CN1316117A - 天线装置 - Google Patents

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大和田哲
宫崎守泰
远藤勉
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

本发明的目的在于非接触地向螺旋形天线供电。在电介质筒1的外侧面上设置供电输入端子P1、带状导体4a～4d和接头6a、6b、8。在电介质筒1的内侧面上设置接地导体2和槽3a～3d。螺旋形天线15非接触地被插入到电介质筒1的内部空间且与槽3a～3d相对的位置上。带状导体4a～4d隔着电介质筒1与槽3a～3d交叉。槽3a～3d与螺旋形天线放电元件13a～13d非接触地进行电磁耦合。槽3a～3d与带状导体4a～4d进行了电磁耦合。微波经过输入端子P1、接头8、6a、6b、带状导体4a～4d、槽3a～3d,激励螺旋形天线放电元件13a～13d。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及非接触地向螺旋形天线供电的装置，特别是涉及以双线圈及四线圈螺旋形天线为对象的装置。
技术背景
迄今，作为这种天线装置，有例如在Microwave Journal(微波杂志)，Dec(12月).,1970,p49-53中发表的“ResonantQuadrifilar Helix Antenna”中的Fig(图)6 1/4 turn volutewith split sheath balun或特开昭63-30006号公报中公开的装置。图13是Microwave Journal中发表的1/4 turn volute withsplit sheath balun的概略图。101是第一螺旋形天线发射元件对，102是第二螺旋形天线发射元件对，103是供电用的同轴电缆，104是在同轴电缆103的外导体上切开的1/4波长的槽，105是在同轴电缆103的内导体上设置的阻抗变换部，106是第一、第二螺旋形天线发射元件对101、102的供电点。
第一、第二螺旋形天线发射元件对101、102都能看作从工作状态开始呈平行双线线路那样的平衡型的线路。因此，在连接同轴电缆103这样的不平衡型的线路进行供电的情况下，在螺旋形天线发射元件对和同轴电缆之间需要有平衡-不平衡变换器。因此，设有由同轴电缆103、1/4波长的槽104、阻抗变换部105构成的平衡-不平衡变换器。
由于图13所示的现有的天线装置如上构成，所以第一、第二螺旋形天线发射元件对101、102为了直接连接在供电用的同轴电缆103的内导体上，在作为可动型使螺旋形天线发射元件对101、102移动的情况下，有必要使同轴电缆也同时移动，所以存在难以移动的问题，另外，在反复移动的情况下存在容易破损的问题。
携带电话的天线必须能容易地插入及拉出，所以使用图11中的天线。
发明的公开
本发明的目的在于通过非接触供电，容易使螺旋形天线移动。
本发明的天线装置涉及备有以下的(a)至(d)的结构的装置：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上且有槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上且与上述槽交叉的带状导体；以及
(d)被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间内且被上述槽和带状导体激励的螺旋形天线发射元件。
由于螺旋形天线发射元件和槽以非接触状态进行电磁耦合，槽与带状导体进行电磁耦合，所以能非接触地向螺旋形天线供电。
因此，螺旋形天线的移动变得容易。
本发明的天线装置最好是备有以下的(a)至(e)的结构的装置：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上且至少有两条槽的导体
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上且与上述槽交叉的至少两条带状导体；
(d)使由各带状导体传播的电磁波之间具有180°的相位差的相位差分配电路；以及
(e)设置在被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间的圆柱的对称位置上、利用上述槽和带状导体以180°的相位差激励的至少两个螺旋形天线发射元件。
由于能非接触地向螺旋形天线供电，所以天线的移动变得容易。
由于两个螺旋形天线发射元件以180°的相位差激励，所以能发射圆偏振波。
本发明的天线装置最好备有以下的(a)至(d)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上且至少有两条槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上且相对于上述槽互相从相反的方向交叉的至少两条带状导体；以及
(d)设置在被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间的圆柱的对称位置上、利用上述槽和上述带状导体以180°的相位差激励的至少两个螺旋形天线发射元件。
由于能非接触地向螺旋形天线供电，所以天线的移动变得容易。
由于两个螺旋形天线发射元件以180°的相位差激励，所以能发射圆偏振波。
由于使两条带状导体相对于槽互相从相反的方向交叉，所以即使不设置180°相位器，也能使两个螺旋形天线发射元件以180°的相位差激励。
本发明的天线装置最好备有以下的(a)至(e)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上且至少有4条槽的导体
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上且与上述槽交叉的至少4条带状导体；
(d)使相邻的带状导体之间具有90°的相位差的相位差分配电路；以及
(e)设置在被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间的圆柱的对称位置上、利用上述槽和上述带状导体以90°的相位差激励的至少4个螺旋形天线发射元件。
由于能非接触地向螺旋形天线供电，所以天线的移动变得容易。
由于4个螺旋形天线发射元件互相以90°的相位差激励，所以能沿上半面方向发射圆偏振的电波。
本发明的天线装置最好备有以下的(a)至(e)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上且至少有4条槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上且相对于上述槽从第一方向交叉的第一及第二带状导体；
(d)设置在上述电介质筒的外侧面上、相对于上述槽从与上述第一方向相反的方向交叉的第三及第四带状导体；以及
(e)使上述第一及第二带状导体之间、上述第三及第四带状导体之间具有90°的相位差的相位差分配电路。
由于能非接触地向螺旋形天线供电，所以天线的移动变得容易。
由于4个螺旋形天线发射元件互相以90°的相位差激励，所以能发射圆偏振波。
由于相对于槽互相从相反的方向使带状导体交叉，再用分配器使其具有90°的相位差，所以即使不设置180°相位器，也能使4个螺旋形天线发射元件以90°的相位差激励。
附图的简单说明
图1是表示本发明的天线装置的一实施形态的斜视图。
图2是图1中的电介质筒1的说明图，(a)是表示内侧面的图，(b)是沿图1中的X-X线的剖面图。
图3是图1中的天线装置的等效电路图。
图4是表示在图1所示的天线装置中螺旋形天线15被插入电介质筒1中的状态的斜视图。
图5是表示本发明的天线装置的另一实施形态的斜视图。(a)表示第一面及第二面，(b)表示第三面及第四面。
图6是图5中的天线装置的等效电路图。
图7是表示本发明的天线装置的另一实施形态的斜视图。(a)表示第一面及第二面，(b)表示第三面及第四面。
图8是图7中的天线装置的等效电路图。
图9是表示本发明的天线装置的另一实施形态的斜视图。(a)表示第一面及第二面，(b)表示第三面及第四面。
图10是图9中的天线装置的等效电路图。
图11是表示本发明的天线装置的另一实施形态的带状导体的图。
图12是表示本发明的天线装置的另一实施形态的带状导体的图。
图13是表示现有的天线装置的一例的图。
实施发明用的最佳形态
其次，一边参照附图一边说明本发明的天线装置。
实施形态1
图1是表示本发明的天线装置的一实施形态的斜视图，图2是表示图1中的天线装置的电介质筒的内侧面和外侧面的图，图3是图1中的天线装置的等效电路图。
1是剖面形状呈四边形的电介质筒，1c是第二外侧面，1d是第一外侧面。第四外侧面虽然被遮挡而看不见，但与第一外侧面1d对称地形成带状导体4a和接头。第三外侧面虽然也被遮挡而看不见，但与第二外侧面1c对称地形成带状导体4b。
2是使导体膜紧密地附着在电介质筒的内壁全部表面上形成的接地导体。3a、3b是将接地导体2的一部分切去形成的槽。4a、4b及5是使导体膜紧密地附着在电介质筒1的外壁表面上形成的带状导体。6a及6b是90°接头。7a及7b是连接在90°接头6a及6b上的电阻。8是180°接头。9是连接在180°接头8上的电阻。10是贯通电介质筒1的通孔。11是由电介质筒1、接地导体2、4条槽3a～3d、4条带状导体4a～4d及5、90°接头6a及6b、电阻7a及7b、180°接头8、电阻9、以及通孔10构成的微带线型的供电电路。12是电介质圆柱。13a～13d是使导体膜紧密地附着在电介质圆柱12的表面上形成的螺旋形天线发射元件。14是短路部。15是由电介质圆柱12、螺旋形天线发射元件13a～13d、以及短路部14构成的4线绕螺旋形天线。P1是输入输出端子。4条带状导体4a～4d这样配置：其一端利用通孔10连接在接地导体2上而短路，在该短路的附近沿着与电介质筒1的中心轴平行的方向配置。4条槽3a～3d在通孔10附近，与4条带状导体4a～4d相隔电介质筒1的厚度的间隔交叉地配置，两端部分呈日文コ字形弯曲形状。螺旋形天线发射元件13a～13d以电介质圆柱1的中心轴为中心，在每旋转90°的位置等间隔配置，其一端利用短路部14互相连接。螺旋形天线发射元件13a～13d通过4条槽3a～3d，与4条带状导体4a～4d相对地配置。
图2(a)表示设置在位于电介质筒1的第一外侧面1d的背面的第一内侧面上的U形槽3d。在另一内侧面上也形成同样的槽3c～3d。
图2(b)是沿图1中的电介质筒的X-X线的剖面图。带状导体4d隔着电介质筒1与槽3d交叉，利用作为贯通孔的通孔10连接在接地导体2上。
利用沿槽线路的长度方向的磁场和微带线的横剖面内的磁场的耦合，产生槽和微带线的耦合。沿槽线路的长度方向的磁场位于槽的中央部，另一方面，微带线的横剖面内的磁场在短路部附近达到最大，所以如果在这样的位置之间使两线路交叉，则能获得紧密耦合。
槽是供电线路和天线发射元件之间的电磁耦合的媒介，所以在长度为1/2波长的情况下，通过槽本身共振，暂时蓄积电磁能，再发射，有助于两者的耦合。在1/2波长以外的情况下，作为电纳元件，有助于阻抗匹配。
磁力线通过槽3a～3d缠绕着带状导体4a～4d、螺旋形天线发射元件13a～13d两者，有助于磁场耦合。
之所以使槽的形状呈U形，是为了减少专用面积。直线状等其他形状也可以。但是带状导体4a～4d和螺旋形天线发射元件13a～13d相对的位置最好位于槽的中央附近。
槽3a～3d具有隙缝天线功能，非接触地与螺旋形天线发射元件13a～13d进行电磁耦合。
其次说明工作原理。现在，如果从输入输出端子P1输入电波，则该电波首先在180°接头8中被分成两部分，被分成两部分的电波分别在带状导体5、5中传播，再被90°接头6a及6b分成两部分，通过4条带状导体4a～4d、4个槽3a～3d，到达螺旋形天线发射元件13a～13d。
这时，如果将从输入输出端子P1至各槽3a～3d之间的带状导体4a～4d及5的电气长度设定得互相相等，则由于90°接头6a及6b和180°接头8的作用，相位按照螺旋形天线发射元件13a、13b、13c、13d的顺序依次延迟90°激励电波。另外，如果设定螺旋形天线发射元件13a～13d的长度大致为1/4波长，则在螺旋形天线发射元件13a～13d中激励的电波作为圆偏振电波被发射到空间。因此，螺旋形天线15作为发射圆偏振波的4线绕螺旋形天线工作。
非接触供电的路线为：带状导体4a～4d→槽3a～3d→螺旋形天线发射元件13a～13d。为了提高耦合部附近的磁场能量而设置通孔10。
相对的两对螺旋形天线发射元件13a和13c、13b和13d以180°的相位差进行激励。
相对的天线发射元件之间形成平行双线，有必要在它们之间产生电场。为了积极地进行激励而以180°的相位差进行激励。
通常的螺旋形天线是一个元件，但为了发射好的圆偏振波，所以必须使圆筒面的长度为n周。如此次所示，如果用4个螺旋形天线发射元件各以90°的相位差进行激励，则即使元件的长度短时，也能发射好的圆偏振波。
作为180°接头8，使用环形波导型接头，作为90°接头6a、6b，使用分支线耦合器或耦合线路型接头。
可以使用电气长180°的带状导体，代替180°接头8。
用图3中的等效电路说明天线的供电线路。
来自输入输出端子P1的电磁波在180°接头8中，互相取得180°的相位差后被分配给两条带状导体5、5，利用90°接头6a、6b，互相取得90°的相位差后被分配给4条带状导体4a～4d。带状导体4a～4d与槽3a～3d交叉，进行电磁耦合。槽3a～3d交叉与螺旋形天线发射元件13a～13d非接触地进行电磁耦合。螺旋形天线发射元件13a～13d的相邻的元件互相以90°的相位差激励，发射圆偏振波。
图1表示将螺旋形天线15拉出后的状态。
图4表示将螺旋形天线15插入与电介质筒1内侧的槽相对的空间中的状态。
螺旋形天线元件的拉伸/缩回装置的结构大多与安装场所有关，另外还考虑到很多的可能性，难以确定，所以将其省略。
螺旋形天线发射元件有一个即可。在此情况下，与用一条通常的偶极天线(用于携带电话等中)进行发射同样地发射。在此情况下，供电部只使用电介质筒的一面即可。
电介质筒1的形状也可以呈圆筒状。
图1所示的天线装置如上构成，所以如图1及图4所示，能将螺旋形天线15插入电介质筒1中，能非接触地伸长及缩回，具有螺旋形天线5的可动性容易的优点。
实施形态2
图5是表示本发明的天线装置的实施形态2的斜视图，表示将螺旋形天线15除去后的微带线型的供电电路。图5(a)表示第一面1d、第二面1c，图5(b)表示第三面1b、第四面1a。另外，图6表示包括螺旋形天线15的实施形态2的等效电路。
图中，1～11及P1是与图1的情况相同的部分，16a及16b是短路端一侧的端部被弯成U形的带状导体。带状导体16a及16b由于端部被弯成U形，所以将槽3a及3b夹在中间，用输入输出端子一侧通过通孔10连接接地导体2而短路。与此不同，带状导体4c及4d将槽3c及3d夹在中间，在与输入输出端子相反的一侧，通过通孔10连接接地导体2而短路。因此，能用槽3a及3b、以及槽3c及3d激励相位相反的电波。
流过带状导体的电流横截槽的方向如下，即带状导体16a、16b从槽3a、3b的上侧至下侧，带状导体4c、4d从槽3c、3d的下侧至上侧。与此相伴随，被槽激励的电磁场的方向也相反。即在槽中反相激励电磁场。
由于图5所示的实施形态2如上构成，所以除了具有与实施形态1的情况相同的工作及优点以外，还有不需要180°接头8的优点。
图6是图5的等效电路图。
来自输入输出端子P1的微波被同相位地分配给两条带状导体5、5。其次，利用90°接头6a、6b而具有90°相位差，被分配给4条带状导体4c、4d、16a、16b。
带状导体16a、16b和槽3a、3b交叉的方向与带状导体4c、4d和槽3c、3d交叉的方向相反，所以产生180°的相位差。因此，槽3a、3b、3c、3d中的微波在相邻的槽之间有90°的相位差。
螺旋形天线发射元件13a～13d互相以90°的相位差激励。
实施形态3
图7是表示本发明的天线装置的实施形态3的斜视图，表示将螺旋形天线15除去后的微带线型的供电电路。图7(a)表示第一面1d、第二面1c，图7(b)表示第三面1b、第四面1 a。另外，图8表示包括螺旋形天线15的实施形态3的等效电路。图中，1～11、16a、16b及P1是与图5的情况相同的部分，17是电气长90°的相位调整用带状导体。
该实施形态是用电气长90°的相位调整用带状导体17来代替图5、图6中的90°接头6a、6b。除此以外，与图5、图6的结构相同。
用图8中的等效电路进行说明。
来自输入输出端子P1的微波被同相位地分配给两条带状导体5、5。其次，因电气长90°的带状导体17、17而具有90°相位差，被分配给带状导体16a～16。由于带状导体16a、16b与槽3a、3b交叉的方向与带状导体4c、4d与槽3c、3d交叉的方向相反，所以槽3a、3b中的微波与槽3c、3d中的微波有180°的相位差。
因此，螺旋形天线发射元件13a～13d中的相邻的元件以90°的相位差激励。
由于图7及图8所示的实施形态3如上构成，所以除了具有与实施形态2的情况相同的工作及优点以外，不需要90°接头6a及6b，只用微带线就能构成供电电路。
实施形态4
图9是表示本发明的天线装置的实施形态4的简略结构图，表示将螺旋形天线15除去后的微带线型的供电电路。图9(a)表示第一面1d和第二面1c，图9(b)表示第三面1b和第四面1a。另外，图10表示包括螺旋形天线15的实施形态4的等效电路。图中，1～11、16a、16b、以及P1是与图5的情况相同的部分，18a～18d是为了获得螺旋形天线发射元件13a～13d阻抗匹配用的片状电容器。螺旋形天线发射元件13a～13d的阻抗匹配主要通过调整螺旋形天线发射元件13a～13d和槽3a～3d的相对位置、从带状导体4c、4d、16a、16b的短路端(贯通孔10)到槽3a～3d的距离以及槽3a～3d的长度等，来获得阻抗匹配，但其中通过增加片状电容器18a～18d，能扩大获得阻抗匹配的自由度。
通过改变片状电容器的电容值，能扩大获得阻抗匹配的天线发射元件的形状的范围。
片状电容器18a～18d被串联插入在带状导体4c、4d、16a、16b的间隙中。
该实施形态中，将片状电容器18a～18d设置在图5、图6(实施形态2)中的带状导体16a、16b、4c、4d上，除此以外与图5、图6的结构相同。
用图10中的等效电路说明本实施形态的无接触供电。
来自输入输出端子P1的微波被同相位地分配给两条带状导体5、5。其次，利用90°接头6a、6b而具有90°相位差，被分配给4条带状导体16a、16b、4c、4d。
带状导体16a、16b和槽3a、3b交叉的方向与带状导体4c、4d和槽3c、3d交叉的方向相反，因此产生180°的相位差。
槽3a～3d中的微波在相邻的槽之间有90°的相位差。因此，螺旋形天线发射元件13a～13d中的相邻的元件以90°的相位差激励。
也可以按照带状导体图形形成梳状的叉指形电容器，代替片状电容器。
作为匹配电路也可以采用1/4波长变量器、作为并联电容的前端开放短截线、作为并联电感的前端短路短截线或片状线圈。
1/4波长变量器具有无反射地连接阻抗不同的两个线路的功能。使线路长度为1/4波长，由1/4波长线路两端的线路宽度不连续而产生的反射互相抵消(在往复中成为1/2波长而反相)，所以如果调整线路宽度，使各不连续处的反射振幅相同，则作为总体的反射为0。
1/4波长以下、或1/4波长以下+n/2波长的前端开放传输线路，从与开放端相反一侧的端部看到的阻抗呈并联电容性的。它是前端开放短截线。另外，1/4波长以下、或1/4波长以下+n/2波长的前端开放传输线路，从与短路端相反一侧的端部看到的阻抗呈并联电感性的。它是前端短路短截线。
设置匹配电路的理由是为了获得阻抗匹配，扩大反射小的频率范围，进一步改善反射特性，或降低由尺寸误差引起的反射特性的恶化量。
匹配电路最好设置在槽附近的带状导体上。
由于图9及图10所示的实施形态4如上构成，所以除了具有与实施形态2的情况相同的工作及优点以外，还有能扩大获得阻抗匹配的条件范围的优点。
实施形态5
实施形态1～4中的带状导体4a～4c的端部虽然经过通孔10与接地导体2短路，但也可以使带状导体的端部开放。
图11是表示本发明的天线装置的实施形态5的电介质筒的一面的上部的图。
设置在电介质筒1上的带状导体4隔着电介质筒1与槽3交叉，从交叉点延伸1/4波长，终端呈开放端。在电介质筒1上不设通孔。
能用图11中的槽3、带状导体4置换图1中的槽3a～3d和带状导体4a～4d的上部，具有与图1相同的功能。这时的等效电路与图3相同。
实施形态6
即使在使端部开放的带状导体中，也能通过使与槽交叉的方向相反而具有180°的相位差。因此能省略180°接头。
图12是表示本发明的天线装置的实施形态6的电介质筒的一面的上部的图。
带状导体4的端部被弯曲成U形，使槽3隔着电介质筒1从与图11相反的方向交叉。带状导体4从与槽3的交叉点延伸1/4波长，终端呈开放状态。因此，图12中的槽3中的微波的相位具有与图11中的槽3中的微波呈180°的相位差。
能用图11中的带状导体4和槽3置换图5(a)中的电介质筒的第一面1d、第二面1c的带状导体4d、4c的上部和槽3d、3c，能用图12中的带状导体4和槽3置换图5(b)中的电介质筒的第三面1b、第四面1a的带状导体1b、1a的上部和槽3b、3a。在此情况下，具有与图5中的天线装置相同的功能，其等效电路与图6相同。

Claims (12)

1．一种天线装置，其特征在于，备有以下的(a)至(d)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上、有槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上、与上述槽交叉的带状导体；以及
(d)被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间、利用上述槽和带状导体激励的螺旋形天线发射元件。
2．一种天线装置，其特征在于，备有以下的(a)至(e)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上、至少有两条槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上、与上述槽交叉的至少两条带状导体；
(d)使由各带状导体传播的电磁波之间具有180°的相位差的相位差分配电路；以及
(e)设置在被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间内的圆柱的对称位置上、利用上述槽和带状导体以180°的相位差激励的至少两个螺旋形天线发射元件。
3．根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于：相位差分配电路是180°接头。
4．一种天线装置，其特征在于，备有以下的(a)至(d)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上、至少有两条槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上、相对于上述槽互相从相反的方向交叉的至少两条带状导体；以及
(d)设置在被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间的圆柱的对称位置上、利用上述槽和上述带状导体以180°的相位差激励的至少两个螺旋形天线发射元件。
5．一种天线装置，其特征在于，备有以下的(a)至(e)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上、至少有4条槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上、与上述槽交叉的至少4条带状导体；
(d)使相邻的带状导体之间具有90°的相位差的相位差分配电路；以及
(e)设置在被插入与上述电介质筒内侧的上述槽相对的空间内的圆柱的对称位置上、利用上述槽和上述带状导体以90°的相位差激励的至少4个螺旋形天线发射元件。
6．根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于：相位差分配电路由一个180°接头和两个90°接头构成。
7．一种天线装置，其特征在于，备有以下的(a)至(e)的结构：
(a)电介质筒；
(b)设置在上述电介质筒的内侧面上、至少有4条槽的导体；
(c)设置在上述电介质筒的外侧面上、相对于上述槽从第一方向交叉的第一及第二带状导体；
(d)设置在上述电介质筒的外侧面上、相对于上述槽从与上述第一方向相反的方向交叉的第三及第四带状导体；以及
(e)使上述第一及第二带状导体之间、上述第三及第四带状导体之间具有90°的相位差的相位差分配电路。
8．根据权利要求7所述的天线装置，其特征在于：相位差分配电路是90°接头。
9．根据权利要求7所述的天线装置，其特征在于：相位差分配电路是电气长90°的传输线路。
10．根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：槽呈U形。
11．根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：将匹配电路设置在带状导体上。
12．根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于：匹配电路是电容器。
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