JP2007019572A

JP2007019572A - 密巻きヘリカルアンテナ

Info

Publication number: JP2007019572A
Application number: JP2005195743A
Authority: JP
Inventors: Masaki Suyama; 正樹須山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】アンテナの小型化を図りつつアンテナ利得を向上させることができ、マイクロ波帯の電波を送受信するアンテナとしても好適に適用可能な密巻きヘリカルアンテナを得る。
【解決手段】真直ワイヤ状の内部導体２０と、該内部導体２０を中心として同軸に配置した密巻きコイル状の外部導体３０とから成り、内部導体２０の一端部が５０Ω給電線の給電側導体に接続自在で、外部導体３０の一端部が無給電側導体に接続自在である密巻きヘリカルアンテナにおいて、外部導体３０を構成するワイヤを、断面形状が矩形もしくは略矩形で、長辺側がコイル内径部およびコイル外径部を構成する方向にコイル巻きしたものとすることで、アンテナ高さを相対的に大きくし、小型化を図りつつアンテナ利得を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば移動体通信端末局に適用するのが好適な小型アンテナに関するものである。

近年、移動体通信の発展に伴い、端末局（移動体通信端末局）におけるアンテナの小型化並びに高効率化への要求が高まっている。しかし、従来のアンテナは、小型化によって波長比寸法が減少すると、急激に放射効率が低下してアンテナ利得が減少し、また、移動体通信端末局において一般的な５０Ω給電線とのインピーダンス整合が取れなくなる。そのため、波長比寸法が１／２０以下の小型アンテナでは、５０Ω給電系との整合のため変成器を必要とするのが一般的であった。そこで、変成器を必要とせず、給電構造が単純で、携帯電話等の小型通信機に装着して使用可能な小型アンテナとして、図３に示すような、真直ワイヤ状の内部導体２と、該内部導体２を中心として同軸に配置した密巻きコイル状で表面が絶縁被覆された外部導体３とを有する小型の密巻きヘリカルアンテナ１が開発された（例えば、非特許文献１、特許文献１参照。）。

この密巻きヘリカルアンテナ１は、密巻きコイル状（密巻きヘリカル状）の導体素子を外部導体として使用することでアンテナ軸方向の長さ（アンテナ高さ）を短縮（素子長が一定でアンテナ高最小）するとともに、給電する直線状の内部導体２（１次導体）を無給電の密巻きヘリカル状の外部導体３（２次導体）の中心に同軸配置する構成により給電点インピーダンスをステップアップし、且つ、外部導体３（２次導体）を太くし、内部導体２（１次導体）の直径に対する外部導体３（２次導体）のコイル内径の比を大きくすることで変成比を高め、整合器がなくても５０Ω給電線との整合が取れるようにしたものである。この場合、給電法としては、外部導体３と内部導体２の先端を短絡する方法と、先端を開放とする方法が可能で、先端を短絡した場合にはアンテナ高を約１／２６波長、先端を開放した場合にはアンテナ高を約１／８０波長と小型化できる。いずれの場合も、通常のモノポールアンテナ（ダイポール）と同様の指向性を有し、アンテナ利得はダイポール比で約−１５ｄＢｄに抑えることができ、また、地板を必要としない。

「電子情報通信学会論文誌」，２００４年４月、Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｂ、Ｎｏ．４、ｐ．５２４−５３４）特開２００３−１５２４２７号公報

上述のように、真直ワイヤ状の内部導体を中心として密巻きコイル状で表面が絶縁被覆された外部導体を同軸配置して成る密巻きヘリカルアンテナは、小型化が可能で、変成器を必要とせず、給電構造が単純で、移動体通信端末局である携帯電話等の小型通信機に装着して使用する小型アンテナとして好適である。しかしながら、上記従来の密巻きヘリカルアンテナの技術は、例えば２００〜５００ＭＨｚというＶＨＦ帯近傍の電波を送受信するアンテナを想定したものであり、一般的にマイクロ波と呼ばれる１０００ＭＨｚを超える例えば２４００ＭＨｚといった高周波帯域の電波を送受信するアンテナに適用する場合には問題が残る。

つまり、マイクロ波帯の電波を送受信するアンテナの場合には、波長に応じてアンテナ高さを更に短縮するよう導体（ワイヤ）を細径化することが可能であるが、そのように導体を細径化しアンテナ高さを短縮すると、アンテナ利得が小さくなり、アンテナとしての有効性が低下する。

本発明はこうした問題を解消するもので、アンテナの小型化を図りつつアンテナ利得を向上させることができ、マイクロ波帯の電波を送受信するアンテナとしても好適に適用可能な密巻きヘリカルアンテナを得ることを目的とする。

本発明の密巻きヘリカルアンテナは、真直ワイヤ状の内部導体と、該内部導体を中心として同軸に配置した密巻きコイル状で表面が絶縁被覆された外部導体とから成り、内部導体の一端部が５０Ω給電線の給電側導体に接続自在であり、外部導体の一端部が無給電側導体に接続自在である密巻きヘリカルアンテナであって、外部導体は、断面形状が矩形もしくは略矩形の線材で形成され、その矩形もしくは略矩形の長辺側がコイル内径部およびコイル外径部を構成する方向にコイル巻きされていることを特徴とする。

このように、コイル状の外部導体を構成する線材（ワイヤ）として、従来技術における円形断面のワイヤに代えて矩形もしくは略矩形断面のワイヤを採用し、その長辺側がコイル内径部およびコイル外径部を構成する方向にコイル巻きすることで、短辺側の厚み寸法が従来技術における円形断面のワイヤの直径に等しい場合はアンテナ軸方向の長さ（アンテナ高さ）が従来技術のそれよりも大きくなり、短辺側の厚み寸法を小さくすると、従来技術における円形断面のワイヤの直径を小さくする場合よりもアンテナ軸方向の長さ（アンテナ高さ）が相対的に大きくなり、アンテナ利得が向上する。

真直ワイヤ状の内部導体を中心としてコイル状の外部導体を同軸配置して成る密巻きヘリカルアンテナの共振周波数は、外部導体のコイルを構成するワイヤの全長に依存する。そして、給電する１次導体（内部導体）の直径に対する無給電の２次導体（外部導体）のコイル内径の比率を一定にすることで所定のインピーダンス特性が得られる。そこで、共振周波数を等しくするには、コイルを構成するワイヤの全長を概ね一定にする必要があり、インピーダンス特性を等しくするには上記比率を概ね一定にする必要がある。そのため、インピーダンス特性が等しく、上記比率が概ね等しい以上、本発明の密巻きヘリカルワイヤは、円形断面のワイヤを外部導体に使用した密巻きヘリカルワイヤに対して、アンテナ径方向の寸法（アンテナ太さ）は実質上変らずに（ワイヤの短辺寸法あるいは直径が変ればアンテナ太さは変るが、その変化は両者同じで、相対的な変化はない。）、アンテナ軸方向の長さ（アンテナ高さ）だけが相対的に大きくなり、アンテナ利得が向上するのである。

したがって、一般的にマイクロ波と呼ばれる１０００ＭＨｚを超える例えば２４００ＭＨｚといった高周波帯域の電波を送受信するアンテナに適用する場合に、アンテナの更なる小型化を図るために導体（ワイヤ）を細径化しアンテナ太さを小さくしても、アンテナ高さは従来の密巻きヘリカルアンテナほど小さくならず、所要のアンテナ利得が得られ、アンテナとしての有効性を得ることができる。従来の密巻きヘリカルアンテナは、マイクロ波帯の電波を送受信するアンテナに適用するのは合理的でなかった。

本発明の密巻きヘリカルアンテナは、内部導体の他端部と外部導体の他端部とを導体で接続したもの（短絡型）であってよく、また、内部導体の他端部と外部導体の他端部とを接続しないもの（開放型）であってもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の密巻きヘリカルアンテナは、コイル状の外部導体を構成する線材（ワイヤ）として、従来技術における円形断面のワイヤに代えて矩形もしくは略矩形断面のワイヤを採用し、その長辺側がコイル内径部およびコイル外径部を構成する方向にコイル巻きすることで、短辺側の厚み寸法を小さくして全体としてアンテナの小型化を図りつつ、従来技術における円形断面のワイヤの直径を小さくする場合よりもアンテナ軸方向の長さ（アンテナ高さ）を相対的に大きくして、アンテナ利得を向上させることができ、特に、マイクロ波帯の電波を送受信するアンテナに適用する場合に、アンテナの小型化を図りつつアンテナ利得を向上させ、アンテナとしての有効性を低下させないようにすることができる。

また、本発明の密巻きヘリカルアンテナは、コイル状の外部導体を構成する線材（ワイヤ）が矩形もしくは略矩形断面のワイヤであって、その短辺側の寸法が従来の円形断面のワイヤの直径に相当し、従来の密巻きヘリカルアンテナの外部導体に対して断面積が相対的に大きくなるため、機械的な強度が向上する。

さらに、本発明の密巻きヘリカルアンテナは、コイル状の外部導体を構成する線材（ワイヤ）が矩形もしくは略矩形断面のワイヤであって、その短辺側の寸法が従来の円形断面のワイヤの直径に相当し、従来の密巻きヘリカルアンテナの外部導体に対して表面積が相対的に大きくなるため、周波数が高くなるに従い電流が表面近傍に集中して流れる傾向が高まる所謂表皮効果により、相対的に損失が小さくなり、アンテナ利得が更に向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施の形態の密巻きヘリカルアンテナの概略構成図、図２の（ａ）、（ｂ）は、該実施の形態の密巻きヘリカルアンテナの外部導体を構成するワイヤの断面形状の第１例および第２例を示す説明図である。

図１に符号１０で示すこの実施の形態の密巻きヘリカルアンテナは、真直ワイヤ状の内部導体２０と、該内部導体２０を中心として同軸に配置した密巻きコイル状の外部導体３０とから成り、内部導体２０の一端部が５０Ω給電線の給電側導体（図示せず）に接続自在であり、外部導体３０の一端部が無給電側導体（図示せず）に接続自在である。そして、その外部導体３０を構成するワイヤは、断面形状が４隅にアール部を有する矩形で、図１に示すように矩形の長辺側がコイル内径部およびコイル外径部を構成する方向にコイル巻きされている。

外部導体３０を構成するワイヤは、銅線で、図２の（ａ）に示すように表面にエナメルの絶縁皮膜３１が形成されている。そして、その矩形断面形状は、長辺側の寸法（高さ）ｈと短辺側の寸法（厚み）ｗとの比（ｈ／ｗ）が、１．１以上であり、より好ましくは例えば１．５以上である。

外部導体３０を構成するワイヤの断面形状は、図２の（ｂ）に示すような円形断面形状のワイヤ（銅線）をローラー圧延して成る平線状、あるいはその他の矩形に準じた略矩形の断面形状であってよい。

この密巻きヘリカルアンテナ１０は、５０Ω系コネクタ（図示せず）上に直接形成してもよく、また、内部導体２０と外部導体３０を別途手段で固定し、一端側（下端側）をプリント基板上の伝送線路およびグラウンド（ＧＮＤ）に接続してもよい。

また、この密巻きヘリカルアンテナ１０は、内部導体２０の他端部と外部導体の他端部とを導体で接続したもの（短絡型）であってよく、また、内部導体の他端部と外部導体の他端部とを接続しないもの（開放型）であってもよい。また、内部導体２０と外部導体３０の間に、テフロン（登録商標）、スチレン等の合成樹脂絶縁物を介在させてもよい。

この密巻きヘリカルアンテナ１０は、給電する内部導体２０（１次導体）の直径ｄに対する無給電の外部導体３０（２次導体）のコイル内径Ｄの比率を一定（「短絡型」では例えばＤ／ｄ＝２．５、「開放型」では例えばＤ／ｄ＝４．８）とすることで、Ω５０給電線とのインピーダンス整合を取る。そして、適用する周波数（例えば２４００ＭＨｚ）の電波の波長に応じて、コイル状の外部導体３０を構成する矩形断面形状のワイヤの、短辺側の寸法（厚み）と長辺側の寸法（高さ）、ワイヤ全長ならびにコイル全長を設定することで、小型化を図りつつアンテナ利得を向上させる。

本発明の実施の形態の密巻きヘリカルアンテナの概略構成図である。本発明の実施の形態の密巻きヘリカルアンテナにおいて外部導体を構成するワイヤの断面形状の第１例および第２例を示す説明図（ａ）、（ｂ）である。従来の密巻きヘリカルアンテナの概略構成図である。

符号の説明

１０密巻きヘリカルアンテナ
２０内部導体
３０外部導体
３１絶縁皮膜
ｄ内部導体の直径
Ｄ外部導体のコイル内径
ｈ長辺側の寸法（高さ）
ｗ短辺側の寸法（厚み）

Claims

真直ワイヤ状の内部導体と、該内部導体を中心として同軸に配置した密巻きコイル状で表面が絶縁被覆された外部導体とから成り、内部導体の一端部が５０Ω給電線の給電側導体に接続自在であり、外部導体の一端部が無給電側導体に接続自在である密巻きヘリカルアンテナであって、前記外部導体は、断面形状が矩形もしくは略矩形の線材で形成され、該矩形もしくは略矩形の長辺側がコイル内径部およびコイル外径部を構成する方向にコイル巻きされていることを特徴とする密巻きヘリカルアンテナ。
内部導体の他端部と外部導体の他端部とが導体で接続されていることを特徴とする請求項１記載の密巻きヘリカルアンテナ。
内部導体の他端部と外部導体の他端部とが接続されていないことを特徴とする請求項１記載の密巻きヘリカルアンテナ。