JP5293645B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリカルアンテナを備えたアンテナ装置に関するものである。

従来、良好な円偏波特性を有する線状アンテナとして、ヘリカルアンテナが広く利用されている。

このようなヘリカルアンテナは、単一で用いると指向性制御が困難である。そこで、特許文献１に示されるように、複数のヘリカルアンテナを反射板の同一面に配列したアレー構造のものが知られている。

特開平８−７８９９４６号公報

しかしながら、特許文献１に示されるアレー構造のアンテナ装置では、アンテナビームの形状を維持したまま指向性を制御するために、各ヘリカルアンテナを使用波長λの１／２の間隔で配置する必要がある。このため、アンテナ装置を小型化するのが困難である。

これに対し、本出願人は、２つのヘリカルアンテナを備えたアンテナ装置を提案している（特願２００９−７５４５号）。このアンテナ装置は、第１アンテナ及び第２アンテナの２つの軸モードヘリカルアンテナを有している。第１アンテナは、地板の一面に対して垂直方向に延びており、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのα倍（αは正の整数）の一定長さで螺旋状に巻き上げられた第１螺旋部を有している。一方、第２アンテナは、地板の一面に対して垂直方向に延びており、第１螺旋部の軸方向に垂直な方向において第１螺旋部の外側に間隔をあけて配置されるとともに、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのβ倍（βはαより大きい正の整数）の一定長さで螺旋状に巻き上げられた第２螺旋部を有している。

また、上記先願のアンテナ装置は、発信器、該発信器に接続された分配器、分配器の出力側及び第１アンテナの給電点に接続された第１位相器、分配器の出力側及び第２アンテナの給電点に接続された第２位相器を有する給電回路を備えている。

例えば、第１螺旋部の１回巻き部分の周囲長が使用波長λとほぼ同じ（α＝１）場合、第１アンテナから放射されるビームの最大利得方向は、地板の一面に垂直な方向、すなわち第１螺旋部の軸方向となる。一方、第２螺旋部の１回巻き部分の周囲長が使用波長λの２倍程度（β＝２）の場合、地板の一面に平行な軸を中心とする回転方向をθ方向（第２螺旋部の軸方向に対する傾き方向）とすると、θ＝３０°が、第２アンテナから放射されるビームの最大利得方向となる。

そして、２つの位相器にて、上記した２つのアンテナにそれぞれ入力される高周波信号の位相差を制御することで、２つのアンテナが同一タイミングで動作し、相互作用にて生じる主ビームのφ方向の指向性を、任意方向（φ方向に３６０°の範囲）に制御できるようになっている。なお、φ方向とは、地板の一面に垂直な方向に沿う軸を中心とする回転方向である。

また、分配器にて、上記した２つのアンテナにそれぞれ入力される高周波信号の強度（振幅）を制御することで、相互作用にて生じる主ビームのθ方向の指向性を、任意方向（θ方向に０°〜３０°の範囲）に制御できるようになっている。

このように、本出願人による先のアンテナ装置は、主ビームのφ方向及びθ方向の指向性を、各アンテナに入力される高周波信号の位相と強度によって制御できる構成となっている。また、第２螺旋部の内側に第１螺旋部を配置することで、複数のヘリカルアンテナを有しながら、上記した特許文献１に示す構成よりも体格を小型化することができる。

本発明者は、このような構成のアンテナ装置について、誘電体による波長短縮効果を利用することで、さらなる体格の小型化を検討した。しかしながら、アンテナの構成によっては、誘電体によって小型化は図れるものの、第２アンテナが狭帯域性となることが明らかとなった。

本発明は上記問題点に鑑み、２つの軸モードヘリカルアンテナを有し、主ビームのφ方向及びθ方向の指向性を、各アンテナに入力される高周波信号の位相と強度によって制御できるアンテナ装置において、小型化と広帯域化を図ることを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１に記載の発明は、
地板と、
地板の一面上に配置された誘電体と、
誘電体の内部に配置された部分として、地板の一面に対して垂直方向に延び、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのｍ倍（ｍは正の整数）の一定長さで螺旋状に巻き上げられた第１螺旋部を有する第１アンテナと、
誘電体の内部に配置された部分として、第１螺旋部の軸方向に垂直な方向において第１螺旋部の外側に間隔をあけて配置されるとともに第１螺旋部の軸方向に沿って螺旋状に巻き上げられた第２螺旋部を有する第２アンテナと、
発信器、該発信器に接続された分配器、分配器の出力側及び第１アンテナの給電点に接続された第１位相器、分配器の出力側及び第２アンテナの給電点に接続された第２位相器を有する給電回路と、を備え、
第２螺旋部は、地板側の端部から１回巻き部分の周囲長ｋｓが使用波長λのｎ倍（ｎはｍより大きい正の整数）の長さとされるとともに、地板に近い側の第１の１回巻き部分の周囲長ｋ１と、第１の１回巻き部分における地板に遠い側の端部に連続する第２の１回巻き部分の周囲長ｋ２とがｋ１≧ｋ２を満たし、且つ、地板の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の周囲長ｋｅが（ｍ・λ）＜ｋｅ＜ｋｓ（＝ｎ・λ）を満たすように、螺旋状に巻き上げられていることを特徴とする。

本発明者による鋭意検討の結果、第１螺旋部を誘電体の内部に配置し、第２螺旋部を誘電体の表面に巻回した構成では、波長短縮効果が殆ど得られないことが明らかとなった。これに対し、本発明では、第１螺旋部及び第２螺旋部が、ともに誘電体の内部に配置されている。このような構成とすると、誘電体の波長短縮効果により、アンテナの体格、ひいてはアンテナ装置の体格を小型化することができる。

また、鋭意検討の結果、第２螺旋部が、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのｎ倍（ｎはｍより大きい正の整数）の一定長さで巻き上げられた構成、例えば第２螺旋部が、軸方向に垂直な断面形状が円形とされ、１回巻き部分の直径が軸方向のいずれの箇所でも一定とされた構成では、誘電体のないと第２アンテナの帯域が広帯域であり、誘電体があると狭帯域となること明らかとなった。

このように、アンテナが狭帯域性を有すると、製造ばらつきが生じた際に、所望の使用波長λが第２アンテナ、ひいては２つのアンテナの帯域から外れ、アンテナが安定して動作しない恐れがある。

このような誘電体による狭帯域化は、第２螺旋部に流れる進行波電流から放射された電界が誘電体と外部雰囲気（空気）との境界で反射されて反射波が生じ、この反射波により第２螺旋部に反射波電流が誘起されることで、第２螺旋部に定在波が生じるためであると考えられる。また、このような電界の反射は、第２螺旋部において、地板から離れた部分ほど、電界が軸方向に垂直な方向において地板の遠くの部分まで作用するため、電界が誘電体と外部雰囲気（空気）との境界に到達しやすく、影響が大きくなると考えられる。

これに対し、本発明では、第２螺旋部の１回巻き部分の周囲長が一定でなく、地板側の端部から１回巻き部分の周囲長が最も長く、地板の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の周囲長が最も短くなっている。また、連続する任意の２つの１回巻き部分において、地板に遠い側の第２の１回巻き部分の周囲長ｋ２が、地板に近い側の第１の１回巻き部分の周囲長ｋ１以上の長さとなっている。

したがって、誘電体の大きさが同じであれば、１回巻き部分の周囲長が一定長さで巻き上げられた構成の第２螺旋部に比べて、電界の反射の影響を低減することができる。そして、これにより、第２アンテナの帯域を従来よりも広帯域とすることができる。

以上より、本発明によれば、２つの軸モードヘリカルアンテナを有し、主ビームのφ方向及びθ方向の指向性を、各アンテナに入力される高周波信号の位相と強度によって制御できるアンテナ装置において、小型化と広帯域化を図ることができる。

具体的には、請求項２に記載のように、第２螺旋部として、地板の一面から遠ざかるほど１回巻き部分の周囲長が短くなるようなテーパを有して、螺旋状に巻き上げられた構成を採用することができる。

より具体的には、請求項４に記載のように、第２螺旋部として、地板の一面に対して垂直な方向において、１回巻き部分の周囲長の変化量が一定のテーパを有したものを採用することができる。これによれば、変化量が一定であるので、テーパを持った第２螺旋部を形成しやすいという利点がある。

なお、テーパとしては、上記以外にも、１回巻き部分の周囲長の変化量が地板に近いほど大きいテーパや、１回巻き部分の周囲長の変化量が地板に近いほど小さいテーパを採用することもできる。

また、請求項３に記載のように、第２螺旋部が、地板の一面から遠ざかるほど１回巻き部分の周囲長が短くなる部分と、連続する複数の１回巻き部分の周囲長が等しい部分を含む構成としても良い。このように、第２螺旋部の一部に、１回巻き部分の周囲長が変化しない部分を含む構成も採用が可能である。

請求項５に記載のように、第１螺旋部の１回巻き部分の周囲長は使用波長と同じ（ｍ＝１）長さとされ、第２螺旋部の地板側の端部から１回巻き部分の周囲長ｋｓは、使用波長の２倍（ｎ＝２）の長さとされた構成を採用すると良い。これによれば、使用波長に対してアンテナの体格を最も小型化することが可能である。

請求項６に記載のように、第１螺旋部及び第２螺旋部は、ともに軸方向に垂直な断面形状が円形とされ、第２螺旋部は、第１螺旋部に対して径方向外側に配置された構成としても良い。この場合、請求項７に記載のように、第２螺旋部において、地板側の端部から１回巻き部分の直径Ｄｓと、地板の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の直径Ｄｅとの比（Ｄｅ／Ｄｓ）が０．７以上０．８以下の範囲内となるように、第２螺旋部が構成されることが好ましい。

上記した本発明によれば、軸方向に垂直な方向において、第１螺旋部と第２螺旋部の間隔が、１回巻き部分の周囲長が一定長さで巻き上げられた第２螺旋部を有する構成のアンテナ装置に比べて、部分的に狭くなる。このため、第１螺旋部に流れる進行波電流に対して、第２螺旋部にイメージ電流が誘起され、このイメージ電流により、第１螺旋部の進行波電流が一部相殺され、第１アンテナの利得、ひいては２つのアンテナの利得が低下する恐れがある。

これに対し、上記条件を満たすように第２螺旋部を設定すると、第２アンテナの帯域を、誘電体無しの状態の帯域以上の広さとすることができ、且つ、第１アンテナの利得を、１回巻き部分の周囲長が一定長さで巻き上げられた第２螺旋部を有する構成の第１アンテナの利得と同程度（±０．２５ｄＢｉの範囲内）とすることができる。

参考例としての、アンテナ装置の概略構成を示す図である。 参考例として、図１に示す構成に、誘電体を付加したアンテナ装置の、アンテナ付近の概略構成を示す図である。 図１、図２に示すアンテナ装置の、周波数と電圧定在波比（ＶＳＷＲ）との関係を示す図である。 図１に示すアンテナ装置の、第２螺旋部にて生じる電界を示す模式的な図である。 図２に示すアンテナ装置の、第２螺旋部にて生じる電界を示す模式的な図である。 第１実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。 図６に示すアンテナ装置の、第２螺旋部にて生じる電界を示す模式的な図である。 図６に示すアンテナ装置の、周波数と電圧定在波比（ＶＳＷＲ）との関係を示す図である。 テーパを有する第２螺旋部に誘起されるイメージ電流を示す図である。 シミュレーションに用いたアンテナ装置の構成を示す図である。 第２螺旋部のテーパの度合い、第１アンテナの利得、及び第２アンテナの帯域の関係を示す図である。 第２螺旋部の変形例を示す図である。 第２螺旋部の変形例を示す図である。

本発明の実施形態について説明する前に、本発明者が本発明を創作するに至った経緯を説明する。

図１は、上記した本出願人による先願（特願２００９−７５４５号）に示されたアンテナ装置を示している。なお、図１に示すように、地板２０の螺旋部３１,４１が配置される一面に沿う方向で、且つ、互いに直交する２軸方向を、ｘ軸方向、ｙ軸方向とし、地板２０の厚さ方向を、ｚ軸方向としている。また、ｚ軸を中心とする回転方向をφ方向とし、ｙ軸を中心とする回転方向をθ方向としている。

また、以下に示すアンテナ３０，４０（螺旋部３１，４１）の長さ、方向の規定については、その文言が、完全一致のみを指すのではなく、ほぼ一致を指すものとする。例えば、「２倍の長さ」との記載は、２倍程度の長さを指し、「垂直方向」との記載は、略垂直方向を指すものとする。

図１に示すアンテナ装置１０は、２つの軸モードヘリカルアンテナを有している。第１アンテナ３０は、地板２０の一面に対して垂直方向（ｚ軸方向）に延び、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのα倍（αは正の整数）の一定長さで螺旋状に巻き上げられた第１螺旋部３１を有している。すなわち、第１螺旋部３１の軸方向がｚ軸方向と平行となっている。

一方、第２アンテナ４０は、第１螺旋部の軸方向（ｚ軸方向）に垂直な方向において第１螺旋部の外側に間隔をあけて配置されるとともに第１螺旋部３１の軸方向（ｚ軸方向）に沿って延び、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのβ倍（βはαより大きい正の整数）の一定長さで螺旋状に巻き上げられた第２螺旋部４１を有している。

これらアンテナ３０，４０は、線材を、軸方向に垂直な断面形状（１回巻き部分の、軸方向に垂直な平面形状）が円形となるように巻回してそれぞれ形成されている。そして、第２螺旋部４１は、第１螺旋部３１に対して径方向外側に配置されている。また、図１に示す例では、第１螺旋部３１の１回巻き部分の周囲長が使用波長λと同じ長さ（α＝１）とされ、第２螺旋部４１の１回巻き部分の周囲長が使用波長λの２倍の長さ（β＝２）となっている。したがって、第２螺旋部４１の直径Ｄの長さは、２λ／πとなっている。

また、図１に示すアンテナ装置１０では、地板２０が所定の厚さを有する平板状とされ、その一面が円形となっている。そして、地板２０における一面の中心を、第１アンテナ３０の第１螺旋部３１の軸と、第２アンテナ４０の第２螺旋部４１の軸が通るように、２つのアンテナ３０，４０が配置されている。すなわち、第１螺旋部３１と第２螺旋部４１とは、地板２０の一面の中心に対してほぼ同心円状に配置されている。このため、軸方向（ｚ軸方向）に垂直な方向において、外側に位置する第２アンテナの第２螺旋部４１から地板２０の端部までの距離は、軸周り（ｚ軸周り）全周でほぼ同じとなっている。

また、アンテナ装置１０は、各アンテナ３０，４０へ高周波信号を供給する給電回路５０を備えている。この給電回路５０は、高周波信号を生成して出力する発信器５１と、この発信器５１に接続されるとともに、入力された高周波信号を分配する分配器５２を有している。この分配器５２は、各位相器５３，５４に入力される高周波信号の強度（振幅）を制御する機能を有している。すなわち、２つのアンテナ３０，４０にそれぞれ入力される高周波信号の強度比を任意に制御できる構成となっている。

また、給電回路５０は、分配器５２から入力された高周波信号の位相を調整する位相器５３，５４を有している。第１位相器５３は、第１アンテナ３０の給電点３２に接続され、第２位相器５４は、第２アンテナ４０の給電点４２に接続されている。そして、２つの位相器５３，５４により、２つのアンテナ３０，４０にそれぞれ入力される高周波信号の位相差を制御することができるようになっている。

このような構成のアンテナ装置１０によれば、２つのアンテナ３０，４０を同一のタイミングで動作させ、相互作用にて生じる主ビームのφ方向及びθ方向の指向性を、各アンテナに入力される高周波信号の位相と強度によって制御することができる。また、第２螺旋部４１の内側に第１螺旋部３１を配置しているため、複数のヘリカルアンテナ３０，４０を有しながら、体格の小型化を図ることができる。

なお、図１に示すアンテナ装置１０の構成及び作用効果の詳細については、特願２００９−７５４５号に記載されているので、詳細な説明は割愛する。

本発明者は、このような構成のアンテナ装置１０について、誘電体を用いることでさらなる体格の小型化を検討した。図２は、図１に示すアンテナ装置１０において、地板２０の一面上に誘電体６０を配置するとともに、２つのアンテナ３０，４０の螺旋部３１，４１を、誘電体６０の内部に配置した構成を示している。

図２に示す構成では、ｚ軸方向に所定の厚さを有した略円柱状の誘電体６０を採用しており、ｚ軸に垂直な方向において、誘電体６０の直径を、地板２０の一面の直径とほぼ一致させている。すなわち、誘電体６０が、地板２０の一面全面を覆うように配置されている。

なお、本発明者が検討したところ、第１螺旋部３１を誘電体６０の内部に配置し、第２螺旋部４１を誘電体６０の表面に巻回した構成では、第２アンテナ４０に対して波長短縮効果が殆ど得られないことが明らかとなった。一方、第２螺旋部４１も誘電体６０内に配置すると、誘電体６０の波長短縮効果により、アンテナ３０，４０の体格、ひいてはアンテナ装置１０の体格を小型化することができることも明らかとなった。この場合、第２螺旋部４１の直径Ｄの長さは、２λ／（π・ε^１／２）となる（図５参照）。

そこで、以下においては、図２に示すように、誘電体６０の内部に螺旋部３１，４１を配置した構成について説明する。

本発明者は、図１及び図２に示したアンテナ装置１０において、第２アンテナ４０の帯域をそれぞれ調査した。その結果、誘電体６０を有さない構成（図１に示す構成）では、図３に実線で示すように、第２アンテナ４０が広帯域性を示した。一方、誘電体６０を有する構成（図２に示す構成）では、図３に破線で示すように、第２アンテナ４０が狭帯域性を示した。

このように、誘電体６０の有無による第２アンテナ４０の帯域の変化は、本発明者による電磁界シミュレーションの結果などから、以下の理由によるものと考えられる。

誘電体６０を有さない構成（図１に示す構成）では、第２アンテナ４０の動作時に、給電点４２から該給電点４２とは反対側の先端に向けて、第２アンテナ４０を構成する線材の表面を進行波電電流が流れる。すなわち、図４に示すように、第２螺旋部４１にも進行波電流４３が流れる。このように、第２アンテナ４０に進行波電流４３が流れるため、第２アンテナ４０は軸モードヘリカルアンテナとして動作し、これにより、第２アンテナ４０は広帯域性を示す。

このとき、進行波電流４３から電界が放射される。なお、図４に実線矢印で示す符号４４は、進行波電流４３から放射された主たる電界を示している。図４に断面で示される３つの第２螺旋部４１を、地板２０に近い側から第１の１回巻き部分４１ａ、第２の１回巻き部分４１ｂ、第３の１回巻き部分４１ｃとすると、各１回巻き部分４１ａ〜４１ｃにおける進行波電流４３（高周波電流）の位相は同一極性となる。このため、各１回巻き部分４１ａ〜４１ｃに流れる進行波電流４３から放射された主たる電界４４は、ｚ軸方向に垂直な方向において各１回巻き部分４１ａ〜４１ｃから離れた地板２０の部分に向けて放射される。また、第２螺旋部４１のうち、地板２０に対して遠い１回巻き部分（例えば第３の１回巻き部分４１ｃ）ほど、ｚ軸方向に垂直な方向において遠くの位置まで、電界４４が放射されることとなる。なお、図４では、便宜上、進行波電流４３から放射された電界のうち、第２螺旋部４１よりも外側の主たる電界４４のみを図示している。

一方、図５に示すように、誘電体６０を有する構成（図２に示す構成）では、第２アンテナ４０に進行波電流が流れると、第２螺旋部４１に流れる進行波電流４３から電界が放射される。図５に破線矢印で示す符号４４ａは、進行波電流４３から放射された主たる電界を示している。この電界４４ａは、第２螺旋部４１に流れる電流のうち、進行波電流４３のみを考慮した仮想的な電界であり、進行波電流４３を同じとすると図４に示した電界４４と同じである。なお、図５では、電界４４ａ,４７や螺旋部３１，４１などを分かりやすくするために、敢えて誘電体６０の断面指示ハッチングを省略している。

しかしながら、誘電体６０と外部雰囲気である空気とは媒質が異なるため、電界４４ａの一部は、誘電体６０と空気の境界、換言すれば誘電体６０の側面６０ａにて反射される。このため、誘電体６０内に電界４４ａの反射波４５（反射電界）が発生し、この反射波４５によって、第２アンテナ４０（第２螺旋部４１）に反射波電流４６が誘起される。この反射波電流４６は、進行波電流４３と逆向きに流れ、これにより第２アンテナ４０に定在波が発生する。

このように、誘電体６０があると、電界４４ａの反射波４５により第２アンテナ４０に定在波が生じ、この結果、図３に破線で示したように、第２アンテナ４０が狭帯域性を示すものと考えられる。

なお、図５に示すように、反射波４５が生じると、電界４４ａのｚ軸に垂直な方向成分の一部が相殺され、相殺されずに残ったｚ軸に垂直な方向成分とｚ軸方向成分とのベクトル和が、第２螺旋部４１に流れる電流（進行波電流４３及び反射波電流４６）から放射された実質的な電界４７となる。したがって、ｚ軸に垂直な方向において、実質的な電界４７は、仮想的な電界４４ａよりも第２螺旋部４１に近い位置に放射されることとなる。このように、第２アンテナ４０の動作時に、第２螺旋部４１に流れる電流から放射された主たる電界４７は、誘電体６０の内部に閉じ込められる。

また、図５に破線矢印で示す仮想的な電界４４ａと実線矢印で示す実質的な電界４７との、地板２０への到達点の差は、第２螺旋部４１のうち、地板２０に対して遠い１回巻き部分（例えば第３の１回巻き部分４１ｃ）ほど大きくなる。

そこで、本発明者は、図２に示したアンテナ装置１０において、体格の小型化を図りつつ、第２アンテナ４０の帯域を広帯域化、具体的には、誘電体６０がない状態と同程度以上の帯域とするため、さらに鋭意検討をおこなった。以下に示す実施形態は、上記鋭意検討の結果、得られた知見に基づくものである。

（第１実施形態）
以下において、上記図１、図２に示した参考例の要素と同一若しくは関連する要素には、同一の符号を付与するものとする。また、方向の規定も、上記参考例と同じものとする。

また、以下に示すアンテナ３０，４０（螺旋部３１，４１）の長さ、方向の規定については、その文言が、完全一致のみを指すのではなく、ほぼ一致を指すものとする。例えば、「２倍の長さ」との記載は、２倍程度の長さを指し、「垂直方向」との記載は、略垂直方向を指すものとする。

本実施形態に係るアンテナ装置１０は、狭域通信用のアンテナ装置として好適である。狭域通信用のアンテナ装置は、ＩＴＳ（高度道路交通システム）で用いられる、小ゾーン（数ｍ〜数十ｍの比較的近い距離）での双方向の無線通信、例えばＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communications）用のアンテナ装置である。このようなアンテナ装置としては、米国でのＷＡＶＥ（Wireless for the Vehicular Environment）に用いられるアンテナ装置も含まれる。

狭域通信に用いられる電波の中心周波数は、日本では中心周波数５．８ＧＨｚ、米国では中心周波数５．９ＧＨｚである。狭域通信用のアンテナ装置との間で双方向の通信をなすインフラとしては、路側機や他の車両の車載器（アンテナ）などが考えられる。

本実施形態では、アンテナ装置１０が、ＥＴＣ用のアンテナ装置となっている。ＤＳＲＣの一例であるＥＴＣは、周知の通り、有料道路の料金所に設置された路側機（基地局）と車両に設置されたＥＴＣ用のアンテナ装置との無線通信により、車両を停止することなく自動的に料金の支払いを処理するシステムである。なお、ＥＴＣ（自動料金授受システム）は、財団法人道路システム高速化推進機構の登録商標である。

図６に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置１０は、図１及び図２に示したアンテナ装置１０とほぼ同じ構成を有している。

具体的には、アンテナ装置１０が、地板２０（換言すれば反射板）と、地板２０の一面上に配置された誘電体６０を有している。本実施形態では、一例として、図１の構成同様、所定の厚さを有する平面円形状の地板２０を採用している。また、略円柱状の誘電体６０を採用しており、ｚ軸に垂直な方向において、誘電体６０の直径が地板２０の一面の直径とほぼ一致している。このような誘電体６０としては、樹脂やセラミックからなるものを採用することができる。

また、アンテナ装置１０は、２つのアンテナ３０，４０を有している。第１アンテナ３０は、誘電体６０の内部に配置された部分として、地板２０の一面に対して垂直方向（ｚ軸方向）に延び、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのｍ倍（ｍは正の整数）の一定長さで螺旋状に巻き上げられた第１螺旋部３１を有している。一方、第２アンテナ４０は、誘電体６０の内部に配置された部分として、第１螺旋部３１の軸方向（ｚ軸方向）に垂直な方向において第１螺旋部３１の外側に間隔をあけて配置されるとともに第１螺旋部３１の軸方向に沿って螺旋状に巻き上げられた第２螺旋部４１を有している。すなわち、ｚ軸方向に垂直な方向において、第２螺旋部４１が第１螺旋部３１を包囲するように配置されている。

本実施形態では、一例として、図１の構成同様、線材を、軸方向に垂直な断面形状（１回巻き部分の、軸方向に垂直な平面形状）が円形となるように巻回して、第１螺旋部３１及び第２螺旋部４１が形成されている。そして、第２螺旋部４１は、第１螺旋部３１に対して径方向外側に配置されている。また、地板２０における円形の一面の中心を、第１螺旋部３１の軸及び第２螺旋部４１の軸が通るように、２つのアンテナ３０，４０が配置されている。すなわち、第１螺旋部３１と第２螺旋部４１とは、地板２０の一面の中心に対してほぼ同心円状に配置されている。このため、軸方向（ｚ軸方向）に垂直な方向において、外側に位置する第２アンテナの第２螺旋部４１から地板２０の端部までの距離が、軸周り（ｚ軸周り）全周でほぼ同じとなっている。

また、アンテナ装置１０は、各アンテナ３０，４０へ高周波信号（進行波電流）を供給する給電回路５０を備えている。この給電回路５０の構成は、図１と同じである。すなわち、給電回路５０は、発信器５１、該発信器５１に接続された分配器５２、分配器５２の出力側及び第１アンテナ３０の給電点３２に接続された第１位相器５３、分配器５２の出力側及び第２アンテナ４０の給電点４２に接続された第２位相器５４を有している。

そして、このような構成のアンテナ装置１０において、本実施形態では、第２アンテナ４０における第２螺旋部４１の形状に特徴がある。

第２螺旋部４１において、地板２０側の端部から１回巻き部分の周囲長ｋｓは、使用波長λのｎ倍（ｎはｍより大きい正の整数）の長さとされている。また、任意の連続する２つの１回巻き部分のうち、地板２０に近い側の第１の１回巻き部分の周囲長ｋ１と、地板２０に遠い側の第２の１回巻き部分の周囲長ｋ２とがｋ１≧ｋ２を満たし、且つ、地板２０の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の周囲長ｋｅが（ｍ・λ）＜ｋｅ＜ｋｓ（＝ｎ・λ）を満たしている。

本実施形態では、一例として、第１螺旋部３１及び第２螺旋部４１の巻き数が３となっており、各螺旋部３１,４１のピッチが互いにほぼ等しくなっている。また、地板２０から先端までの長さ（高さ）も、第１螺旋部３１と第２螺旋部４１とでほぼ等しくなっている。

また、第１螺旋部３１の１回巻き部分の周囲長は、使用波長λと同じ長さ（ｍ＝１）となっている。すなわち、１波長相当の長さとなっている。また、第２螺旋部４１において、地板２０側の端部から１回巻き部分の周囲長ｋｓは、使用波長λの２倍（ｎ＝２）の長さとなっている。すなわち、２波長相当と長さとなっている。これにより、第２螺旋部４１において、地板２０側の端部から１回巻き部分の直径Ｄｓは、図７に示すように、２λ／（π・ε^１／２）となっている。

また、第２螺旋部４１は、図６及び図７に示すように、地板２０の一面から遠ざかるほど、１回巻き部分の周囲長が短くなるようなテーパを有して、螺旋状に巻き上げられている。換言すれば、地板２０の一面から遠ざかるほど、１回巻き部分の直径が小さくなるようなテーパを有して、螺旋状に巻き上げられている。

より詳しくは、図７に示すように、第２螺旋部４１が、ｚ軸方向において１回巻き部分の周囲長の変化量が一定のテーパ、換言すれば直線状のテーパを有している。ここで、図７に断面で示される３つの第２螺旋部４１を、地板２０に近い側から第１の１回巻き部分４１ａ、第２の１回巻き部分４１ｂ、第３の１回巻き部分４１ｃとすると、第１の１回巻き部分４１ａの周囲長がｋｓ、第３の１回巻き部分４１ｃの周囲長がｋｅとなる。第２の１回巻き部分４１ｂの周囲長をｋｍとすると、ｋｓ＞ｋｍ＞ｋｅとなっている。また、第１の１回巻き部分４１ａと第２の１回巻き部分４１ｂの周囲長の差（ｋｓ−ｋｍ）が、第２の１回巻き部分４１ｂと第３の１回巻き部分４１ｃの周囲長の差（ｋｍ−ｋｅ）と等しくなっている。

これにより、第２螺旋部４１において、地板２０の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の直径Ｄｅは、上記した地板２０側の端部から１回巻き部分の直径Ｄｓよりも小さく、且つ、第１螺旋部３１の直径よりも大きい値となっている。なお、図７においても、電界４８や螺旋部３１，４１などを分かりやすくするために、敢えて誘電体６０の断面指示ハッチングを省略している。

次に、このように構成されたアンテナ装置１０において、第２アンテナ４０を広帯域化できる理由について説明する。なお、図７では、比較として、図５に示した第２螺旋部４１と、該第２螺旋部４１に流れる進行波電流４３から放射される電界４４ａとを、破線で示している。

第２アンテナ４０に進行波電流が流れると、第２螺旋部４１に流れる進行波電流４３から電界が放射される。図７に実線矢印で示す電界４８は、進行波電流４３から放射された主たる電界を示している。

本実施形態では、上記したように、第２螺旋部４１が、地板２０の一面から遠ざかるほど、１回巻き部分の周囲長が短くなるようなテーパを有して、螺旋状に巻き上げられている。これにより、第２螺旋部４１のうち、地板２０に対して遠い１回巻き部分ほど、ｚ軸方向に垂直な方向において、誘電体６０と空気との境界、すなわち誘電体６０の側面６０ａまでの距離が長くなっている。地板２０側の端部から１回巻き部分の周囲長ｋｓ（地板２０側の端部から１回巻き部分の直径Ｄｓ）を同じとすると、図７に示すように、第２の１回巻き部分４１ｂから誘電体６０の側面６０ａまでの距離と、第３の１回巻き部分４１ｃから誘電体６０の側面６０ａまでの距離が、一定の周囲長で巻き上げられた第２螺旋部４１（図７の破線）に比べて長くなっている。

このため、各１回巻き部分４１ａ〜４１ｃに流れる進行波電流４３から放射された電界４８、特に第２の１回巻き部分４１ｂや第３の１回巻き部分４１ｃに流れる進行波電流４３から放射された電界４８は、誘電体６０と空気との境界で反射されるまえに、地板２０の一面に到達する。

このように、本実施形態によれば、進行波電流４３から放射される電界の、誘電体６０と空気との境界での反射を低減することができる。そして、これにより、誘電体６０を有さない構成での主たる電界４４と同等の主たる電界４８を確保することができる。また、反射を低減できるので、第２アンテナ４０の定在波が生じるのを抑制することができ、この結果、図８に実線で示すように、第２アンテナ４０の帯域を、誘電体なしの場合（図３参照）と同等の広帯域性とすることができる。なお、図８では、比較として、誘電体６０を有しつつ第２螺旋部４１がテーパなし（図２に示す構成）、第２アンテナ４０の帯域を破線で示している。

以上示したように、本実施形態に係るアンテナ装置１０によれば、誘電体６０の波長短縮効果により、ｚ軸に垂直な方向において第２アンテナ４０の体格を、誘電体６０を有さない構成の１／ε^１／２倍の大きさとすることができる。第２アンテナ４０の第２螺旋部４１は、第１アンテナ３０の第１螺旋部３１の外側に配置されており、２つのヘリカルアンテナ３０,４０の体格は、第２アンテナ４０によって決定される。したがって、上記した波長短縮効果により、アンテナ３０，４０、ひいてはアンテナ装置１０の体格を、誘電体６０を有さない構成に比べて小型化することができる。

また、このように小型化しつつ、第２螺旋部４１をテーパ形状とすることで、第２アンテナ４０の狭帯域化を抑制することができる。本実施形態に係るアンテナ装置１０は、２つの軸モードヘリカルアンテナ３０，４０を有し、主ビームのφ方向及びθ方向の指向性を、各アンテナ３０，４０に入力される高周波信号の位相と強度によって制御する構成のものである。したがって、第２アンテナ４０の狭帯域化を抑制することで、主ビームの狭帯域性も抑制することができる。

これにより、製造ばらつきが生じても、所望の使用波長λが第２アンテナ４０の帯域内に含まれる。そして、第２アンテナ４０、ひいては２つのアンテナ３０，４０は、使用波長λで安定して動作することができる。

また、本実施形態で例示したように、第１螺旋部３１の１回巻き部分の周囲長を使用波長λと同じ（ｍ＝１）長さとし、第２螺旋部４１の地板２０側の端部から１回巻き部分４１ａの周囲長ｋｓを使用波長λの２倍（ｎ＝２）の長さとすると、使用波長λに対してアンテナ３０，４０の体格を最も小型化することが可能である。

（第２実施形態）
上記実施形態の構成を採用すると、第２螺旋部４１のうち、地板２０の一面からｚ軸方向において離れた１回巻き部分ほど、第２螺旋部４１の内側に位置する第１螺旋部３１との間隔が狭くなり、２つのアンテナ３０，４０間に相互作用が生じやすくなる。例えば、図９に示すように、第１螺旋部３１に流れる進行波電流３３により、第２螺旋部４１に進行波電流３３とは逆向きのイメージ電流４９が誘起され、間隔が狭いほどイメージ電流が増加する。このため、地板２０の一面側に第１アンテナ３０から放射されるビームの利得が低下してしまう。

そこで、本発明者は、第２アンテナ４０の帯域を、誘電体６０を有さない構成（図１、図４参照）と同等以上としつつ、第１アンテナ３０のアンテナ利得を、一定周囲長の第２螺旋部４１を有する構成（図２、図５参照）と同程度とすることのできる、第２螺旋部４１の形状についてシミュレーションを用いて検討を行った。

シミュレーションに用いた構成は、第１実施形態に示した構成と同じである。具体的には、第１螺旋部３１及び第２螺旋部４１の巻き数を３とし、各螺旋部３１,４１のピッチを互いに等しくした。地板２０から先端までの長さ（高さ）も、第１螺旋部３１と第２螺旋部４１とでほぼ等しくした。

また、第１螺旋部３１の１回巻き部分の周囲長を、使用波長λと同じ長さ（ｍ＝１）とし、第２螺旋部４１において、地板２０側の端部から１回巻き部分（第１の１回巻き部分４１ａ）の周囲長ｋｓを使用波長λの２倍（ｎ＝２）の長さとした。すなわち、地板２０側の端部から１回巻き部分の直径Ｄｓを、２λ／（π・ε^１／２）とした。

具体的には、図１０に示すように、誘電体６０の比誘電率εを７とした。ｚ軸方向において、地板２０の厚みを０．０１λ、第１螺旋部３１及び第２螺旋部４１の高さを０．１１λ、地板２０における一面の裏面から誘電体６０の表面までの厚みを０．１４λとした。

また、ｚ軸に垂直な方向において、第１螺旋部３１の直径をλ／（π・ε^１／２）にほぼ等しい長さ０．１λ、第２螺旋部４１の直径Ｄｓを２λ／（π・ε^１／２）に等しい長さ０．２４λ、地板２０の直径を、直径Ｄｓの約２倍の０．４５λとした。

さらに、ｚ軸方向において１回巻き部分の周囲長の変化量が一定のテーパを有する第２螺旋部４１において、地板２０の一面にもっとも遠い１回巻き部分（第３の一回巻き部分４１ｃ）の直径Ｄｅを、上記直径Ｄｓを基準にＤｓ×テーパ係数Ｓとした。すなわち、テーパ係数Ｓが１．０のとき、第２螺旋部４１の形状は、１回巻き部分の周囲長が一定、すなわち、直径Ｄが上記Ｄｓで一定となる。このテーパ係数Ｓが、特許請求の範囲に記載の比（Ｄｅ／Ｄｓ）に相当する。

そして、テーパ係数Ｓが種々の値をとったときの、第１アンテナ３０のアンテナ利得と第２アンテナ４０の帯域とを求めた。その結果を図１１に示す。

図１１では、白抜き四角（□）が第１アンテナ３０の利得を示し、白抜き三角（△）が第２アンテナ４０の帯域を示している。それぞれのデータは、テーパ係数Ｓが、０．５〜１．０まで０．１刻みで示されている。

一定周囲長の第２螺旋部４１、すなわちテーパ係数Ｓが１．０のとき、図１１に示すように第１アンテナ３０の利得は約５ｄＢｉである。そして、図１１に示すように、テーパ係数Ｓを０．７以上１．０未満とすれば、テーパ係数Ｓが１．０のときの第２アンテナ４０のアンテナ利得と同程度（５±０．２５ｄＢｉの範囲内）にできるのが明らかである。

一方、一定周囲長の第２螺旋部４１、すなわちテーパ係数Ｓが１．０のとき、図１１に示すように第２アンテナ４０の帯域は、２５０ＭＨｚ程度である。また、図１０に示す構成において誘電体６０を無くした構成（図１、図４参照）での、第２アンテナ４０の帯域は、９００ＭＨｚ程度であった。そして、図１１に示すように、テーパ係数Ｓを０．８以下（図１１では０．５以上）とすれば、第２アンテナ４０の帯域を、誘電体６０の無い構成における第２アンテナ４０の帯域と同等以上にできることが明らかである。

このように、地板２０側の端部から１回巻き部分４１ａの直径Ｄｓと、地板２０の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の直径Ｄｅとの比（Ｄｅ／Ｄｓ）、すなわちテーパ係数Ｓが、０．７以上０．８以下の範囲内となるように、第２螺旋部４１を構成すると、第２アンテナ４０の帯域を、誘電体６０を有さない構成と同等以上としつつ、第１アンテナ３０のアンテナ利得を、誘電体６０を有しつつ一定周囲長の第２螺旋部４１を有する構成と同程度とすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、第１螺旋部３１の１回巻き部分の周囲長を使用波長λと同じ（ｍ＝１）長さとし、第２螺旋部４１の地板２０側の端部から１回巻き部分４１ａの周囲長ｋｓを使用波長λの２倍（ｎ＝２）の長さとする例を示した。しかしながら、第１螺旋部３１の１回巻き部分の周囲長は使用波長λのｍ倍（ｍは正の整数）の長さとされ、第２螺旋部４１の地板２０側の端部から１回巻き部分４１ａの周囲長ｋｓは使用波長λのｎ倍（ｎはｍより大きい正の整数）の長さであれば良い。

本実施形態では、地板２０の一面から遠ざかるほど、１回巻き部分の周囲長が短くなるようなテーパを有する第２螺旋部４１の例として、図７に示したように、ｚ軸方向において１回巻き部分の周囲長の変化量が一定のテーパ（直線状のテーパ）を有する例を示した。しかしながら、例えば図１２に示すように、ｚ軸方向において１回巻き部分の周囲長の変化量が地板２０に近いほど大きいテーパを有する第２螺旋部４１を採用することもできる。この場合、第１の１回巻き部分４１ａと第２の１回巻き部分４１ｂの周囲長の差（ｋｓ−ｋｍ）が、第２の１回巻き部分４１ｂと第３の１回巻き部分４１ｃの周囲長の差（ｋｍ−ｋｅ）よりも大きくなっている。なお、図１２においても、螺旋部３１，４１を分かりやすくするために、敢えて誘電体６０の断面指示ハッチングを省略している。

また、図示しないが、ｚ軸方向において１回巻き部分の周囲長の変化量が地板２０に近いほど小さいテーパを有する第２螺旋部４１を採用することもできる。

さらには、第２螺旋部４１として、地板の一面から遠ざかるほど１回巻き部分の周囲長が短くなる部分と、連続する複数の１回巻き部分の周囲長が等しい部分を含む構成を採用することもできる。すなわち、第２螺旋部４１の一部に、１回巻き部分の周囲長が変化しない部分を含む構成も採用が可能である。

一例として示す図１３では、第２螺旋部４１が、地板２０に近い側から第１の１回巻き部分４１ａ、第２の１回巻き部分４１ｂ、第３の１回巻き部分４１ｃ、第４の１回巻き部分４１ｄを有している。この構成では、第１の１回巻き部分４１ａの周囲長がｋｓ、第４の１回巻き部分４１ｄの周囲長がｋｅとなっている。第２の１回巻き部分４１ｂの周囲長をｋｍ１、第３の１回巻き部分４１ｃの周囲長をｋｍ２とすると、ｋｍ１とｋｍ２が等しい長さとなっている。そして、各周囲長はｋｓ＞ｋｍ１＝ｋｍ２＞ｋｅの関係を満たしている。このような構成としても、一定周囲長の従来の第２螺旋部４１に比べて、第２アンテナ４０を広帯域性とすることができる。なお、図１３においても、螺旋部３１，４１を分かりやすくするために、敢えて誘電体６０の断面指示ハッチングを省略している。

なお、図１３に示す例では、第２の１回巻き部分４１ｂの周囲長をｋｍ１と、第３の１回巻き部分４１ｃの周囲長ｋｍ２を等しくしているが、連続する複数の１回巻き部分の周囲長が等しい部分は、上記例に限定されるものではない。例えば、第１の１回巻き部分４１ａと第２の１回巻き部分４１ｂの周囲長が互いに等しい構成や、第３の１回巻き部分４１ｃと第４の１回巻き部分４１ｄの周囲長が互いに等しい構成を採用することもできる。

本実施形態では、第１螺旋部３１及び第２螺旋部４１の断面形状（１回巻き部分の、ｚ軸方向に垂直な平面形状）がともに円形とされる例を示した。しかしながら、必ずしも円形に限定されるものではない。多角形としても良い。その際、地板２０の一面の平面形状も、１螺旋部３１及び第２螺旋部４１の断面形状と同じ形状とし、第１螺旋部３１及び第２螺旋部４１の軸が、地板２０の一面の中心を通るように配置された構成とすると良い。これによれば、第２アンテナ４０の第２螺旋部４１から、地板２０の端部までの距離を、軸周り全周でほぼ一定とすることができる。

また、本実施形態では、第１螺旋部３１及び第２螺旋部４１が、いずれも誘電体６０内に完全に埋設される例を示した。しかしながら、例えばｚ軸方向（軸方向）において、各螺旋部３１，４１のうちの、１回巻き部分が複数が誘電体６０内に配置され、給電点３２，４２とは反対の先端側の一部が誘電体６０の外に露出された構成も可能である。

本実施形態では、巻き数３の例を示した。しかしながら、巻き数は上記例に限定されるものではない。

１０・・・アンテナ装置
２０・・・地板
３０・・・第１アンテナ
３１・・・第１螺旋部
４０・・・第２アンテナ
４１・・・第２螺旋部
５０・・・給電回路
６０・・・誘電体

Claims (7)

1. 地板と、
   前記地板の一面上に配置された誘電体と、
   前記誘電体の内部に配置された部分として、前記地板の一面に対して垂直方向に延び、１回巻き部分の周囲長が使用波長λのｍ倍（ｍは正の整数）の一定長さで螺旋状に巻き上げられた第１螺旋部を有する第１アンテナと、
   前記誘電体の内部に配置された部分として、前記第１螺旋部の軸方向に垂直な方向において前記第１螺旋部の外側に間隔をあけて配置されるとともに前記第１螺旋部の軸方向に沿って螺旋状に巻き上げられた第２螺旋部を有する第２アンテナと、
   発信器、該発信器に接続された分配器、前記分配器の出力側及び前記第１アンテナの給電点に接続された第１位相器、前記分配器の出力側及び前記第２アンテナの給電点に接続された第２位相器を有する給電回路と、を備え、
   前記第２螺旋部は、前記地板側の端部から１回巻き部分の周囲長ｋｓが使用波長λのｎ倍（ｎはｍより大きい正の整数）の長さとされるとともに、前記地板に近い側の第１の１回巻き部分の周囲長ｋ１と、前記第１の１回巻き部分における前記地板に遠い側の端部に連続する第２の１回巻き部分の周囲長ｋ２とがｋ１≧ｋ２を満たし、且つ、前記地板の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の周囲長ｋｅが（ｍ・λ）＜ｋｅ＜ｋｓ（＝ｎ・λ）を満たすように、螺旋状に巻き上げられていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第２螺旋部は、前記地板の一面から遠ざかるほど１回巻き部分の周囲長が短くなるようなテーパを有して、螺旋状に巻き上げられていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２螺旋部は、前記地板の一面から遠ざかるほど１回巻き部分の周囲長が短くなる部分と、連続する複数の１回巻き部分の周囲長が等しい部分を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２螺旋部は、前記地板の一面に対して垂直な方向において、１回巻き部分の周囲長の変化量が一定のテーパを有していることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１螺旋部の１回巻き部分の周囲長は使用波長と同じ（ｍ＝１）長さとされ、
   前記第２螺旋部の前記地板側の端部から１回巻き部分の周囲長ｋｓは、使用波長の２倍（ｎ＝２）の長さとされていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１螺旋部及び前記第２螺旋部は、ともに前記軸方向に垂直な断面形状が円形とされ、
   前記第２螺旋部は、前記第１螺旋部に対して径方向外側に配置されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第２螺旋部は、前記地板側の端部から１回巻き部分の直径Ｄｓと、前記地板の一面にもっとも遠い位置の１回巻き部分の直径Ｄｅとの比（Ｄｅ／Ｄｓ）が、０．７以上０．８以下の範囲内となるように、螺旋状に巻き上げられていることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。

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