JP2024017299A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直方向と低仰角方向とのアンテナ動作を切り替える際に、アンテナ性能を良好としながら、終端インピーダンスを切り替える。【解決手段】本発明のアンテナ装置は、地板と、複数の第１のヘリカル素子を有する第１のアンテナ部と、複数の第２のヘリカル素子を有する第２のアンテナ部と、終端負荷制御部とを備え、終端負荷制御部が、それぞれの第２のヘリカル素子毎に、第２のヘリカル素子と接地との間に当該第２のヘリカル素子の終端負荷を変化させるインピーダンス可変素子と、第２のヘリカル素子毎に、対応する第２のヘリカル素子と接続し、当該第２のヘリカル素子のインピーダンス可変素子への制御電圧を印加する制御線とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ヘリカルアンテナを備えたアンテナ装置に関する。

近年、飛行体を通信基地局として利用する成層圏プラットフォームに関する技術が開発されている。

成層圏プラットフォームは、飛行中継局（ＨＡＰＳ：Ｈｉｇｈ Ａｌｔｉｔｕｄｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｓｔａｔｉｏｎ）を常時成層圏に飛行させて、飛行中継局が地上に設けた地上局と無線通信を行なう。これにより、これまで通信できなかった地域でも飛行中継局（ＨＡＰＳ）を介して通信可能となり、衛星通信よりも低コストで広範囲な通信網を構築できる。

成層圏プラットフォームでは、図２に例示するように、飛行中継局（ＨＡＰＳ）５２が、例えばドローン等の飛行体５１と、地上局５３との間の無線通信を中継することも可能となる。このとき、ドローン等の飛行体５１は、飛行時の姿勢が一定でなく、また飛行中継局５２は旋回飛行しているので、姿勢の変化の影響を受けにくい円偏波を使用した通信が検討されており、飛行体５１のアンテナ装置５１１としてはヘリカルアンテナ装置が望ましい。

例えば、特許文献１には、衛星通信用のアンテナ装置として、４線巻きヘリカルアンテナが開示されており、各ヘリカルアンテナ素子の巻き数、ピッチ角、半径に応じて指向性が変化することが開示されている。

特開平１０－７５１１４号公報

図３に例示するように、飛行中継局５２は、俯角αとして下向きの通信エリアをカバーするものとする。その場合、飛行中継局５２と飛行体５１との位置関係に応じて、アンテナ装置５１１は、水平面に対して垂直方向に円偏波で送受信できるようにすると共に、低仰角方向に円偏波で送受信できることが望まれる。つまり、垂直方向から低仰角方向までの広い角度範囲にわたり円偏波で送受信することができるアンテナ装置が求められている。

さらに、アンテナの放射方向を垂直方向から低仰角方向まで電気的に制御し、かつ垂直方向から低仰角方向までの広い角度範囲にわたって円偏波を送受信できるアンテナ装置が求められている。

かかる課題を解決するために、本発明のアンテナ装置は、（１）地板と、（２）地板に対して第１のピッチ角で螺旋状に巻き上げた複数の第１のヘリカル素子を有する第１のアンテナ部と、（３）第１のアンテナ部を囲む位置に、地板に対して第２のピッチ角で螺旋状に巻き上げた複数の第２のヘリカル素子を有する第２のアンテナ部と、（４）それぞれの第２のヘリカル素子の終端負荷を切り替える終端負荷制御部とを備え、終端負荷制御部が、（４－１）それぞれの第２のヘリカル素子毎に、第２のヘリカル素子と接地との間に当該第２のヘリカル素子の終端負荷を変化させるインピーダンス可変素子と、（４－２）第２のヘリカル素子毎に、対応する第２のヘリカル素子と接続し、当該第２のヘリカル素子のインピーダンス可変素子への制御電圧を印加する制御線とを有する。

本発明によれば、垂直方向から低仰角方向までの角度範囲で円偏波を送受信することができ、アンテナの放射方向を垂直方向から低仰角方向まで電気的に制御し、かつ垂直方向から低仰角方向までの広い角度範囲にわたって円偏波を送受信できる。

第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す構成図である。 成層圏プラットフォームにおける通信システムの構成を示す構成図である。 成層圏プラットフォームの飛行中継局と飛行体との通信を説明する説明図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の送受信回路を示す回路構成図である。 ４線巻きヘリカルアンテナのモデル構成を示す構成図である（その１）。 ４線巻きヘリカルアンテナの半径とピッチ角を変化させたときのアンテナ利得の変化を説明する説明図である（その１）。 ４線巻きヘリカルアンテナのモデル構成を示す構成図である（その２）。 ４線巻きヘリカルアンテナの半径とピッチ角を変化させたときのアンテナ利得の変化を説明する説明図である（その２）。 ４線巻きヘリカルアンテナのピッチ角を変化させたときの指向性を示す図である。 第１の実施形態のアンテナ装置の動作モードを説明する説明図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の動作モードを切り替えたときの指向性を示す図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の反射特性を示す図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の軸比特性を示す図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す構成図である。 第２の実施形態の第２のアンテナ部と接続する終端負荷制御装置３０の構成を示す構成図である。 第２の実施形態においてヘリカル素子に対する制御線の接続位置を説明する説明図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置の動作モードを切り替えたときの指向性を示す図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置の軸比特性を示す図である。 変形実施形態のアンテナ装置の構成を示す構成図である。

（Ａ）第１の実施形態
以下では、本発明に係るアンテナ装置の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

この実施形態は、例えば飛行中継局（ＨＡＰＳ）を使用した成層圏プラットフォームにおいて、ドローン等の飛行体に搭載するアンテナ装置に、本発明を適用する場合を例示する。一般に、成層圏は、地球大気の鉛直構造において約１０ｋｍ～５０ｋｍ程度に位置する層をいう。

また本発明のアンテナ装置は、垂直方向から低仰角方向にかけて広い角度範囲で円偏波を送受信することが要求されるものであれば、ドローン等の飛行体以外に搭載してもよい。

（Ａ－１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す構成図である。図４は、実施形態に係るアンテナ装置の送受信回路を示す回路構成図である。

図１において、第１の実施形態のアンテナ装置１０は、板状の地板１１と、第１のアンテナ部１２と、第２のアンテナ部１３とを有する。

［地板１１］
地板１１は、円形板部材であり、グランド（接地）として機能する接地板である。例えば、飛行中継機（ＨＡＰＳ）を利用した成層圏プラットフォームでは、５０３０ＭＨｚ～５０９１ＭＨｚの周波数の電波を使用することが検討されている。円形板部材の地板１１の半径ｒａは、使用する電波の波長をλとしたときに（１／２）×λとすることができる。例えば、使用する電波の周波数を５０６０ＭＨｚ（すなわち、使用する電波の波長λが５９ｍｍ程度）とするとき、地板１１の半径ｒａは３０ｍｍ（＝（１／２）×λ）程度とすることができる。

［第１のアンテナ部１２］
第１のアンテナ部１２は、低仰角方向に指向性を有するものであり、４個のヘリカル素子１２ａ～１２ｄを有する４線巻きヘリカルアンテナである。言い換えると、第１のアンテナ部１２は、４個のヘリカル素子１２ａ～１２ｄをアレー化したものである。第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄを「第１のヘリカル素子」、「第１のアンテナ素子」又は「第１のヘリカルアンテナ素子」とも呼ぶ。

第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄは、例えば金属ワイヤ、導電ストリップ等の導体を適用することができ、この実施形態では、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄに、金属などの導体線材を用いる。各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの長さ（電気長）は、使用する電波の波長λに応じて決めることができ、例えば波長λとしたとき、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの長さは（（１／４）×λ×ｎ；ｎは正の整数）程度とすることができる。この実施形態では、ｎが「３」である場合を例示する。なお、インピーダンス整合のため、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの長さを調整することができる。

第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの下端部はそれぞれ、地板１１に設けられた対応する各端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４に接続している。図４に例示するように、地板１１のＸＹ平面の下側の面（第２面）側には、無線装置１３４と、分配器／合成器１３３とが設けられており、分配器／合成器１３３の送受信端子１～４のそれぞれが、対応する各端子Ｐｏｒｔ１～ｐｏｒｔ４に接続している。すなわち、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの下端部は、対応する端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４を介して、分配器／合成器１３３と接続している。

図４において、例えば、端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４に付記している「φ」は、地板１１のＸＹ面上で、端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４の物理的な位置を、Ｘ軸に対する角度で示している。例えば、「Ｐｏｒｔ１」は、ＸＹ面上のＸ軸上にあるため「φ＝０ｄｅｇ（度）」と示している。また、端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４に付記している「位相」は、対応するヘリカル素子１２ａ～１２ｄが送信する信号の位相または受信する信号に対応付ける位相を示している。

図４において、信号を送信する際、無線装置１３４は信号を分配器／合成器１３３に出力し、分配器／合成器１３３は、無線装置１３４からの入力信号の位相を変化させて送受信端子１～４に出力する。例えば、図４において、分配器／合成器１３３は、端子Ｐｏｒｔ１に接続する送受信端子１には、入力した信号をそのまま出力する。また、端子Ｐｏｒｔ２に接続する送受信端子２に、入力した信号の位相を－９０度（－π／２ｒａｄ）シフトした信号を出力し、端子Ｐｏｒｔ３に接続する送受信端子３に、入力した信号の位相を－１８０度（－πｒａｄ）シフトした信号を出力し、端子Ｐｏｒｔ４に接続する送受信端子４に、入力した信号の位相を－２７０度（－３π／２ｒａｄ）シフトした信号を出力する。このように、分配器／合成器１３３は、入力した信号の位相を変化させて、各端子Ｐｏｒｔ１～４に接続している各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄに信号を与える。

逆に信号を受信する際、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄは、受信した電波信号を、各端子Ｐｏｒｔ１～４及び各送受信端子１～４を介して、分配器／合成器１３３に与える。分配器／合成器１３３は、各送受信端子１～４から入力した信号を合成した信号を、無線装置１３４に出力する。

第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄは、地板１１の第１面に対して所定のピッチ角だけ傾けて螺旋状に巻き上げられる。各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄのピッチ角については後述するが、低仰角方向の利得を良好とする角度である。すなわち、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄのピッチ角は、第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄのピッチ角よりも大きい角度とする。例えば、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄのピッチ角は７０度以下とすることができ、６０度～６５度程度が望ましい。

［第２のアンテナ部１３］
第２のアンテナ部１３は、垂直方向に指向性を有するアンテナであり、４個のヘリカル素子１３ａ～１３ｄを有する４線巻きヘリカルアンテナである。言い換えると、第２のアンテナ部１３も、４個のヘリカル素子１３ａ～１３ｄをアレー化したものである。第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄを「第２のヘリカル素子」、「第２のアンテナ素子」又は「第２のヘリカルアンテナ素子」とも呼ぶ。

第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄも、例えば金属ワイヤ、導電ストリップ等の導体を適用することができ、この実施形態では、各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄに、金属などの導体線材を用いる。各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの長さ（電気長）は、使用する電波の周波数の波長λに応じて決めることができ、例えば波長λとしたとき、各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの長さは（（１／４）×λ×ｎ；ｎは正の整数）程度とすることができる。この実施形態では、ｎが「３」である場合を例示する。なお、インピーダンス整合のため、各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの長さを調整することができる。

第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄはそれぞれ、地板１１上に設けられた対応する各下端部１３１と接続している。

図４に例示するように、各下端部１３１は、グランドと終端負荷ＺＬとを切り替えるスイッチ部（終端負荷切替部）１３２と接続している。また、４個の下端部１３１は、地板１１の第１面上で、地板１１の中心点を中心として半径ｒ２（ｒ１＜ｒ２＜ｒａ）の円上に等間隔（図１では９０度間隔）に設置されている。地板１１の第１面上で、半径ｒ１の内側円（「第１円」とも呼ぶ。）と半径ｒ２の外側円（「第２円」とも呼ぶ。）とは同心円状に形成されており、地板１１の中心点と、内側円上の各端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４とを通る線の延長線上に、対応する各下端部１３１が位置している。

第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄは、地板１１の第１面に対して所定のピッチ角だけ傾けて螺旋状に巻き上げられる。

第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄのピッチ角については後述するが、垂直方向の利得を良好とする角度であり、第１のアンテナ部１２のピッチ角よりも小さい角度とする。

また、第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの巻き方向は、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの巻き方向と逆方向とする。巻き方向を逆方向にすることの理由は後述するが、第１のアンテナ部１２と、外側にある第２のアンテナ部１３とが近接する場合であって、第１のアンテナ部１２に給電したときに、第２のアンテナ部１３に電流が誘起され、電波が打ち消されることも生じ得るが、巻き方向を逆方向とすることで、第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３に流れる電流方向をほぼ同一とすることができ、電波の打ち消しを回避できる。

例えば、円偏波の回転方向は右旋円偏波（ＲＨＣＰ）とする。地板１１から見てＺ軸方向を進行方向としたとき、Ｚ軸方向に右巻きが、右旋円偏波の回転方向と同一方向とし、Ｚ軸方向に左巻きが、右旋円偏波の回転方向と逆方向とする。図１において、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄは、Ｚ軸方向に左巻きであり、第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄはＺ軸方向に右巻きであり、巻き方向は互いに逆方向としている。なお、巻き方向は第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３との間で互いに逆方向であればよく、第１のアンテナ部１２が右巻きであり、第２のアンテナ部１３が左巻きであってもよい。

（Ａ－２）アンテナ部の指向性
次に、アンテナ装置１０の第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３の指向性について図面を参照しながら説明する。

ここでは、４線巻きヘリカルアンテナの一般的なモデルを用いて説明するため「アンテナ部２０」と表現して説明する。

図５は、４個のヘリカル素子２０ａ～２０ｄのそれぞれの巻き数を０．７５として、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄが、Ｚ軸方向に対して左巻き（円偏波の回転方向と逆方向）としたときのアンテナ部２０を示している。図６（Ａ）～図６（Ｃ）は、図５のアンテナ部２０の利得の変化を示す図である。

図７は、４個のヘリカル素子２０ａ～２０ｄのそれぞれの巻き数を０．７５として、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄが、Ｚ軸方向に対して右巻き（円偏波の回転方向と同じ方向）としたときのアンテナ部２０を示している。図８（Ａ）～図８（Ｃ）は、図７のアンテナ部２０の利得の変化を示す図である。

なお、図６及び図８において、横軸はＺ軸に対する角度Θ［度］の値を示し、縦軸はアンテナ部２０の利得［ｄＢ］を示す。

モデル条件について特別な断りがない限り、使用する電波の周波数が５０６０ＭＨｚ（使用する電波の波長λが５９ｍｍ程度）、地板１１の半径ｒａが３０ｍｍ（＝（１／２）×λ）、円偏波の回転方向が右旋円偏波（ＲＨＣＰ）とする。

図５及び図７において、地板１１上に、４個のヘリカル素子２０ａ～２０ｄを有するアンテナ部（４線巻きヘリカルアンテナ）２０を設けた。使用する電波の波長をλとしたとき、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄの長さは（（１／４）×λ×ｎ；例えばｎ＝３）とする。

このようなモデル条件において、円の半径ｒと、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄのピッチ角の値とを変化させたときのアンテナ部２０の利得の変化を見る。

図６（Ａ）～図６（Ｃ）において、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄの巻き方向が円偏波の回転方向と逆方向である場合であって、ピッチ角が６３．３度、４８．１度、３０度のときのアンテナ部２０の各利得を比較する。そうすると、半径ｒを４ｍｍとして、ピッチ角を６３．３度としたとき、Ｚ軸に対する角度Θが±６０度付近で利得が大きくなっていることがわかる。このことから、アンテナ部２０の各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄの巻き方向が円偏波の回転方向と逆方向であって、ピッチ角を大きくするほど、アンテナ部２０は低仰角方向に強い指向性を持つことがわかる。

図１に示すアンテナ装置１０の場合、第１のアンテナ部１２が、この特性を持つものであり、低仰角方向に円偏波で送受信するものとして機能する。

次に、図８（Ａ）～図８（Ｃ）に示すように、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄの巻き方向が円偏波の回転方向と同一方向である場合であって、ピッチ角が６３．３度、４８．１度、３０度のときのアンテナ部２０の各利得を比較する。そうすると、半径ｒを８ｍｍとして、ピッチ角を３０度としたとき、垂直方向（Ｚ軸に対する角度Θが０度付近）で利得が大きくなっていることがわかる。このことから、アンテナ部２０の各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄの巻き方向が円偏波の回転方向と同一方向であって、ピッチ角を小さくするほど、アンテナ部２０は垂直方向に強い指向性を持つことがわかる。

図１に示すアンテナ装置１０の場合、第２のアンテナ部１３が、この特性を持つものであり、垂直方向に円偏波で送受信するものとして機能する。

このように、図１のアンテナ装置１０は、低仰角方向に強い指向性を有する第１のアンテナ部１２と、垂直方向に強い指向性を有する第２のアンテナ部１３とを備えることにより、広い角度範囲にわたり円偏波で送受信することができる。

図９は、４線巻きヘリカルアンテナのピッチ角を変化させたときの利得の変化を示す図である。

図９において、横軸はＺ軸に対する角度Θ［度］の値を示し、縦軸はアンテナ部２０の利得［ｄＢ］を示す。

図９では、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄの巻き方向が円偏波の回転方向と逆方向とし、巻き数Ｎが０．５とする。さらに、ピッチ角度を、２８．５度、４２．２度、５３．１度、６３．３度、７２．６度、８１．５度と変えたときの利得を示している。

図９において、ピッチ角度が２８．５度のとき、アンテナ部２０の利得が最大となる方向は垂直方向（Ｚ軸に対する角度Θが０度）であることがわかる。ピッチ角度が徐々に大きくなっていくと、最大利得となる方向が低仰角方向へシフトしていく。しかし、ピッチ角度が７２．６度、８１．５度となると、最大利得となる方向は変わらず、利得の値が低下することがわかる。つまり例えば、ピッチ角度が５３．１度～６３．３度のとき、Ｚ軸に対する角度Θが±６０度～±８０度付近で大きな利得を発揮している。換言すると、アンテナ部２０は、各ヘリカル素子２０ａ～２０ｄのピッチ角度が７０度以下で、低仰角方向の利得が高くなるという特性があるといえる。

（Ａ－３）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０における動作を、図面を参照しながら説明する。

以下の動作説明では、アンテナ装置１０が電波を送信する場合を中心に説明するが、アンテナ装置１０が電波を受信する場合は、電波送信時の動作と逆の動作を行なうことで同様の効果を得る。

ここでのモデル条件は、次の通りである。使用する電波の周波数は５０６０ＭＨｚ（すなわち使用する電波の波長λが５９ｍｍ程度）であり、地板１１の半径ｒａを３０ｍｍ（＝（１／２）×λ）程度とする。

また、アンテナ装置１０は、図１に示すように、半径４ｍｍの内側円上に第１のアンテナ部１２を設け、半径１２ｍｍの外側円上に第２のアンテナ部１３を設ける。また、使用する電波の波長をλとしたとき、第１のアンテナ部１２のヘリカル素子１２ａ～１２ｄの長さ及び第２のアンテナ部１３のヘリカル素子１３ａ～１３ｄの長さを、約（（１／４）×λ×ｎ；ｎ＝３）とする。第１のアンテナ部１２のヘリカル素子１２ａ～１２ｄの巻き数を０．７５とし、第２のアンテナ部１３のヘリカル素子１３ａ～１３ｄの巻き数を０．５とする。

図１０は、第１の実施形態のアンテナ装置１０の動作モードを説明する説明図である。図１１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０の動作モードを切り替えたときの指向性を示す図である。

図１０（Ａ）は、アンテナ装置１０が低仰角方向に円偏波を放射する動作モードを示しており、図１０（Ｂ）は、アンテナ装置１０が垂直方向に円偏波を放射する動作モードを示している。

図１０（Ａ）の場合、スイッチ部（終端負荷切替部）１３２を終端負荷ＺＬに切り替えて、第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄが終端負荷ＺＬ（例えば、１ＭΩ）に接続する（終端条件：Ｏｐｅｎ）と共に、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄには分配器／合成器１３３から信号が入力される。すなわち、分配器／合成器１３３から第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの先端（上端部）に向けて電流を流す。この場合、第２のアンテナ部１３は、終端負荷ＺＬ（例えば、１ＭΩ）に接続しているため、第２のアンテナ部１３には電流が誘起されない。したがって、第１のアンテナ部１２のみが動作して、図１１（Ａ）に示すように、アンテナ装置１０は、低仰角方向に強い放射指向性を持つ。

図１０（Ｂ）の場合、スイッチ部（終端負荷切替部）１３２をグランドに切り替えて、第２のアンテナ部１３のヘリカル素子１３ａ～１３ｄがグランド（例えば、０Ω）に接続する（終端条件：Ｓｈｏｒｔ）と共に、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄには分配器／合成器１３３から信号が入力される。

ここで、分配器／合成器１３３から第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの先端（上端部）に向けて電流を流すと、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの軸を中心に回転しながら電流が流れる。

第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３とが近接して配置されているとき、第１のアンテナ部１２に給電すると、第２のアンテナ部１３にも電流が誘起され得る。このとき、第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３に流れる電流の方向は、Ｚ軸方向を中心に回転する成分の方向が互いに略逆方向となる。

そのため、仮に、第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３との巻き方向を互いに同じ方向とすると、分配器／合成器１３３からヘリカル素子の先端へ流れる電流の方向についても互いにほぼ逆方向となるため、第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３からの放射が互いに打ち消し合ってしまう。

そこで、この実施形態では、第１のアンテナ部１２のヘリカル素子１２ａ～１２ｄと、第２のアンテナ部１３のヘリカル素子１３ａ～１３ｄの巻き方向を互いに逆方向としている。

これにより、分配器／合成器１３３からヘリカル素子１２ａ～１２ｄの先端へ電流が流れる際、電流が流れる方向を互いに略同じ方向とすることができ、第１のアンテナ部１２と第２のアンテナ部１３の放射が互いに打ち消し合うことを回避できる。その結果、図１１（Ｂ）に示すように、アンテナ装置１０は、垂直方向に強い放射指向性を持つ。

図１２は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０の反射特性を示す図である。

ここでは、無給電アンテナとしての第２のアンテナ部１３の終端条件を変化させたときの反射特性を考察する。例えば、ＳパラメータのＳ１１（入力端子に入力した信号に対して入力端子で反射される信号の割合を示す入力反射係数）を考察する。

図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）において、縦軸はＳパラメータのＳ１１［ｄＢ］であり、横軸は使用周波数［ＧＨｚ］である。

使用周波数が５０６０ＭＨｚである場合、第２のアンテナ部１３の終端条件をＯｐｅｎにしたとき、図１２（Ａ）に示すように、反射量を－１０ｄＢ以下とすることができる。また、第２のアンテナ部１３の終端条件をＳｈｏｒｔにしたときも、図１２（Ｂ）に示すように、反射量を－１０ｄＢ以下とすることができる。このように、終端負荷の条件が変わっても反射量を低く抑えることができる。

図１３は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０の軸比特性を示す図である。

図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）において、縦軸は、軸比ＡＲ（円偏波が楕円形に歪んだ電波（楕円偏波）の長軸と短軸の比）［ｄＢ］であり、横軸は、Ｚ軸に対する角度Θ［度］である。ここでは、楕円偏波の軸比（ＡＲ）が３ｄＢ以下のとき、円偏波を放射するアンテナ装置１０の性能が良好であるとする。

図１３（Ａ）に示すように、第２のアンテナ部１３の終端条件をＯｐｅｎにしたとき、±６５度の範囲で、軸比（ＡＲ）が３ｄＢ以下であった。また、図１３（Ｂ）に示すように、第２のアンテナ部１３の終端条件をＳｈｏｒｔにしたとき、±３０度の範囲で、軸比（ＡＲ）が３ｄＢ以下であった。

低仰角方向へ放射する第１のアンテナ部１２は、広い角度範囲で低い軸比であることが要求されるが、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄは、巻き数を大きくすることにより、第１のアンテナ部１２の軸比を下げることができる。

（Ａ－４）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、地板上に、４線巻きヘリカルアンテナの第１のアンテナ部と、第１のアンテナ部の外側を囲むように、４線巻きヘリカルアンテナの第２のアンテナ部とを備え、第１のアンテナ部のヘリカル素子と第２のアンテナ部とヘリカル素子の巻き方向を互いに逆方向とすることにより、第１のアンテナ部に給電したときに、第１のアンテナ部と第２のアンテナ部に流れる電流の方向をほぼ同一方向とすることができるので、互いに放射の打ち消しを回避できる。

また、第１の実施形態では、第１のアンテナ部のピッチ角を、第２のアンテナ部のピッチ角より大きくすることで、第１のアンテナ部で低仰角方向への放射が可能となり、第２のアンテナ部で垂直方向への放射が可能となる。

さらに、第１の実施形態によれば、第１のアンテナ部のピッチ角を７０度以下とすることにより、第１のアンテナ部の利得低下を抑えることができる。

さらにまた、第１の実施形態によれば、低仰角方向への放射を行なう第１のアンテナ部の巻き数が、第２のアンテナの巻き数よりも大きくすることにより、第１のアンテナ部は、広い角度範囲で軸比を低くすることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明のアンテナ装置の第２の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（Ｂ－１）第２の実施形態の構成
図１４は、第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す構成図である。

第２の実施形態でも、使用する電波の周波数は５０６０ＭＨｚ（使用する電波の波長λは５９ｍｍ程度）とし、地板１１の半径ｒａは３０ｍｍ程度とする。また、地板１１の上面はプリント基板等であり、導電性部材を用いた接地板として機能する。

図１４において、第２の実施形態のアンテナ装置１０Ｂは、基本的には第１の実施形態のアンテナ装置１０と同様の構成を備えるが、第１のアンテナ部１２及び第２のアンテナ部１３がそれぞれ、円筒形のフレキシブル基板上に、金属などの導電性部材を用いた配線パターンで４本のヘリカル素子を形成したものを例示している。

また、図１４のアンテナ装置１０Ｂは、地板１１の下面（第２面）に形成した、分配器／合成器１３３の給電回路４１の構成例も示している。なお、図１４では、給電回路４１の配線パターン例が分かるように、地板１１を透過させている。

地板１１の下面はプリント基板等であり、導電性部材を用いた配線パターンで、地板１１の下面に給電回路４１を形成した場合を例示している。また、給電回路４１に対する電磁場の影響を遮断するため、地板１１下面の給電回路４１を覆うように、例えばＺ軸方向に所定の高さを持つ箱型のシールド（電磁場遮断部材）４５を地板１１に取り付けている。

なお、給電回路４１のパターンは図１４に例示するものに限定されず、また電磁場の影響を遮断できれば、給電回路４１に対するシールド４５の構造も図１４に例示するものに限定されない。

図１４において、第１のアンテナ部１２は、絶縁材料で形成した薄膜円筒のフレキシブル基板１２０と、フレキシブル基板１２０の基板面に、導電性部材を用いた配線パターンで、４本のヘリカル素子１２ａ～１２ｄを形成した。

第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄは、端子Ｐｏｒｔ１～端子Ｐｏｒｔ４を介して、分配器／合成器１３３の給電回路４１と接続しており、給電回路４１は、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄとの間で電気信号を授受している。給電端子４２は図示しない無線装置と接続可能であり、給電端子４２は、給電回路４１と無線装置との間で信号の授受を行なうインターフェースである。

第１のアンテナ部１２のヘリカル素子１２ａ～１２ｄのそれぞれと、対応する端子Ｐｏｒｔ１～端子Ｐｏｒｔ４のそれぞれとの間に、インピーダンス整合のために、整合部品４３を設けている。整合部品４３は、例えばコイルとコンデンサで構成することができるが、これに限らず、インピーダンス整合が可能であれば、様々な回路、部品を適用することができる。

ここで、整合部品４３は、第１のアンテナ部１２のフレキシブル基板１２０上に設けている。このように、フレキシブル基板１２０上に整合部品４３を設けることで、アンテナ装置１０Ｂの組み立てが簡単になるという効果がある。例えば、地板１１の下面に給電回路４１と、第１のアンテナ部１２とをそれぞれ別個に作製しておく。このとき、第１のアンテナ部１２のフレキシブル基板１２０上に整合部品４３を設けておく。そして、第１のアンテナ部１２を地板１１に取り付けて組み立てる際に、整合部品４３が事前にフレキシブル基板１２０上にあるのでアンテナ装置１０Ｂの組み立てが容易となる。

第２のアンテナ部１３も、第１のアンテナ部１２と同様に、円筒形のフレキシブル基板１３０の基板面に、導電性部材を用いた配線パターンで、４本のヘリカル素子１３ａ～１３ｄを形成している。

図１５は、第２の実施形態の第２のアンテナ部１３と接続する終端負荷制御装置３０の構成を示す構成図である。

図１５において、終端負荷制御装置３０は、第２のアンテナ部１３のヘリカル素子１３ａ～１３ｄ毎に、各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの端部とグランドとの間に設けたダイオード３１、制御線３４、並列共振回路３２、バイパスコンデンサ３３、制御端子３５と接続可能な制御部３６を有する。

なお、図１５に例示する終端負荷制御装置３０は、ダイオード３１に順方向（アノードからカソード方向）に電圧を印加して、対応する各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの終端インピーダンスの大きさを変化させる場合を例示するが、この例に限らない。

ダイオード３１は、対応するヘリカル素子１３ａ～１３ｄのそれぞれの端部と、グランド（地板１１）との間に設けられ、印加される電圧により、対応するヘリカル素子１３ａ～１３ｄの終端インピーダンスを変化させるインピーダンス可変素子である。図１５の例において、ダイオード３１のアノードを各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの端部と接続させ、ダイオード３１のカソードをグランドに接地させて、順方向の電圧がダイオード３１に印加される。

また、ダイオード３１は、アンテナ装置１０Ｂの組み立てを容易にするため、第２のアンテナ部１３のフレキシブル基板１３０上に設けられる。

制御線３４は、対応するヘリカル素子１３ａ～１３ｄと接続して、インピーダンス可変素子としてのダイオード３１に、電圧を印加するための電圧制御線である。制御線３４は、ダイオード３１による終端インピーダンスの大きさを変化させるために設けられている。制御線３４は、制御端子３５を介して制御部３６と接続しており、制御部３６によって制御された電圧をダイオード３１に印加する。

制御部３６は、インピーダンス可変素子としてのダイオード３１に印加する電圧の大きさ（印加電圧の値）や、方向（順方向又は逆方向）を変化させて、終端インピーダンスの大きさを変化させる。なお、ダイオード３１に限らず、制御部３６は、終端インピーダンスの大きさを変化させるため、インピーダンス可変素子を制御する。制御部３６は、例えば、順方向電圧の値を変化させて、抵抗値を可変したり、また例えば、逆方向電圧の値を変化させて容量値を可変したり、また例えば、順方向、逆方向の電圧を問わず、印加する電圧値を変化させて、インピーダンスを可変させたりする。

並列共振回路３２は、対応するヘリカル素子１３ａ～１３ｄと、制御線３４との間に設けられている。

バイパスコンデンサ３３は、交流的なノイズ成分をグランドに流すため、制御線３４の近傍に設けた制御電圧変動防止素子である。なお、バイパスコンデンサ３３は、制御線３４の端部とグランドとしての地板１１との間に設けられている。

（Ｂ－２）第２の実施形態の動作
次に、第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂの動作を、図面を参照しながら詳細に説明する。

ここでは、アンテナ装置１０Ｂが電波を放射する場合を中心に説明する。アンテナ装置１０Ｂが電波を受信するときの動作は、電波送信時の動作と逆の動作で行なう。そのため、電波受信時も同様の効果を得る。

モデル条件は、基本的には、第１の実施形態と同様である。使用する電波の周波数は５０６０ＭＨｚ（すなわち使用する電波の波長λが５９ｍｍ程度）であり、地板１１の半径ｒａを３０ｍｍ（＝（１／２）×λ）程度とした。円偏波の回転方向は右旋円偏波（ＲＨＣＰ）とした。

第１のアンテナ部１２は、半径４ｍｍの円筒形のフレキシブル基板１２０の基板上に、ヘリカル素子１２ａ～１２ｄのパターンを形成した。ヘリカル素子１２ａ～１２ｄのそれぞれの長さは約（（１／４）×λ×ｎ；ｎ＝３）とし、ヘリカル素子１２ａ～１２ｄのそれぞれの巻き数を約０．７５程度とした。

第２のアンテナ部１３は、半径１２ｍｍの円筒形のフレキシブル基板１３０の基板上に、ヘリカル素子１３ａ～１３ｄのパターンを形成した。ヘリカル素子１３ａ～１３ｄのそれぞれの長さを約（（１／４）×λ×ｎ；ｎ＝３）とし、ヘリカル素子１３ａ～１３ｄのそれぞれの巻き数を約０．５程度とした。

制御線３４は、各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄが送信又は受信する電波の影響を受けにくい位置に設けられている。各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄに対する制御線３４の接続位置について図１６を用いて説明する。

図１６は、第２の実施形態においてヘリカル素子１３ａに対する制御線３４の接続位置を説明する説明図である。

図１６では、４本のヘリカル素子１３ａのうち、ヘリカル素子１３ａに対する制御線３４の接続位置を例示して説明し、他のヘリカル素子１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのそれぞれに対する制御線３４の接続位置についても同様とする。

制御線３４は、対応するヘリカル素子１３ａの下端部１３１の位置から、当該ヘリカル素子１３ａに沿って所定の距離だけ離れた位置とする。図１６に示す「Ｌ」は、ヘリカル素子１３ａに対する制御線３４の接続位置を示す距離（長さ）を示している。

また、ＸＹ平面上で、Φ＝０度の直線上にヘリカル素子１３ａの下端部１３１があるとき、Φ＝０度の直線に対してなす角度Φｃ度の位置に、制御線３４が配置するとも表記できる。

ここで、制御線３４が、対応するヘリカル素子１３ａの端部の近くに配置すると、当該ヘリカル素子１３ａが送信又は受信する円偏波は、制御線３４を流れる電流の影響を受けることになる。

逆に、制御線３４が、対応するヘリカル素子１３ａの下端部１３１から遠くに配置すると、当該ヘリカル素子１３ａに隣接する他のヘリカル素子１３ｂが送信又は受信する円偏波が、当該制御線３４を流れる電流の影響を受けることになる。

そのため、ヘリカル素子１３ａに対する制御線３４は、距離Ｌが０．１０λ～０．２２λの位置に配置されることが望ましい。またＸＹ平面上のΦの角度で表現すると、隣接する他のヘリカル素子１３ｂへの干渉を回避するため、なす角Φｃが７０度程度を超えない位置に、制御線３４が配置されることが望ましい。

図１７は、第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂの動作モードを切り替えたときの指向性を示す図である。図１８は、第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂの軸比特性を示す図である。

図１７及び図１８では、Ｌ＝約０．２２λ（Φｃ＝６０度）の位置に、制御線３４を配置した場合を例示する。

第２のアンテナ部１３の終端条件をＯｐｅｎにした場合、分配器／合成器１３３からの信号が第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄに入力し、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの先端（上端部）に向けて電流が流れるが、第２のアンテナ部１３には電流が誘起されない。

この場合、図１７（Ａ）より、±６０度付近で高い利得が得られていることが分かり、アンテナ装置１０Ｂは、低仰角方向に強い放射指向性を示しているといえる。また、図１８（Ａ）より、約±６０度前後の範囲で、軸比（ＡＲ）が３ｄＢ以下であるので、低仰角方向に円偏波を放射するアンテナ装置１０Ｂの性能は良好であるといえる。

第２のアンテナ部１３の終端条件をＳｈｏｒｔにした場合、分配器／合成器１３３からの信号が第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄに入力し、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの先端（上端部）に向けて電流が流れる。このように、第１のアンテナ部１２に給電すると、第２のアンテナ部１３にも電流が誘起され得る。

この場合、図１７（Ｂ）より、０度付近で高い利得が得られていることが分かり、アンテナ装置１０Ｂは、垂直方向に強い放射指向性を示しているといえる。また、図１８（Ｂ）より、約±５５度前後の範囲で、軸比（ＡＲ）が３ｄＢ以下であるので、垂直方向に円偏波を放射するアンテナ装置１０Ｂの性能は良好であるといえる。

（Ｂ－３）第２の実施形態の効果
上述したように、第２の実施形態によれば、第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの終端インピーダンスを切り替えるために、各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの端部とグランドとの間にインピーダンス可変素子を配置し、インピーダンス可変素子に電圧を印加するための制御線を、各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄに接続させることで、垂直方向から低仰角方向までの広い角度範囲にわたって円偏波を送受信できるアンテナ装置を提供できる。

また、第２の実施形態によれば、各ヘリカル素子に対する制御線を、例えば距離Ｌが０．１０λ～０．２２λ程度の位置に配置することで、当該ヘリカル素子、及び又は、隣接するヘリカル素子への電気的な干渉を回避できる。

さらに、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄと端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４との間に配置する整合部品４３を、フレキシブル基板１２０上に配置することで、アンテナ装置１０Ｂの組み立てが容易となる。

（Ｃ）他の実施形態
上述した実施形態においても種々の変形実施形態を言及したが、本発明は、以下の実施形態にも適用できる。

（Ｃ－１）上述した実施形態では、第１のアンテナ部１２及び第２のアンテナ部１３がそれぞれ、４線巻きヘリカルアンテナである場合を例示したが、ヘリカル素子の本数は３本でもよい。また、可能であれば、５本以上であってもよい。

（Ｃ－２）上述した実施形態では、内側円上にある第１のアンテナ部１２の各端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４と、外側円上にある第２のアンテナ部１３の各下端部１３１とが、互いに、例えばＸＹ面上でΦ＝０度の直線（ここでは「始線」と呼ぶ。）に対してなす角度が同じである場合を例示したが、始線に対してなす角度が同じでなく、各端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４と各下端部１３１と互いにずれた位置であってもよい。すなわち、例えば、各下端部１３１は始線に対してなす角度が端子Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４の角度と異なり、４個の下端部１３１は外側円上に等間隔で配置されてもよい。

また、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄは、例えば、円筒形又は円柱形のコア材の外形に沿って巻き上げられ、第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄは、半径（又は直径）が異なるコア材の外形に沿って巻き上げられるようにしてもよい。この場合、各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄ及び１３ａ～１３ｄは、金属等の導体を用いたパターンで、円筒形又は円柱形のコアの外周面に形成されるようにしてもよい。また、コア材は、円筒形又は円柱形に限らず、多角柱又は中空の多角柱であってもよい。

さらに、特許請求の範囲に記載の「螺旋状に巻き上げ」は、１個の導体が連続的に螺旋状に巻き上げられること、複数の導体が繋ぎ合わされて（すなわち複数の導体を接続させて）巻き上げられることを含む。後者は、基板表面にパターンでヘリカル素子を形成した基板をＺ軸方向に積層し、ある基板のヘリカル素子と、その上下方向にある基板のヘリカル素子とを接続させたアンテナ装置にも適用できることを意味する。つまり、複数基板のそれぞれの表面にヘリカル素子を形成して、各基板のヘリカル素子を導体で接続してパッケージ化したアンテナ装置にも適用できる。

（Ｃ－３）上述した実施形態では、第１のアンテナ部１２が分配器／合成器１３３に接続し、第２のアンテナ部１３が終端負荷切替部１３２に接続している場合を例示した。しかし、第１のアンテナ部１２及び第２のアンテナ部１３が接続する回路構成は、これに限らず、例えば、第２のアンテナ部１３が各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄに電気信号を給電又は受電する分配器／合成器に接続し、第１のアンテナ部１２が終端負荷切替部１３２に接続する回路でもよい。

（Ｃ－４）図１９は、変形実施形態のアンテナ装置１０Ａの構成を示す構成図である。

図１９に示すように、アンテナ装置１０Ａは、第１のアンテナ部１２の各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの先端を導電性環状部材６２で連結させるようにしてもよい。同様に、第２のアンテナ部１３の各ヘリカル素子１３ａ～１３ｄの先端を導電性環状部材６３で連結させてもよい。

第１のアンテナ部１２における各ヘリカル素子１２ａ～１２ｄの先端を導電性環状部材６２で連結させることにより、導電性環状部材６２の長さだけヘリカル素子１２ａ～１２ｄの長さ（電気長）が長くなるが、インピーダンス整合を行なうことで調整することができる。なお、第２のアンテナ部１３についても同様である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ…アンテナ装置、１１…地板、１２…第１のアンテナ部、１２ａ～１２ｄ…ヘリカル素子、１３…第２のアンテナ部、１３ａ～１３ｄ…ヘリカル素子、Ｐｏｒｔ１～Ｐｏｒｔ４…端子、１２０…フレキシブル基板、１３０…フレキシブル基板、１３１…下端部、１３２…スイッチ部（終端負荷切替部）、１３３…分配器／合成器、１３４…無線装置、
３０…終端負荷制御装置、３１…ダイオード、３２…並列共振回路、３３…バイパスコンデンサ、３４…制御線、３５…制御端子、３６…制御部、
４１…給電回路、４２…給電端子、４３…整合部品、４５…シールド、
５１…飛行体、５２…飛行中継局、５３…地上局、
６２…導電性環状部材、６３…導電性環状部材。

Claims (4)

1. 地板と、
   前記地板に対して第１のピッチ角で螺旋状に巻き上げた複数の第１のヘリカル素子を有する第１のアンテナ部と、
   前記第１のアンテナ部を囲む位置に、前記地板に対して第２のピッチ角で螺旋状に巻き上げた複数の第２のヘリカル素子を有する第２のアンテナ部と、
   それぞれの前記第２のヘリカル素子の終端負荷を切り替える終端負荷制御部と
   を備え、
   前記終端負荷制御部が、
   それぞれの前記第２のヘリカル素子毎に、前記第２のヘリカル素子と接地との間に当該第２のヘリカル素子の終端負荷を変化させるインピーダンス可変素子と、
   前記第２のヘリカル素子毎に、対応する前記第２のヘリカル素子と接続し、当該第２のヘリカル素子の前記インピーダンス可変素子への制御電圧を印加する制御線と
   を有することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第２のヘリカル素子毎の前記制御線は、当該第２のヘリカル素子と隣接する他の前記第２のヘリカル素子に対して電磁的な干渉を与えない位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２のヘリカル素子毎の前記制御線と、当該第２のヘリカル素子との間に並列共振回路と、
   前記第２のヘリカル素子毎の前記制御線の近傍に交流成分をグランドに流す制御電圧変動防止素子と
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１のアンテナ部の前記複数の第１のヘリカル素子のそれぞれに対して電力を供給する給電回路を備え、
   それぞれの前記第１のヘリカル素子と、前記給電回路と接続する端子との間であって、前記第１のヘリカル素子側に設けた整合回路を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
   

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