JP2911088B2

JP2911088B2 - ヘリカルアンテナ

Info

Publication number: JP2911088B2
Application number: JP19915293A
Authority: JP
Inventors: 望長谷部; 隆加藤
Original assignee: Taiko Electric Works Ltd
Current assignee: Taiko Electric Works Ltd
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JPH0738326A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば移動体通信に
好適な、ヘリカルアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の移動体通信の発達に伴い、固定局
対移動局あるいは移動局間の無線通信に、水平面内無指
向性に円偏波を発生するアンテナの要求が高まってい
る。

【０００３】円偏波が建築物や海面などで反射した場
合、反射によるマルチパス波の旋回方向が逆転すること
により、円偏波アンテナではマルチパス波が受信され
ず、画像伝送時のゴースト、デジタル伝送時のビット誤
り率の増加などのマルチパス波による悪影響を抑圧する
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、水平
面内無指向性に円偏波を発生するアンテナとしては、
Ａ．λ／２ダイポールアンテナをλ／４離して直交さ
せ、同相給電するもの、Ｂ．４線式ヘリカルを９０゜ず
つ移相して、円偏波励振を行なうもの、Ｃ．同軸導波管
の周囲に複数のスロットを傾斜して切るもの、Ｄ．垂直
ダイポールの周囲に３対の直交した無給電素子を配置す
るもの、などが知られている。

【０００５】ところが、上述のような円偏波を発生する
アンテナには、ａ．給電構造は単純であるが、機械的強
度を保ち難い、ｂ．円偏波励振のための給電回路を別に
必要とし、構造が複雑となる、放射パターンが半球面状
となり、目的によっては天頂方向の放射は不必要な放射
となる、ｃ．周囲スロットの加工に精度が要求され、か
つ、機械的強度が低下する、ｄ．特別の給電回路を必要
とせず、構造が簡単であるが、寸法が（λ／２）×（λ
／２）となり、小型化されていないというような問題が
あった。

【０００６】一方、波長（λ）に比べて小さいノーマル
モードヘリカルアンテナのピッチ角を適当に選ぶと、水
平面内無指向性に円偏波を発生することが、次の文献な
どにより、知られている。参考文献： (1) H.A.Wheeler,"A Helical Antenna fore Circular P
olarization",Proc.I.R.E.,Dec.1947,pp1484-1488. (2) J.D.Kraus,"Anntennas",McGraw-Hill Book Co.,198
8,Chap.7. (3) クラウス著，谷村功訳，「空中線」，無線従事者
教育協会発行。

【０００７】この文献では、電流分布が一定とみなせる
微小なダイポールアンテナと微小なループアンテナとの
組み合わせで、垂直・水平成分の比が１となるような、
円偏波発生条件を満足する周囲長とピッチとが求められ
る。

【０００８】しかしながら、このアンテナに接続する給
電線が平衡線路を主体にして論じられ、整合のための具
体的寸法が示されていない。また、一般に、アンテナを
小型化すると放射インピーダンスが低下し、インピーダ
ンス整合のため付加する変成器の変成比が大きくなり、
アンテナのＱが大きく狭帯域になると共に、整合回路の
損失も無視できず効率も低くなるという問題があった。

【０００９】この発明の目的は、円偏波励振のための特
別な給電回路を必要とせず、小型で構成が簡単であり、
機械的強度に優れ、水平面内無指向性に円偏波を発生す
ることができるヘリカルアンテナを提供するところにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、この発明によるヘリカルアンテナは、後述の実施例
の参照符号を対応させると、螺旋状の導体細条を放射導
体とするヘリカルアンテナにおいて、所定の巻回数とピ
ッチ角とで螺旋状に形成された、約半波長の長さの４本
の導体細条（１２ａ＋２２ａ）〜（１２ｄ＋２２ｄ）を
円筒状支持部材（１１＋２１）の円筒表面上に等しい角
間隔で配設すると共に、上記支持部材の内部に同軸に配
設した同軸線路３４から、この同軸線路位置で十字型に
直交する形状の誘電体伝送路３０を介して、上記４本の
導体細条の各中点に並列に給電するようにしたものであ
る。

【００１１】

【作用】かかる構成によれば、複数の導体細条（１２ａ
＋２２ａ）〜（１２ｄ＋２２ｄ）が、自己共振型で、か
つ、円偏波発生条件を満足する放射素子となって、水平
面内無指向性に円偏波が放射される。

【００１２】

【実施例】この発明では、全長がλ／２となる自己共振
型アンテナ２本を軸対称に配置し、これを１対とした２
対アンテナを等角度間隔で円筒上に配置し、この円筒上
に各素子をヘリカル状に巻き付け、その巻回数（巻付
角）とピッチ角とを適当に選ぶことにより、水平面内無
指向性に円偏波を発生するヘリカルアンテナを実現して
いる。

【００１３】以下、図１〜図６を参照しながら、この発
明によるヘリカルアンテナの一実施例について説明す
る。この発明の一実施例の全体の構成を図１に、その要
部の展開図を図２にそれぞれ示す。

【００１４】図１において、１０は上側放射部、２０は
下側放射部であって、低損失の誘電体（ポリエチレン、
セラミック等）からなる、上下の支持円筒１１，２１上
に、それぞれ４本の螺旋状の導体細条１２ａ〜１２ｄ，
２２ａ〜２２ｄが、９０゜の角間隔で配設されて構成さ
れる。

【００１５】各導体細条１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２
ｄは、例えば、円筒１１，２１に導線を巻き付ける、ま
たは、各円筒に貼着された銅箔をエッチングするなどに
より形成される。

【００１６】３０は直交４分岐平行平板誘電体伝送路で
あって、低損失の誘電体からなる円盤３１の上下両面
に、エッチングなどにより、それぞれ円盤３１の中心位
置で十字型に直交する形状に形成された２枚の導体片３
２，３３が、平行に対向して配設されるようにされて、
マイクロストリップ型の４本の誘電体伝送路３０ａ〜３
０ｄが構成される。この誘電体伝送路３０を介在させ
て、上側放射部１０と下側放射部２０とが機械的に結合
される。

【００１７】そして、伝送路３０ａ〜３０ｄの外側端
は、上側放射部１０の導体細条１２ａ〜１２ｄの下端
と、下側放射部２０の導体細条２２ａ〜２２ｄの上端と
にそれぞれ接続されて、上下の１対の導体細条（１２
ａ，２２ａ）〜（１２ｄ，２２ｄ）により、それぞれ中
央給電型のヘリカルアンテナ素子が構成され、給電面の
上下の空間での対称性が保たれる。

【００１８】また、誘電体伝送路３０の導体片３２と導
体片３３とが十字型に直交する位置には、下側の支持円
筒２１の内部に同軸に配設された同軸給電線３４の内部
導体及び外部導体３４ｉ，３４ｏがそれぞれ接続され
る。

【００１９】従って、４つのヘリカルアンテナ素子（１
２ａ＋２２ａ）〜（１２ｄ＋２２ｄ）は同軸給電線３４
からみて並列に給電されることになり、円偏波励振のた
めの特別な給電回路を必要とせず、構成が簡単になる。

【００２０】また、この同軸給電線３４の周囲が下側放
射部２０の導体細条２２ａ〜２２ｄにより覆われるた
め、平衡−不平衡変換効果、いわゆるバラン効果が期待
されると共に、同軸給電線３４からの２次放射の抑圧効
果も期待される。

【００２１】図２の展開図に示すように、この実施例で
は、各導体細条１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄの長さ
Ｌが約λ／４に、即ち、各ヘリカルアンテナ素子（１２
ａ＋２２ａ）〜（１２ｄ＋２２ｄ）の全長２Ｌが約λ／
２に設定されて自己共振型とされる。

【００２２】これにより、各アンテナ素子を共振状態で
使用するため、アンテナ素子自体リアクタンス分を持た
ず、４本のアンテナ素子を並列給電することにより、放
射インピーダンスの増加を期待できると共に、アンテナ
素子数を最適な４本とすることにより、給電線との整合
が可能となる。

【００２３】また、この実施例では、約λ／２のヘリカ
ルアンテナ素子の巻回数Ｎhhが１（巻付角３６０゜）
に、即ち、長さＬの導体細条１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜
２２ｄの巻回数Ｎhqが１／２（巻付角１８０゜）に設定
される。

【００２４】そして、この巻回数で、単素子のヘリカル
アンテナが円偏波発生条件を満足するピッチ角α（α4
1）を、次の数式１

【００２５】

【数１】に示すような、前出文献にある単一素子に対する条件を
用いて求めると、 α41＝１３．５゜となる。

【００２６】なお、この数式において、Ｃ _λ ；ヘリカルアンテナの円周／λ Ｓ _λ ；ヘリカルアンテナの高さ／λ である。ヘリカルアンテナの半径をａ、高さをｈとする
と、例えば、ａ＝λ／１０のときには、Ｃ _λ ＝２π／１
０であり、また、ｈ＝λ／１０のときには、Ｓ _λ ＝１／
１０である。また、共振型の電流を考慮し、４本同位相
励振した際の円偏波放射条件は、次の数式２

【００２７】

【数２】に示すような条件を用いて求められて、 α41＝１４゜となる。

【００２８】上記数式２において、Ｊ _０；第１種ゼロ次のベッセル関数Ｊ _１；第１種１次のベッセル関数である。なお、上述のようにして、各導体細条１２ａ〜
１２ｄ，２２ａ〜２２ｄの長さＬと、ピッチ角αとが決
まれば、図２からも明らかなように、螺旋のピッチと巻
き径、即ち、支持円筒１１，２１の直径Ｄと高さＨと
は、Ｄ＝（２Ｌｃｏｓα）／π Ｈ＝Ｌｓｉｎα の両式によって一義的に定まる。

【００２９】例えば、１．５ＧＨｚ（λ＝２００ｍｍ）
の周波数帯において、４素子ヘリカルアンテナの各導体
細条１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄの長さ及び幅Ｌ，
Ｗと、各支持円筒１１，２１の直径Ｄと高さＨとは、そ
れぞれ、Ｌ＝３９．０ｍｍ，Ｗ＝１．２ｍｍＤ＝２４．０ｍｍ，Ｈ＝９．０ｍｍと設定される。

【００３０】この例では、小型化による利得の低下、狭
帯域化を抑える意味で、円周を約λ／２、高さを約λ／
１０とした。この結果、外形寸法が概ね（λ／８）×
（λ／１０）と小型化される。

【００３１】また、誘電体伝送路３０の各伝送路３０ａ
〜３０ｄの導体の幅と、誘電体層３１の厚さｔ３１及び
誘電率εｒは、例えば、Ｗ３０＝１．５ｍｍ，ｔ３１＝０．８ｍｍ； εｒ＝２．５５に設定されて、約λ／１６の長さのマイクロストリップ
型の伝送路３０ａ〜３０ｄの特性インピーダンスは約８
０Ωとなった。この値は、５０Ωの特性インピーダンス
の同軸給電線３４と各アンテナ素子との間のインピーダ
ンス整合のため、実験により求めたものである。

【００３２】この実施例では、図３及び図４に示すよう
に、周波数１．５３ＧＨｚにおいて、軸比が０．８ｄ
Ｂ、リターンロスが約−３３ｄＢを得ている。そして、
利得は約０ｄＢｉとなる。また、放射パターンは、図
５，図６に示すように、水平面内では無指向性であり、
垂直面内では、鎖線で示したダイポールアンテナと同様
に「８」字状指向性となる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、長さが約半波長で自己共振型の複数のアンテナ素子
を、所定の巻回数とピッチ角とで螺旋状に形成して、支
持円筒上に等しい角間隔で配設し、支持円筒の内部に同
軸に配設した同軸線路から４本のアンテナ素子の各中点
に、誘電体伝送路を介して、並列に給電するようにした
ので、円偏波励振のための特別な給電回路を必要とせ
ず、小型で構成が簡単であり、機械的強度に優れ、水平
面内無指向性に円偏波を発生することができるヘリカル
アンテナが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるヘリカルアンテナの一実施例の
構成を示す分解斜視図である。

【図２】この発明の一実施例の要部の構成を示す展開図
である。

【図３】この発明の一実施例の偏波特性を示す図であ
る。

【図４】この発明の一実施例の整合性を示す図である。

【図５】この発明の一実施例の水平指向性を示す図であ
る。

【図６】この発明の一実施例の垂直指向性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０上側放射部１１支持円筒１２ａ〜１２ｄ導体細条２０下側放射部２１支持円筒２２ａ〜２２ｄ導体細条３０直交４分岐平行平板誘電体伝送路３４同軸給電線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−74906（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−57163（ＪＰ，Ａ) 特開平４−211522（ＪＰ，Ａ) 特開平４−134906（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−68704（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01Q 9/00 - 11/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】螺旋状の導体細条を放射導体とするヘリカ
ルアンテナにおいて、所定の巻回数とピッチ角とで螺旋状に形成された、約半
波長の長さの４本の導体細条を円筒状支持部材の円筒表
面上に等しい角間隔で配設すると共に、上記支持部材の内部に同軸に配設した同軸線路から、こ
の同軸線路位置で十字型に直交する形状の誘電体伝送路
を介して、上記４本の導体細条の各中点に並列に給電す
ることを特徴とするヘリカルアンテナ。