JP2003347831A - ヘリカルアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低姿勢化を図ることができ、且つ所望の放射指
向性と軸比特性が得られるヘリカルアンテナを提供す
る。 【解決手段】反射板１０の上方に第１のスパイラル状素
子１３が形成された第１の基板１１、及び第２のスパイ
ラル状素子１４が形成された第２の基板１２を所定の間
隔で設ける。また、反射板１０と第１のスパイラル状素
子１３との間に第１の直線状素子１５を設けると共に、
第１のスパイラル状素子１３と第２のスパイラル状素子
１４との間に第２の直線状素子１６を設ける。上記第１
のスパイラル状素子１３及び第２のスパイラル状素子１
４と、第１の直線状素子１５及び第２の直線状素子１６
を接続してアンテナ素子を構成し、第１の直線状素子１
５の下端に形成した給電点１７より給電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衛星通信や地上の
移動無線に用いられるヘリカルアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、移動体向けの放送システムとして
は、北米のＸＭ、Sirius、日本ではＭＳＢ（Mobile Sat
ellite Broadcast）などがある。

【０００３】これらのシステムにおいて、移動体で使用
される端末用アンテナには、衛星からの円偏波信号を良
好な受信レベルで受信するために、（１）放射指向性が
水平面方向（周囲方向）で無指向性であり、垂直面方向
では広角であること、（２）上半球の軸比特性が優れて
いること、等が要求される。

【０００４】上記の放射指向性が得られるアンテナとし
て、４線巻ヘリカルアンテナが一般に知られている。

【０００５】図１３（ａ）は従来の反射板付４線巻ヘリ
カルアンテナの概略構成を示し、同図（ｂ）は同アンテ
ナの給電状態を示したものである。図１３（ａ）におい
て、１は円板状の反射板で、この反射板１の上面に４本
のヘリカルエレメント２を所定の直径でヘリカル状に巻
回して装着している。そして、外部の給電回路（図示せ
ず）から上記４本のヘリカルエレメント２の給電点３に
対して、図１３（ｂ）に示すように順次９０°の位相差
で給電する。なお、図１３（ａ）に示す巻方向と同図
（ｂ）の給電状態の時に反射板の上側に左旋円偏波の指
向性が得られる。右旋円偏波の指向性を得る場合は、へ
リカルエレメント２の巻方向と給電の位相差を共に逆に
する。

【０００６】図１４は、上記４線巻ヘリカルアンテナに
おいて、ヘリカルエレメント２の巻数を１回転、アンテ
ナの直径を０．１８λ、反射板１の直径を０．７λに設
定した場合のアンテナの高さＨ（λ）と半値角（ｄｅ
ｇ）の関係を示したものである。

【０００７】上記従来のヘリカルアンテナでは、半値角
が１２０°以上の広角な指向性を得るためには、アンテ
ナの高さＨを０．４５λより高くする必要があり、実際
には５０〜６０ｍｍ以上となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】移動体に設けられる端
末用アンテナでは、美観上と屋外での風圧を避けるため
に低姿勢のアンテナが望まれており、特に車両などに搭
載されるアンテナにあっては、設置場所の自由度などの
点からも低姿勢であることが設計上重要な項目となって
いる。しかし、従来のヘリカルアンテナは、上記したよ
うに高さが５０〜６０ｍｍ以上となるので、好ましくな
い。

【０００９】上記ヘリカルアンテナの小型化を図るもの
として、特開2001-102852号公報「ヘリカルアンテナ」
がある。このヘリカルアンテナは、ヘリカルエレメント
を周期波状に屈曲させることによって全長を短縮するよ
うにしたものであるが、車載用としては未だ満足すべき
ものではなく、更なる低姿勢化が求められている。

【００１０】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、低姿勢化を図ることができ、且つ所望の放
射指向性と軸比特性が得られるヘリカルアンテナを提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るヘリカルア
ンテナは、反射板と、前記反射板に対して垂直に設けら
れる直線状素子及び前記反射板に対して平行に設けられ
るスパイラル状素子からなる複数のアンテナ素子とを具
備したことを特徴とする。更に具体的には、反射板と、
前記反射板の一方の面に所定の間隔を保って設けられる
第１の基板と、前記第１の基板に所定の間隔を保って設
けられる第２の基板と、前記第１の基板上にスパイラル
状に設けられる複数の第１のスパイラル状素子と、前記
第２の基板上にスパイラル状に設けられる複数の第２の
スパイラル状素子と、前記反射板と前記第１の基板との
間に設けられ、下端部が前記反射板に保持されて給電点
となり、上端部が前記各第１のスパイラル状素子の一端
に接続される複数の第１の直線状素子と、前記第１の基
板と第２の基板との間に設けられ、前記第１のスパイラ
ル状素子の他端と前記第２のスパイラル状素子との間を
接続する複数の第２の直線状素子とを具備し、前記第１
及び第２のスパイラル状素子と第１及び第２の直線状素
子によりアンテナ素子を構成したことを特徴とする。

【００１２】上記のように反射板に対して平行なスパイ
ラル状素子と垂直な直線状素子によりアンテナ素子を構
成することにより、低姿勢化が可能であると共に、上半
球に亘って軸比の良い広角指向性とすることができ、移
動体に対しても容易に装着することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。 （第１実施形態）図１は本発明の第１実施形態に係るヘ
リカルアンテナの斜視図、図２は同分解斜視図、図３は
第１及び第２の基板上に設けられるスパイラル状素子の
構成例を示す図、図４は同アンテナの側面図である。

【００１４】図１及び図２において、１０は例えば円板
状の反射板で、この反射板１０の上方に方形状の第１の
基板１１及び第２の基板１２を所定の間隔で設ける。上
記反射板１０の直径は、通常６０ｍｍ（０．４６７λ）
程度に設定されるが、後述する給電点１７が配置されて
いる円より大きければ良い。そして、上記第１の基板１
１の一面例えば上面には４本の第１のスパイラル状素子
１３が設けられ、第２の基板１２の一面例えば上面には
４本の第２のスパイラル状素子１４が設けられる。すな
わち、反射板１０に対して第１のスパイラル状素子１３
及び第２のスパイラル状素子１４が平行に設けられる。
上記スパイラル状素子１３、１４は、基板１１、１２を
エッチングすることにより、容易に製作することができ
る。

【００１５】上記反射板１０と第１の基板１１との間に
は、４本の第１の直線状素子１５が垂直に設けられ、第
１の基板１１と第２の基板１２との間には、４本の第２
の直線状素子１６が垂直に設けられる。

【００１６】第１の直線状素子１５は、下端部が反射板
１０に絶縁した状態で保持されると共に、その先端部が
反射板１０の下側に導出されて給電点１７を構成してい
る。この給電点１７は、図４に示すように外部の給電回
路１８に接続される。また、第１の直線状素子１５の上
端は、それぞれ第１のスパイラル状素子１３の一端に接
続される。上記第１の直線状素子１５は、アンテナ素子
の一部を構成すると共に、反射板１０と第１の基板１１
との間を所定の間隔例えば５ｍｍ程度に保持する。

【００１７】第２の直線状素子１６は、下端が第１のス
パイラル状素子１３の他端に接続され、上端が第２のス
パイラル状素子１４の一端に接続される。すなわち、第
２の直線状素子１６は、アンテナ素子の一部を構成する
と共に、第１の基板１１と第２の基板１２との間を所定
の間隔例えば１０ｍｍ程度に保持する。

【００１８】第１の基板１１上に設けられる４本の第１
のスパイラル状素子１３は、図３（ａ）に示すように直
径がＤ１の外周円２１と直径がＤ２の内周円２２との間
に、それぞれ９０°の間隔でスパイラル状に略半回転形
成する。この場合、第１のスパイラル状素子１３は、上
方から給電点１７側を見て内周円２２から外周円２１に
向かって左回りで径が大きくなるようにスパイラル状に
形成する。上記外周円２１の直径Ｄ１は例えば３０ｍｍ
（約０．２３３λ）程度、内周円２２の直径Ｄ２は２０
ｍｍ（約０．１５６λ）程度に設定される。上記外周円
２１の直径Ｄ１の値は、０．１〜０．３λの範囲で設定
することができる。また、内周円２２の直径Ｄ２は、
０．０５〜０．２λの範囲で設定することができる。上
記第１のスパイラル状素子１３は、内周端が第１の直線
状素子１５に接続され、外周端が第２の直線状素子１６
に接続される。

【００１９】また、第２の基板１２上に設けられる４本
の第２のスパイラル状素子１４は、図３（ｂ）に示すよ
うに直径Ｄ１の外周円２１と直径Ｄ２の内周円２２との
間に、それぞれ９０°の間隔でスパイラル状に略１／４
回転形成する。この場合、第２のスパイラル状素子１４
は、上方から給電点１７側を見て外周円２１から内周円
２２に向かって左回りで径が小さくなるようにスパイラ
ル状に形成する。また、第２のスパイラル状素子１４
は、第１のスパイラル状素子１３と外周端の位置を対応
させ、第２の直線状素子１６を介して第１のスパイラル
状素子１３に接続できるようにする。なお、上記４線ヘ
リカルアンテナの１素子当たりの回転数は、およそ３／
４〜５／４回転程度が好ましい。

【００２０】上記のように第１及び第２のスパイラル状
素子１３、１４と、第１及び第２の直線状素子１５、１
６とによって４本のアンテナ素子を構成し、各アンテナ
素子の全長を約３／４λｇ（λｇ：短縮率を考慮した波
長）に設定する。

【００２１】そして、上記反射板１０の下側に図４に示
したように給電回路１８を設け、この給電回路１８から
上記４本のアンテナ素子に順次９０°の位相差で給電す
る。上記のように各隣接する素子に順次９０°の位相差
で給電することにより、円偏波を送信あるいは受信する
ことができる。

【００２２】上記ヘリカルアンテナの動作原理について
説明する。図５は、上記ヘリカルアンテナの座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と球面座標系（Ｒ，θ，φ）及び電界成
分Ｅ_θ、Ｅ_φの関係を示したもので、Ｚ軸に対する垂直
方向の角度をθ、Ｘ軸に対する水平方向の角度をφ、原
点からの距離をＲで示している。

【００２３】上記ヘリカルアンテナの第１の直線状素子
１５及び第２の直線状素子１６は、図５に示す電界のＥ
_θ成分に寄与し、第１のスパイラル状素子１３及び第２
のスパイラル状素子１４は、電界のＥ_φ成分に寄与す
る。従って、第１のスパイラル状素子１３及び第２のス
パイラル状素子１４のアンテナ径（Ｄ１、Ｄ２）と第１
の直線状素子１５及び第２の直線状素子１６の長さを適
宜に設定することにより、上半球に亘り軸比の良い広角
指向性を得ることができる。

【００２４】図６は、上記ヘリカルアンテナにおいて、
約１３０°の半値角を得た場合の周波数２．３２５ＧＨ
ｚにおける垂直面の軸比・指向性の実測値を示し、図７
は同水平面における軸比・指向性の実測値を示したもの
である。この場合、反射板１０の直径を６０ｍｍに設定
し、第１の基板１１及び第２の基板１２として上記周波
数帯におけるεｒ、ｔａｎδの値が「εｒ：３．４」、
「ｔａｎδ：０．００３」の誘電体を使用し、一辺が４
０ｍｍの正方形とすると共に厚さを０．８ｍｍに設定し
た。また、反射板１０と第１の基板１１との間隔を５ｍ
ｍ、第１の基板１１と第２の基板１２との間隔を１０ｍ
ｍに設定し、アンテナ全体の高さＨ（給電回路１８は含
まず）を約１７ｍｍとした。

【００２５】上記のヘリカルアンテナによれば、図６に
示した指向性から明らかなように上半球に亘り軸比の良
い広角指向性を得ることができ、水平面指向性は図７に
示したように無指向性とすることができた。また、アン
テナ全体の高さＨは、上記したように約１７ｍｍであ
り、図１３に示した従来のヘリカルアンテナに比較して
約１／３以下の高さとすることができた。

【００２６】また、第１及び第２のスパイラル状素子１
３、１４と第１及び第２の直線状素子１５、１６とを接
続してなるアンテナ素子の全長を約３／４λｇとするこ
とにより、各給電端子における入力インピーダンスを図
８に示すように２．３ＧＨｚの周波数で約５０Ωにする
ことができた。図８は、上記ヘリカルアンテナの各給電
点における実測値を示したものである。なお、図８は被
測定端子以外の３端子を５０Ωで終端した時の値を示し
ている。

【００２７】この結果、ヘリカルアンテナを特別な整合
回路を介すことなく給電回路１８に接続することが可能
になる。

【００２８】上記第１実施形態で示したヘリカルアンテ
ナでは、従来に比して大幅に低姿勢化が可能で、且つ上
半球に亘り軸比の良い広角指向性を得ることができるも
のであり、車両への搭載がきわめて容易であると共に、
所望の放射指向性と軸比特性を得ることができる。

【００２９】なお、第１及び第２の基板１１、１２を方
形状に形成した場合について示したが、例えば円形等、
その他の形状に形成しても同様の特性を得ることができ
る。

【００３０】また、上記第１実施形態では、スパイラル
状素子１３、１４を基板１１、１２上に設けた場合につ
いて示したが、基板１１、１２を設けずに、他の手段に
よってスパイラル状素子１３、１４を所定の位置に保持
するようにしても良い。

【００３１】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について説明する。この第２実施形態は、図９に示
すように反射板として基板３１の下面に反射面３２を形
成したものを使用し、その上面側に給電チップ３３を配
設するようにしたものである。

【００３２】給電チップ３３は、上記給電回路１８と同
様の給電機能を有するもので、１つの入力端子と４つの
給電端子を備え、この４つの給電端子に第１の直線状素
子１５の各給電点１７を直接接続する。上記給電チップ
３３は、一辺が例えば１４ｍｍ程度の正方形で、厚さが
約２ｍｍ程度であり、基板３１の上部に配設することが
できる。また、給電チップ３３は、例えば各角部に給電
端子が設けられ、この給電端子に第１の直線状素子１５
の各給電点１７を直接接続できるようになっている。そ
の他の構成は、第１実施形態で示したヘリカルアンテナ
と同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。

【００３３】上記ヘリカルアンテナは、第１実施形態で
説明したように入力インピーダンスが約５０Ωであり、
特別な整合回路を必要としないので、第１の直線状素子
１５の各給電点１７を基板３１の給電端子に接続するこ
とができる。

【００３４】上記のように基板３１上に給電チップ３３
を取り付けることにより、放射指向性に殆ど影響を与え
ることがなく、且つ、給電チップ３３の大きさによりア
ンテナ全体が大きくなることもない。なお、上記給電チ
ップ３３としては、市販のものを利用することが可能で
ある。

【００３５】また、上記ヘリカルアンテナを受信用アン
テナとして使用する場合、基板３１上に低雑音増幅回路
等の回路部を給電チップ３３と共に装着するようにして
も良い。この場合、基板３１の反射面３２側に他の基板
を貼り合わせ、このこの基板上に低雑音増幅回路等の回
路部を装着するようにしても良い。また、上記ヘリカル
アンテナを送信用アンテナとして使用する場合には、基
板３１上に電力増幅回路等の回路部を装着することがで
きる。

【００３６】上記図９では、基板３１の上面、すなわち
第１の基板１１側に給電チップ３３を設けた場合につい
て示したが、図１０に示すように基板３１の下面に給電
チップ３３を設けても良い。この場合、反射面３２を基
板３１の上面側に位置させる。上記のように基板３１の
上面あるいは下面の何れに給電チップ３３を設けた場合
でも、同等の特性を得ることができる。

【００３７】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態について説明する。この第３実施形態は、図１１に
示すように、上記第１実施形態で示したヘリカルアンテ
ナの内部空間及び周囲を電波透過性の誘電体からなる充
填材４１により充填するようにしたものである。この場
合、ヘリカルアンテナの組立完了後に充填材４１を充填
しても、あるいは反射板１０を除くアンテナ部分を先に
充填材４１により充填して一体化し、その後、反射板１
０に装着するようにしても良い。なお、第２実施形態で
示したように給電チップ３３を設けた場合には、この給
電チップ３３を含めて充填材４１により充填することも
可能である。

【００３８】上記のようにヘリカルアンテナを充填材４
１で満たすことにより、更に小型化することが可能にな
り、構造をより安定したものとすることができる。

【００３９】（第４実施形態）次に、本発明の第４実施
形態について説明する。この第４実施形態は、図１２に
示すように第１の基板１１を第１の直線状素子１５の設
定長さに合わせて厚く形成すると共に、第２の基板１２
を第２の直線状素子１６の設定長さに合わせて厚く形成
したものである。この場合、第１の基板１１の上面に第
１のスパイラル状素子１３を例えばエッチングにより形
成すると共に、第１の基板１１の所定の位置にスルーホ
ールを設け、このスルーホール内に第１の直線状素子１
５を形成する。また、第２の基板１２においても、第１
の基板１１と同様に上面に第２のスパイラル状素子１４
エッチングにより形成すると共に、所定の位置にスルー
ホールを設け、このスルーホール内に第２の直線状素子
１６を形成する。

【００４０】上記第４実施形態においても、第３実施形
態と同様に、ヘリカルアンテナを小型化して構造をより
安定したものとすることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、反
射板に対して平行なスパイラル状素子と垂直な直線状素
子によりアンテナ素子を構成することにより、低姿勢化
が可能であると共に、上半球に亘って軸比の良い広角指
向性とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るヘリカルアンテナの
斜視図。

【図２】同実施形態におけるヘリカルアンテナの分解斜
視図。

【図３】（ａ）は同実施形態における第１のスパイラル
状素子の詳細を示す図、（ｂ）は第２のスパイラル状素
子の詳細を示す図。

【図４】同実施形態におけるヘリカルアンテナの側面
図。

【図５】同実施形態の動作を説明するための（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）座標系、（Ｒ，θ，φ）球面座標系と電界Ｅ_θ，Ｅ
_φの関係を示す図。

【図６】同実施形態におけるヘリカルアンテナの垂直面
における軸比・指向性を示す図。

【図７】同実施形態におけるヘリカルアンテナの水平面
における軸比・指向性を示す図。

【図８】同実施形態におけるヘリカルアンテナの各給電
点における入力インピーダンスの測定例を示す図。

【図９】本発明の第２実施形態に係るヘリカルアンテナ
の側面図。

【図１０】同実施形態におけるヘリカルアンテナの他の
例を示す側面図。

【図１１】本発明の第３実施形態に係るヘリカルアンテ
ナの側断面図。

【図１２】本発明の第４実施形態に係るヘリカルアンテ
ナの側断面図。

【図１３】（ａ）は従来のヘリカルアンテナの概略構成
図、（ｂ）は同ヘリカルアンテナの給電方法を示す図。

【図１４】従来のヘリカルアンテナのアンテナの高さと
半値角の関係を示す図。

【符号の説明】

１０…反射板 １１…第１の基板 １２…第２の基板 １３…第１のスパイラル状素子 １３、１４…第２のスパイラル状素子 １４…第２のスパイラル状素子 １５…第１の直線状素子 １５、１６…第２の直線状素子 １６…第２の直線状素子 １７…給電点 １８…給電回路 ２１…外周円 ２２…内周円 ３１…基板 ３２…反射面 ３３…給電チップ ４１…充填材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽賀 俊行 埼玉県さいたま市宮ヶ谷塔４丁目72番地 アンテナ技研株式会社内 Ｆターム(参考） 5J021 AA04 AA09 AA11 AB02 CA03 CA06 FA26 GA02 GA07 GA08 HA07 HA10 JA06 5J046 AA07 AA13 AB06 AB12 MA12 NA12 PA04 PA07 QA02

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射板と、前記反射板に対して垂直に設
   けられる直線状素子及び前記反射板に対して平行に設け
   られるスパイラル状素子からなる複数のアンテナ素子と
   を具備したことを特徴とするヘリカルアンテナ。
2. 【請求項２】 反射板と、前記反射板の一方の面に所定
   の間隔を保って平行に設けられる複数の第１のスパイラ
   ル状素子と、前記第１のスパイラル状素子に所定の間隔
   を保って平行に設けられる複数の第２のスパイラル状素
   子と、前記反射板に対して垂直に設けられ、一端が前記
   各第１のスパイラル状素子の一端に接続され、他端が給
   電点となる複数の第１の直線状素子と、前記反射板に対
   して垂直に設けられ、前記第１のスパイラル状素子の他
   端と前記第２のスパイラル状素子との間を接続する複数
   の第２の直線状素子とを具備し、前記第１及び第２のス
   パイラル状素子と第１及び第２の直線状素子によりアン
   テナ素子を構成したことを特徴とするヘリカルアンテ
   ナ。
3. 【請求項３】 反射板と、前記反射板の一方の面に所定
   の間隔を保って設けられる第１の基板と、前記第１の基
   板に所定の間隔を保って設けられる第２の基板と、前記
   第１の基板上にスパイラル状に設けられる複数の第１の
   スパイラル状素子と、前記第２の基板上にスパイラル状
   に設けられる複数の第２のスパイラル状素子と、前記反
   射板と前記第１の基板との間に設けられ、下端部が前記
   反射板に保持されて給電点となり、上端部が前記各第１
   のスパイラル状素子の一端に接続される複数の第１の直
   線状素子と、前記第１の基板と第２の基板との間に設け
   られ、前記第１のスパイラル状素子の他端と前記第２の
   スパイラル状素子との間を接続する複数の第２の直線状
   素子とを具備し、前記第１及び第２のスパイラル状素子
   と第１及び第２の直線状素子によりアンテナ素子を構成
   したことを特徴とするヘリカルアンテナ。
4. 【請求項４】 前記アンテナ素子の長さを約３／４λｇ
   に設定したことを特徴とする請求項１、２又は３記載の
   ヘリカルアンテナ。
5. 【請求項５】 前記アンテナ素子を４素子として４巻線
   ヘリカルアンテナを構成したことを特徴とする請求項
   １、２又は３記載のヘリカルアンテナ。
6. 【請求項６】 前記アンテナ素子の空間部分を電波透過
   性の充填材により充填したことを特徴とする請求項１、
   ２又は３記載のヘリカルアンテナ。
7. 【請求項７】 前記第１の基板の厚さを第１の直線状素
   子の長さに合わせて設定すると共に、前記第２の基板の
   厚さを第２の直線状素子の長さに合わせて設定したこと
   を特徴とする請求項３記載のヘリカルアンテナ。
8. 【請求項８】 前記反射板の上部面又は下面に給電チッ
   プを設け、前記第１の直線状素子の給電点に給電するこ
   とを特徴とする請求項３記載のヘリカルアンテナ。
9. 【請求項９】 前記反射板の上部面又は下面に給電チッ
   プと共に増幅回路部を設けたことを特徴とする請求項８
   記載のヘリカルアンテナ。