JP3913779B2 - トロイドアンテナ - Google Patents
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Description
これは、「トロイドアンテナ」と称し、１９９２年１２月１５日に出願された、出願第07/992,970号の一部継続出願である。
発明の分野
この発明は、送信および受信のためのアンテナに関するものであり、とくに、螺旋形に巻いたアンテナに関するものである。
発明の背景
励振の周波数におけるアンテナの効率は、有効電気長と直接に関係しており、また、該有効電気長は、自由空間での光速をＣ、波長をλ、振動数をｆを使った周知な関係式、
λ＝Ｃ／ｆ
によって、信号の伝搬速度に関係するものである。
知られているように、アンテナの電気長は、１波長か、半波長（双極）か、４分の１波長をとり、グランドプレーンで、実際のアンテナインピーダンスをほぼ最小にする。これらの特性がそろわない場合、アンテナインピーダンスは、アンテナと給電線（送信線）の上で定在波を生じつつ、変化し、エネルギー損失やエネルギー放出低下を招く定在波比を増す。
典型的な垂直むち形アンテナ（単極）は、全方向の垂直偏波の指向を有していて、ＵＨＦのような高周波数では、そのようなアンテナの大きさは、比較的小さなものにすることができる。しかし、より低周波数では、ＬＦおよびＭＦ帯域で非常に長い電線と塔が使われることになり、アンテナの大きさが問題になる。長距離送信には、より低い周波数帯が適しているが、その際のアンテナ、とくに指向性のアレイアンテナは、小型携帯用送信器へ取り付けるには大きすぎる。高周波数であっても、従来の単極ないし双極のアンテナと同様の性能や効果を有しつつ、物理的にサイズが小さいほうが望ましいといえる。
水平偏波のアンテナだと、より多くの地上波損失を生じるため、垂直偏波のほうが水平偏波より送信効果が高い（有効距離が長い）ことが判ってきたので、方向特性、とくに垂直偏波用の小型アンテナを開発するために、様々な技術が多年に亘って試みられてきた。
方向特性という点に関しては、アンテナの形状によっては、ある特定の偏波でアンテナの中に生じる磁場を打ち消すとともに、その磁場に対して垂直な電場を強めることが、可能であることがが知られている。また、電場を打ち消すとともに磁場を強めることも、同様に可能である。
等価の原理は、与えられた一つの領域内で、同一の場を生じる２源は等価であるとされ、電流源および、対応する磁流源（magnetic current sources）の間で、等価性が成立できるというものであり、このことは電磁気学分野において、よく知られた概念である。このことは、１９６１年発行の、R. F. Harrington著、Time Harmonic Electromagnetic Fieldsの第３〜５節に説明されている。線形電流が流れる直線形双極アンテナ素子の場合、その等価な磁源は、方位角の円磁流によって与えられる。ソレノイドの電流は、線形磁流を作るための明確な方法のひとつである。また、ソレノイド電流をトロイド面上に配置することは、必要な方位角の円磁流を作る方法のひとつである。
トロイド形の螺旋アンテナは、トロイド上に巻かれた螺旋形の導線から成り、トロイドの中心と同心で、またその面に垂直な軸を有する電気双極アンテナと類似した指向で、電磁エネルギーを放出する特性を持つ。螺旋形導線の送信線の実効値のインピーダンスは、螺旋配置の周囲の導線の給電点から、自由空間での伝搬速度に応じて波の電波を遅らせる。そのような構造で、減速された速度と円形流のおかげで、振幅のオーダーと同程度、あるいは、対応する共振の双極のもの（線形アンテナ）の大きさより、小さなサイズのトロイドアンテナを作ることができる。トロイド螺旋設計は、単純な共振双極構造体に比べて物理的なサイズが小さくできるので、トロイド設計は縦横比が小さい。単純な単相の給電形状で、1/2波長の双極型よりも小さなパッケージでありながら、それに匹敵する放射パターンを作るといえる。
このことに関して、米国特許第4,622,558号、および、第4,751,515号では、従来の線形アンテナは、地上に放出される際の損失がより少ない垂直偏波を自己共振構造体によって作り出していたが、これに代わる小型アンテナをつくり出す技術としてのトロイドアンテナのいくつかの面について論じている。既述の通り、低周波数では、自己共振の垂直偏波の直線形アンテナは実用に向かないので、これらの特許で説明されている自己共振構造体は、物理的にかさばる上に電気的に効率が悪いという、低周波での垂直型素子の問題を軽減しようとするものである。
前記の特許は、方向性が一層複雑なアンテナのための基礎単位として、単線のトロイド螺旋型について、主に論じている。そういったアンテナは、複合的な導電経路を有することができ、外部の受動回路か特殊な自己共振特性によって制御される信号が、そこに供与される。概して、それらの特許は、垂直偏波を作るために、いわゆる逆巻きのトロイドの巻線の使用について論じている。それらの特許で論じられている、逆巻きのトロイドの巻線は、１９５６年10月発行、IRE Transactions on Electron Devicesの第190頁、Birdsall, C. K.とEverhart, T. E.共著“Modified Contra-Wound Helix Circuits for High-PowerTraveling Wave Tubes”に述べられているように、端子を２つしか持たない、普通とは異なる形状である。それらの特許は、電場（流）と磁場（流）の区別について指摘し、また、トロイドの上に互いに逆巻きの２つの単線回路を置き、２ポートの信号入力を用いて、垂直偏波のアンテナを作ることができることを、つけ加えている。この設計の基盤は、線形螺旋という設計の式で、１９５３年にKandoian & Sichakが独自によって開発されたものである（米国特許第4,622,558号に説明されている）。
前記の特許のような、従来の技術では、逆巻き構造体の模倣から発展した２トロイド構造体のような、より複雑な構造体への初期段階として、基本的なトロイドの実施例が挙げられている。例えば、前記の特許は、トーラスの短軸によって決まる円周のまわりに、必要数の波長ができるようなトーラス（複雑もしくは単純な）について、論じている。
単線設計の、単純なトロイドアンテナは、入ってくる（受信された）信号、あるいは出ていく（送信された）信号の、電場成分にも磁場成分にも反応する。一方、複線（複数の巻線）のものは、アンテナの方向性を決めて偏波を制御できるように、別々のトロイド上の別々の巻線同士は、ピッチが等しい場合も違う場合もありうる。ひとつの形の螺旋は、リングとブリッジから成るという設計の形で、基本的な逆巻きの巻線配置の特質のうちの、全てではないが一部を呈するものである。
知られているように、線形ソレノイドコイルは、その中心軸方向に直線磁場を生じる。磁場の向きは、右手の指を手のひら側に丸めこんだときの指先の向きを、ソレノイドの円電流の向きだとすると、その指で作った円筒の中心軸に平行になるように親指を立てた向きが磁場の向きと同じであるという“右ねじの法則”に従う（例えば、別添の図４７を参照）。右巻きのソレノイドコイルにこの法則を使うと、右ねじの進む動きのように、電流と生じた磁場は、ともに同じ方向を向くが、左巻きのコイルであると、電流と磁場は反対方向を向く。ソレノイドコイルによって生じた磁場を、磁流（magnetic current）と呼ぶこともある。右巻きと左巻きのコイル素子を一緒に同軸上に取り付けて、逆巻きコイルをつくり、個々のコイル素子に反対方向の電流を流すことで、実質的に磁場はコイルが一つだけの場合の２倍になる一方、実質的に電流は効果的に打ち消されてゼロになる。
知られているように、正弦波の交流電源から給電され、負荷インピーダンスに接続された送電線は、平衡状態で、電源から負荷へと電流の波を伝搬する。波は負荷で反射して、再び電源へ帰る向きに伝搬されるので、送信線上の実質的な電流分布は、入射波と反射波の成分を合成したものから求められ、送信線上に定在波を形成しうる（例えば、別添図１３参照）。平衡状態の送信線について、送信線上のどの点であっても、各導線の電流成分は振幅は等しく極性は逆であり、これは別々の導線上の等振幅の波が、互いに逆の極性で、同時に伝搬するのと同じである。ある導線で、ひとつの方向の正電流の伝搬は、その逆の方向の負電流の伝搬に等しい。入射波と反射波の相対位相は、ロード素子ＺLのインピーダンスによって決まる。別添図13のように、入射電流をＩ0、反射電流をＩ1とすると、反射係数ρｉは、次のように定義される。
入射電流と反射電流は、互いに反対方向に流れるので、反射電流に大きさが等しい電流Ｉ1'=-I1は、入射電流Ｉ0と同じ方向で、反射電流と同じ振幅を呈する。
発明の開示
本発明の目的の一つは、小型の垂直偏波のアンテナを提供すること、とくに、低周波で長距離通信の波への実用に叶い、しかも、物理的なサイズが小さく目立たないアンテナパッケージが必要であるような、全ての周波数で用いられるアンテナを提供することである。
本発明の、また目的とするところの一つは、従来の技術のアンテナと比べて、物理的なサイズが小さなアンテナを、提供することである。
本発明の、さらに目的とするところの一つは、従来の技術のアンテナと比べて、通信距離が長いアンテナを、提供することである。
本発明の、またさらに目的とするところの一つは、直線的な偏向をし、そして、その偏波方向に沿う方向の物理的なサイズが小さなアンテナを、提供することである。
本発明の、まださらに目的とするところの一つは、偏波方向に垂直であるような、ほぼ全ての方向に対応するアンテナを、提供することである。
本発明のさらに目的とするところの一つは、偏波方向に垂直な方向に最大放射利得があり、偏波方向に最小放射利得を有するアンテナを、提供することである。
本発明の、またさらに目的とするところの一つは、ラジオ周波数（ＲＦ）の電源に即応するような、単純化された給電配置を有するアンテナを提供することである。
本発明の、まださらに目的とするところの一つは、公称有効周波数（normal operating frequency）に関して、可能な限り広い周波数帯域で動作するアンテナを、提供することである。
本発明によると、トロイドアンテナは、トロイド形の面、および、区切られた螺旋パターンでトロイド面の周りに各々閉回路を形成する、第１と第２の巻線を有する。トロイドは、４つなど偶数個に分割されるセグメントを持つが、一般に２以上の数にする。ある一セグメント内の連続するひとつの導線の各部は、隣接するセグメントの同じ導線のその部分に関して、逆巻きであるようにする。同じ導線の隣接するセグメントは、ノードやジャンクション（巻き方向が逆になる点）で、接合する。トロイドの全セグメント内で、２本の連続した導線の向きが互いに逆になるようにする。２つのノード（ポート）は、それぞれ隣接しあう２セグメント間の境界に位置する。ポートのノードが接続されている導線に関しては、一方の電極から出てきた電流の極性は、セグメントからセグメントへ、ポートのところで接続点を通過すると、正負が逆になる。本発明によると、一つおきのポートのところにあるジャンクションで、導線は切断され、その切断端は、完全にマッチングされたリアクティブインピーダンスのところで終わっており、電流信号の各反射波の位相を９０度ずらせる。このことで、垂直偏波の電磁放射を生じる構造体の内部で、実質的な電流と、ほぼ一様で一定方向の磁流を、同時に相殺することができる。
本発明によると、一続きの導線のループは、“ポロイダル（poloidally）”、等間隔で、回転体面上に配置し、それぞれのループの長軸が、回転体面の短軸について、接線を形成するようにする。回転体面の長軸に応じて、全てのループの内端をひとつのターミナルに接続し、残りの端を第２のターミナルに接続する。２つのターミナルには単極の電源を用いる。また、ループは電気的に並列に接続されているので、全てのループから生じる磁場は同位相で、しかるに、ほぼ一様な一定方向の磁場となり、垂直偏波の全方向の放射がおこるのである。
本発明によると、ループの数が増え、導体要素は、回転体であって表面が連続的な、又は放射状の溝がある導電性表面となる。複合アンテナのターミナルに関して、直列なインダクタンスか並列なキャパシタンスを導入することによって、低い周波数で利用できるようになる。
本発明によると、回転体の導電表面のハブとなる２つの平行な導電板を加えることで、キャパシタンスが与えられる。回転体面は、導電板とのジャンクションのところにスリットを有し、一方の板はスリットの一側に電気的に接続され、もう１枚の板はスリットの反対側に接続される。回転体の導電表面は、さらに放射状にスリットを入れて、一続きの基本的なループアンテナをエミュレートすることができる。回転の角度に応じて、回転体面の半径や外形状を変えれば、この構造体の周波数の帯域幅は増える。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径と同じ長さである。絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本の螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１本の閉じた経路をなすようにする。また、１番目と２番目の信号ターミナルはそれぞれ、１番目のノードと２番目のノードに、電気的に接続される。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径と同じ長さである。絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目のポロイダルな輪郭の巻線パターンをなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目のポロイダルな輪郭の巻線パターンをなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本のポロイダルな輪郭の巻線パターンが互いに逆巻きで、その多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１本の閉じた経路をなすようにする。また、１番目と２番目の信号ターミナルはそれぞれ、１番目のノードと２番目のノードに、電気的に接続される。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径の同じ長さである。そこに、１本の絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本の概ね螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１本の閉じた経路をなすようにする。また、１番目と２番目の信号ターミナルはそれぞれ、１番目のノードと２番目のノードに、電気的に接続される。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径の同じ長さである。そこに、１番目の絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の概ね螺旋形の導電経路を、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本の概ね螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面の大半に亘ってその周りに巻かれて、１本目の閉じた経路をなすようにする。さらに、２番目の絶縁された導体手段は、２番目の螺旋のピッチの向きで、３番目の概ね螺旋形の導電経路を、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、３番目のノードから４番目のノードまで延び、また、１番目の螺旋のピッチの向きで、４番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、４番目のノードから３番目のノードまで延び、すなわち、３番目と４番目の概ね螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面の大半に亘ってその周りに巻かれて、２本目の閉じた経路をなすようにする。そのとき、１番目と３番目の概ね螺旋形の導電経路は、各々、２番目と４番目の概ね螺旋形の導電経路に対して逆巻きである。そして、１番目の信号ターミナルは、１番目か４番目のノードのうちの少なくとも１つにに電気的に接続され、２番目の信号ターミナルは２番目か３番目のノードのうちの少なくとも１つに電気的に接続されて、１番目の信号ターミナル装置と２番目の信号ターミナル装置とで、アンテナの電磁気的な信号を伝えるのである。
この発明によると、高周波（RF）の信号を送信する方法は、１番目の信号ターミナルと２番目の信号ターミナルの間の高周波（RF）信号の電流を減少させるために、その区間に高周波（RF）信号を用いるということを含む。すなわち、長半径の長さは最低でも短半径と同じ長さであるような、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目の電流を、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の信号ターミナルから２番目の信号ターミナルまで、１番目の導線で伝え、２番目の電流を、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目の信号ターミナルから２番目の信号ターミナルまで、１番目の螺旋のピッチとは逆向きである２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の導線で伝えることである。ただし、ここに用いる１番目と２番目の導線は、互いに逆向きに巻かれた関係にある。
この発明は、ブリッジとリングとからなる形状と比べて、広帯域の周波数のスペクトルについて、より大きい利得のある、垂直偏波のための小型のアンテナを、提供するものである。この発明の他の目的、利益、特徴は、当業者には明瞭になるであろう。
この発明の、以上の目的やその他の目的は、添付図の参照とともに、以下の発明の詳しい説明によって、より理解されることであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明による、４つのセグメントを持つ、螺旋形アンテナの略図である。
図２は、図１の巻線の拡大図である。
図３は、この発明の他の実施例における巻線の拡大図である。
図４は、この発明を具体化した螺旋形のアンテナであって、２つのセグメントを持つ（２部分によって構成された）ものの略図である。
図５は、この発明の他の実施例において、また、この発明によるアンテナの調整のために、巻き方向が逆になる点に可変インピーダンスを持つ、２ポートの螺旋形のアンテナである。
図６は、図１に示すアンテナの電磁場の指向を示した、指向線である。
図７、８、９は、図１に示すアンテナにおけるトロイドのノードの配置に関して、電流と磁場の線である。
図１０、１１、１２は、図４に示すアンテナにおけるノード間のトロイド位置に関して、電流と磁場の線である。
図１３は、送信線の終端の等価回路である。
図１４は、可能出力の調節、および、電場相殺の向上、および、構造体の単純化を目指した本発明による、トロイド上の、ポロイド巻線の、拡大図である。
図１５は、インピーダンスと位相のマッチング素子を具え、本発明を具体化したアンテナであって、４分円に区切った場合の単純化したブロック図である。
図１６は、インピーダンスをマッチングした、巻線を接続する第１と第２のコイルを用いて、この発明を実施した場合のアンテナの巻線の拡大図である。
図１７は、この発明を具体化したアンテナの等価回路と、その同調装置の図である。
図１８、１９は、図１７に示す同調の目的で、トロイドの周りを囲む金属箔の同調素子を用いたトロイドアンテナの部分略図である。
図２０は、対面するノードの間に同調キャパシターを用いて、本発明を実施した場合のアンテナを示した略図である。
図２１は、本発明を実施する４分円のアンテナに対する、他の同調方法を用いた場合の、等価回路である。
図２２は、図２１のような同調の目的で、トロイド面を導電箔で包んだ場合の、本発明によるアンテナを示したものである。
図２３は、図２４の線２３-２３に沿う断面図である。
図２４は、本発明によるアンテナが箔で覆われた場合の斜視図である。
図２５は、本発明の“回転対称な”アンテナの、他の実施例である。
図２６は、アンテナ上で、変調器で制御される、パラメトリックな同調装置を用いた、ＦＭ送信機の機能ブロック図である。
図２７は、ポロイドループを用いた、全方向型アンテナである。
図２８は、図２７に示すアンテナのループの一つの側面図である。
図２９は、ループを用いたアンテナの等価回路である。
図３０は、正方形のループのアンテナの側面図である。
図３１は、この発明による円筒形のループのアンテナの部分切断図である。
図３２は、図３１の３２-３２方向に切った断面図であり、巻線の電流の線図を含む。
図３３は、本発明による、ポロイドループの形状に対する、同調とエミュレーションのためのトロイド溝が設けられた、トロイドの部分図である。
図３４は、トロイドコア同調回路によるトロイドアンテナである。
図３５は、図３４に示すアンテナのための等価回路である。
図３６は、本発明にしたがって、中央キャパシタンスの同調配列をした、トロイドアンテナの切断図である。
図３７は、ポロイド巻線を用いた、図３６に示したアンテナの他の実施例の切断図である。
図３８は、キャパシタンスが可変な、他の実施例である。
図３９は、本発明に係る正方形トロイドアンテナの平面図であって、アンテナ帯域を増大させ、スロットによって、磁気ループ形状の同調又はエミュレーションするものである。
図４０は、図３９の４０-４０に沿う断面図である。
図４１は、図３９に示したアンテナの他の実施例であり、同調又はポロイド形状のエミュレーションのために、６つの側面に溝を設けられたものの平面図である。
図４２は、図４１の４２-４２に沿う断面図である。
図４３は、従来の線形螺旋である。
図４４は、少し変形の線形螺旋である。
図４５は、螺旋の全長にわたって、磁場が一様、又はほぼ一様と仮定して、図４５に示される配置の合成に相当する図である。
図４６は、外部ループを添加して、位相と割合の調節を行った、逆巻きのトロイド螺旋アンテナである。
図４７は、右巻きの等価回路と左巻きの等価回路、そして、それの電場と磁場の図である。
図４８は、この発明の実施例による直列給電のアンテナの略図である。
図４９、５０、５１は、図４８に示したアンテナにおけるトロイドのノードの位置に関する、電流と磁場の曲線である。
図５２は、この発明の別の実施例による直列給電のアンテナの略図である。
図５３、５４、５５は、図５２に示したアンテナの、トロイドのノードの位置に関する、電流と磁場の曲線である。
図５６は、この発明の別の実施例による並列給電のアンテナの略図である。
図５７、５８、５９は、図５６に示したアンテナのアンテナにおけるトロイドのノードの位置に関する、電流と磁場の曲線である。
図６０は、この発明の別の実施例による並列給電のアンテナの略図である。
図６１は、この発明の別の実施例による、インピーダンスの位相のマッチング素子を有する図６０のアンテナにおけるインターフェイスの、ブロック図である。
図６２は、図４８か、図５２か、図５６のアンテナの、放射の正面パターンの代表的な面図である。
発明の望ましい実施例の説明
図１において、アンテナ（１０）は、２つの電気的に絶縁された閉回路導線（巻線）Ｗ１とＷ２より成り、その巻線は４等分（ｎ＝４のとき）されたセグメント（segments）（１２）を通過して、トロイド形ＴＦの周りに延びている。巻線は、２つのピンＳ１とＳ２から、高周波（ＲＦ）電気信号が供給される。各セグメント内で、巻き線は“逆巻き”、すなわち、実線で示したように、巻線Ｗ１の始まりは右巻き（ＲＨ）、また、破線で示したように、巻線Ｗ２の始まりは左巻き（ＬＨ）である。後述の式より決定されるように、各導線は、巻き数が等しい螺旋形であると考える。ジャンクションあるいはノード（１４）のところで、各巻線はそれぞれ逆巻きになる（それぞれの切断図参照）。信号のターミナルＳ１とＳ２は２つのノードに接続され、その２つのノードを“ポート”と呼ぶ。ここでは、４つのポートの各組のノードを、ａ１とａ２、ｂ１とｂ２、ｃ１とＣ２、ｄ１とｄ２とする。図１では、例えば、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４つのポートがある。ＴＦの短軸に対応して、あるひとつのポートを決めると、ノードは、他のノードに対しても、また、トーラスに対しても、いかなる角度関係をもとりうるが、いずれにせよ、各セグメントの中にある巻き数が整数であるとき、この構造体中の全てのポートが等角度の位置関係となるようにする。例えば、図２は、真反対側に対面するノードを示したものであるのに対して、図３は重複するノードを示したものである。このノードは互いに重なりあっているが、ポートからポートまでの間は、ターミナル、すなわち、ピンＳ１とＳ２に対応するノードは、図に示されているように、互いに反対側となるように接続されていて、真反対側に対面しあうセグメント同士が、同様の接続状態を平行に有し、その巻き方向も同じとなるようにされている。その結果、各セグメントの中で、巻線電流は互いに反対方向を向いて流れ、その方向は、セグメントからセグメントへ移るときに逆方向になる。セグメントの数は、偶数であれば、多くすることも少なくすることも可能であるが、（螺旋形の巻線と有効周波数によって、伝搬速度が変化することを考慮に入れると）、ノードと、トロイドの送信線の有効な長さとは、連関性があることは理解されるべきことである。図５に示されるように、ノードの位置を変えることによって、それも特に、外部インピーダンス（１６）を用いることで、アンテナの偏波や方向性は制御される。ここに示した４つのセグメントの配置は、アンテナの軸からの仰角θと、図６に描かれるように、アンテナから放射された電磁波の偏波Ｅ１、Ｅ２があるような、垂直偏波の全方向の指向性を、生むことが判ってきた。
図１はセグメント数が４つである実施例を図示したものであり、図４はセグメント数が２つの実施例を図示したものであるが、この発明は、例えばセグメント数が６つの場合など、どんな偶数のセグメント数に関しても実行できることが、認識されるべきである。セグメント数を多くすることによる利点の一つは、放射されるエネルギーが増加することと、それに、アンテナの給電ポートの合成インピーダンスが減少するので、信号のターミナルインピーダンスを、アンテナの給電ポートの合成インピーダンスにマッチングする作業が簡単になることであろう。セグメント数を少なくすることによる利点は、アンテナ全体のサイズを小型化できることである。
この形状の主目的は、図６に描かれるような、垂直偏波の全方向の放射の指向性を生むことであるが、電磁気系の式の原理や、電気的な双極のアンテナの基本的な理解においては、このようなことが可能になるには、磁流や磁束の方向一定の円環を生じなければならないと、これまでは認識されていた。したがって、このアンテナは、そのような磁流分布を生じさせる仕様に関して、論じられることとなろう。図１において、ある平衡状態の信号が、信号ターミナルＳ１、Ｓ２に向けて出される。この信号は、トロイドの螺旋の給電ポートまで、ｄを通り、平衡状態の送信線を経て送られる。平衡状態の送信線の理論からわかるように、送信線のどの点においても、２本の導線を流れる電流は、位相が180度ずれている。送信線が接続されているノードについても、各ノードから両方向に、電流信号が動いている波として伝わり続ける。これらの電流のそれぞれの方向での分布の様子は、セグメント数４のアンテナについては図７から９に、セグメント数２のアンテナについては図１０から１２に、それぞれ示されており、また、Ｊを電流、Ｍを磁流として、これらのポートあるいはノードに対する曲線で表わされている。こうした分析により、信号の周波数は、周の長さが電気的に１波長以上のアンテナ構造体に合わせて同調させること、この構造体の中での電流の分布は、振幅がほぼ一定の正弦波になることがわかる。アンテナの構造体の中の、逆巻きのトロイド螺旋形は、送信線として扱われるが、エネルギー放射で漏電しやすい送信構造である。図７と10の曲線は、信号が出発したノードからの伝搬の方向に関連した極性の、電流の分布を示したものである。図８と１１の曲線は、いわゆる反時計回りの方向に関しての、同じ電流の分布であり、電流の極性がその方向によって変わることが認められる。図９と１２は、それに対応する磁流分布を、図１の原理を利用して、図示したものである。図８と１１は、トロイド螺旋の構造体の上で、電流の分布は実質的には、相殺されることを示している。ところが、図９と１２の示すように、磁流の分布は増大する。そこで、これらの信号は直角位相で、あわせてほぼ一様な一定方向の分布流を形成するのである。
この発明を実行するためには、次の５つの重要な要件が満たされなくてはならない。１）アンテナは、信号の波長に同調させること。すなわち、信号の周波数において、トロイドの螺旋の各セグメントの電気的な周の長さは、１／４波長にすること。２）各ノードにおける信号の振幅は一定であること。３）各ポートにおける信号の位相は同じであること。４）ターミナルＳ１、Ｓ２に送られる波は釣り合っていること。５）信号の反射波を打ち消すために、信号ターミナルＳ１、Ｓ２をトロイド螺旋の構造体の上のポートに接続している送信線セグメントのインピーダンスは、送信線セグメントの各端点のそれぞれのロードに、マッチングされること。
以下に使う式では、このアンテナの寸法を計算する際に、次のパラメータを用いる。
ａ＝トーラスの長軸半径
ｂ＝トーラスの短軸半径
Ｄ＝２×ｂ＝トーラスの短軸直径
Ｎ＝トーラス周囲を巻いた螺旋導体の巻き数
ｎ＝単位長さあたりの巻き数
Ｖg＝アンテナの速度係数
ｂ（正規化）＝ｂ／λ＝ｂ
Ｌw＝正規化された導線長
λg＝自由空間における、速度係数とλに基づく波長
ｍ＝アンテナのセグメント数
トロイド螺旋のアンテナは、次の３つの物理変数によって決まる、“共振”の周波数にある。
ａ＝トーラスの長軸半径
ｂ＝トーラスの短軸半径
Ｎ＝トーラス周囲を巻いた螺旋導体の巻き数
Ｖ＝被導波（guided wave）の速度
自由空間での波長λについて変数を正規化し、関数ａ（Ｖg）、ｂ（Ｖg，Ｎ）を作って表わし直せば、独立な変数の数は、ＶgとＮの２つに減ることがわかる。すなわち、自由空間での波長をλとして、この物理構造は対応する共振周波数を有することになる。セグメント数４のアンテナでは、共振がおこるのは、トーラスの長軸円周の長さが１波長となるような周波数のときである。一般に、共振がおこる周波数とは、アンテナの各セグメントの長さが、被導波の波長の１／４になるようなアンテナ構造体の上で、定在波を生じるような周波数である（すなわち、図１の各ノード１２も、１／４被導波長である）。この分析に於いては、次の仮定を置いている。構造体は１波長分の長軸周長を有すること。及び給電と巻線は対応して製られていること。
アンテナの速度係数は、次の式で与えられる。
次のように、トーラスの物理的な寸法は、自由空間における波長λに関して、正規化される。
１９５３年発行のNational Convention Part 2 - Antennnas and Communications第42〜47頁、Convention Record of the I. R. E.の中の、A. G. KandoianとW. Sichak共著の“Wide-Frequency-Range Tuned Helical Antennas and Circuites”という文献には、単線の直線形螺旋内の導線と共軸な線の速度係数を計算する公式が、記載されている。幾何学変数の代入によって、米国特許第4,622,558号と4,751,515号では、この公式はトロイドの螺旋形状に変形されていた。
この公式は、本件の発明とは異なる物理的な実施例を基盤にしているが、本発明と近い内容なので、そこに経験的な修正を少し加えれば、共振周波数を得るのに役に立つ。
式（１）と（２）を、式（３）に代入して、整理すると次のようになる。
式（１）と（２）により、速度係数と正規化された長軸半径は、正比例の関係になる。
ゆえに、式（４）と（５）を変形して、ＶgとＮを用いて、正規化されたトーラスの長軸半径と短軸半径について解くと、次のようになる。
ただし、トーラスの基本比に従う。
式（２）、（６）、（７）、（８）により、基本的な、周波数から独立した関係式が求められる。扱う周波数、速度係数、巻き数がわかっているとき、それに対応するアンテナの物理的なサイズを求めたいときに又、決まった螺旋巻き数を持つ、ある寸法のアンテナが与えられたときに、扱える周波数を決定するといった逆の問題を解きたいときに、これらの関係式を用いることができる。KandoianとSichakの関連業績を基に、さらに制約を設けて、正規化した変数について次のように表すことができる。
この式を、ｂが求められるように変形して、式（７）１を代入すると、次のようになる。
式（１０）を変形して、変数を分離すると、次のようになる。
得られた二次不等式を解くと、次のように求められる。
また、（６）と（８）より、次のようになる。
条件（１３）は、条件（８）より導かれるもので、条件（１２）よりも厳しく見える。
そして、螺旋形の導線の正規化された長さは、次に与えられる。
ワイヤの長さは、ａ＝ｂのときに最小値をとり、そのとき、巻き数Ｎは最小になる。ａ＝ｂのとき、（６）より、
ゆえに、
セグメント数４のアンテナに対して、ｍ＝４、かつ、
式（１５）を式（１０）に代入すると、次式が得られる。
ワイヤの長さの最小値に対して、Ｎ＝最小値＝４として、４セグメントのアンテナの場合、
一般に、速度係数が小さいとき、ワイヤの長さは最小値であるから、式（１８）は次のように近似できる。
これを、式（１６）に代入すると、次が得られる。
従って、セグメント数２のほとんどのアンテナについて、導線あたりのワイヤの全長は、自由空間における波長よりも長くなるだろうということが、KandoianとSichakの式により予測される。
以上の式より、半波長で直線形のアンテナで、効率のよい送信特性を有するトロイドを製作することができる。この発明に従って製作された、多くの逆巻きのトロイド螺旋形のアンテナの実験から示されたことは、与えられた構造体の共振周波数は、式（２）、（６）、（７）より求められる値とは異なるということであり、とくに、実際の周波数が式（２）、（６）、（７）による計算結果に従うのは、２つの導線のうちのどちらかに関して、計算中で使われる巻き数Ｎが、実際の巻き数より２〜３倍になるようである。場合によっては、実際の周波数が、ワイヤの長さと最もよく関連しあっているようなこともある。ある長さのトロイダル螺旋形の導線Ｌw（ａ，ｂ，Ｎ）があるとき、その長さは、次のような周波数を持つ、自由空間での電磁波の波長に等しくなると思われる。
また、場合によっては、共振周波数の測定値が、0.75×ｆw（ａ，ｂ，Ｎ）かｆw（ａ，ｂ，２Ｎ）で、計算したとおりになることもある。例えば、この発明のトロイドが次の数値で設計された場合、周波数が106MHzのとき、速度係数を1.0とすると、直線形の半波長のアンテナは、1.415m(55.7インチ）の長さになる。
ａ＝6.955cm（2.738インチ）
ｂ＝1.430cm（0.563インチ）
Ｎ＝16回巻き ＃16 wire
ｍ＝４セグメント
このトロイド設計の実施例では、式（２）、（６）、（７）の計算ではＮ＝16のとき、共振周波数は311.5MHzで、Ｖｇ＝0.454となり、Ｎ＝32のとき、共振周波数は166.7MHzとなる。扱う周波数を測定したところ、Ｖｇ＝0..154であり、それで、式（４）を成り立たせるためには、有効なＮの値は51回巻きでなくてはならないことになるが、これは各導線の実際の値の3.2倍である。この場合、ｆw（ａ，ｂ，２Ｎ）＝103.2MHzである。
図５に示すような、この発明の応用例では、２つのポートａとｃで、入力信号に対する接続が遮断され、また、対応するノードのところで、導線も遮断される。残っている４つの開ポート、ａ１１−ａ２１、ａ１２−ａ２２、ｃ１１−ｃ２１、ｃ１２−ｃ２２は、逆巻きのトロイド螺旋形の導線の組でつくる、送信線のセグメントの固有インピーダンスにマッチングされたリアクタンスＺで終わる。それらのターミナルのリアクタンスで信号は反射されて（図１３参照）、入射波との位相差が90度の反射波となり、トロイド螺旋形の導線の電流分布は図１の実施例のものと似るので、同様な放射指向を生じるが、信号のターミナルと信号のポートとの間の給電点の数は少ないので、アンテナの構造体における調節や同調がより簡単になる。
トロイドの逆巻き導線は、螺旋形以外の形でも応用することができ、それでも尚、この発明の概念を満たす。図１４は、そのような、この発明の他の応用例のひとつで（「ポロイド−周辺・巻線パターン」）、今度は、２本の絶縁された導線Ｗ１、Ｗ２が各々つくっていた螺旋形をばらにして、つなぎあわせ、ポロイドループ１４．１とした。つながりの部分は、長軸に関して円弧を形成する。この応用例では、トロイドの電流成分をより確実に相殺し、また、ポロイドループによって磁流成分をより正確な方向に生じさせるようにするため、２つの別々の導線はどの場所でも平行になるようにする。この実施例の特徴は導線間キャパシタンスであり、それがこの構造体の共振周波数が低くなるように働くことが実験的に確かめられている。平行な導線Ｗ１、Ｗ２の間隔を調節すること、すなわち、２つの逆巻き導線が、互いに、あるいは、トーラスの長軸か短軸のいずれかに関してなす相対角を調節することで、この実施例の共振周波数は調節できるのである。
この発明を最もよい状況で実行するためには、信号ポートＳ１、Ｓ２にそれぞれにおける信号は、互いに振幅も位相も平衡状態に（すなわち、振幅が同じで位相は常に180度違う）なければならない。信号の給電の送信線セグメントも、両端点、すなわち、逆巻きのトロイド螺旋形の構造体の上の個々の信号ポートのところと、信号の共通ターミナルのところとで、マッチングされなくてはならない。逆巻きの巻線、その巻線の形状などの諸要因の持つ不完全な点が原因で、信号ポートでのインピーダンスに変分が生じる可能性がある。そのような変分は、図１５に示されるような形で補正して、後述するように、アンテナ構造体に入る電流の振幅と位相が平衡状態を保ち、トロイド電流成分が最も確実に相殺されるようにする必要がある。最も簡単な形では、信号ターミナルでのインピーダンスがＺ0、典型的なもので50オームであり、また、信号ポートでの信号のインピーダンスが、Ｚ1-m×Ｚ0の値だとすると、インピーダンスＺ1で全て同じ長さのｍ本の給電線を用い、信号ターミナルでそれを並列につないで合計値がＺ0になるようにすれば、この発明は実行できる。もし、信号ターミナルでのインピーダンスが上記とは違う抵抗値Ｚ1であるとすると、それぞれ１本の長さが１／４波長で、しかも、固有インピーダンスＺf＝Ｚ0Ｚ1を持つような、変圧器給電線を用いれば、この発明は実行できる。一般に、送信線素子から構成されたダブル・スタブの同調器を用いれば、どんなインピーダンスもマッチングすることができる。信号ターミナルの給電線は、図１６に示すように、信号ポートに電気誘導的に連結することができる。この技術は、信号ポートのインピーダンスを給電線にマッチングできるだけでなく、給電点で不平衡だった信号を、逆巻きのトロイド螺旋形の構造体の信号ポートの点で平衡な信号に変成して送るバラン（balun）の役も果たす。この誘導連結法によって、アンテナ構造体が自由に共振できるように、信号給電とアンテナ構造体の間の連結係数を調節することができる。当熟練者には馴染みのある、インピーダンスや位相や振幅をマッチングしたり平衡状態にしたりする他の手段もまた、この技術の概念の範囲で行うことができる。
このアンテナ構造物は、様々な方法で同調させることができる。一定方向の円磁流を保つよう、同調のための装置はこの構造体の周囲に一様に分布するのが、最ものぞましい在り方である。図１７は、２本の絶縁された導線を覆い、これらの間の容量性の連結を修正する、ポロイド箔構造（１８．１）、（１９．１）（図１８、１９参照）を示したものである。ポロイド同調素子は開回路でも閉回路でもよいが、ただし、後者は新たに誘導成分を生じる、図２０は、異なるノード、とくに、同一導線上の真反対側に対面するノードを、容量的に連結することで、アンテナ構造物上の信号を平衡状態にするための装置を示したものである。可変なキャパシターC1を用いれば、一続きになっているか区切られている円形の導電箔あるいはメッシュを、トロイドの形とトロイド外延の表面に平行となるように着けることで、容量結合は、一定方向に連続的となる。図２３と２５の実施例は、図１７〜２１の実施例の延長で、ここでは、トロイド螺旋構造体ＨＳは、どの部分も同軸なシールド（２２．１）に、完全に覆われている。そのようなシールドと平行するよう、正確なトロイド形をした磁場が、螺旋構造体ＨＳから生じて、十分に薄い箔と、ある導電率や扱う周波数が与えられているときに、電磁気的な束縛条件が満たされて、構造物外部の磁場の伝搬が可能になるのが理想的である。ここに説明されるように、同調のために、（ポロイド）溝（２５．１）を加えることもできる。
逆巻きのトロイド螺旋形のアンテナ構造物は、比較的高Ｑ値の共振器であって、これは同調要素と、図２６に示すようにアンテナ（１０）から電圧を受信する発振増幅器（２６．２）を有するＦＭ波送信器のための送信アンテナとを合成したものとして機能することが出来る。変調器（２６．４）に制御されるパラメトリックな同調素子（２６．３）によって、変調が行われる。送信器の周波数Ｆ１を制御しているのは、リアクタンスの直接的な修正か、無効になるよう設定された素子（既述）の切り替えかによって、アンテナ構造体に取り付けられる容量的あるいは電気伝導的な同調素子の電気的な調整であり、このことによって、構造体に連結されたリアクタンスを制御して、逆巻きのトロイド螺旋構造体の固有周波数を調節する。
図２７に示すように、この発明の他の応用例では、前述の実施例のトロイド螺旋形の導線を、方向一定で、トロイドの形の周りに配列された、一続きのＮ個の、ポロイドループ（２７．１）に置き換えることができる。トーラスの長軸半径に関して、それぞれのループの最も内側で信号ターミナルＳ１につながり、他方、それぞれのループの最も外側で信号ターミナルＳ２につながっている。個々のループは、互いに独立に任意の形になることができ、図２８は円形、図３０は長方形の場合を示している。この配置のための、電気的な等価回路は、図２９に示される。個々のループセグメントは、従来のループアンテナと同様のはたらきをする。この合成構造では、個々のループは平行に配列され、各ループで生じた磁場成分が同位相で、トロイド形に対して決まった方向を向き、その結果、方向一定の一様な磁流が生じるようにする。これに対して、逆巻きのトロイド螺旋形のアンテナでは、その逆巻きの螺旋形の導線のトロイド形の成分から生じた場は、あたかもそのような成分が存在していないかのように相殺し、導線のポロイド成分から生じたものだけが残る。図２７の実施例は、形成された電磁場の相殺効果に頼るというよりも、物理的な構造からトロイド成分を打ち消すものである。図２７の実施例で、ポロイダルループ（poloidal loop）の数が多くなると、図３１及び３３の実施例は、それぞれ長方形のループ、円形輪郭のループになる。ばらばらだったループが、連続した電気伝導的な表面になっていき、放射状に溝をつけたり、または、つけなかったりしながら、多ループの実施例をエミュレートするものである。こうした構造体は、どこをとってもトロイド面に平行であるような一定方向の円磁流（magnetic ring current）と、それに対応して、どこをとっても、導電性のトロイド面に垂直であるような電場を生じる。そして、この構造体によって生じる電磁波は、連続した導線の場合、表面は十分に薄いものと仮定すると、導電性の表面を伝搬していく。この装置は、構造体の上面と底面の間、すなわち、トロイドの主軸と平行に、電荷を移動させる、双極な電気の環の効果を持つと考えられる。
ループの周は、共振波長の１／２の桁である必要があることから、図２７と３１の実施例は、比較的サイズが大きくなるという欠点も持っている。しかし、ループの大きさは、直列のインダクタンスか並列のリアクタンスを、構造体に加えることによって、小さくすることができる。図３４は、図３１の実施例をソレノイドの導線（３５．１）の中に入れた形の配線をつくることによって、直列インダクタンスを加えた場合を示したものである。図３６は、並列にキャパシタンス（３６．１）を図３１の実施例に加えた場合を示したものである。並列なキャパシターは、トロイド構造体ＴＳの中心にハブ（３６．２）を設ける形をしていて、ＴＳもまた、ターミナルＳ１とＳ２の信号をアンテナ構造体に給電する働きをしている、中心の電気的な接続素子（３６．３）と、トロイドの両方を、機械的に支える働きをしている。並列なキャパシターと構造ハブは、２枚の誘導板Ｐ１とＰ２でつくられ、銅やアルミニウムなど無磁性の導体の材質から成り、空気、テフロン、ポリエチレンなどの無極性あるいは低極性の媒体（３６．４）によって、その間を仕切られる。ターミナルＳ１とＳ２との接続素子（３６．３）は、平行平板Ｐ１とＰ２の中央部に、電気伝導的に、それぞれ取り付けられ、また、電気伝導性のあるトロイド表面ＴＳの内側の溝のそれぞれの側部に、各々取り付けられる。電流信号は、接続素子（３６．３）から、平板Ｐ１とＰ２を経て、電気伝導性のあるトロイド表面ＴＳ上を、外側に向かって放射状に流れる。電気伝導板Ｐ１とＰ２によってキャパシタンスが与えられることによって、トロイド表面ＴＳのポロイダルの周サイズは、そうせずに、同じ周波数でループのアンテナを扱って、似たような共振をおこしたときに比べて、著しく小さくなる。
図３６の容量的な同調素子を、図２７の電気伝導的なループと組み合わせて、図３７のような実施例を形成することができ、図３７の実施例の設計は、全てのキャパシタンスが平行平板キャパシターによって与えられ、全てのインダクタンスがワイヤループによって与えられるような、図３８の等価回路を想定して、描かれたものである。平行平板キャパシターと導線ワイヤに関する公式は、１９８６年、Howard W. Sams発行、E. C. Jordan編、の文献、Reference Data for Radio Engineers,第２版.の第6〜13頁に次のように与えられている。
ここで、
Ｃ＝キャパシタンス（pfd）
Ｌwire＝インダクタンス（μH）
A=板面積（インチ×インチ）
t=板間隔（インチ）
N=板数
ａ＝ループワイヤの平均半径（インチ）
d＝ワイヤの直径（インチ）
εr＝比誘電率
等価な並列回路の共振振動数は、Ｎ個のワイヤ全てについて考えると、次のように与えられる。
16ゲージのワイヤー（ｄ＝0.16cm（0.063インチ））のＮ＝24個のループに対して、短軸直径＝7.00cm（2.755インチ）、長軸内径（キャパシター板直径）＝10.28cm（4.046インチ）、板間隔ｔ＝0.358cm（0.141インチ）のトロイドがある場合、計算上の共振周波数は156.5MHzとなる。
図３８の実施例で、一巻きのトロイドのループのインダクタンスは、およそ、次のようになる。
ただし、μ0は自由空間の透磁率で、400π nH/mで与えられ、ａとｂはそれぞれ、トロイダル形の長軸半径と短軸半径である。トーラスのハブをなす平行平板のキャパシタンスは、次で与えられる。
ただし、ε0は、自由空間の誘電率＝8.854pfd./mである。
式（２７）と（２８）を、式（２５）と（２６）に代入すると、次が得られる。
式（２９）は、板間隔が１．０１ｃｍ（０．３９７インチ）に増えたとき、上掲したトロイダル形状は、連続導体表面の場合を除いて、同じ１５６．５ＭＨｚという同様な共振周波数を有することを計算で示す。
均等な間隔を板間に設けるか、図３８に示したような板から、比較的狭い輪状の溝をつくることで、間隔をあけるかしたものを調節することで、図３６、３７、３８の実施例は、同調させることができ、その場合、のぞましい同調とは、方向が一定で対称であり、構造物の中心から外側に向かって放射状に伝搬される信号が対称性を保っていられるような状態のことである。
図３９と４１は、このアンテナ構造物の周波数帯域を増やすための装置である。半径の方向へ外側に信号が伝搬するので、それぞれの半径方向に対して別々の共振回路を与えると、周波数帯域は増える。磁場がある方向で乱れることを最小にするため、方向による変化は方向について対称的である。図３９と４１は、市販のチューブ金具から形成した形状を示したものであり、それに対して、図２５（図２４）は、磁場に対する方向的な障害が少なくなるように周期的に半径が変化するような形状を示したものである。
螺旋形のアンテナの従来の技術は、地理技術的にその位置から遠距離に届くということに関して、応用が図られている。その応用は、比較的低周波数においては使用可能であるが、よい成果を得るためには大きな構造物が必要になる。直線螺旋形アンテナが図４３に描かれている。これは、図４４で近似できる。図４４のものは、本当は螺旋ではなく、１巻きのループを直線でつないで、１列にしたものである。もし、一様またはほぼ一様な磁場がこの構造の上に生じたら、ループ素子は合成直線素子から離れて、図４５のようになりうる。直線素子でなく、図４６に描かれているような、トロイド螺旋形か、トロイド形でポロイドアンテナ構造を用いれば、この構造物はサイズはかなり圧縮されうる。この配線の主な利点は、構造全体が、同規模相当の直線螺旋形のものよりも小型化でき、飛行機にも、陸上乗り物にも、船舶にも持ち込みの用途に使えるし、目立たないということである。この配線のもうひとつの利点は、図４５の利点でもあるが、磁場と電場の成分が分解され、続いて、直線螺旋固有の電磁場とは異なり、別の情報を供しうるものに、再合成されることである。
図４８について述べると、電磁気学的なアンテナ（４）の略図が描かれている。アンテナ（４８）は、図１のトロイド形ＴＦのような多重連結面（４９）、絶縁された導線回路（５０）、２つの信号ターミナル（５２）、（５４）を有している。
ここで、“多重連結面（multiply connected surface）”という表現を使ったが、以下の面を積極的に含むけれども、これらに記載したものに限定されるものではない。（ａ）望ましい実施例のトロイド形ＴＦのように、短軸より長いか等しい長さの長軸を持つトロイド表面なら何でもよい。（ｂ）平面状の閉曲線、複数の異なった半径を持つ多角形を、その面内にある軸の周りで回転させて得られる、その他の面であって、該面の長半径は最小半径の中の最大のものよりも大きいか、同等であるもの（Ｃ）六角形タイプのようなナットや、座金（ウォッシャー）のような、形状が一般的に平面から定義されるような立体で、内径がゼロより大きく、外径が内径より大きいもので、内周も外周も、平面閉曲線か正多角形から作られたような立体。
例示されている、絶縁された導線回路（５０）は、導電経路（５６）をなして、図１のトロイド形ＴＦに亘ってその周りに巻かれて、ノード（６０）（＋）から別のノード（６２）（−）にまで延びている。絶縁された導線回路（５０）は、また、別の導電経路（５８）によって、ノード（６２）（−）からノード（６０）（＋）にまで、延びているので、こうして、単一の無端状の導電経路をトロイド形ＴＦに亘ってその周りに形成している。
図１に関連して述べたとおり、導電経路（５６）と（５８）は、巻き数は同じで、向きが逆巻きの螺旋形の導線で、導電経路（５６）の螺旋のピッチの向きは、実線で示してあるように右巻きで、導電経路（５８）の螺旋ピッチの向きは破線で示してあるように左巻きである。
導電経路（５６）と（５８）は、一般的な螺旋形あるいは、渦巻き形などのように、螺旋形以外の形で配線することができ、また、それでも尚、この発明の概念を満たしている。導電経路（５６）と（５８）は、図１４に関連して述べたように、逆向きの巻き方向の螺旋を持つ、逆巻きの“ポロイド−周辺・巻線パターン”にすることができ、ここでは、２つの絶縁された導線Ｗ１とＷ２の各々がつくる螺旋は、解体されて、１つにつながっているポロイドループ（１４．１）となる。
図４８の言及の続きになるが、導電経路（５６）と（５８）は、ノード（６０）と（６２）において、逆向きになる。信号ターミナル（５２）と（５４）は、それぞれ電気的にノード（６０）と（６２）に接続されている。信号ターミナル（５２）と（５４）は、絶縁された導線回路（５０）と、出された（送信された）り、入ってきた（受信した）りする高周波（ＲＦ）の電気的な信号（６４）の、受け渡しを行う。例えば、送信された信号の場合、絶縁された導線回路（５０）の単一の無端状経路は、信号ターミナル（５２）と（５４）から一連に給電される。
当業者なら判ることであるが、導電経路（５６）（５８）が、単一の絶縁された導体例えば、ワイヤ又は印刷回路導線で形成されること、そして、１本のワイヤで、ノード（６０）からノード（６２）への導電経路（５６）と、ノード（６２）からノード（６０）へ帰る導電経路（５８）を含む単一の無端状導電経路を形成する。また、さらに、当業者なら判ることであるが、導電経路（５６）（５８）が、複数本の絶縁された導線でも形成されること、例えば、１本の絶縁された導線が、ノード（６０）からノード（６２）への導電経路（５６）をなし、もう１本の絶縁された導線が、ノード（６２）からノード（６０）へ帰る導電経路（５８）をなすというようなものでも、形成されることである。
また、図４９、図５１に関して、電流の分布が、ノード６０、６２につながる曲線に示されている。図７〜１２に関連して、上述したのと同様に、図４８の導電経路５６、５８の電流は、位相が180度ずれている。ここで、電流をＪ、磁流をＭ、時計回りをＣＷ、反時計回りをＣＣＷとして、電流の分布を曲線と表わす。この分析は、次の点を仮定している。それは、信号（６４）の公称有効周波数は、アンテナ（４８）の構造に同調する様に、アンテナの電気的外形は、長さが波長の半分であること。及び構造上で電流分布は、該略で振幅が正弦波であることである。それぞれが公称有効周波数の導出された波長の約半波長の長さである逆向きに巻かれた導電経路（５６）（５８）は、平衡な給電をする、不均一な送信線要素の如く見えるだろう。経路（５６）（５８）は、閉ループを構成し、「８の字」となる様に捻られ、折り返して、２つの同心巻線を形成する。
図４８〜５１の実施例の理解を高めるために、１つの具体例を提示する。
実施例
例えば、30.75MHzの公称有効周波数の場合、速度係数を1.0とすると、直線形の1/2波長のアンテナ（図なし）は、約4.877m（192.0インチ）の長さになる。それに対して、同じく30.75MHzの公称有効周波数で、図１のトロイド形ＴＦを用いた電磁アンテナ４８は、次のような値を持つ。
ａ＝長半径28.50cm（ll.22インチ）
ｂ＝短半径1.32cm（0.52インチ）
Ｎ＝巻き数36回、＃16ワイヤ。導電経路（５６）と（５８）各々で。
ｍ＝2本の導電経路５６と５８。
図４９の曲線は、信号が出るノード６０、６２からの伝搬方向に関する偏波の、電流の分布を示したものである。図５０は、電流分布は、その向けられた方向に応じて変化するとみなし、反時計回り方向に関する電流の分布を示したものである。図５１は、図１に関連して既に示した原則を用いて、上記に対応する磁流の分布を描いたものである。図５０は、図１のトロイド形ＴＦの電流の分布は、実質的に相殺されることを示し、図５１は、磁流が実質的に強められることを示している。
このように、導電経路５６が電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＷ１Ｊを伝え、導電経路５８が電流ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊを伝えるのである。これら導電経路（５６）、（５８）と、対応する電流が、それぞれ磁流ＣＣＷ１Ｍ、ＣＣＷ２Ｍを生じるように、これらの導電経路５６、５８と、そこに関わる電流ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊは、対応する時計回りおよび反時計回りの磁流を生じる。図５０は、ＣＣＷの方向の電流分布について、電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＣＷ２Ｊの弱めあう干渉を、図示したものである。同様に、図５１は、ＣＣＷの方向の磁流分布について、磁流ＣＣＷ１Ｍ、ＣＣＷ２Ｍの強めあう干渉を、図示したものである。
図４８の例示のアンテナ（４８）によって、信号（６４）のような、高周波（RF）信号を送信する方法には、信号ターミナル（５２）（５４）にＲＦ信号（６４）を送り、これによってターミナル間へＲＦ信号（６４）の電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＷ１Ｊ、ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊを生じさせること；電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＷ１Ｊを、導電経路（５６）で伝えること；電流ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊを、導電経路（５８）で伝えること；導電経路（５６）と（５８）は、互いに逆向きの関係とすることを含む。
図５２には、別のアンテナ（４８′）の略図が描かれている。アンテナ（４８′）は、図１のトロイド形ＴＦのような多重連結面と、絶縁された導線回路（５０′）と、２つの信号ターミナル（５２′）、（５４′）を含む。ここで述べたこと以外で、電磁アンテナ（４８′）と、絶縁された導線回路（５０′）と、信号ターミナル（５２′）（５４′）は、それぞれ、図４８の電磁アンテナ（４８）と、絶縁された導線回路（５０）と、信号ターミナル（５２）（５４）と略同じである。
例示の絶縁された導線回路５０′は、導電経路５６′によって、図１のトロイド形ＴＦに亘ってその周りに巻かれて、ノード６０′（＋）から中継ノードＡまで、さらに、中継ノードＡから別のノード６２′（−）まで延びる。絶縁された導線回路５２′もまた、別の導電経路５８′によって、トロイド形ＴＦに亘ってその周りに巻かれて、ノード６２′（−）から別の中継ノードＢへ、そして中継ノードＢから別のノード６０′（＋）まで延び、こうして、１本の無端状導電経路をトロイド形ＴＦに亘ってその周りになすのである。
図１４と４８に関連して上述したように、導電経路５６′、５８′は、巻き数の同じ逆巻き螺旋形の導電経路でもよいし、反対方向に巻いている“ポロイダルな輪郭の・巻線パターン”のような、純粋な螺旋形とは違うものとして設計されてもよい。
信号ターミナル５２′、５４′は、絶縁された導線回路５０′に対して、入ってくる（受信された）、あるいは出ていく（送信された）高周波（RF）信号６４を、供給あるいは受信する。導電経路５６′、５８′は、導出された信号６４の、公称有効周波数の波長の約1/2の長さであり、ノード６０′、６２′のところで、向きが逆になる。信号ターミナル５２′、５４′は、各々、中継ノードＡ、Ｂに、電気的に接続される。各ノード６０′、６２′から各中継ノードＡ、Ｂまでの、導電経路５６′、５８′の長さが、各中継経路ノードＡ、Ｂから各ノード６２′、６０′までの導電経路５６′、５８′の長さと同じになるように、ノード６０′、６２′は、中継ノードＡ、Ｂの真反対側に配置されるのが、望ましい。
当業者なら判るであろうことは、導電経路５６′、５８′は、ノード（６０′）から中継ノードＡを経て、ノード（６２′）に到る導電経路（５６′）と、ノード（６２′）から中継ノードＢを経て、ノード（６０′）に到る導電経路（５８′）とを含む、単一の無端状導電経路を形成する単一の絶縁された導線によって形成できることである。さらに、当業者なら判るであろうことは、各導電経路５６′、５８′は、１本かそれ以上の本数の絶縁された導線でなすことができることであり、たとえば、ノード６０′から中継ノードＡ、中継ノードＡからノード６２′まで１本の絶縁された導線でつないだり、あるいは、ノード６０′から中継ノードＡまで１本の絶縁された導線でつなぎ、中継ノードＡからノード６２′は別の絶縁された導線でつなぐことなどである。
図５３〜５５は、アンテナ４８′のノード６０′、Ａ、Ｂ、６２′に関して、図４９〜５１の各線と同様に、電流と磁場の曲線が描かれたものである。
図５６は、別の電磁アンテナ６６の略図が描かれている。アンテナ６６は、図１のトロイド形ＴＦのような、多重連結面と、１番目の絶縁された導線回路６８と、２番目の絶縁された導線回路７０と、２つの信号ターミナル７２、７４を含む。
絶縁された導線回路６８は、２つの概ね螺旋形の導電経路７６、７８を含み、絶縁された導線回路７０も、同様に、２つの概ね螺旋形の導電経路８０、８２を含む。絶縁された導線回路６８は、図１のトロイド形ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路７６として、ノード８４から８６まで延び、また、図１のトロイド形ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路７８として、ノード８６から８４まで延び、すなわち、導電経路７６と７８が、トロィド形の大半に亘ってその周りに巻かれた閉じた導電経路をなすようにする。絶縁された導線回路７０は、トロイド形ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路８０として、ノード８８から９０まで延び、また、ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路８２として、ノード９０から８８まで延び、すなわち、導電経路８０と８２が、トロイド形の大半に亘ってその周りに巻かれたもう一つの閉じた導電経路をなすようにする。
図１４と４８に関連して上述した通り、経路７６と７８、８０と８２は奇数の同じ逆巻き螺旋形の導電経路でもよいし、反対方向に巻いている“ポロイダルな輪郭の・巻線パターン”のような、純粋な螺旋形とは違うものとして設計されてもよい。たとえば、導電経路７６のピッチ方向が、実線で示したように、右回り（ＲＨ）であれば、導電経路７８のピッチ方向は、破線で示したように、ＲＨとは逆の左回り（ＬＨ）となる。導電経路８０と８２のピッチ方向も、それぞれ、ＬＨ、ＲＨとなる。導電経路７６と７８は、ノード８４、８６のところで、逆向きに変わり、導電経路８０と８２は、ノード８８、９０のところで、逆向きに変わる。
信号ターミナル７２、７２は、絶縁された導線回路６８、７０に対して、入ってくる（受信された）、あるいは出ていく（送信された）RF電気信号９２を、供給あるいは受信する。例えば、送信された信号の場合、絶縁された導線回路６８、７０による２つの閉じた導電経路は、信号ターミナル７２、７４から、並列に給電される。それぞれの導電経路７６、７７、８０、８２は、導出され叶た信号９２の、公称有効周波数の波長の約1/4の長さである。図５６に示した通り、信号ターミナル７２は、ノード８４と電気的に接続されていて、信号ターミナル７２は、ノード８８と電気的に接続されている。
当業者なら判るであろうことは、絶縁された導電経路６８、７０は、１本かそれ以上の本数の絶縁された導線でなすことができることである。たとえば、絶縁された導電経路６８は、導電経路７６、７８の両方を１本の導線でつなぐものであってもよいし、導電経路７６、７８のそれぞれを別の導線でつなぐものであってもよい。
図５７〜５９は、図４９〜５１の概略的な線図と同様に、図５６のアンテナ６６のノード８４、８６、８８、９０に関する電流と磁場の曲線を、概略的に表わしたものである。図５８の曲線は、普通の反時計回りの方向の同じ電流分布を示し、図５９の曲線は、それに対応する磁流の分布を示したものである。
図６０には、他の電磁アンテナ６６′の略図が示されている。ここに述べることを除いては、電磁アンテナ６６′は、図５６の電磁アンテナ６６とほぼ同じである。電磁アンテナ６６′は、図５６の７２、７４にあたる信号ターミナル９４、９６と、信号ターミナル９８、１００を含む。信号ターミナル９８は、ノード９０に電気的に接続され、信号ターミナル１００は、ノード８６に電気的に接続される。
図６０に示されるように、信号ターミナル９４、９６、９８、１００の組、９４と９６、９８と１００は、絶縁された導線回路６８、７０に対して、信号ターミナル９４と９６、９８と１００に、電気的に並列に入ってくる（受信された）、あるいは出ていく（送信された）RF電気信号９４を、供給あるいは受信する。
もしくは、図６１に示されるように、インピーダンスと位相をずらした回路１０２を、図６０の９４と９６、９８と１００の組のうち少なくとも１つと、信号９４との間に用いてもよい。この発明の概念から逸脱することなく、当業者によく知られている、インピーダンス、位相、振幅をマッチングしたり平衡状態にしたりするための他の方法を、とることも可能である。
図６２には、図４８、５２、５６の、電磁アンテナ、４８、４８′、６６における、放射指向をそれぞれ概略的に描いた立面図が、示されている。これらのアンテナは、偏向が直線（垂直方向など）であり、図１のトロイド形ＴＦの短軸直径と連関して、偏波方向の物理的サイズが小さい。さらに、このようなアンテナは、偏波方向と垂直なほぼ全方向に対応し、偏向方向に垂直な方向で、最大の指向の利得があり、偏向の方向で最小の利得がある。
図４８、５２、５６の電磁アンテナ４８、４８′、６６は、従来の技術で知られたアンテナと比較すると、トロイド表面の長軸直径が短くなる。トロイドの短軸の電気的な周の長さは、1/2λで、これは、電気的な周の長さがλであった従来の技術のアンテナの、２分の１になる。逆巻き導線回路、５０、５０′６８、７０の向きの波の伝搬する速さは、andoianとSichakの設計式による値より２〜３倍、遅いものとなる。したがって、トロイド表面の長軸直径は、４〜６分の１に小さくなる。さらに、各電磁アンテナ４８、４８′、６６に関して、信号ターミナル５２と５４、５２′と５４′、７２と７４′に用いる給電ポートは一つだけであり、そのようなアンテナの入力のインピーダンスを、各信号６４、６４、９２の送信線に、マッチングさせることは、従来技術によって容易である。さらに、得ようとする公称有効周波数で最も広い帯域が提供されるために、各電磁アンテナ４８、４８′の共振の基本振動は、最初におこる共振に比べて、比較的広い周波数帯域を提供する（基本振動の約10〜20パーセントなど）。また、例示の電磁アンテナ４８の性能は、垂直の２分の１波長の双極のアンテナに匹敵し、接地された４分の１波長で単極アンテナやむち型アンテナ（ホイップ・アンテナ）の通信距離（約12法定マイルなど）よりも、長い固有通信距離（38法定マイル以上など）を提供する。
以上に論じられるか示唆された具体例や変形例以外にも、当業者は、この発明の概念の真の立場から逸脱することなく、その他の具体例や変形例をつくり出すことが可能である。
発明の分野
この発明は、送信および受信のためのアンテナに関するものであり、とくに、螺旋形に巻いたアンテナに関するものである。
発明の背景
励振の周波数におけるアンテナの効率は、有効電気長と直接に関係しており、また、該有効電気長は、自由空間での光速をＣ、波長をλ、振動数をｆを使った周知な関係式、
λ＝Ｃ／ｆ
によって、信号の伝搬速度に関係するものである。
知られているように、アンテナの電気長は、１波長か、半波長（双極）か、４分の１波長をとり、グランドプレーンで、実際のアンテナインピーダンスをほぼ最小にする。これらの特性がそろわない場合、アンテナインピーダンスは、アンテナと給電線（送信線）の上で定在波を生じつつ、変化し、エネルギー損失やエネルギー放出低下を招く定在波比を増す。
典型的な垂直むち形アンテナ（単極）は、全方向の垂直偏波の指向を有していて、ＵＨＦのような高周波数では、そのようなアンテナの大きさは、比較的小さなものにすることができる。しかし、より低周波数では、ＬＦおよびＭＦ帯域で非常に長い電線と塔が使われることになり、アンテナの大きさが問題になる。長距離送信には、より低い周波数帯が適しているが、その際のアンテナ、とくに指向性のアレイアンテナは、小型携帯用送信器へ取り付けるには大きすぎる。高周波数であっても、従来の単極ないし双極のアンテナと同様の性能や効果を有しつつ、物理的にサイズが小さいほうが望ましいといえる。
水平偏波のアンテナだと、より多くの地上波損失を生じるため、垂直偏波のほうが水平偏波より送信効果が高い（有効距離が長い）ことが判ってきたので、方向特性、とくに垂直偏波用の小型アンテナを開発するために、様々な技術が多年に亘って試みられてきた。
方向特性という点に関しては、アンテナの形状によっては、ある特定の偏波でアンテナの中に生じる磁場を打ち消すとともに、その磁場に対して垂直な電場を強めることが、可能であることがが知られている。また、電場を打ち消すとともに磁場を強めることも、同様に可能である。
等価の原理は、与えられた一つの領域内で、同一の場を生じる２源は等価であるとされ、電流源および、対応する磁流源（magnetic current sources）の間で、等価性が成立できるというものであり、このことは電磁気学分野において、よく知られた概念である。このことは、１９６１年発行の、R. F. Harrington著、Time Harmonic Electromagnetic Fieldsの第３〜５節に説明されている。線形電流が流れる直線形双極アンテナ素子の場合、その等価な磁源は、方位角の円磁流によって与えられる。ソレノイドの電流は、線形磁流を作るための明確な方法のひとつである。また、ソレノイド電流をトロイド面上に配置することは、必要な方位角の円磁流を作る方法のひとつである。
トロイド形の螺旋アンテナは、トロイド上に巻かれた螺旋形の導線から成り、トロイドの中心と同心で、またその面に垂直な軸を有する電気双極アンテナと類似した指向で、電磁エネルギーを放出する特性を持つ。螺旋形導線の送信線の実効値のインピーダンスは、螺旋配置の周囲の導線の給電点から、自由空間での伝搬速度に応じて波の電波を遅らせる。そのような構造で、減速された速度と円形流のおかげで、振幅のオーダーと同程度、あるいは、対応する共振の双極のもの（線形アンテナ）の大きさより、小さなサイズのトロイドアンテナを作ることができる。トロイド螺旋設計は、単純な共振双極構造体に比べて物理的なサイズが小さくできるので、トロイド設計は縦横比が小さい。単純な単相の給電形状で、1/2波長の双極型よりも小さなパッケージでありながら、それに匹敵する放射パターンを作るといえる。
このことに関して、米国特許第4,622,558号、および、第4,751,515号では、従来の線形アンテナは、地上に放出される際の損失がより少ない垂直偏波を自己共振構造体によって作り出していたが、これに代わる小型アンテナをつくり出す技術としてのトロイドアンテナのいくつかの面について論じている。既述の通り、低周波数では、自己共振の垂直偏波の直線形アンテナは実用に向かないので、これらの特許で説明されている自己共振構造体は、物理的にかさばる上に電気的に効率が悪いという、低周波での垂直型素子の問題を軽減しようとするものである。
前記の特許は、方向性が一層複雑なアンテナのための基礎単位として、単線のトロイド螺旋型について、主に論じている。そういったアンテナは、複合的な導電経路を有することができ、外部の受動回路か特殊な自己共振特性によって制御される信号が、そこに供与される。概して、それらの特許は、垂直偏波を作るために、いわゆる逆巻きのトロイドの巻線の使用について論じている。それらの特許で論じられている、逆巻きのトロイドの巻線は、１９５６年10月発行、IRE Transactions on Electron Devicesの第190頁、Birdsall, C. K.とEverhart, T. E.共著“Modified Contra-Wound Helix Circuits for High-PowerTraveling Wave Tubes”に述べられているように、端子を２つしか持たない、普通とは異なる形状である。それらの特許は、電場（流）と磁場（流）の区別について指摘し、また、トロイドの上に互いに逆巻きの２つの単線回路を置き、２ポートの信号入力を用いて、垂直偏波のアンテナを作ることができることを、つけ加えている。この設計の基盤は、線形螺旋という設計の式で、１９５３年にKandoian & Sichakが独自によって開発されたものである（米国特許第4,622,558号に説明されている）。
前記の特許のような、従来の技術では、逆巻き構造体の模倣から発展した２トロイド構造体のような、より複雑な構造体への初期段階として、基本的なトロイドの実施例が挙げられている。例えば、前記の特許は、トーラスの短軸によって決まる円周のまわりに、必要数の波長ができるようなトーラス（複雑もしくは単純な）について、論じている。
単線設計の、単純なトロイドアンテナは、入ってくる（受信された）信号、あるいは出ていく（送信された）信号の、電場成分にも磁場成分にも反応する。一方、複線（複数の巻線）のものは、アンテナの方向性を決めて偏波を制御できるように、別々のトロイド上の別々の巻線同士は、ピッチが等しい場合も違う場合もありうる。ひとつの形の螺旋は、リングとブリッジから成るという設計の形で、基本的な逆巻きの巻線配置の特質のうちの、全てではないが一部を呈するものである。
知られているように、線形ソレノイドコイルは、その中心軸方向に直線磁場を生じる。磁場の向きは、右手の指を手のひら側に丸めこんだときの指先の向きを、ソレノイドの円電流の向きだとすると、その指で作った円筒の中心軸に平行になるように親指を立てた向きが磁場の向きと同じであるという“右ねじの法則”に従う（例えば、別添の図４７を参照）。右巻きのソレノイドコイルにこの法則を使うと、右ねじの進む動きのように、電流と生じた磁場は、ともに同じ方向を向くが、左巻きのコイルであると、電流と磁場は反対方向を向く。ソレノイドコイルによって生じた磁場を、磁流（magnetic current）と呼ぶこともある。右巻きと左巻きのコイル素子を一緒に同軸上に取り付けて、逆巻きコイルをつくり、個々のコイル素子に反対方向の電流を流すことで、実質的に磁場はコイルが一つだけの場合の２倍になる一方、実質的に電流は効果的に打ち消されてゼロになる。
知られているように、正弦波の交流電源から給電され、負荷インピーダンスに接続された送電線は、平衡状態で、電源から負荷へと電流の波を伝搬する。波は負荷で反射して、再び電源へ帰る向きに伝搬されるので、送信線上の実質的な電流分布は、入射波と反射波の成分を合成したものから求められ、送信線上に定在波を形成しうる（例えば、別添図１３参照）。平衡状態の送信線について、送信線上のどの点であっても、各導線の電流成分は振幅は等しく極性は逆であり、これは別々の導線上の等振幅の波が、互いに逆の極性で、同時に伝搬するのと同じである。ある導線で、ひとつの方向の正電流の伝搬は、その逆の方向の負電流の伝搬に等しい。入射波と反射波の相対位相は、ロード素子ＺLのインピーダンスによって決まる。別添図13のように、入射電流をＩ0、反射電流をＩ1とすると、反射係数ρｉは、次のように定義される。
発明の開示
本発明の目的の一つは、小型の垂直偏波のアンテナを提供すること、とくに、低周波で長距離通信の波への実用に叶い、しかも、物理的なサイズが小さく目立たないアンテナパッケージが必要であるような、全ての周波数で用いられるアンテナを提供することである。
本発明の、また目的とするところの一つは、従来の技術のアンテナと比べて、物理的なサイズが小さなアンテナを、提供することである。
本発明の、さらに目的とするところの一つは、従来の技術のアンテナと比べて、通信距離が長いアンテナを、提供することである。
本発明の、またさらに目的とするところの一つは、直線的な偏向をし、そして、その偏波方向に沿う方向の物理的なサイズが小さなアンテナを、提供することである。
本発明の、まださらに目的とするところの一つは、偏波方向に垂直であるような、ほぼ全ての方向に対応するアンテナを、提供することである。
本発明のさらに目的とするところの一つは、偏波方向に垂直な方向に最大放射利得があり、偏波方向に最小放射利得を有するアンテナを、提供することである。
本発明の、またさらに目的とするところの一つは、ラジオ周波数（ＲＦ）の電源に即応するような、単純化された給電配置を有するアンテナを提供することである。
本発明の、まださらに目的とするところの一つは、公称有効周波数（normal operating frequency）に関して、可能な限り広い周波数帯域で動作するアンテナを、提供することである。
本発明によると、トロイドアンテナは、トロイド形の面、および、区切られた螺旋パターンでトロイド面の周りに各々閉回路を形成する、第１と第２の巻線を有する。トロイドは、４つなど偶数個に分割されるセグメントを持つが、一般に２以上の数にする。ある一セグメント内の連続するひとつの導線の各部は、隣接するセグメントの同じ導線のその部分に関して、逆巻きであるようにする。同じ導線の隣接するセグメントは、ノードやジャンクション（巻き方向が逆になる点）で、接合する。トロイドの全セグメント内で、２本の連続した導線の向きが互いに逆になるようにする。２つのノード（ポート）は、それぞれ隣接しあう２セグメント間の境界に位置する。ポートのノードが接続されている導線に関しては、一方の電極から出てきた電流の極性は、セグメントからセグメントへ、ポートのところで接続点を通過すると、正負が逆になる。本発明によると、一つおきのポートのところにあるジャンクションで、導線は切断され、その切断端は、完全にマッチングされたリアクティブインピーダンスのところで終わっており、電流信号の各反射波の位相を９０度ずらせる。このことで、垂直偏波の電磁放射を生じる構造体の内部で、実質的な電流と、ほぼ一様で一定方向の磁流を、同時に相殺することができる。
本発明によると、一続きの導線のループは、“ポロイダル（poloidally）”、等間隔で、回転体面上に配置し、それぞれのループの長軸が、回転体面の短軸について、接線を形成するようにする。回転体面の長軸に応じて、全てのループの内端をひとつのターミナルに接続し、残りの端を第２のターミナルに接続する。２つのターミナルには単極の電源を用いる。また、ループは電気的に並列に接続されているので、全てのループから生じる磁場は同位相で、しかるに、ほぼ一様な一定方向の磁場となり、垂直偏波の全方向の放射がおこるのである。
本発明によると、ループの数が増え、導体要素は、回転体であって表面が連続的な、又は放射状の溝がある導電性表面となる。複合アンテナのターミナルに関して、直列なインダクタンスか並列なキャパシタンスを導入することによって、低い周波数で利用できるようになる。
本発明によると、回転体の導電表面のハブとなる２つの平行な導電板を加えることで、キャパシタンスが与えられる。回転体面は、導電板とのジャンクションのところにスリットを有し、一方の板はスリットの一側に電気的に接続され、もう１枚の板はスリットの反対側に接続される。回転体の導電表面は、さらに放射状にスリットを入れて、一続きの基本的なループアンテナをエミュレートすることができる。回転の角度に応じて、回転体面の半径や外形状を変えれば、この構造体の周波数の帯域幅は増える。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径と同じ長さである。絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本の螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１本の閉じた経路をなすようにする。また、１番目と２番目の信号ターミナルはそれぞれ、１番目のノードと２番目のノードに、電気的に接続される。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径と同じ長さである。絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目のポロイダルな輪郭の巻線パターンをなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目のポロイダルな輪郭の巻線パターンをなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本のポロイダルな輪郭の巻線パターンが互いに逆巻きで、その多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１本の閉じた経路をなすようにする。また、１番目と２番目の信号ターミナルはそれぞれ、１番目のノードと２番目のノードに、電気的に接続される。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径の同じ長さである。そこに、１本の絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本の概ね螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１本の閉じた経路をなすようにする。また、１番目と２番目の信号ターミナルはそれぞれ、１番目のノードと２番目のノードに、電気的に接続される。
この発明によると、一つの電磁気的なアンテナは、多重連結面を有し、その長半径と短半径は、長半径の長さは最低でも短半径の同じ長さである。そこに、１番目の絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の概ね螺旋形の導電経路を、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、１番目のノードから２番目のノードまで延び、また、その絶縁された導体手段は、１番目の螺旋のピッチの向きとは逆向きの、２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、２番目のノードから１番目のノードまで延び、すなわち、２本の概ね螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面の大半に亘ってその周りに巻かれて、１本目の閉じた経路をなすようにする。さらに、２番目の絶縁された導体手段は、２番目の螺旋のピッチの向きで、３番目の概ね螺旋形の導電経路を、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、３番目のノードから４番目のノードまで延び、また、１番目の螺旋のピッチの向きで、４番目の概ね螺旋形の導電経路をなしながら、多重連結面の一部に亘ってその周りに巻かれて、４番目のノードから３番目のノードまで延び、すなわち、３番目と４番目の概ね螺旋形の導電経路が互いに逆巻きで、その多重連結面の大半に亘ってその周りに巻かれて、２本目の閉じた経路をなすようにする。そのとき、１番目と３番目の概ね螺旋形の導電経路は、各々、２番目と４番目の概ね螺旋形の導電経路に対して逆巻きである。そして、１番目の信号ターミナルは、１番目か４番目のノードのうちの少なくとも１つにに電気的に接続され、２番目の信号ターミナルは２番目か３番目のノードのうちの少なくとも１つに電気的に接続されて、１番目の信号ターミナル装置と２番目の信号ターミナル装置とで、アンテナの電磁気的な信号を伝えるのである。
この発明によると、高周波（RF）の信号を送信する方法は、１番目の信号ターミナルと２番目の信号ターミナルの間の高周波（RF）信号の電流を減少させるために、その区間に高周波（RF）信号を用いるということを含む。すなわち、長半径の長さは最低でも短半径と同じ長さであるような、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、１番目の電流を、１番目の螺旋のピッチの向きで、１番目の信号ターミナルから２番目の信号ターミナルまで、１番目の導線で伝え、２番目の電流を、多重連結面に亘ってその周りに巻かれて、２番目の信号ターミナルから２番目の信号ターミナルまで、１番目の螺旋のピッチとは逆向きである２番目の螺旋のピッチの向きで、２番目の導線で伝えることである。ただし、ここに用いる１番目と２番目の導線は、互いに逆向きに巻かれた関係にある。
この発明は、ブリッジとリングとからなる形状と比べて、広帯域の周波数のスペクトルについて、より大きい利得のある、垂直偏波のための小型のアンテナを、提供するものである。この発明の他の目的、利益、特徴は、当業者には明瞭になるであろう。
この発明の、以上の目的やその他の目的は、添付図の参照とともに、以下の発明の詳しい説明によって、より理解されることであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明による、４つのセグメントを持つ、螺旋形アンテナの略図である。
図２は、図１の巻線の拡大図である。
図３は、この発明の他の実施例における巻線の拡大図である。
図４は、この発明を具体化した螺旋形のアンテナであって、２つのセグメントを持つ（２部分によって構成された）ものの略図である。
図５は、この発明の他の実施例において、また、この発明によるアンテナの調整のために、巻き方向が逆になる点に可変インピーダンスを持つ、２ポートの螺旋形のアンテナである。
図６は、図１に示すアンテナの電磁場の指向を示した、指向線である。
図７、８、９は、図１に示すアンテナにおけるトロイドのノードの配置に関して、電流と磁場の線である。
図１０、１１、１２は、図４に示すアンテナにおけるノード間のトロイド位置に関して、電流と磁場の線である。
図１３は、送信線の終端の等価回路である。
図１４は、可能出力の調節、および、電場相殺の向上、および、構造体の単純化を目指した本発明による、トロイド上の、ポロイド巻線の、拡大図である。
図１５は、インピーダンスと位相のマッチング素子を具え、本発明を具体化したアンテナであって、４分円に区切った場合の単純化したブロック図である。
図１６は、インピーダンスをマッチングした、巻線を接続する第１と第２のコイルを用いて、この発明を実施した場合のアンテナの巻線の拡大図である。
図１７は、この発明を具体化したアンテナの等価回路と、その同調装置の図である。
図１８、１９は、図１７に示す同調の目的で、トロイドの周りを囲む金属箔の同調素子を用いたトロイドアンテナの部分略図である。
図２０は、対面するノードの間に同調キャパシターを用いて、本発明を実施した場合のアンテナを示した略図である。
図２１は、本発明を実施する４分円のアンテナに対する、他の同調方法を用いた場合の、等価回路である。
図２２は、図２１のような同調の目的で、トロイド面を導電箔で包んだ場合の、本発明によるアンテナを示したものである。
図２３は、図２４の線２３-２３に沿う断面図である。
図２４は、本発明によるアンテナが箔で覆われた場合の斜視図である。
図２５は、本発明の“回転対称な”アンテナの、他の実施例である。
図２６は、アンテナ上で、変調器で制御される、パラメトリックな同調装置を用いた、ＦＭ送信機の機能ブロック図である。
図２７は、ポロイドループを用いた、全方向型アンテナである。
図２８は、図２７に示すアンテナのループの一つの側面図である。
図２９は、ループを用いたアンテナの等価回路である。
図３０は、正方形のループのアンテナの側面図である。
図３１は、この発明による円筒形のループのアンテナの部分切断図である。
図３２は、図３１の３２-３２方向に切った断面図であり、巻線の電流の線図を含む。
図３３は、本発明による、ポロイドループの形状に対する、同調とエミュレーションのためのトロイド溝が設けられた、トロイドの部分図である。
図３４は、トロイドコア同調回路によるトロイドアンテナである。
図３５は、図３４に示すアンテナのための等価回路である。
図３６は、本発明にしたがって、中央キャパシタンスの同調配列をした、トロイドアンテナの切断図である。
図３７は、ポロイド巻線を用いた、図３６に示したアンテナの他の実施例の切断図である。
図３８は、キャパシタンスが可変な、他の実施例である。
図３９は、本発明に係る正方形トロイドアンテナの平面図であって、アンテナ帯域を増大させ、スロットによって、磁気ループ形状の同調又はエミュレーションするものである。
図４０は、図３９の４０-４０に沿う断面図である。
図４１は、図３９に示したアンテナの他の実施例であり、同調又はポロイド形状のエミュレーションのために、６つの側面に溝を設けられたものの平面図である。
図４２は、図４１の４２-４２に沿う断面図である。
図４３は、従来の線形螺旋である。
図４４は、少し変形の線形螺旋である。
図４５は、螺旋の全長にわたって、磁場が一様、又はほぼ一様と仮定して、図４５に示される配置の合成に相当する図である。
図４６は、外部ループを添加して、位相と割合の調節を行った、逆巻きのトロイド螺旋アンテナである。
図４７は、右巻きの等価回路と左巻きの等価回路、そして、それの電場と磁場の図である。
図４８は、この発明の実施例による直列給電のアンテナの略図である。
図４９、５０、５１は、図４８に示したアンテナにおけるトロイドのノードの位置に関する、電流と磁場の曲線である。
図５２は、この発明の別の実施例による直列給電のアンテナの略図である。
図５３、５４、５５は、図５２に示したアンテナの、トロイドのノードの位置に関する、電流と磁場の曲線である。
図５６は、この発明の別の実施例による並列給電のアンテナの略図である。
図５７、５８、５９は、図５６に示したアンテナのアンテナにおけるトロイドのノードの位置に関する、電流と磁場の曲線である。
図６０は、この発明の別の実施例による並列給電のアンテナの略図である。
図６１は、この発明の別の実施例による、インピーダンスの位相のマッチング素子を有する図６０のアンテナにおけるインターフェイスの、ブロック図である。
図６２は、図４８か、図５２か、図５６のアンテナの、放射の正面パターンの代表的な面図である。
発明の望ましい実施例の説明
図１において、アンテナ（１０）は、２つの電気的に絶縁された閉回路導線（巻線）Ｗ１とＷ２より成り、その巻線は４等分（ｎ＝４のとき）されたセグメント（segments）（１２）を通過して、トロイド形ＴＦの周りに延びている。巻線は、２つのピンＳ１とＳ２から、高周波（ＲＦ）電気信号が供給される。各セグメント内で、巻き線は“逆巻き”、すなわち、実線で示したように、巻線Ｗ１の始まりは右巻き（ＲＨ）、また、破線で示したように、巻線Ｗ２の始まりは左巻き（ＬＨ）である。後述の式より決定されるように、各導線は、巻き数が等しい螺旋形であると考える。ジャンクションあるいはノード（１４）のところで、各巻線はそれぞれ逆巻きになる（それぞれの切断図参照）。信号のターミナルＳ１とＳ２は２つのノードに接続され、その２つのノードを“ポート”と呼ぶ。ここでは、４つのポートの各組のノードを、ａ１とａ２、ｂ１とｂ２、ｃ１とＣ２、ｄ１とｄ２とする。図１では、例えば、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４つのポートがある。ＴＦの短軸に対応して、あるひとつのポートを決めると、ノードは、他のノードに対しても、また、トーラスに対しても、いかなる角度関係をもとりうるが、いずれにせよ、各セグメントの中にある巻き数が整数であるとき、この構造体中の全てのポートが等角度の位置関係となるようにする。例えば、図２は、真反対側に対面するノードを示したものであるのに対して、図３は重複するノードを示したものである。このノードは互いに重なりあっているが、ポートからポートまでの間は、ターミナル、すなわち、ピンＳ１とＳ２に対応するノードは、図に示されているように、互いに反対側となるように接続されていて、真反対側に対面しあうセグメント同士が、同様の接続状態を平行に有し、その巻き方向も同じとなるようにされている。その結果、各セグメントの中で、巻線電流は互いに反対方向を向いて流れ、その方向は、セグメントからセグメントへ移るときに逆方向になる。セグメントの数は、偶数であれば、多くすることも少なくすることも可能であるが、（螺旋形の巻線と有効周波数によって、伝搬速度が変化することを考慮に入れると）、ノードと、トロイドの送信線の有効な長さとは、連関性があることは理解されるべきことである。図５に示されるように、ノードの位置を変えることによって、それも特に、外部インピーダンス（１６）を用いることで、アンテナの偏波や方向性は制御される。ここに示した４つのセグメントの配置は、アンテナの軸からの仰角θと、図６に描かれるように、アンテナから放射された電磁波の偏波Ｅ１、Ｅ２があるような、垂直偏波の全方向の指向性を、生むことが判ってきた。
図１はセグメント数が４つである実施例を図示したものであり、図４はセグメント数が２つの実施例を図示したものであるが、この発明は、例えばセグメント数が６つの場合など、どんな偶数のセグメント数に関しても実行できることが、認識されるべきである。セグメント数を多くすることによる利点の一つは、放射されるエネルギーが増加することと、それに、アンテナの給電ポートの合成インピーダンスが減少するので、信号のターミナルインピーダンスを、アンテナの給電ポートの合成インピーダンスにマッチングする作業が簡単になることであろう。セグメント数を少なくすることによる利点は、アンテナ全体のサイズを小型化できることである。
この形状の主目的は、図６に描かれるような、垂直偏波の全方向の放射の指向性を生むことであるが、電磁気系の式の原理や、電気的な双極のアンテナの基本的な理解においては、このようなことが可能になるには、磁流や磁束の方向一定の円環を生じなければならないと、これまでは認識されていた。したがって、このアンテナは、そのような磁流分布を生じさせる仕様に関して、論じられることとなろう。図１において、ある平衡状態の信号が、信号ターミナルＳ１、Ｓ２に向けて出される。この信号は、トロイドの螺旋の給電ポートまで、ｄを通り、平衡状態の送信線を経て送られる。平衡状態の送信線の理論からわかるように、送信線のどの点においても、２本の導線を流れる電流は、位相が180度ずれている。送信線が接続されているノードについても、各ノードから両方向に、電流信号が動いている波として伝わり続ける。これらの電流のそれぞれの方向での分布の様子は、セグメント数４のアンテナについては図７から９に、セグメント数２のアンテナについては図１０から１２に、それぞれ示されており、また、Ｊを電流、Ｍを磁流として、これらのポートあるいはノードに対する曲線で表わされている。こうした分析により、信号の周波数は、周の長さが電気的に１波長以上のアンテナ構造体に合わせて同調させること、この構造体の中での電流の分布は、振幅がほぼ一定の正弦波になることがわかる。アンテナの構造体の中の、逆巻きのトロイド螺旋形は、送信線として扱われるが、エネルギー放射で漏電しやすい送信構造である。図７と10の曲線は、信号が出発したノードからの伝搬の方向に関連した極性の、電流の分布を示したものである。図８と１１の曲線は、いわゆる反時計回りの方向に関しての、同じ電流の分布であり、電流の極性がその方向によって変わることが認められる。図９と１２は、それに対応する磁流分布を、図１の原理を利用して、図示したものである。図８と１１は、トロイド螺旋の構造体の上で、電流の分布は実質的には、相殺されることを示している。ところが、図９と１２の示すように、磁流の分布は増大する。そこで、これらの信号は直角位相で、あわせてほぼ一様な一定方向の分布流を形成するのである。
この発明を実行するためには、次の５つの重要な要件が満たされなくてはならない。１）アンテナは、信号の波長に同調させること。すなわち、信号の周波数において、トロイドの螺旋の各セグメントの電気的な周の長さは、１／４波長にすること。２）各ノードにおける信号の振幅は一定であること。３）各ポートにおける信号の位相は同じであること。４）ターミナルＳ１、Ｓ２に送られる波は釣り合っていること。５）信号の反射波を打ち消すために、信号ターミナルＳ１、Ｓ２をトロイド螺旋の構造体の上のポートに接続している送信線セグメントのインピーダンスは、送信線セグメントの各端点のそれぞれのロードに、マッチングされること。
以下に使う式では、このアンテナの寸法を計算する際に、次のパラメータを用いる。
ａ＝トーラスの長軸半径
ｂ＝トーラスの短軸半径
Ｄ＝２×ｂ＝トーラスの短軸直径
Ｎ＝トーラス周囲を巻いた螺旋導体の巻き数
ｎ＝単位長さあたりの巻き数
Ｖg＝アンテナの速度係数
Ｌw＝正規化された導線長
λg＝自由空間における、速度係数とλに基づく波長
ｍ＝アンテナのセグメント数
トロイド螺旋のアンテナは、次の３つの物理変数によって決まる、“共振”の周波数にある。
ａ＝トーラスの長軸半径
ｂ＝トーラスの短軸半径
Ｎ＝トーラス周囲を巻いた螺旋導体の巻き数
Ｖ＝被導波（guided wave）の速度
自由空間での波長λについて変数を正規化し、関数ａ（Ｖg）、ｂ（Ｖg，Ｎ）を作って表わし直せば、独立な変数の数は、ＶgとＮの２つに減ることがわかる。すなわち、自由空間での波長をλとして、この物理構造は対応する共振周波数を有することになる。セグメント数４のアンテナでは、共振がおこるのは、トーラスの長軸円周の長さが１波長となるような周波数のときである。一般に、共振がおこる周波数とは、アンテナの各セグメントの長さが、被導波の波長の１／４になるようなアンテナ構造体の上で、定在波を生じるような周波数である（すなわち、図１の各ノード１２も、１／４被導波長である）。この分析に於いては、次の仮定を置いている。構造体は１波長分の長軸周長を有すること。及び給電と巻線は対応して製られていること。
アンテナの速度係数は、次の式で与えられる。
式（１）と（２）を、式（３）に代入して、整理すると次のようになる。
そして、螺旋形の導線の正規化された長さは、次に与えられる。
以上の式より、半波長で直線形のアンテナで、効率のよい送信特性を有するトロイドを製作することができる。この発明に従って製作された、多くの逆巻きのトロイド螺旋形のアンテナの実験から示されたことは、与えられた構造体の共振周波数は、式（２）、（６）、（７）より求められる値とは異なるということであり、とくに、実際の周波数が式（２）、（６）、（７）による計算結果に従うのは、２つの導線のうちのどちらかに関して、計算中で使われる巻き数Ｎが、実際の巻き数より２〜３倍になるようである。場合によっては、実際の周波数が、ワイヤの長さと最もよく関連しあっているようなこともある。ある長さのトロイダル螺旋形の導線Ｌw（ａ，ｂ，Ｎ）があるとき、その長さは、次のような周波数を持つ、自由空間での電磁波の波長に等しくなると思われる。
ａ＝6.955cm（2.738インチ）
ｂ＝1.430cm（0.563インチ）
Ｎ＝16回巻き ＃16 wire
ｍ＝４セグメント
このトロイド設計の実施例では、式（２）、（６）、（７）の計算ではＮ＝16のとき、共振周波数は311.5MHzで、Ｖｇ＝0.454となり、Ｎ＝32のとき、共振周波数は166.7MHzとなる。扱う周波数を測定したところ、Ｖｇ＝0..154であり、それで、式（４）を成り立たせるためには、有効なＮの値は51回巻きでなくてはならないことになるが、これは各導線の実際の値の3.2倍である。この場合、ｆw（ａ，ｂ，２Ｎ）＝103.2MHzである。
図５に示すような、この発明の応用例では、２つのポートａとｃで、入力信号に対する接続が遮断され、また、対応するノードのところで、導線も遮断される。残っている４つの開ポート、ａ１１−ａ２１、ａ１２−ａ２２、ｃ１１−ｃ２１、ｃ１２−ｃ２２は、逆巻きのトロイド螺旋形の導線の組でつくる、送信線のセグメントの固有インピーダンスにマッチングされたリアクタンスＺで終わる。それらのターミナルのリアクタンスで信号は反射されて（図１３参照）、入射波との位相差が90度の反射波となり、トロイド螺旋形の導線の電流分布は図１の実施例のものと似るので、同様な放射指向を生じるが、信号のターミナルと信号のポートとの間の給電点の数は少ないので、アンテナの構造体における調節や同調がより簡単になる。
トロイドの逆巻き導線は、螺旋形以外の形でも応用することができ、それでも尚、この発明の概念を満たす。図１４は、そのような、この発明の他の応用例のひとつで（「ポロイド−周辺・巻線パターン」）、今度は、２本の絶縁された導線Ｗ１、Ｗ２が各々つくっていた螺旋形をばらにして、つなぎあわせ、ポロイドループ１４．１とした。つながりの部分は、長軸に関して円弧を形成する。この応用例では、トロイドの電流成分をより確実に相殺し、また、ポロイドループによって磁流成分をより正確な方向に生じさせるようにするため、２つの別々の導線はどの場所でも平行になるようにする。この実施例の特徴は導線間キャパシタンスであり、それがこの構造体の共振周波数が低くなるように働くことが実験的に確かめられている。平行な導線Ｗ１、Ｗ２の間隔を調節すること、すなわち、２つの逆巻き導線が、互いに、あるいは、トーラスの長軸か短軸のいずれかに関してなす相対角を調節することで、この実施例の共振周波数は調節できるのである。
この発明を最もよい状況で実行するためには、信号ポートＳ１、Ｓ２にそれぞれにおける信号は、互いに振幅も位相も平衡状態に（すなわち、振幅が同じで位相は常に180度違う）なければならない。信号の給電の送信線セグメントも、両端点、すなわち、逆巻きのトロイド螺旋形の構造体の上の個々の信号ポートのところと、信号の共通ターミナルのところとで、マッチングされなくてはならない。逆巻きの巻線、その巻線の形状などの諸要因の持つ不完全な点が原因で、信号ポートでのインピーダンスに変分が生じる可能性がある。そのような変分は、図１５に示されるような形で補正して、後述するように、アンテナ構造体に入る電流の振幅と位相が平衡状態を保ち、トロイド電流成分が最も確実に相殺されるようにする必要がある。最も簡単な形では、信号ターミナルでのインピーダンスがＺ0、典型的なもので50オームであり、また、信号ポートでの信号のインピーダンスが、Ｚ1-m×Ｚ0の値だとすると、インピーダンスＺ1で全て同じ長さのｍ本の給電線を用い、信号ターミナルでそれを並列につないで合計値がＺ0になるようにすれば、この発明は実行できる。もし、信号ターミナルでのインピーダンスが上記とは違う抵抗値Ｚ1であるとすると、それぞれ１本の長さが１／４波長で、しかも、固有インピーダンスＺf＝Ｚ0Ｚ1を持つような、変圧器給電線を用いれば、この発明は実行できる。一般に、送信線素子から構成されたダブル・スタブの同調器を用いれば、どんなインピーダンスもマッチングすることができる。信号ターミナルの給電線は、図１６に示すように、信号ポートに電気誘導的に連結することができる。この技術は、信号ポートのインピーダンスを給電線にマッチングできるだけでなく、給電点で不平衡だった信号を、逆巻きのトロイド螺旋形の構造体の信号ポートの点で平衡な信号に変成して送るバラン（balun）の役も果たす。この誘導連結法によって、アンテナ構造体が自由に共振できるように、信号給電とアンテナ構造体の間の連結係数を調節することができる。当熟練者には馴染みのある、インピーダンスや位相や振幅をマッチングしたり平衡状態にしたりする他の手段もまた、この技術の概念の範囲で行うことができる。
このアンテナ構造物は、様々な方法で同調させることができる。一定方向の円磁流を保つよう、同調のための装置はこの構造体の周囲に一様に分布するのが、最ものぞましい在り方である。図１７は、２本の絶縁された導線を覆い、これらの間の容量性の連結を修正する、ポロイド箔構造（１８．１）、（１９．１）（図１８、１９参照）を示したものである。ポロイド同調素子は開回路でも閉回路でもよいが、ただし、後者は新たに誘導成分を生じる、図２０は、異なるノード、とくに、同一導線上の真反対側に対面するノードを、容量的に連結することで、アンテナ構造物上の信号を平衡状態にするための装置を示したものである。可変なキャパシターC1を用いれば、一続きになっているか区切られている円形の導電箔あるいはメッシュを、トロイドの形とトロイド外延の表面に平行となるように着けることで、容量結合は、一定方向に連続的となる。図２３と２５の実施例は、図１７〜２１の実施例の延長で、ここでは、トロイド螺旋構造体ＨＳは、どの部分も同軸なシールド（２２．１）に、完全に覆われている。そのようなシールドと平行するよう、正確なトロイド形をした磁場が、螺旋構造体ＨＳから生じて、十分に薄い箔と、ある導電率や扱う周波数が与えられているときに、電磁気的な束縛条件が満たされて、構造物外部の磁場の伝搬が可能になるのが理想的である。ここに説明されるように、同調のために、（ポロイド）溝（２５．１）を加えることもできる。
逆巻きのトロイド螺旋形のアンテナ構造物は、比較的高Ｑ値の共振器であって、これは同調要素と、図２６に示すようにアンテナ（１０）から電圧を受信する発振増幅器（２６．２）を有するＦＭ波送信器のための送信アンテナとを合成したものとして機能することが出来る。変調器（２６．４）に制御されるパラメトリックな同調素子（２６．３）によって、変調が行われる。送信器の周波数Ｆ１を制御しているのは、リアクタンスの直接的な修正か、無効になるよう設定された素子（既述）の切り替えかによって、アンテナ構造体に取り付けられる容量的あるいは電気伝導的な同調素子の電気的な調整であり、このことによって、構造体に連結されたリアクタンスを制御して、逆巻きのトロイド螺旋構造体の固有周波数を調節する。
図２７に示すように、この発明の他の応用例では、前述の実施例のトロイド螺旋形の導線を、方向一定で、トロイドの形の周りに配列された、一続きのＮ個の、ポロイドループ（２７．１）に置き換えることができる。トーラスの長軸半径に関して、それぞれのループの最も内側で信号ターミナルＳ１につながり、他方、それぞれのループの最も外側で信号ターミナルＳ２につながっている。個々のループは、互いに独立に任意の形になることができ、図２８は円形、図３０は長方形の場合を示している。この配置のための、電気的な等価回路は、図２９に示される。個々のループセグメントは、従来のループアンテナと同様のはたらきをする。この合成構造では、個々のループは平行に配列され、各ループで生じた磁場成分が同位相で、トロイド形に対して決まった方向を向き、その結果、方向一定の一様な磁流が生じるようにする。これに対して、逆巻きのトロイド螺旋形のアンテナでは、その逆巻きの螺旋形の導線のトロイド形の成分から生じた場は、あたかもそのような成分が存在していないかのように相殺し、導線のポロイド成分から生じたものだけが残る。図２７の実施例は、形成された電磁場の相殺効果に頼るというよりも、物理的な構造からトロイド成分を打ち消すものである。図２７の実施例で、ポロイダルループ（poloidal loop）の数が多くなると、図３１及び３３の実施例は、それぞれ長方形のループ、円形輪郭のループになる。ばらばらだったループが、連続した電気伝導的な表面になっていき、放射状に溝をつけたり、または、つけなかったりしながら、多ループの実施例をエミュレートするものである。こうした構造体は、どこをとってもトロイド面に平行であるような一定方向の円磁流（magnetic ring current）と、それに対応して、どこをとっても、導電性のトロイド面に垂直であるような電場を生じる。そして、この構造体によって生じる電磁波は、連続した導線の場合、表面は十分に薄いものと仮定すると、導電性の表面を伝搬していく。この装置は、構造体の上面と底面の間、すなわち、トロイドの主軸と平行に、電荷を移動させる、双極な電気の環の効果を持つと考えられる。
ループの周は、共振波長の１／２の桁である必要があることから、図２７と３１の実施例は、比較的サイズが大きくなるという欠点も持っている。しかし、ループの大きさは、直列のインダクタンスか並列のリアクタンスを、構造体に加えることによって、小さくすることができる。図３４は、図３１の実施例をソレノイドの導線（３５．１）の中に入れた形の配線をつくることによって、直列インダクタンスを加えた場合を示したものである。図３６は、並列にキャパシタンス（３６．１）を図３１の実施例に加えた場合を示したものである。並列なキャパシターは、トロイド構造体ＴＳの中心にハブ（３６．２）を設ける形をしていて、ＴＳもまた、ターミナルＳ１とＳ２の信号をアンテナ構造体に給電する働きをしている、中心の電気的な接続素子（３６．３）と、トロイドの両方を、機械的に支える働きをしている。並列なキャパシターと構造ハブは、２枚の誘導板Ｐ１とＰ２でつくられ、銅やアルミニウムなど無磁性の導体の材質から成り、空気、テフロン、ポリエチレンなどの無極性あるいは低極性の媒体（３６．４）によって、その間を仕切られる。ターミナルＳ１とＳ２との接続素子（３６．３）は、平行平板Ｐ１とＰ２の中央部に、電気伝導的に、それぞれ取り付けられ、また、電気伝導性のあるトロイド表面ＴＳの内側の溝のそれぞれの側部に、各々取り付けられる。電流信号は、接続素子（３６．３）から、平板Ｐ１とＰ２を経て、電気伝導性のあるトロイド表面ＴＳ上を、外側に向かって放射状に流れる。電気伝導板Ｐ１とＰ２によってキャパシタンスが与えられることによって、トロイド表面ＴＳのポロイダルの周サイズは、そうせずに、同じ周波数でループのアンテナを扱って、似たような共振をおこしたときに比べて、著しく小さくなる。
図３６の容量的な同調素子を、図２７の電気伝導的なループと組み合わせて、図３７のような実施例を形成することができ、図３７の実施例の設計は、全てのキャパシタンスが平行平板キャパシターによって与えられ、全てのインダクタンスがワイヤループによって与えられるような、図３８の等価回路を想定して、描かれたものである。平行平板キャパシターと導線ワイヤに関する公式は、１９８６年、Howard W. Sams発行、E. C. Jordan編、の文献、Reference Data for Radio Engineers,第２版.の第6〜13頁に次のように与えられている。
Ｃ＝キャパシタンス（pfd）
Ｌwire＝インダクタンス（μH）
A=板面積（インチ×インチ）
t=板間隔（インチ）
N=板数
ａ＝ループワイヤの平均半径（インチ）
d＝ワイヤの直径（インチ）
εr＝比誘電率
等価な並列回路の共振振動数は、Ｎ個のワイヤ全てについて考えると、次のように与えられる。
図３８の実施例で、一巻きのトロイドのループのインダクタンスは、およそ、次のようになる。
式（２７）と（２８）を、式（２５）と（２６）に代入すると、次が得られる。
均等な間隔を板間に設けるか、図３８に示したような板から、比較的狭い輪状の溝をつくることで、間隔をあけるかしたものを調節することで、図３６、３７、３８の実施例は、同調させることができ、その場合、のぞましい同調とは、方向が一定で対称であり、構造物の中心から外側に向かって放射状に伝搬される信号が対称性を保っていられるような状態のことである。
図３９と４１は、このアンテナ構造物の周波数帯域を増やすための装置である。半径の方向へ外側に信号が伝搬するので、それぞれの半径方向に対して別々の共振回路を与えると、周波数帯域は増える。磁場がある方向で乱れることを最小にするため、方向による変化は方向について対称的である。図３９と４１は、市販のチューブ金具から形成した形状を示したものであり、それに対して、図２５（図２４）は、磁場に対する方向的な障害が少なくなるように周期的に半径が変化するような形状を示したものである。
螺旋形のアンテナの従来の技術は、地理技術的にその位置から遠距離に届くということに関して、応用が図られている。その応用は、比較的低周波数においては使用可能であるが、よい成果を得るためには大きな構造物が必要になる。直線螺旋形アンテナが図４３に描かれている。これは、図４４で近似できる。図４４のものは、本当は螺旋ではなく、１巻きのループを直線でつないで、１列にしたものである。もし、一様またはほぼ一様な磁場がこの構造の上に生じたら、ループ素子は合成直線素子から離れて、図４５のようになりうる。直線素子でなく、図４６に描かれているような、トロイド螺旋形か、トロイド形でポロイドアンテナ構造を用いれば、この構造物はサイズはかなり圧縮されうる。この配線の主な利点は、構造全体が、同規模相当の直線螺旋形のものよりも小型化でき、飛行機にも、陸上乗り物にも、船舶にも持ち込みの用途に使えるし、目立たないということである。この配線のもうひとつの利点は、図４５の利点でもあるが、磁場と電場の成分が分解され、続いて、直線螺旋固有の電磁場とは異なり、別の情報を供しうるものに、再合成されることである。
図４８について述べると、電磁気学的なアンテナ（４）の略図が描かれている。アンテナ（４８）は、図１のトロイド形ＴＦのような多重連結面（４９）、絶縁された導線回路（５０）、２つの信号ターミナル（５２）、（５４）を有している。
ここで、“多重連結面（multiply connected surface）”という表現を使ったが、以下の面を積極的に含むけれども、これらに記載したものに限定されるものではない。（ａ）望ましい実施例のトロイド形ＴＦのように、短軸より長いか等しい長さの長軸を持つトロイド表面なら何でもよい。（ｂ）平面状の閉曲線、複数の異なった半径を持つ多角形を、その面内にある軸の周りで回転させて得られる、その他の面であって、該面の長半径は最小半径の中の最大のものよりも大きいか、同等であるもの（Ｃ）六角形タイプのようなナットや、座金（ウォッシャー）のような、形状が一般的に平面から定義されるような立体で、内径がゼロより大きく、外径が内径より大きいもので、内周も外周も、平面閉曲線か正多角形から作られたような立体。
例示されている、絶縁された導線回路（５０）は、導電経路（５６）をなして、図１のトロイド形ＴＦに亘ってその周りに巻かれて、ノード（６０）（＋）から別のノード（６２）（−）にまで延びている。絶縁された導線回路（５０）は、また、別の導電経路（５８）によって、ノード（６２）（−）からノード（６０）（＋）にまで、延びているので、こうして、単一の無端状の導電経路をトロイド形ＴＦに亘ってその周りに形成している。
図１に関連して述べたとおり、導電経路（５６）と（５８）は、巻き数は同じで、向きが逆巻きの螺旋形の導線で、導電経路（５６）の螺旋のピッチの向きは、実線で示してあるように右巻きで、導電経路（５８）の螺旋ピッチの向きは破線で示してあるように左巻きである。
導電経路（５６）と（５８）は、一般的な螺旋形あるいは、渦巻き形などのように、螺旋形以外の形で配線することができ、また、それでも尚、この発明の概念を満たしている。導電経路（５６）と（５８）は、図１４に関連して述べたように、逆向きの巻き方向の螺旋を持つ、逆巻きの“ポロイド−周辺・巻線パターン”にすることができ、ここでは、２つの絶縁された導線Ｗ１とＷ２の各々がつくる螺旋は、解体されて、１つにつながっているポロイドループ（１４．１）となる。
図４８の言及の続きになるが、導電経路（５６）と（５８）は、ノード（６０）と（６２）において、逆向きになる。信号ターミナル（５２）と（５４）は、それぞれ電気的にノード（６０）と（６２）に接続されている。信号ターミナル（５２）と（５４）は、絶縁された導線回路（５０）と、出された（送信された）り、入ってきた（受信した）りする高周波（ＲＦ）の電気的な信号（６４）の、受け渡しを行う。例えば、送信された信号の場合、絶縁された導線回路（５０）の単一の無端状経路は、信号ターミナル（５２）と（５４）から一連に給電される。
当業者なら判ることであるが、導電経路（５６）（５８）が、単一の絶縁された導体例えば、ワイヤ又は印刷回路導線で形成されること、そして、１本のワイヤで、ノード（６０）からノード（６２）への導電経路（５６）と、ノード（６２）からノード（６０）へ帰る導電経路（５８）を含む単一の無端状導電経路を形成する。また、さらに、当業者なら判ることであるが、導電経路（５６）（５８）が、複数本の絶縁された導線でも形成されること、例えば、１本の絶縁された導線が、ノード（６０）からノード（６２）への導電経路（５６）をなし、もう１本の絶縁された導線が、ノード（６２）からノード（６０）へ帰る導電経路（５８）をなすというようなものでも、形成されることである。
また、図４９、図５１に関して、電流の分布が、ノード６０、６２につながる曲線に示されている。図７〜１２に関連して、上述したのと同様に、図４８の導電経路５６、５８の電流は、位相が180度ずれている。ここで、電流をＪ、磁流をＭ、時計回りをＣＷ、反時計回りをＣＣＷとして、電流の分布を曲線と表わす。この分析は、次の点を仮定している。それは、信号（６４）の公称有効周波数は、アンテナ（４８）の構造に同調する様に、アンテナの電気的外形は、長さが波長の半分であること。及び構造上で電流分布は、該略で振幅が正弦波であることである。それぞれが公称有効周波数の導出された波長の約半波長の長さである逆向きに巻かれた導電経路（５６）（５８）は、平衡な給電をする、不均一な送信線要素の如く見えるだろう。経路（５６）（５８）は、閉ループを構成し、「８の字」となる様に捻られ、折り返して、２つの同心巻線を形成する。
図４８〜５１の実施例の理解を高めるために、１つの具体例を提示する。
実施例
例えば、30.75MHzの公称有効周波数の場合、速度係数を1.0とすると、直線形の1/2波長のアンテナ（図なし）は、約4.877m（192.0インチ）の長さになる。それに対して、同じく30.75MHzの公称有効周波数で、図１のトロイド形ＴＦを用いた電磁アンテナ４８は、次のような値を持つ。
ａ＝長半径28.50cm（ll.22インチ）
ｂ＝短半径1.32cm（0.52インチ）
Ｎ＝巻き数36回、＃16ワイヤ。導電経路（５６）と（５８）各々で。
ｍ＝2本の導電経路５６と５８。
図４９の曲線は、信号が出るノード６０、６２からの伝搬方向に関する偏波の、電流の分布を示したものである。図５０は、電流分布は、その向けられた方向に応じて変化するとみなし、反時計回り方向に関する電流の分布を示したものである。図５１は、図１に関連して既に示した原則を用いて、上記に対応する磁流の分布を描いたものである。図５０は、図１のトロイド形ＴＦの電流の分布は、実質的に相殺されることを示し、図５１は、磁流が実質的に強められることを示している。
このように、導電経路５６が電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＷ１Ｊを伝え、導電経路５８が電流ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊを伝えるのである。これら導電経路（５６）、（５８）と、対応する電流が、それぞれ磁流ＣＣＷ１Ｍ、ＣＣＷ２Ｍを生じるように、これらの導電経路５６、５８と、そこに関わる電流ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊは、対応する時計回りおよび反時計回りの磁流を生じる。図５０は、ＣＣＷの方向の電流分布について、電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＣＷ２Ｊの弱めあう干渉を、図示したものである。同様に、図５１は、ＣＣＷの方向の磁流分布について、磁流ＣＣＷ１Ｍ、ＣＣＷ２Ｍの強めあう干渉を、図示したものである。
図４８の例示のアンテナ（４８）によって、信号（６４）のような、高周波（RF）信号を送信する方法には、信号ターミナル（５２）（５４）にＲＦ信号（６４）を送り、これによってターミナル間へＲＦ信号（６４）の電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＷ１Ｊ、ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊを生じさせること；電流ＣＣＷ１Ｊ、ＣＷ１Ｊを、導電経路（５６）で伝えること；電流ＣＣＷ２Ｊ、ＣＷ２Ｊを、導電経路（５８）で伝えること；導電経路（５６）と（５８）は、互いに逆向きの関係とすることを含む。
図５２には、別のアンテナ（４８′）の略図が描かれている。アンテナ（４８′）は、図１のトロイド形ＴＦのような多重連結面と、絶縁された導線回路（５０′）と、２つの信号ターミナル（５２′）、（５４′）を含む。ここで述べたこと以外で、電磁アンテナ（４８′）と、絶縁された導線回路（５０′）と、信号ターミナル（５２′）（５４′）は、それぞれ、図４８の電磁アンテナ（４８）と、絶縁された導線回路（５０）と、信号ターミナル（５２）（５４）と略同じである。
例示の絶縁された導線回路５０′は、導電経路５６′によって、図１のトロイド形ＴＦに亘ってその周りに巻かれて、ノード６０′（＋）から中継ノードＡまで、さらに、中継ノードＡから別のノード６２′（−）まで延びる。絶縁された導線回路５２′もまた、別の導電経路５８′によって、トロイド形ＴＦに亘ってその周りに巻かれて、ノード６２′（−）から別の中継ノードＢへ、そして中継ノードＢから別のノード６０′（＋）まで延び、こうして、１本の無端状導電経路をトロイド形ＴＦに亘ってその周りになすのである。
図１４と４８に関連して上述したように、導電経路５６′、５８′は、巻き数の同じ逆巻き螺旋形の導電経路でもよいし、反対方向に巻いている“ポロイダルな輪郭の・巻線パターン”のような、純粋な螺旋形とは違うものとして設計されてもよい。
信号ターミナル５２′、５４′は、絶縁された導線回路５０′に対して、入ってくる（受信された）、あるいは出ていく（送信された）高周波（RF）信号６４を、供給あるいは受信する。導電経路５６′、５８′は、導出された信号６４の、公称有効周波数の波長の約1/2の長さであり、ノード６０′、６２′のところで、向きが逆になる。信号ターミナル５２′、５４′は、各々、中継ノードＡ、Ｂに、電気的に接続される。各ノード６０′、６２′から各中継ノードＡ、Ｂまでの、導電経路５６′、５８′の長さが、各中継経路ノードＡ、Ｂから各ノード６２′、６０′までの導電経路５６′、５８′の長さと同じになるように、ノード６０′、６２′は、中継ノードＡ、Ｂの真反対側に配置されるのが、望ましい。
当業者なら判るであろうことは、導電経路５６′、５８′は、ノード（６０′）から中継ノードＡを経て、ノード（６２′）に到る導電経路（５６′）と、ノード（６２′）から中継ノードＢを経て、ノード（６０′）に到る導電経路（５８′）とを含む、単一の無端状導電経路を形成する単一の絶縁された導線によって形成できることである。さらに、当業者なら判るであろうことは、各導電経路５６′、５８′は、１本かそれ以上の本数の絶縁された導線でなすことができることであり、たとえば、ノード６０′から中継ノードＡ、中継ノードＡからノード６２′まで１本の絶縁された導線でつないだり、あるいは、ノード６０′から中継ノードＡまで１本の絶縁された導線でつなぎ、中継ノードＡからノード６２′は別の絶縁された導線でつなぐことなどである。
図５３〜５５は、アンテナ４８′のノード６０′、Ａ、Ｂ、６２′に関して、図４９〜５１の各線と同様に、電流と磁場の曲線が描かれたものである。
図５６は、別の電磁アンテナ６６の略図が描かれている。アンテナ６６は、図１のトロイド形ＴＦのような、多重連結面と、１番目の絶縁された導線回路６８と、２番目の絶縁された導線回路７０と、２つの信号ターミナル７２、７４を含む。
絶縁された導線回路６８は、２つの概ね螺旋形の導電経路７６、７８を含み、絶縁された導線回路７０も、同様に、２つの概ね螺旋形の導電経路８０、８２を含む。絶縁された導線回路６８は、図１のトロイド形ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路７６として、ノード８４から８６まで延び、また、図１のトロイド形ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路７８として、ノード８６から８４まで延び、すなわち、導電経路７６と７８が、トロィド形の大半に亘ってその周りに巻かれた閉じた導電経路をなすようにする。絶縁された導線回路７０は、トロイド形ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路８０として、ノード８８から９０まで延び、また、ＴＦの一部に亘ってその周りに巻かれて、導電経路８２として、ノード９０から８８まで延び、すなわち、導電経路８０と８２が、トロイド形の大半に亘ってその周りに巻かれたもう一つの閉じた導電経路をなすようにする。
図１４と４８に関連して上述した通り、経路７６と７８、８０と８２は奇数の同じ逆巻き螺旋形の導電経路でもよいし、反対方向に巻いている“ポロイダルな輪郭の・巻線パターン”のような、純粋な螺旋形とは違うものとして設計されてもよい。たとえば、導電経路７６のピッチ方向が、実線で示したように、右回り（ＲＨ）であれば、導電経路７８のピッチ方向は、破線で示したように、ＲＨとは逆の左回り（ＬＨ）となる。導電経路８０と８２のピッチ方向も、それぞれ、ＬＨ、ＲＨとなる。導電経路７６と７８は、ノード８４、８６のところで、逆向きに変わり、導電経路８０と８２は、ノード８８、９０のところで、逆向きに変わる。
信号ターミナル７２、７２は、絶縁された導線回路６８、７０に対して、入ってくる（受信された）、あるいは出ていく（送信された）RF電気信号９２を、供給あるいは受信する。例えば、送信された信号の場合、絶縁された導線回路６８、７０による２つの閉じた導電経路は、信号ターミナル７２、７４から、並列に給電される。それぞれの導電経路７６、７７、８０、８２は、導出され叶た信号９２の、公称有効周波数の波長の約1/4の長さである。図５６に示した通り、信号ターミナル７２は、ノード８４と電気的に接続されていて、信号ターミナル７２は、ノード８８と電気的に接続されている。
当業者なら判るであろうことは、絶縁された導電経路６８、７０は、１本かそれ以上の本数の絶縁された導線でなすことができることである。たとえば、絶縁された導電経路６８は、導電経路７６、７８の両方を１本の導線でつなぐものであってもよいし、導電経路７６、７８のそれぞれを別の導線でつなぐものであってもよい。
図５７〜５９は、図４９〜５１の概略的な線図と同様に、図５６のアンテナ６６のノード８４、８６、８８、９０に関する電流と磁場の曲線を、概略的に表わしたものである。図５８の曲線は、普通の反時計回りの方向の同じ電流分布を示し、図５９の曲線は、それに対応する磁流の分布を示したものである。
図６０には、他の電磁アンテナ６６′の略図が示されている。ここに述べることを除いては、電磁アンテナ６６′は、図５６の電磁アンテナ６６とほぼ同じである。電磁アンテナ６６′は、図５６の７２、７４にあたる信号ターミナル９４、９６と、信号ターミナル９８、１００を含む。信号ターミナル９８は、ノード９０に電気的に接続され、信号ターミナル１００は、ノード８６に電気的に接続される。
図６０に示されるように、信号ターミナル９４、９６、９８、１００の組、９４と９６、９８と１００は、絶縁された導線回路６８、７０に対して、信号ターミナル９４と９６、９８と１００に、電気的に並列に入ってくる（受信された）、あるいは出ていく（送信された）RF電気信号９４を、供給あるいは受信する。
もしくは、図６１に示されるように、インピーダンスと位相をずらした回路１０２を、図６０の９４と９６、９８と１００の組のうち少なくとも１つと、信号９４との間に用いてもよい。この発明の概念から逸脱することなく、当業者によく知られている、インピーダンス、位相、振幅をマッチングしたり平衡状態にしたりするための他の方法を、とることも可能である。
図６２には、図４８、５２、５６の、電磁アンテナ、４８、４８′、６６における、放射指向をそれぞれ概略的に描いた立面図が、示されている。これらのアンテナは、偏向が直線（垂直方向など）であり、図１のトロイド形ＴＦの短軸直径と連関して、偏波方向の物理的サイズが小さい。さらに、このようなアンテナは、偏波方向と垂直なほぼ全方向に対応し、偏向方向に垂直な方向で、最大の指向の利得があり、偏向の方向で最小の利得がある。
図４８、５２、５６の電磁アンテナ４８、４８′、６６は、従来の技術で知られたアンテナと比較すると、トロイド表面の長軸直径が短くなる。トロイドの短軸の電気的な周の長さは、1/2λで、これは、電気的な周の長さがλであった従来の技術のアンテナの、２分の１になる。逆巻き導線回路、５０、５０′６８、７０の向きの波の伝搬する速さは、andoianとSichakの設計式による値より２〜３倍、遅いものとなる。したがって、トロイド表面の長軸直径は、４〜６分の１に小さくなる。さらに、各電磁アンテナ４８、４８′、６６に関して、信号ターミナル５２と５４、５２′と５４′、７２と７４′に用いる給電ポートは一つだけであり、そのようなアンテナの入力のインピーダンスを、各信号６４、６４、９２の送信線に、マッチングさせることは、従来技術によって容易である。さらに、得ようとする公称有効周波数で最も広い帯域が提供されるために、各電磁アンテナ４８、４８′の共振の基本振動は、最初におこる共振に比べて、比較的広い周波数帯域を提供する（基本振動の約10〜20パーセントなど）。また、例示の電磁アンテナ４８の性能は、垂直の２分の１波長の双極のアンテナに匹敵し、接地された４分の１波長で単極アンテナやむち型アンテナ（ホイップ・アンテナ）の通信距離（約12法定マイルなど）よりも、長い固有通信距離（38法定マイル以上など）を提供する。
以上に論じられるか示唆された具体例や変形例以外にも、当業者は、この発明の概念の真の立場から逸脱することなく、その他の具体例や変形例をつくり出すことが可能である。
Claims (20)
- 長半径の長さが、最低でも短半径と同じ長さであるような、長半径と短半径を有する多重連結面（ＴＦ）と、概ね螺旋形である第１導電経路として、多重連結面（ＴＦ）の少なくとも一部に亘ってその周りに巻かれて、少なくとも１つの螺旋ピッチ方向で第１ノード（60;60′;84）から第２ノード（62;62;86）へと延びる絶縁された導体手段（50;50′;68,70）を具えており、
絶縁された導体手段（50;50′;68,70）は、概ね螺旋形である第２導電経路としても延びており、第２導電経路は、多重連結面（ＴＦ）の少なくとも一部に亘ってその周りに巻かれて、第１ノード（60;60′;84）から第２ノード（62;62′;86）へと至る少なくとも１つの螺旋ピッチ方向と反対向きに、第２ノード（62;62′;86）から第１ノード（60;60′;84）へと少なくとも１つの螺旋ピッチ方向で延びており、
概ね螺旋形である第１及び第２導電経路は、互いに逆巻きにされており、第１及び第２導電経路によって、多重連結面（ＴＦ）に亘ってその周りに巻かれた１つの無端状導電経路が形成されており、
（ａ）第１ノード（60;84）に、又は、（ｂ）第１ノードと第２ノード（60′,62′）の間にあって、第１導電経路上のノード（Ａ）に電気的に接続される第１信号ターミナル（52;52′;72）と、
（ａ）第１ノード（60;84）に第１信号ターミナル（52;72）が電気的に接続された状態で、第２ノード（62;86）に電気的に接続され、又は、（ｂ）第１ノードと第２ノード（60′,62′）との間にあるノード（Ａ）に第１信号ターミナル（52′）が電気的に接続された状態で、第２ノードと第１ノード（62′,60′）の間にあって、第２導電経路上のノード（Ｂ）に電気的に接続される第２信号ターミナル（54;54′;74）とを更に具えている電磁アンテナ（48;48′;66;66′）。 - 絶縁された導体手段（50）は、第１ノード（60）から第２ノード（62）まで延びる絶縁された第１導体（56）と、第２ノード（62）から第１ノード（60）まで延びる絶縁された第２導体（58）とを含んでおり、
第１及び第２信号ターミナル（52;54）は、夫々、第１及び第２ノード（60;62）に電気的に接続されている、請求項１の電磁アンテナ（48）。 - 概ね螺旋形の第１導電経路は、第１ポロイド−周辺巻線パターン（W1）を使用し、概ね螺旋形の第２導電経路は、第２ポロイド−周辺巻線パターン（W2）を使用し、
概ね螺旋形の第１及び第２導電経路の各々は、繋がれた一連のポロイドループ（14.1）とそれらループを繋ぐ接続部分とを含んでおり、
それら接続部分は、多重連結面（ＴＦ）の長軸に関して円弧を形成している、請求項１の電磁アンテナ（48）。 - 第１及び第２信号ターミナル（52,54）は、ある公称有効周波数を持つアンテナ信号（64）を伝え、各ポロイド−周辺巻線パターン（Wl,W2）における絶縁された導体手段（50）の長さは、公称有効周波数で導出された波長の約２分の１である、請求項３の電磁アンテナ（48）。
- 概ね螺施形の第１及び第２導電経路の各々は、螺旋形の導電経路であり、
絶縁された導体手段（50′）は、螺旋形の第１導電経路として、多重連結面（ＴＦ）に亘ってその周りに巻かれて、第１螺旋ピッチ方向で、第１ノード（60′）から第３ノード（A）へ、さらに第３ノード（A）から第２ノード（62′）へと延びており、
絶縁された導体手段（50′）は、螺旋形の第２導電経路として、多重連結面（ＴＦ）に亘ってその周りに巻かれて、第２螺旋ピッチ方向で、第２ノード（62′）から第４ノード（B）へ、さらに第４ノード（B）から第１ノード（60′）へと延びており、
第１及び第２信号ターミナル（52′,54′）は、夫々、第３及び第４ノード（A,B）に電気的に接続される、請求項１の電磁アンテナ（48′）。 - 絶縁された導体手段（50,50′）は、１つの無端状導電経路を形成する絶縁された１つの導体を含む、請求項１、３又５の何れかに記載の電磁アンテナ（48,48′）。
- 絶縁された導体手段（50′）は、第１ノード（60′）から第３ノード（A）へ、さらに第３ノード（A）から第２ノード（62′）へと延びる絶縁された第１導体（56′）と、第２ノード（62′）から第４ノード（B）へ、さらに第４ノード（B）から第１ノード（60′）へと延びる絶縁された第２導体（58′）とを含んでいる、請求項５の電磁アンテナ（48,48′）。
- 第１及び第２ノード（60′,62′）は、夫々、第３及び第４ノード（A,B）に概ね対面している、請求項５の電磁アンテナ（48′）。
- 第１及び第２信号ターミナル（52′,54′）は、ある公称有効周波数を持つアンテナ信号（64）を伝え、螺旋形の各導電経路における絶縁された導体手段（50′）の長さは、公称有効周波数で導出された波長の約２分の１である、請求項５の電磁アンテナ（48′）。
- 概ね螺旋形の第１及び第２導電経路の各々は、螺旋形の導電経路であり、
絶縁された導体手段（68,70）は、絶縁された第１導体手段（68）と絶縁された第２導体手段（70）を含んでおり、
絶縁された第１導体手段（68）は、螺旋形の第１導電経路（76）として、多重連結面（ＴＦ）の少なくとも一部に亘ってその周りに巻かれて、第１ノード（84）から第２ノード（86）へと第１螺旋ピッチ方向で延び、さらに、螺旋形の第２導電経路（78）として、多重連結面（ＴＦ）の少なくとも一部に亘ってその周りに巻かれて、第２ノード（86）から第１ノード（84）へと第２螺旋ピッチ方向で延びており、螺旋形の第１及び第２導電経路（76,78）は、多重連結面（ＴＦ）の大半に亘ってその周囲に巻かれた第１無端状導電経路を形成しており、
絶縁された第２導体手段（70）は、螺旋形の第３導電経路（80）として、多重連結面（ＴＦ）の少なくとも一部に亘ってその周りに巻かれて、第３ノード（88）から第４ノード（90）へと第２螺旋ピッチ方向で延び、さらに、螺旋形の第４導電経路（82）として、多重連結面（ＴＦ）の少なくとも一部に亘ってその周りに巻かれて、第４ノード（90）から第３ノード（88）へと第１螺旋ピッチ方向で延びており、螺旋形の第３及び第４導電経路（80,82）は、多重連結面（ＴＦ）の大半に亘ってその周りに巻かれた第２無端状導電経路を形成しており、
第１信号ターミナル（72,94）は、（ａ）第１ノード（84）に、又は（ｂ）第１及び第４ノード（84,90）に電気的に接続され、
第２信号ターミナル（74,96）は、（ａ）第１信号ターミナル（72）が第１ノード（84）に電気的に接続されている状態で、第３ノード（88）に、又は（ｂ）第１信号ターミナル（94）が第１及び第４ノード（84,90）に電気的に接続されている状態で、第２及び第３ノード（86,88）に電気的に接続されている、請求項１の電磁アンテナ（66,66′）。 - 多重連結面（TF）はトロイドの表面（TF）である、請求項１、３、５又は１０の何れかに記載の電磁アンテナ（48,48′,66,66′）。
- 絶縁された第１導体手段（68）は、第１無端状導電経路（76,78）を形成する絶縁された第１導体を含んでおり、絶縁された第２導体手段（70）は、第２無端状導電経路（80,82）を形成する絶縁された第２導体を含んでいる、請求項１０の電磁アンテナ（66,66′）。
- 絶縁された第１導体手段（68,70）は、第１ノード（84）から第２ノード（86）まで延びる絶縁された第１導体（76）と、第２ノード（86）から第１ノード（84）まで延びる絶縁された第２導体（78）とを含んでおり、
絶縁された第２導体手段（70）は、第３ノード（88）から第４ノード（90）まで延びる絶縁された第３導体（80）と、第４ノード（90）から第３ノード（88）まで延びる絶縁された第４導体（82）とを含んでいる、請求項１０の電磁アンテナ（66,66′）。 - 第１及び第２信号ターミナル（72,74）は、ある公称有効周波数を持つアンテナ信号（92）を伝え、各螺旋導電経路（76,78,80,82）における絶縁された第１及び第２導体手段（68,70）の各々の長さは、公称有効周波数で導出された波長の約４分の１である、請求項１０の電磁アンテナ（66,66′）。
- 第１信号ターミナル（72）は第１ノード（84）に電気的に接続され、第２信号ターミナル（74）は第３ノード（88）に電気的に接続されている、請求項１０の電磁アンテナ（66,66′）。
- 第１信号ターミナル（94）は第１ノード（84）及び第４ノード（90）に電気的に接続され、第２信号ターミナル（96）は第２ノード（86）及び第３ノード（88）に電気的に接続されている、請求項１０の電磁アンテナ（66′）。
- トロイドアンテナ（48,10）で、ＲＦ信号を送信する方法であって、
第１及び第２信号ターミナル（52,54）にＲＦ信号を加えて、それら信号ターミナル（52,54）の間にＲＦ信号の電流を生じさせる工程と、
長半径の長さが最低でも短半径と同じ長さであるような長半径及び短半径を有する多重連結面（TF）に亘ってその周囲に巻かれた第１導体（56）に、第１電流（ＣＣＷ 1 Ｊ，ＣＷ 1 Ｊ）を流す工程であって、第１導体（56）は、第１螺旋ピッチ方向で、第１信号ターミナル（52）から第２信号ターミナル（54）に延びている工程と、
多重連結面（TF）に亘ってその周囲に巻かれた第２導体（58）に、第２電流（ＣＣＷ 2 Ｊ，ＣＷ 2 Ｊ）を流す工程であって、第２導体（58）は、第１螺旋ピッチ方向と逆向きの第２螺旋ピッチ方向で、第２信号ターミナル（54）から第１信号ターミナル（52）に延びている工程とを含んでおり、
第１及び第２導体（56,58）は、互いに逆向きに巻かれている方法。 - 第１導体（56）の第１電流（ＣＣＷ 1 Ｊ，ＣＷ 1 Ｊ）から第１磁流（ＣＣＷ 1 Ｍ）を生じさせる工程と、
第２導体（58）の第２電流（ＣＣＷ 2 Ｊ，ＣＷ 2 Ｊ）から第２磁流（ＣＣＷ 2 Ｍ）を生じさせる工程と、
第１及び第２導体（56,58）を互いに逆巻きになるように構成することで、第１及び第２磁流（ＣＣＷ 1 Ｍ，ＣＣＷ 2 Ｍ）を強め合うように干渉させて、トロイドアンテナ（48,10）から送信信号を生じさせる工程とを含む、請求項１７の方法。 - 第１及び第２導体（56,58）を互いに逆巻きになるように構成することで、第１及び第２電流（ＣＣＷ1Ｊ，ＣＷ1Ｊ，ＣＣＷ2Ｊ，ＣＷ2Ｊ）を弱め合うように干渉させる工程を含む、請求項１８の方法。
- トロイドアンテナ（10）のポロイド方向及び周方向に巻かれた巻線（Wl,W2）にＲＦ信号を加える工程と、
発振器（26.1）を用いて巻線（W1,W2）に別の信号を加える工程と、
発振器の同調と増幅（26.2）のために、トロイドアンテナ（10）からのフィードバック（VOLTAGE FEEDBACK）を行う工程とを含んでおり、
それら巻線（W1,W2）の各々は、繋がれた一連のポロイドループ（14.1）とそれらループを繋ぐ接続部分とを含んでおり、それら接続部分は、多重連結面（ＴＦ）の長軸に関して円弧を形成している、請求項１７の方法。
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