JP3187853B2 - 渦巻きアンテナ及びこのアンテナを用いたアレ−アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば円偏波を用いる
衛星放送受信用アンテナ等に用いられる平面アレ−アン
テナの構成素子アンテナに好適な渦巻きアンテナ及びこ
のアンテナを用いたアレ−アンテナに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の高利得平面アレ−アンテナは、例
えばマイクロストリップパッチアンテナのように、誘電
体基板上に形成された複数個の放射素子及びマイクロス
トリップ伝送線路より成る給電線を同一平面上に配設
し、前記給電線によって前記複数個の放射素子を並列給
電するように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記平面アレ−アンテ
ナの給電線として用いられているマイクロストリップ伝
送線路は、開放形線路であるため、線路自体からの放射
損失及び電気的特性の安定性は、線路を構成する絶縁体
の物性に左右され、したがって、この絶縁体の材質を選
択するに当っては、損失及び電気的特性の安定性の両面
に配慮する必要があるため、必ずしも常に損失の十分に
小さい材質を選べるとは限らない。

【０００４】電気的特性の安定性を保持するために損失
の十分に小さい絶縁材質を選ぶことができない場合に
は、伝送線路における放射損失を補うために、放射素子
の数を増して利得を増加させることが行われているが、
放射素子の増加に伴って給電線路長が長くなり、実効上
の利得増加を得ることができない。

【０００５】このような問題を解決するために、マイク
ロストリップ伝送線路に較べて構成は複雑であるが、形
状が平面的で、構成上、損失の少ない絶縁体の使用が可
能なトリプレ−ト伝送線路又はサスペンデット伝送線路
を用いて実効上の利得を増加させるように構成したアン
テナが提案されている。

【０００６】トリプレ−ト伝送線路又はサスペンデット
伝送線路は、いずれも二つのア−ス導体間にストリップ
導体が挟まれた構造であるため、これらの伝送線路を放
射素子に結合するに当って、従来は、トリプレ−ト伝送
線路又はサスペンデット伝送線路を構成する二つのア−
ス導体のうち、いずれか一方のア−ス導体面に配設され
た縮退分離素子を有する放射素子を電磁結合により励振
するか、トリプレ−ト伝送線路又はサスペンデット伝送
線路により位相差給電される二つのモノポ−ルアンテナ
を介して放射素子を励振する方法が用いられている。

【０００７】いずれか一方のア−ス導体面に配設された
縮退分離素子を有する放射素子を電磁結合により励振す
る方法は、トリプレ−ト伝送線路又はサスペンデット伝
送線路を構成するストリップ導体と縮退分離素子相互の
位置関係が、所要の位置関係に正確に保たれていないと
特性が劣化することとなるので、ストリップ導体と縮退
分離素子相互の位置関係の精度を高くする必要があり、
その結果、製作コストの上昇を免れることができず、位
相差給電される二つのモノポ−ルアンテナを介して放射
素子を励振する方法においては、部品数が多く、給電系
が複雑となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、開口部が設け
られる上部外部導体と、下部外部導体と、前記上部外部
導体の前記開口部と、前記下部外部導体との間に設けら
れる渦巻き状導体から成る放射素子と、前記上部外部導
体と前記放射素子との間に設けられる上部絶縁層と、前
記放射素子と前記下部外部導体との間に設けられる下部
絶縁層と、前記上部絶縁層と下部絶縁層との間に設けら
れ、前記放射素子を構成する渦巻き状導体に高周波的に
接続される内部導体とを備えた渦巻きアンテナであっ
て、前記放射素子を構成する前記渦巻き状導体の長さ
は、前記渦巻き状導体のほぼ中心から前記渦巻き状導体
の巻き始めまでの距離と、前記渦巻き状導体のほぼ中心
から前記渦巻き状導体の巻き終わりまでの距離との和に
円周率を乗じた値が、使用電磁波のほぼ１波長の整数倍
であることを特徴とする。

【０００９】

【作用】内部導体から供給される高周波電流は、渦巻き
状導体より成る放射素子の一端から流入し、放射素子の
長さを適当に調整しておくことにより、放射素子上の電
流分布が進行波分布となって円偏波を放射する。

【００１０】

【実施例】図１の（ａ）は、本発明の一実施例を示す平
面図、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）のＡ−Ａ断面図
で、両図において、１は上部外部導体（以下、上部ア−
ス導体と称する）、２は下部外部導体（以下、下部ア−
ス導体と称する）、３は内部導体（以下、ストリップ導
体と称する）、４は、上部ア−ス導体１とストリップ導
体３間に介在する上部絶縁層、５は、下部ア−ス導体２
とストリップ導体３間に介在する下部絶縁層で、これら
によってトリプレ−ト伝送線路が構成される。

【００１１】６は、上部ア−ス導体１の一部適宜範囲を
除去して形成した開口部で、図には、その輪郭形状を円
形に形成した場合を例示してあるが、任意の輪郭形状に
形成して本発明を実施することができる。

【００１２】７は放射素子で、開口部６に対応する下部
絶縁層５の表面に付着させた渦巻き状の導体より成り、
その外端を、ストリップ導体３の端部に直接又は容量を
介して高周波的に接続してある。したがって、放射素子
７とストリップ導体３とは、同一平面上に設けられるこ
ととなる。

【００１３】図には、放射素子７をアルキメデス形渦巻
き状の導体で形成した場合を例示してあるが、等角渦巻
状の導体で形成してもよく、この場合には、渦巻き状導
体の外端をストリップ導体３に接続する他、内端を接続
することも可能である。以下、放射状素子７をアルキメ
デス形渦巻き状の導体で形成した場合について説明す
る。

【００１４】図には、上部絶縁層４及び下部絶縁層５を
固体より成る絶縁体で形成した場合を例示してあるが、
空気で置き換えてもよく、この場合には、適宜の絶縁体
より成るスペ−サによって、ストリップ導体３及び放射
素子７を所要位置に保持させるように形成する。

【００１５】８は遮蔽導体で、ストリップ導体３の端部
が開口部６内に対応する個所に突出したままの状態にし
ておくと、放射素子７からの円偏波放射に悪影響を及ぼ
すこととなるので、ストリップ導体３の突出部分の真上
を覆うように、上部ア−ス導体１と一体に設けてある。
遮蔽導体８を比較的幅の広い導体で形成し、その両側縁
を下方に折り曲げて、開口部６内に対応する個所に突出
しているストリップ導体３の上方のみならず両側方をも
覆うように形成してもよい。なお、放射素子７を等角渦
巻き状の導体で形成した場合には、その外端をストリッ
プ導体３の端部に接続するに当って、ストリップ導体３
の端部を開口部６内に対応する個所まで延長突出させる
ことなく接続することも可能であるから、このような場
合には、遮蔽導体８を設ける必要のないこと勿論であ
る。

【００１６】上部絶縁層４及び下部絶縁層５を固体で形
成する場合における本発明アンテナを製作するに当って
は、例えばフイルム状の絶縁体の同一表面にプリント印
刷手法等によってストリップ導体３及び放射素子７を形
成する導体を付着させ、その表裏面に誘電体損失の少な
い発泡プラスチック、例えばポリエチレンフォ−ム又は
ウレタンフォ−ム等より成る薄膜を重ねて上部絶縁層４
及び下部絶縁層５を形成し、更に、表面に金属薄膜を付
着させたフイルム状の絶縁体を上部絶縁層４及び下部絶
縁層５の各表面に重ねて上部ア−ス導体１及び下部ア−
ス導体２を形成する。金属薄板にプレス加工又は放電加
工等を施して上部ア−ス導体１、下部ア−ス導体２、ス
トリップ導体３及び放射素子７を形成し、上部絶縁層４
及び下部絶縁層５を形成するフイルム状絶縁体と重ね合
わせるようにしてもよく、このようにして形成する場合
には、機械的な安定性を高めることができる。

【００１７】図には、放射素子７の渦巻き方向を、Ｚ軸
（放射素子７の中心において放射素子７の面に垂直な
軸、なお、後述するＹ軸はトリプレ−ト伝送線路の長手
方向の軸、Ｘ軸はＹ軸に直角方向の軸とする）の周り
に、放射素子の内端から時計方向に旋回するように形成
した場合を例示してあるが、逆旋回をする渦巻き状の放
射素子を設けるようにしても本発明を実施することがで
きる。

【００１８】開口部６の周壁の延長周面に、リング状の
導体を設け、その上縁を上部ア−ス導体１に接続し、下
縁を下部ア−ス導体２に接続すると共に、リング状の導
体のうち、ストリップ導体３が開口部６内に対応する個
所に導出される部分に孔隙を穿ち、リング状の導体とス
トリップ導体３とが接触することのないように形成し
て、ストリップ導体３からの給電を妨げることなく、放
射素子７からの放射電磁波が上部絶縁層４及び下部絶縁
層５内に漏洩伝搬するのを防ぐように構成してもよい。

【００１９】開口部６の周壁の延長周面に、リング状の
導体を設ける代りに、開口部６の外周部分を形成する上
部ア−ス導体１の部分に、包絡線が開口部６の外周とほ
ぼ同心円を成すように、円周方向に適宜間隔を隔てて適
宜数のスル−ホ−ルを穿つと共に、これらのスル−ホ−
ルを穿った個所に対応する下部ア−ス導体２の部分に同
様のスル−ホ−ルを穿ち、上下の各対応するスル−ホ−
ル相互を棒状又は線状の導体で接続して遮蔽体を形成し
てもよい。

【００２０】開口部６の円周の大きさについては、後述
するように、本発明アンテナを構成素子アンテナとして
アレ−アンテナを構成する場合、アレ−アンテナ全体を
大形化することなく、素子アンテナ相互の間隔を広く保
って、各素子アンテナの給電線の配設の自由度を確保し
ようとするためには、開口部６の円周の大きさをできる
だけ小さくすることが望ましいが、放射素子７から放射
される電磁波が広帯域に亙って減衰することなく開口部
６を通過し得るようにするためには、開口部６の円周
を、放射素子７の最外円周より適宜大となるように定め
ることが望ましい。

【００２１】渦巻き状放射素子７の長さ及び幅は、トリ
プレ−ト伝送線路によって給電された高周波電流が放射
素子７において進行波分布となって、円偏波を放射し得
るように適宜調整する必要があるが、この調整は、トリ
プレ−ト伝送線路における上部ア−ス導体１及び下部ア
−ス導体２の間隔、上部絶縁層４及び下部絶縁層５を形
成する誘電体の電気的物性及び開口部６の開口の大きさ
等によって左右されるが、放射素子７のほぼ中心から内
端までの距離と、放射素子のほぼ中心から外端までの距
離との和に、円周率πを乗じた長さに等しい円周（以
下、仮想円周と称する）が、近似的に使用周波数のほぼ
１波長（自由空間波長、λ）の整数倍となる仮想円周の
範囲内で調整可能である。

【００２２】本発明アンテナにおいて、例えば、上部絶
縁層４及び下部絶縁層５を形成する誘電体の比誘電率を
1.0 とし、渦巻き状放射素子７の動径関数 γ＝ａφ−
Δ（ａは渦巻き定数、φは渦巻きの始点からの角度、Δ
は始点定数）において、 渦巻き定数ａが、0.19mm／rad 始点定数Δが、 0.86mm φの範囲が、 6.72π(rad) ≦φ≦10π(rad) 開口部６の半径Ｒが、8.19mm となるように形成した場合、使用周波数が、11.85GHzに
おける本発明アンテナの指向特性は、図２及び図３に示
すとおりである。

【００２３】図２は、Ｚ−Ｘ面における指向特性で、指
向特性の半値幅（ビ−ム幅）76°、図３は、Ｚ−Ｙ面に
おける指向特性で、指向特性の半値幅（ビ−ム幅）78°
である。直交する２平面、すなわち、Ｚ−Ｘ面及びＺ−
Ｙ面における各半値幅がそれぞれ76°及び78°で、ほぼ
一致しているから、本発明アンテナを素子アンテナとし
てアレ−アンテナを構成するに当って、Ｘ方向及びＹ方
向の素子アンテナ間隔を同一にすることができ、アレ−
アンテナの設計製作が容易である。

【００２４】図４は、本発明アンテナにおける反射減衰
量の一例を示す曲線図で、横軸は使用周波数ｆ(GHz) 、
縦軸は反射減衰量ＲＬ(dB)である。図５は、本発明アン
テナの軸比の一例を示す曲線図で、横軸は使用周波数ｆ
(GHz) 、縦軸は軸比ＡＲ(dB)である。アンテナにおける
反射減衰量及び軸比は、円偏波の電波を如何に効率よく
受信し得るかのパラメ−タであるが、図４及び図５から
明らかなように、本発明アンテナは、反射減衰量及び軸
比のいずれにおいても我が国の衛星放送に使用される周
波数帯域11.7GHz ないし12.0GHz において極めて良好な
特性を有する。

【００２５】以上は、放射素子７の仮想円周をほぼ１波
長とした場合について説明したが、仮想円周がほぼ２波
長となるように放射素子の長さを選んだ場合にも放射素
子上の電流分布を進行波分布とすることができ、開口部
６の円周を、ほぼ１波長の２倍に選んだ仮想円周より適
宜大きくすることによって、Ｚ−Ｘ面及びＺ−Ｙ面にお
いて双方向性の指向特性を持たせることができる。

【００２６】放射素子７の仮想円周をほぼ１波長の任意
の整数倍に選ぶと共に、仮想円周の大きさに応じて開口
部の大きさを適宜大きくすることによって、円偏波にお
ける指向特性を種々変化させることができる。これらの
指向特性は、１周任意波長の進行波電流が流れるル−プ
アンテナに置き換えることによって、仮想円周の大きさ
と指向特性の関係を容易に判断し得るので、使用目的に
応じて仮想円周の大きさを１波長の何倍とするかを定め
ると共に、開口部の大きさを仮想円周の大きさより適宜
大きくすることによって目的を達することができる。

【００２７】図６の（ａ）は、仮想円周がほぼ１波長の
場合の或る時間における進行波電流の最大値を矢印を付
した実線で示し、図６の（ｂ）は、その単一方向性の指
向特性を示し、図７の（ａ）は、仮想円周がほぼ２波長
の場合の或る時間における進行波電流の最大値を矢印を
付した実線で示し、図７の（ｂ）は、その双方向性の指
向特性を示す。

【００２８】図８は、上記本発明アンテナを素子アンテ
ナとして構成したアレ−アンテナの一例を示す平面概略
図で、９ないし１２は本発明アンテナより成る素子アン
テナで、図には４個の素子アンテナの各中心を同一線上
に一列に配設した場合を例示してあるが、適宜増減して
アレ−アンテナを構成することができる。破線はトリプ
レ−ト伝送線路を構成する内部導体で、各素子アンテナ
を並列的に励振する。素子アンテナを複数個配設した場
合、素子アンテナ相互間の結合等の影響を受けるため、
各素子アンテナにおける渦巻き状導体より成る放射素子
の仮想円周長を適宜調整して最適値を求める必要があ
る。

【００２９】図９ないし図１２は、図８に示したアレ−
アンテナの各種特性を示す図で、各図のデ−タは、図８
における素子アンテナの中心間隔を、使用周波数11.85G
Hzにおいて 0.9λに選定した場合のものであり、図９及
び図１０における座標軸は、図８における素子アンテナ
１０及び１１の中心間隔の中心点から放射面に垂直な方
向をＺ軸、素子アンテナの各中心を連ねる線の方向をＸ
軸、Ｚ軸及びＸ軸に各直角な方向をＹ軸とする。

【００３０】図９は、図８に示したアレ−アンテナのＺ
−Ｘ面における指向特性、図１０は、Ｚ−Ｙ面における
指向特性で、Ｚ−Ｘ面においては、本発明アンテナ単独
の場合の指向特性における半値幅76°に対して図８に示
したアレ−アンテナにおいては14°と極めて鋭くなり、
高利得化されている。又、広角に対する軸比特性も本発
明アンテナ単独の場合に比し損なわれていない。

【００３１】図１１は、図８に示したアレ−アンテナに
おける反射減衰量を示す曲線図で、横軸は使用周波数ｆ
(GHz) 、縦軸は反射減衰量ＲＬ(dB)である。図８に示し
たアレ−アンテナにおいては、周波数ほぼ11.55GHzない
し12.3GHzに亙って電圧定在波比(VSWR)が1.5 以下で、
良好である。

【００３２】図１２は、図８に示したアレ−アンテナに
おけるＺ軸方向の軸比特性を示す曲線図で、周波数ほぼ
11.5GHz ないし12.1GHz に亙って３db以下の良好な円偏
波特性を呈している。

【００３３】図８には、共通の上部ア−ス導体に４個の
開口部を設け、上部絶縁層、下部絶縁層及び下部ア−ス
導体も共通に形成し、各開口部に対応して放射素子を配
設し、共通の上部絶縁層と下部絶縁層との間に、各放射
素子の並列励振用ストリップ導体を配設してアレ−アン
テナを構成した場合を例示したが、各独立に形成した本
発明アンテナを素子アンテナとして同一又はほぼ同一平
面上に配設し、各素子アンテナに給電線を外付けしてア
レ−アンテナを構成してもよい。

【００３４】以上は、給電線をトリプレ−ト伝送線路で
形成した場合について説明したが、サスペンデット伝送
線路で給電線を形成した場合にも全く同様にして本発明
を実施することができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明アンテナは、トリプレ−ト伝送線
路又はサスペンデット伝送線路のように、本来損失の少
ない伝送線路を給電線として用い、その一部に簡単な加
工を施すことによって放射素子の取付けが可能なばかり
でなく、放射素子と給電線との結合構造が、従来に比し
遥かに簡潔で、製作が容易であるから製作コストが低
く、又、図２ないし図５に示したように指向特性及び軸
比特性の優れたもので、このアンテナを構成素子とする
アレ−アンテナは、例えば円偏波を用いる衛星放送受信
用アレ−アンテナとして極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施例を示す平面図であ
る。 （ｂ）は、本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】本発明アンテナの指向特性の一例を示す図であ
る。

【図３】本発明アンテナの指向特性の一例を示す図であ
る。

【図４】本発明アンテナの反射減衰特性の一例を示す図
である。

【図５】本発明アンテナの軸比特性の一例を示す図であ
る。

【図６】（ａ）は、本発明アンテナの動作説明のための
図である。 （ｂ）は、本発明アンテナの指向特性の一例を示す図で
ある。

【図７】（ａ）は、本発明アンテナの動作説明のための
図である。 （ｂ）は、本発明アンテナの指向特性の一例を示す図で
ある。

【図８】本発明アンテナを素子とするアレ−アンテナの
一例を示す図である。

【図９】本発明アンテナを素子とするアレ−アンテナの
指向特性の一例を示す図である。

【図１０】本発明アンテナを素子とするアレ−アンテナ
の指向特性の一例を示す図である。

【図１１】本発明アンテナを素子とするアレ−アンテナ
の反射減衰特性の一例を示す図である。

【図１２】本発明アンテナを素子とするアレ−アンテナ
の軸比特性の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 上部外部導体 ２ 下部外部導体 ３ 内部導体 ４ 上部絶縁層 ５ 下部絶縁層 ６ 開口部 ７ 放射素子 ８ 遮蔽導体 ９ 本発明アンテナ １０ 本発明アンテナ １１ 本発明アンテナ １２ 本発明アンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 11/08 H01Q 13/08 H01Q 21/06 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開口部が設けられる上部外部導体と、下
   部外部導体と、 前記上部外部導体の前記開口部と、前記下部外部導体と
   の間に設けられる渦巻き状導体から成る放射素子と、 前記上部外部導体と前記放射素子との間に設けられる上
   部絶縁層と、 前記放射素子と前記下部外部導体との間に設けられる下
   部絶縁層と、 前記上部絶縁層と下部絶縁層との間に設けられ、前記放
   射素子を構成する渦巻き状導体に高周波的に接続される
   内部導体とを備えた渦巻きアンテナであって、前記放射素子を構成する前記渦巻き状導体は、ａを渦巻
   き定数、Δを始点定数とするとき、動径関数がγ＝ａ×
   φ−Δで表され、 λｏを使用電磁波の波長、前記渦巻き状導体の巻始めま
   での動径をγ１、前記渦巻き状導体の巻終わりまでの動
   径をγ２、ｎを正の整数とするとき、０．９８６×λｏ
   ≦（γ１＋γ２）×π／ｎ≦１．０６４×λｏを満足
   し、かつ、巻始めの始点からの角度が、６．７２π≦φ
   ≦１０πを満足する ことを特徴とする渦巻きアンテナ。
2. 【請求項２】 前記内部導体と前記渦巻き状導体とは、
   前記渦巻き状導体の外端で高周波的に接続されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の渦巻きアンテナ。
3. 【請求項３】 前記内部導体の配設箇所を除き、前記上
   部外部導体の前記開口部の周辺部と、前記下部外部導体
   の前記開口部の周辺部との間に設けられる電磁的遮蔽体
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記
   載の渦巻きアンテナ。
4. 【請求項４】 前記上部絶縁層および前記下部絶縁層
   は、固体の絶縁体で構成されることを特徴とする請求項
   １ないし請求項３のいずれか１項に記載の渦巻きアンテ
   ナ。
5. 【請求項５】 前記上部絶縁層および前記下部絶縁層
   は、空気で構成され、前記渦巻き状導体より成る放射素
   子および内部導体を保持するスペーサを備えることを特
   徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載
   の渦巻きアンテナ。
6. 【請求項６】 前記請求項１ないし請求項５の渦巻きア
   ンテナを、同一平面上に複数個配置したことを特徴とす
   るアレーアンテナ。