(57)【要約】【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
2006109462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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２】
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３】
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４】
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５】
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。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
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。
【００３３】
【図１】従来の円偏波アンテナを概略的に示す図である。
【図２】従来のヘリカルクワッドアンテナを概略的に示す図である。
【図３．Ａ】本発明の実施の形態に係るヘリカルアンテナの一部を概略的に示す斜視図である。
【図３．Ｂ】本発明の実施の形態に係るヘリカルアンテナの一部を概略的に示す斜視図である。
【図４】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のデザインを概略的に示す斜視図である。
【図５．Ａ】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の設計を概略的に示す斜視図である。
【図５．Ｂ】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の設計を概略的に示す斜視図である。
【図６．Ａ】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の設計を概略的に示す斜視図である。
【図６．Ｂ】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の設計を概略的に示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るバラン基板の構成を概略的に示す図である。
【図８】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９】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１０．ａ】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。
【図１０．ｂ】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。
【図１０．ｃ】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。
【図１１．ａ】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１１．ｂ】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１２】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１】
2006109462.tif 000003
【図２】
2006109462.tif 000004
【図３．Ａ】
2006109462.tif 000005
【図３．Ｂ】
2006109462.tif 000006
【図４】
2006109462.tif 000007
【図５．Ａ】
2006109462.tif 000008
【図５．Ｂ】
2006109462.tif 000009
【図６．Ａ】
2006109462.tif 000010
【図６．Ｂ】
2006109462.tif 000011
【図７】
2006109462.tif 000012
【図８】
2006109462.tif 000013
【図９】
2006109462.tif 000014
【図１０．ａ】
2006109462.tif 000015
【図１０．ｂ】
2006109462.tif 000016
【図１０．ｃ】
2006109462.tif 000017
【図１１．ａ】
2006109462.tif 000018
【図１１．ｂ】
2006109462.tif 000019
【図１２】
2006109462.tif 000020
【外国語明細書】
Title of Invention
ANTENNA
Technical Field
The present invention relates to an antenna structure.  More particularly, the present invention relates to a helix antenna on a dielectric core.
Background Art
Antenna is a necessary element in wireless communication.  Usually, the radio-frequency (RF) signals, carrying information, are transmitted or received at the antenna.  Then, the RF signals are further processed to obtain the actual information be carried.  Due to the design of the signal processing circuit, the RF signal in EM-wave has its desired polarization state.  Usually, it is a linear polarization or a circular polarization.  The polarization state can be generated by a specific antenna structure.
In the modern life, mobile phone has been a very popular wireless communication apparatus.  The mobile phone also needs to use the GPS to identify the position.  In order to reduce the volume of the GPS unit, the size of antenna is necessary to be reduced.  Particularly, if the volume of the mobile phone is intended to be reduced, the antenna size is also necessary to be reduced.
The basic antenna structure for generating the circular polarization RF signals has been well known in the art.  FIG. 1 is a basic conventional structure of antenna in circular polarization.  In FIG. 1, two antenna line structures 100, 102 are composed together in perpendicular crossing.  The two antenna line structures 100, 102 are implemented on a straight signal cable 104.  The two antenna line structures 100, 102 are respectively and electrically coupled to the signal cable 104 at the top end 106. The two antenna line structures 100, 102 at the other end 108 are commonly connected.  By adjusting the length of the antenna in difference for the two antenna line structures 100, 102, a circular polarization can be obtained.
The antenna structure in FIG. 1 is rather conventional.  The operation is not further described in detail.  Since the antenna structure in FIG. 1 used no dielectric material, the size is large to produce the desired wavelength.  FIG. 2 is another conventional design of helix antenna.  This conventional antenna product is a type of Quadrifilar Helix Antenna (QHA).  Basically, two pairs of antenna lines 120 are in helix structure and are formed on a dielectric rod core 122.  The input impedance Zin of the antenna is about 1 - 5 ohms when using a dielectric core with high dielectric constant.  However, the usual signal cable impedance is 50 ohms in the signal processing side.  A long low-impedance cable 124 is thus needed for impedance transformation.  This kind of cable is rather expensive.  Also and, this antenna needs a large balun transformer 126 at the bottom side opposite to the signal coupling end.  In this manner, since the balun transformer 126 occupies some space, the size of antenna cannot be further reduced.
In order to have better performance of antenna but with rather reduced size, some other designs of antenna are still under developing.  Manufacturers still strongly intend to design an antenna with sufficient function but reduced size.  Then, the antennal can be widely used in various wireless communication apparatus.
Disclosure of Invention
Summary of Invention
The invention provides an antenna structure with a balun transformer, which is formed on a circuit board.  As a result, the helix wire part and the balun transformer are electrically coupled together.  The balun transformer can maintain a well balance between the pair of antenna wires for the helix wire part.  The helix antenna of the invention can be, for example, a quadrifilar helix antenna (QHA) or a bifilar helix antenna (BHA).
According to an aspect of the invention, the invention provides an antenna, which comprises a central core, having a central coupling region.  At least one pair of helix antenna lines is formed on a surface of the central core.  A balun transformer is formed on a circuit board and electrically coupled to the pair of radiating antenna lines.  Wherein, the circuit board has a protruding structure to affixing into the central coupling region of the central core.  A signal input/output (I/O) end of the antenna is at another end of the balun transformer.
According to another aspect of the invention, the pair of radiating antenna lines includes a meander structure or a line-width adjusting structure at a location, at which a current is minimal.  Usually, the location is about at the central region of the helix antenna lines.
According to another aspect of the invention, the balun transformer includes two paths, and each of the paths includes a capacitor and an inductor, so that a desired equivalent length for each of the paths is obtained.  Also and, the balun part can also provide the transforming function for the impedance matching.
According to another aspect of the invention, the two paths of the balun transformer are formed on a same side of the circuit board or on different side of the circuit board.
According to another aspect of the invention, the invention provides balun transformer, which is suitable for use in electrical coupling to an antenna radiating part.  The balun transformer comprises a circuit board. A first path is formed on the circuit board, having a first equivalent length.  The first path includes a circuit composed of a capacitor and an inductor.  A second path, having a second equivalent length, is formed on the circuit board, including a circuit composed of a capacitor and an inductor.  Wherein, the first path and the second path have a commonly connected node to serve as a signal input/output (I/O) end.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary, and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.
Best Mode for Carrying Out the Invention
In the invention, the design principle for the antenna is arranging the balun transformer on a separated circuit board.  The antenna radiating part is separated formed on a dielectric core, such as a ceramic rod core.  Then, the balun transformer is electrically coupled to the antenna radiating part.  Signals are fed from the other end of the balun transformer.  The balun transformer has the balun effect and the effect of impedance transformation.
Embodiments are provided as the examples for descriptions.  FIGs. 3A and 3B are perspective drawing, schematically illustrating the parts of the helix antenna, according to an embodiment of the present invention.  In FIG. 3A, an antenna core 130 is used as medium material of the antenna.  The antenna core 130 can be, for example, a dielectric rod, such as a ceramic rod.  A through hole is, for example, formed at the central region.  However, this through hole is a design choice, for allowing a circuit board 132 to be easily coupled to the antenna core 130, as to be described later.  The through hole is not the only choice.  In general, this is referred to a central coupling region or a central coupling structure.  Radiating antenna lines are to be formed on the surface of the antenna core 130, as to be described later.
In FIG. 3B, a circuit board 132 is provided.  The balun transformer of the antenna is separately formed on the circuit board 132.  In order to firmly affix the circuit board 132, the circuit board 132 has a protruding structure 134 to be inserted into the through hole of the antenna core 130 which may include the groove to mechanically adapt the circuit board 132.  The circuit design is described as follows.
FIGs. 4, 5A, 5B, 6A and 6B are perspective drawing, schematically illustrating various designs about the helix lines and the coupling structure between the helix lines and the balun board, according to the embodiments of the present invention.  
In FIG. 4, the antenna usually is formed by one or two pairs of radiating lines 140.  Here, two pairs as the QHA are shown as the example.  In order to have sufficient radiating length, the radiating line 140 is in helix type.  The example is a QHA for generating a circular polarization state, as the example but not the only limitation in the invention.  The helix radiating lines 140 are formed on the surface of the antenna core 130.  According to the invention, the pairs of the helix lines are connected together by the metal ring 142 at the other end opposite to the end, which is connected with the balun transformer on the circuit board 132.  It should be noted that the ring 142 is not the conventional balun, so that the width of the ring 142 can be small.
Each one of the pairs of the helix lines 140 is respectively coupled to a circuit path of balun transformer on the circuit board 132.  The detail is to be described later.  In this manner, the radiating helix lines 140 are formed on the antenna core 130.  In other words, the balun transformer is not formed on the antenna core 130.  Therefore, the length of the antenna core 130 can be effectively reduced.
In order to have sufficient length of the helix line, FIG. 5A shows another design.  The line width is thinner at the location 144 on one pair, with respect to one BHA.  The thinner width produces a shorter equivalent length even though the actual physical length is the same.  The different operating lengths for the two pairs of BHA are to produce the circular polarization as the QHA, according to the electromagnetic wave theory.  The choice of the location 144 is under the consideration to prevent much radiating loss.  In this consideration, the location of the antenna with the minimal current is preferred.  The location 144 is then also preferably located at about central region of the helix lines, at which region the current is usually smaller.  The location 144 may also be located at the end of helix lines near the metal ring 142, as shown in FIG. 5B.
In FIG. 6A, another design for helix lines is shown.  For this example, the meander structure 146 is used to have sufficient length but is shorter extension.  The line width of the helix lines 140 may be not necessary to be reduced, as shown in FIG. 5A or FIG. 5B.  However, since the meander structure 146 provides the required length, the total extending length of the helix line 140 is shorter.  The total antenna size is then effectively reduced.  The location of the meander structure 146 is under the same consideration as that for the location 144 in FIG. 5A or FIG. 5B.  In other words, the meander structure 146 preferably is located at the place with relatively smaller current, or the minimum current.  In FIG. 6B, another design for connection points between helix lines and circuit board 132 is shown.  Without thinner location 144 in FIG. 5A or FIG. 5B and meander structure 146 in FIG. 6A, different length between two pairs of the helix line 140 can be provided by rotating the circuit board 132 responding to the core.  As shown in FIG. 6B, the electrically connected points X and Y between circuit board 132 and helix lines 140 are not symmetrical.  Therefore, the total length of X-a-(helix line)-d-Y is shorter than the total length of X-e-(helix line)-h-Y.
For the structure described in FIGs. 4, 5A, 5B, 6A and 6B, these methods can provide BHA different resonant frequency.  Using two BHA’s with proper different resonant frequencies, the design of QHA formed from two BHA can achieve one circular-polarized QHA.  The resonant frequency is adjusted by adjusting the equivalent operating length.
The helix radiating lines 140 are formed in two pairs, and the helix structure is the QHA as the example.  However, the feeding signals are usually not in this way.  As known by the ordinary skill artisans, the antenna needs the balun to transform the signal from single into pair in well balance.  In the invention, the balun transformer is separately formed on a circuit board.  Also and, the balun transformer can also provide the capability to match the impedance.  The conventional expensive transforming cable 124 (see FIG. 2) is not necessary in the invention.  FIG. 7 is a drawing, schematically illustrating a structure of the balun circuit board, according to the embodiment of the present invention.  In FIG. 7, the balun circuit is formed on the circuit board 132 with two paths 1 and 2.  Each path includes a capacitor and an inductor.  For example for the path 1, it includes a capacitor 174a and an inductor 174b, forming as an LC resonator 174.  The inductor 174b can be simply formed by a thin metal line.  Due to the property of LC resonance, it can produce an equivalent length, such as 3/4λ. Another end 170 of the path 1 is i.e. receiving the 50 ohm input signal.  Similarly, for the path 2, it also includes a capacitor 172a and an inductor 172b, forming as an LC resonator 172.  The difference is the coupling structure of the capacitor 172a and the inductor 172b.  The quantities of the inductors 172b and 174b can be the same for easy implementation.  So are those of the capacitors 172a and 174a.  The path 2 is desired to have the length of 1/4λ.  As a result, the two paths have a difference by half wavelength, which also produces an 180o phase difference, to perform the balun function.  The other end of the path 2 is coupled with the path at the end 170.  Therefore, the 50-ohm input signals are fed to the balun circuit and then enter the helix lines 140.  The input impedance at the other end is about 1-5 ohms.  Therefore, the impedance transformation is simultaneously achieved without additional transforming cable.
FIG. 8 is a circuit drawing, schematically illustrating the equivalent circuit of the balun circuit in FIG. 7, according to the embodiment of the present invention.  In FIG. 8, the 50-ohm signals are fed to the path 1 and path 2 at the same time.  In path 1, the input signals go through the LC resonator, which has an inductor L connected to the ground and a capacitor C connected to the first output end.  In path 2, the input signals go through the LC resonator, which has a capacitor C connected to the ground and an inductor L connected to the second output end.  The balun circuit is used, for example, to produce a phase different of 180o, so that a balance for the pair of the helix lines 140 can be achieved.
FIG. 9 is a structure drawing, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in QHA type, according to the embodiments of the present invention.  In FIG. 9, the QHA of the invention is shown from both sides.  In one-side view (left drawing), the circuit board 132 is inserted into the through hole (see FIG. 3A and FIG. 3B).  Then, the path 1 and the path 2 are respectively coupled to the helix lines 140.  Since the factor of signal balance is quite important to have better performance, the balun circuit of the invention can be equally fed to the helix lines 140 to maintain the balance operation.  In the invention, since the balun circuit is formed on the circuit board 132, the balun circuit can be properly electrically coupled to the helix lines 140 by design the protruding structure 134 of the circuit board 132.  The description is just an example.  Here, a ground area is formed on the backside of the circuit board.
The foregoing antenna is the QHA type.  However, the QHA is basically composed by two pairs of BHA with different resonant frequencies.  The balun circuit shown in FIG. 7 is the example, in which the two paths 1 and 2 are formed at the same side of the circuit board.  Alternatively, the two paths can be respectively formed on both sides of the circuit board 132 with multilayer configuration.  The design of the balun circuit on both sides of the circuit board is shown as follows.
FIGs. 10a-10c are structure drawings, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in BHA type, according to the embodiments of the present invention.  Here, the BHA is taken as the example but the same design principle can also be applied to the QHA.  In FIG. 10a, on side of the BHA is shown.  For example, only the path 1 is formed on this side.  After assembling the circuit board 132 to the central core 130, the output end is properly electrically connected to one helix line.  In FIG. 10b, it is the view from the side opposite to the viewing side in FIG. 10a.  The path 2 is formed on this side, so as to electrically connect to the other helix line.  A ground plane is placed in the middle layer of the multilayer circuit board 132 so as to separate the signals on the two paths.  The input signals are fed at the same time to the path 1 and the path 2.  The signal input design to the two paths can have various options in the art.  In FIG. 10c, a side view is shown.  It can be seen that the two paths 1 and 2 on both sides of the circuit board 132 can properly connected to the pair of helix lines.
FIGs. 11a-11b are structure drawings, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in BHA type, according to another embodiments of the present invention.  The balun circuit in FIG. 7 can also be applied to the central core 130.  FIG. 11a shows one side and FIG. 11b shows the opposite side.  However, in order to have batter balance in connection, the circuit board 132 is turned by 90 degrees, so as to match the paths.
In general, the balun circuit of the invention can be applied to any type of antenna with a pair structure.  The QHA or the BHA is the examples for descriptions. Since the balun circuit is formed on the circuit board, the two paths can be formed on the same side or the different sides.  A connection balance can be easily achieved.  This can further improve the signal balance in operation.  The design properties in the foregoing descriptions can be combined to each other without only limitation to the QHA or BHA.  Even further, the balun circuit can be applied to the general antenna design.  Since the balun circuit is formed on the circuit board, the balun circuit can be easily adapted to various possible antenna designs.
Furthermore, the novel antenna of the invention can be applied to the wireless communication apparatus.  FIG. 12 is a drawing, schematically illustrating the application of the antenna of the invention in a wireless communication apparatus.  In FIG. 12, the wireless communication apparatus includes, for example, a mobile phone.  The wireless communication apparatus, such as mobile phone, includes the functional unit 300 to perform any necessary signal processes and/or display.  The novel antenna 302 of the invention is included to receive and transmit the RF signals.  The invention has proposed an antenna with reduced size.  Particularly, the balun circuit is separately formed on the circuit board by for example LC resonators.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made to the structure of the present invention without departing from the scope or spirit of the invention.  In view of the foregoing descriptions, it is intended that the present invention covers modifications and variations of this invention if they fall within the scope of the following claims and their equivalents.  For example, the balun transformer can be replaced by a match unit.  The match unit is implemented by a capacitor connected to the two paths.
Brief Description of Drawings
The accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention, and are incorporated in and constitute a part of this specification.  The drawings illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG. 1 is a drawing, schematically illustrating a conventional circular polarization antenna.
FIG. 2 is a drawing, schematically illustrating a conventional quadrifilar helix antenna.
FIG. 3A is a perspective drawing, schematically illustrating a part of the helix antenna, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a perspective drawing, schematically illustrating a part of the helix antenna, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective drawing, schematically illustrating a design about the helix lines and the coupling structure between the helix lines and the balun board, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a perspective drawing, schematically illustrating a design about the helix lines and the coupling structure between the helix lines and the balun board, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5B is a perspective drawing, schematically illustrating a design about the helix lines and the coupling structure between the helix lines and the balun board, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6A is a perspective drawing, schematically illustrating a design about the helix lines and the coupling structure between the helix lines and the balun board, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6B is a perspective drawing, schematically illustrating a design about the helix lines and the coupling structure between the helix lines and the balun board, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a drawing, schematically illustrating a structure of the balun board, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a circuit drawing, schematically illustrating the equivalent circuit of the balun circuit in FIG. 7, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a structure drawing, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in QHA type, according to the embodiments of the present invention.
FIG. 10a is a structure drawing, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in BHA type, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10b is a structure drawing, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in BHA type, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10c is a structure drawing, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in BHA type, according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11a is a structure drawing, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in BHA type, according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11b is a structure drawing, schematically illustrating the coupling structure between the helix lines and the balun circuit in BHA type, according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a drawing, schematically illustrating the application of the antenna of the invention in a wireless communication apparatus.
1. An antenna, comprising:
a central core, having a central coupling region ;
one or two pairs of radiating antenna lines, formed a surface of the central core; and
a circuit board electrically coupled to the pair of radiating antenna lines,
wherein the circuit board has a protruding structure to affixing into the central coupling region of the central core and a signal input/output (I/O) end of the antenna is electrically coupled to the circuit board.
2. The antenna of claim 1, wherein the pair of radiating antenna lines includes a meander structure or a line-width adjusting structure.
3. The antenna of claim 1, wherein the pair of radiating antenna lines includes a line-width adjusting structure at a region nearing the top terminal of the central core.
4. The antenna of claim 1, wherein electrically coupled locations between the circuit board and the radiating antenna line are not symmetrical.
5. The antenna of claim 1, wherein the central coupling region of the central core has a hole with a groove, so as to adapt the protruding structure of the circuit board.
6. A wireless communication apparatus, comprising:
a main functional unit for performing data processing and information display; and
an antenna as recited in claim 1, for transmitting and receiving radio-frequency (RF) signals.
Problem to be solved 
Providing a novel antenna structure with a balun transformer
Solution 
An antenna has a central core with a central coupling region.  A pair of helix antenna lines is formed a surface of the central core.  A balun transformer is formed on a circuit board and electrically coupled to the pair of radiating antenna lines.  Wherein, the circuit board has a protruding structure to affixing into the central coupling region of the central core.  A signal input/output (I/O) end of the antenna is at another end of the balun transformer.  The balun transformer preferably uses the LC resonators in two paths with a desired equivalent resonant length, so as to preferably produce the difference by half wavelength.
Selected figure: FIG. 4
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