JP3587980B2 - アンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体通信に用いられるアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信に用いられる端末は、携帯性が求められるために非常に小形化が進んでいる。その中で、端末に使用される小形アンテナも持ち運びに便利なように一層の小形化が求められており、小形アンテナの大きさは１０分の１波長程度にまでなっている。その小形アンテナの１つとしてヘリカルアンテナがある。
【０００３】
図１４は従来のアンテナの一例であるヘリカルアンテナを示す斜視図であり、図において、１９は地板、２０は給電部、２１はヘリカル部である。ここで、図１４の円Ｅに示すように、ヘリカルアンテナは一般に直径２ａの円状の断面を有するものである。
【０００４】
次に動作について説明する。
給電部２０の片側に地板１９とみなせるグランドがある場合には、アンテナは一般的に使用する周波数における波長のｍ／４（ｍ＝１，２，３，…）で共振する。
【０００５】
ヘリカルアンテナのように螺旋状に導体線を巻いた構造をとっていればアンテナの大きさは非常に小さくすることができる。そのため、携帯性を重視する移動体端末では持ち運び時に邪魔にならないように小形であるヘリカルアンテナを用いることが多かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアンテナの一例であるヘリカルアンテナは以上のように構成されているので、共振するために所望の導体部の長さを螺旋状にすることにより、小形化を実現することが可能であるが、所望の性能が得られる周波数範囲（以下、帯域という）が狭いという課題があった。
【０００７】
小形のヘリカルアンテナの帯域は、一般的に約５％程度であり、１つの携帯端末で複数の通信方式に対応するために複数の周波数帯を使用する場合や、ＣＤＭＡの様に周波数を広帯域で使用する通信方式に対応するためには１０％以上の帯域を持つ必要がある。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、小形であるにも関わらず、広い帯域を有する特性（以下、広帯域特性という）を実現するアンテナを得ることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るアンテナは、所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、第１および第２の導体平板が、円柱状もしくは円筒状誘電体の曲面の表面に螺旋状に形成された溝と、この溝内部にて対向する両側面にそれぞれ配置されたものである。
【００１０】
この発明に係るアンテナは、所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、誘電体層を介して平行に構成された第１および第２の導体平板を有するフレキシブル基板を円柱状若しくは円筒状誘電体に螺旋状に巻き付けてなるものである。
【００１１】
この発明に係るアンテナは、所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、第１および第２の導体平板は、金属メッキが可能で螺旋状に形成された平板型の誘電体と、これの中心軸に平行な外周面および内周面を除いた上周面および下周面を介して金属メッキが不可能な誘電体とを一体成形してなる構造体に金属メッキを施し、これにより形成された外周面および内周面上の金属メッキ層としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナを示す斜視図であり、図において、１は地板、２は給電部、３は平行平板ヘリカル部、４は地板１に接続された接地部、５はその片方の端部が給電部２に接続される螺旋状の第１のヘリカル平板（第１の導体平板）、６はその片方の端部が地板１に接続されかつ第１のヘリカル平板５と平行に設置されている螺旋状の第２のヘリカル平板（第２の導体平板）、７は第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６に挟まれている誘電体、８は第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６との短絡点で螺旋状に巻いた平板の途中に設けられ、ｗは第１および第２のヘリカル平板５，６の幅、ｐは第１および第２のヘリカル平板５，６の螺旋ピッチ、ｄは螺旋の直径、ｔは第１および第２のヘリカル平板５，６間の距離すなわち誘電体７の厚みである。
【００１３】
平行平板ヘリカル部３は、図１に示したように、ある中心軸に平行に螺旋状に巻かれている構成を言い、第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６の間に誘電体７が存在するような場合や短絡点８が存在する場合、すなわち第１および第２のヘリカル平板５，６以外の構成要素を有する場合でも平行平板ヘリカル部３ということにする。
【００１４】
ここで、第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６との位置関係は、第１のヘリカル平板５が第２のヘリカル平板６より誘電体の厚みｔだけ離れて外側にあり、両者の螺旋ピッチｐは同じである。第１のヘリカル平板５における螺旋の直径はｄであり、第１のヘリカル平板５、第２のヘリカル平板６はともに幅がｗとしている。なお、短絡点８を設けない場合にも広帯域特性を得ることができる。但し、以下の動作原理の説明で示すように、必ずしも第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６との位置関係は片方がもう一方の外部に位置する必要はなく、両者が平行になっていればよい。
【００１５】
さらに、第１および第２のヘリカル平板５，６間の誘電体がない場合には誘電体の比誘電率が１の時と同様に考えることができるために、誘電体はなくても問題がない。
【００１６】
図１に示される実施の形態１によるアンテナの一例では、プリント基板により平行平板ヘリカルアンテナを構成しており、図２はその動作を表す概念図である。図において、５，６はそれぞれ第１のヘリカル平板、第２のヘリカル平板に相当し、便宜上直線で表している。
【００１７】
次に動作について説明する。
第１のヘリカル平板５に流れる電流を第１電流Ｉ1 、第２のヘリカル平板６に流れる電流を第２電流Ｉ2 とすると、それらの電流はアンバランスモード電流Ｉu およびバランスモード電流Ｉb によって表すことができ、それら２つの電流のモードは同時に発生する。
【００１８】
ここで、アンバランスモードとは第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６に順方向に流れる電流のモードを意味し、バランスモードとは第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６に互いに逆方向に流れる電流のモードを意味する。
【００１９】
従来のヘリカルアンテナではアンバランスモード電流Ｉu に相当する電流のみが流れ、アンテナ単体で帯域を広げることが困難であった。この発明によれば、波長に比べて１０分の１程度の大きさであってもアンバランスモード電流Ｉu およびバランスモード電流Ｉb といった２種類のモード電流を流すことができ、それら２つのモードを使うことによって広帯域特性を実現できる。第１および第２電流Ｉ1 ，Ｉ2 、アンバランスモード電流Ｉu 、およびバランスモード電流Ｉb の関係は次式で表すことができる。
【数１】
ここで、νは第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６に流れる電流比を表す。
【００２０】
図３は、図１および図２の平行平板ヘリカルアンテナの等価回路図である。図において、Ｚu はアンバランスモードのインピーダンスを表し、Ｚb はバランスモードのインピーダンスを表す。給電部２に電圧を加えたとき、バランスモードのインピーダンスＺb およびアンバランスモードのインピーダンスＺu は、電圧をバランスモード電流Ｉb およびアンバランスモード電流Ｉu でそれぞれ割った値に相当する。等価回路において成り立つ式は、次式で表される。
【数２】
ここで、ｎ2 はインピーダンス変換を意味するステップアップ比である。ｎ2 はアンバランスモードにおける第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６との電流値から決まり、第１のヘリカル平板５、第２のヘリカル平板６の断面積と両者の間隔および短絡点８が存在する場合は短絡点８も関係する。
【００２１】
従来のヘリカルアンテナは、図１４中の円Ｅに示すように、円形の断面を持つ線状の導体が使われていた。一方、この実施の形態１における平行平板ヘリカルアンテナにおいては、図１中の円Ａに示すように、第１、第２のヘリカル平板および誘電体によって構成されている。このような構成にすることによる効果を図４に示す。
【００２２】
図４は、平行２線（Ｔｗｏ−ｗｉｒｅ）と平行平板（Ｔｗｏ−ｓｔｒｉｐ）の線路の特性インピーダンスの計算結果を表すグラフ図であって、横軸は各線路の寸法比を表し、縦軸は線路の特性インピーダンスの値を表すものである。図４において、特性インピーダンスが１〜１００Ω（オーム）の範囲に着目すると、平行２線のそれでは２ａ／ｔが１のときに特性インピーダンスの値が一つに定まらないのに対し、平行平板のそれではｗ／ｔがある値のときに特性インピーダンスの値が一つに定まる。すなわち、２ａ／ｔが１付近では、平行２線はその特性インピーダンスが急激に変化するため、その付近では使用するのが殆ど無理といってよく、特性インピーダンスを２０Ω程度以下にすることはほぼ不可能である。
【００２３】
一方、広帯域特性を得るには線路の特性インピーダンスが２０Ω以下になる必要があり、平行平板を用いることによって、特性インピーダンスを安定かつ容易に２０Ω以下にでき、その効果を利用して広帯域特性を得ることができる。
【００２４】
図５は、等価回路から得られるインピーダンスの式を使った数値解析で求めた周波数に対する電圧定在波比（以下、ＶＳＷＲという）のグラフ図である。このときの小形ヘリカルアンテナの各部の寸法〔単位：ｍｍ〕は、ｄ＝１０，ｐ＝１４，ｗ＝３，ｔ＝０．２であり、ヘリカルの巻き数は、３．５である。誘電体は比誘電率が３．３５のものを用いた。
【００２５】
図５のグラフの縦軸は電圧定在波比ＶＳＷＲを表し、横軸は共振周波数ｆ０に対する周波数ｆの変化の割合を表している。実線はこの発明によるヘリカルアンテナの値を表し、点線は従来のヘリカルアンテナの値を表す。ＶＳＷＲが１．０〜２．０の範囲をアンテナが動作する範囲とすれば、従来のヘリカルアンテナの帯域が５．２％であるのに対し、この発明の実施の形態１によるヘリカルアンテナの帯域は１２．１％と２倍以上の帯域を有することになる。
【００２６】
前述の寸法を有する小形ヘリカルアンテナを試作し、実験を行った。その結果、図６に示すＶＳＷＲの値を得た。それにより、ＶＳＷＲが２以下の範囲において、１２．６％の帯域を得ることができた。これは一般的に用いられている小形ヘリカルアンテナの帯域幅５．２％に比べて広帯域の特性を得ることができる。
【００２７】
以上のように、この実施の形態１によれば、小形のヘリカルアンテナであるにもかかわらず、電圧定在波比ＶＳＷＲが２以下の範囲においても１２．６％の広帯域特性を有したものとなる効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２によるアンテナを示す斜視図である。図において、９は円筒状の誘電体であり、同一部分または相当部分は同一符号を付しその説明は省略する。このアンテナは、図１に示した誘電体７を第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６の間だけに構成するものではなく、厚さｔの円筒状の誘電体９を挟持して第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６とを構成して平行平板ヘリカル部３を得たものである。円Ｂにその平行平板ヘリカル部３の径方向の断面形状を示す。なお、動作は実施の形態１のアンテナと同一であるからその説明は省略する。
【００２９】
以上のように、この実施の形態２によれば、平行平板ヘリカル部３の支持となる円筒状の誘電体９を有しているので、実施の形態１の効果に加えて、その形状を安定にできる効果が得られる。
【００３０】
実施の形態３．
図８（ａ）はこの発明の実施の形態３によるアンテナを示す斜視図であり、図８（ｂ）はその平行平板ヘリカル部３の径方向の断面図である。図において、１０は円柱状の誘電体であり、他は実施の形態２と同様であるから符号および動作説明は省略する。
【００３１】
上記実施の形態２のアンテナとの相違点は、平行平板ヘリカル部３を得るために、第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６を両者の間隔をｔ、板幅をｗとして構成し、円柱状の誘電体１０の表面には第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６の板幅ｗ、両者の間隔ｔを構成できるように溝１１を形成している。なお、円柱状の誘電体１０の中心を削除して円筒状の誘電体を使用してもよい。
【００３２】
以上のように、この実施の形態３によれば、円柱状もしくは円筒状の誘電体１０の曲面に螺旋状の溝をつけその間隔を挟んで第１および第２のヘリカル平板５，６を配置し平行平板ヘリカル部３を構成したので、実施の形態１の効果に加えて、その形状を安定にできる効果が得られる。
【００３３】
実施の形態４．
図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ、この発明の実施の形態４によるアンテナに用いられるフレキシブル基板と円柱状の誘電体を示す斜視図であり、図１０はこの発明の実施の形態４によるアンテナを示す斜視図である。図において、７は誘電体、８は短絡点、１２は導体板、１３はフレキシブル基板、１４は円柱状の誘電体である。なお、符号および動作説明は実施の形態１と同様であるから省略する。
【００３４】
このフレキシブル基板１３の構成は、誘電体７の両側に第１のヘリカル平板５、第２のヘリカル平板６に相当する二枚の導体板１２を平行に配置したものである。このフレキシブル基板１３を円柱状の誘電体１４に対して導体板１２の面が円柱状の誘電体１４の中心側と常に平行になるように螺旋状に巻くと、図１０に示すような平行平板ヘリカル部３を実現することが可能である。この際に、円柱状誘電体１４の中心を削って円筒状誘電体にしてもよい。また、実施の形態１でも示したような短絡点８を有する構造を得たい場合には、図９（ａ）に示されるように、フレキシブル基板１３の一部に短絡点８を設けておけばよい。
【００３５】
以上のように、この実施の形態４によれば、円柱状もしくは円筒状の誘電体１４の曲面にフレキシブル基板１３を螺旋状に巻き付けて第１および第２のヘリカル平板５，６に相当する導体板１２を配置して平行平板ヘリカル部３を構成したので、実施の形態１の効果に加えて、その形状を安定にできる効果が得られる。
【００３６】
実施の形態５．
図１１はこの発明の実施の形態５によるアンテナに用いられる金属メッキが可能な誘電体を示す斜視図、図１２はこの金属メッキが可能な誘電体に一体成形されたメッキ円筒状の誘電体からなる構造体を示す斜視図、図１３はこの実施の形態５によるアンテナを示す斜視図であり、図において、１５は金属メッキ可能な誘電体で、１６は金属メッキ不可能な誘電体で、１７はメッキ円筒状の誘電体であり、金属メッキ可能な誘電体１５は金属メッキをすることが可能な厚さｔを有するもので、例えば金型を用いて製造が可能である。他の構成は、実施の形態１と同様であるから符号説明と動作説明は省略する。
【００３７】
この金属メッキ可能な誘電体１５と、これと同じ厚さｔを有し金属メッキ不可能な誘電体１６を金属メッキ可能な誘電体１５の周りに成形し両者の組み合わせによって円筒状とし、金属メッキ可能な誘電体１５の内面と外面のみがその表面に現れるようにしたものがメッキ円筒状の誘電体１７である。すなわち、形状としては円筒状であるが、金属メッキが可能な面と金属メッキが不可能な面がその表面に形成されており、金属メッキが可能な面は螺旋状になっているものである。
【００３８】
この構成は、一般に二色成形といわれる製造技術を用いて実現可能なものである。これを具体的に説明すると以下のようになる。
【００３９】
金属メッキ可能な誘電体１５をこれと金属メッキ不可能な誘電体１６の組み合わせすなわちメッキ円筒状の誘電体１７の形状の金型に挿入してインサート成形することによってできる（図１２参照）。そして、このメッキ円筒状の誘電体１７に金属メッキを施すと金属メッキ可能な誘電体１５の内面と外面のみに金属メッキ１８がなされることになり、平行平板ヘリカル部３を実現することができる。
【００４０】
以上のように、この実施の形態５によれば、第１および第２の導体平板は、金属メッキが可能で螺旋状に形成された平板型の誘電体と、これの中心軸に平行な外周面および内周面を除いた上周面および下周面を介して金属メッキが不可能な誘電体とを一体成形してなる構造体に金属メッキを施し、これにより形成された外周面および内周面上の金属メッキ層としているで、実施の形態１の効果に加えて、二色成形により平行平板ヘリカル部３を実現でき、その形状は安定にしたものとなる効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、円柱状もしくは円筒状誘電体の曲面に形成された溝の対向する両側面に第１および第２の導体平板を配置してなるように構成したので、広帯域を有する波長に比べて十分小さいアンテナを実現でき、また、アンテナ形状を安定にすることができる効果がある。
【００４２】
この発明によれば、フレキシブル基板を円柱状若しくは円筒状誘電体に螺旋状に巻き付けてなるように構成したので、広帯域を有する波長に比べて十分小さいアンテナを実現でき、また、アンテナ形状を安定にすることができる効果がある。
【００４３】
この発明によれば、金属メッキが可能な誘電体と金属メッキが不可能な誘電体とを一体成形してなる構造体に金属メッキを施し外周面および内周面上の金属メッキ層をそれぞれ第１および第２の導体平板としてなるように構成したので、いわゆる二色成形という製造技術により平行平板型のアンテナを提供でき、上記のような広帯域をカバーできると同時にアンテナ構造の安定性に寄与する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナを示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるアンテナの動作原理を説明するための電流モードを表した概念図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるアンテナの等価回路図である。
【図４】平行２線と平行平板の線路の特性インピーダンスの計算結果を表すグラフ図である。
【図５】ヘリカルアンテナの帯域を比較する電圧定在波比ＶＳＷＲを表すグラフ図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるヘリカルアンテナのＶＳＷＲを表すグラフ図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるヘリカルアンテナを示す斜視図である。
【図８】（ａ）はこの発明の実施の形態３によるヘリカルアンテナを示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図９】（ａ）はこの発明の実施の形態４によるヘリカルアンテナに用いられるフレキシブル基板を示す斜視図であり、（ｂ）は円柱状の誘電体を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態４によるヘリカルアンテナを示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態５によるアンテナに用いられる金属メッキが可能な誘電体を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態５によるアンテナに用いられるメッキ円筒状の誘電体を示す斜視図である。
【図１３】この発明の実施の形態５によるアンテナを示す斜視図である。
【図１４】従来のアンテナを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 地板、２ 給電部、５ 第１のヘリカル平板（第１の導体平板）、６ 第２のヘリカル平板（第２の導体平板）、７ 誘電体、８ 短絡点、９ 円筒状の誘電体、１０，１４ 円柱状の誘電体、１１ 溝、１３ フレキシブル基板、１５ 金属メッキ可能な誘電体、１６ 金属メッキ不可能な誘電体、１７ メッキ円筒状の誘電体、１８ 金属メッキ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体通信に用いられるアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信に用いられる端末は、携帯性が求められるために非常に小形化が進んでいる。その中で、端末に使用される小形アンテナも持ち運びに便利なように一層の小形化が求められており、小形アンテナの大きさは１０分の１波長程度にまでなっている。その小形アンテナの１つとしてヘリカルアンテナがある。
【０００３】
図１４は従来のアンテナの一例であるヘリカルアンテナを示す斜視図であり、図において、１９は地板、２０は給電部、２１はヘリカル部である。ここで、図１４の円Ｅに示すように、ヘリカルアンテナは一般に直径２ａの円状の断面を有するものである。
【０００４】
次に動作について説明する。
給電部２０の片側に地板１９とみなせるグランドがある場合には、アンテナは一般的に使用する周波数における波長のｍ／４（ｍ＝１，２，３，…）で共振する。
【０００５】
ヘリカルアンテナのように螺旋状に導体線を巻いた構造をとっていればアンテナの大きさは非常に小さくすることができる。そのため、携帯性を重視する移動体端末では持ち運び時に邪魔にならないように小形であるヘリカルアンテナを用いることが多かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアンテナの一例であるヘリカルアンテナは以上のように構成されているので、共振するために所望の導体部の長さを螺旋状にすることにより、小形化を実現することが可能であるが、所望の性能が得られる周波数範囲（以下、帯域という）が狭いという課題があった。
【０００７】
小形のヘリカルアンテナの帯域は、一般的に約５％程度であり、１つの携帯端末で複数の通信方式に対応するために複数の周波数帯を使用する場合や、ＣＤＭＡの様に周波数を広帯域で使用する通信方式に対応するためには１０％以上の帯域を持つ必要がある。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、小形であるにも関わらず、広い帯域を有する特性（以下、広帯域特性という）を実現するアンテナを得ることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るアンテナは、所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、第１および第２の導体平板が、円柱状もしくは円筒状誘電体の曲面の表面に螺旋状に形成された溝と、この溝内部にて対向する両側面にそれぞれ配置されたものである。
【００１０】
この発明に係るアンテナは、所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、誘電体層を介して平行に構成された第１および第２の導体平板を有するフレキシブル基板を円柱状若しくは円筒状誘電体に螺旋状に巻き付けてなるものである。
【００１１】
この発明に係るアンテナは、所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、第１および第２の導体平板は、金属メッキが可能で螺旋状に形成された平板型の誘電体と、これの中心軸に平行な外周面および内周面を除いた上周面および下周面を介して金属メッキが不可能な誘電体とを一体成形してなる構造体に金属メッキを施し、これにより形成された外周面および内周面上の金属メッキ層としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナを示す斜視図であり、図において、１は地板、２は給電部、３は平行平板ヘリカル部、４は地板１に接続された接地部、５はその片方の端部が給電部２に接続される螺旋状の第１のヘリカル平板（第１の導体平板）、６はその片方の端部が地板１に接続されかつ第１のヘリカル平板５と平行に設置されている螺旋状の第２のヘリカル平板（第２の導体平板）、７は第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６に挟まれている誘電体、８は第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６との短絡点で螺旋状に巻いた平板の途中に設けられ、ｗは第１および第２のヘリカル平板５，６の幅、ｐは第１および第２のヘリカル平板５，６の螺旋ピッチ、ｄは螺旋の直径、ｔは第１および第２のヘリカル平板５，６間の距離すなわち誘電体７の厚みである。
【００１３】
平行平板ヘリカル部３は、図１に示したように、ある中心軸に平行に螺旋状に巻かれている構成を言い、第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６の間に誘電体７が存在するような場合や短絡点８が存在する場合、すなわち第１および第２のヘリカル平板５，６以外の構成要素を有する場合でも平行平板ヘリカル部３ということにする。
【００１４】
ここで、第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６との位置関係は、第１のヘリカル平板５が第２のヘリカル平板６より誘電体の厚みｔだけ離れて外側にあり、両者の螺旋ピッチｐは同じである。第１のヘリカル平板５における螺旋の直径はｄであり、第１のヘリカル平板５、第２のヘリカル平板６はともに幅がｗとしている。なお、短絡点８を設けない場合にも広帯域特性を得ることができる。但し、以下の動作原理の説明で示すように、必ずしも第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６との位置関係は片方がもう一方の外部に位置する必要はなく、両者が平行になっていればよい。
【００１５】
さらに、第１および第２のヘリカル平板５，６間の誘電体がない場合には誘電体の比誘電率が１の時と同様に考えることができるために、誘電体はなくても問題がない。
【００１６】
図１に示される実施の形態１によるアンテナの一例では、プリント基板により平行平板ヘリカルアンテナを構成しており、図２はその動作を表す概念図である。図において、５，６はそれぞれ第１のヘリカル平板、第２のヘリカル平板に相当し、便宜上直線で表している。
【００１７】
次に動作について説明する。
第１のヘリカル平板５に流れる電流を第１電流Ｉ1 、第２のヘリカル平板６に流れる電流を第２電流Ｉ2 とすると、それらの電流はアンバランスモード電流Ｉu およびバランスモード電流Ｉb によって表すことができ、それら２つの電流のモードは同時に発生する。
【００１８】
ここで、アンバランスモードとは第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６に順方向に流れる電流のモードを意味し、バランスモードとは第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６に互いに逆方向に流れる電流のモードを意味する。
【００１９】
従来のヘリカルアンテナではアンバランスモード電流Ｉu に相当する電流のみが流れ、アンテナ単体で帯域を広げることが困難であった。この発明によれば、波長に比べて１０分の１程度の大きさであってもアンバランスモード電流Ｉu およびバランスモード電流Ｉb といった２種類のモード電流を流すことができ、それら２つのモードを使うことによって広帯域特性を実現できる。第１および第２電流Ｉ1 ，Ｉ2 、アンバランスモード電流Ｉu 、およびバランスモード電流Ｉb の関係は次式で表すことができる。
【数１】
【００２０】
図３は、図１および図２の平行平板ヘリカルアンテナの等価回路図である。図において、Ｚu はアンバランスモードのインピーダンスを表し、Ｚb はバランスモードのインピーダンスを表す。給電部２に電圧を加えたとき、バランスモードのインピーダンスＺb およびアンバランスモードのインピーダンスＺu は、電圧をバランスモード電流Ｉb およびアンバランスモード電流Ｉu でそれぞれ割った値に相当する。等価回路において成り立つ式は、次式で表される。
【数２】
【００２１】
従来のヘリカルアンテナは、図１４中の円Ｅに示すように、円形の断面を持つ線状の導体が使われていた。一方、この実施の形態１における平行平板ヘリカルアンテナにおいては、図１中の円Ａに示すように、第１、第２のヘリカル平板および誘電体によって構成されている。このような構成にすることによる効果を図４に示す。
【００２２】
図４は、平行２線（Ｔｗｏ−ｗｉｒｅ）と平行平板（Ｔｗｏ−ｓｔｒｉｐ）の線路の特性インピーダンスの計算結果を表すグラフ図であって、横軸は各線路の寸法比を表し、縦軸は線路の特性インピーダンスの値を表すものである。図４において、特性インピーダンスが１〜１００Ω（オーム）の範囲に着目すると、平行２線のそれでは２ａ／ｔが１のときに特性インピーダンスの値が一つに定まらないのに対し、平行平板のそれではｗ／ｔがある値のときに特性インピーダンスの値が一つに定まる。すなわち、２ａ／ｔが１付近では、平行２線はその特性インピーダンスが急激に変化するため、その付近では使用するのが殆ど無理といってよく、特性インピーダンスを２０Ω程度以下にすることはほぼ不可能である。
【００２３】
一方、広帯域特性を得るには線路の特性インピーダンスが２０Ω以下になる必要があり、平行平板を用いることによって、特性インピーダンスを安定かつ容易に２０Ω以下にでき、その効果を利用して広帯域特性を得ることができる。
【００２４】
図５は、等価回路から得られるインピーダンスの式を使った数値解析で求めた周波数に対する電圧定在波比（以下、ＶＳＷＲという）のグラフ図である。このときの小形ヘリカルアンテナの各部の寸法〔単位：ｍｍ〕は、ｄ＝１０，ｐ＝１４，ｗ＝３，ｔ＝０．２であり、ヘリカルの巻き数は、３．５である。誘電体は比誘電率が３．３５のものを用いた。
【００２５】
図５のグラフの縦軸は電圧定在波比ＶＳＷＲを表し、横軸は共振周波数ｆ０に対する周波数ｆの変化の割合を表している。実線はこの発明によるヘリカルアンテナの値を表し、点線は従来のヘリカルアンテナの値を表す。ＶＳＷＲが１．０〜２．０の範囲をアンテナが動作する範囲とすれば、従来のヘリカルアンテナの帯域が５．２％であるのに対し、この発明の実施の形態１によるヘリカルアンテナの帯域は１２．１％と２倍以上の帯域を有することになる。
【００２６】
前述の寸法を有する小形ヘリカルアンテナを試作し、実験を行った。その結果、図６に示すＶＳＷＲの値を得た。それにより、ＶＳＷＲが２以下の範囲において、１２．６％の帯域を得ることができた。これは一般的に用いられている小形ヘリカルアンテナの帯域幅５．２％に比べて広帯域の特性を得ることができる。
【００２７】
以上のように、この実施の形態１によれば、小形のヘリカルアンテナであるにもかかわらず、電圧定在波比ＶＳＷＲが２以下の範囲においても１２．６％の広帯域特性を有したものとなる効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２によるアンテナを示す斜視図である。図において、９は円筒状の誘電体であり、同一部分または相当部分は同一符号を付しその説明は省略する。このアンテナは、図１に示した誘電体７を第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６の間だけに構成するものではなく、厚さｔの円筒状の誘電体９を挟持して第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６とを構成して平行平板ヘリカル部３を得たものである。円Ｂにその平行平板ヘリカル部３の径方向の断面形状を示す。なお、動作は実施の形態１のアンテナと同一であるからその説明は省略する。
【００２９】
以上のように、この実施の形態２によれば、平行平板ヘリカル部３の支持となる円筒状の誘電体９を有しているので、実施の形態１の効果に加えて、その形状を安定にできる効果が得られる。
【００３０】
実施の形態３．
図８（ａ）はこの発明の実施の形態３によるアンテナを示す斜視図であり、図８（ｂ）はその平行平板ヘリカル部３の径方向の断面図である。図において、１０は円柱状の誘電体であり、他は実施の形態２と同様であるから符号および動作説明は省略する。
【００３１】
上記実施の形態２のアンテナとの相違点は、平行平板ヘリカル部３を得るために、第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６を両者の間隔をｔ、板幅をｗとして構成し、円柱状の誘電体１０の表面には第１のヘリカル平板５と第２のヘリカル平板６の板幅ｗ、両者の間隔ｔを構成できるように溝１１を形成している。なお、円柱状の誘電体１０の中心を削除して円筒状の誘電体を使用してもよい。
【００３２】
以上のように、この実施の形態３によれば、円柱状もしくは円筒状の誘電体１０の曲面に螺旋状の溝をつけその間隔を挟んで第１および第２のヘリカル平板５，６を配置し平行平板ヘリカル部３を構成したので、実施の形態１の効果に加えて、その形状を安定にできる効果が得られる。
【００３３】
実施の形態４．
図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ、この発明の実施の形態４によるアンテナに用いられるフレキシブル基板と円柱状の誘電体を示す斜視図であり、図１０はこの発明の実施の形態４によるアンテナを示す斜視図である。図において、７は誘電体、８は短絡点、１２は導体板、１３はフレキシブル基板、１４は円柱状の誘電体である。なお、符号および動作説明は実施の形態１と同様であるから省略する。
【００３４】
このフレキシブル基板１３の構成は、誘電体７の両側に第１のヘリカル平板５、第２のヘリカル平板６に相当する二枚の導体板１２を平行に配置したものである。このフレキシブル基板１３を円柱状の誘電体１４に対して導体板１２の面が円柱状の誘電体１４の中心側と常に平行になるように螺旋状に巻くと、図１０に示すような平行平板ヘリカル部３を実現することが可能である。この際に、円柱状誘電体１４の中心を削って円筒状誘電体にしてもよい。また、実施の形態１でも示したような短絡点８を有する構造を得たい場合には、図９（ａ）に示されるように、フレキシブル基板１３の一部に短絡点８を設けておけばよい。
【００３５】
以上のように、この実施の形態４によれば、円柱状もしくは円筒状の誘電体１４の曲面にフレキシブル基板１３を螺旋状に巻き付けて第１および第２のヘリカル平板５，６に相当する導体板１２を配置して平行平板ヘリカル部３を構成したので、実施の形態１の効果に加えて、その形状を安定にできる効果が得られる。
【００３６】
実施の形態５．
図１１はこの発明の実施の形態５によるアンテナに用いられる金属メッキが可能な誘電体を示す斜視図、図１２はこの金属メッキが可能な誘電体に一体成形されたメッキ円筒状の誘電体からなる構造体を示す斜視図、図１３はこの実施の形態５によるアンテナを示す斜視図であり、図において、１５は金属メッキ可能な誘電体で、１６は金属メッキ不可能な誘電体で、１７はメッキ円筒状の誘電体であり、金属メッキ可能な誘電体１５は金属メッキをすることが可能な厚さｔを有するもので、例えば金型を用いて製造が可能である。他の構成は、実施の形態１と同様であるから符号説明と動作説明は省略する。
【００３７】
この金属メッキ可能な誘電体１５と、これと同じ厚さｔを有し金属メッキ不可能な誘電体１６を金属メッキ可能な誘電体１５の周りに成形し両者の組み合わせによって円筒状とし、金属メッキ可能な誘電体１５の内面と外面のみがその表面に現れるようにしたものがメッキ円筒状の誘電体１７である。すなわち、形状としては円筒状であるが、金属メッキが可能な面と金属メッキが不可能な面がその表面に形成されており、金属メッキが可能な面は螺旋状になっているものである。
【００３８】
この構成は、一般に二色成形といわれる製造技術を用いて実現可能なものである。これを具体的に説明すると以下のようになる。
【００３９】
金属メッキ可能な誘電体１５をこれと金属メッキ不可能な誘電体１６の組み合わせすなわちメッキ円筒状の誘電体１７の形状の金型に挿入してインサート成形することによってできる（図１２参照）。そして、このメッキ円筒状の誘電体１７に金属メッキを施すと金属メッキ可能な誘電体１５の内面と外面のみに金属メッキ１８がなされることになり、平行平板ヘリカル部３を実現することができる。
【００４０】
以上のように、この実施の形態５によれば、第１および第２の導体平板は、金属メッキが可能で螺旋状に形成された平板型の誘電体と、これの中心軸に平行な外周面および内周面を除いた上周面および下周面を介して金属メッキが不可能な誘電体とを一体成形してなる構造体に金属メッキを施し、これにより形成された外周面および内周面上の金属メッキ層としているで、実施の形態１の効果に加えて、二色成形により平行平板ヘリカル部３を実現でき、その形状は安定にしたものとなる効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、円柱状もしくは円筒状誘電体の曲面に形成された溝の対向する両側面に第１および第２の導体平板を配置してなるように構成したので、広帯域を有する波長に比べて十分小さいアンテナを実現でき、また、アンテナ形状を安定にすることができる効果がある。
【００４２】
この発明によれば、フレキシブル基板を円柱状若しくは円筒状誘電体に螺旋状に巻き付けてなるように構成したので、広帯域を有する波長に比べて十分小さいアンテナを実現でき、また、アンテナ形状を安定にすることができる効果がある。
【００４３】
この発明によれば、金属メッキが可能な誘電体と金属メッキが不可能な誘電体とを一体成形してなる構造体に金属メッキを施し外周面および内周面上の金属メッキ層をそれぞれ第１および第２の導体平板としてなるように構成したので、いわゆる二色成形という製造技術により平行平板型のアンテナを提供でき、上記のような広帯域をカバーできると同時にアンテナ構造の安定性に寄与する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナを示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるアンテナの動作原理を説明するための電流モードを表した概念図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるアンテナの等価回路図である。
【図４】平行２線と平行平板の線路の特性インピーダンスの計算結果を表すグラフ図である。
【図５】ヘリカルアンテナの帯域を比較する電圧定在波比ＶＳＷＲを表すグラフ図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるヘリカルアンテナのＶＳＷＲを表すグラフ図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるヘリカルアンテナを示す斜視図である。
【図８】（ａ）はこの発明の実施の形態３によるヘリカルアンテナを示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図９】（ａ）はこの発明の実施の形態４によるヘリカルアンテナに用いられるフレキシブル基板を示す斜視図であり、（ｂ）は円柱状の誘電体を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態４によるヘリカルアンテナを示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態５によるアンテナに用いられる金属メッキが可能な誘電体を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態５によるアンテナに用いられるメッキ円筒状の誘電体を示す斜視図である。
【図１３】この発明の実施の形態５によるアンテナを示す斜視図である。
【図１４】従来のアンテナを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 地板、２ 給電部、５ 第１のヘリカル平板（第１の導体平板）、６ 第２のヘリカル平板（第２の導体平板）、７ 誘電体、８ 短絡点、９ 円筒状の誘電体、１０，１４ 円柱状の誘電体、１１ 溝、１３ フレキシブル基板、１５ 金属メッキ可能な誘電体、１６ 金属メッキ不可能な誘電体、１７ メッキ円筒状の誘電体、１８ 金属メッキ。
Claims (3)
- 所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、前記第１および第２の導体平板が、円柱状もしくは円筒状誘電体の曲面の表面に螺旋状に形成された溝と、この溝内部にて対向する両側面にそれぞれ配置されたことを特徴とするアンテナ。
- 所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、誘電体層を介して平行に構成された前記第１および第２の導体平板を有するフレキシブル基板を円柱状もしくは円筒状誘電体に螺旋状に巻き付けてなることを特徴とするアンテナ。
- 所定の間隔を保持しながら互いに平行かつ螺旋状に配置された第１および第２の導体平板を有し、これら一方の導体平板の端部を接地するとともにその端部と同一の方向にて他方の導体平板の端部を給電部としてなるアンテナであって、前記第１および第２の導体平板は、金属メッキが可能で螺旋状に形成された平板型の誘電体と、螺旋の中心軸に平行な外周面および内周面を除いた上周面および下周面を介して金属メッキが不可能な誘電体とを一体成形してなる構造体に金属メッキを施し、これにより形成された上記外周面および内周面上の金属メッキ層としたことを特徴とするアンテナ。
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