JP2009268099A - 終端給電平面型スパイラルアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】高さの制約が少なく、広帯域特性及び放射効率を向上させることができる終端給電平面型スパイラルアンテナを提供する。
【解決手段】無線信号を送受信するための平面型スパイラルアンテナであって、平面内で任意の中心点から螺旋状に一定回数回転する内部スパイラル曲線及び外部スパイラル曲線を含んで形成されたスパイラルパターンと、前記スパイラルパターンの中心部分の一部に円形で形成された中心円パターンと、前記スパイラルパターンが一定回数の回転を終えた末端部分から直方形状に形成された給電アームパターンと、を含み、前記スパイラルパターン、中心円パターン、及び給電アームパターンが重なるパターン上に導電性物質でパターニングされたことを特徴とする。これにより、テーパー状のスパイラル構造を用いて広帯域特性が向上し、放射効率を効果的に高めることができる。また、高さの制約が少なく、小型化が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面型スパイラルアンテナに関し、より詳しくは、高さの制約が少なく、広帯域特性及び放射効率を向上させることができる終端給電平面型スパイラルアンテナに関する。

近年、衛星通信、移動通信、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）のような分野に対する関心が高まり、無線信号の送受信に必須であるアンテナに対する研究が活発に行われている。アンテナは共振特性を用いて特定周波数を大気中に放出するか、または大気中から特定周波数を受信する手段である。特に、アンテナは電子回路的な特性よりは構造的特性に影響を多大に受ける。アンテナは構造形態によってダイポールアンテナ、ループアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナなどがある。

これらのうちスパイラルアンテナは、１９５３年Ｅ．Ｍ．Ｔｕｒｎｅｒによって提案された周波数独立アンテナ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ａｎｔｅｎｎａ）であって、小型で広帯域整合特性を持ち、円偏波が得られるという長所がある。従来のスパイラルアンテナは、スパイラル中心に対して対称的な構造を持つため、全ての周波数領域でスパイラル平面に垂直方向に円偏波の主ビームを持つ。一般的なスパイラルアンテナ構造から中心を外側へ移動させた偏心スパイラルアンテナは、主ビームが円偏波ではあるが、主ビームの方向がアンテナ平面に垂直ではなく傾くようになる。このような特性は自動車や飛行機などの表面に付着する場合に効果的であり、単一素子のみで垂直から傾いた方向に円偏波を放射することができる。また、従来のスパイラルアンテナは、スパイラルの中心部分で給電しなければならなかったため、アンテナの中央から垂直で給電した。しかし、垂直給電方式の場合には、スパイラルの平面構造にもかかわらず、垂直で給電する構造によって嵩張り、給電部の整合のために別途バラン（ｂａｌｕｎ）を設計しなければならず、問題点があった。よって、スパイラルアンテナの広帯域特性及び放射効率を向上させることができ、アンテナの嵩を減らせる最適のアンテナパラメーターを具現できる、アンテナの構造が切実に求められている。

特開平０６−２６８４３４号公報

本発明は、前述したような問題点を解決するために創案されたものであり、アンテナの方向性及び広帯域特性が向上し、高さの制約が少なくて小型化が可能であり、インピーダンス整合のための受動素子の実装が容易であって放射効率を高め得る設計が可能な終端給電平面型スパイラルアンテナを提供するところにその目的がある。

前述したような目的を達成するために、本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナは、無線信号を送受信するための平面型スパイラルアンテナであって、平面内で任意の中心点から螺旋状に一定回数回転する内部スパイラル曲線及び外部スパイラル曲線を含んで形成されたスパイラルパターンと、前記スパイラルパターンの中心部分の一部に円形で形成された中心円パターンと、前記スパイラルパターンが一定回数の回転を終えた末端部分から直方形状に形成された給電アームパターンと、を含み、前記スパイラルパターン、中心円パターン、及び給電アームパターンが重なるパターン上に導電性物質でパターニングされたことを特徴とする。

望ましくは、前記スパイラルパターンにおいて、前記内部スパイラル曲線及び外部スパイラル曲線は下記数式によるＸ_ｎ、Ｙ_ｎ（ｎ：内部または外部スパイラル曲線のインデックス）の座標値で定義される。

望ましくは、前記数式で回転比定数であるα_ｉ、α_ｊ値の設定を通じて内部スパイラル曲線及び外部スパイラル曲線を含むスパイラルパターンの形状が決められる。

望ましくは、前記スパイラルパターンは、数式で異なるｎ（すなわち、内部及び外部スパイラル曲線）に関するα_ｉ、α_ｊ値を異なる値に設定することによってテーパー状の螺旋状に形成される。また、数式で同じｎ（すなわち、内部または外部スパイラル曲線）でＸ、Ｙに関するα_ｉ、α_ｊ値を異なる値に設定することによって楕円形の螺旋状に形成することもできる。

望ましくは、前記中心円パターンは、前記スパイラルパターンの中心部分の外部スパイラル曲線と一部一致する円形または楕円状に形成される。

本発明によれば、望ましくは、前記給電アームパターンにおいて、給電アームパターンの終端部分に給電部が垂直で連結されるか、又は水平で連結される。

本発明によれば、望ましくは、前記スパイラルパターンと中心円パターンとに受動素子が連結されるか、又は前記スパイラルパターンで回転数の異なる部分の間に受動素子が連結される。そして、前記受動素子はＲＬＣ素子回路であるか、又はインピーダンス整合回路である。

本発明によれば、終端給電方式のため方向性が向上し、高さの制約が少なくて面積対比長波長を受信することができ、小型化が可能である。また、テーパー状のスパイラル構造を用いて広帯域特性が向上し、放射効率を効果的に高め得るアンテナ構造が提供できる。また、インピーダンス整合に必要な受動素子をアンテナに実装し易い。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。

本発明の望ましい実施例による終端給電平面型スパイラルアンテナの構造を説明するために示した図である。 本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナで多様なスパイラルパターンの形態を示した図である。 本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナで多様なスパイラルパターンの形態を示した図である。 本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナで多様なスパイラルパターンの形態を示した図である。 本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナの電流密度を示した図である。 本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナが基板上にパターニングされたものを示した平面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

図１は、本発明の望ましい実施例による終端給電平面型スパイラルアンテナの構造を説明するために示した図である。

図１を参照すれば、本発明望ましい実施例による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、スパイラルパターン１０、中心円パターン２０、及び給電アームパターン３０を含み、前記スパイラルパターン１０、中心円パターン２０、及び給電アームパターン３０が重なるパターン上に導電性物質でパターニングされたものである。

前記スパイラルパターン１０は、平面内で任意の中心点Ａから螺旋状に一定回数回転する内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２を含んで形成される。前記スパイラルパターン１０で前記内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２は、アルキメデススパイラル（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅａｎ ｓｐｉｒａｌ）状であり、下記数式１によるＸ_ｎ、Ｙ_ｎ（ｎ：内部または外部スパイラル曲線のインデックス）の座標値で具現される。

数式を参考すれば、本発明によるスパイラルパターン１０の内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２は、中心点Ａで始まってスパイラル曲線の回転数Ｎに応じて範囲が決まるθの位置まで、スパイラル曲線の回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）が反映された指数関数に従って内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２のＸ、Ｙ座標が定義される。

本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、スパイラル曲線の回転数Ｎとスパイラル曲線の回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）とによってアンテナの構造的特性が決められる。ここで、前記スパイラル曲線の回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）は、内部スパイラル曲線１１と外部スパイラル曲線１２との間の回転比率の相対的な差と、内部スパイラル曲線１１または外部スパイラル曲線１２でＸ座標とＹ座標間の回転比率の相対的な差とを定義した定数値である。

以下、前記スパイラル曲線の回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）に応じて多様なスパイラルパターンの構造的形態を図面を参照してより詳細に説明する。

図２ａないし図２ｃは、本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナで多様なスパイラルパターンの形態を示した図である。

図２ａは、内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２の回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）が同じ場合であり、内部スパイラル曲線１１と外部スパイラル曲線１２とは同一のスパイラル状で回転して、内部スパイラル曲線１１と外部スパイラル曲線１２との間の間隔は一定に保持され、スパイラルパターン１０は一般的なスパイラル構造を持つ。

図２ｂは、内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２の回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）が異なる場合であり、内部スパイラル曲線１１と外部スパイラル曲線１２とは相互異なるスパイラル状で回転して、内部スパイラル曲線１１と外部スパイラル曲線１２との間の間隔が回転の進行と共に広くなり、スパイラルパターン１０はテーパー状のスパイラル構造を持つ。

図２ｃは、内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２でＸ座標とＹ座標との回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）が異なる場合であり、内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２は楕円状に回転するようになる。このとき、内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２の回転比定数が同じ場合には２つの曲線間の間隔が同一であって、回転比定数が異なる場合には２つの曲線間の間隔が回転の進行と共に広くなり、楕円のテーパー状スパイラル構造を持つ。

上述した本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、スパイラルパターン１０の内部スパイラル曲線１１及び外部スパイラル曲線１２の回転数Ｎ及び回転比定数（α_ｉ、α_ｊ）を数値解析を用いた最適技法で計算することで、アンテナの使用環境、使用周波数、形成される基板などのような要因が多様な条件下でも、アンテナの性能を最大限確保できるアンテナの構造的設計が可能である。例えば、図２ｂ及び図２ｃに示されたようなテーパー状のスパイラル構造でアンテナを設計すると、アンテナの広帯域化が可能である。

前記中心円パターン２０は、前記スパイラルパターン１０の中心部分の外部スパイラル曲線１２と一部が一致する円形で形成される。中心円パターン２０は、外部スパイラル曲線１２の形状によって円形または楕円形に形成され得る。
本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、前記中心円パターン２０を用いて放射効率を高めることができる。アンテナは給電線（図示せず）から最も離れた地点に主放射部を持つが、本発明は給電線がスパイラルパターン１０の中心部分ではなく終端部分に位置しているため、主放射部がスパイラルパターン１０の中心部分に位置するようになる。特に、主放射部部分の抵抗成分を低めれば高い放射効率が得られるため、相対的に広い面積を割り当てることができるように前記中心円パターン２０を形成した。前記中心円パターン２０の大きさはスパイラルパターン１０の外部スパイラル曲線１２と一部一致し、数値解析を用いた最適技法で計算された大きさに調節することで、高い放射効率を持つアンテナを設計することができる。

前記給電アームパターン３０は、前記スパイラルパターン１０の末端部分から直方形状に形成される。給電アームパターン３０は終端部分に給電部（図示せず）が連結される。給電部は給電アームパターン３０と垂直または水平で連結され得る。

本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、前記給電アームパターン３０をスパイラルパターン１０の終端部分に位置させることで、アンテナの方向性を向上させることができる。

図３は、本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナの電流密度を示した図である。

図面を参照すれば、前記給電アームパターン３０と連結された給電部から供給された電流は、中心円パターン２０で電流密度が急激に減少することが分かる。これは誘起電流が中心円パターン２０から伝播するために生じる現象である。本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、誘起電流の伝播を向上させる、すなわち、放射効率を高めるために中心円パターン２０を形成し、広帯域特性を強化するためにテーパー状のスパイラルパターン１０を形成した。そして、スパイラルパターン１０の末端部分に給電アームパターン３０を形成して給電部を連結し、アンテナの方向性を向上させた。

図４は、本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナが基板上にパターニングされたものを示した平面図である。

図面を参照すれば、本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、平面状の基板４０に形成された前記スパイラルパターン１０、中心円パターン２０、及び給電アームパターン３０が重なるパターン上に導電性物質でパターニングされた。本発明の実施例では、基板４０上に導電性インクを印刷する方法で形成される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、銅、銅合金、アルミニウムなどのような純粋金属を導電性物質として用いることもできる。また、印刷方法の以外に基板上に導電性物質をエッチングや蒸着する方法を用いることもできる。

本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、送受信感度を高めるためのインピーダンス整合に使用できるＲＬＣのような受動素子を前記スパイラルパターン１０と中心円パターン２０の位置に連結することができる。また、スパイラルパターン１０で回転数が異なる部分の間に受動素子を連結することもできる。

前述したように、本発明による終端給電平面型スパイラルアンテナ１００は、テーパー状のスパイラル構造、中心円構造、終端部分に給電線を連結するそれぞれの構造的特性により、広帯域特性が向上し、放射効率を効果的に高めることができるアンテナの構造設計が可能である。

以上、本発明をたとえ限定された実施例及び図面によって説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

１００…終端給電平面型スパイラルアンテナ
１０…スパイラルパターン
１１…内部スパイラル曲線
１２…外部スパイラル曲線
２０…中心円パターン
３０…給電アームパターン

Claims (11)

1. 無線信号を送受信するための平面型スパイラルアンテナにおいて、
   平面内で任意の中心点から螺旋状に一定回数回転する内部スパイラル曲線及び外部スパイラル曲線を含んで形成されたスパイラルパターンと、
   前記スパイラルパターンの中心部分の一部に円形で形成された中心円パターンと、
   前記スパイラルパターンが一定回数の回転を終えた末端部分から直方形状に形成された給電アームパターンと、を含み、
   前記スパイラルパターン、中心円パターン及び給電アームパターンが重なるパターン上に導電性物質でパターニングされたことを特徴とする終端給電平面型スパイラルアンテナ。
2. 前記スパイラルパターンで、前記内部スパイラル曲線及び外部スパイラル曲線は下記数式によるＸ_ｎ、Ｙ_ｎ（ｎ：内部または外部スパイラル曲線のインデックス）の座標値で定義されたことを特徴とする請求項１に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
   

   
3. 前記数式で回転比定数であるα_ｉ、α_ｊ値の設定を通じて内部スパイラル曲線及び外部スパイラル曲線を含むスパイラルパターンの形状が決められることを特徴とする請求項２に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
4. 前記スパイラルパターンは、前記数式で異なるｎ（すなわち、内部及び外部スパイラル曲線）に関するα_ｉ、α_ｊ値を異なる値で設定することによってテーパー状の螺旋状で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
5. 前記スパイラルパターンは、前記数式で同じｎ（すなわち、内部または外部スパイラル曲線）でＸ、Ｙに関するα_ｉ、α_ｊ値を異なる値に設定することによって楕円形の螺旋状で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
6. 前記中心円パターンは、前記スパイラルパターンの中心部分の外部スパイラル曲線と一部が一致する円形または楕円形状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
7. 前記給電アームパターンの終端部分に給電部が垂直で連結されることを特徴とする請求項１に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
8. 前記給電アームパターンの終端部分に給電部が水平で連結されることを特徴とする請求項１に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
9. 前記スパイラルパターンと中心円パターンとに受動素子が連結されることを特徴とする請求項１に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
10. 前記スパイラルパターンで回転数が異なる部分の間に受動素子が連結されることを特徴とする請求項１に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。
11. 前記受動素子はＲＬＣ素子回路であるか、またはインピーダンス整合回路であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の終端給電平面型スパイラルアンテナ。

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