JP2016054454A

JP2016054454A - メタヘリカルアンテナ

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Publication number: JP2016054454A
Application number: JP2014180417A
Authority: JP
Inventors: 中野　久松; Hisamatsu Nakano; 久松中野; 雅俊多田; Masatoshi Tada
Original assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: JP6343527B2

Abstract

【課題】１台のアンテナでかつアンテナ径などの基本構成を変更することなく、左手系動作時と右手系動作時においてそれぞれ所望の利得特性を得ることを可能にする。
【解決手段】メタヘリカルアーム２の巻き付け間隔ｐと右手系動作及び左手系動作の各利得特性との間に所定の関係性があることに着目し、右手系動作時及び左手系動作時の何れにおいてもほぼ同程度の利得が得られるように、アンテナ基体１に対するメタヘリカルアーム２の巻き付け間隔ｐを設定するようにしたものである。
【選択図】図２

Description

この発明は、メタマテリアル材料を使用したメタヘリカルアンテナに関する。

近年、例えば移動体通信や無線ローカル・エリア・ネットワーク、テレビジョン放送用のアンテナとして、メタマテリアル材料を使用したメタヘリカルアンテナの適用が検討されている。メタヘリカルアンテナは、例えば金属板に裏打ちされた筒状をなす誘電体基板を接地板上に配置して上記金属板を接地すると共に、上記誘電体基板の周面にメタヘリカルアームを一定の間隔でスパイラル状に巻き付けるように形成したものである。メタヘリカルアンテナによれば、メタヘリカルアームにより右手／左手系伝送線路が構成され、これにより生成される２バンド反円偏波特性により高利得で広帯域のアンテナを提供することができる。この種のメタヘリカルアンテナの構成の１つを特許文献１に例示する。

特開２０１３−８９９９２号公報

ところが、従来のメタヘリカルアンテナは、右手系動作時と左手系動作時においてそれぞれ独立した利得特性を得ることが困難だった。そのため、独立した利得特性を有する２バンド反円偏波特性を発生させるには、アンテナを２台用意する必要があった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、１台のアンテナでかつアンテナ径などの基本構成を変更することなく、左手系動作時と右手系動作時においてそれぞれ所望の利得特性を得ることを可能にしたメタヘリカ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第１の観点は、反射板に裏打ちされた誘電体基板を筒状に形成したアンテナ基体と、当該アンテナ基体を支持し上記反射板を接地する接地板と、上記アンテナ基体の周面に一定の間隔でスパイラル状に巻回形成されるメタヘリカルアームと、当該メタヘリカルアームの一端部に給電する給電部とを備え、当該メタヘリカルアームにより右手／左手系伝送線路を構成してそれぞれ円偏波を放射するメタヘリカルアンテナにあって、上記メタヘリカルアームの巻回間隔を、上記右手／左手系伝送線路のそれぞれの動作により得ようとする利得特性に応じて可変設定するようにしたものである。

この発明の第２の観点は、上記給電部から給電されるメタヘリカルアームの一端部に、上記接地板との間の容量結合量を増加させるために当該一端部から延長形成されたインピーダンス整合部を、さらに設けたものである。

この発明の第３の観点は、上記メタヘリカルアームを、長手方向に直列に配置された複数の導電部と、これらの導電部間に装荷されたキャパシタンス素子と、上記複数の導電部のうち予め選択された導電部の表面側に配置されたアイランドと、上記選択された導電部の表面側において上記アイランドと上記反射板との間に装荷されるインダクタンス素子とを備えるように構成したものである。

この発明の第４の観点は、上記キャパシタンス素子を、上記導電部にインターデジットを形成したものからなる。

第１の観点によれば、メタヘリカルアームの巻回間隔が、右手／左手系伝送線路のそれぞれの動作により得ようとする利得特性に応じて可変設定されるので、１台のアンテナでかつアンテナ基体の径などの基本構成を変更することなく、右手系動作及び左手系動作の各々において希望する最適な利得特性を得ることが可能となる。

第２の観点によれば、メタヘリカルアームの給電点側の端部にインピーダンス整合部を設けたことによって、給電部側端部と接地板との間の容量結合量を増加させることができ、これにより広帯域にわたり電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio：ＶＳＷＲ）特性を改善することが可能となる。

第３の観点によれば、インダクタンス素子を接続するためのアイランドがメタヘリカルアームの導電部の表面側に配置される。このため、導電部の裏面側、つまり反射板側に配置する場合に比べ、インダクタンス素子と反射板との距離を離間させることができ、これによりＶＳＷＲ特性をさらに向上させることが可能となる。

第４の観点によれば、キャパシタンス素子を、導電部にインターデジットを形成したものとしたことにより、チップコンデンサなどの回路部品を別途用意することなく、導電部の印刷パターンをインターデジットとするだけで構成することができ、これによりメタヘリカルアームを少ない部品点数により安価にかつ簡単な製造工程により構成することができる。

この発明の第１の実施形態に係るメタヘリカルアンテナの全体構成を示す斜視図。図１に示したメタヘリカルアンテナの一部を拡大して示した図。図１に示したメタヘリカルアンテナの巻線間隔と利得との関係を示す図。図１に示したメタヘリカルアンテナの巻線間隔を異ならせたときの左手系動作時及び右手系動作時の放射パターンを示す図。この発明の第２の実施形態に係るメタヘリカルアンテナの一部を拡大して示した図。図５に示したメタヘリカルアンテナによるＶＳＷＲ特性を従来と比較して示した図。図５に示したメタヘリカルアンテナによる左手系動作時の放射パターンを従来と比較して示した図。図５に示したメタヘリカルアンテナによる右手系動作時の放射パターンを従来と比較して示した図。図５に示したメタヘリカルアンテナによる左旋円偏波利得の周波数特性を従来と比較して示した図。図５に示したメタヘリカルアンテナによる右旋円偏波利得の周波数特性を従来と比較して示した図。図５に示したメタヘリカルアンテナによる軸比の周波数特性を示す図。この発明の第３の実施形態に係るメタヘリカルアンテナの要部を拡大して示した斜視図。図１２に示したメタヘリカルアンテナの１構成単位の構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図。図１２に示したメタヘリカルアンテナの１構成単位の裏面側の構成を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
図１はこの発明の第１の実施形態に係るメタヘリカルアンテナの全体構成を示す斜視図、図２は図１に示したメタヘリカルアンテナの一部を拡大して示した図である。
図１において３は金属製の接地板であり、この接地板３上にはアンテナ基体１が配置される。アンテナ基体１は、金属製の反射板１２により裏打ちされた誘電体基板１１を角筒状に形成したもので、反射板１２は上記接地板３に電気的に接続されることで接地される。

上記アンテナ基体１の周面には、メタヘリカルアーム２が一定の間隔ｐでスパイラル状に巻き付けたように形成される。メタヘリカルアーム２は、複数の導電部２１，２１，…を長手方向に直列に配置すると共に、これらの導電部２１，２１，…間にキャパシタンス素子２２，２２，…を装荷したもので、一端側に給電用導電部２０を設けている。この給電用導電部２０には給電部４が接続される。

また、上記各導電部２１，２１，…の、誘電体基板１１を挟んだ反射板１２側の位置には反射板１２と電気的に絶縁されたアイランド（図示せず）が設けられ、このアイランドは上記導電部２１とスルーホール（図示せず）を介して接続される。アイランドと上記反射板１２との間にはインダクタンス素子（図示せず）が装荷される。
上記１つの導電部２１、キャパシタンス素子２２、アイランド、スルーホールおよびインダクタンス素子により、分布定数線路からなる右手／左手系伝送線路の１単位を構成する。

なお、上記各導電部２０，２１，２１，…は、誘電体基板１１に対し例えば導電パターンを印刷するにより形成される。また、上記給電部４は、給電パターン又は給電ケーブルを介して上記給電用導電部２０に接続される。

ところで、上記メタヘリカルアーム２の巻き付け間隔ｐは以下のように設定される。すなわち、メタヘリカルアーム２の巻き付け間隔ｐと右手系動作及び左手系動作の利得特性との間に所定の関係性があることを、本発明者は見出した。

例えば、いま誘電体基板１１の比誘電率をε_r ＝２．６、厚さをＢ＝１．６mm、アンテナ基体１の隣接する２つの辺の長さをＳ_out ＝３６mm，Ｓ_in＝３２．８mm、駆動周波数をｆ_balance＝３GHzとし、巻き付け間隔ｐを３〜１６mmの範囲で変化させて右旋円偏波利得Ｇ_R 及び左旋円偏波利得Ｇ_L を測定すると、図３に示すような利得特性が得られる。この利得特性Ｇ_R，Ｇ_L によれば、巻き付け間隔ｐ＝８mm（２．６４GHz）において最大左旋円偏波利得Ｇ_L ＝６．８５dBiが得られ、一方巻き付け間隔ｐ＝１３mm（３．７８GHz）において最大右旋円偏波利得Ｇ_R＝９．５４dBiが得られる。また、巻き付け間隔ｐ＝７〜１０mmの領域において両利得Ｇ_R，Ｇ_Lは近い値をとる。

以上の特性に着目し、例えば巻き付け間隔ｐ＝７〜１０mmに設定する。このように構成すると、右手系動作時及び左手系動作時の何れにおいてもほぼ同程度の利得を得ることができ、これにより右手系動作及び左手系動作の両方において何れも高い電力効率が得られるメタヘリカルアンテナを提供することが可能となる。

図４は、巻き付け間隔ｐを変化させたときの代表的な放射パターンを示すものである。同図において、（ａ）は巻き付け間隔ｐ＝４mm、（ｂ）は巻き付け間隔ｐ＝８mm、（ｃ）は巻き付け間隔ｐ＝１３mmのときの放射パターンをそれぞれ示し、またその内訳として図中左側の（ａ１），（ｂ１），（ｃ１）は左手系動作の特性を、図中右側の（ａ２），（ｂ２），（ｃ２）は右手系動作の特性をそれぞれ示している。同図に示すように、左手系特性領域においては巻き付け間隔ｐの増加に伴い主ローブの半値幅が広がる。一方、右手系特性領域においては、巻き付け間隔ｐ＝８mmで半値幅が広くなり、これにより図３に示すように利得が低下する。なお、最大利得が得られるｐ＝１３mmにおいては、半値幅は狭くなる。

以上詳述したように第１の実施形態では、メタヘリカルアーム２の巻き付け間隔ｐと右手系動作及び左手系動作の各利得特性との間には所定の関係性があることに着目し、右手系動作時及び左手系動作時の何れにおいてもほぼ同程度の利得が得られるように、アンテナ基体１に対するメタヘリカルアーム２の巻き付け間隔ｐを設定している。

したがって、従来に比べ左手系動作時及び右手系動作時の各利得特性を設定する際の自由度を高めることができる。例えば、無線システムを設計する際に、左手系動作周波数と右手系動作周波数において個別のエリア設計を行うことができ、これにより周波数利用効率を高めることができる。

また、双方向通信を１つのアンテナを用いて行う際に、従来のメタヘリカルアンテナでは一般に左手系動作周波数の利得が低く、右手系動作周波数の利得が高いため、右手系動作周波数に比べ左手系動作周波数の電力効率が劣化する傾向がある。これに対し第１の実施形態では、先に述べたように左手系動作周波数における利得と右手系動作周波数における利得の両方を同程度に高めることができ、これによりどちらの周波数でも電力効率が高いメタヘリカルアンテナを提供することができる。

しかも第１の実施形態では、メタヘリカルアーム２の設計理論は従来とほぼ変わらず、アンテナのヘリカル周囲長は従来のものとほぼ同等である。また、上記図４に示したように放射パターンなどの他の電気特性も従来とほぼ同等であり良好な特性が得られる。さらに、形成するプリント基板のパターン、部品装着は既存の技術を応用できる。このため、大量製作が可能となり、コストダウンが実現できる。

すなわち、１台のアンテナにおいて、アンテナ基体１のサイズなどの基本構成や、メタヘリカルアーム２の形成手法や部品装着手法を変更することなく、右手系動作及び左手系動作の各々において希望する最適な利得特性が得られるヘリカルアンテナを安価に提供することができる。

［第２の実施形態］
図５は、この発明の第２の実施形態に係るメタヘリカルアンテナの一部を拡大して示す図である。なお、アンテナ基体１及び接地板３の構成等、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

メタヘリカルアーム５は、平行四辺形からなる複数の導電部５１，５１，…を長手方向に直列に配置すると共に、これらの導電部５１，５１，…間にキャパシタンス素子５２，５２，…を装荷したものとなっている。また、給電用導電部５０は下端部５５が幅広となるように逆Ｌ型に形成されている。この幅広形成された下端部５５は、接地板３との間の容量結合量を増加させるインピーダンス整合部として機能する。

さらに、各導電部５１，５１，…のうち奇数番目の導電部には、その表面側に導電部と電気的に分離されたアイランド５３が形成されている。このアイランド５３はスルーホール（図示せず）を介して反射板１２と電気的に接続され、これにより接地されている。アイランド５３と導電部５１との間にはインダクタンス素子５４が装荷される。

上記１つの導電部５１、キャパシタンス素子５２、アイランド５３、スルーホール５６およびインダクタンス素子５４により、分布定数線路からなる右手／左手系伝送線路の１単位を構成する。

このような構成であるから、給電用導電部５０の下端部５５を逆Ｌ型に形成して、この下端部５５をインピーダンス整合部として機能させるようにしたので、給電用導電部５０と接地板３との間の容量結合量を増加させることができ、これにより広帯域にわたりＶＳＷＲ特性を改善することが可能となる。

また、インダクタンス素子５４を装荷するためのアイランド５３を表面側に形成したことにより、インダクタンス素子５４と反射板１２との間の距離を、アイランド５３を裏面側に設ける場合に比べ、大きく離すことができ、これによりＶＳＷＲ特性をさらに向上させることが可能となる。

図６は、第２の実施形態に係るメタヘリカルアンテナのＶＳＷＲ特性を、従来のメタヘリカルアンテナのＶＳＷＲ特性と対比して示したものである。なお、この特性の測定条件は、メタヘリカルアーム５の巻き付け間隔をｐ＝１２．５mm、導電部５１のｚ方向及びｙ方向の長さをそれぞれｗ＝４．４mm、ｕ＝４．０mmとし、給電用導電部５０の下端部５５のｚ方向の長さをｈ_feed＝１．０mmとしている。

同図から明らかなように、例えば右手系動作周波数をｆ_H ＝３．７GHz、左手系動作周波数をｆ_N ＝２．６GHzとしたとき、そのＶＳＷＲを従来に比べ低下させることができ、これにより反射損失を低減することが可能となる。

図７及び図８は、それぞれ右手系動作周波数ｆ_H ＝３．７GHz、左手系動作周波数ｆ_N ＝２．６GHzのときの第２の実施形態による放射パターンを、従来と対比して示したものである。但し、測定条件は、右手系動作に対しては右旋円偏波利得Ｇ_R ＝５．３dBi 、ＶＳＷＲ＝１．８、ＡＲ＝１．８dB、ＨＰＢＷ_x-z ＝４３．７°、ＨＰＢＷ_y-z ＝４２．７°とし、左手系手動作に対しては左旋円偏波利得Ｇ_L ＝６．７dBi 、ＶＳＷＲ＝１．１、ＡＲ＝１．３dB、ＨＰＢＷ_x-z ＝６４．３°、ＨＰＢＷ_y-z ＝６３．８°としている。図７及び図８に示すように、放射特性は右手系動作及び左手系動作の何れにおいても、従来と比べほぼ同等で遜色のない特性を得ることができる。

図９及び図１０は、それぞれ右旋円偏波利得及び左旋円偏波利得の周波数特性を、従来と対比して示したものである。同図から明らかなように、右旋円偏波利得及び左旋円偏波利得の周波数特性についても、従来と比較してほぼ同等の特性を得ることができる。

図１１は、ＡＲ（θ＝０°，φ＝０°）［dB］のときの軸比の周波数特性を示したもので、これについても従来と比較してほぼ同等の特性を得ることができる。

すなわち、第２の実施形態によれば、右手／左手系複合伝送線路の設計理論は従来とほぼ変わらず、電気特性についても従来とほぼ同等で良好な特性が得られる。また、アンテナの外形寸法は従来のものとほぼ同等であり、従来の筐体をそのまま使用することができる。さらに、形成するプリント基板のパターン、整合区間、部品装着は既存の技術を応用できることから大量製作が可能となり、これによりコストダウンを実現できる。

［第３の実施形態］
図１２は、この発明の第３の実施形態に係るメタヘリカルアンテナの要部構成を拡大して示す斜視図である。なお、同図において前記図１と同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

反射板１２により裏打ちされた誘電体基板１１の表面には、メタヘリカルアームが図１に示したように一定の間隔でスパイラル状に巻き付けられるように形成されている。メタヘリカルアームは、図１２に示すように一定の間隔で配置された導電部６１，６１，…間にキャパシタンス素子６２，６２，…を装荷している。キャパシタンス素子６２，６２，…は、例えば図１３（ａ）に示すように、導電部６１，６１，…にインターデジット（インターデジタル、すだれ状電極、櫛形電極とも言う）を形成したものからなる。

また、上記各導電部６１，６１，…の、誘電体基板１１を挟んだ反射板１２側の位置には反射板１２と電気的に絶縁されたアイランド６３が設けられている。このアイランド６３は、図１３（ｂ）に示す側断面図に示すように上記導電部６１に対しスルーホール６５を介して電気的に接続され、アイランド６３と反射板１２との間には図１４に示すようにインダクタンス素子６４が装荷されている。

上記１つの導電部６１、その両端に装荷されたキャパシタンス素子６２，６２、アイランド６３、スルーホール６５およびインダクタンス素子６４により、分布定数線路からなる右手／左手系伝送線路の１単位（セル）を構成する。

以上のように第３の実施形態では、メタヘリカルアームの導電部６１、６１，…間に装荷するキャパシタンス素子６２，６２，…がインターデジットにより構成される。このため、キャパシタンス素子を、チップコンデンサなどの回路部品を別途用意することなく、導電部の印刷パターンをインターデジットとするだけで構成することができ、これによりメタヘリカルアームを少ない部品点数により安価にかつ簡単な製造工程により構成することができる。

［その他の実施形態］
アンテナ基体の構造やサイズ、メタヘリカルアームの構成や長さ、給電用導電部に設けるインピーダンス整合部の形状やサイズ等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

要するにこの発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…アンテナ基体、２，５…メタヘリカルアーム、３…接地板、４…給電部、１１…誘電体基板、１２…反射板、２０，５０…給電用導電部、２１，５１，６１…導電部、２２，５２，６２…キャパシタンス素子、５３，６３…アイランド、５４，６４…インダクタンス素子、５５…インピーダンス整合部、６５…スルーホール。

Claims

反射板に裏打ちされた誘電体基板を筒状に形成したアンテナ基体と、当該アンテナ基体を支持し前記反射板を接地する接地板と、前記アンテナ基体の周面に一定の間隔でスパイラル状に巻回形成されるメタヘリカルアームと、当該メタヘリカルアームの一端部に給電する給電部とを備え、当該メタヘリカルアームにより右手／左手系伝送線路を構成してそれぞれ円偏波を放射するメタヘリカルアンテナであって、
前記メタヘリカルアームの巻回間隔を、前記右手／左手系伝送線路のそれぞれの動作により得ようとする利得特性に応じて可変設定したことを特徴とするメタヘリカルアンテナ。
前記給電部から給電されるメタヘリカルアームの一端部に、前記接地板との間の容量結合量を増加させるために当該一端部から延長形成されたインピーダンス整合部を、さらに設けたことを特徴とする請求項１記載のメタヘリカルアンテナ。
前記メタヘリカルアームは、長手方向に直列に配置された複数の導電部と、これらの導電部間に装荷されたキャパシタンス素子と、前記複数の導電部のうち予め選定された導電部の表面側に配置されたアイランドと、前記選定された導電部の表面側において前記アイランドと前記反射板との間に装荷されるインダクタンス素子とを備えることを特徴とする請求項１又は２記載のメタヘリカルアンテナ。
前記キャパシタンス素子は、前記導電部にインターデジットを形成したものからなることを特徴とする請求項３記載のメタヘリカルアンテナ。