JP4057494B2

JP4057494B2 - スパイラルアンテナ

Info

Publication number: JP4057494B2
Application number: JP2003306464A
Authority: JP
Inventors: 大輔中森; 久松中野; 公治今村; 潤治山内; 直樹龍澤
Original assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Current assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005079794A

Description

本発明は、広角ビームのスパイラルアンテナに関するものである。

現在位置を測位するシステムとしてＧＰＳ（Global Positioning System）が知られている。ＧＰＳとは、航空機・船舶等の航法支援用として開発されたシステムであり、上空約２万kmを周回する２４個のＧＰＳ衛星（６軌道面に４個ずつ配置）と、ＧＰＳ衛星の追跡と管制を行う管制局と、測位を行うための利用者の受信機とで構成されている。航空機・船舶等では、４個以上のＧＰＳ衛星からの距離を同時に知ることにより、自分の位置等を測位することができる。ＧＰＳ衛星からの距離は、ＧＰＳ衛星から発信された電波が受信機に到達するまでに要した時間から求めている。また、衛星を用いる通信システムの一つとしてインマルサットサービスが知られている。インマルサットサービスは、インマルサット静止衛星を通じて、インマルサット設備と電話、ファックス、データ端末を結ぶ通信サービスである。インマルサット設備には、船舶用の設備や陸上で移動可能な可搬型の設備が用意されている。さらに、衛星デジタルラジオサービス（ＳＤＡＲＳ：Satellite Digital Audio Radio Service）が開始されている。このＳＤＡＲＳでは、デジタル放送により高品質な音質を実現していると共に、衛星を使用することにより広範囲において受信可能な放送とされている。

このような衛星を利用する通信システムにおける端末装置には、衛星から送信された円偏波を受信するためのアンテナが必要とされている。円偏波を受信可能なアンテナの一つにスパイラルアンテナが知られている（特許文献１参照）。スパイラルアンテナは、指向性を広くすることが可能とされていると共に、構造が簡単な円偏波アンテナとされていることから、衛星を利用する通信システムには好適なアンテナとされている。

このようなスパイラルアンテナにおいて４本のスパイラル素子を備える４線スパイラルアンテナの一例の構成を図１０および図１１に示す。これらの図に示すスパイラルアンテナ１００は、矩形のスパイラル状に巻回されている４本のスパイラル素子（第１のスパイラル素子１１０ａ、第２のスパイラル素子１１０ｂ、第３のスパイラル素子１１０ｃ、第４のスパイラル素子１１０ｄ）を備え、第１のスパイラル素子１１０ａ〜第４のスパイラル素子１１０ｄは矩形状の基板１１１に対向して配置されている。基板１１１の裏面にはグランドプレーン１１６が形成されており、第１のスパイラル素子１１０ａ〜第４のスパイラル素子１１０ｄとグランドプレーン１１６との間隔はｈとされている。第１のスパイラル素子１１０ａ〜第４のスパイラル素子１１０ｄは、互いに９０°の位相差を持って給電部１１５から給電されて、スパイラルアンテナ１００は右旋円偏波を送信／受信することができるようになされている。なお、基板１１１の１辺の長さはｇとされている。

このような構成のスパイラルアンテナ１００の垂直面内の放射パターンを図１２および図１３に示す。ただし、長さｇは１．４ＧＨｚの波長をλ_1.4として表した際に約０．４５７８λ_1.4とされ、高さｈは約０．０８７２λ_1.4とされ、基板１１１の厚さｂは約０．０２１８λ_1.4とされている。
図１２は、周波数ｆ＝１．２２８ＧＨｚの時の垂直面内指向特性でありメインの右旋円偏波Ｅ_Rの半値角は約８４°となっている。この際の不要な後方放射である左旋円偏波Ｅ_Lは大きな後方放射となっていることが分かる。また、図１３は周波数ｆ＝１．５７５ＧＨｚの時の垂直面内指向特性でありメインの右旋円偏波Ｅ_Rの半値角は約８６°となっている。この際の後方放射である左旋円偏波Ｅ_Lは若干減少しているものの大きな後方放射となっていることが分かる。このように、従来のスパイラルアンテナは半値角として十分な角度範囲が得られないと共に、不要な後方放射が大きくなってしまうという問題点があった。
特開２００１−２５１１３２

そこで、本発明は、十分な角度範囲の半値角が得られると共に、不要な後方放射を小さくすることができるスパイラルアンテナを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のスパイラルアンテナは、スパイラル素子に対向して配置されている基板の周囲にのみパッチ導体を設けるようしたことを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、パッチ導体を設けたことにより半値角を十分な角度範囲に広げることができ、十分な角度範囲の半値角が得られるようになる。また、パッチ導体を設けたことにより後方放射を十分抑制することができるようになる。

十分な角度範囲の半値角を有すると共に、不要な後方放射が小さいスパイラルアンテナとするという目的を、スパイラル素子に対向して配置されている基板の周囲にのみパッチ導体を設けることで実現した。

本発明のスパイラルアンテナの実施例の構成を図１および図２に示す。ただし、図１は本発明にかかるスパイラルアンテナの構成を示す上面図であり、図２は本発明にかかるスパイラルアンテナの構成を示す側面図である。
これらの図に示すように、本発明の実施例にかかるスパイラルアンテナ１は、矩形のスパイラル状に巻回されているスパイラル素子１０と、スパイラル素子１０に対向して配置されている矩形状の誘電体基板１１から構成されている。平面状とされているスパイラル素子１０は、第１スパイラル素子１０ａ、第２スパイラル素子１０ｂ、第３スパイラル素子１０ｃ、第４スパイラル素子１０ｄの誘電体基板１１側から見て時計方向に巻回されている４本のスパイラル素子から構成されている。

誘電体基板１１は、１辺の長さｇ、厚さｂの比誘電率εｒの誘電体基板とされており、その裏面にはグランドプレーン１６が形成され、そのおもて面の周囲にのみ複数のパッチ導体１２が形成されている。図示する例では、誘電体基板１１の各辺に４つずつの合計１２個のパッチ導体１２が形成されており、パッチ導体１２は後述するように正方形の一部を構成する形状とされている。合計１２個のパッチ導体１２は、黒丸で図示する短絡導体１３によりグランドプレーン１６に電気的に接続されている。短絡導体１３は、誘電体基板１１の側面に設けられている。なお、誘電体基板１１の各辺に設ける正方形の数は４つに限るものではなく３つあるいは５つ以上とすることもできる。

スパイラル素子１０はグランドプレーン１６から高さｈの位置に配置されている。スパイラル素子１０を構成する４本の第１スパイラル素子１０ａ〜第４スパイラル素子１０ｄは、金属板をプレス成形したり、金属パイプや金属線を加工することにより形成されている。この第１スパイラル素子１０ａ〜第４スパイラル素子１０ｄの巻き始め端が給電点とされており、各給電部１５から給電線１４を介して給電されている。給電部１５の構成が図５に示されており、給電部１５は給電源２１と、給電源２１からの給電信号を４分配すると共に位相遅延する位相遅延回路２０から構成されている。位相遅延回路２０は、９０°ずつ位相遅延して０°、２７０°、１８０°、９０°位相遅延された給電信号を作成している。０°位相遅延信号は給電線１４ａを介して給電点１５ａから第１スパイラル素子１０ａに給電され、２７０°位相遅延信号は給電線１４ｂを介して給電点１５ｂから第２スパイラル素子１０ｂに給電され、１８０°位相遅延信号は給電線１４ｃを介して給電点１５ｃから第３スパイラル素子１０ｂに給電され、９０°位相遅延信号は給電線１４ｄを介して給電点１５ｄから第４スパイラル素子１０ｄに給電される。これにより、図１に示す巻回方向のスパイラル素子１０からｚ方向へ右旋円偏波が放射されるようになる。このような給電部１５を、誘電体基板１１の裏面に設けることができる。

誘電体基板１１の詳細構成を図３および図４に示し、これらの図を参照しながらパッチ導体１２の設け方を説明する。
誘電体基板１１は、高周波特性の良好なテフロン基板やガラス繊維基板等とされており、図３に示すように誘電体基板１１上に破線で示す正方形の単位枠１７をほぼ等間隔で縦方向および横方向に繰り返しパターンとなるように配置する。図示する例では、１２枚の単位枠１７を誘電体基板１１の周辺からはみ出すように繰り返しパターンで配置している。この際に、誘電体基板１１の４つの頂点に単位枠１７の中心を位置させると共に、頂点間に位置する単位枠１７の中心を誘電体基板１１の辺の上に位置させるように配置する。なお、単位枠１７同士は若干の間隙を持って繰り返しパターンとなるように配置されている。そして、誘電体基板１１の頂点と辺の上に中心が位置する単位枠１７と、誘電体基板１１とが重なる部分にのみパッチ導体１２を形成する。このようにして、図１に示す本発明にかかるスパイラルアンテナ１のパッチ導体１２が形成されている。なお、パッチ導体１２と誘電体基板１１の裏面に形成されているグランドプレーン１６とを電気的に接続する短絡導体１３は、単位枠１７の中心位置に設けられており、誘電体基板１１のおもて面と裏面とを接続する短絡ピンあるいはスルーホールとして実現されている。

以上説明した本発明にかかるスパイラルアンテナ１の具体例について説明する。この場合、スパイラルアンテナ１の設計周波数を１．４ＧＨｚとし、その波長をλ_1.4として表すものとする。
誘電体基板１１をテフロン基板とした場合のグランドプレーン１６からのスパイラル素子１０の高さｈはλ_1.4／１２ないしλ_1.4／１１とされ、例えば約０．０８７２λ_1.4とされる。このように設計周波数の波長に比して高さｈがきわめて低くされることにより、広角の放射パターンが得られるようになると共に低姿勢の小型のスパイラルアンテナ１とすることができる。また、誘電体基板１１の１辺の長さｇはλ_1.4／３ないしλ_1.4／２とされ、例えば約０．４５７８λ_1.4とされる。この寸法の誘電体基板１１は、スパイラル素子１０の最外周の寸法より一回り大きくされている。また、誘電体基板１１の厚さｂは特に定められないが、例えば約０．０２１８λ_1.4とされる。ただし、厚さｂを厚くするほどパッチ導体１２がスパイラル素子１０に接近するようになるため、放射パターンはさらに広角になっていく。ただし、放射領域が広がることから右旋円偏波利得は低下していくようになる。

次に、本発明のスパイラルアンテナ１において、誘電体基板１１を比誘電率εｒ＝２．２のテフロン基板とし、高さｈ＝０．０８７２λ_1.4、長さｇ＝０．４５７８λ_1.4、厚さｂ＝０．０２１８λ_1.4とした際の垂直面内の放射パターンを図６および図７に示す。図６はｆ＝１．２２８ＧＨｚの場合の垂直面内の放射パターンであり、メインの右旋円偏波Ｅ_Rの半値角は約１００°と図１０に示すスパイラルアンテナ１００より約１６°広角になっている。この際の後方放射である左旋円偏波Ｅ_Lはきわめて小さくなっている。これは、パッチ導体１２の作用によりメインの右旋円偏波Ｅ_Rの放射パターンが広角になると共に、パッチ導体１２により後方放射の回り込みが抑制されたからと考えられる。また、図７はｆ＝１．５７５ＧＨｚの場合の垂直面内の放射パターンであり、メインの右旋円偏波Ｅ_Rの半値角は約９８°と図１０に示すスパイラルアンテナ１００より約１２°広角になっている。この際の後方放射である左旋円偏波Ｅ_Lは若干増加するが依然として小さな後方放射となっている。

次に、本発明のスパイラルアンテナ１において上記の通りのパラメータとした際のＶＳＷＲの周波数特性を図８に示す。
図８を参照すると、図１および図２に示す本発明のスパイラルアンテナ１のＶＳＷＲ特性はパッチ導体ありの実線で示されｆ＝１．２２８ＧＨｚとｆ＝１．５７５ＧＨｚの２周波において共振していることが分かる。これは、第１スパイラル素子１０ａ〜第４スパイラル素子１０ｄからなるスパイラル素子１０が２周波で共振しているからである。また、破線で示すパッチ導体なしのＶＳＷＲ特性は図１０および図１１に示すスパイラルアンテナ１００のＶＳＷＲ特性である。両者のＶＳＷＲ特性を対比すると、パッチ導体１２を設けたことによりＶＳＷＲが２周波において２．０以下になると共に共振周波数が低域にシフトするようになる。さらに、共振特性が広帯域化されて、ｆ＝１．２２８ＧＨｚにおいて３．３％（ＶＳＷＲが２．０以下の周波数範囲）となり、ｆ＝１．５７５ＧＨｚにおいて３．７％（ＶＳＷＲが２．０以下の周波数範囲）となることが分かる。

次に、本発明のスパイラルアンテナ１において上記の通りのパラメータとした際の利得の周波数特性を図９に示す。
図９を参照すると、図１および図２に示す本発明のスパイラルアンテナ１の利得特性はパッチ導体ありの実線で示されｆ＝１．２２８ＧＨｚで約７．３ｄＢｉが得られ、ｆ＝１．５７５ＧＨｚで約６．８ｄＢｉが得られている。そして、これらの周波数を中心とする２周波帯において５ｄＢｉないし８ｄＢｉの安定した利得特性となっていることが分かる。また、破線で示すパッチ導体なしの利得特性は図１０および図１１に示すスパイラルアンテナ１００の利得特性である。両者の利得特性を対比すると、パッチ導体１２を設けたことにより周波数に対して変動の少ない安定した利得特性となることが分かる。なお、パッチ導体なしに比較して利得が下がるのは、パッチ導体１２を設けると放射パターンの半値角が広角になるからである。

以上説明した本発明にかかるスパイラルアンテナ１においては、第１のスパイラル素子１０ａ〜第４のスパイラル素子１０ｄを金属板をプレス成形したり、金属パイプや金属線を加工することにより形成するようにしていた。しかし、本発明はこれに限らず、第１のスパイラル素子１０ａ〜第４のスパイラル素子１０ｄを高周波特性の良好なテフロン基板やガラス繊維基板等の誘電体基板上に形成するようにしても良い。このようにすると、第１のスパイラル素子１０ａないし第４のスパイラル素子１０ｄをより小型化することが可能となる。また、本発明にかかるスパイラルアンテナ１においては誘電体基板１１の形状を矩形としたが、これに限ることはなく円形の誘電体基板としても良い。この場合には、円形の誘電体基板の周縁に複数のパッチ導体を形成すると共に、第１のスパイラル素子１０ａ〜第４のスパイラル素子１０ｄを円形状のスパイラル素子とすればよい。

さらに、スパイラルアンテナ１は４本のスパイラル素子に限ることはなく、単線スパイラルアンテナあるいは２線スパイラルアンテナで構成するようにしても良い。また位相遅延回路２０から第１のスパイラル素子１０ａ〜第４のスパイラル素子１０ｄにΓ（ガンマ）型給電を用いて給電することにより、両者の間のマッチングを取るようにしても良い。
さらにまた、以上の説明では誘電体基板１１の周囲にのみ複数のパッチ導体１２を設けるようにしたが、パッチ導体１２間に間隙を設けることなく誘電体基板１１の周囲にのみ枠状のパッチ導体を設けるようにしても良い。このようにしても、若干狭くなるが半値角を十分な角度範囲に広げることができると共に、後方放射を十分抑制することができるようになる。

なお、以上の説明では衛星を利用する通信システム用のスパイラルアンテナとしたが、本発明はこれに限るものではなく、円偏波を送受信するスパイラルアンテナに適用することができるものである。

本発明のスパイラルアンテナの実施例の構成を示す上面図である。本発明のスパイラルアンテナの実施例の構成を示す側面図である。本発明のスパイラルアンテナの実施例における誘電体基板の詳細構成を示す上面図である。本発明のスパイラルアンテナの実施例における誘電体基板の詳細構成を示す側面図である。本発明のスパイラルアンテナの実施例における給電部の構成を示す図である。本発明のスパイラルアンテナにおいて、ｆ＝１．２２８ＧＨｚとした際の垂直面内の放射パターンを示すグラフである。本発明のスパイラルアンテナにおいて、ｆ＝１．５７５ＧＨｚとした際の垂直面内の放射パターンを示すグラフである。本発明のスパイラルアンテナにおけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。本発明のスパイラルアンテナにおける利得の周波数特性を示すグラフである。従来のスパイラルアンテナの構成を示す上面図である。従来のスパイラルアンテナの構成を示す側面図である。従来のスパイラルアンテナにおいて、ｆ＝１．２２８ＧＨｚとした際の垂直面内の放射パターンを示すグラフである。従来のスパイラルアンテナにおいて、ｆ＝１．５７５ＧＨｚとした際の垂直面内の放射パターンを示すグラフである。

符号の説明

１スパイラルアンテナ
１０スパイラル素子
１０ａスパイラル素子
１０ｂスパイラル素子
１０ｃスパイラル素子
１０ｄスパイラル素子
１１誘電体基板
１２パッチ導体
１３短絡導体
１４給電線
１４ａ給電線
１４ｂ給電線
１４ｃ給電線
１４ｄ給電線
１５給電部
１５ａ給電点
１５ｂ給電点
１５ｃ給電点
１５ｄ給電点
１６グランドプレーン
１７単位枠
２０位相遅延回路
２１給電源
１００スパイラルアンテナ
１１０ａスパイラル素子
１１０ｂスパイラル素子
１１０ｃスパイラル素子
１１０ｄスパイラル素子
１１１基板
１１５給電部
１１６グランドプレーン

Claims

グランドプレーンが裏面に形成されていると共に、該グランドプレーンに電気的に接続されている複数のパッチ導体がおもて面の周囲にのみ形成されている基板と、
該基板から所定の高さで対面するように配置されて、巻き始め端に給電されるスパイラル素子と、
を備えていることを特徴とするスパイラルアンテナ。
前記スパイラルアンテナが矩形状とされていると共に前記基板が矩形状とされており、該基板の頂点および辺の上に中心が位置する単位枠の繰り返しパターンと、前記基板とが重なる部分に前記パッチ導体が形成されていることを特徴とする請求項１記載のスパイラルアンテナ。