JP3730926B2

JP3730926B2 - ヘリカル型アンテナの設計方法

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Publication number: JP3730926B2
Application number: JP2002069394A
Authority: JP
Inventors: 一雄和多田; 俊一村川; 広吉崎; 昭典佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: KR20030074151A; US20030179152A1; US6822620B2; CN1445884A; CN1226807C; JP2003273627A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信端末用やローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）用等に用いられる小型のヘリカル型アンテナおよびそれを備えた通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の移動体通信端末におけるアンテナおよびその取り付け方式は、例えば図２に斜視図で示すように、ホイップアンテナ21を通信端末の筐体22に取り付ける方式が一般的であった。
【０００３】
近年、移動体通信の発展とサービスの多様化により、携帯型端末の普及が進み、持ち運びを考慮して通信端末の筐体の小型化が進んでおり、これに伴って内蔵されあるいは取り付けられる部品の小型化・軽量化が進んでいる。これに対し、従来のホイップアンテナ21は筐体22から突出する形態であることから、端末のより一層の小型化を図るために、アンテナについては筐体から突出しないように小型化され、また軽量化されたものが望まれている。
【０００４】
この様な要求に応えるべく、小型アンテナとしてヘリカル構造の導体から成る放射電極を有するヘリカル型アンテナの開発が進められている。
【０００５】
例えば、図３は特開平９−121113号公報に開示されているヘリカルアンテナの斜視図であり、このヘリカルアンテナは、基体11の一端面に設けられた端子電極12の接続部と給電端17でつながった、基体11の長手方向に螺旋状に巻回されたヘリカル状の導体15を基体11の内部に有する構造となっている。このように放射電極である導体15の形状をヘリカル状にすることにより、アンテナの小型化が図られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなヘリカル型アンテナにおいては、そのヘリカル状の導体の巻数（＝導体長）および導体の幅と、基体のサイズ（厚み，長さ，幅）および比誘電率とによって、その共振周波数が決定される。
【０００７】
しかしながら、導体をヘリカル状にすることによって小型化されたヘリカル型アンテナは、特に導体パターン間の容量の増加や電気的結合の影響を受けやすく、共振周波数が導体の幅の変動の影響を大きく受けやすいという問題点がある。
【０００８】
例えば、このような小型化されたヘリカル型アンテナの導体の形成手法によっては、導体の幅に５％近い寸法ばらつきが発生することとなる。この場合には、所望の共振周波数が得られるような設計を施しても、その製造工程での導体の幅のばらつきに起因して共振周波数が５％近く大きくばらつくこととなるという問題点がある。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、小型化されたヘリカル型アンテナにおいて、その導体の幅が例えば５％ばらついても、共振周波数のばらつきを１％以下に抑えることが可能なヘリカル型アンテナを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の目的は、導体の幅が例えば５％ばらついても共振周波数のばらつきを１％以下に抑えることが可能な、小型化されたヘリカル型アンテナを具備した、アンテナ特性の安定性に優れた通信装置を提供することにある。
【００１１】
なお、周波数ばらつきが１％以下というのは、ＰＤＣ，ＰＨＳ，Bluetooth等においてヘリカル型アンテナがこれらの周波数規格を満足するのに十分な条件である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らはヘリカル型アンテナにおける導体パターンと共振周波数との関係に関して研究を重ねた結果、以下の構成を備えたヘリカル型アンテナを用いることにより上述の問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明のヘリカル型アンテナの設計方法は、誘電体材料または磁性体材料から成る基体の表面および／または内部にヘリカル状の導体を備えたヘリカル型アンテナの設計方法であって、基体の幅ｙ、導体の幅ｗ（ｍｍ）、導体の巻数ｘ（巻）を変化させたヘリカル形アンテナ試料を作製し、各試料の導体の巻数ｘ毎の導体の幅ｗ−共振周波数ｆの関係を求めるとともに、共振周波数ｆの変化の最小点を求め、基体の幅ｙ毎に導体の巻数ｘ−共振周波数ｆの最小点の関係より得られる特性曲線の近似式を求めるとともに、各近似式の傾きの平均より定数Ａを決定し、下記式（１）に定数Ａ、導体の巻数ｘ、基体の幅ｙ、共振周波数ｆの測定結果の値を代入して定数Ｂ、Ｃを決定するとともに、上記共振周波数ｆの変化の最小点での導体の幅ｗを求め、基体の幅ｙ毎に導体の巻数ｘ−導体の幅ｗの関係より得られる特性曲線の近似式を求めるとともに、各近似式の傾きの平均より定数Ｄを決定し、下記式（２）に定数Ｄ、導体の巻数ｘの値を代入して定数Ｅを決定することにより、所望の共振周波数を得るための導体の幅ｗを設定することを特徴とする。
ｆ＝Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃ（ＭＨｚ）・・・（１）
ｗ＝Ｄｘ＋Ｅ（ｍｍ）・・・・・・・（２）
【００１４】
本発明のヘリカル型アンテナによれば、所定の条件下の基体の厚み・長さ・比誘電率および導体の巻数に対して、共振周波数および導体の幅をそれぞれ所定の関係式を満足するようにしたことから、所望の共振周波数を有するヘリカル型アンテナの設計をこの関係式に基づいて容易に行なうことが可能であり、かつこの関係式を満足する導体の幅を有するヘリカル状の導体によって放射電極を形成すると、ヘリカル状の導体の幅と共振周波数との関係については、理論的には未だ明らかではないが、導体の幅が変動しても共振周波数にほとんど影響を与えないような関係となるため、例えば導体幅が５％ばらついても、その際の共振周波数のずれを設計した共振周波数の１％以内に抑えることが可能となる。
【００１５】
また、本発明の通信装置は、上記構成の本発明のヘリカル型アンテナを具備することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の通信装置によれば、そのヘリカル型アンテナの導体幅が例えば５％ばらついてもその際の共振周波数のずれを設計した共振周波数の１％以内に抑えることが可能となることから、小型化されたヘリカル型アンテナを具備した、アンテナ特性の安定性に優れた通信装置となるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施の形態の例に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明のヘリカル型アンテナの実施の形態の一例を示す斜視図である。図１において、１は本発明のヘリカル型アンテナを示し、２は基体、３は基体２の端面に設けられた給電用端子、４は基体２の表面に形成されたヘリカル状の導体である。
【００１９】
この図に示すヘリカル型アンテナ１は、移動体通信またはＬＡＮ等に使用するものであり、例えばセラミックスから成る略直方体状の基体２の表面に、基体２の長手方向にヘリカル構造をした線状の導体４およびこの導体４に高周波信号の電力を供給するための給電用端子３を備えている。
【００２０】
なお、この例では導体４が基体２の表面に形成されているものを示しており、この場合には、導体４の形成が容易で積層手法を用いずともヘリカル型アンテナ１を製造することができ、製造コストを安価にすることが可能となる。
【００２１】
これに対し、導体４は基体２の内部に形成されていてもよく、その場合は、例えば、導体４の内側および外側に位置する部分の基体２の誘電体の比誘電率あるいは磁性体の比透磁率を任意に設定することが可能となることから、アンテナ特性の調整が容易に行なえるものとなる。また、導体４が基体２の表面に露出していないため、アンテナの周囲に誘電体が配置された場合であっても、その誘電体の影響を低く抑えることが可能となる。
【００２２】
さらに、導体４は基体２の表面および内部の両方にそれぞれ形成してもよく、この場合には、表面と内部では導体４の周囲の環境（比誘電率等）が異なるため、１つのヘリカル型アンテナ１で複数の異なるアンテナ特性を得ることが可能となる。
【００２３】
基体２は、誘電体材料または磁性体材料から成るものであり、例えばアルミナを主成分とする誘電体材料（比誘電率：9.6）から成る粉末を加圧成形して焼成したセラミックスにて、通常は略直方体状に構成される。基体２には、誘電体材料であるセラミックスと樹脂との複合体材料を用いてもよく、あるいはフェライト等の磁性体材料を用いてもよい。
【００２４】
基体２を誘電体材料で構成したときには、導体４を伝搬する高周波信号の伝搬速度が遅くなって波長の短縮が生じ、基体２の比誘電率をεｒとすると導体４のパターンの実効長は１／εｒ^1/2倍となり、実効長が短くなる。従って、パターン長を同じとした場合であれば、電流分布の領域が増えるため、導体４から放射する電波の量を多くすることができ、アンテナの利得を向上することができる。
【００２５】
また逆に、従来のアンテナ特性と同じ特性にした場合であれば、導体４のパターン長は１／εｒ^1/2とすることができ、ヘリカル型アンテナ１の小型化を図ることができる。
【００２６】
なお、基体２を誘電体材料で構成する場合は、εｒが３より低いと、大気中の比誘電率（εｒ＝１）に近づき、前述の理由でアンテナの小型化という市場の要求に応えることが困難となる傾向がある。また、εｒが30を超えると、小型化は可能なものの、アンテナの利得および帯域幅はアンテナサイズに比例するため、アンテナの利得および帯域幅が小さくなり過ぎ、アンテナとしての特性を果たさなくなる傾向がある。従って、基体２を誘電体材料で構成する場合は、その比誘電率εｒが３以上30以下の誘電体材料を用いることが望ましい。このような誘電体材料としては、例えばアルミナセラミックス・ジルコニアセラミックス等をはじめとするセラミック材料や、テトラフルオロエチレン・ガラスエポキシ等をはじめとする樹脂材料等がある。
【００２７】
他方、基体２を磁性体材料で構成すると、導体４のインピーダンスが大きくなるため、アンテナのＱを低くして帯域幅を広くすることができる。
【００２８】
基体２を磁性体材料で構成する場合は、比透磁率μｒが８を超えると、アンテナの帯域幅は広くなるものの、アンテナの利得および帯域幅はアンテナサイズに比例するため、アンテナの利得および帯域幅が小さくなり過ぎ、アンテナとしての特性を果たさなくなる傾向がある。従って、基体２を磁性体材料で構成する場合は、その比透磁率μｒが１以上８以下の磁性体材料を用いることが望ましい。このような磁性体材料としては、例えばＹＩＧ（イットリア・アイアン・ガーネット）・Ｎｉ−Ｚｒ系化合物・Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系化合物等がある。
【００２９】
ヘリカル型アンテナ１の放射電極パターンを構成するヘリカル状に形成された導体４ならびに給電用端子３は、例えばアルミニウム・銅・ニッケル・銀・パラジウム・白金・金のいずれかを主成分とする金属により形成される。これらの金属により各々のパターンを形成するには、周知の印刷法や、蒸着法・スパッタリング法等の薄膜形成法や、金属箔の貼り合わせ法、あるいはメッキ法等によってそれぞれ所望のパターン形状の導体層を形成すればよい。
【００３０】
ヘリカル型アンテナ１の共振周波数ｆは、図１にも示した基体２のサイズ（厚みａ，長さｂ）および比誘電率εｒ（または比透磁率μｒ）がそれぞれ所定の範囲に設定されていれば、導体４の巻数ｘおよび基体２の幅ｙに関連することとなる。このことから、基体２の厚みａ，長さｂおよび比誘電率εｒならびにヘリカル状の導体４の巻数が所定の範囲内のときの共振周波数ｆ，導体４の巻数ｘおよび基体２の幅ｙとの関係を調査検討した結果、以下のような関係式で共振周波数ｆならびに導体４の幅ｗを設定することにより所望のアンテナ特性を有するヘリカル型アンテナを得ることができることを見出した。
【００３１】
すなわち、基体２の厚みａ（ｍｍ）が0.3≦ａ≦３（ｍｍ）、長さｂ（ｍｍ）が５≦ｂ≦20（ｍｍ）、比誘電率εｒが３≦εｒ≦30であり、ヘリカル状の導体４の巻数ｘ（巻）が３≦ｘ≦16（巻）であるときに、そのヘリカル型アンテナ１の共振周波数ｆ（ＭＨｚ）および導体４の幅ｗ（ｍｍ）がそれぞれ下記式（１）および式（２）を満足するように設定する。
ｆ＝Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃ（ＭＨｚ）・・・（１）
ただし、ｙは基体２の幅（ｍｍ）であり、Ａ，Ｂ，Ｃは基体２の厚みａ，長さｂおよび比誘電率εｒに基づいて決定される定数である。
【００３２】
この式（１）は、以下の手順で求めた。図４（ａ）〜（ｄ）に、ヘリカル状の導体４の導体の幅ｗとそれに対する共振周波数ｆとの関係（導体幅−共振周波数）について、基体２の幅ｙ毎に導体４の巻数を変えたときの変化の様子を、それぞれ線図で示す。図４の各線図において、横軸は導体４の幅ｗ（単位：ｍｍ）を、縦軸は共振周波数ｆ（単位：ＭＨｚ）を表し、各特性曲線およびプロットは、それぞれ導体４の巻数ｘ（単位：巻）を変えたときの導体４の幅ｗに対する共振周波数ｆの変化の様子を示している。この例では、基体２の幅ｙは2.5ｍｍ，2.8ｍｍ，３ｍｍおよび3.2ｍｍとし、導体４の巻数ｘは９，10，11，12または10，11，12と変え、導体４の幅ｗは0.2〜0.6ｍｍの範囲で変えたときの結果を示している。また、基体２についての条件は、厚みａ＝0.5ｍｍ、長さｂ＝10ｍｍ、比誘電率εｒ＝9.6としている。この各図より、各々の導体４の巻数ｘにおいて、導体４の幅ｗの変化に対する共振周波数ｆの変化が小さい点（各特性曲線の形状が上に凸となった頂点の部分）があることが分かる。
【００３３】
次に、この共振周波数ｆの変化が小さい点を、横軸に導体４の巻数ｘをとり、縦軸に共振周波数ｆをとって基体２の幅ｙ毎に、巻数−共振周波数の関係をプロットした線図を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。これらの図より、それぞれの特性曲線は直線状になり、各直線の近似式の傾きがほぼ等しいことから、共振周波数ｆは導体４の巻数ｘに比例することが分かる。次に、基体２の幅ｙ（単位：ｍｍ）と共振周波数ｆとの間に比例関係が成り立つと仮定し、ｆ＝Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃを導いた。この関係式に（ａ）〜（ｄ）それぞれの条件を代入し、連立方程式の解を求めることで、定数Ａ，ＢおよびＣを求めることができる。この関係式を他の基体についての条件においても確認したところ、いずれの条件下でも成立することを確認し、式（１）を求めた。
【００３４】
一方、導体４の幅ｗは基体２の厚みａおよび長さｂが所定の範囲に設定されていれば、所望の共振周波数ｆに対しては導体４の巻数ｘに関連させて求めることができる。これは、導体４の幅ｗと導体４間の距離（間隔）がある比率になったときに、共振周波数ｆへの導体４の幅ｗの影響が最も小さくなるためである。
【００３５】
このことから、導体４の幅ｗおよび導体４の巻数ｘの関係式を検討した結果、前述のように基体２の厚みａ（ｍｍ）が0.3≦ａ≦３（ｍｍ）、長さｂ（ｍｍ）が５≦ｂ≦20（ｍｍ）、比誘電率εｒが３≦εｒ≦30であり、ヘリカル状の導体４の巻数ｘ（巻）が３≦ｘ≦16（巻）であるときに、以下のような関係式を見出した。
【００３６】
ｗ＝Ｄｘ＋Ｅ（ｍｍ）・・・・・・・（２）
ただし、Ｄ，Ｅは基体２の厚みａ，長さｂおよび比誘電率εｒに基づいて決定される定数である。
【００３７】
この式（２）は、以下の手順で求めた。図４（ａ）〜（ｄ）に示した導体幅−共振周波数の関係より、共振周波数ｆの変動が最も小さくなる導体４の幅ｗを近似式により導いた。この計算結果を横軸に導体４の巻数ｘをとり、縦軸に導体4の幅ｗをとって基体２の幅ｙ毎に、巻数−導体幅の関係をプロットした線図を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。これらの図より、それぞれの特性曲線は直線状になり、各直線の近似式がほぼ等しいことから、導体４の幅ｗは導体４の巻数ｘに比例し、基体２の幅ｙにはほとんど関係しないことが分かる。このようにして導体４の巻数と導体幅ｗとの関係を求めることにより、定数ＤおよびＥを求めることができ、式（２）を導くことができる。
【００３８】
なお、本発明のヘリカル型アンテナ１において式（２）を満足するための所定の条件としては、基体２の厚みａが0.3≦ａ≦３（ｍｍ）、基体２の長さｂが５≦ｂ≦20（ｍｍ）、基体２の比誘電率εｒが３≦εｒ≦30であり、導体４の巻数ｘが３≦ｘ≦16（巻）の範囲内であり、この範囲内において、基体２の厚みａ，長さｂおよび比誘電率εｒに基づいて定数ＤおよびＥを求めることができる。
【００３９】
なお、導体４の巻数ｘが３（巻）より少ないときは、高周波数帯のアンテナとなり、元々の導体４の長さが短いものとなるため、ヘリカル構造による小型化のメリットが小さくなる。他方、導体４の巻数ｘが17（巻）より多いときは、導体４間の距離（間隔）が小さくなり、隣接する導体４間で互いに干渉を起こすようになるため、十分な電気長の短縮が不可能となり、アンテナの小型化が困難となる傾向がある。
【００４０】
また、基体２の厚みａが0.2ｍｍより薄いときは、アいンテナの強度が端末等の使用条件に耐えられないような弱いものとなる。他方、基体２の厚みａが３ｍｍより厚いときは、ヘリカル構造による小型化のメリットを減殺してしまうこととなる。
【００４１】
また、基体２の長さｂが５ｍｍより小さいときは、アンテナ特性が低下し、特に帯域幅および利得が小さくなり、アンテナの必要特性を満足しなくなる傾向がある。他方、基体２の長さｂが20ｍｍより大きいときは、ヘリカル構造による小型化のメリットを減殺してしまうこととなる。
【００４２】
また、基体２の比誘電率εｒが３より小さいときは、前述したように大気中の比誘電率（εｒ≒１）に近づくため、アンテナの小型化が難しくなる。他方、基体２の比誘電率εｒが30より大きいときは、アンテナ特性が低下し、帯域幅および利得が小さくなり、アンテナの必要特性を満足しなくなる傾向がある。
【００４３】
本発明のヘリカル型アンテナについて、式（１）により求めた共振周波数ｆを微調整するのに際しては、式（１）より、基体２の幅ｙを調整してやればよい。式（１）より分かるように、導体４の巻数ｘを変えることによっても共振周波数ｆの調整は可能であるが、導体４の巻数ｘは基本的に整数の値しか取ることができないため、これによる共振周波数ｆの調整は約100ＭＨｚ単位でしか行なうことができない。他方、基体２の幅ｙは、基体２の製造能力における寸法精度（通常は約10μｍ単位）においてその値を調整することが可能であるため、およそ２〜３ＭＨｚ単位での調整が可能となる。しかもこのとき、導体４の巻数ｘは変化しないため、導体４の線幅ｗも当然変化しない。つまり、導体４の線幅ｗと導体４の線間距離との比率が変わらないため、このヘリカル型アンテナ１の共振周波数ｆに対する導体４の幅ｗのばらつきによる影響は小さいままである。従って、基体２の幅ｙを調整することによって、共振周波数ｆを精度よく微調整することができる。
【００４４】
なお、本発明のヘリカル型アンテナ１について上記のように共振周波数ｆおよび導体４の幅ｗを設定するに当たっては、基体２の幅ｙの代わりに基体２の厚みｚ（単位：ｍｍ）を用いてもよい。ただし、この際は、式（１）および（２）中の定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、以上に説明したような本発明のヘリカル型アンテナ１の実施の形態の例における決定方法を基に、同様にして新たに決定する必要がある。
【００４５】
この場合も、前述の式（１）および（２）に対しては、その導体４の巻数ｘが３≦ｘ≦16（巻）、基体２の厚みａが0.3≦ａ≦３（ｍｍ）、基体２の長さｂが５≦ｂ≦20（ｍｍ）、基体２の比誘電率εｒが３≦εｒ≦30であることが必要であり、これらの寸法等が定まれば、式（１）および（２）中の定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを以上の実施の形態の例と同様して決定することができ、所望の共振周波数ｆおよび導体４の幅ｗの設計を、計算式によって導いて行なうことが可能となる。
【００４６】
次に、本発明の通信装置の実施の形態の一例について説明する。本発明の通信装置は、以上のような本発明のヘリカル型アンテナを具備した通信装置であって、例えば携帯電話機を始めとする移動体通信端末や、無線ＬＡＮ用等に用いられるデータ通信装置に使用されるものである。
【００４７】
例えば携帯電話機であれば、その筐体内には、通信回路用の回路基板を内蔵しており、この回路基板には通常は送信回路と受信回路と送受信切り換え回路とが形成されている。また、この回路基板上には、これら送信回路と受信回路とに送受信切り換え回路を介して電気的に接続された、本発明のヘリカル型アンテナが表面実装される。この携帯電話機によれば、送受信切り換え回路の切り換え動作によって、ヘリカル型アンテナへの送信信号の供給による送信動作と、ヘリカル型アンテナからの受信信号の受信回路への供給による受信動作とが円滑に行なわれて電話機としての通信が行なわれる。
【００４８】
このような本発明の通信装置によれば、以上のような本発明のヘリカル型アンテナを具備していることから、アンテナの共振周波数の設計値に対して、アンテナの製造ばらつきによってヘリカル状の導体の幅が例えば５％ばらついたとしても、それによる共振周波数のばらつきは１％以内と小さく抑えることができるので、アンテナのアンテナ特性の安定性に優れ、安定した通信品質を確保することができる通信装置となる。
【００４９】
【実施例】
次に、本発明のヘリカル型アンテナについて具体例を説明する。
【００５０】
［例１］
まず、ヘリカル型アンテナの基体として、厚みａが0.5ｍｍ、長さｂが10ｍｍ、比誘電率εｒが9.6の略直方体のアルミナセラミックスから成る基体を準備した。この基体に対して、基体の幅ｙを2.5ｍｍから3.2ｍｍの範囲で、ヘリカル状の導体の幅ｗを0.2ｍｍから0.6ｍｍの範囲で、導体の巻数ｘを９巻から12巻の範囲で何通りかに変えてヘリカル型アンテナの試料を作製し、その共振周波数ｆを測定した。
【００５１】
なお、共振周波数ｆの測定は、寸法が60×25×0.8ｍｍのガラスエポキシ板材の片面に接地導体面を形成し、他面にストリップラインを形成した基板に、各ヘリカル型アンテナの試料の給電用端子を基板上のストリップラインに半田付けし、このストリップラインの反対端に同軸線路を接続して給電して、各ヘリカル型アンテナの試料の共振周波数ｆをアジレントテクノロジー社製ネットワークアナライザーを用いて求めることによって行なった。
【００５２】
こうして得られた測定結果に基づき、導体の幅と共振周波数との関係（導体幅−共振周波数）を図４（ａ）〜（ｄ）に、それぞれ基体の幅毎に線図にまとめた。これらの線図について、それぞれの図中に記載した各近似式よりその特性曲線の頂点を求め、図５（ａ）〜（ｄ）に導体の巻数と共振周波数との関係（巻数−共振周波数）をそれぞれ基体の幅毎に、また、図６（ａ）〜（ｄ）に導体の巻数と導体の幅との関係（巻数−導体幅）をそれぞれ基体の幅毎に線図にまとめた。
【００５３】
次に、図５（ａ）〜（ｄ）に示す結果より、各近似式の傾きの平均を計算し、式（１）における定数Ａ（＝−125.22）を求めた。次に、図５（ａ）〜（ｄ）の各条件において、式（１）：ｆ＝−125.22ｘ＋Ｂｙ＋Ｃに共振周波数ｆ，導体の巻数ｘおよび導体の幅ｗの値を代入し、ＢとＣの連立方程式を解き、（ａ）〜（ｄ）における解の平均を計算することによって、定数Ｂ（＝−242.62）およびＣ（＝3679.72）を求めた。
【００５４】
また、図６（ａ）〜（ｄ）に示す結果より、各近似式の傾きの平均を計算し、式（２）における定数Ｄ（＝−0.056）を求めた。次に、図６（ａ）〜（ｄ）の各条件において、式（２）：ｗ＝−0.056ｘ＋Ｅに導体の巻数ｘの値を代入し、（ａ）〜（ｄ）における解の平均を計算することによって、定数Ｅ（＝1.015）を求めた。
【００５５】
これにより、厚みａが0.5ｍｍ、長さｂが10ｍｍ、比誘電率εｒが9.6のアルミナセラミックスから成る基体を用いたときの共振周波数ｆおよびヘリカル状の導体の幅ｗを式（１）および（２）により以下の如く求めた。
ｆ＝−125.22ｘ−242.62ｙ＋3679.71（ＭＨｚ）
ｗ＝−0.056ｘ＋1.015（ｍｍ）
このようにして得られた式（１）および（２）によって求めた結果と、各ヘリカル型アンテナの試料における実測値とを表１および表２に示した。
【００５６】
【表１】

【００５７】
【表２】

【００５８】
表１および表２に示す結果から分かるように、本発明のヘリカル型アンテナによれば、式（１）および（２）を満足するように求めた共振周波数ｆおよび導体の幅ｗは、実測値との最大誤差が共振周波数ｆでは最大誤差1.9％、導体の幅ｗでは最大誤差11％と実用上特に問題がないレベルで一致していた。
【００５９】
また、本発明のヘリカル型アンテナの各試料について、以上のようにして式（１）および（２）によって得られた導体の幅ｗの値が５％上下したときの共振周波数ｆのばらつきを表３に示した。
【００６０】
【表３】

【００６１】
この表３に示す結果より、本発明のヘリカル型アンテナによれば、導体の幅ｗが５％ばらついても、そのときの共振周波数ｆの最大ばらつきは0.25％と小さく抑えられており、実用上問題がない程度であるとされる１％を大きく下回る結果となっていることが分かる。
【００６２】
［例２］
例１と同様にして、以下に示す基体についての各条件における共振周波数ｆおよび導体の幅ｗを、それぞれの図３〜図６と同様の図、ならびに式（１）および（２）によって、以下の如く求めた。すなわち、
１）各基体について基体の幅ｙ，導体の幅ｗおよび導体の巻数ｘを何通りか変えたヘリカル型アンテナを作製し、それぞれの共振周波数ｆを測定する。
２）得られた共振周波数ｆについての測定結果から、基体の幅ｙ毎に、また導体の巻数ｘ毎に導体の幅ｗと共振周波数ｆとの関係について線図にまとめて特性曲線を表すとともに近似式を求める。
３）各特性曲線の近似式より各特性曲線の頂点を求め、基体の幅ｙ毎に、導体の巻数ｘと共振周波数ｆとの関係について線図にまとめて特性曲線を表すとともに近似式を求め、各近似式の傾きの平均を求めて定数Ａを求める。
４）式（１）に定数Ａおよび導体の巻数ｘ，基体の幅ｙならびに共振周波数ｆの測定結果の値を代入して式（１）を定数Ｂ，Ｃについて解くとともに平均を求めて、定数Ｂ，Ｃを求める。
５）一方、各特性曲線の近似式より各特性曲線の頂点を求め、基体の幅ｙ毎に、導体の巻数ｘと導体の幅ｗとの関係について線図にまとめて特性曲線を表すとともに近似式を求め、各近似式の傾きの平均を求めて定数Ｄを求める。
６）式（２）に定数Ｄおよび導体の巻数ｘの値を代入して式（２）を定数Ｅについて解くとともに平均を求めて、定数Ｅを求める。
【００６３】
以上のようにして、次の各条件について図３〜図６と同様の線図を示すとともに、決定した定数Ａ，Ｂ，Ｃを式（１）に、また定数Ｄ，Ｅを式（２）に代入して共振周波数ｆおよび導体の幅ｗの計算式を求め、その計算式によって求めた結果を満足する本発明のヘリカル型アンテナの試料を作製し、それぞれ共振周波数ｆおよび導体の幅ｗの実測値を測定して、得られた結果および実測値の結果について、それぞれ表１〜表３と同様の表にまとめた。
▲１▼ 基体の厚みａ＝0.5ｍｍ，長さｂ＝10ｍｍ，比誘電率εｒ＝３のとき
ｆ＝−117.4ｘ−284.3ｙ＋3782.9（ＭＨｚ）
ｗ＝−0.047ｘ＋0.967（ｍｍ）
図７（導体幅−共振周波数），図８（導体の巻数−共振周波数），図９（導体の巻数−導体幅）、ならびに表４（共振周波数の結果と実測値），表５（導体の幅の結果と実測値），表６（導体の幅のばらつきによる共振周波数のばらつき）を参照。
【００６４】
【表４】

【００６５】
【表５】

【００６６】
【表６】

【００６７】
▲２▼ 基体の厚みａ＝0.5ｍｍ，長さｂ＝10ｍｍ，比誘電率εｒ＝30のとき
ｆ＝−116.17ｘ−306.67ｙ＋3665.2（ＭＨｚ）
ｗ＝−0.055ｘ＋0.957（ｍｍ）
図10（導体幅−共振周波数），図11（導体の巻数−共振周波数），図12（導体の巻数−導体幅）、ならびに表７（共振周波数の結果と実測値），表８（導体の幅の結果と実測値），表９（導体の幅のばらつきによる共振周波数のばらつき）を参照。
【００６８】
【表７】

【００６９】
【表８】

【００７０】
【表９】

【００７１】
▲３▼ 基体の厚みａ＝0.2ｍｍ，長さｂ＝20ｍｍ，比誘電率εｒ＝30のとき
ｆ＝−51.83ｘ−184ｙ＋3139.45（ＭＨｚ）
ｗ＝−0.102ｘ＋2.501（ｍｍ）
図１３，１４，１５、表１０，１１，１２参照。
【００７２】
図13（導体幅−共振周波数），図14（導体の巻数−共振周波数），図15（導体の巻数−導体幅）、ならびに表10（共振周波数の結果と実測値），表11（導体の幅の結果と実測値），表12（導体の幅のばらつきによる共振周波数のばらつき）を参照。
【００７３】
【表１０】

【００７４】
【表１１】

【００７５】
【表１２】

【００７６】
▲４▼ 基体の厚みａ＝３ｍｍ，長さｂ＝５ｍｍ，比誘電率εｒ＝３のとき
ｆ＝−300.33ｘ−232.33ｙ＋3107.38（ＭＨｚ）
ｗ＝−0.113ｘ＋0.681（ｍｍ）
図16（導体幅−共振周波数），図17（導体の巻数−共振周波数），図18（導体の巻数−導体幅）、ならびに表13（共振周波数の結果と実測値），表14（導体の幅の結果と実測値），表15（導体の幅のばらつきによる共振周波数のばらつき）を参照。
【００７７】
【表１３】

【００７８】
【表１４】

【００７９】
【表１５】

【００８０】
以上の結果から分かるように、基体の厚みａが0.3≦ａ≦３（ｍｍ）、基体の長さｂが５≦ｂ≦20（ｍｍ）、基体の比誘電率εｒが３≦εｒ≦30であるとともに、共振周波数ｆ（ＭＨｚ）および導体の幅ｗ（ｍｍ）がそれぞれ式（１）および（２）を満足する本発明のヘリカル型アンテナによれば、小型化されたヘリカル型アンテナを容易に設計することができるとともに、その導体の幅が例えば５％ばらついても、共振周波数のばらつきを１％以下に抑えることが可能なものとできることが確認できた。
【００８１】
［例３］
まず、ヘリカル型アンテナの基体の厚みａを0.5ｍｍ、長さｂを10ｍｍ、比誘電率εｒを9.6とし、共振周波数ｆを1575ＭＨｚ（ＧＰＳ用）と設定した。次に、ヘリカル型アンテナの導体の幅ｗを例１で求めた計算式を用いて計算した。なお、導体の巻数ｘは11に仮設定した。

この計算の結果、導体の幅ｗは製造上特に問題のない数値であることから、導体の巻数ｘを11巻とし、導体の幅ｗを0.399ｍｍとした。
【００８２】
次に、例１で求めた計算式を用いて、基体の幅ｙを求めた。
【００８３】
ｆ＝−125.22ｘ−242.62ｙ＋3679.71
より

この計算の結果、基体の幅ｙは３ｍｍとなる。
【００８４】
［例４］
共振周波数ｆの調整を、例１で求めた計算式中の基体の幅ｙを変えることによって行なった。
【００８５】
例３で得られたｘ＝11巻、ｙ＝３ｍｍ、ｆ＝1575ＭＨｚに対して、基体の幅ｙを2.8ｍｍおよび3.2ｍｍとしたときの共振周波数ｆの変化を調べた。例１で求めた計算式より

となった。
【００８６】
これにより、基体の幅ｙを0.2ｍｍ変えることによって約50ＭＨｚの共振周波数ｆの調整が可能であり、これを基体の幅ｙの一般的な製造能力レベルにおける調整幅である0.01ｍｍ当たりに換算すると2.5ＭＨｚ／0.01ｍｍとなる。すなわち、基体の幅ｙを調整することにより、共振周波数ｆを２〜３ＭＨｚ単位で調整できることが確認できた。
【００８７】
［例５］
基体の厚みａ＝0.5ｍｍ、長さｂ＝10ｍｍ、比誘電率εｒ＝9.6、導体の幅ｗ＝３ｍｍ、導体の巻数ｘ＝11巻で、共振周波数ｆが1579ＭＨｚのヘリカル型アンテナにおいて、その基体の幅ｙを変化させることで共振周波数ｆの調整を行なった。
【００８８】
基体を幅ｙの方向に0.01ｍｍ研削加工し、同時に研削された導体パターンを再形成して、基体の幅ｙが2.99ｍｍのヘリカル型アンテナに加工した。この結果、ヘリカル型アンテナの共振周波数ｆを1581ＭＨｚに調整することができた。
【００８９】
この結果より、基体の幅ｙを調整することにより、その共振周波数ｆの微調整が可能であることが確認できた。
【００９０】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、基体の形状が円柱状となった場合であれば、式（１）内の基体の幅ｙを基体の径ｒとすれば適用可能である。
【００９１】
【発明の効果】
本発明のヘリカル型アンテナによれば、誘電体材料または磁性体材料から成る基体の表面および／または内部にヘリカル状の導体を備えたヘリカル型アンテナであって、前記基体の厚みａ（ｍｍ）が0.3≦ａ≦３（ｍｍ）、長さｂ（ｍｍ）が５≦ｂ≦20（ｍｍ）、比誘電率εｒが３≦εｒ≦30であり、前記導体の巻数ｘ（巻）が３≦ｘ≦16（巻）であるとともに、その共振周波数ｆ（ＭＨｚ）および前記導体の幅ｗ（ｍｍ）がそれぞれ下記式（１）および式（２）
ｆ＝Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃ（ＭＨｚ）・・・（１）
ｗ＝Ｄｘ＋Ｅ（ｍｍ）・・・・・・・（２）
（ただし、ｙは前記基体の幅（ｍｍ）であり、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは前記基体の厚みａ，長さｂおよび比誘電率εｒに基づいて決定される定数である。）を満足するものとしたことから、所望の共振周波数を有するヘリカル型アンテナの設計をこの関係式に基づいて容易に行なうことが可能であり、小型化されたヘリカル型アンテナが得られ、かつこの関係式を満足する導体の幅を有するヘリカル状の導体によって放射電極を形成すると、ヘリカル状の導体の幅と共振周波数との関係については、理論的には未だ明らかではないが、導体の幅が変動しても共振周波数にほとんど影響を与えないような関係となるため、例えば導体幅が５％ばらついても、それによる共振周波数のばらつきを設計した共振周波数の１％以内に抑えることが可能となる。
【００９２】
以上により、本発明によれば、小型化されたヘリカル型アンテナの共振周波数，導体の幅，基体の幅について容易に設計して所望のアンテナ特性を有するヘリカル型アンテナを得ることができ、また、製造で導体の幅にばらつきが発生しても目標とする共振周波数のばらつきを実用上問題のないレベルに抑えることが可能なヘリカル型アンテナを提供することができた。
【００９３】
また、本発明の通信装置によれば、上記構成の本発明のヘリカル型アンテナを具備することから、そのヘリカル状の導体の幅が例えば５％ばらついてもその際の共振周波数のずれを設計した共振周波数の１％以内に抑えることが可能となるので、小型化されたヘリカル型アンテナを具備した、アンテナ特性の安定性に優れた通信装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヘリカル型アンテナの実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】従来の移動体通信端末の例を示す斜視図である。
【図３】従来のチップアンテナの例を示す斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体幅−共振周波数の関係を示した線図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−共振周波数の関係を示した線図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−導体幅の関係を示した線図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体幅−共振周波数の関係を示した線図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−共振周波数の関係を示した線図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−導体幅の関係を示した線図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体幅−共振周波数の関係を示した線図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−共振周波数の関係を示した線図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−導体幅の関係を示した線図である。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体幅−共振周波数の関係を示した線図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−共振周波数の関係を示した線図である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−導体幅の関係を示した線図である。
【図１６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体幅−共振周波数の関係を示した線図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−共振周波数の関係を示した線図である。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれヘリカル型アンテナについて基体の幅毎に導体の巻数−導体幅の関係を示した線図である。
【符号の説明】
１：ヘリカル型アンテナ
２：基体
３：給電用端子
４：導体

Claims

誘電体材料または磁性体材料から成る基体の表面および／または内部にヘリカル状の導体を備えたヘリカル型アンテナの設計方法であって、基体の幅ｙ、導体の幅ｗ（ｍｍ）、導体の巻数ｘ（巻）を変化させたヘリカル形アンテナ試料を作製し、各試料の導体の巻数ｘ毎の導体の幅ｗ−共振周波数ｆの関係を求めるとともに、共振周波数ｆの変化の最小点を求め、基体の幅ｙ毎に導体の巻数ｘ−共振周波数ｆの最小点の関係より得られる特性曲線の近似式を求めるとともに、各近似式の傾きの平均より定数Ａを決定し、下記式（１）に定数Ａ、導体の巻数ｘ、基体の幅ｙ、共振周波数ｆの測定結果の値を代入して定数Ｂ、Ｃを決定するとともに、上記共振周波数ｆの変化の最小点での導体の幅ｗを求め、基体の幅ｙ毎に導体の巻数ｘ−導体の幅ｗの関係より得られる特性曲線の近似式を求めるとともに、各近似式の傾きの平均より定数Ｄを決定し、下記式（２）に定数Ｄ、導体の巻数ｘの値を代入して定数Ｅを決定することにより、所望の共振周波数を得るための導体の幅ｗを設定することを特徴とするヘリカル型アンテナの設計方法。
ｆ＝Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃ（ＭＨｚ）・・・（１）
ｗ＝Ｄｘ＋Ｅ（ｍｍ）・・・・・・・（２）
前記基体の厚みａが０．３≦ａ≦３（ｍｍ）、基体の長さｂが５≦ｂ≦２０（ｍｍ）、基体の比誘電率εｒが３≦εｒ≦３０であることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル型アンテナの設計方法。