JP2010068070A - デュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法 - Google Patents

デュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法 Download PDF

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Abstract

【課題】簡単に1次共振周波数及び3次共振周波数を所望の周波数に設定してデュアルバンドで動作を実現するデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法を提供する。
【解決手段】ヘリカルアンテナ1の3次共振周波数が所望の周波数となるようにヘリカル導体線2の巻数を調整すると同時にヘリカル導体線2の巻数の調整に応じて1次共振周波数が動かないように円形のヘリカル導体線の直径rを調整する。
【選択図】図1

Description

本発明は、デュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法に関するものである。
一般に、ヘリカルアンテナ1は、図1に示すように、導体板2と、螺旋状に巻き付けられたヘリカル導体線3と、ヘリカル導体線3の一端及び導体板2の間に設けられた給電線4と、が設けられている。このようなヘリカルアンテナ1は、ヘリカル導体線3が螺旋状に設けられているため小型化を図ることができる。
しかしながら、従来ではヘリカルアンテナ1の1次共振周波数及び3次共振周波数を調整する設計手法が確立されていない。このため、1次共振周波数及び3次共振周波数の両方を所望の周波数に調整することが難しく、従来では1次共振周波数のみを所望の周波数に設定して、シングルバンドで動作させていた。即ち、従来では、シングルバンドで動作するヘリカルアンテナ1しか設計することができない、という問題点があった。
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、簡単に1次共振周波数及び3次共振周波数の両方を所望の周波数に設定してデュアルバンドで動作を実現するデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、1次共振周波数及び3次共振周波数の両方を簡単に所望の周波数にすべく検討を重ねた結果、円形の螺旋状に巻いて設けられたヘリカル導体線の場合、その巻数及び直径を調整することによって、1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数を調整できることを見出し、本発明を完成するに至った。また、長方形の螺旋状に巻いて設けられたヘリカル導体線の場合、その巻数及び長辺の長さを調整することによって、1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数を調整できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、請求項1記載の発明は、円形の螺旋状に巻いて設けられたヘリカル導体線と、前記ヘリカル導体線の一端に設けられた給電線と、を備えたデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法であって、1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数が所望の周波数に移動するように前記ヘリカル導体線の巻数及び直径を調整することを特徴とするデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法に存する。
請求項2記載の発明は、長方形の螺旋状に巻いて設けられたヘリカル導体線と、前記ヘリカル導体線の一端に設けられた給電線と、を備えたデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法であって、1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数が所望の周波数に移動するように前記ヘリカル導体線の巻数及び長辺の長さを調整することを特徴とするデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法に存する。
以上説明したように請求項1記載の発明によれば、最初に1次共振周波数のみを所望の周波数にした基本品を設計した後に、基本品のヘリカル導体線の巻数及直径の2つのパラメータを調整するだけで、1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数を所望の周波数に調整することができ、簡単に1次共振周波数及び3次共振周波数を所望の周波数に設定してデュアルバンドで動作を実現するデュアルバンド・ヘリカルアンテナを設計することができる。
請求項2記載の発明によれば、最初に1次共振周波数のみを所望の周波数にした基本品を設計した後に、基本品のヘリカル導体線の巻数及長辺の長さの2つのパラメータを調整するだけで、1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数を所望の周波数に調整することができ、簡単に1次共振周波数及び3次共振周波数を所望の周波数に設定してデュアルバンドで動作を実現するデュアルバンド・ヘリカルアンテナを設計することができる。
第1実施形態
以下、本発明の第1実施形態を図面に基づいて説明する。図1に示すように、デュアルバンド・ヘリカルアンテナ1(以下単にヘリカルアンテナ1と略記する)は、導体板2と、ヘリカル導体線3と、給電線4と、逆F線5と、が設けられている。上記導体板2は、導電性を有する平板から構成されている。ヘリカル導体線3及び給電線4は、1本の導体線から構成されている。この1本の導体線は、ヘリカル導体線3及び給電線4が直交するようにL字型に折り曲げられている。
上記ヘリカル導体線3は、円形の螺旋状に巻いて設けられている。ヘリカル導体線3の一端には、給電線4が設けられている。ヘリカル導体線3の他端は、開放されている。給電線4は、ヘリカル導体線3側とは逆側の端部が導体板2に接続されている。逆F線5は、インピーダンス整合を取るために設けられている。逆F線5は、給電線4と平行に配置されている。逆F線5は、一端が導体板2に接続されていて、他端が折り曲げられて給電線4に接続されている。
次に、本発明者らは、給電線4の長さS=10mm、ヘリカル導体線3の巻数N=32、ヘリカル導体線3の直径r=2mm、ヘリカル導体線3の間隔b=1mm、ヘリカル導体線3及び給電線4の太さ直径0.5mm、の図1に示すヘリカルアンテナ1である基本品Aを作製してその周波数対反射係数S11特性を測定した。結果を図2に示す。図2から明らかなように、基本品Aの1次共振周波数f1は813MHzであり、3次共振周波数f2は2290MHzであることが分かった。
また、本発明者は、基本品Aの1次共振周波数f1=813MHzでの反射係数Γ1、利得g1、3次共振周波数f2=2290MHzでの反射係数Γ2、利得g2を測定した。結果を図3に示す。図3から明らかなように、基本品Aにおいては、1次共振周波数f1=813MHzにおける反射係数Γ1=0.0815、利得g1=3.170となり、3次共振周波数f2=2290MHzにおける反射係数Γ2=0.1505、利得g2=5.299となることが分かった。
今、例えば、f11及びf12(所望の周波数)の2つの周波数でデュアルバンド動作可能なヘリカルアンテナ1を設計したいとする。そして、基本品Aの1次共振周波数f1とf11とが813MHzで等しく(f1=f11)、基本品Aの3次共振周波数f2=2290MHzとf12とが等しくなかったとする(f2≠f12)。このとき、1次共振周波数f1をf11に設定して3次共振周波数f2をf12に設定してデュアルバンドで動作させるためには、1次共振周波数f1=f11を固定したまま3次共振周波数f2を動かしてf12に設定する必要がある。即ち、f2/f1を変化させる必要がある。なお、基本品Aのように1次共振周波数f1=813MHz、3次共振周波数f2=2290MHzの場合、f2/f1=2.817となる。
次に、本発明者らは、基本品Aに対して他のパラメータを固定したままヘリカル導体線3の巻数N及び直径rが互いに異なる複数のヘリカルアンテナ1を作製して、作製したヘリカルアンテナ1の1次共振周波数f1、3次共振周波数f2をそれぞれ求めた。結果、図2及び図3の製品B〜製品Eに示すように、ヘリカル導体線3の巻数N及び直径rを調整すれば、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2のみ調整できることを見出した。また、図4及び図5の製品F〜Iに示すように、ヘリカル導体線3及び給電線4を構成する1本の導体線の長さが基本品Aとほぼ同じになるような巻数N及び直径rの組み合わせでは、1次共振周波数f1も動いてしまうことが分かった。
上記製品Bは、ヘリカル導体線3の巻数N=18.45、ヘリカル導体線3の直径r=3mmに設けられている。製品Bの3次共振周波数f2は、基本品Aよりも小さい2132MHzに設定される。製品Cは、ヘリカル導体線3の巻数N=11.9、ヘリカル導体線3の直径r=4mmに設けられている。製品Cの3次共振周波数f2は、基本品A及び製品Bよりも小さい2033MHzに設定されている。
製品Dは、ヘリカル導体線3の巻数N=41.1、ヘリカル導体線3の直径r=1.5mmに設けられている。製品Dの3次共振周波数f2は、基本品Aよりも大きい2360MHzに設定されている。製品Eは、ヘリカル導体線3の巻数N=57.7、ヘリカル導体線3の直径r=1mmに設けられている。製品Eの3次共振周波数f2は、基本品Aよりも大きい2430MHzに設定されている。上述した製品B〜製品Dの1次共振周波数f1は基本品Aと同じに固定されている。これら製品B〜Dは、図3に示すように、反射係数Γ1、Γ2ともに0.3以下(即ちVSWRが2以下)と良好であり、また利得g1、g2共に2dBi以上であり、アンテナとしても動作していることが確認された。
図2及び図3の製品B、Cの欄からも明らかなように、ヘリカル導体線3の巻数Nを減らすと同時にヘリカル導体線3の直径rを大きくすると、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2を小さくできることが分かった。また、図2及び図3の製品D、Eの欄からも明らかなように、ヘリカル導体線3の巻数Nを増やすと同時にヘリカル導体線3の直径rを小さくすると、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2を大きくできることが分かった。即ち、ヘリカルアンテナ1の巻数N及び直径rを調整することによって、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2が調整できることが分かった。
そこで、第1実施形態では、まず1次共振周波数f1のみを上記f11に設定した基本品Aの設計を行う。次に、3次共振周波数f2が上記f12となるように基本品Aに対してヘリカル導体線3の巻数Nを変動させて調整する。同時にヘリカル導体3の巻数Nの調整に応じて1次共振周波数f1=f11が動かないように基本品Aに対して円形のヘリカル導体線3の直径rを変動させて調整する。これにより、1次共振周波数f1がf11に設定されて3次共振周波数f2がf12に設定されてデュアルバンドで動作可能なヘリカルアンテナ1を設計することができる。
例えば、f12が基本品Aの3次共振周波数f2=2290MHzよりも小さい場合、巻数Nを基本品Aに比べて巻数を減らすと同時に直径rを大きくすれば、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2を基本品Aの3次共振周波数f2よりも高い値に設定することができる。一方、f12が基本品Aの3次共振周波数f2=2290MHzよりも大きい場合、巻数Nを基本品Aに比べて減らすと同時に直径rを大きくすれば、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2を基本品Aの3次共振周波数f2よりも高いf12に調整することができる。
上述したヘリカルアンテナ1の設定方法によれば、最初に1次共振周波数f1のみをf11にした基本品Aを設計した後に、その基本品Aに対してヘリカル導体線3の巻数N及直径rの2つのパラメータを調整するだけで、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2をf12に調整することができ、簡単に1次共振周波数f1及び3次共振周波数f2をf11、f12に設定してデュアルバンドで動作を実現するヘリカルアンテナ1を設計することができる。
第2実施形態
次に、本発明の第2実施形態を図面に基づいて説明する。図6に示すように、ヘリカルアンテナ11は、導体板12と、ヘリカル導体線13と、給電線14と、逆F線15と、が設けられている。上記導体板12は、導電性を有する平板から構成されている。ヘリカル導体線13及び給電線14は、1本の導体線から構成されている。この1本の導体線は、ヘリカル導体線13及び給電線14が直交するようにL字型に折り曲げられている。
上記ヘリカル導体線13は、長方形の螺旋状に巻いて設けられている。ヘリカル導体線13の一端には、給電線14が設けられている。ヘリカル導体線13の他端は、開放されている。給電線14は、ヘリカル導体線13側とは逆側の端部が導体板12に接続されている。逆F線15は、インピーダンス整合を取るために設けられている。逆F線15は、給電線14と平行に配置されている。逆F線15は、一端が導体板12に接続されていて、他端が折り曲げられて給電線14に接続されている。
次に、本発明者らは、給電線14の長さS=10mm、ヘリカル導体線13の巻数N=15、ヘリカル導体線13の間隔b=1mm、長方形のヘリカル導体線13の短辺の長さd=1mm、長辺の長さw=1mm、ヘリカル導体線13及び給電線14の太さ直径0.5mm、の図6に示すヘリカルアンテナ11である基本品aを作製してその周波数対反射係数S11特性を測定した。結果を図7に示す。図7から明らかなように、基本品aの1次共振周波数f1は1520MHzであり、3次共振周波数f2は4525MHzであることが分かった。
また、本発明者は、基本品aの1次共振周波数f1=1520MHzでの反射係数Γ1、利得g1、3次共振周波数f2=4525MHzでの反射係数Γ2、利得g2を測定した。結果を図8に示す。図8から明らかなように、基本品aにおいては、1次共振周波数f1=1520MHzにおける反射係数Γ1=0.2596、利得g1=3.453となり、3次共振周波数f2=4525MHzにおける反射係数Γ2=0.4294、利得g2=4.089となることが分かった。
今、例えば、f11及びf12(所望の周波数)の2つの周波数でデュアルバンド動作可能なヘリカルアンテナ11を設計したいとする。そして、基本品aの1次共振周波数f1とf11とが1520MHzで等しく(f1=f11)、基本品aの3次共振周波数f2=4525MHzとf12とが等しくなかったとする(f2≠f12)。このとき、1次共振周波数f1をf11に設定して3次共振周波数f2をf12に設定してデュアルバンドで動作させるためには、1次共振周波数f1=f11を固定したまま3次共振周波数f2を動かしてf12に設定する必要がある。即ち、f2/f1を変化させる必要がある。なお、基本品aのように1次共振周波数f1=1520MHz、3次共振周波数f2=4525MHzの場合、f2/f1=2.977となる。
次に、本発明者らは、基本品aに対して他のパラメータを固定したままヘリカル導体線13の巻数N及び長辺の長さwが互いに異なる複数のヘリカルアンテナ11を作製して、作製したヘリカルアンテナ11の1次共振周波数f1、3次共振周波数f2をそれぞれ求めた。結果、図7及び図8の製品b〜製品fに示すように、ヘリカル導体線13の巻数N及び長辺の長さwを調整すれば、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2のみ調整できることを見出した。また、図8及び図9の製品g〜kに示すように、ヘリカル導体線13及び給電線14を構成する1本の導体線の長さが基本品aとほぼ同じになるような巻数N及び長辺の長さwの組み合わせは、1次共振周波数f1も動いてしまうことが分かった。
上記製品bは、ヘリカル導体線13の巻数N=12.33、ヘリカル導体線13の長辺の長さw=2mmに設けられている。製品bの3次共振周波数f2は、基本品aよりも小さい4400MHzに設定される。製品cは、ヘリカル導体線13の巻数N=7.58、ヘリカル導体線13の長辺の長さw=5mmに設けられている。製品cの3次共振周波数f2は、基本品a及び製品bよりも小さい4060MHzに設定されている。
製品dは、ヘリカル導体線13の巻数N=5.36、ヘリカル導体線13の長辺の長さw=10mmに設けられている。製品dの3次共振周波数f2は、基本品a、製品b、cよりも小さい3600MHzに設定されている。製品eは、ヘリカル導体線13の巻数N=2.72、ヘリカル導体線13の長辺の長さw=15mmに設けられている。製品eの3次共振周波数f2は、基本品a、製品b〜dよりも小さい3325MHzに設定されている。製品fは、ヘリカル導体線13の巻数N=1.86、ヘリカル導体線13の長辺の長さw=20mmに設けられている。製品fの3次共振周波数f2は、基本品a、製品b〜eよりも小さい3160MHzに設定されている。上述した製品b〜製品fの1次共振周波数f1は基本品aと同じに固定されている。これら製品b〜fは、図8に示すように、反射係数Γ1、Γ2ともに0.5以下(即ちVSWRが3以下)と良好であり、また利得g1、g2共に2dBi以上であり、アンテナとしても動作していることが確認された。
図7及び図8の製品b〜fの欄からも明らかなように、ヘリカル導体線13の巻数Nを減らすと同時にヘリカル導体線13の長辺の長さwを大きくすると、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2を小さくできることが分かった。即ち、ヘリカルアンテナ11の巻数N及び長辺の長さwを調整することによって、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2が調整できることが分かった。
そこで、第2実施形態では、まず1次共振周波数f1のみを上記f11に設定した基本品aの設計を行う。次に、3次共振周波数f2が上記f12となるように基本品aに対してヘリカル導体線13の巻数Nを変動させて調整する。同時にヘリカル導体13の巻数Nの調整に応じて1次共振周波数f1=f11が動かないように基本品aに対して長方形のヘリカル導体線13の長辺の長さwを変動させて調整する。これにより、1次共振周波数f1がf11に設定されて3次共振周波数f2がf12に設定されてデュアルバンドで動作可能なヘリカルアンテナ11を設計することができる。
例えば、f12が基本品aの3次共振周波数f2=4525MHzよりも小さい場合、巻数Nを基本品aに比べて巻数を減らすと同時に長辺の長さwを大きくすれば、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2を基本品aの3次共振周波数f2よりも高い値に設定することができる。
上述したヘリカルアンテナ11の設定方法によれば、最初に1次共振周波数f1のみをf11にした基本品aを設計した後に、その基本品aに対してヘリカル導体線13の巻数N及長辺の長さwの2つのパラメータを調整するだけで、1次共振周波数f1を固定したまま3次共振周波数f2をf12に調整することができ、簡単に1次共振周波数f1及び3次共振周波数f2をf11、f12に設定してデュアルバンドで動作を実現するヘリカルアンテナ11を設計することができる。
なお、上述した第1及び第2実施形態では、インピーダンス整合を取るため逆F構造としていたが、逆F以外にも集中定数回路をス遠敷する方法などがあり、本発明は逆F整合の場合のみに限定されるものではない。
なお、上述した第1実施形態及び第2実施形態では、ヘリカル導体線2、12と給電線4、14とが直交するL字型のヘリカルアンテナ1、11の設計方法について説明していたが、本発明はこれに限ったものではない。ヘリカル導体線2、12と給電線4、14とが一直線上に配置された直立型のヘリカルアンテナ1、11についても同様の設計方法を適用することができる。
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
第1実施形態におけるデュアルバンド・ヘリカルアンテナの一実施の形態を示す構成図である。 基本品A、製品B〜Eの周波数対反射係数S11特性を示すグラフである。 基本品A、製品B〜Eの給電線の長さS、ヘリカル導体線の直径r、ヘリカル導体線の間隔b、ヘリカル導体線の巻数、1次共振周波数f1、1次共振周波数f1における反射係数Γ1及び利得g1、3次共振周波数f2、3次共振周波数f2における反射係数Γ2及び利得g2、f2/f1を示すグラフである。 製品F〜Iの周波数対反射係数S11特性を示すグラフである。 製品F〜Iの給電線の長さS、ヘリカル導体線の直径r、ヘリカル導体線の間隔b、ヘリカル導体線の巻数、1次共振周波数f1、1次共振周波数f1における反射係数Γ1及び利得g1、3次共振周波数f2、3次共振周波数f2における反射係数Γ2及び利得g2、f2/f1を示すグラフである。 第2実施形態におけるデュアルバンド・ヘリカルアンテナの一実施の形態を示す構成図である。 基本品a、製品b〜fの周波数対反射係数S11特性を示すグラフである。 基本品a、製品b〜fの給電線の長さS、ヘリカル導体線の直径r、ヘリカル導体線の間隔b、ヘリカル導体線の巻数、1次共振周波数f1、1次共振周波数f1における反射係数Γ1及び利得g1、3次共振周波数f2、3次共振周波数f2における反射係数Γ2及び利得g2、f2/f1を示すグラフである。 製品g〜kの周波数対反射係数S11特性を示すグラフである。 製品g〜kの給電線の長さS、ヘリカル導体線の直径r、ヘリカル導体線の間隔b、ヘリカル導体線の巻数、1次共振周波数f1、1次共振周波数f1における反射係数Γ1及び利得g1、3次共振周波数f2、3次共振周波数f2における反射係数Γ2及び利得g2、f2/f1を示すグラフである。
符号の説明
1 ヘリカルアンテナ
3 ヘリカル導体線
4 給電線
r 直径
11 ヘリカルアンテナ
13 ヘリカル導体線
14 給電線
w 長辺の長さ

Claims (2)

  1. 円形の螺旋状に巻いて設けられたヘリカル導体線と、前記ヘリカル導体線の一端に設けられた給電線と、を備えたデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法であって、
    1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数が所望の周波数に移動するように前記ヘリカル導体線の巻数及び直径を調整する
    ことを特徴とするデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法。
  2. 長方形の螺旋状に巻いて設けられたヘリカル導体線と、前記ヘリカル導体線の一端に設けられた給電線と、を備えたデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法であって、
    1次共振周波数を固定したまま3次共振周波数が所望の周波数に移動するように前記ヘリカル導体線の巻数及び長辺の長さを調整する
    ことを特徴とするデュアルバンド・ヘリカルアンテナの設計方法。
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