(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２００ＭＨｚを超える周波数で動作するアンテナであって；
中心軸、第１端面、第２端面および外側表面を有し、５以上の比誘電率を有する固体材料の電気絶縁性アンテナコアと；
前記コアの前記外側表面上の少なくとも一対の導電性アンテナ素子と、前記一対の導電性アンテナ素子にそれぞれ接続され、前記コアの前記第１端面に関係させられた少なくとも一対の半径方向延伸の導電性フィーダ接続素子とを有する三次元のアンテナ素子構造と；
前記コアの前記第２端面に関係させられた共通導体と；
前記共通導体に接続されている前記第２端面から、前記フィーダ接続素子に接続されている前記第１端面へ向かって、前記コアを前記中心軸に沿って貫通するために、前記コアの軸通路に収容されるフィーダ構造とを備え；
前記コアの前記第１端面、前記第２端面および前記外側表面は、内部容積を画定し、
前記コアの材料は、前記内部容積の大部分を占有し、
前記一対の導電性アンテナ素子のそれぞれは、前記フィーダ接続素子から前記コアの前記第２端面の方向で前記共通導体との接続まで延びていて、
前記フィーダ構造は、比誘電率が前記コアの固体材料の比誘電率の半分以下の比誘電率を有する誘電層によって前記軸通路の内壁から離間されている
アンテナ。
【請求項２】
前記フィーダ構造は、前記誘電層を構成するプラスチック材料製の管により前記軸通路の内壁から離間されている請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記管は、前記コア内の前記フィーダ構造の全長にわたって延びる請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記誘電層の厚さは、前記軸通路の内壁と前記外側表面との間の前記コアの厚さ以下である請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記誘電層の厚さは、前記コアの厚さの２０％以下である請求項４に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記管の材料は、高温熱可塑性材料であり、前記管は、前記フィーダ構造と前記コアの前記第１端面上の前記フィーダ接続素子との間の電気接続部を形成するメッキされた露光端部を有する請求項２に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記コアは、前記フィーダ構造を収容する前記軸通路以外は固体である筒状体であり、かつ前記軸通路の直径が前記コアの全直径の半分以下であり、
前記コアの固体材料の容積は、前記コアの筒状の外側表面に重なる前記導電性アンテナ素子により形成された内包部の内部容積の少なくとも５０％である請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項８】
前記アンテナ素子構造の前記導電性アンテナ素子は、前記コアの前記筒状の外側表面に結合され金属トラックとして形成された複数のヘリカルアンテナ素子により構成され、前記トラックは軸方向に共に延伸する請求項７に記載のアンテナ。
【請求項９】
各ヘリカルアンテナ素子は、一端が前記半径方向延伸の導電性フィーダ接続素子を介して前記フィーダ構造に接続され、他端が前記ヘリカルアンテナ素子のすべてのための接地または仮想接地導体として適合する前記共通導体に接続されている請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記コアの材料は、１０以上の比誘電率を有するセラミック材料である請求項１〜９のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記コアの前記第２端面に隣接する前記外側表面の一部分を取り囲んでいる導体スリーブとしての前記共通導体によって形成された一体型バランを含む請求項１〜１０のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記フィーダ構造は、内側導体及び外側導体を有する同軸線から構成され、前記バランの前記導体スリーブは、前記コアの前記第２端面で前記フィーダ構造の前記外側導体に接続される請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記一対の導電性アンテナ素子は、前記コアの前記外側表面上に隣接して配置され、前記一対の半径方向延伸の導電性フィーダ接続素子は、前記コアの前記第１端面上に隣接して配置されている請求項１記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、２００メガヘルツ以上の周波数で作動するアンテナに関し、特に固体誘電コアの表面上、あるいは固体誘電コアに隣接したヘリカル素子を有するアンテナに関して限定されるものではない。
【０００２】
このようなアンテナは、同時係属中のイギリス特許出願番号２２９２６３８Ａ、２３０９５９２Ａ及び２３１０５４３Ａに開示されており、その全開示内容が本出願に組み入れられて、最初に出願されているように本願の主題の一部を形成する。先の出願には、コアの外側表面により画定される容積の大部分を占めるコア材料で、５以上の比誘電率を有する材料の実質的に筒状の電気絶縁性コアにメッキされた１対または２対の相対向するヘリカルアンテナ素子を有するアンテナを開示している。フィーダ構造は、コアを介して軸線上に延伸し、伝導性スリーブ形状のトラップがコアの一部を取り囲み、コアの一端でフィーダに接続する。コアの他端では、アンテナ素子が各々フィーダ構造に接続される。各アンテナ素子は、スリーブの縁部で終結し、各々は長手方向に延伸する通路に続いている。
【０００３】
このようなアンテナは、１５７５メガヘルツで送信されるグローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）の衛星で送信された信号を含む円偏波信号を受信するために使用することができる。さらにこのアンテナは、上記の公開された出願に記載されているように、携帯電話、例えばＵＨＦの電話帯域において作動するセルラー電話の分野で利用される。ある対象の周波数では、セラミックコア内のフィーダ構造はそれ自体が共振し、要求されたアンテナの周波数に近い場合には、アンテナ効率が低下し得ることを出願人は確信した。
【０００４】
本発明は、フィーダ構造が固体誘電コアの材料から離間されたアンテナを提供する。特に、このフィーダ構造は、コアの比誘電率よりかなり低い比誘電率を有する誘電材料の外側シースに設けられた同軸送電線である。このように、同軸フィーダ構造の外側導体の、例えば電気長は、コアの高誘電材料から離間されることによって変更され、共振振動数がアンテナの要求された作動周波数に関して移行されて要求された共振モードに結合するのを防止するため、アンテナ効率が増加する。シースの厚さ、すなわちシースの外側表面とコアの外側表面との間の厚みをコアの半径方向の厚さと較べて相対的小さくすると、コアの外側表面上または外側表面に隣接するアンテナ及び素子により要求された共振は、比較的影響を受けない。
【０００５】
このようなフィーダ構造は、以下に説明するように、アンテナを異なる電源や負荷に適合させる場合においてアンテナの設計者に自由を与える。
【０００６】
本発明を図面を参照にして説明する。
【０００７】
図面を参照にして、本発明のクワドリフィラ(quadrifilar）アンテナは、アンテナ素子は、セラミックコア１２の筒状外側表面上に金属導体トラックとして形成される長手方向に延びる四本のアンテナ素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを備えたアンテナ素子構造を有している。コアは軸通路を有し、この通路は、外側導体１６、内側誘電絶縁材料（inner dielectric insulating material)１７、及び内側導体１８を収容している。この場合の内外導体１６、１８及び絶縁材料１７はフィード線をアンテナ素子１０Ａ〜１０Ｄに接続するためのフィーダ構造を形成する。このアンテナ素子構造は、さらに長手方向に延びる素子１０Ａ〜１０Ｄの端部をフィーダ構造に接続するコア１２の遠位端面１２Ｄ上の金属トラックとして形成された対応する半径方向のアンテナ素子１０ＡＲ，１０ＢＲ，１０ＣＲ，１０ＤＲを含む。アンテナ素子１０Ａ〜１０Ｄの他端は、コア１２の基端部を囲む、メッキされたスリーブ形状の共通の仮想接地導体２０に接続している。このスリーブ２０は、以下に記載するようにフィーダ構造の外側導体１６に接続している。
【０００８】
図１から分かるように、四本の長手方向延伸素子１０Ａ〜１０Ｄは長さが異なり、二つの素子１０Ｂ，１０Ｄは、他の二つの素子１０Ａ，１０Ｃより長く、コア１２の基端部近くまで延びている。各一対の素子１０Ａ，１０Ｃ；１０Ｂ，１０Ｄは、コア軸の反対側に其々相対立的に対する。
【０００９】
ヘリカル素子１０Ａ〜１０Ｄの放射抵抗をほぼ均一に維持するために、各素子は単純な螺旋通路をなす。各素子１０Ａ〜１０Ｄは、コア軸で同じ回転角度、ここでは１８０°または半回転に対するので、長素子１０Ｂ，１０Ｄのスクリュー・ピッチは、短素子１０A，１０Ｃより急である。スリーブ２０の上縁部または連結縁部２０Uは、高さが変化し（すなわち、基端面１２Pからの距離が変化する）、長短素子の接続点を提供する。このように本実施例では、連結縁部２０Uは、短素子１０Ａ，１０Ｃと長素子１０Ｂ，１０Ｄとが接する二つの頂点２０Pと二つの谷２０Tを有する、コア１２の回りのジグザグ通路である。
【００１０】
長手方向延伸素子と対応する半径方向の素子との各一対（例えば１０Ａ，１０ＡＲ）は、所定の電気長を有する導体を構成する。本実施例では、短い長さを有する素子１０Ａ，１０ＡＲ；１０Ｃ，１０ＣＲの一対の各々の全長は、作動（動作）波長で約１３５°の伝送遅延に対応するように配置され、素子１０Ｂ，１０ＢＲ；１０Ｄ，１０ＤＲの各一対は、実質的に２２５°に対応する長い遅延を生じる。このように、平均伝送遅延は、作動波長のλ/２の電気通路に等しい１８０°である。長さの違いにより、1９７０年１２月Microwave Journal社より発行 Kilgus著、"Resonant Quadrifilar Helix Design"の４９〜５４頁に記載された、円偏波信号用のクワドリフィラヘリカルアンテナに要求された位相シフト状態を生じる。二つの素子の対１０C，１０ＣＲ；１０Ｄ，１０ＤＲ(すなわち、一対の長素子と一対の短素子)を半径方向素子１０ＣＲ、１０DRの内端部でコア１２の遠位端のフィーダ構造の内側導体１８に接続し、他の２対の素子１０A，１０AR；１０Ｂ，１０ＢＲの半径方向素子は、外部導体１６により形成されたフィーダスクリーンに接続している。フィーダ構造の遠位端では、以下に説明するように、内側及び外側導体１６，１８に存在する信号はほぼ平衡しているのでアンテナ素子はほぼ平衡した電源や負荷に接続される。
【００１１】
長手方向延伸素子１０Ａ〜１０Ｄの螺旋通路の左手方向で、アンテナは右向き円偏波信号の最高利得を有する。アンテナを左方向円偏波信号の代わりに使用するのであれば、螺旋の方向を逆にし、半径方向素子の接続パターンを９０°回転する。左右両方向の円偏波信号を受信するのに適したアンテナの場合には、長手方向延伸素子を軸に対し概して平行である通路に従うよう配置する。
【００１２】
伝導性スリーブ２０は、アンテナコア１２の基部を覆って、スリーブ２０とフィーダ構造外側導体１６との空間の大部分を充たしているコア１２の材料でフィーダ構造１６，１８を囲む。スリーブ２０は、図１に示すように平均軸長ｌBを有する円筒を形成し、コア１２の基端面上の導電性メッキ２２によって外側導体１６と接続されている。スリーブ２０、メッキ２２及び外側導体１６の組み合わせは、一体型バランを形成し、フィーダ構造１６，１８により形成された送電線の信号は、アンテナの基端部における非平衡状態と、スリーブ２０の上方連結縁部２０Uの基端部からと一般に同距離の軸位置におけるほぼ平衡状態との間で変換される。この効果を成し遂げるためには、平均スリーブ長ｌBは、比較的大きい比誘電率のコア材料が下側に存在する状態で、バランは、アンテナの動作周波数において平均電気長λ／４を有する。アンテナのコア材料は短縮効果を有し、また内側導体１８を囲む環状空間は、比較的小さい誘電率を有する絶縁誘電材料（insulating dielectric material）１７で充填されているため、スリーブ２０の遠位端のフィーダ構造は短い電気長を有する。この結果、フィーダ構造１６，１８の信号は、スリーブ２０の縁部２０Uの端部で平衡になる。（半剛体ケーブル（semi-rigid cable）における絶縁体の誘電率は典型的に上記に参照したセラミックコア材料よりかなり低い。例えば、PTFEの比誘電率εrは約２．２である。）
出願人は、平均電気長λ／４からのスリーブ２０の長さの変化は、アンテナ性能に比較的わずかな影響を及ぼすことを見つけた。スリーブ２０により形成されたトラップは、素子１０A〜１０D間の電流のための連結縁部２０Uに沿った環状通路を備え、二つのループを短素子１０A，１０Cで第一ループ、長素子１０B，１０Dで第二のループを形成する。クワドリフィラ最大共振電流が素子１０A〜１０Dの端部と連結縁部２０Uとに存在し、最大電圧は、縁部２０Uとアンテナの遠位端部との間のほぼ中間レベルに存在する。縁部２０Uは、スリーブ２０により作られたほぼ１／４波長トラップに因り、基縁部で効果的に接地コネクタから絶縁されている。
【００１３】
コア１２内のフィーダ構造の外側導体１６の電気長のセラミックコア材料の影響を削減するために、フィーダ構造１６，１８の回りに筒状のプラスチックシース２４が設置されている。これは、フィーダ構造における信号のバランスがとれるポイントの位置を変えて、外側導体１６の共振振動数を変える効果を有す。従って、シース２４の厚み及び／または誘電率を選択して、バランス位置を最適化にすることができる。シース２４の外径は、セラミックコア１２の内径と一致し、シース２４の内径は外側導体１６の外径と一致するので、空気が実質的にコア１２とフィーダ構造１６，１８との空間から除かれる。このシースは、中央筒状部２４Aと小さい角度で遠位及び基端端面１２D，１２Pに重なり合う上下フランジ２４B，２４Cとが単一成型された部品であってもよい。この先端のフランジは、伝導材料でメッキされ、遠位端部において外側導体１６と半径方向素子１０AR，１０BRとの間、そして基端部において外側導体１６とコアのメッキされた端面２２との間とをハンダづけしたりまたは伝導的に接続することが可能である。
【００１４】
シース２４は、比誘電率がコア材料の半分以下で、典型的には２または３である材料から製造される。この材料は、ハンダ温度に耐え得るだけでなく適する熱可塑性プラスチックの種類に入り、成形した時、電気メッキがなされるように触媒作用を及ぼされた表面を有するものである。この材料は、壁厚が約０．５ｍｍの管を形成する成形中において充分に低い粘度を有する。このような材料の一例は、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）である。この材料は、商標名ＵｌｔｅｍとしてDupont社から発売されている。代替材料としてポリカーボネイトがある。
【００１５】
シース２４の筒状部２４Ａの好適な壁厚は０．４５ｍｍであるが、セラミックコア１２の直径や成形方法の制限のような要因によりこの他の厚さでも良い。セラミックコアがアンテナの電気的特徴における重要な効果を有し、特に充分に小型化したアンテナを製造するためには、シース２４の壁厚は、その内通路と外表面との間の固体コア１２の厚みより厚くすべきでない。実際、シースの壁厚は、コアの厚さの１／２以下であるべきであって、好ましくはコア厚の２０％以下である。この好適な実施例では、シースの壁厚は０．５mmで、コア厚は約３．５ｍｍである。
【００１６】
製造を容易にするために、シースは、三つの部分、すなわち一定断面の中央筒状部と中央部の端部に接する両端のグロメットを有するように構成されてもよい。上記グロメットは少なくともその表面がメッキされるように、上述の電気的接続をもたらすためにコア１２内にシースが搭載された時に、露出している。
【００１７】
上記において説明したように、コア１２の誘電率より低い誘電率のフィーダ構造１６，１８の外側導体１６を囲む領域を創ることにより、外側導体１６の電気長でのコア１２の影響、その結果の導体１６の外側に関連した長手方向の共振は、実質的に滅少する。上記のようにシース２４を密接に嵌合させることでチューニングの一貫性と安定性を確実にする。要求された作動周波数に関連した共振モードは、正反対に延びる、すなわちコア軸の直角方向の双極子の電圧により特徴づけられるので、要求された共振モード上のシース２４の低誘電率の影響は、シース厚が好適な実施例では少なくともコアより小さいことにより、相対的に小さい。従って、フィーダの外側導体１６に関連した共振の線形モードを所望の共振モードから非連結にさせることができる。
【００１８】
アンテナは５００メガヘルツ以上の主共振振動数を有し、共振振動数は、アンテナ素子の電気長と、多少は幅、とによって決定される。与えられた共振振動数の素子の長さはコア材料の比誘電率に依存し、アンテナの寸法は空気をコアにして同様に構成されたアンテナに関しても実質的に縮小される。
【００１９】
コア１２の材料は好ましくは、ジルコニウム−錫−チタン酸塩ベースの材料である。この材料は、上記の比誘電率３６を有し、温度変化に伴う寸法的及び電気的安定性が注目される。誘電損失は無視出来る程度である。コアは押し出しまたは圧縮により製造される。
【００２０】
アンテナ素子１０Ａ〜１０Ｄ，１０ＡＲ〜１０ＤＲは、コア１２の外側円筒及び端面に接合された金属導体トラックであり、各トラックはその動作長にわたってその厚みの少なくとも四倍の幅を有している。トラックは、まずコア１２の表面に金属層をメッキし、次にこの層を選択的にエッチングして、プリント回路基板のエッチングに使用されるものと類似した感光層に付けられたパターンに従って、コアを露光して形成される。あるいは、金属材料を選択的蒸着あるいは印刷技術によって付けても良い。いずれの場合にも、寸法的に安定したコアの外側に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素子を有するアンテナが提供される。
【００２１】
空気よりもかなり大きい比誘電率、例えばεr＝３６、を有するコア材料においては、１５７５メガヘルツでＬ周波帯ＧＰＳ受信用の上記のアンテナは、約１０mmのコア直径を有し、長手方向延伸アンテナ素子１０A〜１０Dは、約１２mmの平均長手方向長さ（例えば中心軸に平行）を有する。１５７５メガヘルツではスリーブ２０の長さは、典型的に約５mmである。アンテナ素子１０A〜１０Dの正確な寸法は、要求された位相差を得るまで固有値遅延測定による試行錯誤に基づいて設計段階で決定することができる。フィーダ構造の直径は、約２ｍｍである。
【００２２】
アンテナの製造方法は、上記の出願番号２２９２６３８Aに記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるアンテナの側面図である。
【図２】  上記アンテナの平面図である。
【図３】  図１及び図２のアンテナのフィーダ構造の側面図である。
【図４】  上記アンテナのフィーダ構造とコア材料との間の分離層をなすプラスチックシースの側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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