JP2004080201A - ヘリカルアンテナ - Google Patents

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Yasushi Iizuka
飯塚 泰
Daisuke Shirahama
白浜 大輔
Toshiyuki Haga
羽賀 俊行
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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弱〜1λ強の範囲で、望ましくは3/4λの長さに設定し、ヘリカル無給電素子15a〜15dは、約1/4λ弱〜1λ強の範囲で、望ましくは3/4λの長さに設定する。上記λは上記動作周波数fの波長であり、λは上記動作周波数f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)と、1227.6MHz(f)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)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)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)、(b)は周波数が1575.42MHz(f)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とヘリカル無給電素子15a〜15dの動作周波数f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とf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 (6)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
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