JP2014120831A - ヘリカルアンテナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヘリカルアンテナ1は、接地型で、直列共振モード及び並列共振モードが同時に発生する複合モードで動作するものであり、搬送波の波長λ/4以上、かつ、波長λ×2倍以下の線長と、波長λ/2069以上、かつ、波長λ以下の直径Dと、波長λ/857以上、かつ、波長λ以下の軸長hと、波長λ/6667以上、かつ、波長λ/6000以下のピッチ幅pとを有する。
【選択図】図1
Description
かかる構成によれば、ヘリカルアンテナは、線長、直径、軸長及びピッチ幅が前記範囲のために、複合モードを発生させることができる。
かかる構成によれば、ヘリカルアンテナは、線長、直径、軸長及びピッチ幅が前記範囲のために、複合モードを発生させることができる。
かかる構成によれば、ヘリカルアンテナは、所望周波数の搬送波に対し、物理的に線長が長い又は短い場合でも、これら素子を付加することで、この搬送波に合わせて共振周波数を調整することができる。
本願第3発明に係るヘリカルアンテナは、搬送波に合わせて共振周波数を調整することができる。
図1を参照して、本願発明の実施形態に係るヘリカルアンテナ1の構造について、説明する。
図1(a)に示すように、ヘリカルアンテナ1は、接地型で複合モードを発生させるものであり、搬送波の波長λ/4以上、かつ、波長λ×2以下の線長と、波長λ/2069以上、かつ、波長λ以下の直径Dと、波長λ/857以上、かつ、波長λ以下の軸長hと、波長λ/6667以上、かつ、波長λ/6000以下のピッチ幅pとを有する。
なお、線長は、ヘリカルアンテナ1(アンテナ素子2)の一方から他方の端までの長さを表す。
複合モードの概略について、説明する(適宜図1参照)。
ヘリカルアンテナ1は、物理的には1つのアンテナであるが、所定の条件(複合モードの生成条件)を満たすことで、複合モードを発生させる。
複合モードとは、ループアンテナ及びモノポールアンテナの並列接続のように、直列共振モード及び並列共振モードが同時に生成されるモードのことである。言い換えるなら、複合モードは、ループ配列とモノポール配列とが等価的に並列接続され、広帯域化を実現したモードである。
従来の空中線の並列接続による広帯域化は、ヘリカルアンテナ1における複合モードと本質的に同一原理のため、図2を参照して説明する。
空中線は、小型化すると、放射効率、利得若しくは帯域幅の何れか、又は、全てが劣化することが知られている。すなわち、空中線の広帯域化は、小型化と相対的な関係にある。
なお、交流電源93は、空中線91,92に電力を供給する給電部である。
前記した複共振空中線94は、非常時にすぐ利用可能とするため、空中線単体で自己共振が実現され、整合不要であることが好ましい。そこで、図5を参照し、複共振空中線94の自己共振手法について、説明する。
条件1:X1=X2=0
条件2:R12+X12=R22+X22=0
条件3:X2(R12+X12)=−X1(R22+X22)
空中線95が並列共振、空中線96が直列共振であると考え、前記した式(2)にX1=0を代入すると、実部は、以下の式(5)で表すことができる。そして、この式(5)は、R=50を代入し、X2を左辺に移動させると、式(6)に変形することができる。
条件A:空中線95は、抵抗R1が50Ω、リアクタンスX1が0Ωであり、搬送波の周波数fで並列共振状態となる、線長λ/4のダイポールアンテナと等価なものする。
条件B:空中線96は、搬送波の周波数fで直列共振状態となる、素子長λ/2のダイポールアンテナと等価なものとする。
条件C:空中線96は、前記した式(6)を満たすコイルX2を付加する。
条件D:複共振空中線94は、空中線95,96を並列接続し、前記した式(4)を満たすコンデンサXCを基部に付加する。
本願発明は、前記した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。
図7に示すように、ヘリカルアンテナ1は、ローディングコンデンサ(ローディングキャパシタ)3を付加してもよい。このとき、ヘリカルアンテナ1のインピーダンスは、図8に示すように、虚部が0Ωとなる(破線)。これによって、ヘリカルアンテナ1は、複合モードをより安定して発生させると共に、搬送波に合わせて共振周波数を調整することができる。
この図8では、横軸が周波数を示し、縦軸がインピーダンスを示す。また、図8では、インピーダンスの実部を実線で図示し、虚部を破線で図示した。
また、ヘリカルアンテナ1は、ローディングコンデンサ3の代わりにローディングインコイル(ローディングインダクタ、不図示)を付加してもよい。さらに、ヘリカルアンテナ1は、ローディングコンデンサ3及びローディングインコイルの両方を付加してもよい。
これらローディングコンデンサ3やローディングインコイルは、一般的なものであるため、詳細な説明を省略する。
図9〜図12を参照し、本願発明の実施例1及び比較例1〜3について、説明する(適宜図1参照)。
様々な線長のヘリカルアンテナ1に対し、500KHz〜1500KHzの周波数レンジの搬送波を用いて、インピーダンスを測定した。
比較例1として、線長が波長λ/16のヘリカルアンテナ1の測定結果を図10に図示した。
比較例2として、線長が波長λ/8のヘリカルアンテナ1の測定結果を図11に図示した。
比較例3として、線長が波長3λ/16のヘリカルアンテナ1の測定結果を図12に図示した。
また、図9〜図12では、周波数の1スケールが100KHzである。
また、図9〜図12では、インピーダンスの実部(実線)は、レンジが0〜1KΩであり、1スケールが100Ωである。
また、図9〜図12では、インピーダンスの虚部(破線)は、レンジが±1KΩであり、1スケールが200Ωである。
図13,図14を参照し、参考例1〜5の実験方法について、説明する(適宜図1参照)。
ヘリカルアンテナ1の線長を一定(波長λ/4)とし、ピッチ幅p又は直径Dの何れか一方を変化させ、そのときのインピーダンスを測定する実験を行った。なお、ヘリカルアンテナ1は、線長を一定であれば、ピッチ幅pの変化に応じて、軸長hも変化することになる。
また、図14に示すように、アンテナ素子2(図13)を覆い隠すようにアルミ箔98を巻き付けて、ピッチ幅p=0の状態を再現し、このときのインピーダンスも測定した。
図15〜図17を参照し、参考例1〜3について、説明する(適宜図1参照)。
参考例1として、図14のように、ピッチ幅p=0のヘリカルアンテナ1の測定結果を図15に図示した。
また、図15では、インピーダンスの実部(実線)は、レンジが0〜1KΩであり、1スケールが100Ωである。
また、図15では、インピーダンスの虚部(破線)は、レンジが±5KΩであり、1スケールが1KΩである。
参考例3として、ピッチ幅p=0.03メートル(5×10−4λ)のヘリカルアンテナ1の測定結果を図17に図示した。
また、図16,図17では、インピーダンスの実部(実線)は、レンジが0〜500Ωであり、1スケールが50Ωである。
また、図16,図17では、インピーダンスの虚部(破線)は、レンジが±10KΩであり、1スケールが2KΩである。
図18,図19を参照し、参考例4,5について、説明する(適宜図1参照)。
参考例4として、直径D=0.1メートル(1.65×10−3λ)のヘリカルアンテナ1の測定結果を図18に図示した。
参考例5として、直径D=0.2メートル(3.25×10−3λ)のヘリカルアンテナ1の測定結果を図19に図示した。
また、図18,図19では、インピーダンスの実部(実線)は、レンジが0〜500Ωであり、1スケールが50Ωである。
また、図18,図19では、インピーダンスの虚部(破線)は、レンジが±10KΩであり、1スケールが1KΩである。
図20に示すように、参考例1〜5のまとめると、軸長h、巻き数N及び直径Dが次の関係を有することがわかる。
軸長h、巻き数N及び直径Dが増大すると、太線で図示したインピーダンスの実部が増大することがわかる(矢印a)。
巻き数N及び直径Dが増大すると、インピーダンスの虚部が増大することがわかる(矢印b)。
軸長hが減少すると、伝送路経路長が短くなり、共振周波数間隔が長くなる(矢印c)。
なお、巻き数Nは、ヘリカルアンテナ1のピッチ幅p及び軸長hからおのずと求まるため、詳細な説明を省略する。
図21,図22を参照し、本願発明の実施例2,3について、説明する(適宜図1参照)。
ここで、線長が波長λ/4、直径Dがλ/1200、軸長hがλ/187.5、ピッチ幅pがλ/6667のヘリカルアンテナ1を制作した。そして、実施例2として、このヘリカルアンテナ1に人が近づいたときのインピーダンスを測定し、その結果を図21に図示した。
また、図21,図22では、インピーダンスの実部(実線)は、レンジが0〜100Ωであり、1スケールが10Ωである。
また、図21,図22では、インピーダンスの虚部(破線)は、レンジが±2KΩであり、1スケールが400Ωである。
実施例1〜3から、ヘリカルアンテナ1の線長は、搬送波の波長λ/4以上であればよいことがわかる。
また、技術常識を考慮して、ヘリカルアンテナ1の線長は、波長λの2倍以下であればよいと考えられる。
また、技術常識を考慮して、ヘリカルアンテナ1の直径Dは、波長λ以下であればよいと考えられる。
さらに、実施例2,3から、ヘリカルアンテナ1の直径Dは、波長λ/1200以上、波長λ/600以下であればより好ましいことがわかる。
また、技術常識を考慮して、ヘリカルアンテナ1の軸長hは、波長λ以下であればよいと考えられる。
さらに、実施例2,3から、ヘリカルアンテナ1の軸長hは、波長λ/480以上、λ/187.5以下であればより好ましいことがわかる。
2 アンテナ素子
3 ローディングコンデンサ
4 保持部材
Claims (3)
- 接地型で、直列共振及び並列共振が同時に発生する複合モードのヘリカルアンテナであって、
搬送波の波長λ/4以上、かつ、前記波長λ×2以下の線長と、
前記波長λ/2069以上、かつ、前記波長λ以下の直径と、
前記波長λ/857以上、かつ、前記波長λ以下の軸長と、
前記波長λ/6667以上、かつ、前記波長λ/6000以下のピッチ幅と、
を有することを特徴とするヘリカルアンテナ。 - 非接地型で、直列共振及び並列共振が同時に発生する複合モードのヘリカルアンテナであって、
搬送波の波長λ/2以上、かつ、前記波長λ×2以下の線長と、
前記波長λ/2069以上、かつ、前記波長λ以下の直径と、
前記波長λ×2/857以上、かつ、前記波長λ以下の軸長と、
前記波長λ/6667以上、かつ、前記波長λ/6000以下のピッチ幅と、
を有することを特徴とするヘリカルアンテナ。 - ローディングインコイル又はローディングコンデンサの少なくとも一方が付加されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヘリカルアンテナ。
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