JP2014027392A

JP2014027392A - スパイラルアンテナ

Info

Publication number: JP2014027392A
Application number: JP2012164567A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tanabe; 正宏田邊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-02-06
Also published as: EP2690707A1; US20140028528A1; US9112268B2

Abstract

【課題】小型でかつ低域周波数帯において良好なアンテナ特性を有するスパイラルアンテナを提供する。
【解決手段】スパイラルアンテナは、スパイラルアーム１１，１２と、スパイラルアーム１１，１２の終端部を隣接するスパイラルアーム１１，１２に接続する接続部１３，１４とを備え、スパイラルアーム１１，１２の終端を折り返し構造とすることで、スパイラルアーム１１，１２の終端部での反射波を抑制し、簡単な構造で低域周波数帯におけるアンテナ特性（利得、軸比）を改善し、スパイラルアンテナの小型化を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、広帯域な特性を有するスパイラルアンテナに関する。

スパイラルアンテナは、広帯域特性を有するが、その下限周波数は、アンテナの外形により制約を受ける。下限周波数において良好なアンテナ特性（利得や軸比）を得るためには、アンテナ外形を大きくすることや、電波吸収体等の追加、終端部位の形状を変形、さらに吸収抵抗等を付加することが知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１，２を参照）。

特開２０００−２５２７３８号公報

B. A. Kramer, et. al., "Size Reduction of a Low-Profile Spiral Antenna Using Inductive and Dielectric Loading", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, pp. 22-25, 2008. C. Kinezos, et al., "Ultra-wideband Circular Polarized Microstrip Archimedean Spiral Antenna Loaded with Chip-resistor", IEEE International Symposium Digest on Antennas and Propagation, pp. 612-615,june 2003. J. T. Bernhard, "Compact Single-Arm Square Spiral Microstrip Antenna with Tuning Arms", IEEE International Symposium Digest on Antennas and Propagation, pp. 696-699,june 2001.

アンテナ外形を大きくすることで、簡単に下限周波数においてアンテナ性能を向上させることが可能であるが、アンテナの小型化という観点からは相反する状態となる。また、特許文献１のように電波吸収体を追加する方法は、アンテナの外形は維持されつつ、下限周波数においてアンテナ特性の改善は図れる一方で、電波吸収体によりエネルギーが吸収されてしまうため、アンテナ利得が劣化するおそれがある。非特許文献１、２のようにアンテナ終端部の形状を変形する場合や抵抗を装荷する場合は、小型化は可能であるが、構造の複雑化を招くという欠点がある。なお、非特許文献３のようにスパイラルアンテナの小型化を目的として、スパイラルアームの途中にＴｕｎｉｎｇＡｒｍを付加する構造もあるが、これは、アンテナと給電線路の整合を改善させ、ＶＳＷＲの広帯域化を図ったものであり、これだけではその他のアンテナ特性、とくに軸比特性の広帯域化には寄与することは困難である。

本実施形態の目的は、小型でかつ低域周波数帯において良好なアンテナ特性を有するスパイラルアンテナを提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明の一様態は、少なくとも１つのスパイラルアームと、前記スパイラルアームの終端部を隣接するスパイラルアームに接続する接続部と
を具備することを特徴とするスパイラルアンテナを提供する。

本実施形態に係るスパイラルアンテナの斜視図。図１に示すスパイラルアンテナの平面図。一般的なスパイラルアンテナの周波数と軸比の関係を示す図。周波数１．６５ＧＨｚにおけるアンテナ長と電流との関係を示す図。周波数２．１５ＧＨｚにおけるアンテナ長と電流との関係を示す図。周波数５ＧＨｚにおけるアンテナ長と電流との関係を示す図。周波数と軸比の関係を示す図。周波数と利得の関係を示す図。本実施形態の変形例１に係る１点給電のスパイラルアンテナの斜視図。本実施形態の変形例２に係るスパイラルアンテナの平面図。本実施形態の変形例３に係るスパイラルアンテナの平面図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るスパイラルアンテナを説明する。

図１に、本実施形態に係るスパイラルアンテナの斜視図を示す。図２は、図１に示すスパイラルアンテナの平面図である。

このスパイラルアンテナは、例えば、２本のスパイラルアーム１１，１２を有し、スパイラルアーム１１，１２のそれぞれの終端を隣接アームに接続する接続部１３，１４を有する構造とする。スパイラルアーム１１，１２は、例えば、図１に示すように金属基板にエッチングによりパターン形成するストリップアンテナや、ワイヤー（金属線）を巻く方法で形成することもできる。接続部１３，１４は、例えば、図１に示すようにスパイラルアーム１１，１２の終端部を折り返して隣接する他方のスパイラルアームに電気的に接続する。

次に、このように構成されるスパイラルアンテナの動作について説明する。
スパイラルアンテナの動作原理は、バンド理論で説明できる。すなわち動作周波数に対する波長とアンテナ外周が等しい領域（１波長円周）でアンテナからの放射が起こる。したがって動作下限周波数において、スパイラルアンテナの最外周が１波長円周よりも小さい場合は、当該周波数においてスパイラルアンテナからの放射が起こらず、スパイラルアームに流れる電流はスパイラルアーム終端で反射し、特性の劣化を招く。

図３は、一般的なスパイラルアンテナの動作周波数と軸比の関係を示すもので、横軸を周波数［ＧＨｚ］とし、縦軸を軸比［ｄＢ］とするグラフである。図３に示すように、下限周波数（図４のＦＬ）を境にして特性の劣化が発生するのではなく、高域周波数（図４のＦＬ’）から少しずつ性能の劣化が生じるため、下限周波数で良好な性能を得るためには、アンテナ外周を大きくする必要がある。

一方、この反射波を抑圧する技術としてスパイラルアンテナに電波吸収体を追加することが知られている。電波吸収体により下限周波数帯付近で発生するスパイラルアーム終端で発生する反射波を吸収することで、特性の改善が図られるが、同時に放射するエネルギーも吸収してしまうため、アンテナ効率の低下が生じる。

そこで、本実施形態においては、接続部１３，１４を設けることにより、スパイラルアーム終端部の電流が他方のスパイラルアーム中心部とスパイラルアーム終端部の両方に流れる。このうち他方のスパイラルアーム中心に流れる電流は、もともとスパイラルアームで流れる電流と逆位相関係になるため打ち消されることで、スパイラルアーム終端で反射する電流を軽減することができる。このように構成することで、簡単な構造によって、スパイラルアーム終端部での反射波を抑制し、下限周波数帯域におけるアンテナ性能の劣化を改善することが可能となる。

本実施形態における効果を図４乃至６に示す。図４乃至６は、スパイラルアーム終端部で折り返した場合と折り返さない場合のアーム上の電流分布を示すもので、横軸をスパイラル中心からの終端までのアーム長とし、縦軸左側を電流［Ａ］とし、縦軸右側を位相［ｄｅｇ］とするグラフである。また、このグラフにおいて、実線は実部、破線は虚数部、一点鎖線は振幅、点線は位相を示す。

図４（ａ）は周波数１．６５ＧＨｚで終端部の折り返し無しの場合、図４（ｂ）は周波数１．６５ＧＨｚで終端部の折り返し有りの場合を示す。図５（ａ）は周波数２．１５ＧＨｚで終端部の折り返し無しの場合、図５（ｂ）は周波数２．１５ＧＨｚで終端部の折り返し有りの場合を示す。図６（ａ）は周波数５ＧＨｚで終端部の折り返し無しの場合、図６（ｂ）は周波数５ＧＨｚで終端部の折り返し有りの場合を示す。なお、この場合のスパイラルアームは、図１に示すストリップではなく、ワイヤーで構成されているが両者の特性の差は本質的ない。

図４（ａ），４（ｂ）と図５（ａ），５（ｂ）は下限周波数付近での電流分布であり、電流分布の振幅（一点鎖線）をみると、図４（ｂ），５（ｂ）のようにスパイラルアーム終端部を折り返した場合は、スパイラルアーム全体に渡って定在波の振幅が低減していることがわかる。また位相についても線形的に変化していることがわかる。これは反射波が軽減され、スパイラルアーム上に進行波電流が発生していることを意味している。一方、図６（ａ），６（ｂ）をみると１波長円周がスパイラルアンテナの内側に存在する周波数（５ＧＨｚ）においては、スパイラルアーム終端部の折り返しの有無にかかわらず、同一の電流分布であり進行波電流が発生していることがわかる。

図７は、軸比特性を示したものであり、横軸を周波数［ＧＨｚ］とし、縦軸を軸比［ｄＢ］とするものである。また、図８は、利得特性を示したものであり、横軸を周波数［ＧＨｚ］とし、縦軸を指向性利得［ｄＢ］とするものである。図７，８をみると、良好な軸比、利得特性が低い周波数帯域にまで伸びていることが確認することができる。

したがって、本実施形態によれば、スパイラルアンテナにおいて、スパイラルアーム終端を折り返し構造とすることで、スパイラルアーム終端部での反射波を抑制することができるため、簡単な構造で低域周波数帯におけるアンテナ特性（利得、軸比）を改善し、アンテナの小型化を実現できる。

（変形例１）
図９に、変形例１に係るスパイラルアンテナを示す。上記実施形態では、円形のスパイラルアンテナであったが、必ずしも円形である必要はなく、スパイラルアームの形状を図９に示すような四角形などの多角形とした場合でも上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

（変形例２）
図１０に、変形例２に係るスパイラルアンテナを示す。上記実施形態では、中心に給電点をもつ２本のスパイラルアームを有するスパイラルアンテナとしていたが、図１０に示すように、１本のスパイラルアームを持つスパイラルアンテナとして構成してもよい。この変形例２のように、１点給電のスパイラルアンテナとした場合でも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

（変形例３）
図１１に、変形例３に係るスパイラルアンテナを示す。接続部１３、１４について、上記実施形態では、９０度に折り曲げているが、図１１に示すように９０度以外の角度で折り曲げた場合についても同様な効果が得られる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１，１２…スパイラルアーム、１３，１４…接続部。

Claims

少なくとも１つのスパイラルアームと、
前記スパイラルアームの終端部を隣接するスパイラルアームに接続する接続部と
を具備することを特徴とするスパイラルアンテナ。
前記接続部は、前記スパイラルアームの終端部を折り返すことにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のスパイラルアンテナ。
前記スパイラルアームの形状は、円形又は多角形であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパイラルアンテナ。