JP2004080201A

JP2004080201A - ヘリカルアンテナ

Info

Publication number: JP2004080201A
Application number: JP2002235848A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iizuka; 飯塚　泰; Daisuke Shirahama; 白浜　大輔; Toshiyuki Haga; 羽賀　俊行
Original assignee: ANTENNA GIKEN KK
Current assignee: ANTENNA GIKEN KK
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】各給電素子の入力インピーダンスを測定可能とし、この結果、各給電素子の入力インピーダンスを調整して良好な特性が得られるヘリカルアンテナを提供する。
【解決手段】地板１１の上面中央部に円筒状のヘリカルアンテナ素子１２を設ける。このヘリカルアンテナ素子１２は、４本のヘリカル給電素子１４を等間隔で設けると共に、各ヘリカル給電素子１４の間に４本のヘリカル無給電素子１５を設ける。上記地板１１の下側には、各給電素子１４に対応させてそれぞれコネクタを設け、各コネクタの中心導体を地板１１の上側に絶縁状態で突出させて給電素子１４の下端部に接続する。また、無給電素子１５の下端部は、地板１１に接地する。そして、外部の給電回路から上記４本の給電素子１４にコネクタを介して順次９０°の位相差で給電する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円偏波を利用する無線システムの特にヘリカルアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２周波共用のヘリカルアンテナとしては、（１）動作周波数毎に給電するようにしたもの、（２）給電素子を分岐させたもの、（３）給電素子に無給電素子（寄生素子）を追加したもの、に大別される。
【０００３】
上記（３）給電素子に無給電素子を追加したヘリカルアンテナとしては、例えば特表平１０−５０９５７７号公報に記載された「デュアル　バンド　オクタフアイラー螺旋アンテナ」がある。この「デュアル　バンド　オクタフアイラー螺旋アンテナ」は、入力信号を電力分配器により位相が１８０°異なる２つの信号に分割した後、更に給電ネットワークにより、０°、９０°、１８０°、２７０°の信号として４つのアクティブ放射器に供給するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記「デュアル　バンド　オクタフアイラー螺旋アンテナ」は、入力信号を電力分配器及び給電ネットワークを介して４つのアクティブ放射器に供給しているので、アンテナの特性を測定する際、給電系統を含む全体の特性については測定することが可能であるが、４つの放射器については個々の入力インピーダンスを直接測定することができない。このため各放射器の入力インピーダンスを調整することができず、アンテナ全体の特性についても最良の状態に調整することはできない。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、各給電素子の入力インピーダンスを測定可能とし、この結果、各給電素子の入力インピーダンスを調整して給電素子と給電回路間の反射損に伴う動作利得の低下を抑えることができ、２周波共用あるいは広帯域化が可能なヘリカルアンテナを提供することを目的とする。
【０００６】
【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、地板と、前記地板の上面に設けられる複数本のヘリカル給電素子と、前記各ヘリカル給電素子と所定の間隔を保って設けられ、一端が前記地板に接地される複数本のヘリカル無給電素子と、前記ヘリカル給電素子に前記地板側より給電する給電手段とを具備したことを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、地板の裏面側、すなわちヘリカルアンテナ素子とは反対側に給電回路や増幅器などの電子回路を配置することが可能となり、電子回路の物理的な大きさに伴う反射等による放射特性の悪化や放射による給電回路の特性への影響を防ぐことができる。
また、地板には、各給電素子に接続するコネクタを設けることができ、従って、各コネクタを順次測定機器に接続してヘリカル給電素子の入力インピーダンスを容易に測定できる。従って、各ヘリカル給電素子の入力インピーダンスを調整して良好な放射特性とすることができる。
【０００８】
【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（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る２周波共用の４巻線ヘリカルアンテナの外観構成を示す斜視図、同図（ｂ）は同アンテナの給電状態を示したものである。
【０００９】
図１（ａ）において、１１は例えば金属板を使用した円板状の地板で、この地板１１の上面中央部には、円筒状のヘリカルアンテナ素子１２を設ける。上記地板１１は、金属板の代わりに誘電体板の表面に金属箔を形成したものであっても良い。
【００１０】
上記ヘリカルアンテナ素子１２は、所定の径上に４本のヘリカル給電素子１４（１４ａ〜１４ｄ）を等間隔で設けると共に、各ヘリカル給電素子１４（１４ａ〜１４ｄ）と結合するように所定の間隔を保って、例えば各ヘリカル給電素子１４（１４ａ〜１４ｄ）の間に４本のヘリカル無給電素子１５（１５ａ〜１５ｄ）を設けている。上記ヘリカル給電素子１４は、地板１１側を給電点１６とし、ヘリカル無給電素子１５は、下端部を地板１１に接続して接地点１７としている。上記ヘリカルアンテナ素子１２は、径の大きさについての制約は特にないが、指向性等の特性を考慮した場合、設定周波数の波長λに対して、０．３λより小さくすることが望ましい。
【００１１】
上記ヘリカルアンテナ素子１２は、例えば図２に詳細を示すように平行四辺形に形成した可撓性フィルム基板１３の表面に４本のヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄをピッチ角αで等間隔に設けると共に、このヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの間にヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄを設けている。
【００１２】
上記フィルム基板１３は、横幅Ｗが円周部Ｗ１と重ね合わせ部Ｗ２を加算した長さに設定され、高さＨはヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの長さに合わせて設定される。ヘリカルアンテナ素子１２の直径を３４ｍｍとしたとき、フィルム基板１３の円周部Ｗ１は、１０７．７３ｍｍとなる。また、重ね合わせ部Ｗ２は、５ｍｍ程度である。上記フィルム基板１３は、両側を重ね合わせ部Ｗ２の幅で重ね合わせて円筒状に形成する。このとき重ね合わせ部Ｗ２は、ヘリカル素子と重ならないように、すなわち、図２の場合にはヘリカル給電素子１４ａと重ならないように設定する。
【００１３】
上記ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄ及びヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄの長さは、動作周波数に合わせて設定する。この実施形態では、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの長さを共用する２周波の低い動作周波数をｆ_Ｌに合わせ、ヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄの長さを高い動作周波数ｆ_Ｈに合わせるものとする。すなわち、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄは、約１／４λ_Ｌ弱〜１λ_Ｌ強の範囲で、望ましくは３／４λ_Ｌの長さに設定し、ヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄは、約１／４λ_Ｈ弱〜１λ_Ｈ強の範囲で、望ましくは３／４λ_Ｈの長さに設定する。上記λ_Ｌは上記動作周波数ｆ_Ｌの波長であり、λ_Ｈは上記動作周波数ｆ_Ｈの波長である。
【００１４】
また、上記ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄ及びヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄは、幅を数ｍｍ程度に設定すると共に、ピッチ角αを１０°〜８０°程度の範囲で、求める指向性に合わせて設定する。
【００１５】
上記地板１１の下側には、図３に示すように各ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄに対応させてそれぞれコネクタ２１を設け、各コネクタ２１の中心導体２２を地板１１の上側に絶縁状態で突出させてヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの下端部、すなわち給電点１６に接続する。また、ヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄの下端部は、上記したように地板１１に接地している。
【００１６】
そして、外部の給電回路（図示せず）から上記４本のヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄにコネクタ２１を介して、図１（ｂ）に示すように順次９０°の位相差で給電する。なお、図１（ａ）に示す巻方向と同図（ｂ）の給電状態の時に地板１１の上側に右旋円偏波の指向性が得られる。左旋円偏波の指向性を得る場合は、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄ及びヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄの巻方向（ひねり方向）と給電の位相差を共に逆にする。
【００１７】
次に、図２に示したフィルム基板１３を用いてＧＰＳ受信用ヘリカルアンテナを製作した場合について説明する。ヘリカルアンテナ素子１２の直径を３４ｍｍ、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄ及びヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄのピッチ角αを５４．３°、地板１１の直径を１２０ｍｍ、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの長さを１７７ｍｍ、ヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄの長さを１３２ｍｍとし、受信周波数をＧＰＳの周波数である１５７５．４２ＭＨｚ（ｆ_Ｈ）と、１２２７．６ＭＨｚ（ｆ_Ｌ）に設定した。また、アンテナ入力インピーダンス、すなわち、各ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄにおける入力インピーダンスは５０Ωに設定した。
【００１８】
図４は、上記ＧＰＳ受信用ヘリカルアンテナの各ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄにおける反射減衰量の周波数特性を示す図で、横軸に周波数（ＧＨｚ）、縦軸に反射減衰量（Ｒｅｔｕｒｎ　ｌｏｓｓ（ｄＢ））をとって示した。なお、上記反射減衰量を測定する際、測定端子以外の３端子は５０Ωで終端した。
【００１９】
上記図４において、１の測定点は周波数が１２２７．６ＭＨｚ（ｆ_Ｌ）の所で、その反射減衰量は−１８．０１ｄＢであった。また、２の測定点は周波数が１５７５．４２ＭＨｚ（ｆ_Ｈ）の所で、その反射減衰量は−１８．８ｄＢであった。
【００２０】
上記ＧＰＳ受信用ヘリカルアンテナでは、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの各端子における特性のバラツキもなく、所望の周波数で反射減衰量が−１８ｄＢ程度の特性を得ることかできた。
【００２１】
図５は、上記ＧＰＳ受信用ヘリカルアンテナの垂直面スピンリニアパターンと利得の測定結果を示したもので、（ａ）は周波数が１２２７．６ＭＨｚ（ｆ_Ｌ）、（ｂ）は周波数が１５７５．４２ＭＨｚ（ｆ_Ｈ）における特性を示している。なお、上記利得とは、給電回路の損失等を含む動作利得を示している。
上記ＧＰＳ受信用ヘリカルアンテナでは、図５の特性図から明らかなように、１２２７．６ＭＨｚ及び１５７５．４２ＭＨｚの何れの周波数においても、軸比及び利得とも良好な特性が得られた。
【００２２】
上記第１実施形態で示したように、地板１１上にヘリカルアンテナ素子１２を設けることにより、地板１１の裏面側、すなわちヘリカルアンテナ素子１２とは反対側に給電回路や増幅器などの電子回路を配置することが可能となり、電子回路の物理的な大きさに伴う反射等による放射特性の悪化や放射による給電回路の特性への影響を防ぐことができる。
【００２３】
また、地板１１には、各ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄに接続するコネクタ２１を設けることができる。従って、各コネクタ２１を順次測定機器に接続し、残りのコネクタ２１を特定のインピーダンス例えば５０Ωで終端することにより、各ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの入力インピーダンスを容易に測定でき、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄやヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄの長さ等を調整して所望の特性を得ることができる。
【００２４】
なお、上記コネクタ２１は、入力インピーダンスの測定時のみ使用し、調整を終了した後に取り外してヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの給電点１６に給電回路を直接接続するようにしても良い。
【００２５】
（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。
図６は、本発明の第２実施形態に係る２周波共用の４巻線ヘリカルアンテナの構成例を示す斜視図である。この第２実施形態は、上記第１実施形態において、地板１１の外周縁を下方に折り曲げて例えば円筒状の折曲げ部１１Ａを形成したもので、その他は第１実施形態と同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００２６】
上記地板１１の折曲げ部１１Ａ内には、給電回路３１を設け、その給電出力端子をヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの給電点１６に直接あるいはコネクタを介して接続する。上記給電回路３１は、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄに順次９０°の位相差で給電する。上記給電回路３１としては、例えば９０°及び１８０°ハイブリッドカップラー等を組み合わせて構成することが可能である。上記地板１１の折曲げ部１１Ａ内には、上記給電回路３１の他、図示しないが、更に増幅器等の電子回路を必要に応じて配置する。
【００２７】
上記のように地板１１を下方に折曲げて折曲げ部１１Ａを形成することにより、アンテナ全体の径を小さくすることができ、端末のアンテナに適した形状とすることができる。また、給電回路３１などの電子回路を地板１１の折曲げ部１１Ａで覆うことにより、ヘリカルアンテナ素子１２からの電波の放射による影響を避けることができる。
【００２８】
なお、上記実施形態では、ヘリカルアンテナ素子１２は、フィルム基板１３を円筒状に形成した場合について説明したが、誘電体により形成した円筒状の保持部材の外周面にフィルム基板１３を巻き付けて形成しても良く、あるいは円筒状保持部材の外周面にヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄ及びヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄを直接形成しても良い。この場合、ヘリカル素子を支持する誘電体を設けたことにより、何も無い場合に比較してヘリカル素子の長さを短くする必要があるが、上記第１実施形態で示したようにコネクタ２１を設けた構成とすることにより、入力インピーダンスを容易に測定できるので、ヘリカル素子の長さ調整を容易に且つ正確に行なうことができる。
【００２９】
また、上記実施形態では、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄとヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄとを同一径上に配置した場合について説明したが、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄとヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄが結合するのに適宜な間隔であれば、同一径上に配置する必要はない。例えばヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄとヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄとを異なる径上に、すなわち二層に配置することも可能である。
【００３０】
また、上記実施形態では、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄに対して１組のヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄを設けて２周波共用のヘリカルアンテナを構成した場合について説明したが、ヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄを複数組み設けることにより、多周波共用のヘリカルアンテナを構成することが可能である。
【００３１】
更に、上記実施形態では、ヘリカル給電素子１４ａ〜１４ｄの動作周波数ｆ_Ｌとヘリカル無給電素子１５ａ〜１５ｄの動作周波数ｆ_Ｈとの間隔を広くとって２周波共用のヘリカルアンテナを構成した場合について説明したが、上記周波数ｆ_Ｌとｆ_Ｈとの間隔を狭く設定することにより、広帯域特性とすることができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、地板１１を円形に形成した場合について説明したが、円形に限定されるものではなく、例えば方形、多角形等、その他の形状であっても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、ヘリカル給電素子及びヘリカル無給電素子に対して地板を設けた構成とすることにより、地板に各給電素子に接続するコネクタを設けて各素子の入力インピーダンスを測定することが可能となり、この結果、各素子の入力インピーダンスを調整してアンテナ全体の特性についても最良の状態に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る２周波共用の４巻線ヘリカルアンテナの外観構成を示す斜視図、（ｂ）は同アンテナの給電状態を示す図。
【図２】同実施形態におけるヘリカルアンテナ素子の具体的な構成例を示す図。
【図３】同実施形態における地板に設けたコネクタと給電素子との接続状態を示す要部断面図。
【図４】同実施形態において、実際に製作したＧＰＳ受信用ヘリカルアンテナの各給電素子における反射減衰量の周波数特性を示す図。
【図５】ＧＰＳ受信用ヘリカルアンテナの垂直面スピンリニアパターンと利得の測定結果を示す特性図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る２周波共用の４巻線ヘリカルアンテナの構成例を示す斜視図。
【符号の説明】
１１…地板
１１Ａ…折曲げ部
１２…ヘリカルアンテナ素子
１３…可撓性フィルム基板
１４、１４ａ〜１４ｄ…ヘリカル給電素子
１５、１５ａ〜１５ｄ…ヘリカル無給電素子
１６…給電点
１７…接地点
２１…コネクタ
２２…中心導体
３１…給電回路

Claims

地板と、前記地板の上面に設けられる複数本のヘリカル給電素子と、前記各ヘリカル給電素子と所定の間隔を保って設けられ、一端が前記地板に接地される複数本のヘリカル無給電素子と、前記ヘリカル給電素子に前記地板側より給電する給電手段とを具備したことを特徴とするヘリカルアンテナ。
前記給電手段は、地板にコネクタを設け、該コネクタを介してヘリカル給電素子に給電することを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
前記ヘリカル給電素子及びヘリカル無給電素子の長さを各動作周波数の約３／４波長に設定したこと特徴とする請求項１又は２に記載のヘリカルアンテナ。
前記ヘリカル給電素子とヘリカル無給電素子とを同一径上に配置したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のヘリカルアンテナ。
前記ヘリカル給電素子とヘリカル無給電素子とを異なる径上に配置したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のヘリカルアンテナ。
前記地板は、外周縁を下方に折曲げた折曲げ部を備えたことを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のヘリカルアンテナ。