JP2004505481A - アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、無線工学に関し、かつ、アンテナ給電装置に、主に、広帯域化を強化したコンパクトな超広帯域アンテナに適用可能である。アンテナは、単一平面内に配置され、かつ、二本巻き螺旋の形に形成された伝導体により作成されたスパイラルアンテナ１を具備する。２つのアンテナ素子２は、同じ平面内に配置され、かつ、二本巻き螺旋の外側の巻きにおける伝導体に、互いに対向して連結される。前記二本巻き螺旋は、直角の曲がり角を備えた線分により作成された矩形の渦巻線である。前記アンテナ素子２の各々は、等脚台形を形成し、かつ、該等脚台形の短い底辺の頂点において、伝導体の終端点に連結される。前記等脚台形の底辺は、二本巻き螺旋の線分に平行である。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線工学に関し、かつ、アンテナ給電装置に、主に、コンパクトな超広帯域アンテナに適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
従来的なスパイラルアンテナは、単一平面内に配列され、かつ、互いに対向して（ｏｐｐｏｓｉｔｅ）向けられた巻きを備えた二本巻き矩形渦巻線（ｂｉｆｉｌａｒ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｓｐｉｒａｌ）の形に形成された伝導体により作成される（参照文献１）。
【０００３】
前記スパイラルアンテナは、ダイポールアンテナ、折返し（ｆｏｌｄｅｄ）アンテナ、Ｙアンテナ、ロンビック（ｒｈｏｍｂｉｃ）アンテナなどのような他の形式のアンテナと比較して、相対的に強化された広帯域化（ｂｒｏａｄｂａｎｄｉｎｇ）を示す。
【０００４】
しかしながら、広帯域化をさらに強化するために、二本巻き螺旋（ｂｉｆｉｌａｒ ｈｅｌｉｘ）は、特に低周波範囲での動作を提供することが必要とされる場合に、非常に大きい必要がある。
【０００５】
他の従来的なアンテナは、単一平面内に配列されかつ互いに対向して連結されたアンテナ素子を具備する（参照文献２）。
【０００６】
この従来技術において、これらのアンテナ素子は、対向して向けられた頂点を備えた二等辺三角形の形状のプレートであり、これらの三角形の対向する辺は、互いに平行である。このアンテナの利点は、該アンテナが自己補対原理（ｓｅｌｆ−ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に基づいて構成されることであり、該原理にしたがって、金属部分の形状およびサイズは、平面内で該金属部分を補間するスロット部分の形状およびサイズに対応し、かつ、等しい。このような無限的構造は、純粋に能動的な、周波数に依存しない入力抵抗を示し、これにより、その整合（ｍａｔｃｈｉｎｇ）が、広範な周波数範囲内において改善される。
【０００７】
しかしながら、このアンテナは、その幾何学的寸法の有限性に起因して、入力抵抗により広帯域化の低下の影響を受ける。
【０００８】
本発明に最も近い形で取り組んでいる方法は、単一平面内に配列され、かつ、二本巻き螺旋の形に形成された伝導体から作成されるスパイラルアンテナを具備するアンテナであり、該螺旋の巻きは互いに対向して向けられ、２つのアンテナ素子は、それぞれ、同じ平面内に配置され、かつ、伝導体に、二本巻き螺旋の両方の渦巻線経路の外側の巻きにおいて、対向して連結される（参照文献３）。
【０００９】
このシステムにおいて、これらのアンテナ素子は、２つのピンにより作成されたアームを備えた半波（ｈａｌｆ−ｗａｖｅ）ダイポール（または、モノポール）アンテナを形成する。上記のアンテナシステムは、従来的なアンテナの問題を、ある程度までは克服する。前記スパイラルアンテナは高周波範囲において動作し、その一方で、低周波範囲の境界は、アンテナの直径に依存し、かつ、約０．５λである（ここで、λは、作動波長（ｗｏｒｋｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）である）。これらの周波数から始まり、半波ダイポールアンテナは動作する。半波ダイポールアンテナについては、外側終端点または内側終端点のいずれかにおいて、スパイラルアンテナに連結することができる。
【００１０】
本発明と最も関係がある従来技術によるアンテナシステムは、以下の欠陥の影響を受ける：
渦巻線のサイズが０．５λほどもあり、かつ、ダイポールアンテナのサイズが０．５λ_ｍａｘであるべきなので、かなりの幾何学的寸法を有する；
半波ダイポールアンテナは狭帯域装置であり、かつ、入力抵抗はダイポールアームの接続点における周波数の関数として変動し、このことは前記システムの広帯域化に著しく影響を及ぼすので、該システムの広帯域化が不十分である；
異なる抵抗による、２つのアンテナシステムのガルヴァーニカップリング（ｇａｌｖａｎｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、整合の質を損なう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、用いられる技術的手段を改善し、かつ、用いられる技術的手段のストックを拡張することである。
【００１２】
本発明は、強化された広帯域化と改善された定在波比（ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ ｒａｔｉｏ：ＳＷＲ）とを示し、かつ、構造上簡素である一方で、小さなサイズを維持するアンテナを提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、単一平面内に配置され、かつ、互いに対向して向けられた巻きを備えた二本巻き螺旋の形に形成された伝導体により作成されたスパイラルアンテナと、それぞれ、同じ平面内に配置され、かつ、二本巻き螺旋の外側の巻きにおける伝導体の終端点に、互いに対向して連結された２つのアンテナ素子とを具備するアンテナであって、本発明によれば、前記二本巻き螺旋は、直角の曲がり角を備えた線分（ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔｓ）により作成された矩形の渦巻線であり、前記アンテナ素子の各々は、等脚台形（ｉｓｏｓｃｅｌｅｓ ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）を形成し、かつ、該等脚台形の短い底辺（ｂａｓｅ）の頂点において、伝導体の終端点に連結され、前記等脚台形の底辺は、二本巻き螺旋の線分に平行である、アンテナにより達成される。
【００１４】
本発明によるアンテナのさらなる実施形態において、
前記二本巻き螺旋の線分は、真っ直ぐであり、
前記伝導体は、四角形状の二本巻き螺旋の形に形成され、
前記アンテナ素子の等脚台形の長い底辺の対向する頂点間の距離は、互いに等しく、かつ、該長い底辺の全ての隣接頂点間の距離に等しく、
前記二本巻き螺旋の伝導体間の間隔は、該伝導体の厚さに等しく、
前記等脚台形の短い底辺の長さＬは、Ｌ＝ｌ＋２δであり、ここで、ｌは、等脚台形の底辺に向けられた二本巻き螺旋の巻きの真っ直ぐな線分の長さであり、かつ、δは、二本巻き螺旋の巻き間の間隔のサイズであり、
前記アンテナ素子は、中実のプレートであり、
前記アンテナ素子は、等脚台形の形状に対応する曲げ角度を有するジグザグ細線（ｚｉｇｚａｇ ｔｈｒｅａｄ）であり、これにより、該ジグザグ細線のジグザグ部分は等脚台形の側辺と一致し、かつ、ジグザグ細線の接続ジグザグ部分は、等脚台形の底辺に平行であり、
前記二本巻き螺旋の伝導体間の間隔のサイズは、等脚台形の底辺に平行であるジグザグ細線の部分間の間隔のサイズに等しく、
前記アンテナ素子のジグザグ細線は、その長手方向の軸に沿って、曲折模様（ｍｅａｎｄｅｒ）を形成し、
前記アンテナ素子のジグザグ細線は、その長手方向の軸に沿って、連続的ピッチ（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｉｔｃｈ）の構造を形成し、該構造は、該連続的ピッチ内において、同じ平均発生頻度を備えた数字０，１からなる疑似ランダムシーケンスにより定義され、
前記伝導体の各々は、その長手方向の軸に沿って、曲折模様を形成し、
前記二本巻き螺旋の伝導体の各々は、その長手方向の軸に沿って、連続的ピッチの構造を形成し、該構造は、該連続的ピッチ内において、同じ平均発生頻度を備えた数字０，１からなる疑似ランダムシーケンスにより定義され、
前記伝導体および前記アンテナ素子は、高い抵抗率を有する
ことを提供することができる。
【００１５】
本発明の上記目的は、アンテナを二本巻き矩形渦巻線の形に形成し、かつ、アンテナ素子を等脚台形の形状で用いることによって達成される。アンテナシステム（ＡＳ）は、概略的に、自己補対原理に基づいて構成される。前記アンテナシステムは、二本巻きの矩形アルキメデス渦巻線（ｂｉｆｉｌａｒ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ ｓｐｉｒａｌ）を含む。二本巻き螺旋の拡張は、該螺旋の中心からの距離とともに線形的に増加する幅を有するプレート、または、該プレート領域を充填する伝導性ジグザグ細線である。前記アンテナシステムの広帯域化については、全ての伝導体を曲折模様形状にしかつ高抵抗材料から作成することにより、さらに強化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照すると、コンパクトな超広帯域アンテナは、単一平面内に配置されかつ二本巻き螺旋の形に形成された伝導体により形成されたスパイラルアンテナ１を具備する。二本巻き螺旋の巻きは、互いに対向して向けられる。スパイラルアンテナ１の伝導体は、直角の曲がり角を備えた線分を形成する。
【００１７】
２つのアンテナ素子２は、二本巻き螺旋と同じ平面内に配列される。これらのアンテナ素子２は、それぞれ、両方の渦巻線経路の伝導体の各々に、二本巻き螺旋の外側の巻きにおいて、対向して連結される。アンテナ素子２の各々は、等脚台形を形成し、かつ、伝導体の終端点に、該等脚台形の短い底辺の頂点において、連結される。等脚台形の底辺は、スパイラルアンテナ１の二本巻き螺旋の線分に平行である。一実施形態において、二本巻き螺旋の線分は、真っ直ぐであってもよい。より小さいサイズから成るより簡素な構造を、個々の構成要素全てが単一平面内に配列される平面的な実施手段の形で提供することができる。このような実施形態については、マイクロストリップ技術を用いて、容易に構成しかつ作り上げることができる。強化された広帯域化および改善された定在波比については、アンテナシステムを統合させることにより達成することができ、この場合に、全ての構成要素は単一平面内に存在し、かつ、自己補対原理を満たす。
【００１８】
自己補対基準を完全に満たすために、スパイラルアンテナ１（図１）の伝導体については、各々の直角の曲がり角からなる頂点を備えた二本巻きの四角螺旋（ｂｉｆｉｌａｒ ｓｑｕａｒｅ ｈｅｌｉｘ）の形に形成することができ、これらの頂点は、伝導体間の間隔により生じる差を考慮して、仮想（ｉｍａｇｉｎａｒｙ）四角の対角線と辺とに沿って等距離にある四角の頂点に配置され、これにより、これらの伝導体が、アルキメデス渦巻線にしたがって配列される
【００１９】
この実施形態において、アンテナ素子２の等脚台形の長い底辺の対向する頂点間の距離は等しくてもよく、また、長い底辺の全ての隣接頂点間の距離もまた等しい。自己補対原理に基づいてアンテナシステム全体を構成するために、この実施形態において、アンテナ素子２（図１）の等脚台形の長い底辺の対向する頂点は、仮想四角の頂点に対応する点に存在する。
【００２０】
この実施形態において、伝導体間の間隔のサイズは、スパイラルアンテナ１の二本巻き螺旋を形成する伝導体の厚さに等しい。
【００２１】
アンテナ素子２により形成される等脚台形の短い底辺の長さＬは、Ｌ＝ｌ＋２δである（ここで、ｌは、等脚台形の底辺に向けられた二本巻き螺旋の巻きの真っ直ぐな線分の長さであり、δは、二本巻き螺旋の巻き間の間隔のサイズである）。
【００２２】
この実施形態において、等脚台形の頂点は、正に、仮想四角の対角線上に存在する。
【００２３】
アンテナ素子２（図１）については、伝導体プレートから直接的に作成することもでき、これにより、最も関係がある従来技術のシステムと比較して、アンテナシステムに関して、強化された広帯域化と、改善された定在波比（ＳＷＲ）と、より小さなサイズとが提供される。スパイラルアンテナ１は、直角の曲がり角により作成され、かつ、アンテナ素子２は、図２に示されるように、別個の素子とはならずに、スパイラルアンテナ１と統合されるが、これらのアンテナ素子２は、スパイラルアンテナ１と共同して、自己補対原理を満たすべきである。
【００２４】
しかしながら、広帯域化については、伝導性ジグザグ細線３からアンテナ素子２（図２）を作成することにより、さらに強化することができる。ジグザグ細線３の曲げ角度は、等脚台形の形状に対応する。ジグザグ細線のジグザグ部分は、仮想等脚台形の側辺と一致し、その一方で、ジグザグ細線の接続ジグザグ部分は、仮想等脚台形の底辺に平行である。この場合に、ジグザグ細線３（図２）は、あたかも、プレート（図１）の領域全体を充填しているかのように見える。
【００２５】
自己補対原理を満たすために、二本巻き螺旋（図２）の伝導体間の間隔は、等脚台形の底辺に平行であるジグザグ細線部分間の間隔に等しい。
【００２６】
システム全体の広帯域化については、アンテナ素子２のジグザグ細線３を、その長手方向の軸に沿って、曲折模様の形状に作成することにより、さらに増大させることができる（図３）。同じ目的のために、スパイラルアンテナ１の伝導体の各々もまた、その長手方向の軸に沿って、曲折模様形状である。図３において、番号４は、スパイラルアンテナ１の伝導体の形状を拡大した図を示す。
【００２７】
進行波比（ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ ｗａｖｅ ｒａｔｉｏ：ＴＷＲ）の増加につながり得る局所的な共鳴を解消し、かつ、システム全体の広帯域化をさらに強化するために、アンテナ素子２のジグザグ細線３を、その長手方向の軸に沿って、曲折模様形状の、非周期的な（ｎｏｎ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ）連続的ピッチの構造として作成することが好都合であり、この構造における連続的ピッチ間の周期は、同じ平均発生頻度を備えた数字０，１からなる疑似ランダムシーケンスにより定義される（図４）。同様に、スパイラルアンテナ１の伝導体の各々もまた、曲折模様形状の、非周期的な連続的ピッチを形成することができ、この構造における連続的ピッチ間の周期は、同じ平均発生頻度を備えた数字０，１からなる疑似ランダムシーケンスにより定義される。図４の番号５は、非周期的な曲折模様構造の断片にわたっての疑似ランダムシーケンスの対応部分のサブスクリプションを備えたスパイラルアンテナ１の伝導体の形状を示す。
【００２８】
スパイラルアンテナ１の伝導体およびアンテナ素子２は、プレートまたはジグザグ細線（図１〜図４）であれば、高い抵抗率を有することができる。例として、アンテナ素子２は、等脚台形の長い底辺へ向かって滑らかに増加する抵抗を有する噴霧抵抗層（ｓｐｒａｙｅｄ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）を備えたプレートであってもよい。スパイラルアンテナ１の伝導体およびジグザグ細線３については、アンテナシステム（ＡＳ）の中心からその縁部へ向かって滑らかに変化する抵抗を備えた抵抗線から作成することができる。
【００２９】
本発明によるコンパクトな超広帯域アンテナ（図１〜図４）は、以下のように動作する。
【００３０】
低周波範囲において、スパイラルアンテナ１（四角の、二本巻きのアルキメデス渦巻線）は、徐々に放射状構造へ変化する二伝導体送信回線として機能し、アンテナ素子２は、等脚台形の形状で機能する。アンテナ素子２は、渦巻線の中心からの距離とともに線形的に増加する幅を有する伝導体プレート（図１）、または、等脚台形の領域全体を充填するジグザグ細線３（図２）のいずれかであってもよい。
【００３１】
スパイラルアンテナ１の伝導体およびジグザグ細線３を曲折模様の形状（番号４により示される）で備えた実施形態（図３）は、滑らかな構造に沿っての電流波の速度の約０．４〜０．５倍に等しい進行電流波（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅ）の速度を提供する。この理由により、アンテナシステムの小さな幾何学的寸法λ_ｍａｘ／１０（ここで、λ_ｍａｘは、最大波長である）にも拘わらず、前記システムは、優れた相対的な電気的長さを示す。
【００３２】
低周波および中周波範囲において、アンテナパターンは、ＳＷＲ＜４での広帯域ダイポールのアンテナパターンと同じである（図５）。四角の、アルキメデス渦巻線の寸法がλ／７（ここで、λは、作動波長である）に等しくなる高周波範囲において、二本巻き螺旋は、主要な放射状構造として機能する。高周波範囲において、アンテナシステムの帯域幅特性は、アンテナパターンにおける励起条件および変化を達成する精度により制約される。定在波比（ＳＷＲ）は、１．５〜３の周波数範囲内で変化する（図６）。
【００３３】
本発明によるアンテナは、自己補対原理（すなわち、金属部分およびスロット部分が絶対的に同じ形状および寸法を有すること）に基づくものであり、これにより、広範な有限帯域幅の範囲内で、一定の入力抵抗Ｒ≒１００Ωが保証される。四角形状のアルキメデス渦巻線の利用は、円形状の渦巻線と比較して、４／π倍小さな幾何学的寸法により決められる。構成要素間において、低速波構造を利用し、かつ、ガルヴァーニカップリングを無くすことは、小さな幾何学的寸法を有するシステムと給電線との間の整合の改善を保証する。このアンテナについては、円錐状回線（ｃｏｎｉｃａｌ ｌｉｎｅ）と二線式回線（ｔｗｏ−ｗｉｒｅ ｌｉｎｅ）と間の滑らかな移行を示す円錐状ラインバランス変換器（ｃｏｎｉｃａｌ ｌｉｎｅ−ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）により励起することができる。
【００３４】
本発明によるアンテナについては、改善された性能を備えたアンテナ給電装置を構成するための無線工学において、最も好都合に用いることができる。
【００３５】
《引用した参照文献》
１．《Ｓｕｐｅｒ−Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ａｎｔｅｎｎａｓ》，ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ Ｅｎｇｌｉｓｈ ｂｙ Ｐｏｐｏｖ Ｓ．Ｖ． ａｎｄ Ｚｈｕｒａｖｌｅｖ Ｖ．Ａ．， ｅｄ． Ｌ．Ｓ．Ｂｅｎｅｎｓｏｎ， ”Ｍｉｒ” Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ， Ｍｏｓｃｏｗ， １９６４， ｐａｇｅｓ １５１−１５４．
２．Ｆｒａｄｉｎ Ａ．Ｚ． ”Ａｎｔｅｎｎａ Ｆｅｅｄｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ”， ”Ｓｖｉａｚ” Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ， Ｍｏｓｃｏｗ， １９７７．
３．米国特許第５，２５７，０３２号明細書（ＩＰＣ Ｈ０１Ｑ １／３６、１９９３年１０月１０日公開）
【図面の簡単な説明】
【図１】等脚台形の形状のプレートにより作成されたアンテナ素子を備えた、本発明によるアンテナの一実施形態を示す図である。
【図２】渦巻線の中心からの距離とともに線形的に増加する幅を有するジグザグ細線により延長される二本巻きの矩形アルキメデス渦巻線により形成された、本発明によるアンテナの一実施形態を示す図である。
【図３】全ての伝導体と、アンテナ素子のジグザグ細線とが曲折模様を形成する、本発明によるアンテナの一実施形態を示す図である。
【図４】全ての伝導体と、アンテナ素子のジグザグ細線とが非周期的な連続的ピッチの曲折模様構造を形成し、該構造における周期が、同じ平均発生頻度を備えた数字０，１からなる疑似ランダムシーケンスにより定義される、本発明によるアンテナの一実施形態を示す図である。
【図５】７５Ωの特性インピーダンスに調整された定在波比（ＳＷＲ）の図表である。
【符号の説明】
１　スパイラルアンテナ
２　アンテナ素子
３　ジグザグ細線

Claims (14)

1. 単一平面内に配置され、かつ、互いに対向して向けられた巻きを備えた二本巻き螺旋の形に形成された伝導体により作成されたスパイラルアンテナと、
   それぞれ、同じ平面内に配置され、かつ、二本巻き螺旋の外側の巻きにおける伝導体の終端点に、互いに対向して連結された２つのアンテナ素子と
   を具備するアンテナであって、
   前記二本巻き螺旋は、直角の曲がり角を備えた線分により作成された矩形の渦巻線であり、
   前記アンテナ素子の各々は、等脚台形を形成し、かつ、該等脚台形の短い底辺の頂点において、伝導体の終端点に連結され、
   前記等脚台形の底辺は、二本巻き螺旋の線分に平行である
   ことを特徴とするアンテナ。
2. 前記二本巻き螺旋の線分は、真っ直ぐであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記伝導体は、四角形状の二本巻き螺旋の形に形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記アンテナ素子により形成された等脚台形の長い底辺の対向する頂点間の距離は、互いに等しく、かつ、該長い底辺の全ての隣接頂点間の距離に等しいことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記二本巻き螺旋の伝導体間の間隔は、該伝導体の厚さに等しいことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記等脚台形の短い底辺の長さＬは、Ｌ＝ｌ＋２δであり、ここで、ｌは、等脚台形の底辺に向けられた二本巻き螺旋の巻きの真っ直ぐな線分の長さであり、かつ、δは、二本巻き螺旋の巻き間の間隔のサイズであることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
7. 前記アンテナ素子は、中実のプレートであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記アンテナ素子は、等脚台形の形状に対応する曲げ角度を有するジグザグ細線であり、これにより、該ジグザグ細線のジグザグ部分は等脚台形の側辺と一致し、かつ、ジグザグ細線の接続ジグザグ部分は、等脚台形の底辺に平行であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
9. 前記二本巻き螺旋の伝導体間の間隔のサイズは、等脚台形の底辺に平行であるジグザグ細線の部分間の間隔のサイズに等しいことを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記アンテナ素子のジグザグ細線は、その長手方向の軸に沿って、曲折模様を形成することを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
11. 前記アンテナ素子のジグザグ細線は、その長手方向の軸に沿って、連続的ピッチの構造を形成し、該構造は、該連続的ピッチ間において、同じ平均発生頻度を備えた数字０，１からなる疑似ランダムシーケンスにより定義されることを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。
12. 前記伝導体の各々は、その長手方向の軸に沿って、曲折模様を形成することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
13. 前記二本巻き螺旋の伝導体の各々は、その長手方向の軸に沿って、連続的ピッチの構造を形成し、該構造は、該連続的ピッチ間において、同じ平均発生頻度を備えた数字０，１からなる疑似ランダムシーケンスにより定義されることを特徴とする請求項１２に記載のアンテナ。
14. 前記伝導体および前記アンテナ素子は、高い抵抗率を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。