JP3180767B2

JP3180767B2 - 逆ｆ型アンテナ

Info

Publication number: JP3180767B2
Application number: JP19185298A
Authority: JP
Inventors: 吉秀宮田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2001-06-25
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JP2000022434A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は共振周波数が調整可
能な逆Ｆ型アンテナに関し、特にロケット及び人工衛星
などの宇宙航行体への装着に好適な逆Ｆ型アンテナに関
する。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星打ち上げ用のロケットには、複
数の周波数帯の送信機及び受信機が搭載されている。例
えば、日本製のＨ−２ロケットには、地上局との通信用
に３００ＭＨｚ（ＶＨＦ）帯及び２．３ＧＨｚ帯のテレ
メータ送信機，５．６ＧＨｚ帯（Ｃバンド）のレーダト
ランスポンダ及び２．６ＧＨｚ帯の指令破壊受信機が搭
載される（Ｈ−２ロケット搭載計測通信系の開発：ＮＥ
Ｃ技報，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．１１／１９９４，ｐｐ９
２−９９）。ここで、逆Ｆ型アンテナは、その簡便な構
造から安価で小型化が要求される携帯無線機などに重用
されている。そして、上述のロケット用アンテナの内、
上記逆Ｆ型アンテナと動作原理を基本的に同じくする逆
Ｆ型アンテナが、３００ＭＨｚ帯のアンテナ（ＶＨＦア
ンテナ）においても用いられる。しかしながら、宇宙環
境で用いるには、当然ながら宇宙環境に適した設計及び
製造がなされねばならない。

【０００３】ロケットは、その打ち上げの過程におい
て、非常に大きな振動及び衝撃を発生する。このため、
搭載機器，特にロケット外板に装着されるアンテナは、
振動・衝撃受けても放射特性に悪影響が出ないような固
定方法が要求される。以下、図３に示した斜視図およ
び，図４に示した図３の逆Ｆ型アンテナのリターンロス
特性を示す図を参照して従来の宇宙環境用の逆Ｆ型アン
テナについて説明する。

【０００４】図３に示す逆Ｆ型アンテナは、金属等の導
電体からなるほぼ平らな地板（ベース又はグランドプレ
ーンともいう）２ａ上に離間して放射素子（エレメント
ともいう）１ａを配置している。即ち、少なくとも表面
が金属等の導電体である地板２ａに対する対向面がほぼ
平らな放射素子１ａは、地板２ａに対してほぼ平行に対
面配置される。放射素子１ａの一端と地板２ａとは金属
等の導電体である短絡端６ａで接続される。短絡端６ａ
は放射素子１ａとほぼ直交する。なお、地板２の放射素
子１に対向する面積は、一般に放射素子１の地板２への
対向面積より広くしている。

【０００５】地板２ａから放射素子１ａの方に突出した
中心導体（給電導体）１３の先端部が放射素子１ａにロ
ー付け等で接続される。この接続位置はこの逆Ｆアンテ
ナが所定の使用周波数でほぼ整合（共振）する位置であ
る。中心導体１３の他端は、地板２ａを貫通して放射素
子１ａとは反対面側に出る。地板２ａには中心導体１３
を貫通させる円形の貫通穴１７を設けてあり、中心導体
１３と貫通穴１７との間は両者を絶縁するテフロン（商
品名）等の誘電体１２で充填されている。

【０００６】中心導体１３と誘電体１２と貫通穴１７と
がこの逆Ｆ型アンテナを高周波数信号で励振（給電）す
る給電回路を構成する。上記給電回路は、このアンテナ
を用いる高周波回路との整合を取りやすくするため、通
常５０Ω系で構成される。中心導体１３と誘電体１２と
は同軸線路または同軸コネクタを用いることが多い。図
３における逆Ｆアンテナの電磁波放射の方向は、地板２
ａの上面側（放射素子１ａ側）に向いており、ほぼ無指
向性である。但し、放射素子１ａの解放端７ａの方向か
ら強く放射し，短絡端６ａの方向からの放射は少ない。

【０００７】なお、この逆Ｆ型アンテナは、宇宙環境に
おいて高電力を扱うため、放射素子１ａの断面積（高さ
Ｈ）を大きくすることで放射素子１ａのＱ（共振倍率）
を下げ、放射素子１ａと地板２ａとの間の放電現象を避
けるようにしている。

【０００８】上記３００ＭＨｚ帯の逆Ｆアンテナ（ＶＨ
Ｆアンテナ）の寸法の一例は、放射素子１ａの幅Ｗが約
１０ｍｍ，高さＨが約１０ｍｍ，放射素子１ａの長さＬ
が約２５０ｍｍである。このように放射素子１ａの幅Ｗ
が波長（約１ｍ）に比べて非常に細い（λ／１００：λ
＝自由空間波長）場合は、放射素子１ａのＱが高いた
め、上記５０Ω系の給電回路から見たＶＳＷＲ（リター
ンロス）特性は、図４に示すように、ほぼ使用に耐える
程度に反射損失が少ないＶＳＷＲ１．５（リターンロス
約１４ｄＢ）以下の周波数帯域が０．５％以下と非常に
急峻なリターンロス特性を示し、使用可能な帯域が狭い
という問題があった。

【０００９】また、図３の逆Ｆアンテナ，特に放射素子
１ａは、ロケットからの振動・衝撃に対して、十分な耐
破壊強度を持たせる必要がある。即ち、振動・衝撃によ
り、放射素子１ａとロケットボディーに結合されている
地板２との距離が変動すると、放射素子１ａと地板２ａ
との間の容量（キャパシタンス）成分が変動し、この逆
Ｆアンテナは共振周波数（上記所定の使用周波数にほぼ
対応する）のずれなどの電気特性に対する悪影響が生じ
る。図３ではこれを防止するために、放射素子１ａの先
端部，つまり解放端７ａ近傍を地板２ａに固定すると共
に放射素子１ａの周りを包む誘電体４によって固定して
いる。誘電体４の地板２への固定は誘電体４のフランジ
と地板２とをビス５０で螺着（ネジ止め）することによ
って行われる。なお、地板２ａには上記ロケットボディ
ーへの螺着を可能にする複数のビス穴１５ａ〜１５ｆを
設けている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のとおり、従来の
逆Ｆ型アンテナは使用可能な周波数帯域が狭く、この狭
い周波数範囲を送信機等の使用周波数にほぼ正しく調整
する必要があった。従来、この逆Ｆアンテナの周波数調
整（共振周波数調整あるいはＶＳＷＲ調整）は、放射素
子長を長めに製作しておき，ＶＳＷＲ特性を確認しなが
ら上記放射素子の解放端部を切削して調整する手法を採
っていたので、周波数調整に多大の時間を要するという
欠点があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による逆Ｆ型アン
テナは、導電体からなる地板と、前記地板に対してほぼ
平行に対面配置した導電体からなる放射素子と、前記放
射素子の一端を前記地板と接続する短絡端と、前記放射
素子に高周波数信号を給電する給電回路とを備える逆Ｆ
型アンテナにおいて、前記地板と前記放射素子の対向面
との間のほぼ全体に挿入した誘電体と、前記地板の方向
から前記誘電体を前記地板に螺着する第１のビスと、前
記放射素子の方向から前記放射素子と前記誘電体とを螺
着する第２のビスとを備える。

【００１２】前記逆Ｆ型アンテナの一つは、前記第１の
ビス及び第２のビスが、それぞれ複数個備えられている
構成をとることができる。

【００１３】該逆Ｆ型アンテナの一つは、前記第１のビ
スおよび第２のビスが、それぞれ１以上の列に配列され
ている構成をとることができる。

【００１４】該Ｆ型アンテナの別の一つは、前記誘電体
には、前記誘電体の厚さよりも短かい前記複数個の第１
のビス及び第２のビスのそれぞれを螺着させる螺刻穴を
備える構成をとることができる。

【００１５】該Ｆ型アンテナのさらに別の一つは、前記
誘電体が、対面する前記放射素子又は前記地板と前記第
１又は第２のビスの先端とが接触しないように螺刻しな
い部分を残している構成をとることができる。

【００１６】前記逆Ｆ型アンテナの別の一つは、前記第
１のビス及び第２のビスで前記地板及び前記放射素子を
螺着しない場合において、前記放射素子及び前記誘電体
が、共振周波数を所定の使用周波数より低くする長さに
設定されている構成をとることができる。

【００１７】前記逆Ｆ型アンテナのさらに別の一つは、
前記第１のビス及び第２のビスを挿入する前記地板及び
前記放射素子が、その外面より内側に前記ビスの頭を保
つビス穴を備える構成をとることができる。

【００１８】本発明による逆Ｆアンテナは、放射素子と
地板との対向面間のほぼ全体に誘電体を配置してロケッ
トボディーから振動や衝撃が伝わっても上記放射素子と
上記地板との間の位置関係を固定し、逆ＦアンテナのＶ
ＳＷＲの周波数特性などの諸特性変動を最小限に低減し
ている。また、上記誘電体は金属製等のビスによって上
記放射素子及び上記地板に固定する。上記ビスの上記誘
電体への挿入長を変化することによって上記放射素子と
上記地板との間の容量値が変化し、逆Ｆアンテナの共振
周波数が変化する。例えば、上記ビスの上記誘電体への
挿入長を長くすると、上記地板との間の容量値が増加
し、逆Ｆアンテナの共振周波数（使用可能周波数）が低
くなる。従って、本発明による逆Ｆアンテナは、ロケッ
ト搭載時の耐振動・耐衝撃環境特性を確保しつつ、アン
テナの共振周波数（ＶＳＷＲ）を容易に調整することが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。

【００２０】図１は本発明による逆Ｆ型アンテナの実施
の形態の一つを示す断面図である。また、図２は図１の
逆Ｆ型アンテナの斜視図である。

【００２１】図１及び図２の逆Ｆアンテナは、図３の逆
Ｆアンテナの放射素子１ａ，地板２ａ，短絡端６ａ，解
放端７ａ，誘電体１２，中心導体１３及び貫通穴１７に
それぞれ対応する放射素子１，地板２，短絡端６，解放
端７，誘電体１２，中心導体１３及び貫通穴１７を含ん
でいる。これらの構成要素は図１の同名の構成要素と同
じ作用を生じる。この逆Ｆアンテナは、また、地板２と
放射素子１との対向面間のほぼ全体にテフロン等の誘電
体３を挿入している。誘電体３は放射素子１及び地板２
に対して垂直方向に雌ねじに螺刻されて貫通している誘
電体タップ２００，２０１，２０２，３００及び３０１
と中心導体１３を貫通させる貫通穴とを備えている。

【００２２】地板２に設けたビス穴９ａ，９ｂ及び９ｃ
は、誘電体タップ２００，２０１及び２０２にそれぞれ
対応する位置にある。導電体である金属製のビス２０，
２１及び２２は、地板２の外面側からビス穴９ａ，９ｂ
及び９ｃを通して誘電体タップ２００，２０１及び２０
２をそれぞれ螺着（ネジ止め）し、誘電体３を地板２に
固定する。また、放射素子１にはビス穴８ａ及び８ｂを
設け、誘電体３には誘電体タップ３００及び３０１をビ
ス穴８ａ及び８ｂにそれぞれ対応する位置に設ける。金
属製のビス３０及び３１は、放射素子１の外面側からビ
ス穴８ａ及び８ｂを通して誘電体タップ３００及び３０
１とそれぞれ螺着され、放射素子１と誘電体３とを固定
する。

【００２３】従って、放射素子１は地板２に対して機械
的に固定され、ロケットボディー５から伝わる振動及び
衝撃による放射素子１と地板２との位置関係の変化は極
めて少なくなり、両者の位置関係が変わることによるア
ンテナ特性の変化は極めて微少に低減される。なお、こ
の逆Ｆアンテナは、地板２をビス穴１４ａ及び１４ｂを
介して放射素子１側からビス４０ａ及び４０ｂによって
ロケットボディー５に固定している。

【００２４】同軸コネクタ１１は上述した図３の給電回
路を詳細に示している。同軸コネクタ１１は、誘電体１
２がコネクタ筐体から突出し、金属棒である中心導体１
３が誘電体１３からさらに突出した構造を持つ。同軸コ
ネクタ１１のフランジは地板２の放射素子１の反対方向
の面にネジ（ビス）等で固定され、貫通穴１７と中心導
体１３と誘電体１２とは同軸線路をなし、貫通穴１７は
この同軸線路の外導体となっている。中心導体１３の先
端は、放射素子１にロー付け等によって機構的及び電気
的に接続され、高周波数信号を放射素子１に供給する。
図１の逆Ｆアンテナも、電磁波放射の方向は地板２の上
面側（放射素子１側）に向いており、ほぼ無指向性であ
る。放射素子１の解放端７の方向から強く放射し，短絡
端６の方向からの放射が少ないことも同様である。

【００２５】ここで、地板２に誘電体３を固定するビス
２０，２１及び２２と、放射素子１と誘電体３とを固定
するビス３０及び３１は、この逆Ｆアンテナの共振周波
数（ＶＳＷＲ）を調整することができる。つまり、地板
２と誘電体３とを固定しているビス２０の挿入長ｌ２
０，ビス２１の挿入長ｌ２１，ビス２２の挿入長ｌ２２
及び放射素子１と誘電体３とを固定しているビス３０の
挿入長ｌ３０，ビス３１の挿入長ｌ３１を調整すること
で、逆Ｆアンテナの共振周波数を調整（チューニング）
することが出来る。

【００２６】即ち、ビス２０，２１，２２，３０及び３
１の各各は、誘電体３に挿入することで、地板２と放射
素子１との間の容量を増加することが出来る。逆Ｆアン
テナの放射素子１の長さＬは使用周波数において一般に
約λ／４（λは自由空間波長，周波数３００ＭＨｚの場
合には２５０ｍｍになる）に設定する。しかし、この逆
Ｆアンテナにおいては、上記各ビスによる容量増加を見
込む必要があるので、放射素子１の長さＬをλ／４より
も若干長めに設定し、上記ビス挿入のない場合を想定し
たアンテナとしてのリアクタンス分は誘導性に設定し、
共振周波数は使用周波数より低くしておく。

【００２７】上記ビスの各各による容量増加は、各ビス
の誘電体３への挿入量にほぼ比例し、等価的にはビスの
位置にも関係するので、上記各ビスの挿入量の組み合わ
せにより、付加容量をある程度自由にコントロールする
ことが出来る。従って、ＶＳＷＲが良好である使用周波
数（共振周波数）もある程度自由にコントロールするこ
とが出来る。

【００２８】ビス２０，２１，２２，３０及び３１の挿
入長の調整は、螺刻長の異なるビスを多種類用意してお
き、これらビス長を適切に選択することにより行うこと
ができる。誘電体３のタップ２００，２０１，２０２，
３００及び３０１を貫通させておくと、ビス２０，２
１，２２，３０及び３１の誘電体３への挿入長は、放射
素子１と地板２との距離の間で自由に選択することが出
来る。但し、ビス２０，２１及び２２には地板２に誘電
体３を固定する役割もあるので、ビス２０，２１及び２
２の内の少なくとも１本は誘電体３にかなり挿入してお
く必要がある。このため、放射素子１の長さＬは上記の
条件が満たされる長さにしておく必要がある。ビス３０
及び３１もビス２０，２１及び２２と同様の条件を満た
す必要があるのは明らかである。

【００２９】図１及び図２の逆Ｆアンテナは、放射素子
１の幅Ｗを約１０ｍｍ，高さＨを約１０ｍｍ，長さＬを
約２５０ｍｍとして、上記ビス挿入時において、３００
ＭＨｚ帯用に良好な性能を得ている。なお、同軸線路な
ど，外導体が中心導体を包み込む構造の伝送線路では、
上記外導体と上記内導体との間に比誘電率ｅr の誘電体
を充填すると、その伝送線路の伝搬波長は（１／ｅr ）
の平方根に短縮される。しかし、この逆Ｆアンテナは
放射素子１の高さＨ方向にも多くの電界が分布するの
で、誘電体３による波長短縮効果はあまり多くない。一
方、上述のとおり、上記各ビスによる容量増加を見込む
必要上，放射素子１の長さＬをλ／４よりも若干長めに
設定する。相互の相殺の結果として、図１及び図２の逆
Ｆアンテナの放射素子１の長さＬは、図３の逆Ｆアンテ
ナの放射素子１ａの長さＬとほぼ同じ長さになってい
る。

【００３０】なお、ビス２０、２１、２２、３０及び３
１が対向する放射素子１や地板２にごく接近すると、容
量値が急激に増加し、周波数調整が困難になることがあ
る。これを避けるためには、誘電体３の螺刻を貫通させ
るのではなく、上記ビスの先端が対面する放射素子１又
は地板２と最低でも接触しないように誘電体３に螺刻し
ない部分（板状部）を残すようにしてもよい。

【００３１】また、図１及び図２の実施の形態では、使
用しているビスの本数が地板２側に３本，放射素子側に
２本であるが、ビスの本数には制限はなく，必要に応じ
て設定すればよい。

【００３２】さらに、図１及び図２の実施の形態では、
ビスを１列だけ使用しているが（特に図２参照）、２列
以上であってもよいことは勿論である。

【００３３】なお、ビス穴８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ及び
９ｃは、ビス３０，３１，２０，２１及び２２の頭を放
射素子１及び地板２の外面より内側に保つ構造になって
いる。この構造は、ロケットが空気中を飛行する際に空
気抵抗を少なくするために有効である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明による逆Ｆア
ンテナは、地板と放射素子との対向面間のほぼ全体に挿
入した誘電体と、前記地板の方向から前記誘電体を前記
地板に螺着する第１のビスと、前記放射素子の方向から
前記放射素子と前記誘電体とを螺着する第２のビスとを
備えるので、上記ビスの上記誘電体への挿入長を変化す
ることによって上記放射素子と上記地板との間の容量値
が変化させることで、逆Ｆアンテナの共振周波数を変化
させることができる。例えば、上記ビスの上記誘電体へ
の挿入長を長くすると、上記地板との間の容量値が増加
し、逆Ｆアンテナの共振周波数（使用可能周波数）が低
くなる。また、本発明による逆Ｆアンテナは、上記ビス
によって上記放射素子と上記地板との間の位置関係を固
定するので、ロケット打ち上げ又は搭載時の耐振動・耐
衝撃環境特性を確保しつつ、アンテナの共振周波数（Ｖ
ＳＷＲ）を容易に調整することができるという効果があ
る。従って本発明による逆Ｆアンテナは、ロケット用と
しても安価で且つ良好な放射特性を有するアンテナを提
供することが出来るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による逆Ｆ型アンテナの実施の形態の一
つを示す断面図である。

【図２】図１の逆Ｆ型アンテナの斜視図である。

【図３】従来の逆Ｆ型アンテナの斜視図である。

【図４】本発明に係る逆Ｆ型アンテナのリターンロス
（ＶＳＷＲ）特性を示す図である。

【符号の説明】

１放射素子２地板３誘電体５ロケットボディー６短絡端７解放端８ａ，８ｂ，９ａ〜９ｃ，１４ａ，１４ｂビス穴１１同軸コネクタ１２誘電体１３中心導体１７貫通穴２０〜２２，３０，３１，４０ａ，４０ｂビス２００〜２０２，３００，３０１誘電体タップ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導電体からなる地板と、前記地板に対し
てほぼ平行に対面配置した導電体からなる放射素子と、
前記放射素子の一端を前記地板と接続する短絡端と、前
記放射素子に高周波数信号を給電する給電回路とを備え
る逆Ｆ型アンテナにおいて、前記地板と前記放射素子の対向面との間のほぼ全体に挿
入した誘電体と、前記地板の方向から前記誘電体を前記
地板に螺着する第１のビスと、前記放射素子の方向から
前記放射素子と前記誘電体とを螺着する第２のビスとを
備えることを特徴とする逆Ｆ型アンテナ。
【請求項２】前記第１のビス及び第２のビスが、それ
ぞれ複数個備えられていることを特徴とする請求項１記
載の逆Ｆ型アンテナ。
【請求項３】前記第１のビスおよび第２のビスが、そ
れぞれ１以上の列に配列されていることを特徴とする請
求項２記載の逆Ｆ型アンテナ。
【請求項４】前記誘電体には、前記誘電体の厚さより
も短かい前記複数個の第１のビス及び第２のビスのそれ
ぞれを螺着させる螺刻穴を備えることを特徴とする請求
項２記載の逆Ｆ型アンテナ。
【請求項５】前記誘電体が、前記第１又は第２のビス
の先端と対面する前記放射素子又は前記地板とが接触し
ないように螺刻しない部分を残していることを特徴とす
る請求項２記載の逆Ｆ型アンテナ。
【請求項６】前記第１のビス及び第２のビスで前記地
板及び前記放射素子を螺着しない場合において、前記放
射素子及び前記誘電体が、共振周波数を所定の使用周波
数より低くする長さに設定されていることを特徴とする
請求項１記載の逆Ｆ型アンテナ。
【請求項７】前記第１のビス及び第２のビスを挿入す
る前記地板及び前記放射素子が、その外面より内側に前
記ビスの頭を保つビス穴を備えることを特徴とする請求
項１又は６記載の逆Ｆ型アンテナ。