JP4533619B2

JP4533619B2 - ヘリカルアンテナ及びそのアレイアンテナ

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Publication number: JP4533619B2
Application number: JP2003395352A
Authority: JP
Inventors: 崇徳野呂
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP2005159725A

Description

この発明は、広帯域での電波の送受信が可能なヘリカルアンテナ及びそのアレイアンテナに関し、例えば衛星通信用に用いて好適なヘリカルアンテナ及びそのアレイアンテナに関する。

ヘリカルアンテナは、螺旋状の構造を有するアンテナであり、このヘリカルアンテナが電気的に接続される送受信機との間で歪のない伝送を可能とするために整合回路が必要とされる。しかし、整合回路として共振回路やスタブを用いると、これらの周波数特性が狭帯域であるため、ヘリカルアンテナを広帯域用として使用することができない。

また、利得を増加するために、上記した整合回路とヘリカルアンテナを素子アンテナとして複数配置したアレイアンテナを製作する場合、各ヘリカルアンテナへの励振分布の調整と、整合回路の設置自体が困難になる。このようなアレイアンテナでは、各素子アンテナの配置位置に応じて整合回路の回路構成を変更し、各素子アンテナへの励振分布を調整する必要があることから、整合回路を含めたアレイアンテナへの給電回路が複雑かつ大規模な回路となり、アレイアンテナの小型化が給電回路によって制限されるという問題がある。その上、給電回路の複雑化により、アレイアンテナの特性劣化という問題や開発期間が長くなり、コストが増加する。

広帯域性を失うことなくヘリカルアンテナを整合させる技術が、提案されている（特許文献１参照）。

この特許文献１には、ヘリックスを構成する棒状のエレメントをネジで接続してヘリックス、すなわちヘリカル構造体を組み立てる。そして、このヘリカル構造体を構成する最初のエレメントの始端を地導体板に接続し、この接続位置近傍に給電点を設け、この給電点に整合用線材の始点（一端）を接続し、この始点から前記整合用線材を前記最初のエレメントに対して所要間隔でかつ所要長さだけ平行に配し、整合用線材の他端を地導体板に接続することでヘリカルアンテナを整合させ、かつ組立を完了する技術が開示されている。この技術によれば、広帯域で整合をとることが可能であるとされている。

特開平１１−１７４３７号公報（図１、図２）

しかしながら、上記従来技術に係るヘリカルアンテナの整合技術では、棒状のヘリカルアンテナに対し、整合用線材を立体的に沿わせて組み立てる必要があるので、構造が複雑である。そのため、製造工数が増加し、かつ組立時に特性がばらついてしまうという問題がある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、広帯域で整合することを可能とするヘリカルアンテナ及びそのアレイアンテナを提供することを目的とする。

また、この発明は、構造が簡単で組立性がよく、したがって特性のばらつきが少ないヘリカルアンテナ及びそのアレイアンテナを提供することを目的とする。

さらに、この発明は、量産性に優れ、製造コストの低いヘリカルアンテナ及びそのアレイアンテナを提供することを目的とする。

この発明のヘリカルアンテナは、ストリップ導体により形成したヘリカル構造体と、前記ヘリカル構造体の中心軸に対して、面が垂直になるように配置した地導体板とを備え、前記ヘリカル構造体を形成する前記ストリップ導体の前記地導体板側の端部に前記ストリップ導体の幅を変えた整合領域を設け、かつ前記整合領域と前記地導体板との間に間隙を設け、前記整合領域を、前記地導体板に対して一辺が平行となる長方形導体とし、前記間隙を一定間隔としたことを特徴とする（請求項１記載の発明）。

この発明によれば、整合領域をストリップ導体の幅を変えた領域としているので、整合領域がヘリカル構造体に一体化されたヘリカルアンテナを作成することができ、また、この一辺と地導体板との間に形成される間隙の間隔は一定間隔となる。

ストリップ導体の幅を変えた整合領域と地導体板との間に間隙を設けることで整合をとるようにしているので広帯域で整合することができる。

また、整合領域をヘリカル構造体に一体的に設けているので、構造が簡単で、組立性がよく、かつ特性のばらつきが少なく、したがって、量産性に優れ、結果として製造コストの低いヘリカルアンテナを作製することができる。

なお、ヘリカル構造体としては、シリンドリカル構造体又はコニカル構造体を採用することができる（請求項２記載の発明）。

ヘリカル構造体を、誘電体にストリップ導体を巻き付けた構造とし、誘電体にストリップ導体を巻き付けたヘリカル構造体を、前記誘電体を介して地導体板に取り付けるようにすることで、ヘリカル構造体を地導体板上に簡易に支持することができる（請求項３記載の発明）。

なお、上記のように構成されるヘリカルアンテナを素子アンテナとしたアレイアンテナを作製することで、アレイアンテナの小型化、低コスト化を達成することができる（請求項４記載の発明）。

この発明に係るヘリカルアンテナ及びそのアレイアンテナによれば、ヘリカル構造体を構成するストリップ導体の幅を変えた整合領域と地導体板との間に間隙を設けることで整合をとっているので広帯域に整合することが可能である。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この実施形態にかかる導体幅ｔ（ｔ＝１０［ｍｍ］）のストリップ導体１０を誘電体のフイルム１２上に形成したフレキシブルプリント配線基板１４の展開図を示している。

フレキシブルプリント配線基板１４上に形成されたストリップ導体１０の一端部側（始端側）には、ストリップ導体１０の導体幅ｔを変えた整合領域１６が形成されている。この整合領域１６は、幅Ｗ、長さＬの長方形導体であるストリップ導体になっている。整合領域１６の長さＬは、ストリップ導体１０の導体幅ｔよりも大きくなっている（Ｌ＞ｔ）。また、整合領域１６の始端側の長さＬを有する辺と、フイルム１２の図１中、底辺との間の距離、後述する間隙ｄは、一定間隔になっている。

図２は、ストリップ導体１０が形成されたフレキシブルプリント配線基板１４を、比誘電率がなるべく空気に近くなるように発泡スチロール等の誘電体（発泡誘電体）からなる円柱１８に巻き付けたヘリカル構造体（シリンドリカル構造体）２０と、このヘリカル構造体２０の中心軸ＣＡに対して、地導体２６の面２１が垂直になるように配置した地導体板２２とを備えるヘリカルアンテナ２４の一部断面正面図を示している。

この図２例において、ヘリカルアンテナ２４のストリップ導体１０は、整合領域１６を含めて略２巻きとなっている。円柱１８の大きさは、規格化周波数ｆ０に対応する規格化波長をλ０とするとき、高さＨがＨ＝０．４１×λ０、直径ＤがＤ＝０．３５×λ０になっている。また、巻き間隔であるピッチｐに関するピッチ角αは、１０．５゜｛α＝ｔａｎ−（ｐ／πＤ）｝になっている。

ここで、ヘリカル構造体２０を形成するストリップ導体１０の整合領域１６の幅Ｗは、ヘリカルアンテナ２４の入力インピーダンスの実部が所望の値になるように決定する。幅Ｗを短くすれば入力インピーダンスの実部が増加し、長くすれば低下する。また、整合領域１６中、地導体２６に対して平行に配置された辺（地導体２６の面（導体面）２１に対向する辺）の長さＬと、整合領域１６の長さＬを有する対向辺と地導体２６との間の間隙ｄとを適切な値に選定することにより、ヘリカルアンテナ２４の入力インピーダンスの虚部を所望の値に決定することができる。長さＬを長くかつ間隙ｄを短くすると、より容量性となる。

地導体板２２は、上下両面側の地導体２６、２８と、この地導体２６、２８間に挟まれた誘電体３０、３２と、誘電体３０、３２との間に挟まれた内部ストリップ導体３４とから構成されている。すなわち、この実施形態において、地導体板２２は、導体層が３層のプリント配線基板で構成される所定インピーダンスＺ０のトリプレート線路を構成している。トリプレート線路を構成する心線としての内部ストリップ導体３４がビヤホール３６を介してストリップ導体１０の始端側に形成された整合領域１６に電気的に接続され、給電点３８を形成している。

図３は、図２に示したヘリカルアンテナ２４の上面図を示している。給電点３８は、ヘリカル構造体２０の側面の母線上に設けられている。

図４は、図３に示すヘリカルアンテナ２４を構成するヘリカル構造体２０のＩＶ−ＩＶ線断面図を示している。

上述した、３つのパラメータ、すなわち整合領域１６の幅Ｗ、長さＬ及び間隙ｄとを、規格化周波数ｆ０において、適切な値に選定することにより、広帯域にわたり良好にインピーダンス整合を達成することができる。なお、これら３つのパラメータを適切な値に選択することにより、所望のインピーダンスに整合させることができる。なお、電波は、ヘリカル構造体２０の中心軸ＣＡの方向に放射される。

図５は、上記３つのパラメータが適切に設定されたヘリカルアンテナ２４の規格化周波数ｆ０に対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性４５（実線）と、比較例としての従来技術にかかるヘリカルアンテナの特性４６（一点鎖線）、並びに、この従来技術にかかるヘリカルアンテナに対して外部整合回路を用いた特性４７（点線）をそれぞれ示す。

図５から分かるように、この実施例のヘリカルアンテナ２４に対応する特性４５は、規格化周波数ｆ０＝１に対して、±５［％］の範囲でＶＳＷＲの値が１．１以下になっている。なお、例えば、衛星通信用として、アンテナの受信周波数帯域を１．５２５〜１．５９９［ＧＨｚ］、送信周波数帯域を１．６２５〜１．６６０５［ＧＨｚ］とする場合、規格化周波数ｆ０＝１を１．５９２［ＧＨｚ］に設定すると、１．５９２×０．９５＝１．５１２［ＧＨｚ］〜１．５９２×１．０５＝１．６７２［ＧＨｚ］の広帯域な周波数範囲で良好に整合がとれることが分かる。

図６は、図２及び図３に示したヘリカルアンテナ２４を素子アンテナとして、地導体と給電線を構成するプリント配線基板５０上に４個並べて配置したアレイアンテナ４０の模式的平面図を示している。各ヘリカルアンテナ２４の給電点３８に対して、信号源４４から分配器４２を介して内部ストリップ導体３４により並列給電方式で信号が給電される構成となっている。このアレイアンテナ４０では、個別のヘリカルアンテナ２４に対してアンテナ利得を大きくすることができる。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、ヘリカル構造体２０を構成するストリップ導体（ヘリカル導体）１０の整合領域１６をストリップ導体１０の幅ｔを変えた領域としているので、整合領域１６がヘリカル構造体２０に一体化されたヘリカルアンテナ２４を作成することができる。また、長さＬの整合領域１６と地導体２６とを一定間隙ｄだけ離したことにより、広帯域性を損なうことなく整合をとることができる。

また、ヘリカルアンテナ２４に対して別体となる整合回路等を必要としないので、アレイアンテナ４０の小型化が可能である。この場合、給電回路をプリント配線基板５０に設けることができるので、各素子アンテナであるヘリカルアンテナ２４への励振分布の設定が容易となり、給電回路を原因とするアレイアンテナ４０の性能の劣化を最小限に抑制することができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、図７に示すように、整合領域１６を有するストリップ導体１０Ａが形成されたフレキシブルプリント配線基板１４Ａを、発泡スチロール等の誘電体からなる円錐１８Ａに巻き付けたヘリカル構造体（コニカル構造体）２０Ａと、このコニカル構造体２０Ａの中心軸に対して、地導体２６の面２１が垂直になるように配置した地導体板２２とを備えるヘリカルアンテナ２４Ａとすることも可能である。なお、コニカル構造体２０Ａは、コニカルログスパイラル形状とすることができる。

また、図２例により示したプリント配線基板で構成される地導体板２２に代替して、図８に示すように、金属導体板、たとえばアルミニウム製の地導体板２２Ｂを用いるヘリカルアンテナ２４Ｂ等とすることができる。アルミニウム製の地導体板２２Ｂを用いる場合、給電点３８の直下の位置に開口５８を明け、その開口５８に導体板２２Ｂの反対側から同軸ケーブル６０を通し、同軸ケーブル６０の心線６２を整合領域１６に半田等により接続する構成にすればよい。

さらに、この発明では、円柱１８や円錐２８Ａは、円筒あるいは中空の円錐等に変更することが可能であり、これらの材料は発泡スチロールに限らず、非発泡の合成樹脂を用いることができる。合成樹脂である必要はないが、環境温度・湿度等の変化により誘電率の変化の少ない絶縁材料が好ましい。さらにまた、上述した実施例においては、巻き数を２巻きとしているが、用途等に応じて変更が可能であることはいうまでもない。

図１は、この実施形態にかかるストリップ導体が形成されたフレキシブルプリント配線基板の展開図である。図２は、この実施形態にかかるヘリカルアンテナの一部断面正面図である。図３は、ヘリカルアンテナの上面図である。図４は、図３に示すヘリカルアンテナを構成するヘリカル構造体のＩＶ−ＩＶ線断面図である。整合特性を示す線図である。図６は、アレイアンテナの模式的平面図である。図７は、他の実施形態にかかるヘリカルアンテナの斜視図である。図８は、さらに他の実施形態にかかるヘリカルアンテナの一部断面正面図である。

符号の説明

１０、１０Ａ…ストリップ導体１２…フイルム
１４、１４Ａ…フレキシブルプリント配線基板
１６…整合領域１８…円柱
１８Ａ…円錐２０…ヘリカル構造体（シリンドリカル構造体）
２０Ａ…ヘリカル構造体（コニカル構造体）
２１…面２２、２２Ｂ…地導体板
２４、２４Ａ、２４Ｂ…ヘリカルアンテナ
２６、２８…地導体３０、３２…誘電体
３４…内部ストリップ導体３８…給電点
４０…アレイアンテナ４５〜４７…特性
５０…プリント配線基板６０…同軸ケーブル

Claims

ストリップ導体により形成したヘリカル構造体と、
前記ヘリカル構造体の中心軸に対して、面が垂直になるように配置した地導体板とを備え、
前記ヘリカル構造体を形成する前記ストリップ導体の前記地導体板側の端部に前記ストリップ導体の幅を変えた整合領域を設け、かつ前記整合領域と前記地導体板との間に間隙を設け、前記整合領域を、前記地導体板に対して一辺が平行となる長方形導体とし、前記間隙を一定間隔とした
ことを特徴とするヘリカルアンテナ。
請求項１記載のヘリカルアンテナにおいて、
前記ヘリカル構造体が、シリンドリカル構造体又はコニカル構造体である
ことを特徴とするヘリカルアンテナ。
請求項１又は２記載のヘリカルアンテナにおいて、
前記ヘリカル構造体が、誘電体に前記ストリップ導体を巻き付けた構造とされ、前記ヘリカル構造体を、前記誘電体を介して前記地導体板に取り付けた
ことを特徴とするヘリカルアンテナ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘリカルアンテナを素子アンテナとした
ことを特徴とするアレイアンテナ。