少なくとも部分的にアンテナのコア１２の外部に取り付けられたバランと協働するようになっていてもよい。つまり、同軸ケーブルを並列に作用する二つの同軸伝送ラインに分割することによってバランを形成することができる。このとき、一方は他方よりもλ／２の電気長だけ長くなっている。これら並列に接続された同軸伝送ラインの他端の内側導体は、半径方向のアンテナエレメント１０ＡＲ、１０ＤＲ、１０ＢＲ、１０ＣＲの各対へ接続されているコア１２の通路１４の中を通る一対の内側導体へ接続される。

別の実施の形態として、アンテナエレメント１０Ａ〜１０Ｄをコア１２の円筒状表面の初端において環状の導体へ直接に接地することができる。バランは、例えばコアの初端の端面１２Ｐ上の螺旋に形成された同軸ケーブルを有するフィーダ構造を延長することによって形成できる。その結果、ケーブルはコアの内側の通路１４から外側へ螺旋状に延びて、端面１２Ｐの外側端部において環状導体につながり、ここでケーブルの遮蔽部材は環状導体へ接続される。コア１２の内側の通路１４と環状リングとの連結部との間のケーブルの長さは、動作周波数においてλ／４（電気長）になっている。

これらの構造はすべて円偏波信号のためのアンテナ構造である。こうしたアンテナは垂直偏波信号と水平偏波信号の両方に対しても感度を有している。しかし、このアンテナが特に円偏波信号のためのものでなければ、バランを省略することができる。アンテナを単純な同軸フィーダへ直接接続してもよい。そして、フィーダの内側導体を、コア１２の上面において半径方向の４つのアンテナエレメント１０ＡＲ〜１０ＤＲすべてに接続する。また、同軸フィーダの遮蔽部材は、コア１２の初端の端面１２Ｐ上の半径方向の導体を介して、長手方向に延びる４つのエレメント１０Ａ〜１０Ｄすべてに接続する。実際、より制限の緩い用途においては、エレメント１０Ａ〜１０Ｄは螺旋構造である必要はなく、単
に、エレメントとフィーダ構造へのその接続部とを有するアンテナエレメント構造が全体として三次元構造を有していて、垂直偏波信号と水平偏波信号の両方に対して感度を有しているだけで十分である。例えば、アンテナエレメント構造が二つあるいはそれより多くのアンテナエレメントを有し、このアンテナエレメントのそれぞれが先に説明した実施の形態におけるような上側の半径方向の接続部だけでなく、同じような下側の半径方向の接続部と、これらの半径方向部分を接続する中心軸に平行な直線部も有しているようなものでもよい。その他の構造も可能である。この簡単な構造は特にセル式移動電話に利用できる。携帯式の移動電話用途のこのようなアンテナの顕著な利点は、アンテナをユーザの頭の近くに持ってきたときに誘電体コアの同調を外すことがかなり避けられることである。これは小型であることと、頑丈であること以外の別の利点である。

ある状況においては、コア１２の中のフィーダ構造に関して、通路１４の中に予め形成された同軸ケーブルを挿入しておくことが便利である。ケーブルは半径方向のエレメント１０ＡＲ〜１０ＤＲと反対側のコア端部から出ており、例えば図２に関して前述したプリント回路基板へ直接接続する方法以外の方法で、受信回路へ接続される。この場合、ケーブルの外側の遮蔽部材は互いに離間された二つの箇所、好ましくはそれより多くの箇所において通路のライニング１６へ接続される。

大部分の用途においては、アンテナは保護用のエンベロープの中に収容される。エンベロープは一般に薄いプラスチックカバーであり、間にスペースを挟んだり、あるいはスペースを挟まずにアンテナを取り囲む。

［その他］
本発明は、一実施の形態において、次に示す論理の構成を採ることができる。

（１）２００ＭＨｚ以上の周波数において動作するアンテナであって、５以上の比誘電率を有する材料から形成された電気絶縁性を有するアンテナコアと、前記コアの外側表面の上あるいは外側表面に隣接して配置されていて内部容積を限定する三次元のアンテナエレメント構造と、前記エレメント構造へ接続されていて前記コアを通っているフィーダ構造とを有しており、前記コアの材料が前記内部容積の大部分を占めているアンテナ。

（２）前記アンテナエレメント構造が、アンテナの長手方向の中心軸上に中心を有するエンベロープを形成する複数のアンテナエレメントを有し、前記フィーダ構造が前記中心軸上にある上記１記載のアンテナ。

（３）前記コアが円筒形状であり、前記アンテナエレメントが前記コアと同軸の円筒状エンベロープを形成している上記２記載のアンテナ。

（４）前記コアが円筒状部材であり、フィーダ構造を収容する軸方向の通路を除いて前記コアが中実である上記２もしくは上記３記載のアンテナ。

（５）前記コアのうちの中実部分の容積が、前記エレメントによって形成されるエンベロープの内部容積の少なくとも５０％を占め、前記エレメントが前記コアの円筒状外側表面の上に配置されている上記４記載のアンテナ。

（６）前記エレメントが前記コアの外側表面に接合された金属導体のトラックからなっている上記２〜上記５のいずれか１項記載のアンテナ。

（７）前記コアの材料がセラミックである上記１〜上記６のいずれか１項記載のアンテナ。

（８）前記材料の比誘電率が１０以上である上記７記載のアンテナ。

（９）前記コアは軸方向の長さが少なくとも外径と同じの中実材料からなっており、中実材料の直径方向の寸法が外径の少なくとも５０％である上記１記載のアンテナ。

（１０）前記コアはその全体の直径の半分よりも小さい直径の軸方向通路を有するチューブの形をしており、その内側の通路が導電性ライニングを有している上記９記載のアンテナ。

（１１）前記アンテナエレメント構造がコアの外側表面上に金属トラックとして形成されたほぼ螺旋状の複数のアンテナエレメントを有しており、これらの金属トラックが軸方向にほぼ同じだけ延びている上記９もしくは上記１０記載のアンテナ。

（１２）前記螺旋状のエレメントの各々がその一端においてフィーダ構造へ接続されており、他端において他の螺旋状のエレメントの少なくとも一つに接続されている上記１１記載のアンテナ。

（１３）前記フィーダ構造への接続がほぼ半径方向の導電性エレメントによって行われ、各螺旋状のエレメントが、すべての螺旋状のエレメントに共通のグラウンドあるいはバーチャルグラウンドへ接続されている上記１２記載のアンテナ。

（１４）２００ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナであって、中実で電気絶縁性を有しかつ長手方向の中心軸を有していて、５以上の比誘電率を有する材料から形成されているアンテナコアと、該コアの中心軸を通ってのびておりかつ前記コアの外側表面上に位置するフィーダ構造と、前記コアの一端においてフィーダ構造へ接続されており、コアの他端の方向へ向けて共通の連結導体まで延びている複数のアンテナエレメントとを有するアンテナ。

（１５）前記コアが軸方向に一定の外側断面を有し、前記アンテナエレメントが前記コアの表面上にメッキされた導体である上記１４記載のアンテナ。

（１６）前記アンテナエレメントが、一定の外側断面を有するコア部分上を長手方向に延びる複数の導体エレメントと、これらの長手方向に延びるエレメントを前記コアの一端において前記フィーダ構造へ接続する複数の半径方向の導体エレメントとを有する上記１５記載のアンテナ。

（１７）前記コアの前記他端における前記フィーダ構造との接続部から、前記コアの長さの一部の上を延びる導電性スリーブによってバランが一体形成されている上記１６記載のアンテナ。

（１８）前記バランのスリーブが長手方向に延びる導体エレメントの共通導体を形成し、前記フィーダ構造が内側の導体と外側の遮蔽導体とを有する同軸ラインからなっており、前記バランの導電性スリーブがコアの前記他端において前記フィーダ構造の外側の遮蔽導体へ接続されている上記１７記載のアンテナ。

（１９）前記コアが中実円筒であり、前記アンテナエレメントが、コアの円筒状外側表面の上を長手方向に延びる少なくとも４つのエレメントと、コアの末端の端面上に設けられた対応する半径方向のエレメントとを有し、これらの半径方向のエレメントが長手方向のエレメントを前記フィーダ構造の導体へ接続している上記１４〜上記１８のいずれか１
項記載のアンテナ。

（２０）前記長手方向に延びるエレメントが互いに異なる長さを有する上記１９記載のアンテナ。

（２１）前記アンテナエレメントが長手方向に延びる４つのエレメントを有し、これらのうちの２つのエレメントはコアの外側表面上の蛇行経路を辿っていて、他の２つのエレメントよりも長くなっている上記２０記載のアンテナ。

（２２）前記長手方向に延びる４つのエレメントがそれぞれほぼ螺旋状経路を有し、長い方の二つのエレメントの各々が螺旋の中心線から両側へ偏移する蛇行経路を有している上記２１記載のアンテナ。

（２３）前記半径方向のエレメントが単純な半径方向のトラックであり、これらのトラックがすべて同じ長さである上記１９〜上記２２のいずれか１項記載のアンテナ。

（２４）λを空気中のアンテナの動作波長とすると、長手方向の長さが０．０３λ〜０．０６λの範囲の複数の前記アンテナエレメントと、直径が０．０２λ〜０．０３λの範囲の前記コアを有する上記１〜上記２３のいずれか１項記載のアンテナ。

（２５）前記バランのスリーブの長さが０．０３λ〜０．０６λの範囲である上記２４，１７もしくは１８のいずれか１項記載のアンテナ。

（２６）２００ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナであって、共通の中心軸を有する螺旋として形成された少なくとも２対の螺旋状のエレメントの形態のアンテナエレメント構造と、内側の給電導体と外側の遮蔽導体とを有するほぼ軸方向のフィーダ構造とを有し、螺旋状の前記エレメントの一端が前記フィーダ構造の末端に、他端が共通のグラウンドあるいはバーチャルグラウンド導体へ接続されており、また、フィーダ構造のまわりに同軸に配置された導電性スリーブを有するバランを有し、前記スリーブが、５以上の比誘電率を有する絶縁性材料の同軸層によって前記フィーダ構造の外側の遮蔽導体から離間されており、さらに前記スリーブの初端が前記フィーダ構造の外側の前記遮蔽導体へ接続されているアンテナ。

（２７）前記バランのスリーブ導体が共通のグラウンド導体を形成し、螺旋状の各エレメントがスリーブの末端で終わっている上記２６記載のアンテナ。

（２８）前記スリーブの末端が開放した回路であり、前記共通の導体が前記フィーダ構造の外側の前記遮蔽導体である上記２６記載のアンテナ。

（２９）前記アンテナが無線通信装置の一部を形成するプリント回路基板に直接取り付けられている上記１〜２８のいずれか１項記載のアンテナを有する無線通信装置。

（３０）誘電体材料からアンテナコアを形成する段階と、所定のパターンに従ってコアの外側表面を金属被覆する段階とを有する上記１〜上記２９のいずれか１項記載のアンテナを製造する方法。

（３１）前記金属被覆する段階が、コアの外側表面に金属材料をコーティングする段階と、コーティングの一部を取り除いて所定のパターンを残す段階とを有する上記３０記載の方法。

（３２）前記金属被覆する段階が、前記所定のパターンのネガを有するマスクを形成する段階と、コアの一部をマスキングするためのマスクを利用してコアの外側表面上に金属材料を蒸着することによって前記所定のパターンに従って金属材料を付ける段階とを有する上記３０記載の方法。

（３３）誘電体材料のバッチを準備する段階と、
このバッチから少なくとも一つのテストアンテナコアを作る段階と、
バラン構造の共振周波数に影響する所定の呼び寸法を有するスリーブをコア上に金属被覆することによってバラン構造を形成する段階と、
共振周波数を測定することによって、要求されるバラン構造の共振周波数を得るためのスリーブ寸法の調節値を導き出し、要求されるアンテナエレメント周波数特性を与えるアンテナエレメントの少なくとも一つの寸法を導き出す段階と、
導き出された寸法を有するスリーブとアンテナエレメントとを備えた複数のアンテナを、同じ材料バッチから製造する段階と、
を有する上記１７、１８、及び２５〜２９のいずれか１項記載の複数のアンテナを製造する方法。

（３４）前記テストコアが円筒形状で軸方向の通路を有しており、この通路がバランのスリーブと同じ長さの部分にわたって金属被覆されている上記３３記載の方法。

（３５）前記テストコアが円筒形状で軸方向の通路を有しており、この通路がその長さ全体にわたって金属被覆されている上記３３記載の方法。

（３６）前記スリーブ寸法が軸長である上記３４もしくは３５記載の方法。

（３７）前記アンテナエレメントの前記寸法が、少なくともいくつかのアンテナエレメントの長さである上記３４〜３６のいずれか１項記載の方法。

（３８）前記アンテナエレメントの前記寸法がアンテナエレメントの軸長であり、この軸長がアンテナエレメントの各々について同じである上記３４〜３６のいずれか１項記載の方法。

この発明によるアンテナの斜視図である。 アンテナの軸断面図である。 アンテナの部分斜視図である。 テスト共振器の破断斜視図である。 図４の共振器を含むテスト装置を示す図である。 別のテスト装置の図である。

Claims (8)

1. ５以上の比誘電率を有する中実材料から形成され、中心軸を有し、軸方向の長さが少なくとも直径と同じで、容積を限定する円筒状外側表面、第１端面部、及び第２端面部を有し、前記中実材料が前記容積の大部分を占めている円筒状電気絶縁性コアと；
   前記中心軸上配置のフィーダ構造と；
   前記コアの前記円筒状外側表面上に配置されていて、前記コアの前記第１端面部から前記第２端面部の方向へ実質的に延びている複数の螺旋状導体トラックとして構成された少なくとも二対の螺旋状アンテナエレメントと、前記コアの前記第１端面部上で放射状に延びていて、前記螺旋状導体トラックの各一方の端部を前記フィーダ構造に連結させている複数のフィーダ接続導体トラックと、前記螺旋状導体トラックの他方の端部を相互に連結させ、前記コアの前記第２端面部に隣接する前記円筒状外側表面上で前記コアの一部分を取り囲んでいる相互連結導体とを含む３次元アンテナエレメント構造とを備え；
   前記フィーダ構造は、前記フィーダ接続導体トラックに接続されている
   螺旋アンテナ。
2. 前記相互連結導体を前記フィーダ構造と連結することにより構成されるバランを含む請求項１記載の螺旋アンテナ。
3. 前記コアの材料がセラミックであり、比誘電率が少なくとも１０である請求項１記載の螺旋アンテナ。
4. 前記フィーダ接続導体トラックが、前記コアの前記第１端面部と同一平面上にあり、かつ前記第１端面部に直接接合された請求項１記載の螺旋アンテナ。
5. 前記フィーダ構造が内側導体及び外側導体を含む同軸ケーブルを備え、
   前記相互連結導体が前記コアの前記第２端面部上に形成された導体層を有し、この導体層が前記各螺旋状導体トラックを前記第２端面部において前記フィーダ構造の前記外側導体に接続する請求項１、２、３または４に記載の螺旋アンテナ。
6. 前記螺旋状導体トラックは４つあり、各一対の前記螺旋状導体トラックは前記コアの中心軸に平行な軸方向に同じだけ延びていてかつ前記コアの直径方向に対向している請求項
   １記載の螺旋アンテナ。
7. 前記相互連結導体が環状である請求項１記載の螺旋アンテナ。
8. 少なくとも１０の比誘電率を有する中実セラミック材料から形成され、中心軸を限定する円筒状外側表面を有し、前記円筒状外側表面が第１端面部から第２端面部へ延びていて、前記第１端面部及び前記第２端面部が前記中心軸にほぼ垂直であり、前記中実セラミック材料が前記円筒状外側表面、前記第１端面部、及び前記第２端面部によって限定される容積の大部分を占めている円筒状電気絶縁性コアと；
   前記中心軸上配置のフィーダ構造と；
   前記コアの前記円筒状外側表面上で前記第１端面部から前記第２端面部の方向へ実質的に延びていて、かつ前記中心軸に中心を持つ、前記コアの直径方向に対向する２つの螺旋状導体トラックを各一対が有する少なくとも二対の螺旋状アンテナエレメントと、前記コアの前記第１端面部上で放射状に延びていて、前記螺旋状導体トラックの各第１の端部を前記フィーダ構造に連結させている複数のフィーダ接続導体トラックとを含む３次元アンテナエレメント構造とを備え；
   前記螺旋状導体トラックの各第２の端部は、前記コアの前記円筒状外側表面上で相互に連結され；
   前記一つの対の螺旋状アンテナエレメントの前記螺旋状導体トラックは、前記フィーダ接続導体トラックとの組み合わせによって第１の電気長の導体を構成し、前記他の対の螺旋状アンテナエレメントの前記螺旋状導体トラックは、前記フィーダ接続導体トラックとの組み合わせによって第２の電気長の導体を構成する
   螺旋アンテナ。

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