JP4456741B2 - スパイラル装荷モノポールアンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送線路型アンテナに関するものであり、特に移動体通信システムに好適な低姿勢かつ広帯域のアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信システムに適した低姿勢とされたアンテナとして、伝送線路型アンテナが知られている。伝送線路型アンテナは、グランドプレーン上にストリップ導体を平行に配した伝送線路を利用したアンテナであり、Ｆ型アンテナ又は逆Ｆ型アンテナが伝送線路型アンテナの代表的なアンテナとされている。逆Ｆ型アンテナは、ストリップ導体を矩形の導体板で置き換えるようにしたアンテナである。置き換えの際に、この導体板の中心線上ではグランドプレーンに対する電圧がゼロとされることから、導体板の中心線上で折り曲げてその導体板の端縁をグランドプレーンに短絡している。これにより、半波長で動作するアンテナの長さを１／４波長と半分の長さに小型化することができる。
【０００３】
さらに、折り曲げられた導体板の開放されている先端とグランドプレーンの間には強い電界が発生し、導体板にはキャパシタンスが等価的に挿入されたことになる。そこで、このキャパシタンスを補正するために、折り曲げて構成した短絡板を一側だけを残して切り取り細い導体線状とする。すると、導体線には大きな電流が流れて強い磁界が発生するようになる。このことから、導体板には大きいインダクタンスが等価的に挿入されたことになる。この結果、等価的に挿入されたキャパシタンスとインダクタンスとが互いに打ち消すようになるため、導体板の長さを短くしても整合をとることが可能となる。
このように、逆Ｆ型アンテナは小型・低姿勢のアンテナとされるため、飛翔体のアンテナや携帯電話機のアンテナとして用いられている。
【０００４】
上記した逆Ｆ型アンテナでＶＨＦ帯のＦＭ放送（７６〜９０ＭＨｚ）または、ＶＨＦテレビ放送（９２〜２２２ＭＨｚ）の地上波を受信するアンテナを実現しようとすると、短辺が８００ｍｍないし１０００ｍｍ程度の長方形のアンテナとなり、車両等の移動体に搭載することが困難になるという問題点があった。
こうした問題点を解決するための方法が、IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.AP-13,No.3,May 1965,pp.379-383,R.C.Fenwick“A new class of electrically small antennas" に記載されている。このアンテナは、スパイラル状素子をグランドプレーン上に平行に配置し、スパイラル状素子の長さを１／２波長とし、その巻き始め部を給電点とすると共に、その他端部を接地することにより小型化を図ったアンテナとされている。
【０００５】
ただし、上記アンテナは小型化することはできるが、入力インピーダンスが約４Ωと非常に小さく、一般に給電ケーブルの特性インピーダンスが５０Ωあるいは７５Ωとされていることから効率の低いアンテナになってしまうことになる。また、共振が鋭くＶＳＷＲが２以下の場合を使用可能周波数帯域とすると、その周波数帯域が約０．２％と非常に狭く、移動体通信のように広い周波数帯域が割り当てられている通信システムに適用することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは特許第２９９７４５１号として、入力インピーダンスを高くすることができると共に、約７％の比帯域幅が得られる小型アンテナを提案している。
しかしながら、上記小型アンテナは入力インピーダンスを高くすることができるものの、近年の移動体通信においては比帯域幅が１０パーセントを超えている通信システムもあり、このように広い周波数帯域の通信システムに上記小型アンテナを適用することが困難になるという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、入力インピーダンスの広帯域化を図ることのできるスパイラル装荷モノポールアンテナを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナは、グランドプレーン上にほぼ垂直に配置されたモノポール素子と、該モノポール素子の先端に装荷されていると共に、前記グランドプレーンにほぼ水平に展開されたスパイラル素子と、該スパイラル素子の外周にほぼ対称に配置された一対のスパイラル無給電素子とを備え、前記スパイラル素子は、一対のスパイラルアームを回転対称に配置して構成されており、該一対のスパイラルアームにおける点対称の所定の位置に、グランドプレーンに短絡する短絡ピンが接続され、前記スパイラル無給電素子の巻き始め端がＬ字状に折曲されて、前記グランドプレーンに短絡されていると共に、前記モノポール素子の給電点と、前記短絡ピンとを結ぶ線上の近傍に、前記スパイラル無給電素子の巻き始め端が位置している。
【００１０】
このような本発明によれば、モノポール素子の先端に装荷されたスパイラル素子の外周に一対のスパイラル無給電素子をほぼ対称に配置するようにしたので、インピーダンスの広帯域化を図ることができるようになった。
特に、モノポール素子の給電点と、スパイラル素子に設けられた短絡ピンの配置位置とを結ぶ線上の近傍に、スパイラル無給電素子の巻き始め端を位置させることにより、例えば約１５％もの比帯域幅でインピーダンスの広帯域化を図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態の構成の一例を図１ないし図３に示す。ただし、図１は本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの平面図、図２はその正面図、図３はその斜視図である。
これらの図に示す本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１は、設計周波数の波長に対して無限大の面積とみなすことのできるグランドプレーン１８と、このグランドプレーン１８上にほぼ垂直に立設されているモノポール素子１５と、モノポール素子１５の先端に回転対称に接続されている一対の第１スパイラルアーム１１，第２スパイラルアーム１２と、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２の外側にそれぞれ配置された一対の無給電素子１３，１４とを備えている。
【００１２】
すなわち、モノポール素子１５の先端が中心点Ｂに接続されており、この中心点Ｂには、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２の始端が接続されている。この第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２は、グランドプレーン１８にほぼ平行に展開されており、スパイラル関数に基づくスパイラル曲線の形状とされている。また、第１スパイラルアーム１１の所定位置である接合点Ｐにはグランドプレーン１８にほぼ垂直に配置されている第１短絡ピン１６の一端が接続され、第１短絡ピン１６の他端はグランドプレーン１８の点ＰGの位置に接続されている。さらに、第２スパイラルアーム１２の所定位置である接合点Ｑにはグランドプレーン１８にほぼ垂直に配置されている第２短絡ピン１７の一端が接続され、第２短絡ピン１７の他端はグランドプレーン１８の点ＱOの位置に接続されている。なお、接合点Ｐと接合点Ｑは中心点Ｂに対してほぼ点対称の位置とされている。モノポール素子１５の高さはｈとされており、モノポール素子１５の他端はグランドプレーン１８のほぼ中央に形成された挿通孔に挿通されて、グランドプレーン１８の下面に固着されている同軸ケーブルとされた給電線１９の中心導体に接続されている。また、給電線１９のシールド導体は、グランドプレーン１８の下面にハンダ付け等により電気的かつ機械的に接続されている。この給電線１９の中心導体に接続された点がモノポール素子１５への給電点Ｓfdとされている。
【００１３】
また、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き始め角はφstと表されていると共に、その巻き終わり角がφendと表されている。巻き始め角φstおよび巻き終わり角φendの基準はｘ軸とされているが、第２スパイラルアーム１２の巻き始め角φstおよび巻き終わり角φendの基準は、πラジアンだけ回転されている。さらに、第１スパイラルアーム１１、第２スパイラルアーム１２とグランドプレーン１８との間隔である高さはｈとされる。なお、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２は、中央が中心点Ｂに接続されている所定長の直線導体の端部から巻き始められている。すなわち、この直線導体とｘ軸とのなす角が巻き始め角φstとされている。
ところで、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２に巻き始め角をφstとして、直線導体を設けているのは、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２のワイヤー径が、強度等を満足させるためにある程度の太さとされているためである。すなわち、巻き始め角を０°とすると巻き始め部分の曲率が大きくなり、太いワイヤー径のワイヤーではワイヤー同士が接触してスパイラル状に巻回できないからである。
【００１４】
さらに、第１スパイラルアーム１１における接合点Ｐの位置は、Ｓfd−Ｂ−Ｐ−ＰGからなる回路と、グランドプレーン１８によって作られるＳfd−Ｂ−Ｐ−ＰGのイメージ回路とからなる閉回路が目的とする周波数でほぼ共振する位置とされる。同様に、第２スパイラルアーム１２における接合点Ｑの位置は、Ｓfd−Ｂ−Ｑ−ＱOからなる回路と、グランドプレーン１８によって作られるＳfd−Ｂ−Ｑ−ＱOのイメージ回路とからなる閉回路が目的とする周波数でほぼ共振する位置とされる。ここで、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２とは同様の構成とされているため、接合点Ｐと接合点Ｑとは中心点Ｂに対してほぼ点対称の位置となるのである。
【００１５】
このように構成された本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１においては、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２が中心点Ｂに対して回転対称に配置されたスパイラル状の素子とされており、第１スパイラルアーム１１とそのグランドプレーン１８に対するイメージが作る放射界は、第１スパイラルアーム１１の高さｈが低い場合ほぼ逆位相になる。そのため、第１スパイラルアーム１１が作る放射界と、そのイメージが作る放射界とが打ち消し合い放射パターンは形成されない。また、第２スパイラルアーム１２も同様に作用するため、第２スパイラルアーム１２による放射パターンも形成されない。結局のところ、モノポール素子１５を流れる大きな電流および第１短絡ピン１６、第２短絡ピン１７を流れる電流によってスパイラル装荷モノポールアンテナ１の放射パターンが形成されるようになる。このため、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１からはグランドプレーン１８に対して垂直な直線偏波が放射されるようになる。また、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の水平面内（図１に示すｘ−ｙ面）の放射パターンはほぼ無指向性とされ、全方位に放射されるようになる。
【００１６】
本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において特徴的な構成は、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の外側に、それぞれ第１無給電素子１３および第２無給電素子１４を設けるようにした構成である。第１無給電素子１３および第２無給電素子１４は、Ｌ字状に折曲されて構成されており、グランドプレーン１８に対して垂直になるように折曲された端部はグランドプレーン１８に短絡されている。また、グランドプレーン１８にほぼ平行とされている部分は、スパイラル関数に基づく曲線の形状とされている。このような第１無給電素子１３および第２無給電素子１４を設けることにより、後述するように本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１におけるインピーダンスの周波数帯域幅は、約１５パーセントもの広帯域な比帯域幅とすることができる。なお、第１無給電素子１３および第２無給電素子１４の巻き始め角はφLstと表されると共に、その巻き終わり角がφLendと表される。巻き始め角φstおよび巻き終わり角φendの基準はｘ軸とされているが、第２無給電素子１４の巻き始め角φLstおよび巻き終わり角φLendの基準は、πラジアンだけ回転されている。さらに、第１無給電素子１３および第２無給電素子１４とグランドプレーン１８との間隔である高さはｈとされている。
【００１７】
次に、図１ないしび図３に示す構成とされている本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、各部の寸法の一例を示すが、第１スパイラルアーム１１あるいは第２スパイラルアーム１２における動径関数ｒ、および、第１無給電素子１３あるいは第２無給電素子１４における動径関数ｒは、Archimedian スパイラル関数により次式のように表される。
ｒ＝ａs・φw ・・・（１）
ただし、（１）式においてａsはスパイラル定数であり、φwは巻き始め角φstから巻き終わり角φendまでの巻き角度、あるいは巻き始め角φLstから巻き終わり角φLendまでの巻き角度を示している。
【００１８】
設計周波数ｆｏの自由空間波長をλｏとした時の各部の寸法の一例は次のようになる。第１スパイラルアーム１１、第２スパイラルアーム１２とグランドプレーン１８との間隔である高さｈは約０．０６１３λｏと、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２、および、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４のスパイラル定数ａsは約０．００６４λｏ〔/rad〕と設定される。また、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き始め角φstは約１．３４１３π〔rad〕と、その巻き終わり角φendは可変可能であるが、例えば約７．１５３π〔rad〕と設定される。さらに、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstは約７．５２９２π〔rad〕と、その巻き終わり角φLendは約７．９８１π〔rad〕と設定される。さらにまた、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２、および、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４のワイヤー半径ρは、約０．００３３５４λｏと、スパイラルアームの中央に位置する直線導体の全長は約０．０５３９５λｏと設定される。
【００１９】
本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の入力インピーダンスは、上記のような寸法に設定した際に設計周波数ｆｏにおいて約５０Ωとなり、高い入力インピーダンスを得ることができる。さらに、周波数に対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性の一例は図４に示すようになる。このＶＳＷＲ特性を参照すると、第１無給電素子１３および第２無給電素子１４を設けることにより、図４の「本発明（φend=７．１５３π）」として示すようにＶＳＷＲが２．０以下となる比帯域幅が、約１５％もの広帯域となることがわかる。比較のために、無給電素子を備えていない従来のスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を合わせて図４に示している。従来の例では、スパイラルアームの巻き終わり角φendを３種類替えて例示しているが、いずれの比帯域幅も約７％程度であり、これらのＶＳＷＲ特性と比べて無給電素子１３，１４を備えている本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の比帯域幅が約２倍とされていることがわかる。
【００２０】
また、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、上記のような寸法に設定すると共に、下限周波数ｆL（ｆ／ｆｏ＝０．８８７）におけるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の放射パターンを図５（ａ）（ｂ）に示す。図５（ａ）はθ角度に対するφ＝０°面（ｘ−ｚ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して垂直面内の放射パターンとされている。本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１では、前述したようにモノポール素子１５および第１短絡ピン１６および第２短絡ピン１７に流れる電流が同位相とされて、モノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７からは放射されるが、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２からの放射は小さくされている。
【００２１】
すなわち、実線で図示される放射パターンはモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はグランドプレーン１８の水平方向（θ＝９０°）の放射が最も大きくされており、垂直方向（θ＝０°）にはほとんど放射されていないことがわかる。また、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は破線で示されるように、θ＝４５°方向に約−２０ｄＢ以下のわずかなレベルで放射が行われているだけである。ここで、Ｅθ成分はグランドプレーン１８に対して垂直な成分であるから、グランドプレーン１８が地表に対して水平に位置される場合は垂直偏波となる。また、Ｅφ成分はグランドプレーン１８に対して水平な成分であるから、グランドプレーン１８が地表に対して水平に位置される場合は水平偏波となる。このように、グランドプレーン１８が地表に対して水平に配置される場合は、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１は垂直偏波用のアンテナとなり、グランドプレーン１８が地表に対して垂直に位置される場合は、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１は水平偏波用のアンテナとして動作するようになる。
【００２２】
さらに、図５（ｂ）はφ角度に対するθ＝９０°面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して水平面の放射パターンとされる。この場合に、実線で図示される放射パターンは前述したようにモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はｘ−ｙ面の全方位にほぼ均等の強さで放射される。Ｅθ成分のｘ−ｙ面内の偏差は、約４ｄＢとされている。しかし、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は、わずかなレベルでしか放射されないため図示されていない。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、上記のような寸法に設定されていると共に、上限周波数ｆH（ｆ／ｆｏ＝１．０２６１）におけるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の放射パターンを図６（ａ）（ｂ）に示す。図６（ａ）はθ角度に対するφ＝０°面（ｘ−ｚ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して垂直面の放射パターンとされている。この場合に、実線で図示される放射パターンはモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はグランドプレーン１８の水平方向（θ＝９０°）の放射が最も大きくされており、垂直方向（θ＝０°）にはほとんど放射されていないことがわかる。また、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は、わずかなレベルでしか放射されないため図示されていない。
【００２４】
さらに、図６（ｂ）はφ角度に対するθ＝９０°面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して水平面の放射パターンとされる。この場合に、実線で図示される放射パターンは前述したようにモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はｘ−ｙ面の全方位にほぼ均等の強さで放射される。Ｅθ成分のｘ−ｙ面内の偏差は、約１．６ｄＢとわずかな偏差とされている。しかし、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は、わずかなレベルでしか放射されないため図示されていない。
なお、ＶＳＷＲ＝２以下でかつ水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンにおける偏差が３ｄＢ以下となる比帯域幅は、約１２．６％となる。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを変化させた際のＶＳＷＲ特性を図７に示す。
第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約５．５２９π〔rad〕とした際のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の概略構成が図７（ａ）に示されており、その巻き始め角φLstを約６．５２９π〔rad〕とした際のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の概略構成が図７（ｂ）に示されており、その巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕とした際のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の概略構成が図７（ｃ）に示されている。このように、巻き始め角φLstに応じて第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め端がｘ軸に対して左巻き方向に回転していくと共に、中心点Ｂから次第に離隔していくようになる。図７（ｄ）に示すＶＳＷＲ特性を参照すると、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約５．５２９π〔rad〕、約６．５２９π〔rad〕および約７．５２９π〔rad〕とπだけ回転する毎にＶＳＷＲが良好な値となることがわかる。このような巻き始め角φLstは、接合点Ｐ，Ｑと中心点Ｂとを結ぶ線の延長線の近傍に存在していることがわかる。すなわち、接合点Ｐ，Ｑと中心点Ｂとを結ぶ線の延長線の近傍にくるように第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを設定することにより、良好なＶＳＷＲのスパイラル装荷モノポールアンテナ１とすることができる。
【００２６】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、ＶＳＷＲ特性が良好となるように第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を図８に示す。図８（ａ）は、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを５．５２９π〔rad〕とした場合であり、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅はあまり拡大されていない。また、図８（ｂ）は、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを６．５２９π〔rad〕とした場合であり、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅は２つに分割されており少し拡大されている。さらに、図８（ｃ）は、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを７．５２９π〔rad〕とした場合であり、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅は２つに分割されており若干拡大されていることがわかる。このように、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを大きくするにつれて、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅は拡大される傾向となることがわかる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約５．４５３π〔rad〕とすると共に、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕、その巻き終わり角φLendを約７．９８１π〔rad〕と設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を図９に示す。比較のために、無給電素子を備えていない従来のスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を合わせて図９に示している。従来の例では、スパイラルアームの巻き終わり角φendを５．４５３π〔rad〕としているが、このＶＳＷＲ特性と比べて無給電素子１３，１４を備えている本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の比帯域幅が拡大されていることがわかる。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約７．１５３π〔rad〕とすると共に、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕、巻き終わり角φLendを約７．９８１π〔rad〕と設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を本発明Ａとして示すと共に、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約５．４５３π〔rad〕とすると共に、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕、巻き終わり角φLendを約７．９８１π〔rad〕と設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を本発明Ｂとして図１０に示す。比較のために、無給電素子を備えていない従来のスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を合わせて図１０に示している。従来の例では、スパイラルアームの巻き終わり角φendを５．４５３π〔rad〕としている。図１０に示すＶＳＷＲ特性から、スパイラルアーム１１，１２の巻き終わり角φendを大きくすると、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅が拡大する傾向にあることがわかる。そして、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約７．１５３π〔rad〕とすると、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅として最大の約１５％の比帯域幅が得られる。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き終わり角φLendを約６．５２９π〔rad〕に固定して、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約５．７０３π〔rad〕、約５．９３３π〔rad〕、約６．２０３π〔rad〕の３種類とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を図１１、図１２、図１３に示す。図１１、図１２、図１３に示すＶＳＷＲ特性を参照すると、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを大きくするほどＶＳＷＲの比帯域幅は拡大するのではなく、ある値の時に最も比帯域幅が拡大することがわかる。
【００３０】
以上の解析結果から見ると、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、放射パターンはモノポール素子１５および第１短絡ピン１６および第２短絡ピン１７に流れる電流によって形成されており、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２を流れる電流は放射パターンの形成にはほとんど寄与していないことがわかる。また、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンはほぼ全方位に均等とされており、５０Ω系のＶＳＷＲが２．０以下の比帯域幅は、最大１５％に達するようになる。
【００３１】
なお、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナにおけるスパイラルアームは２条に限るものではなく、２条以上の複数のスパイラルアーム数とすることができる。この場合にも中心点Ｂに対して対称になるよう複数条のスパイラルアームを配置するようにすればよい。すなわち、スパイラルアーム数をｎ（ｎ＝２，３，４・・・）とした時に、各スパイラルアームを２π／ｎづつ角度をずらせてほぼ同心として配置すればよい。
また、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１における上記で示した各部の長さ等の寸法は一例であり、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナはこの数値に限るものではない。すなわち、Ｓfd−Ｂ−Ｐ−ＰG回路とグランドプレーン１８によって作られるイメージ回路からなる閉回路、および、Ｓfd−Ｂ−Ｑ−ＱG回路とグランドプレーン１８によって作られるイメージ回路からなる閉回路が、目的とする周波数でほぼ共振する長さとされればよい。さらに、第１スパイラルアームおよび第２スパイラルアームのグランドプレーンに対する高さｈは高い方がアンテナ特性は向上するが、低姿勢とするために約０．０６λｏ程度の高さとするのが好適である。また、第１スパイラルアームおよび第２スパイラルアームとグランドプレーンとを所定の厚さの誘電体のそれぞれの面に形成するようにすると、より低姿勢とすることが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、モノポール素子の先端に装荷されたスパイラル素子の外周に一対のスパイラル無給電素子をほぼ対称に配置するようにしたので、インピーダンスの広帯域化を図ることができるようになった。
特に、モノポール素子の給電点と、スパイラル素子に設けられた短絡ピンの配置位置とを結ぶ線上の近傍に、スパイラル無給電素子の巻き始め端を位置させることにより、例えば約１５％もの比帯域幅でインピーダンスの広帯域化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態における一構成例を示す平面図である。
【図２】本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態における一構成例を示す正面図である。
【図３】本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態における一構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を、従来の例と対比して示す図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナの下限周波数における垂直面（ｘ−ｚ面）内、水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナの上限周波数における垂直面（ｘ−ｚ面）内、水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナにおいて、無給電素子の巻き始め角φLstを変化させた際のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナにおいて、ＶＳＷＲ特性が良好となるように無給電素子の巻き始め角φLstを設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナの一構成例の周波数に対するＶＳＷＲ特性を、従来の例と対比して示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナの２つの構成例の周波数に対するＶＳＷＲ特性を、従来の例と対比して示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナのスパイラルアームの巻き終わり角φendを約５．７０３π〔rad〕とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナのスパイラルアームの巻き終わり角φendを約５．９３３π〔rad〕とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナのスパイラルアームの巻き終わり角φendを約６．２０３π〔rad〕とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【符号の説明】
１ スパイラル装荷モノポールアンテナ、１１ 第１スパイラルアーム、１２ 第２スパイラルアーム、１３ 第１無給電素子、１４ 第２無給電素子、１５ モノポール素子、１６ 第１短絡ピン、１７ 第２短絡ピン、１８ グランドプレーン、１９ 給電線、Ｂ 中心点、Ｐ 接合点、Ｑ 接合点、Ｓfd 給電点
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送線路型アンテナに関するものであり、特に移動体通信システムに好適な低姿勢かつ広帯域のアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信システムに適した低姿勢とされたアンテナとして、伝送線路型アンテナが知られている。伝送線路型アンテナは、グランドプレーン上にストリップ導体を平行に配した伝送線路を利用したアンテナであり、Ｆ型アンテナ又は逆Ｆ型アンテナが伝送線路型アンテナの代表的なアンテナとされている。逆Ｆ型アンテナは、ストリップ導体を矩形の導体板で置き換えるようにしたアンテナである。置き換えの際に、この導体板の中心線上ではグランドプレーンに対する電圧がゼロとされることから、導体板の中心線上で折り曲げてその導体板の端縁をグランドプレーンに短絡している。これにより、半波長で動作するアンテナの長さを１／４波長と半分の長さに小型化することができる。
【０００３】
さらに、折り曲げられた導体板の開放されている先端とグランドプレーンの間には強い電界が発生し、導体板にはキャパシタンスが等価的に挿入されたことになる。そこで、このキャパシタンスを補正するために、折り曲げて構成した短絡板を一側だけを残して切り取り細い導体線状とする。すると、導体線には大きな電流が流れて強い磁界が発生するようになる。このことから、導体板には大きいインダクタンスが等価的に挿入されたことになる。この結果、等価的に挿入されたキャパシタンスとインダクタンスとが互いに打ち消すようになるため、導体板の長さを短くしても整合をとることが可能となる。
このように、逆Ｆ型アンテナは小型・低姿勢のアンテナとされるため、飛翔体のアンテナや携帯電話機のアンテナとして用いられている。
【０００４】
上記した逆Ｆ型アンテナでＶＨＦ帯のＦＭ放送（７６〜９０ＭＨｚ）または、ＶＨＦテレビ放送（９２〜２２２ＭＨｚ）の地上波を受信するアンテナを実現しようとすると、短辺が８００ｍｍないし１０００ｍｍ程度の長方形のアンテナとなり、車両等の移動体に搭載することが困難になるという問題点があった。
こうした問題点を解決するための方法が、IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.AP-13,No.3,May 1965,pp.379-383,R.C.Fenwick“A new class of electrically small antennas" に記載されている。このアンテナは、スパイラル状素子をグランドプレーン上に平行に配置し、スパイラル状素子の長さを１／２波長とし、その巻き始め部を給電点とすると共に、その他端部を接地することにより小型化を図ったアンテナとされている。
【０００５】
ただし、上記アンテナは小型化することはできるが、入力インピーダンスが約４Ωと非常に小さく、一般に給電ケーブルの特性インピーダンスが５０Ωあるいは７５Ωとされていることから効率の低いアンテナになってしまうことになる。また、共振が鋭くＶＳＷＲが２以下の場合を使用可能周波数帯域とすると、その周波数帯域が約０．２％と非常に狭く、移動体通信のように広い周波数帯域が割り当てられている通信システムに適用することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは特許第２９９７４５１号として、入力インピーダンスを高くすることができると共に、約７％の比帯域幅が得られる小型アンテナを提案している。
しかしながら、上記小型アンテナは入力インピーダンスを高くすることができるものの、近年の移動体通信においては比帯域幅が１０パーセントを超えている通信システムもあり、このように広い周波数帯域の通信システムに上記小型アンテナを適用することが困難になるという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、入力インピーダンスの広帯域化を図ることのできるスパイラル装荷モノポールアンテナを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナは、グランドプレーン上にほぼ垂直に配置されたモノポール素子と、該モノポール素子の先端に装荷されていると共に、前記グランドプレーンにほぼ水平に展開されたスパイラル素子と、該スパイラル素子の外周にほぼ対称に配置された一対のスパイラル無給電素子とを備え、前記スパイラル素子は、一対のスパイラルアームを回転対称に配置して構成されており、該一対のスパイラルアームにおける点対称の所定の位置に、グランドプレーンに短絡する短絡ピンが接続され、前記スパイラル無給電素子の巻き始め端がＬ字状に折曲されて、前記グランドプレーンに短絡されていると共に、前記モノポール素子の給電点と、前記短絡ピンとを結ぶ線上の近傍に、前記スパイラル無給電素子の巻き始め端が位置している。
【００１０】
このような本発明によれば、モノポール素子の先端に装荷されたスパイラル素子の外周に一対のスパイラル無給電素子をほぼ対称に配置するようにしたので、インピーダンスの広帯域化を図ることができるようになった。
特に、モノポール素子の給電点と、スパイラル素子に設けられた短絡ピンの配置位置とを結ぶ線上の近傍に、スパイラル無給電素子の巻き始め端を位置させることにより、例えば約１５％もの比帯域幅でインピーダンスの広帯域化を図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態の構成の一例を図１ないし図３に示す。ただし、図１は本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの平面図、図２はその正面図、図３はその斜視図である。
これらの図に示す本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１は、設計周波数の波長に対して無限大の面積とみなすことのできるグランドプレーン１８と、このグランドプレーン１８上にほぼ垂直に立設されているモノポール素子１５と、モノポール素子１５の先端に回転対称に接続されている一対の第１スパイラルアーム１１，第２スパイラルアーム１２と、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２の外側にそれぞれ配置された一対の無給電素子１３，１４とを備えている。
【００１２】
すなわち、モノポール素子１５の先端が中心点Ｂに接続されており、この中心点Ｂには、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２の始端が接続されている。この第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２は、グランドプレーン１８にほぼ平行に展開されており、スパイラル関数に基づくスパイラル曲線の形状とされている。また、第１スパイラルアーム１１の所定位置である接合点Ｐにはグランドプレーン１８にほぼ垂直に配置されている第１短絡ピン１６の一端が接続され、第１短絡ピン１６の他端はグランドプレーン１８の点ＰGの位置に接続されている。さらに、第２スパイラルアーム１２の所定位置である接合点Ｑにはグランドプレーン１８にほぼ垂直に配置されている第２短絡ピン１７の一端が接続され、第２短絡ピン１７の他端はグランドプレーン１８の点ＱOの位置に接続されている。なお、接合点Ｐと接合点Ｑは中心点Ｂに対してほぼ点対称の位置とされている。モノポール素子１５の高さはｈとされており、モノポール素子１５の他端はグランドプレーン１８のほぼ中央に形成された挿通孔に挿通されて、グランドプレーン１８の下面に固着されている同軸ケーブルとされた給電線１９の中心導体に接続されている。また、給電線１９のシールド導体は、グランドプレーン１８の下面にハンダ付け等により電気的かつ機械的に接続されている。この給電線１９の中心導体に接続された点がモノポール素子１５への給電点Ｓfdとされている。
【００１３】
また、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き始め角はφstと表されていると共に、その巻き終わり角がφendと表されている。巻き始め角φstおよび巻き終わり角φendの基準はｘ軸とされているが、第２スパイラルアーム１２の巻き始め角φstおよび巻き終わり角φendの基準は、πラジアンだけ回転されている。さらに、第１スパイラルアーム１１、第２スパイラルアーム１２とグランドプレーン１８との間隔である高さはｈとされる。なお、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２は、中央が中心点Ｂに接続されている所定長の直線導体の端部から巻き始められている。すなわち、この直線導体とｘ軸とのなす角が巻き始め角φstとされている。
ところで、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２に巻き始め角をφstとして、直線導体を設けているのは、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２のワイヤー径が、強度等を満足させるためにある程度の太さとされているためである。すなわち、巻き始め角を０°とすると巻き始め部分の曲率が大きくなり、太いワイヤー径のワイヤーではワイヤー同士が接触してスパイラル状に巻回できないからである。
【００１４】
さらに、第１スパイラルアーム１１における接合点Ｐの位置は、Ｓfd−Ｂ−Ｐ−ＰGからなる回路と、グランドプレーン１８によって作られるＳfd−Ｂ−Ｐ−ＰGのイメージ回路とからなる閉回路が目的とする周波数でほぼ共振する位置とされる。同様に、第２スパイラルアーム１２における接合点Ｑの位置は、Ｓfd−Ｂ−Ｑ−ＱOからなる回路と、グランドプレーン１８によって作られるＳfd−Ｂ−Ｑ−ＱOのイメージ回路とからなる閉回路が目的とする周波数でほぼ共振する位置とされる。ここで、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２とは同様の構成とされているため、接合点Ｐと接合点Ｑとは中心点Ｂに対してほぼ点対称の位置となるのである。
【００１５】
このように構成された本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１においては、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２が中心点Ｂに対して回転対称に配置されたスパイラル状の素子とされており、第１スパイラルアーム１１とそのグランドプレーン１８に対するイメージが作る放射界は、第１スパイラルアーム１１の高さｈが低い場合ほぼ逆位相になる。そのため、第１スパイラルアーム１１が作る放射界と、そのイメージが作る放射界とが打ち消し合い放射パターンは形成されない。また、第２スパイラルアーム１２も同様に作用するため、第２スパイラルアーム１２による放射パターンも形成されない。結局のところ、モノポール素子１５を流れる大きな電流および第１短絡ピン１６、第２短絡ピン１７を流れる電流によってスパイラル装荷モノポールアンテナ１の放射パターンが形成されるようになる。このため、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１からはグランドプレーン１８に対して垂直な直線偏波が放射されるようになる。また、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の水平面内（図１に示すｘ−ｙ面）の放射パターンはほぼ無指向性とされ、全方位に放射されるようになる。
【００１６】
本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において特徴的な構成は、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の外側に、それぞれ第１無給電素子１３および第２無給電素子１４を設けるようにした構成である。第１無給電素子１３および第２無給電素子１４は、Ｌ字状に折曲されて構成されており、グランドプレーン１８に対して垂直になるように折曲された端部はグランドプレーン１８に短絡されている。また、グランドプレーン１８にほぼ平行とされている部分は、スパイラル関数に基づく曲線の形状とされている。このような第１無給電素子１３および第２無給電素子１４を設けることにより、後述するように本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１におけるインピーダンスの周波数帯域幅は、約１５パーセントもの広帯域な比帯域幅とすることができる。なお、第１無給電素子１３および第２無給電素子１４の巻き始め角はφLstと表されると共に、その巻き終わり角がφLendと表される。巻き始め角φstおよび巻き終わり角φendの基準はｘ軸とされているが、第２無給電素子１４の巻き始め角φLstおよび巻き終わり角φLendの基準は、πラジアンだけ回転されている。さらに、第１無給電素子１３および第２無給電素子１４とグランドプレーン１８との間隔である高さはｈとされている。
【００１７】
次に、図１ないしび図３に示す構成とされている本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、各部の寸法の一例を示すが、第１スパイラルアーム１１あるいは第２スパイラルアーム１２における動径関数ｒ、および、第１無給電素子１３あるいは第２無給電素子１４における動径関数ｒは、Archimedian スパイラル関数により次式のように表される。
ｒ＝ａs・φw ・・・（１）
ただし、（１）式においてａsはスパイラル定数であり、φwは巻き始め角φstから巻き終わり角φendまでの巻き角度、あるいは巻き始め角φLstから巻き終わり角φLendまでの巻き角度を示している。
【００１８】
設計周波数ｆｏの自由空間波長をλｏとした時の各部の寸法の一例は次のようになる。第１スパイラルアーム１１、第２スパイラルアーム１２とグランドプレーン１８との間隔である高さｈは約０．０６１３λｏと、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２、および、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４のスパイラル定数ａsは約０．００６４λｏ〔/rad〕と設定される。また、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き始め角φstは約１．３４１３π〔rad〕と、その巻き終わり角φendは可変可能であるが、例えば約７．１５３π〔rad〕と設定される。さらに、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstは約７．５２９２π〔rad〕と、その巻き終わり角φLendは約７．９８１π〔rad〕と設定される。さらにまた、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２、および、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４のワイヤー半径ρは、約０．００３３５４λｏと、スパイラルアームの中央に位置する直線導体の全長は約０．０５３９５λｏと設定される。
【００１９】
本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の入力インピーダンスは、上記のような寸法に設定した際に設計周波数ｆｏにおいて約５０Ωとなり、高い入力インピーダンスを得ることができる。さらに、周波数に対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性の一例は図４に示すようになる。このＶＳＷＲ特性を参照すると、第１無給電素子１３および第２無給電素子１４を設けることにより、図４の「本発明（φend=７．１５３π）」として示すようにＶＳＷＲが２．０以下となる比帯域幅が、約１５％もの広帯域となることがわかる。比較のために、無給電素子を備えていない従来のスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を合わせて図４に示している。従来の例では、スパイラルアームの巻き終わり角φendを３種類替えて例示しているが、いずれの比帯域幅も約７％程度であり、これらのＶＳＷＲ特性と比べて無給電素子１３，１４を備えている本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の比帯域幅が約２倍とされていることがわかる。
【００２０】
また、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、上記のような寸法に設定すると共に、下限周波数ｆL（ｆ／ｆｏ＝０．８８７）におけるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の放射パターンを図５（ａ）（ｂ）に示す。図５（ａ）はθ角度に対するφ＝０°面（ｘ−ｚ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して垂直面内の放射パターンとされている。本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１では、前述したようにモノポール素子１５および第１短絡ピン１６および第２短絡ピン１７に流れる電流が同位相とされて、モノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７からは放射されるが、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２からの放射は小さくされている。
【００２１】
すなわち、実線で図示される放射パターンはモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はグランドプレーン１８の水平方向（θ＝９０°）の放射が最も大きくされており、垂直方向（θ＝０°）にはほとんど放射されていないことがわかる。また、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は破線で示されるように、θ＝４５°方向に約−２０ｄＢ以下のわずかなレベルで放射が行われているだけである。ここで、Ｅθ成分はグランドプレーン１８に対して垂直な成分であるから、グランドプレーン１８が地表に対して水平に位置される場合は垂直偏波となる。また、Ｅφ成分はグランドプレーン１８に対して水平な成分であるから、グランドプレーン１８が地表に対して水平に位置される場合は水平偏波となる。このように、グランドプレーン１８が地表に対して水平に配置される場合は、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１は垂直偏波用のアンテナとなり、グランドプレーン１８が地表に対して垂直に位置される場合は、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１は水平偏波用のアンテナとして動作するようになる。
【００２２】
さらに、図５（ｂ）はφ角度に対するθ＝９０°面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して水平面の放射パターンとされる。この場合に、実線で図示される放射パターンは前述したようにモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はｘ−ｙ面の全方位にほぼ均等の強さで放射される。Ｅθ成分のｘ−ｙ面内の偏差は、約４ｄＢとされている。しかし、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は、わずかなレベルでしか放射されないため図示されていない。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、上記のような寸法に設定されていると共に、上限周波数ｆH（ｆ／ｆｏ＝１．０２６１）におけるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の放射パターンを図６（ａ）（ｂ）に示す。図６（ａ）はθ角度に対するφ＝０°面（ｘ−ｚ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して垂直面の放射パターンとされている。この場合に、実線で図示される放射パターンはモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はグランドプレーン１８の水平方向（θ＝９０°）の放射が最も大きくされており、垂直方向（θ＝０°）にはほとんど放射されていないことがわかる。また、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は、わずかなレベルでしか放射されないため図示されていない。
【００２４】
さらに、図６（ｂ）はφ角度に対するθ＝９０°面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンであり、グランドプレーン１８に対して水平面の放射パターンとされる。この場合に、実線で図示される放射パターンは前述したようにモノポール素子１５，第１短絡ピン１６，第２短絡ピン１７から放射されるＥθ成分であり、Ｅθ成分はｘ−ｙ面の全方位にほぼ均等の強さで放射される。Ｅθ成分のｘ−ｙ面内の偏差は、約１．６ｄＢとわずかな偏差とされている。しかし、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２から放射されるＥφ成分は、わずかなレベルでしか放射されないため図示されていない。
なお、ＶＳＷＲ＝２以下でかつ水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンにおける偏差が３ｄＢ以下となる比帯域幅は、約１２．６％となる。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを変化させた際のＶＳＷＲ特性を図７に示す。
第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約５．５２９π〔rad〕とした際のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の概略構成が図７（ａ）に示されており、その巻き始め角φLstを約６．５２９π〔rad〕とした際のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の概略構成が図７（ｂ）に示されており、その巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕とした際のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の概略構成が図７（ｃ）に示されている。このように、巻き始め角φLstに応じて第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め端がｘ軸に対して左巻き方向に回転していくと共に、中心点Ｂから次第に離隔していくようになる。図７（ｄ）に示すＶＳＷＲ特性を参照すると、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約５．５２９π〔rad〕、約６．５２９π〔rad〕および約７．５２９π〔rad〕とπだけ回転する毎にＶＳＷＲが良好な値となることがわかる。このような巻き始め角φLstは、接合点Ｐ，Ｑと中心点Ｂとを結ぶ線の延長線の近傍に存在していることがわかる。すなわち、接合点Ｐ，Ｑと中心点Ｂとを結ぶ線の延長線の近傍にくるように第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを設定することにより、良好なＶＳＷＲのスパイラル装荷モノポールアンテナ１とすることができる。
【００２６】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、ＶＳＷＲ特性が良好となるように第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を図８に示す。図８（ａ）は、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを５．５２９π〔rad〕とした場合であり、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅はあまり拡大されていない。また、図８（ｂ）は、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを６．５２９π〔rad〕とした場合であり、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅は２つに分割されており少し拡大されている。さらに、図８（ｃ）は、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを７．５２９π〔rad〕とした場合であり、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅は２つに分割されており若干拡大されていることがわかる。このように、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを大きくするにつれて、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅は拡大される傾向となることがわかる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約５．４５３π〔rad〕とすると共に、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕、その巻き終わり角φLendを約７．９８１π〔rad〕と設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を図９に示す。比較のために、無給電素子を備えていない従来のスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を合わせて図９に示している。従来の例では、スパイラルアームの巻き終わり角φendを５．４５３π〔rad〕としているが、このＶＳＷＲ特性と比べて無給電素子１３，１４を備えている本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナ１の比帯域幅が拡大されていることがわかる。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約７．１５３π〔rad〕とすると共に、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕、巻き終わり角φLendを約７．９８１π〔rad〕と設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を本発明Ａとして示すと共に、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約５．４５３π〔rad〕とすると共に、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き始め角φLstを約７．５２９π〔rad〕、巻き終わり角φLendを約７．９８１π〔rad〕と設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を本発明Ｂとして図１０に示す。比較のために、無給電素子を備えていない従来のスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を合わせて図１０に示している。従来の例では、スパイラルアームの巻き終わり角φendを５．４５３π〔rad〕としている。図１０に示すＶＳＷＲ特性から、スパイラルアーム１１，１２の巻き終わり角φendを大きくすると、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅が拡大する傾向にあることがわかる。そして、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約７．１５３π〔rad〕とすると、ＶＳＷＲ＝２以下の比帯域幅として最大の約１５％の比帯域幅が得られる。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、第１無給電素子１３と第２無給電素子１４の巻き終わり角φLendを約６．５２９π〔rad〕に固定して、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを約５．７０３π〔rad〕、約５．９３３π〔rad〕、約６．２０３π〔rad〕の３種類とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を図１１、図１２、図１３に示す。図１１、図１２、図１３に示すＶＳＷＲ特性を参照すると、第１スパイラルアーム１１および第２スパイラルアーム１２の巻き終わり角φendを大きくするほどＶＳＷＲの比帯域幅は拡大するのではなく、ある値の時に最も比帯域幅が拡大することがわかる。
【００３０】
以上の解析結果から見ると、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１において、放射パターンはモノポール素子１５および第１短絡ピン１６および第２短絡ピン１７に流れる電流によって形成されており、第１スパイラルアーム１１と第２スパイラルアーム１２を流れる電流は放射パターンの形成にはほとんど寄与していないことがわかる。また、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１の水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンはほぼ全方位に均等とされており、５０Ω系のＶＳＷＲが２．０以下の比帯域幅は、最大１５％に達するようになる。
【００３１】
なお、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナにおけるスパイラルアームは２条に限るものではなく、２条以上の複数のスパイラルアーム数とすることができる。この場合にも中心点Ｂに対して対称になるよう複数条のスパイラルアームを配置するようにすればよい。すなわち、スパイラルアーム数をｎ（ｎ＝２，３，４・・・）とした時に、各スパイラルアームを２π／ｎづつ角度をずらせてほぼ同心として配置すればよい。
また、本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナ１における上記で示した各部の長さ等の寸法は一例であり、本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナはこの数値に限るものではない。すなわち、Ｓfd−Ｂ−Ｐ−ＰG回路とグランドプレーン１８によって作られるイメージ回路からなる閉回路、および、Ｓfd−Ｂ−Ｑ−ＱG回路とグランドプレーン１８によって作られるイメージ回路からなる閉回路が、目的とする周波数でほぼ共振する長さとされればよい。さらに、第１スパイラルアームおよび第２スパイラルアームのグランドプレーンに対する高さｈは高い方がアンテナ特性は向上するが、低姿勢とするために約０．０６λｏ程度の高さとするのが好適である。また、第１スパイラルアームおよび第２スパイラルアームとグランドプレーンとを所定の厚さの誘電体のそれぞれの面に形成するようにすると、より低姿勢とすることが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、モノポール素子の先端に装荷されたスパイラル素子の外周に一対のスパイラル無給電素子をほぼ対称に配置するようにしたので、インピーダンスの広帯域化を図ることができるようになった。
特に、モノポール素子の給電点と、スパイラル素子に設けられた短絡ピンの配置位置とを結ぶ線上の近傍に、スパイラル無給電素子の巻き始め端を位置させることにより、例えば約１５％もの比帯域幅でインピーダンスの広帯域化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態における一構成例を示す平面図である。
【図２】本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態における一構成例を示す正面図である。
【図３】本発明のスパイラル装荷モノポールアンテナの実施の形態における一構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナの周波数に対するＶＳＷＲ特性を、従来の例と対比して示す図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナの下限周波数における垂直面（ｘ−ｚ面）内、水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナの上限周波数における垂直面（ｘ−ｚ面）内、水平面（ｘ−ｙ面）内の放射パターンを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナにおいて、無給電素子の巻き始め角φLstを変化させた際のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかるスパイラル装荷モノポールアンテナにおいて、ＶＳＷＲ特性が良好となるように無給電素子の巻き始め角φLstを設定した際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナの一構成例の周波数に対するＶＳＷＲ特性を、従来の例と対比して示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナの２つの構成例の周波数に対するＶＳＷＲ特性を、従来の例と対比して示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナのスパイラルアームの巻き終わり角φendを約５．７０３π〔rad〕とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナのスパイラルアームの巻き終わり角φendを約５．９３３π〔rad〕とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態におけるスパイラル装荷モノポールアンテナのスパイラルアームの巻き終わり角φendを約６．２０３π〔rad〕とした際の周波数に対するＶＳＷＲ特性を示す図である。
【符号の説明】
１ スパイラル装荷モノポールアンテナ、１１ 第１スパイラルアーム、１２ 第２スパイラルアーム、１３ 第１無給電素子、１４ 第２無給電素子、１５ モノポール素子、１６ 第１短絡ピン、１７ 第２短絡ピン、１８ グランドプレーン、１９ 給電線、Ｂ 中心点、Ｐ 接合点、Ｑ 接合点、Ｓfd 給電点
Claims (1)
- グランドプレーン上にほぼ垂直に配置されたモノポール素子と、
該モノポール素子の先端に装荷されていると共に、前記グランドプレーンにほぼ水平に展開されたスパイラル素子と、
該スパイラル素子の外周にほぼ対称に配置された一対のスパイラル無給電素子とを備え、
前記スパイラル素子は、一対のスパイラルアームを回転対称に配置して構成されており、該一対のスパイラルアームにおける点対称の所定の位置に、グランドプレーンに短絡する短絡ピンが接続され、
前記スパイラル無給電素子の巻き始め端がＬ字状に折曲されて、前記グランドプレーンに短絡されていると共に、前記モノポール素子の給電点と、前記短絡ピンとを結ぶ線上の近傍に、前記スパイラル無給電素子の巻き始め端が位置していることを特徴するスパイラル装荷モノポールアンテナ。
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