アンテナおよびアンテナ給電構造: 特許の英語（特許翻訳分野）

2009年10月10日 (土)

アンテナおよびアンテナ給電構造

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体装荷アンテナ、このようなアンテナ用の給電構造、および誘電体装荷アンテナを製造する方法とに関するものである。
【０００２】
英国特許出願２２９２６３８Ａおよび２３１０５４３Ａは、２００ＭＨｚを超える周波数で動作するための誘電体装荷アンテナを開示している。各アンテナは、直径方向に相対する２対のヘリカルアンテナ素子を有し、これらは、５より大きい相対誘電率を有する材料で作成されたほぼ円筒状の電気絶縁性コアにめっきされている。コアの材料は、コアの外表面によって定められる体積の大半を占有する。コアの一方の端面からもう一方の端面へは、シールド導体に囲まれた内部導体を有する同軸給電構造を内包した軸穴が通される。コアの一端では、その穴の端に隣接する関連の接続部分を有する対応するアンテナ素子に、給電構造の導体が接続される。穴のもう一端では、アンテナ素子を結びつける導体に、シールド導体が接続される。この導体は、これらの例では、コアの一部を取り巻いてバランを形成する導電性スリーブの形態をとる。各アンテナ素子は、スリーブの縁で終結しており、給電構造との接続部分からそれぞれ対応する螺旋経路をたどっている。
【０００３】
英国特許出願２３６７４２９Ａは、好ましくはコアの固体材料の相対誘電率の２分の１未満の相対誘電率を有するプラスチック材料の管によって穴の壁からシールド導体を隔てられたアンテナを開示している。
【０００４】
類似の給電構造およびバラン構成を有する誘電体装荷ループアンテナが、ＧＢ２３０９５９２Ａ、ＧＢ２３３８６０５Ａ、ＧＢ２３５１８５０Ａ、およびＧＢ２３４６０１４Ａに開示されている。これらのアンテナは、いずれも、コア内を通された給電構造によってトップ給電され且つコアの周囲に配される、共通の特性の導体素子を有する。導体素子は、コアによって占有される内部体積を定め、コアは、その全表面が金属化導体素子を有している。バランは、給電線構造に接続された装置からアンテナ素子をコモンモードアイソレーションする。これは、アンテナを、小型携帯端末にとりわけ適したものにする。
【０００５】
これまでは、以下のように、アンテナの給電構造を作成してきた。先ず、外表面をめっきされたフランジ状の接続ブッシュが、給電接続を設ける予定の穴の端に配置され、コアに装着される。次いで、細長い管状のスペーサが、もう一方の底端側から穴に挿入される。次に、所定の特性インピーダンスを有する同軸線路が、一定の長さに切断され、内部導体の一端の露出部分が、Ｕ字型に曲げられる。こうして形成された同軸ケーブルの部位は、穴および細長い管状スペーサに上から挿入され、上部の接続全体がはんだ付けされる。このはんだ付けは、（ａ）内部導体の曲げ部分を、コアの上面上にあるアンテナ素子の接続部分にはんだ付けする、および（ｂ）フランジ状の接続ブッシュを、シールド導体および更にコアの上面上にあるアンテナ素子の接続部分にはんだ付けする、２つのはんだ付け工程によってなされる。次いで、コアは反転され、更に、内部導体の曲げ部分と反対の側の端から露出しているケーブルの外部シールド導体の部分に第２のめっきブッシュが装着され、コアのめっき底端面に突き合わされる。最後に、この第２のブッシュは、外部シールド導体およびコアのめっき底端面にはんだ付けされる。
【０００６】
従来の出願に開示されたアンテナ設計の目的の１つは、アンテナ素子用の平衡な電源または負荷を可能な限り近くに実現することにある。通常は、バランスリーブがこのような平衡を実現する役割を果たすが、同軸給電線構造の特性インピーダンスおよびその長さに対する制約ゆえに、反応性の不均衡がいくらか生じる可能性がある。更なる要因には、例えば内部導体の屈曲部分に起因する給電構造の内部導体と外部導体との長さの差、および同軸給電に特有の非対称性がある。必要に応じ、短絡スタブの形態をとる補償用のリアクタンス整合回路網を、アンテナの接続先のデバイスの一部として、またはコアの底端面に取り付けられる小型のシールドプリント回路基板アセンブリとして、コアの底端面に隣接する内部導体に接続することがなされている。

ANANTENNA AND ANANTENNA FEED STRUCTURE

This invention relates to a dielectrically-loaded antenna, to a feed structure for such an antenna and to a method of producing a dielectrically-loaded antenna.

British Patent Applications Nos. 2292638 A and 2310543 A disclose dielectrically-loaded antennas for operation at frequencies in excess of 200MHz. Each antenna has two pairs of diametrically opposed helical antenna elements which are plated on a substantially cylindrical electrically insulative core made of a material having a relative dielectric constant greater than 5. The material of the core occupies the major part of the volume defined by the core outer surface. Extending through the core from one end face to an opposite end face is an axial bore containing a coaxial feed structure comprising an inner conductor surrounded by a shielded conductor. At one end of the core the feed structure conductors are connected to respective antenna elements which have associated connection portions adjacent the end of the bore. At the other end of the bore, the shield conductor is connected to a conductor which links the antenna elements and, in these examples, is in the form of a conductive sleeve encircling part of the core to form a balun. Each of the antenna elements terminates on a rim of the sleeve and each follows a respective helical path from its connection to the feed structure.

British Patent Application No. 2367429A discloses such an antenna in which the shield conductor is spaced from the wall of the bore, preferably by a tube of plastics material having a relative dielectric constant which is less than half of the relative dielectric constant of the solid material of the core.

Dielectrically-loaded loop antennas having a similar feed structure and balun arrangement are disclosed in GB2309592A, GB2338605A, GB2351850A and GB2346014A. Each of these antennas has the common characteristic of metallised conductor elements which are disposed about the core and which are top-fed from a feed structure passing through the core. The conductor elements define an interior volume occupied by the core and all surfaces of the core have metallised conductor elements. The balun provides common-mode isolation of the antenna elements from apparatus connected to the feeder structure, making the antenna especially suitable for small handheld devices.

Hitherto, the feed structure has been formed in the antenna as follows. Firstly, a flanged connection bush, plated on its outer surface, is fitted to the core by being placed in the end of the bore where the feed connection is to be made. Then, an elongate tubular spacer is inserted into the bore from the other, bottom, end. Next, a coaxial line of predetermined characteristic impedance is trimmed to length and an exposed part of the inner conductor at one end is bent over into a U-shape. The formed section of coaxial cable is inserted into the bore and the elongate tubular spacer from above and the entire top connection is soldered in two soldering steps: (a) soldering of the inner conductor bent portion to connection portions of the antenna elements on the top face of the core, and (b) soldering of the flanged bush to the shield conductor and to further antenna element connection portions on the top face of the core. The core is then inverted and a second plated bush is fitted over the outer shield conductor of the cable where it is exposed at the opposite end of the core from the bent section of the inner conductor so as to abut the plated bottom end face of the core. Finally, this second bush is soldered to the outer shield conductor and to the plated bottom end face of the core.

One of the objectives in the design of the antennas disclosed in the prior applications is to achieve as near as possible a balanced source or load for the antenna elements. Although the balun sleeve generally serves to achieve such balance, some reactive imbalance may occur owing to constraints on the characteristic impedance of the coaxial feeder structure and on its length. Additional contributing factors are the difference in length between the inner and outer conductors of the feed structure, e.g., as a result of the bent-over part of the inner conductor, and the inherent asymmetry of a coaxial feed. Where necessary, a compensating reactive matching network in the form of a shorted stub has been connected to the inner conductor adjacent the bottom end face of the core, either as part of the device to which the antenna is connected or as a small shielded printed circuit board assembly attached to the bottom end face of the core.

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【０００７】
本発明の目的は、従来の出願で開示されたようなアンテナの組み立て費用を削減することにある。
【０００８】
１つの態様にしたがって、本発明は、動作周波数が２００ＭＨｚを超えるアンテナに対して新規の給電構造を提供する。アンテナは、３次元であり、誘電性コアの外表面上にまたは同外表面に隣接するように設けられた複数の導電性アンテナ素子を有するアンテナ素子構造を有する。コアの相対誘電率は、５より大きい。一般に、アンテナ素子構造は、コアの周囲に設けられた金属化素子を含んでおり、少なくとも主要部分をコアの固体誘電材料に占有される内部体積を定めている。コアは、このようにして、アンテナ素子構造を誘電的に装荷する。
【０００９】
アンテナ素子は、アンテナの軸に載るコア内を長手方向に通された給電構造の一端にある給電接続に端を発する。アンテナ素子のもう一端は、例えば、コアから離れた位置で給電構造に接続されてバランとして機能するスリーブなど、共通の導体によって互いに接続されてよい。例えば、スリーブは、給電構造のシールド導体と相まって、給電接続においてアンテナ素子用の平衡な電源または負荷を提供するように機能することができる。アンテナは、全体として、接続先の機器に対して単一終端の５０オームの終端器を表している。このような構造では、コアの全表面が金属化導体素子を有している。

It is an object of the present invention to reduce the cost of assembling antennas such as those disclosed in the prior applications.

According to one aspect, the invention provides an antenna with a frequency of operation in excess of 200MHz with a novel feed structure. The antenna is three- dimensional, having an antenna element structure having a plurality of conductive antenna elements disposed on or adjacent the outer surface of a dielectric core. The relative dielectric constant of the core is greater than 5. Generally, the antenna element structure comprises metallised elements disposed about the core and defines an interior volume at least the major part of which is occupied by the solid dielectric material of the core, the core thereby dielectrically loading the antenna element structure.

The antenna elements extend from feed connections at one end of a feed structure which passes longitudinally through the core on an axis of the antenna. The other ends of the antenna elements may be connected together by a common conductor such as a sleeve which acts as a balun and is connected to the feed structure at a location spaced from the core. For instance, the sleeve can act in combination with a shield conductor of the feed structure to provide a balanced source or load for the antenna elements at the feed connections, the antenna as a whole presenting a single-ended 50 ohm termination for equipment to which it is to be connected. In such a structure, all surfaces of the core have metallised conductor elements.

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【００１０】
機器に対するアンテナの整合は、コアの中を通る通路の一端の、コアの中またはコアの外側の位置にある部品によって実施されてよい。このような部品は、その少なくとも一部をプリント回路基板の形で具体化されてよい。この基板は、アンテナ素子を同軸線路に結び付ける接続をアンテナ素子間に形成できるように、コアの中を通る通路内に収容された同軸伝送線路の一端に位置付けられてよい。基板は、同軸線路の軸から横方向に広がってよく、また、例えば基板をコアに組み付けた際に、コアの遠位面上の導体にアンテナ素子を接続する、横方向に広がる接続部材を有してよい。基板をアンテナの軸に垂直な平面に構成することによって、基板をコアの遠位面に当てがって、基板の裏面上の導電層部分を、コア上にプリントされた軌道と対面接触させることができる。基板の外面上の導電層部分は、整合回路網の一部を構成する１つまたは２つ以上のディスクリート部品（例：コンデンサおよび／もしくはインダクタ）のための接続領域を提供するか、あるいは単独でまたは基板の裏面上の導電層と相まって、整合回路網の部品を構成してよい。
【００１１】
この給電構造は、したがって、一定の長さの同軸伝送線路と、該同軸線路によって定められた、軸から横方向に広がる積層基板と、の組み合わせを含む。線路の内部導体は、基板の片方の面上にある軌道に接続するために、基板の中の貫通孔内に位置してよく、一方で、シールドは、基板の裏面に接続するか、またはコアの遠位面の上面上にある導体に直接接続する。伝送線路の特性インピーダンスは、通常、５０オームである。
【００１２】
同軸線路の長さおよび特性インピーダンスに応じて、整合回路網は、反応性のインピーダンス変換を含むことによるリアクタンス補償を含んでよい。具体的に言うと、整合回路網は、基板上の導電性軌道として、または基板上の軌道に取り付けられた１つもしくは複数のディスクリート部品として具体化される、キャパシタンスおよび／またはインダクタンスを含んでよい。
【００１３】
開示されるアンテナでは、整合回路網は、互いに位置合わせされた導電層部分として具
体化される分路キャパシタンスを、基板の両側に含む。やはり開示されるのは、コンデンサが、例えば相互に噛み合わされた形の、すなわち相互噛み合い式のコンデンサのように、互いに絶縁された隣り合う導電層部分を基板の一方の表面上に含むケースである。具体的に言うと、コンデンサは、１つもしくは２つ以上の貫通孔ビアまたは基板の辺縁に形成されためっき辺縁接続を使用して、同軸線路の内部導体からの信号線に関連付けられた軌道と、シールド導体に関連付けられた軌道と、の間に結合されてよい。
【００１４】
インダクタンスは、例えば、基板上の一定の長さの導電性軌道の形態をとる直列素子として、同軸線路の内部導体との接続と、コアの遠位面の上面上の導体と、の間に組み込まれてよい。こうすれば、整合回路網は、アンテナによって表される、通常５オーム未満で２オームの低さになることもある電源インピーダンスまたは負荷インピーダンスから、アンテナの使用対象である通常５０オームの終端器を有する高周波機器にアンテナを接続した際に同軸線路の遠端において表される、電源インピーダンスすなわち負荷インピーダンスへの、変換を行うことができる。
【００１５】
積層基板と同軸線路との組み合わせは、アンテナの製造時に１つのユニットとしてコアの遠位面からアンテナコアの中の通路にスライド式に挿入される、単一の給電構造を構成してよい。基板とコアの遠位面との突き合わせは、給電構造を軸方向で位置決めするために使用されてよい。給電構造部品をコアの全表面上の金属化導体素子にワンショットでリフローはんだ付けすることを可能にするため、基板とコアとの間には、接続形成のためにはんだペーストがスクリーン印刷され、そして、コアの近位面から露出した部分の同軸線路の周囲には、はんだプリフォームが使用される。
【００１６】
積層基板と同軸線路との間の機械的接続は、同軸線路のシールド導体上にある１つまたは２つ以上の長手方向に伸びる出っ張りによってなされてよい。これらの出っ張りは、対応して基板内に形成された凹所内または孔内に位置しており、その位置で、基板上の導電層部分にはんだ付けされてよい。出っ張りは、孔内または凹所内に締り嵌めされるか、または基板をシールドに固定するべく屈曲されるかしてよい。あるいは、シールドの遠端は、外向きにかしめられてもよく、そうすることによって、通路の遠端に隣接するコア上の遠位向きの表面に相対して位置づけると共に、基板の近位面上の導電層部分との間に突き合わせ電気接続を提供することができる。
【００１７】
本発明の特定の態様にしたがって、２００ＭＨｚを超える周波数で動作するための誘電体装荷アンテナが提供される。このアンテナは、横断方向に広がる端面および該端面間で長手方向に広がる側面を有する、５より大きい相対誘電率の、固体材料の電気絶縁性コアと、該コアの側面の上にまたは側面に隣接するように設けられ一方の端面からもう一方の端面へと伸びる少なくとも１対の細長い導電性アンテナ素子を含む、３次元のアンテナ素子構造と、アンテナ素子対の一方のアンテナ素子およびもう一方のアンテナ素子にそれぞれ結合された第１および第２の給電接続導体を含む、給電接続と、アンテナ素子対のアンテナ素子間に結合された分路キャパシタンスを含む、整合部位と、を含む。
【００１８】
この好ましいアンテナでは、コアは、円筒状であり、上記アンテナ素子対のアンテナ素子は、上記一方の端面から円筒状の側面の上でそれぞれ伸びる導電性の螺旋軌道を含み、アンテナ素子構造は、上記のコアの一方の端面から離れた位置にあるアンテナ素子の端を相互に接続する、コアを取り巻くリンク導体を含む。給電接続および整合部位は、給電線構造の一部を構成してよく、該給電線構造は、給電接続内で終結する伝送線路部位も含んでいる。この好ましいアンテナは、伝送線路部位において５０オームの特性インピーダンスを有するが、一般に、特性インピーダンスは、アンテナを使用する対象機器に応じて選択される。
【００１９】
本発明のもう１つの態様にしたがって、２００ＭＨｚを超える周波数で動作するためのバックファイヤ型誘電体装荷アンテナが提供される。このアンテナは、軸方向を向いた近位面および遠位面と、円筒状の側面とを有する、５より大きい相対誘電率の固体材料の、円筒状の電気的絶縁性コアと、該コアの側面の上にまたは側面に隣接するように設けられコアの遠位面から近位面の方向へとそれぞれ伸びる少なくとも１対の細長い導電性アンテナ素子を含む、３次元のアンテナ素子構造と、上記アンテナ素子対の一方のアンテナ素子に結合された第１の導体および上記アンテナ素子対のもう一方のアンテナ素子に結合された第２の導体を一端に有する、伝送線路部位と、該伝送線路部位の上記の一端に関連付けられた、少なくとも１つのリアクタンス整合素子を含む積層基板の形態をとる、整合部位と、の組み合わせを含む、給電構造と、を含む。
【００２０】
少なくとも１つのリアクタンス整合素子を含む積層基板の場合、この素子は、基板の少なくとも１枚の導電層によって形成されてよい。あるいは、この素子は、基板の導電領域上に取り付けられた集中型のリアクタンス整合部品として形成されてよい。
【００２１】
リアクタンス素子は、上記アンテナ素子対のアンテナ素子間に接続された分路リアクタンスであってよい。また、整合部位は、分路リアクタンスといずれか１つのアンテナ素子との間、または伝送線路部位の各導体との間に接続されるリアクタンスを含む、第２のリアクタンス素子を含んでもよい。
【００２２】
好ましいアンテナは、長手方向に同一の広がりを持つ半回転の４つのヘリカルアンテナ素子を有するクアドリフィラー型ヘリカルアンテナである。これらのヘリカルアンテナ素子は、それぞれの遠端を、コアの遠端においてコアの上面の外周に相隔てて配される。好ましい実施形態では、コアの遠位面上に、４つの放射状の軌道がめっきされ、２つを１対として相互に接続される。伝送線路導体を放射状の軌道に相互に接続する積層基板の導電層は、基板のめっき辺縁を介してであれ、または基板を貫通するビアによってであれ、放射状の軌道との接続を定めることができ、これらの接続は、相まって、コアの軸を中心にした少なくとも４５度の角度に対向する。通常、対向角度は、およそ９０度である。電流の流れの滑らかな移行を実現するため、これらの導電層は、扇形であることが好ましい（最も好ましい実施形態ではセクタ形である）。
【００２３】
アンテナを組み立てる１つの好ましい方法では、給電構造は、コアに対する１つのユニットとして表され、コアの中の通路に挿入される。この挿入は、同軸線路の軸を中心に横方向に伸びる基板上の接続部材を、コア上の導電性部分に係合させ、その後、これらの横方向に伸びる接続部材は、係合先のコア上の上記または各導電性部分に導電的に接合される。導電的な接合は、好ましくは、単一のはんだ付け工程として実施される。方法は、コアの近位面でバランスリーブの一部を形成する例えばめっき層などの接地導体に、シールド導体を導電的に接合する、更なるステップを、好ましくは上記の単一のはんだ付け工程の一部として含む。あるいは、先ず、コア内の所定の位置まで同軸線路が挿入され、次に、コアの遠端および同軸線路の遠端を覆うようにプリント回路基板が配置される。次いで、同軸線路とコアとの間および／または同軸線路と基板との間、ならびに基板とコアとの間の導電的な接合が、単一の工程で実施されてよい。
【００２４】
給電構造は、シールド導体の外壁を通路の壁から隔てるための手段を含んでよい。
【００２５】
内部導体およびシールド導体は、それらの長さの大半に及ぶエアギャップによって、互いに絶縁されてよい。
【００２６】
本発明の更にもう１つ態様にしたがって、誘電体装荷アンテナの絶縁性コアの中の通路内に滑り装着するための単一のアンテナ給電構造が提供される。該給電構造は、管状の外
部シールド導体と、シールド導体を通って伸びる、シールド導体から絶縁された細長い内部導体と、シールド導体の遠端から外向きに横方向に広がる積層基板と、の単一の組み合わせを含み、積層基板は、通路の端に隣接するアンテナコア上の第１および第２の導体との接続のための第１および第２の近位向きの導電性部分を有する近位面であって、第１の近位向きの導電性部分と外部シールド導体とは、電気的に接続される、近位面と、内部導体に隣接する第１の非近位の導電性部分を有し、内部導体に電気的に接続されている、非近位の面または層と、第１の非近位の導電性部分と第２の近位向きの導電性部分とを電気的に接続するリンク導体と、を含む。
【００２７】
本発明の更にもう１つの態様にしたがって、誘電体装荷アンテナの絶縁性コアの中の通路内に滑り装着するための単一のアンテナ給電構造が提供される。該給電構造は、コアの通路内に挿入するための一定の長さの伝送線路と、該伝送線路の遠端から外向きに広がる積層基板と、の単一の組み合わせを含み、積層基板は、通路の一端に隣接するアンテナコア上の導体との接続のための近位向きの導電性部分を有する近位面であって、近位向きの導電性表面は、伝送線路の導体に電気的に結合されている、近位面を含む。
【００２８】
本発明は、また、誘電体装荷アンテナのための給電構造であって、一定の長さの伝送線路と、該伝送線路の遠端から外向きに広がる積層基板と、の組み合わせを含む、給電構造を含む。積層基板は、伝送線路を収容するための通路の一端に隣接する、アンテナの誘電体コア上の導体との接続のための、近位向きの導電性表面部分を有する近位面を含み、近位向きの導電性表面部分は、伝送線路の導体に電気的に結合されている。積層基板は、近位向きの導電性部分に電気的に接続された非近位向きの導電性部分を含むことが好ましく、近位向きおよび非近位向きの導電性部分は、基板の辺縁に隣接するリンク導体によって接続される。リンク導体は、近位向きの導電性部分の少なくとも一部を形成してよい。また、リンク導体は、積層基板の辺縁を覆ってよい。
【００２９】
通常、積層基板は、伝送線路から少なくとも２つの方向に外向きに広がっており、通路の一端に隣接するアンテナコア上の第２の導体との接続のための第２の近位向きの導電性部分を有している。この近位向きの導電性表面部分は、伝送線路の第２の導体と電気的に通じている。
【００３０】
積層基板は、伝送線路をアンテナの放射構造に整合させるためのリアクタンス素子を有する。リアクタンス素子は、基板の２枚の導電層間に形成された、これらの層間に誘電層を有するコンデンサであることが好ましい。リアクタンス素子は、基板の１枚の層の上に形成されたインダクタであってもよい。
【００３１】
積層基板は、積層基板の遠位面と近位面との間に広がるリンク導体を含んでよい。該リンク導体は、基板の辺縁を覆ってよい。好ましくは、リンク導体は、積層基板に接続する位置における伝送線路の内部導体の直径より大きい幅を有し、関連の導電性部分は、内部導体からリンク導体へと外向きに扇状に広がる。

Matching of the antenna to the equipment may be performed by components within the core or located externally of the core at one end of the passage through the core. Such components may be embodied at least partly in a printed circuit board. This board may be located at one end of a coaxial transmission line housed in the passage through the core, so as to form the connection between the antenna elements linking the antenna elements to the coaxial line. The board may extend laterally from the axis of the coaxial line, and have laterally extending connection members which connect to the antenna elements on when the board is assembled to the core, for instance, to conductors on a distal face of the core. By arranging for the board to lie in a plane perpendicular to the antenna axis, it can lie against the core distal face, conductive layer portions on the underside of the board making face-to-face contact with tracks printed on the core. Conductive layer portions on the outer face of the board may provide connection areas for one or more discrete components (e.g. a capacitor and/or an inductor) forming part of the matching network, or such layer portions may, by themselves or in combination with conductive layers on the underside of the board, constitute components of the matching network.

This feed structure comprises, therefore, the combination of a length of coaxial transmission line and a laminate board extending laterally of the axis defined by the coaxial line. The inner conductor of the line may be located in a through-hole in the board to connect to a track on one face of the board, while the shield connects to the underside of the board or directly to a conductor on the upper face of the distal face of the core. The characteristic impedance of the transmission line is typically 50 ohms.

Depending on the length and characteristic impedance of the coaxial line, the matching network may include reactance compensation by including a reactive impedance transformation. In particular, the matching network may include a capacitance and/or an inductance embodied as conductive tracks on the board or as a discrete component or components attached to tracks on the board.

In the disclosed antenna, the matching network comprises a shunt capacitance, embodied as conductive layer portions in registry with each other on opposite sides of the board. Also disclosed is a version in which the capacitor comprises mutually insulated and adjacent conductive layer portions on one surface of the board, e.g,. an interdigital or interdigitated capacitor. In particular, the capacitor may be coupled between a track associated with a signal line from the inner conductor of the coaxial line to a track associated with the shield conductor, using one or more through-hole vias or plated edge connections formed on an edge of the board.

An inductance may be incorporated, e.g., as a series element in the form of a length of conductive track on the board between a connection to the inner conductor of the coaxial line and a conductor on the upper face of the distal face of the core. In this way, the matching network can effect a transformation from the source or load impedance represented by the antenna, which is typically less than 5 ohms and may be as low as 2 ohms, to the load or source impedance presented at the distal end of the coaxial line when the antenna is connected to radio frequency equipment with which it is to be used, typically having a 50 ohm termination.

The combination of the laminate board and the coaxial line may constitute a unitary feed structure which, during manufacture of the antenna, is slidably inserted as a unit into the passage through the antenna core, the feed structure being inserted from the distal face of the core. Abutment of the board and the distal face of the core may be used to locate the feed structure in the axial direction. Solder paste is screen-printed to form a connection between the board and the core and, around the coaxial line where it is exposed at the proximal face of the core a solder preform is used, to allow a one-shot reflow soldering of the feed structure components to metallised conductor elements on all surfaces of the core.

Mechanical connection between the laminate board and the coaxial line may be made by way of one or more longitudinally extending lugs on the shield conductor of the coaxial line located in correspondingly formed recesses or holes in the board where the lugs may be soldered to conductive layer portions on the board. The lugs may be an interference fit in the holes or recesses, or they may be bent over to lock the board to the shield. As an alternative, the distal end of the shield may be swaged outwardly to locate against a distally facing surface on the core adjacent the distal end of the passage and to provide for abutting electrical connection to a conductive layer portion on the proximal surface of the board.

According to a particular aspect of the invention, there is provided a dielectrically-loaded antenna for operation at a frequency in excess of 200MHz comprising: an electrically insulative core of a solid material having a relative dielectric constant greater than 5 and having transversely extending end surfaces and a side surface which extends longitudinally between the end surfaces; a three-dimensional antenna element structure including at least a pair of elongate conductive antenna elements disposed on or adjacent the side surface of the core and extending from one of the end surfaces towards the other end surface; a feed connection comprising first and second feed connection conductors coupled respectively to one and the other of the said pair of antenna elements; and a matching section including a shunt capacitance coupled across the antenna elements of the pair.

In the preferred antenna, the core is cylindrical and the antenna elements of the said pair comprise conductive helical tracks each extending from the said one end surface over the cylindrical side surface, and the antenna element structure includes a linking conductor encircling the core and interconnecting ends of the said antenna elements which are at locations spaced from the above-mentioned one end surface of the core. The feed connection and the matching section may comprise part of a feeder structure which also includes a transmission line section terminating in the feed connection. Whilst the preferred antenna has a transmission line section characteristic impedance of 50 ohms, in general, the characteristic impedance is selected according to the equipment for which the antenna is intended.

According to another aspect of the invention, there is provided a backfire dielectrically-loaded antenna for operation at a frequency in excess of 200MHz comprising: a cylindrical electrically insulative core of the solid material having a dielectric constant greater than 5 and having axially directed proximal and distal surfaces and a cylindrical side surface; a three-dimensional antenna element structure including at least one pair of elongate conductive antenna elements disposed on or adjacent the side surface of the core and each extending from the distal surface of the core in the direction of the proximal surface; and a feed structure comprising the combination of a transmission line section having at an end thereof a first conductor coupled to one of the said pair of antenna elements and a second conductor coupled to the other of the said pair of antenna elements and, associated with the said end of the transmission line section, a matching section in the form of a laminate board including at least one reactive matching element.

In the case of the laminate board including at least one reactive matching element, this element may be formed by at least one conductive layer of the board. Alternatively, the element may be formed as a lumped reactive matching component mounted on conductive areas of the board.

The reactive element may be a shunt reactance connected across the antenna elements of the above-mentioned pair of antenna elements. In addition, the matching section may also include a second reactive element comprising the reactance connected in series between the shunt reactance and either one of the antenna elements or the respective conductor of the transmission line section.

The preferred antenna is a quadrifilar helical antenna having four longitudinally coextensive half-turn helical antenna elements which, at the distal end of the core, have distal ends spaced around the periphery of the top face of the core. In the preferred embodiment, four respective radial tracks are plated on the distal face of the core, these being connected together in pairs. Advantageously, the conductive layers of the laminate board which interconnect the transmission line conductors to the radial tracks, whether via plated edges of the board or by means of vias through the board, define connections with the radial tracks which, together, subtend an angle of at least 45° at the core axis. Typically, the subtended angle is in the region of 90°. To achieve a smooth transition of current flow, the conductive layers are preferably fan-shaped (sector-shaped in the most preferred embodiment).

It will be understood that, in a preferred method of assembling the antenna, the feed structure is presented as a unit to the core and inserted into the passage in the core, the insertion causing connection members on the board that extend laterally of the axis of the coaxial line to engage conductive portions on the core, whereafter the laterally extending connection members are conductively bonded to the or each engaged conductive portion on the core. Preferably, the conductive bonding is performed as a single soldering operation. The method includes the further step of conductively bonding the shield conductor to a grounding conductor such as a plate layer forming part of the balun sleeve at the proximal face of the core, preferably as part of the single soldering operation. In the alternative, the coaxial line is first inserted into the core to a predetermined position and, next, the printed circuit board is placed over the distal end of the core and the distal end of the coaxial line. Then, conductive bonding between the coaxial line and the core and/or the coaxial line and the board, as well as between the board and the core, may be performed in a single operation.

The feed structure may include means for spacing an outer wall of the shield conductor from the wall of the passage.

The inner conductor and the shield conductor may be insulated from each other by an air gap over the major part of their length.

According to a further aspect of the invention, there is provided a unitary feed structure for sliding installation in a passage in the insulative core of a dielectrically loaded antenna, wherein the feed structure comprises the unitary combination of: a tubular outer shield conductor; an elongate inner conductor extending through the shield conductor and insulated from the shield conductor; and a laminate board extending laterally outwardly from a distal end of the shield conductor, the laminate board comprising: a proximal surface having first and second proximally directed conductive portions for connection to respective first and second conductors on the antenna core adjacent an end of the passage, the first proximally directed conductive portion and the outer shield conductor being electrically connected; a non-proximal surface or layer having a first non-proximal conductive portion adjacent the inner conductor and being electrically connected thereto; and a linking conductor which electrically connects the first non-proximal conductive portion and the second proximally directed conductive portion.

According to yet another aspect of the invention, a unitary feed structure for sliding installation in a passage in the insulative core of a dielectrically-loaded antenna comprises the unitary combination of a length of transmission line for insertion into the passage of the core; and a laminate board extending outwardly from a distal end of the transmission line, the laminate board comprising: a proximal surface having a proximally directed conductive portion for connection to a conductor on the antenna core adjacent an end of the passage, the proximally directed conductive surface being electrically coupled to a conductor of the transmission line.

The invention also includes a feed structure for a dielectrically-loaded antenna comprising the combination of: a length of transmission line, a laminate board extended outwardly from a distal end of the transmission line, the laminate board comprising a proximal surface having a proximally directed conductive surface portion for connection to a conductor on a dielectric core of the antenna adjacent the end of a passage for receiving the transmission line, the proximally directed conductive surface portion being electrically coupled to a conductor of the transmission line. The laminate board preferably comprises a non-proximally directed conductive portion in electrical connection with the proximally directed conductive portion, the proximally and non- proximally directed conductive portions being connected by a linking conductor adjacent an edge of the board. The linking conductor may form at least part of the proximally directed conductive portion. Additionally, the linking conductor may overlap an edge of the laminate board.

Typically, the laminate board extends outwardly in at least two directions from the transmission line and has a second proximally directed conductive portion for connection to a second conductor on the antenna core adjacent an end of the passage, the proximally directed conductive surface portion being in electrical communication with a second conductor of the transmission line.

The laminate board has a reactive element for matching the transmission line to the radiating structure of the antenna, the reactive element preferably being a capacitor formed between two conductive layers of the board having a dielectric layer between them. The reactive element may also be an inductor formed on one layer of the board.

The laminate board may include a linking conductor extending between distal and proximal surfaces of the laminate board, and may overlap an edge of the board. Preferably, the linking conductor has a width greater than the diameter of the inner conductor of the transmission line where it connects to the laminate board and the associated conductive portion fans outwardly away from the inner conductor to the linking conductor.

【００３３】
本発明にしたがった第１のアンテナは、円筒状のセラミックコア１２の円筒状の外表面上にめっきされた、または他の方法で金属化された、軸方向に同一の広がりを持つ４つの螺旋軌道１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを伴うアンテナ素子構造を有する。
【００３４】
コアは、コア１２の中を遠端面１２Ｄから近端面１２Ｐへと通る穴１２Ｂの形態をとる軸路を有する。これらの両端面は、コアの中心軸に垂直な平面である。これらは、本実施形態では、一方が遠位側を向き、もう一方が近位側を向いているという意味で、反対向き
である。穴１２Ｂに収容されるのは、管状の導電性外部シールド１６と、第１の筒状のエアギャップまたは絶縁層１７と、エアギャップ１７によってシールドから絶縁された細長い内部導体１８とを有する同軸伝送線路である。シールド１６は、シールドを穴１２Ｂの壁から隔てる、一体的に形成された外向きに突出するバネ突起１６Ｔまたはスペーサを有する。シールド１６と穴の壁との間には、第２の筒状のエアギャップが存在する。
【００３５】
給電線の下側の近端では、絶縁性ブッシュ１８Ｂにより、シールド１６の中の中央に内部導体１８が位置している。
【００３６】
シールド１６と、内部導体１８と、絶縁層１７との組み合わせは、アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの遠端をアンテナの接続先の機器の高周波（ＲＦ）回路構成に接続するためにアンテナコア１２内を通る所定の特性インピーダンス（ここでは５０オーム）の給電線を構成する。アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄと給電線との間の接続は、螺旋軌道１０Ａ～１０Ｄに関連付けられた導電性の接続部分を介してなされる。これらの接続部分は、コア１２の遠端面１２Ｄにめっきされた放射状の軌道１０ＡＲ，１０ＢＲ，１０ＣＲ，１０ＤＲとして形成され、各接続部分は、対応する螺旋軌道の遠端から穴１２Ｂの端に隣接する位置まで達している。内部導体１８は、機器の回路構成との接続のためにコア１２の近位面１２Ｐからピンの形で突出する近位部分１８Ｐを有する。同様に、シールド１６の近端上の一体型の出っ張り１６Ｆも、機器の回路構成の接地との接続のために、コアの近位面１２Ｐを超えて突出している。
【００３７】
アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの近端は、コア１２の近端部分を取り囲むめっきスリーブの形態をとる共通の仮想接地導体２０に接続される。そして、このスリーブ２０は、後述される方式で、給電構造のシールド１６に接続される。
【００３８】
スリーブ２０の縁２０Ｕは、コアの近端面１２Ｐからの距離が様々である。その結果、４つのヘリカルアンテナ素子１０Ａ～１０Ｄは、異なる長さを有し、そのうち２つの素子１０Ｂ，１０Ｄが、他の２つの素子１０Ａ，１０Ｃより長い。アンテナ素子１０Ａ，１０Ｃがスリーブ２０に接続される位置の縁２０Ｕは、アンテナ素子１０Ｂ，１０Ｄがスリーブ２０に接続される位置の縁２０Ｕと比べ、近位面１２Ｐからの距離が少し遠い。
【００３９】
コアの近端面１２Ｐは、めっきされ、このように形成された導体２２は、後述されるように、近端面１２Ｐにおいて、シールド導体１６の露出部分１６Ｅに接続される。導体スリーブ２０、めっき２２、および給電構造の外部シールド１６は、相まって、アンテナ素子構造と、装着時におけるアンテナ接続先の機器と、の間にコモンモードアイソレーションを提供する４分の１波長のバランを形成する。アンテナ素子によって形成される金属化導体素子、およびコア上のその他の金属化層は、コアに占有される内部体積を定める。
【００４０】
アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの長さの相違は、円偏光信号を感受する共振モードでアンテナが動作する際に、長い素子１０Ｂ，１０Ｄを流れる電流と、短い素子１０Ａ，１０Ｃを流れる電流と、の間にそれぞれ位相差を生じさせる。このモードでは、電流は、内部給電導体１８に接続された一方の素子１０Ｃ，１０Ｄと、シールド１６に接続されたもう一方の素子１０Ａ，１０Ｂと、の間で縁２０Ｕの周りを流れる。このとき、スリーブ２０およびめっき２２は、コアの近端面１２Ｐにおいて、アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄからシールド導体１６への電流の流れを阻止するトラップとして機能する。なお、螺旋軌道１０Ａ～１０Ｄは、放射状の軌道１０ＡＲ，１０ＢＲの内端間および放射状の軌道１０ＣＲ，１０ＤＲの内端間を一部環状の軌道１０ＡＢ，１０ＣＤによってそれぞれ相互に接続されて対をなすので、螺旋軌道の各対は、１つの長い軌道１０Ｂ，１０Ｄと１つの短い軌道１０Ａ，１０Ｃとを有する。バラムスリーブを有するクアドリフィラー型誘電体装荷アンテナの動作は、英国特許出願２２９２６３８Ａおよび２３１０５４３Ａに、より詳細に記載さ
れており、これらの文献は、出願時の本出願の内容の一部を構成するべくそれらの全体を本出願に組み込まれるものとする。
【００４１】
給電構造は、アンテナ素子構造との間で単に信号の送受信を行う以外に、他の機能も実施する。先ず、前述のように、シールド導体１６は、スリーブ２０と相まって機能することによって、給電構造とアンテナ素子構造との間の接続点においてコモンモードアイソレーションを提供する。（ａ）コアの近端面１２Ｐ上におけるめっき２２との接続点と、（ｂ）アンテナ素子の接続部分１０ＡＲ，１０ＢＲとの接続点と、の間のシールド導体の長さは、穴１２Ｂの寸法、およびシールド１６と穴の壁との間の空間を満たす材料の誘電率と共に、シールド１６のその外表面上の電気的長さが、少なくともおおよそにおいて、アンテナの所要共振モードの周波数で波長の４分の１であるように設計されるので、導体スリーブ２０と、めっき２２と、シールド１６との組み合わせは、給電構造とアンテナ素子構造との接続点において平衡電流を促進する。
【００４２】
給電構造のシールド１６を、エアギャップが取り囲む。コア１２の誘電率より低い誘電率のこのエアスリーブは、コア１２がシールド１６の電気的長さに、ひいてはシールド１６の外側に関連したあらゆる縦共振に及ぼす効果を減殺する。所要の動作周波数に関連した共振モードは、円筒状のコアの軸から直径方向に、すなわち横断方向に伸びる電圧双極子によって特徴付けられるので、低誘電率のスリーブが所要の共振モードに及ぼす効果は、少なくともこの好ましい実施形態ではスリーブの厚さがコアのそれと比べて大幅に小さいゆえに、比較的小さくなる。したがって、シールド１６に関連した線形の共振モードを、所望の共振モードから切り離すことが可能である。
【００４３】
アンテナは、５００ＭＨｚまたは５００ＭＨｚを超える主要共振周波数を有する。この共振周波数は、アンテナ素子の有効電気的長さによって決定され、程度は少ないものの、アンテナ素子の幅によっても決定される。所定の共振周波数において、アンテナ素子の長さは、コア材料の相対誘電率にも依存する。空心のクアドリフィラー型アンテナの場合、アンテナの寸法は、大幅に低減される。
【００４４】
アンテナコア１２として好ましい材料の１つは、ジルコニウム・スズ・チタン酸塩をベースにした材料である。この材料は、上記の相対誘電率３６を有し、温度変動に対して寸法的安定性および電気的安定性を有するものとしても知られている。誘電損失は、無視できる。コアは、押し出し成形、加圧成形、または焼結によって作成されてよい。
【００４５】
アンテナは、１５７５ＭＨｚでのＬバンドＧＰＳ受信にとりわけ適している。この場合、コア１２は、約１０ｍｍの直径を有し、長手方向に伸びるアンテナ素子１０Ａ～１０Ｄは、約１２ｍｍの平均長手長さ（すなわち、中心軸に平行な長さ）を有する。１５７５ＭＨｚにおいて、導電性スリーブ２０の長さは、通常およそ５ｍｍである。アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの正確な寸法は、設計段階において、所要の位相差を得られるまで固有遅延測定に取り組むことによって、試行錯誤を経て決定することができる。穴１２Ｂの中の給電構造の直径は、およそ２ｍｍである。
【００４６】
次に、給電構造の更なる詳細が説明される。給電構造は、５０オームの同軸線路１６，１７，１８と、該線路の遠端に接続された平面状の積層基板３０と、の組み合わせを含む。積層基板、すなわちプリント回路基板（ＰＣＢ）３０は、コア１２の遠端面にぴたりと対面接触している。ＰＣＢ３０の最大寸法は、コア１２の直径より小さいので、ＰＣＢ３０は、完全に、コア１２の遠端面１２Ｄの外周内である。
【００４７】
この実施形態では、ＰＣＢ３０は、コアの遠位面１２Ｄ上に中央合わせされた円盤の形態をとる。この直径は、円盤が放射状の軌道１０ＡＲ，１０ＢＲ，１０ＣＲ，１０ＤＲの
内端および対応するそれぞれの一部環状の相互接続１０ＡＢ，１０ＣＤの上を覆うように選択される。ＰＣＢは、同軸給電構造の内部導体１８を収容するほぼ中心の孔３２を有する。中心から外れた３つの偏心孔３４は、シールド１６の遠位出っ張り１６Ｇを収容する。出っ張り１６Ｇは、同軸給電構造に対するＰＣＢ３０の位置決めを補助するために、屈曲される、すなわち「ジョグされる（急な角度で方向転換される）」。４つの孔３２は、全て、内側をめっきされている。また、ＰＣＢ３０の外周部分３０Ｐは、めっきされ、これらのめっきは、基板の近位面上および遠位面上まで達している。
【００４８】
ＰＣＢ３０は、複数の絶縁層および複数の導電層を有するので、複数層からなる積層基板である。この実施形態では、基板は、遠位層３６および近位層３８を含む２枚の絶縁層を有する。導体層には、遠位層４０、中間層４２、および近位層４４の３枚がある。中間の導体層４２は、図６に示されるように、遠位絶縁層３６と近位絶縁層３８との間に挟まれる。各導体層は、図７Ａ～７Ｃに示されるように、それぞれの導体パターンをエッチングされている。異なる層内のそれぞれの導体は、導体パターンがＰＣＢ３０の外周部分３０Ｐおよびめっきされた貫通孔３２，３４（以下では「ビア」と称される）に達したところでそれぞれ辺縁めっきおよびビアめっきによって相互に接続される。導体層４０，４２，４４の導体パターンを示した図からわかるように、中間層４２は、（ビア３２内に着座した際の）内部導体１８との接続から放射状のアンテナ素子接続部分１０ＡＲ，１０ＢＲの方向へと放射状に広がる扇形、またはセクタ形の第１の導体領域４２Ｃを有する。この導電領域４２Ｃの真下で、近位導体層４４は、放射状の接続素子１０ＡＲ，１０ＢＲを相互に接続する一部環状の軌道１０ＡＢの上を覆って（めっきビア３４内に着座した際の）給電線のシールド１６との接続から基板の外周３０Ｐへと広がる略セクタ形の領域４４Ｃを有する。こうして、給電線の内部導体１８とシールド１６との間に分路コンデンサが形成される。このとき、近位絶縁層３８の材料は、キャパシタ誘電体として機能する。この材料は、通常、５を上回る誘電率を有する。
【００４９】
中間導体層４２の導体パターンは、一部環状の軌道１０ＣＤおよび放射状の接続素子１０ＣＲ，１０ＤＲの内端の上を覆うように給電線の内部導体１８との接続点から第２のめっき外周３０Ｐへと広がる第２の導体領域４２Ｌを有する。この下にくる対応する導電領域は、導体層４４内には存在しない。中心孔３２とめっき外周部分４０Ｐとの間の、放射状の接続軌道１０ＣＲ，１０ＤＲの上を覆う導電性領域４２Ｌは、給電線の内部導体１８とヘリカルアンテナ素子１０Ｃ，１０Ｄ対の１つのアンテナ素子との間で直列インダクタンスとして機能する。
【００５０】
上述のように、ＰＣＢ３０の近位面を、相互接続素子１０ＡＢ，１０ＣＤを覆うようにコアの遠位面１２Ｄに接触させて、ＰＣＢ３０と細長い給電線１６～１８との組み合わせをコア１２に取り付けると、外周部分３０Ｐと、その下にあるコア遠位面上の軌道との間に接続がなされ、図に概略を示されるように、整合回路が形成される。
【００５１】
この概略図では、給電線は同軸線路５０として示され、アンテナ素子は導電性ループ５２として示され、分路コンデンサおよび直列インダクタはそれぞれコンデンサＣおよびインダクタＬとして示される。
【００５２】
ＰＣＢ３０の近位絶縁層は、およそ１０の相対誘電率を層３８で得るため、セラミックを装填されたプラスチック材料で形成される。遠位絶縁層３６は、同じ材料、または例えばＦＲ－４エポキシ基板など、より低い誘電率を有する材料で作成することができる。近位層３８の厚さは、遠位層３６のそれより大幅に小さい。実際、遠位層３６は、近位層３８の支えとして機能してよい。
【００５３】
給電線１６～１８と、ＰＣＢ３０と、コアの近位面１２Ｐ上の導電性軌道との間の接続
は、はんだ付けによって、または導電性の糊を使用した接合によってなされる。給電線１６～１８およびＰＣＢ３０は、内部導体１８の遠端がＰＣＢ３０のビア３２内にはんだ付けされ、シールドの出っ張り１６Ｇがそれぞれの偏心ビア３４内にはんだ付けされたときに、相まって、単一の給電構造を形成する。給電線１６～１８およびＰＣＢ３０は、相まって、整合回路網を一体化された単一の給電構造を形成する。
【００５４】
分路キャパシタンスＣおよび直列インダクタンスＬは、（給電線１６～１８の遠端の）同軸線路５０と、アンテナの放射状のアンテナ素子構造と、の間に整合回路網を形成する。分路キャパシタンスおよび直列インダクタンスは、相まって、シールド１６、エアギャップ１７、および内部導体１８として物理的に具体化された同軸線路の遠端（すなわち、シールド１６、エアギャップ１７、および内部導体１８によって形成された線路の遠端）を５０オームの終端器を有する高周波回路構成に接続された際にその同軸線路によって表されるインピーダンスを、１つまたは２つ上の動作周波数におけるアンテナ素子構造のインピーダンスに整合させる。
【００５５】
前述のとおり、給電構造は、アンテナコア１２に挿入される前に、積層基板３０を同軸線路１６～１８に固定して１つのユニットに組み立てされる。給電構造を、基板３０を一体化部分として含む１つの部品として形成すれば、（ｉ）穴１２Ｂの中に単一の給電構造を滑り込ませる、および（ii）シールド１６の露出近端部分の周囲に導電性のフェルールまたは座金２１を嵌め込む２つの動作で、給電構造の導入を実施することができるので、アンテナの組み立て費用を大幅に削減することができる。フェルールは、シールド部品１６への押し込み嵌めであるか、またはシールド部品１６に圧着されてよい。給電構造をコアに挿入するのに先立って、コア１２の遠端面１２Ｄ上およびめっき２２上の、穴１２Ｂの各端に直接隣接するアンテナ素子構造の接続部分に、はんだペーストを塗布することが好ましい。したがって、上記の工程（ｉ）および（ii）の完了後、組み立て品は、はんだリフロー炉に通すことができる、または１つのはんだ付け工程としてのレーザはんだ付け、誘導性のはんだ付け、もしくはホットエアはんだ付け等の代替のはんだ付けプロセスを施すことができる。
【００５６】
シールド１６の露出近端部分への嵌め込み用のものとして言及された座金２１は、アンテナの接続先の構造に応じて様々な形態をとってよい。具体的に言うと、座金の形状および寸法は、アンテナに接続される機器の接地導体が、標準的な同軸コネクタキット、プリント回路基板層、または導電性平面等のいずれの一部を含むかによらず、それらの導体と結合するように変更される。
【００５７】
給電線のシールド上の突起１６Ｔは、組み立ての際に給電線および積層基板３０をコア１２の中心に寄せるのにも役立つ。（ａ）積層基板３０の外周上および近位面上の導体と、（ｂ）コアの遠位面１２Ｄ上の金属化導体と、の間に形成されるはんだブリッジ、並びにこれらの導体自体の形状は、基板がコア上で正しく指向している際、リフローはんだ付けの最中に、平衡な回転メニスカス力を提供するように構成される。
【００５８】
図９および図１０に示されるように、本発明にしたがった第２の誘電体装荷アンテナは、円筒状のセラミックコア１２の円筒状の外表面上にめっきされた、軸方向に同一の広がりを持つ４つの螺旋軌道１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを伴うアンテナ素子構造を有する。
【００５９】
コアは、コア１２の中を遠端面１２Ｄから近端面１２Ｐへと通る穴１２Ｂの形態をとる軸路を有する。これらの両端面は、コアの中心軸に垂直な平面である。穴１２Ｂに収容されるのは、管状の導電性外部シールド１６と、絶縁層１７と、絶縁層１７によってシールドから絶縁された細長い内部導体１８とを有する同軸伝送線路である。シールド１６は、
間に位置するシールド部分より直径の大きい２つの端を有する。より小さい直径を有するシールド１６部分と穴の壁との間には、エアギャップ１９が存在する。
【００６０】
シールド１６と、内部導体１８と、絶縁層１７との組み合わせは、アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの遠端をアンテナの接続先の機器の高周波（ＲＦ）回路構成に接続するためにアンテナコア１２内を通る所定の特性インピーダンス（ここでは５０オーム）の給電線を構成する。アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄと給電線との間の接続は、螺旋軌道１０Ａ～１０Ｄに関連付けられた導電性の接続部分を介してなされる。これらの接続部分は、コア１２の遠端面１２Ｄにめっきされた放射状の軌道１０ＡＲ，１０ＢＲ，１０ＣＲ，１０ＤＲとして形成され、各接続部分は、対応する螺旋状軌道の遠端から穴１２Ｂの端に隣接する位置まで達している。
【００６１】
アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの他端は、コア１２の近端部分を取り囲むめっきスリーブの形態をとる共通の仮想接地導体２０に接続される。そして、このスリーブ２０は、後述される方式で、給電構造のシールド１６に接続される。
【００６２】
スリーブ２０の縁２０Ｕは、コアの近端面１２Ｐからの距離が様々である。その結果、４つのヘリカルアンテナ素子１０Ａ～１０Ｄは、異なる長さを有し、そのうち２つの素子１０Ｂ，１０Ｄが、他の２つの素子１０Ａ，１０Ｃより長い。アンテナ素子１０Ａ，１０Ｃがスリーブ２０に接続される位置の縁２０Ｕは、アンテナ素子１０Ｂ，１０Ｄがスリーブ２０に接続される位置の縁２０Ｕと比べ、近位面１２Ｐからの距離が少し遠い。
【００６３】
コアの近端面１２Ｐは、めっきされ、このように形成された導体２２は、後述されるように、近端面１２Ｐにおいて、シールド導体１６の露出部分１６Ｅに接続される。導体スリーブ２０、めっき２２、および給電構造の外部シールド１６は、相まって、アンテナ素子構造と、装着時におけるアンテナ接続先の機器と、の間にコモンモードアイソレーションを提供するバランを形成する。
【００６４】
アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの長さの相違は、円偏光信号を感受する共振モードでアンテナが動作する際に、長い素子１０Ｂ，１０Ｄを流れる電流と短い素子１０Ａ，１０Ｃを流れる電流との間にそれぞれ位相差を生じさせる。このモードでは、電流は、内部給電導体１８に接続された一方の素子１０Ｃ，１０Ｄとシールド１６に接続されたもう一方の素子１０Ａ，１０Ｂと、の間で縁２０Ｕの周りを流れる。このとき、スリーブ２０およびめっき２２は、コアの近端面１２Ｐにおいて、アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄからシールド導体１６への電流の流れを阻止するトラップとして機能する。
【００６５】
給電構造は、アンテナ素子構造との間で単に信号の送受信を行う以外に、他の機能も実施する。先ず、前述のように、シールド導体１６は、スリーブ２０と相まって機能することによって、給電構造とアンテナ素子構造との間の接続点においてコモンモードアイソレーションを提供する。コアの近端面１２Ｐ上におけるめっき２２との接続点と、アンテナ素子の接続部分１０ＡＲ，１０ＢＲとの接続点と、の間におけるシールド導体の長さは、穴１２Ｂの寸法、およびシールド１６と穴の壁との間の空間を満たす材料の誘電率と共に、シールド１６の電気的長さが、少なくともおおよそにおいて、アンテナの所要共振モードの周波数で波長の４分の１であるように設計されるので、導体スリーブ２０と、めっき２２と、シールド１６との組み合わせは、給電構造とアンテナ素子構造との接続点において平衡電流を促進する。
【００６６】
通常、この実施形態では、絶縁層１７は、２～５の相対誘電率を有するプラスチック管である。適切な材料の１つ、ＰＴＦＥは、２．２の相対誘電率を有する。
【００６７】
給電構造のシールド１６を、エアギャップ１９が取り囲む。コア１２の誘電率より低誘電率のこのスリーブは、コア１２がシールド１６の電気的長さに、ひいてはシールド１６の外側に関連したあらゆる縦共振に及ぼす効果を減殺する。所要の動作周波数に関連した共振モードは、円筒状のコアの軸から直径方向に、すなわち横断方向に伸びる電圧双極子によって特徴付けられるので、絶縁性スリーブ１９が所要の共振モードに及ぼす効果は、少なくともこの好ましい実施形態ではスリーブの厚さがコアのそれと比べて大幅に小さいゆえに、比較的小さくなる。したがって、シールド１６に関連した線形の共振モードを、所望の共振モードから切り離すことが可能である。
【００６８】
アンテナは、５００ＭＨｚまたは５００ＭＨｚを超える主要共振周波数を有する。この共振周波数は、アンテナ素子の有効電気的長さによって決定され、程度は少ないものの、アンテナ素子の幅によっても決定される。所定の共振周波数において、アンテナ素子の長さは、コア材料の相対誘電率にも依存する。空心のクアドリフィラー型アンテナの場合、アンテナの寸法は、大幅に低減される。
【００６９】
アンテナコア１２として好ましい材料の１つは、ジルコニウム・スズ・チタン酸塩をベースにした材料である。この材料は、上記の相対誘電率３６を有し、温度変動に対して寸法的安定性および電気的安定性を有するものとしても知られている。誘電損失は、無視できる。コアは、押し出し成形または加圧成形によって作成されてよい。
【００７０】
上述された第１のアンテナの場合と同様に、このアンテナは、１５７５ＭＨｚでのＬバンドＧＰＳ受信にとりわけ適している。コア１２は、約１０ｍｍの直径を有し、長手方向に伸びるアンテナ素子１０Ａ～１０Ｄは、約１２ｍｍの平均長手長さ（すなわち、中心軸に平行な長さ）を有する。１５７５ＭＨｚにおいて、導電性スリーブ２０の長さは、通常およそ５ｍｍである。アンテナ素子１０Ａ～１０Ｄの正確な寸法は、設計段階において、所要の位相差を得られるまで固有遅延測定に取り組むことによって、試行錯誤を経て決定することができる。給電構造の直径は、およそ２ｍｍである。
【００７１】
次に、給電構造の更なる詳細が説明される。図９，１０，１１Ａ，１１Ｂに示されるように、給電構造は、５０オームの同軸線路１６，１７，１８と、該線路の遠端に接続された平面状の積層基板３０と、の組み合わせを含む。積層基板、すなわちプリント回路基板（ＰＣＢ）３０は、コア１２の遠端面にぴたりと対面接触している。ＰＣＢ３０の最大寸法は、コア１２の直径より小さいので、ＰＣＢ３０は、完全に、コア１２の遠端面１２Ｄの外周内である。
【００７２】
ＰＣ３０は、横方向に伸びる２対の相対するアーム３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄを有する十字型である。アーム３０Ａ，３０Ｂは、アーム３０Ｃ，３０Ｄより短い。とりわけ図１１Ａに示されるように、ＰＣＢ３０のアーム３０Ａは、コア１２の放射状の軌道１０ＡＲ，１０ＢＲの上を覆っている。ＰＣＢ３０のアーム３０Ｂは、コア１２の放射状の軌道１０ＣＲ，１０ＤＲの上を覆っている。ＰＣＢは、同軸給電構造の内部導体１８を収容する中心孔３２を有する。
【００７３】
インダクタンスを形成する銅軌道５２ＴＲが、孔３２からアーム３０Ｂ内へと伸びている。軌道３２ＴＲは、同軸給電構造の内部部品１８にはんだ付けされる。軌道５２ＴＲは、分岐して、３０Ｂの縁へと達する２本の垂直軌道を形成する。これらの垂直軌道は、３０Ｂの縁に達したところでめっきビア３０Ｖに接続する。めっきビア３０Ｖは、下向きに伸びてＰＣＢ３０の裏面に達する。図１１Ｂに示されるように、ビア３０Ｖは、ＰＣＢ３０の裏面上の銅パッド３０ＢＰに接続する。パッド３０ＢＰは、放射状の軌道３０ＣＲ，３０ＤＲに隣接し、それらにはんだ付けされる。第２の軌道５２ＣＲは、アーム３０Ａ内の更に奥へと達し、そこで円形パッド５２Ｃを形成する。
【００７４】
ＰＣＢ３０は、中心孔３２を挟んでアーム３０Ｃ，３０Ｄの方向の両側にそれぞれ位置する２つの追加の孔３４を有する。これらの孔は、同軸線路のシールド１６の一部を形成してシールド本体から伸びる２つの出っ張り１６Ｌを収容するように構成される。孔３４は、ＰＣＢ３０の上面上および下面上の環状の銅パッド３４Ｐによって取り囲まれる。出っ張り１６Ｌは、パッド３４Ｐにはんだ付けされる。ＰＣＢ３０の下面上のパッド３４Ｐは、ＰＣＢ３０のアーム３０Ａの裏面を覆う銅接地平面５９に接続される。銅接地平面５９は、放射状の軌道１０ＡＲ，１０ＢＲにはんだ付けされる。
【００７５】
ＰＣＢにある円形パッド５２Ｃおよび銅接地平面５９は、分路パッドコンデンサを形成する。内部導体１８と放射状の軌道１０ＡＲ，１０ＢＲとの間の軌道５２ＴＲは、直列インダクタンスとしてふるまう。分路キャパシタンスおよび直列インダクタンスは、同軸線路１６～１８と、放射状に広がるアンテナのアンテナ素子構造と、の間に整合回路網を形成する。分路コンデンサおよび直列インダクタンスは、相まって、（アンテナとの接続点に５０オームの終端器を有する高周波回路構成に接続された際に）同軸線路１６，１７，１８の遠端によって表されるインピーダンスを、１つまたは２つ以上の動作周波数におけるアンテナ素子構造のインピーダンスに整合させる。
【００７６】
次に、図１２Ａ，１２Ｂに示されるように、第２のアンテナの１つの変形形態において、整合回路網の分路キャパシタンスは、ＰＣＢ３０の頂面上の相互に噛み合わされた形の金属化軌道のような、相互噛み合い式のコンデンサの形態をとる。ＰＣＢ３０の裏面上の銅接地平面５９からＰＣＢ３０の頂面へは、２つのビア６１が伸びている。ビアは、アーム３０Ａの長手方向に伸びる５本のフィンガ、すなわち指を定める銅皮膜６３に接続する。内部導体１８とアンテナ素子１０Ｃ，１０Ｄとを相互に接続する軌道は、２本の平行な軌道６０ＴＲ，６２ＴＲに分岐し、分岐したこれらの軌道は、中心の導体１８との接続からコア上の放射状の軌道１０ＣＲ，１０ＤＲとの接続へと達する。逆方向を向いた軌道６０ＣＲ，６２ＣＲは、内部導体１８を、軌道６０ＣＲ，６２ＣＲの延長部分６６と、相互に噛み合わされた銅皮膜６３と、によって形成される２つの別々の相互噛み合い式のコンデンサに接続する。各軌道６０ＴＲ，６２ＴＲは、レーザエッチングされた導電性の調整領域６４を有すると共に、噛み合わされた形の皮膜６３との容量性の相互作用のための２本の指６６を有する。調整領域６４は、基板の裏面上の接地導体との間の容量性の相互作用によって、可調整式のコンデンサを形成する。
【００７７】
給電構造は、アンテナコア１２に挿入される前に、積層基板３０を同軸線路１６～１８に固定して１つのユニットに組み立てされる。給電構造を、基板３０を一体化部分として含む１つの部品として形成すれば、（ｉ）穴１２Ｂの中に単一の給電構造を滑り込ませる、および（ii）シールド１６の露出近端部分の周囲に導電性のフェルールまたは座金２１を嵌め込む２つの動作で、給電構造の導入を実施することができるので、アンテナの組み立て費用を大幅に削減することができる。フェルールは、シールド部品１６への押し込み嵌めであるか、またはシールド部品１６に圧着されてよい。給電構造をコアに挿入するのに先立って、コア１２の遠端面１２Ｄ上およびめっき２２上の、穴１２Ｂの各端に直接隣接するアンテナ素子構造の接続部分に、はんだペーストを塗布することが好ましい。したがって、上記の工程（ｉ）および（ii）の完了後、組み立て品は、はんだリフロー炉に通すことができる、または１つのはんだ付け工程としてのレーザはんだ付けもしくはホットエアはんだ付け等の代替のはんだ付けプロセスを施すことができる。
【００７８】
シールド１６の露出近端部分への嵌め込み用のものとして言及された座金２１は、アンテナの接続先の構造に応じて様々な形態をとってよい。具体的に言うと、座金の形状および寸法は、アンテナに接続される機器の接地導体が、標準的な同軸コネクタキット、プリント回路基板層、または導電性平面等のいずれの一部を含むかによらず、それらの導体と
結合するように変更される。
【００７９】
基板３０の辺縁にある導体と、コアの遠位面１２Ｄ上の金属化導体と、の間に形成されるはんだブリッジは、上述されたように、基板がコア上で正しく指向している際、リフローはんだ付けの最中に、平衡な回転メニスカス力を提供するように構成される。
【００８０】
代替の１つの実施形態（不図示）では、同軸線路のシールド１６は、接続のための出っ張りを有する代わりに、基板３０の裏面上の導体層部分に突き合わされる、口広げ加工を施された、すなわちかしめ加工を施された遠端を有する。導電層は、加熱された際にかしめ端との間にはんだ接続を提供するはんだ皮膜を有する。かしめ端は、穴１２Ｂの遠端の面取り外周（図４を参照せよ）上に着座することによって、コア１２内において同軸線路１６～１８を軸方向で位置決めする。
【００８１】
本発明のもう１つの実施形態が、図１３Ａ，１３Ｂに示されている。ＰＣＢ３０は、全体形状は第１の実施形態のＰＣＢ３０と同じであるが、銅のパターン作成が変更されており、分路キャパシタンスは、プリント回路パッドコンデンサまたは相互噛み合い式コンデンサではなくディスクリートチップコンデンサ７０によって提供される。更に、貫通孔３２からアンテナコア１２上の放射状の軌道１０ＣＲ，１０ＤＲへと伸びてインダクタを形成する軌道５２ＴＲは、より幅広であり、その半径方向の展開部分に沿って４つの開口を定めている。軌道５２ＴＲの垂直方向の展開部分は、外向きに広がって、アーム３０Ｂの３つの外側面に達する。トラック５２ＴＲのこの部分には、２つの孔７４がある。開口７２，７４は、整合回路網の位置合わせのために、レーザエッチングまたはその他の手法で拡大することができる。３つのめっきビア３０Ｖは、軌道５２ＴＲをコア２の遠端面１２Ｄ上の放射状の軌道１０ＣＲ，１０ＤＲに接続する。
【００８２】
軌道５２ＣＲは、ディスクリートコンデンサ７０内で終結し、ディスクリートコンデンサ７０は、アーム３０Ａ上の銅層３３Ｌに接続される。銅層３３Ｌは、ここのアーム３０Ａの裏面に、ビア３０Ｖによって接続される。
【００８３】
アーム３０Ａの裏面は、銅層の皮膜を施され、この皮膜は、パッド３４Ｐに接続されて、シールド１６に対する接地接続を形成する。導電性ループ３４Ｌは、中心孔３２を挟んで反対側にある２つのパッドを、アーム３０Ａの裏面上の導電性領域から接続する。
【００８４】
アーム３０Ｂの裏面は、パッドを形成するためにやはり銅層の皮膜を施され、パッドは、放射状の軌道１０ＣＲ，１０ＤＲにはんだ付けされる。この実施形態の層パターンは、給電導体１８に流れ込む／給電導体１８から流れ出す電流の分布を促す。こうして、アンテナの性能は、コア１２上におけるＰＣＢ３０の向きの変動に対してより耐性を持つようになる。

A first antenna in accordance with the invention has an antenna element structure with four axially coextensive helical tracks 10A3 1OB, 1OC, 1OD plated or otherwise metallised on the cylindrical outer surface of a cylindrical ceramic core 12.

The core has an axial passage in the form of a bore 12B extending through the core 12 from a distal end face 12D to a proximal end face 12P. Both of these faces are planar faces perpendicular to the central axis of the core. They are oppositely directed, in that is directed distally and the other proximally in this embodiment. Housed within the bore 12B is a coaxial transmission line having a conductive tubular outer shield 16, a first tubular air gap or insulating layer 17, and an elongate inner conductor 18 which is insulated from the shield by the air gap 17. The shield 16 has outwardly projecting and integrally formed spring tangs 16T or spacers which space the shield from the walls of the bore 12B. A second tubular air gap exists between the shield 16 and the wall of the bore.

At the lower, proximal end of the feeder, the inner conductor 18 is centrally located within the shield 16 by an insulative bush 18B.

The combination of the shield 16, inner conductor 18 and insulative layer 17 constitutes a feeder of predetermined characteristic impedance, here 50 ohms, passing through the antenna core 12 for coupling distal ends of the antenna elements 1OA to 1OD to radio frequency (RF) circuitry of equipment to which the antenna is to be connected. The couplings between the antenna elements 1OA to 1OD and the feeder are made via conductive connection portions associated with the helical tracks 1OA to 10D, these connection portions being formed as radial tracks 10AR5 10BR, lOCR, 10DR plated on the distal end face 12D of the core 12. Each connection portion extends from a distal end of the respective helical track to a location adjacent the end of the bore 12B. The inner conductor 18 has a proximal portion 18P which projects as a pin from the proximal face 12P of the core 12 for connection to the equipment circuitry. Similarly, integral lugs 16F on the proximal end of the shield 16 project beyond the core proximal face 12P for making a connection with the equipment circuitry ground.

The proximal ends of the antenna elements 1OA to 1OD are connected to a common virtual ground conductor 20 in the form of a plated sleeve surrounding a proximal end portion of the core 12. This sleeve 20 is, in turn, connected to the shield 16 of the feed structure in a manner to be described below.

The four helical antenna elements 1OA to 1OD are of different lengths, two of the elements 1OB, 1OD being longer than the other two 1OA, 1OC as a result of the rim 2OU of the sleeve 20 being of varying distance from the proximal end face 12P of the core. Where antenna elements 1OA and 1OC are connected to the sleeve 20, the rim 2OU is a little further from proximal face 12P than where the antenna elements 1OB and 1OD are connected to the sleeve 20.

The proximal end face 12P of the core is plated, the conductor 22 so formed being connected at that proximal end face 12P to an exposed portion 16E of the shield conductor 16 as described below. The conductive sleeve 20, the plating 22 and the outer shield 16 of the feed structure together form a quarter wave balun which provides common-mode isolation of the antenna element structure from the equipment to which the antenna is connected when installed. The metallised conductor elements formed by the antenna elements and other metallised layers on the core define an interior volume which is occupied by the core.

The differing lengths of the antenna elements 1OA to 1OD result in a phase difference between currents in the longer elements 1OB, 1OD and those in the shorter elements 1OA, 1OC respectively when the antenna operates in a mode of resonance in which the antenna is sensitive to circularly polarised signals. In this mode, currents flow around the rim 2OU between, on the one hand, the elements 1OC and 1OD connected to the inner feed conductor 18 and on the other hand, the elements 1OA, 1OB connected to the shield 16, the sleeve 20 and plating 22 acting as a trap preventing the flow of currents from the antenna elements 1OA to 1OD to the shield 16 at the proximal end face 12P of the core. It will be noted that the helical tracks 10A- 1OD are interconnected in pairs by part-annular tracks IOAB and IOCD between the inner ends of the respective radial tracks 10AR, IOBR and lOCR, 10DR so that each pair of helical tracks has one long track 1OB, 1OD and one short track 10A5 1OC. Operation of quadrifilar dielectrically loaded antennas having a balun sleeve is described in more detail in British Patent Applications Nos. 2292638 A and 2310543 A, the entire disclosures of which are incorporated in this application to form part of the subject matter of this application as filed.

The feed structure performs functions other than simply conveying signals to or from the antenna element structure. Firstly, as described above, the shield conductor 16 acts in combination with the sleeve 20 to provide common-mode isolation at the point of connection of the feed structure to the antenna element structure. The length of the shield conductor between (a) its connection with the plating 22 on the proximal end face 12P of the core and (b) its connection to the antenna element connection portions 10AR, IOBR, together with the dimensions of the bore 12B and the dielectric constant of the material filling the space between the shield 16 and the wall of the bore, are such that the electrical length of the shield 16 on its outer surface is, at least approximately, a quarter wavelength at the frequency of the required mode of resonance of the antenna, so that the combination of the conductive sleeve 20, the plating 22 and the shield 16 promotes balanced currents at the connection of the feed structure to the antenna element structure.

There is an air gap surrounding the shield 16 of the feed structure. This air sleeve of lower dielectric constant than the dielectric constant of the core 12 diminishes the effect of the core 12 on the electrical length of the shield 16 and, therefore, on any longitudinal resonance associated with the outside of the shield 16. Since the mode of resonance associated with the required operating frequency is characterised by voltage dipoles extending diametrically, i.e. transversely of the cylindrical core axis, the effect of the low dielectric constant sleeve on the required mode of resonance is relatively small due to the sleeve thickness being, at least in the preferred embodiment, considerably less than that of the core. It is, therefore, possible to cause the linear mode of resonance associated with the shield 16 to be de-coupled from the wanted mode of resonance.

The antenna has a main resonant frequency of 500 MHz or greater, the resonant frequency being determined by the effective electrical lengths of the antenna elements and, to a lesser degree, by their width. The lengths of the elements, for a given frequency of resonance, are also dependent on the relative dielectric constant of the core material, the dimensions of the antenna being substantially reduced with respect to an air-cored quadrifilar antenna.

One preferred material of the antenna core 12 is a zirconium-tin-titanate-based material. This material has the above-mentioned relative dielectric constant of 36 and is noted also for its dimensional and electrical stability with varying temperature. Dielectric loss is negligible. The core may be produced by extrusion or pressing, and sintering.

The antenna is especially suitable for L-band GPS reception at 1575 MHz. In this case, the core 12 has a diameter of about 10 mm and the longitudinally extending antenna elements 1OA - 1OD have an average longitudinal extent (i.e. parallel to the central axis) of about 12 mm. At 1575 MHz, the length of the conductive sleeve 20 is typically in the region of 5 mm. Precise dimensions of the antenna elements 1OA to 1OD can be determined in the design stage on a trial and error basis by undertaking eigenvalue delay measurements until the required phase difference is obtained. The diameter of the feed structure in the bore 12B is in the region of 2 mm.

Further details of the feed structure will now be described. The feed structure comprises the combination of a coaxial 50 ohm line 16, 17, 18 and a planar laminate board 30 connected to a distal end of the line. The laminate board or printed circuit board (PCB) 30 lies flat against the distal end face of the core 12, in face-to-face contact. The largest dimension of the PCB 30 is smaller than the diameter of the core 12 so that the PCB 30 is fully within the periphery of the distal end face 12D of the core 12.

In this embodiment, the PCB 30 is in the form of a disc centrally located on the distal face 12D of the core. Its diameter is such that it overlies the inner ends of the radial tracks 10AR, lOBR, IOCR and 10DR and their respective part-annular interconnections 10AB, lOCD. The PCB has a substantially central hole 32 which receives the inner conductor 18 of the coaxial feeder structure. Three off-centre holes 34 receive distal lugs 16G of the shield 16. Lugs 16G are bent or "jogged" to assist in locating the PCB 30 with respect to the coaxial feeder structure. All four holes 32 are plated through. In addition, portions 3OP of the periphery of the PCB 30 are plated, the plating extending onto the proximal and distal faces of the board.

The PCB 30 is a multiple layer laminate board in that it has a plurality of insulative layers and a plurality of conductive layers. In this embodiment, the board has two insulative layers comprising a distal layer 36 and a proximal layer 38. There are three conductor layers as follows: a distal layer 40, an intermediate layer 42, and a proximal layer 44. The intermediate conductor layer 42 is sandwiched between the distal and proximal insulative layers 36, 38, as shown in Figure 6. Each conductor layer is etched with a respective conductor pattern, as shown in Figures 7A to 7C. Where the conductor pattern extends to the peripheral portions 3OP of the PCB 30 and to the plated-tlirough holes 32, 34 (hereinafter referred to as "vias"), the respective conductors in the different layers are interconnected by the edge plating and the via plating respectively. As will be seen from the drawings showing the conductor patterns of the conductor layers 40, 42 and 44, the intermediate layer 42 has a first conductor area 42C in the shape of a fan or sector extending radially from a connection to the inner conductor 18 (when seated in via 32) in the direction of the radial antenna element connection portions 10AR, lOBR. Directly beneath this conductive area 42C, the proximal conductor layer 44 has a generally sector-shaped area 44C extending from a connection with the shield 16 of the feeder (when received in plated via 34) to the board periphery 3OP overlying the part-annular track IOAB interconnecting the radial connection elements 10AR, lOBR. In this way, a shunt capacitor is formed between the inner feeder conductor 18 and the feeder shield 16, the material of the proximal insulative layer 38 acting as the capacitor dielectric. This material typically has a dielectric constant greater than 5.

The conductor pattern of the intermediate conductive layer 42 is such that it has a second conductor area 42L extending from the connection with the inner feeder conductor 18 to the second plated outer periphery 3OP so as to overlie the part-annular track IOCD and the inner ends of the radial connection elements IOCR and 10DR. There is no corresponding underlying conductive area in the conductor layer 44. The conductive area 42L between the central hole 32 and the plated peripheral portion 3OP overlying the radial connection tracks IOCR and 10DR acts as a series inductance between the inner conductor 18 of the feeder and one of the pairs of helical antenna elements 1OC, 1OD.

When the combination of the PCB 30 and the elongate feeder 16-18 is mounted to the core 12 with the proximal face of the PCB 30 in contact with the distal face 12D of the core, aligned over the interconnection elements IOAB and IOCD as described above, connections are made between the peripheral portions 30P and the underlying tracks on the core distal face to form a matching circuit as shown schematically in the drawings.

In this schematic, the feeder is indicated as a coaxial line 50, the antenna elements as a conductive loop 52 and the shunt capacitor and series inductor as capacitor C and inductor L respectively.

The proximal insulative layer of the PCB 30 is formed of a ceramic-loaded plastics material to yield a relative dielectric constant for the layer 38 in the region of 10. The distal insulative layer 36 can be made of the same material or one having a lower dielectric constant, e.g. FR-4 epoxy board. The thickness of the proximal layer 38 is much less than that of the distal layer 36. Indeed, the distal layer 36 may act as a support for the proximal layer 38.

Connections between the feeder 16-18, the PCB 30 and the conductive tracks on the proximal face 12P of the core are made by soldering or by bonding with conductive glue. The feeder 16-18 and the PCB 30 together form a unitary feeder structure when the distal end of the inner conductor 18 is soldered in the via 32 of the PCB 30, and the

shield lugs 16G in the respective off-centre vias 34. The feeder 16-18 and the PCB 30 together form a unitary feed structure with an integral matching network.

The shunt capacitance C and the series inductance L form a matching network between the coaxial line 50 (at the distal end of the feeder 16-18) and the radiating antenna element structure of the antenna. The shunt capacitance and the series inductance together match the impedance presented by the coaxial line, physically embodied as shield 16, air gap 17 and inner conductor 18, when connected at its distal end to radiofrequency circuitry having a 50 ohm termination end (i.e. the distal end of the line formed by shield 16, air gap 17 and inner conductor 18), this coaxial line impedance being matched to the impedance of the antenna element structure at its operating frequency or frequencies.

As stated above, the feed structure is assembled as a unit before being inserted in the antenna core 12, the laminate board 30 being fastened to the coaxial line 16-18. Forming the feed structure as a single component, including the board 30 as an integral part, substantially reduces the assembly cost of the antenna, in that introduction of the feed structure can be performed in two movements: (i) sliding the unitary feed structure into the bore 12B and (ii) fitting a conductive ferrule or washer 21 around the exposed proximal end portion of the shield 16. The ferrule may be a push fit on the shield component 16 or is crimped onto the shield. Prior to insertion of the feed structure in the core, solder paste is preferably applied to the connection portions of the antenna element structure on the distal end face 12D of the core 12 and on the plating 22 immediately adjacent the respective ends of the bore 12B. Therefore, after completion of steps (i) and (ii) above, the assembly can be passed through a solder reflow oven or can be subjected to alternative soldering processes such as laser soldering, inductive soldering or hot air soldering as a single soldering step.

The washer 21 referred to above for fitment to the exposed proximal end portion of the shield 16 may take various forms, depending on the structure to which the antenna is to be connected. In particular, the shape and dimensions of the washer will vary to mate with the ground conductors of the equipment to be connected to the antenna, whether such conductors comprise part of a standard coaxial connector kit, a printed circuit board layer, or conductive plane, etc.

The tangs 16T on the feeder shield also help to centralise the feeder and the laminate board 30 with respect to the core 12 during assembly. Solder bridges formed between (a) conductors on the peripheral and the proximal surfaces of the board 30 and (b) the metallised conductors on the distal face 12D of the core, and the shapes of the conductors themselves, are configured to provide balancing rotational meniscus forces during reflow soldering when the board is correctly orientated on the core.

Referring now to Figures 9 and 10, a second dielectrically loaded antenna in accordance with the invention has an antenna element structure with four axially coextensive helical tracks 1OA, 1OB, 1OC, 1OD plated on the cylindrical outer surface of a cylindrical ceramic core 12.

The core has an axial passage in the form of a bore 12B extending through the core 12 from a distal end face 12D to a proximal end face 12P. Both of these faces are planar faces perpendicular to the central axis of the core. Housed within the bore 12B is a coaxial transmission line having a conductive tubular outer shield 16, an insulating layer 17 and an elongate inner conductor 18 insulated from the shield by the insulating layer 17. The shield 16 has two ends which have a larger diameter than the portion of the shield which lies therebetween. An air gap 19 exists between the portion of the shield 16 having a smaller diameter and the wall of the bore.

The other ends of the antenna elements 1OA to 1OD are connected to a common virtual ground conductor 20 in the form of a plated sleeve surrounding a proximal end portion of the core 12. This sleeve 20 is, in turn, connected to the shield 16 of the feed structure in a manner to be described below.

The proximal end face 12P of the core is plated, the conductor 22 so formed being connected at that proximal end face 12P to an exposed portion 16E of the shield conductor 16 as described below. The conductive sleeve 20, the plating 22 and the outer shield 16 of the feed structure together form a balun which provides common- mode isolation of the antenna element structure from the equipment to which the antenna is connected when installed.

The feed structure performs functions other than simply conveying signals to or from the antenna element structure. Firstly, as described above, the shield conductor 16 acts in combination with the sleeve 20 to provide common-mode isolation at the point of connection of the feed structure to the antenna element structure. The length of the shield conductor between its connection with the plating 22 on the proximal end face 12P of the core and its connection to the antenna element connection portions 10AR, lOBR, together with the dimensions of the bore 12B and the dielectric constant of the material filling the space between the shield 16 and the wall of the bore are such that the electrical length of the shield 16 is, at least approximately, a quarter wavelength at the frequency of the required mode of resonance of the antenna, so that the combination of the conductive sleeve 20, the plating 22 and the shield 16 promotes balanced currents at the connection of the feed structure to the antenna element structure.

Typically, in this embodiment, the insulating layer 17 is a plastics tube having a relative dielectric constant between 2 and 5. One suitable material, PTFE, has a relative dielectric constant of 2.2.

There is an air gap 19 surrounding the shield 16 of the feed structure. This sleeve of lower dielectric constant than the dielectric constant of the core 12 diminishes the effect of the core 12 on the electrical length of the shield 16 and, therefore, on any longitudinal resonance associated with the outside of the shield 16. Since the mode of resonance associated with the required operating frequency is characterised by voltage dipoles extending diametrically, i.e. transversely of the cylindrical core axis, the effect of the insulative sleeve 19 on the required mode of resonance is relatively small due to the sleeve thickness being, at least in the preferred embodiment, considerably less than that of the core. It is, therefore, possible to cause the linear mode of resonance associated with the shield 16 to be de-coupled from the wanted mode of resonance.

As in the case of the first above-described antenna, this antenna is especially suitable for L-band GPS reception at 1575 MHz. The core 12 has a diameter of about 10 mm and the longitudinally extending antenna elements 1OA - 1OD have an average longitudinal extent (i.e. parallel to the central axis) of about 12 mm. At 1575 MHz, the length of the conductive sleeve 20 is typically in the region of 5 mm. Precise dimensions of the antenna elements 1OA to 1OD can be determined in the design stage on a trial and error basis by undertaking eigenvalue delay measurements until the required phase difference is obtained. The diameter of the feed structure is in the region of 2 mm.

Further details of the feed structure will now be described. Referring to Figures 9, 10, 1 IA and 1 IB, the feed structure comprises the combination of a coaxial 50 ohm line 16, 17, 18 and a planar laminate board 30 connected to a distal end of the line. The laminate board or printed circuit board (PCB) 30 lies flat against the distal end face of the core 12, in face-to-face contact. The largest dimension of the PCB 30 is smaller than the diameter of the core 12 so that the PCB 30 is fully within the periphery of the distal end face 12D of the core 12.

The PCB 30 is cross-shaped having two pairs of opposing laterally extending arms 30A, 30B, 3OC and 3OD. Arms 3OA and 30B are shorter than arms 30C and 30D. Referring in particular to Figures HA, arm 30A of the PCB 30 lies over the radial tracks IOAR and IOBR of the core 12. Arm 30B of the PCB 30 lies over the radial tracks IOCR and 10DR. The PCB has a central hole 32 which receives the inner conductor 18 of the coaxial feeder structure.

A copper track 52TR forming an inductance extends from the hole 32 into the arm 3OB. The track 32TR is soldered to the inner component 18 of the coaxial feed structure. The track 52TR divides to form two perpendicular tracks which extend to the edges of the arm 30B, where they connect to plated vias 30V which extend downwardly to the underside of the PCB 30. Referring to Figure 1 IB5 the vias 30V connect to copper pads 30BP on the underside of the PCB 30. The pads 30BP lie adjacent the radial tracks 30CR and 30DR and are soldered thereto. A second track 52CR further extends into the arm 30A where it forms a circular pad 52C.

The PCB 30 has two additional holes 34 each located on either side of the central hole 32 in the direction of arms 3OC and 30D respectively. The holes are arranged to receive two lugs 16L form part of the shield 16 of the coaxial line and extend from the shield body. The holes 34 are surrounded by annular copper pads 34P on the upper and lower faces of the PCB 30. The lugs 16L are soldered onto the pads 34P. The pads 34P on the lower face of the PCB 30 are connected to a copper ground plane 59 covering the underside of the arm 30A of the PCB 30. The copper ground plane 59 is soldered to the radial tracks IOAR and lOBR.

The circular pad 52C and the copper ground plane 59 at the PCB form a shunt pad capacitor. The track 52TR between the inner conductor 18 and the radial tracks IOAR and IOBR behaves as a series inductance. The shunt capacitance and series inductance form a matching network between the coaxial line 16 to 18 and the radiating antenna element structure of the antenna. The shunt capacitance and series inductance together match the impedance presented by the coaxial line 16, 17, 18 at its distal end (when connected to radio frequency circuitry having a 50 ohm termination at its connection to the antenna) to the impedance of the antenna element structure at its operating frequency or frequencies.

Referring now to Figures 12 A and 12B, in a variation of the second antenna, the shunt capacitance of the matching network is in the form of an interdigitated capacitor as interdigitated metallised tracks on the top surface of the PCB 30. Two vias 61 extend from the copper ground plane 59 on the underside of the PCB 30 to the top surface of the PCB 30. The vias connect with a copper coating 63 defining 5 fingers or digits extending lengthwise of the arm 30A. The track interconnecting the inner conductor 18 and the antenna elements 1OC, 1OD is split into two parallel narrow tracks 60TR and 62TR which extend from a connection to the central conductor 18 to connections with the radial tracks IOCR and 10DR on the core. Oppositely directed tracks 60CR, 62CR connect the inner conductor 18 to two separate interdigitated capacitors formed by extensions 66 of the tracks 60CR, 62CR and an interdigitated copper coating 63. Each respective track 60TR and 62TR has laser etched conductive tuning areas 64 and has two digits 66 for capacitive interaction with the digitated coating 63. The tuning areas 64 form adjustable capacitors by capacitive interaction with a ground conductor on the underside of the board.

The feeder structure is assembled as a unit before being inserted in the antenna core 12, the laminate board 30 being fastened to the coaxial line 16-18. Forming the feed structure as a single component including the board 30 as an integral part substantially reduces the assembly cost of the antenna, in that introduction of the feed structure can be performed in two movements: (i) sliding the unitary feed structure into the bore 12B and (ii) fitting a conductive ferrule or washer 21 around the exposed proximal end portion of the shield 16. The ferrule may be a push fit on the shield component 16 or is crimped onto the shield. Prior to insertion of the feed structure in the core, solder paste is preferably applied to the connection portions of the antenna element structure on the distal end face 12D of the core 12 and on the plating 22 immediately adjacent the respective ends of the bore 12B. Therefore, after completion of steps (i) and (ii) above, the assembly can be passed through a solder reflow oven or can be subjected to alternative soldering processes such as laser soldering or hot air soldering as a single soldering step.

Solder bridges formed between conductors at the edges of the board 30 and the metallised conductors on the distal face 12D of the core are configured to provide balancing meniscus forces during reflow soldering when the board is correctly orientated on the core, as described hereinabove.

In an alternative embodiment (not shown), the shield 16 of the coaxial line has no connecting lugs but, instead, has a flared or swaged distal end which abuts a conductor layer portion on the underside of the board 30. The conductive layer has a solder coating which provide a solder connection with the swaged end when heated. The swaged end is seated on the chamfered periphery (see Figure 4) of the distal end of the bore 12B, thereby axially locating the coaxial line 16 to 18 in the core 12.

Another embodiment of the invention is shown in Figures 13A and 13B. The PCB 30 is the same overall shape as the PCB 30 of the first embodiment, but the copper artwork is modified and the shunt capacitance is provided by the discrete chip capacitor 70, rather than by a printed circuit pad capacitor or interdigitated capacitor. Furthermore, the track 52TR extending from the through hole 32 to the radial tracks IOCR and 10DR on the antenna core 12 to form an inductor is wider and defines four apertures 72 along its radially extending part. The perpendicularly extending parts of the track 52TR extend outwardly to meet the outer three sides of the arm 3OB. There are two apertures 74 in this part of the track 52TR. The apertures 72, 74 can be laser etched or otherwise enlarged to align the matching network. Three plated vias 30V connect the track 52TR to the radial tracks IOCR and 10DR on the distal end face 12D of the core 2.

The track 52CR terminates in a discrete capacitor 70 which is in turn connected to a copper layer 33L on the arm 30A. The copper layer 33L is connected to the underside of the arm 30A here by vias 30 V.

The underside of the arm 3OA is coated by a copper layer which is connected to the pads 34P forming a ground connection to the shield 16. A conductive loop 34L connects the two pads 34P on the opposite side of the central hole 32 from the conductive area on the underside of the arm 30A.

The underside of arm 3OB is also coated with a copper layer to form a pad which is soldered to the radial tracks IOCR and 10DR. The layer patterns of this embodiment promote distribution of the currents flowing from/to the feed conductor 18. In this way, the antenna performance is less sensitive to variations in the orientation of the PCB 30 on the core 12.

「特表2008-544670およびWO2006136809より引用」

2009年10月10日 (土) 電気分野 | 固定リンク
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