JP5793052B2 - スパイラルアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、例えばＥＴＣ（Electronic Toll Collection）システムやＧＰＳ（Global Positioning System）等の車載アンテナに使用されるスパイラルアンテナに関する。

従来のスパイラルアンテナは、広帯域の円偏波放射型アンテナであり、アームの回転方向により、偏波面の旋回方向が決定する。スパイラルアンテナ単体では、放射ビームが双方向性であり、反射板をスパイラル素子の後方に設置することにより単方向性の指向性を持たせることが可能である。

図７及び図８は従来の単線式アルキメデススパイラルアンテナ１０の構成を示したもので、図７はスパイラルアンテナ１０の斜視図、図８は図７のＰ−Ｑ線断面図である。
従来のスパイラルアンテナ１０は、例えば正方形に形成された反射板１１の上面に該反射板１１と同じ大きさで厚さｔ_１の誘電体１２が積層され、この誘電体１２の上面に単線式アルキメデス型のスパイラル素子１３が設けられる。また、スパイラル素子１３には、外周側の端部と反射板１１との間に終端抵抗１４が設けられ、中心側の端部と反射板１１との間に給電される。

上記スパイラル素子１３は、通常の線路で構成され、周波数に影響なく一定の旋回方向の円偏波をスパイラルの法線方向であるＺ方向に放射する。
通常、スパイラル素子１３と反射板１１との間隔ｔ_１（誘電体１２の厚さ）は１／４λ（λは使用周波数における波長）が最適であるが、アンテナ高を低くする技術として、スパイラル素子１３の最外周と反射板１１との間に吸収材を装荷する方法と、反射板１１の代わりに電磁気的バンドギャップ板を後方設置する方法が確立されている。その場合のスパイラル素子１３と反射板１１あるいは電磁気的バンドギャップ板との間隔ｔ_１は、０．０７λである。

また、本発明に関連する公知技術として、例えばモノポールアンテナやダイポールアンテナ等の直線状のアンテナ素子にメタマテリアル（左手系素子）の技術を適用し、右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）伝送線路）で円偏波を実現する技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

図９は一般的なＣＲＬＨ伝送線路の等価回路を示している。このＣＲＬＨ伝送線路の等価回路は、線路に直列に設けられる右手系リアクタンスＬ_Ｒ（Ｌ_Ｒ＝Ｌ_Ｒ／２＋Ｌ_Ｒ／２）及び左手系キャパシタンスＣ_Ｌ（１／Ｃ_Ｌ＝１／（２Ｃ_Ｌ）＋１／（２Ｃ_Ｌ））、線路に並列に設けられる左手系リアクタンスＬ_Ｌ及び右手系キャパシタンスＣ_Ｒによって構成される。

上記ＣＲＬＨ伝送線路は、位相定数が周波数特性を持ち、位相定数が負になるときは左手系伝送線路として、正になるときは右手系伝送線路として動作する。一方、通常の伝送線路においては、左手系キャパシタンスＣ_Ｌ及び左手系リアクタンスＬ_Ｌは存在せず、位相定数が一定であり、周波数に関係なく右手系伝送線路として動作する。

特開２００７−３２５１１８号公報 特開２００６−３３３４２９号公報

上記のように従来のスパイラルアンテナは、スパイラル素子１３と反射板１１との間隔ｔ_１は１／４λが最適であるが、アンテナ高を低くする技術として、スパイラル素子１３の最外周と反射板１１との間に吸収材を装荷する方法、あるいは反射板１１の代わりに電磁気的バンドギャップ板を後方設置する方法を用いることによって、スパイラル素子１３と反射板１１との間隔、又はスパイラル素子１３と電磁気的バンドギャップ板との間隔を０．０７λまで狭くすることが可能である。

しかし、最近では車載アンテナの高さを更に低くことが要求されている。従来のアンテナ高を低くする技術を用いた場合、スパイラル素子１３と反射板１１との間の間隔ｔ_１は０．０７λが限度であり、それ以上狭くすることは困難である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、スパイラル素子をＣＲＬＨ伝送線路にて構成することにより、周波数短縮効果を利用してアンテナ高を低くでき、かつ、円偏波の旋回方向を給電する周波数に応じて変化することが可能であり、しかも、その現象を単一のアンテナで実現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する。

第１の発明に係るスパイラルアンテナは、反射板と、前記反射板上に積層される所定の厚さの誘電体と、前記誘電体の上面に形成されて円偏波を放射する複数のユニットセルからなるスパイラル素子と、前記スパイラル素子の一方の端部と前記反射板との間に給電する給電手段と、前記スパイラル素子の他方の端部と前記反射板との間に設けられる終端抵抗とを具備し、前記ユニットセルは、前記スパイラル素子の線路に直列にキャパシタンスを装荷すると共に、前記線路と前記反射板との間に接続ピンを介してリアクタンスを装荷して右手／左手系複合伝送線路を構成し、特定周波数未満で左手系伝送線路、特定周波数以上で右手系伝送線路として動作するようにしたことを特徴とする。

第２の発明は、前記第１の発明に係るスパイラルアンテナにおいて、前記ユニットセルは、前記スパイラル素子の線路に直列に１対のキャパシタンスを装荷すると共に、前記１対のキャパシタンス間の線路と前記反射板との間にリアクタンスを装荷して右手／左手系複合伝送線路を構成したことを特徴とする。

第３の発明は、前記第１又は第２の発明に係るスパイラルアンテナにおいて、前記誘電体の厚さを約０．０１波長に設定したことを特徴とする。
第４の発明は、前記スパイラルアンテナを単線式とし、前記複数のユニットセルの夫々の線路幅、ピッチ間隔、前記キャパシタンス及び前記リアクタンスを、前記右手／左手系複合伝送線路の全体に亘って一定としたことを特徴とする。

本発明によれば、スパイラル素子と反射板との間を短縮してアンテナの薄型化を図ることができ、例えば車両の上部など、高さが制限された空間においても容易に使用することができる。また、右手／左手系複合伝送線路からなる複数のユニットセルによりスパイラル素子を構成することで、給電周波数に応じて円偏波の旋回方向を変化させることが可能であり、かつ、単一のアンテナで実現することができる。

本発明の一実施形態に係るスパイラルアンテナの概略構成を示す斜視図である。 図１に示したスパイラルアンテナのＰ−Ｑ線断面図である。 （ａ）は同実施形態におけるスパイラル素子の一部を拡大して示す上面図、（ｂ）は同スパイラル素子の断面図である。 同実施形態に係るスパイラルアンテナにおける位相定数の周波数特性示す図である。 同実施形態に係るスパイラルアンテナのＶＳＷＲ特性（電圧定在波比特性）を示す図である。 （ａ）は同実施形態に係るスパイラルアンテナの２．６ＧＨｚの周波数における指向性を示す図、（ｂ）は同スパイラルアンテナの３．６ＧＨｚ周波数における指向性を示す図である。 従来のスパイラルアンテナの概略構成を示す斜視図である。 図７に示したスパイラルアンテナのＰ−Ｑ線断面図である。 一般的なＣＲＬＨ伝送線路の等価回路図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る３ＧＨｚ帯の単線式アルキメデススパイラルアンテナ２０の概略構成を示す斜視図、図２は図１に示したスパイラルアンテナ２０のＰ−Ｑ線断面図である。また、図３（ａ）はスパイラルアンテナ２０におけるスパイラル素子の一部を拡大して示す上面図、（ｂ）は同スパイラル素子の断面図である。

図１に示すようにスパイラルアンテナ２０は、例えば金属板を用いて正方形に形成された反射板２１の上面に該反射板２１と同じ大きさで厚さｔ_０の誘電体２２が積層され、この誘電体２２の上面に単線式アルキメデス型のスパイラル素子２３が設けられる。このスパイラル素子２３には、図２に示すように外周側の端部と反射板２１との間に終端抵抗（純抵抗）２４が接続される。この終端抵抗２４は、入射インピーダンス、放射インピーダンスの広帯域特性の劣化を防ぐ作用を持ち、給電インピーダンスと同じ値例えば５０オームに設定される。上記スパイラル素子２３は、外周の一辺の長さＬ_Ｍが例えば６０ｍｍで、外周長４Ｌ_Ｍは２４０ｍｍに設定される。

また、上記スパイラルアンテナ２０は、図示しないが反射板２１の下側中央部に設けられた同軸給電用コネクタを介して給電される。上記コネクタは、中心導体が反射板２１及び誘電体２２の中心部に設けられた透孔内を絶縁した状態で誘電体２２の上面に導出されてスパイラル素子２３の中心側端部に接続される。また、上記コネクタの外部導体は、反射板２１に接続される。

上記スパイラル素子２３は、ＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）伝送線路（右手／左手系複合伝送線路）を用いて構成したもので、線路に対して非常に小さい複数のコンデンサ例えばチップタイプのコンデンサを左手系キャパシタンスＣ_Ｌとして所定の間隔で直列に設けている。

また、スパイラル素子２３は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように左手系キャパシタンスＣ_Ｌで分割することにより複数のセル２５を構成している。セル２５には、スパイラル素子２３と反射板２１とを電気的に接続する所定長さのビア（接続ピン）２６が挿入され、更にビア２６と反射板２１との間に左手系リアクタンスＬ_Ｌが装荷される。この場合、ビア２６は、セル２５に対して例えば一つ置きに設けられる。上記左手系キャパシタンスＣ_Ｌ及び左手系リアクタンスＬ_Ｌの定数は、ＣＲＬＨのブロッホインピーダンス（ＣＲＬＨの周期条件を考慮に入れた伝送線路の特性インピーダンス）が終端抵抗２４と等しい５０オームになるように調整される。

上記スパイラル素子２３は、図３に示すようにビア２６が設けられたセル２５と、その前後の１／２のセル２５_１、２５_２と、上記セル２５の前後に設けられた１対の左手系キャパシタンスＣ_Ｌ及び左手系リアクタンスＬ_Ｌによって１つのユニットセル３０を構成し、ＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）特性を実現している。

上記ユニットセル３０は、左手系キャパシタンスＣ_Ｌ、左手系リアクタンスＬ_Ｌ、ピッチ間隔ｐ、線路幅ｗ、誘電体２２の厚さｔ_０、誘電体２２の比誘電率ε_ｒの値を例えば次のように設定し、３ＧＨｚ未満では左手系線路、３ＧＨｚ以上で右手系線路として動作するように調整する。

Ｃ_Ｌ＝１．４５ｐＦ
Ｌ_Ｌ＝３．９９ｍＨ
ｐ ＝１０ｍｍ
ｗ ＝４．２ｍｍ
ｔ_０＝１．６ｍｍ
ε_ｒ＝２．６
なお、上記の値は一例を示したものであり、その他の値に設定してもよいことは勿論である。
上記スパイラルアンテナ２０におけるユニットセル３０の等価回路は、図９にて説明した一般的なＣＲＬＨ伝送線路の等価回路と同様の構成となっている。すなわち、上記左手系キャパシタンスＣ_Ｌ（１／Ｃ_Ｌ＝１／（２Ｃ_Ｌ）＋１／（２Ｃ_Ｌ））及びユニットセル３０の線路によって形成される右手系リアクタンスＬ_Ｒ（Ｌ_Ｒ＝Ｌ_Ｒ／２＋Ｌ_Ｒ／２）が線路に対して直列に設けられると共に、上記左手系リアクタンスＬ_Ｌ及びユニットセル３０の線路と誘電体２２を介して反射板２１との間に形成される右手系キャパシタンスＣ_Ｒが線路に並列に設けられる。

上記ＣＲＬＨ伝送線路によって構成されるユニットセル３０は、図４に示すように位相定数βｐが周波数特性を持ち、位相定数βｐが負になるときは左手系伝送線路として動作し、位相定数βｐが正になるときは右手系伝送線路として動作する。図４は、上記スパイラルアンテナ２０の分散特性（位相定数の周波数特性）を示している。

この実施形態で示したスパイラルアンテナ２０では、３ＧＨｚの周波数でバランス状態となるように設定され、３ＧＨｚ未満の周波数で左手系伝送線路、３ＧＨｚ以上の周波数で右手系伝送線路の特性を示すようになっている。具体的には、左手系伝送線路では２．６ＧＨｚの周波数、右手系伝送線路では３．６ＧＨｚの周波数で良好な特性が得られるように設定している。

図５は上記実施形態に係るスパイラルアンテナ２０のＶＳＷＲ特性で、目的とする２．６ＧＨｚを含む２．０〜２．９ＧＨｚの周波数範囲、及び３．６ＧＨｚを含む３．１〜４ＧＨｚの周波数範囲におけるＶＳＷＲを測定して示したものである。上記図５から明らかなように、目的とする２．６ＧＨｚの周波数、及び３．６ＧＨｚの周波数では、「ＶＳＷＲ＝２」以下となり、良好な値が得られている。

図６は上記実施形態に係るスパイラルアンテナ２０の水平面指向性を示したもので、（ａ）は２．６ＧＨｚの周波数における水平面指向性を示し、（ｂ）は３．６ＧＨｚの周波数における水平面指向性を示している。また、図６（ａ）、（ｂ）において、破線Ｅ_Ｌは左旋円偏波の指向性を示し、実線Ｅ_Ｒは右旋円偏波の指向性を示している。

図６（ａ）に示す２．６ＧＨｚの周波数では、左旋円偏波Ｅ_Ｌにおいて利得の大きい単方向性の指向性を示し、右旋円偏波Ｅ_Ｒにおいては利得が小さく、かつ単方向性の指向性となっていない。
また、図６（ｂ）に示す３．６ＧＨｚの周波数では、右旋円偏波Ｅ_Ｒにおいて利得の大きい単方向性の指向性を示し、左旋円偏波Ｅ_Ｌにおいては利得が小さく、かつ単方向性の指向性となっていない。

従って、上記スパイラルアンテナ２０は、２．６ＧＨｚの周波数では左旋円偏波用のアンテナとして作用させ、３．６ＧＨｚの周波数では右旋円偏波用のアンテナとして作用させることで、効率的に使用することができる。この結果、単一のアンテナにより、周波数に応じて右旋円偏波用、左旋円偏波用に変化させることが可能となる。

また、上記実施形態に係るスパイラルアンテナ２０では、誘電体２２の厚さｔ_０、すなわち、反射板２１とスパイラル素子２３との間隔を１．６ｍｍ（約０．０１λ）まで小さくでき、アンテナの薄型化を図ることができる。なお、上記λは使用周波数における波長であり、この場合の例では２．６ＧＨｚの周波数における波長を示している。

なお、上記実施形態では、単線式アルキメデス型のスパイラルアンテナ２０に実施した場合について示したが、その他の形状のスパイラルアンテナであっても実施することが可能である。
また、上記実施形態では、３ＭＨｚ帯を使用したスパイラルアンテナ２０に実施した場合について示したが、それ以外の周波数や用途に提供するように構成してもよいなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各部の構成要素を適宜に変形して実施することが可能である。

２０…スパイラルアンテナ、２１…反射板、２２…誘電体、２３…スパイラル素子、２４…終端抵抗、２５、２５_１、２５_２…セル、２６…ビア、３０…ユニットセル。

Claims (4)

1. 反射板と、前記反射板上に積層される所定の厚さの誘電体と、前記誘電体の上面に形成されて円偏波を放射する複数のユニットセルからなるスパイラル素子と、前記スパイラル素子の一方の端部と前記反射板との間に給電する給電手段と、前記スパイラル素子の他方の端部と前記反射板との間に設けられる終端抵抗とを具備し、
   前記ユニットセルは、前記スパイラル素子の線路に直列にキャパシタンスを装荷すると共に、前記線路と前記反射板との間に接続ピンを介してリアクタンスを装荷して右手／左手系複合伝送線路を構成し、特定周波数未満で左手系伝送線路、特定周波数以上で右手系伝送線路として動作するようにしたことを特徴とするスパイラルアンテナ。
2. 前記ユニットセルは、前記スパイラル素子の線路に直列に１対のキャパシタンスを装荷すると共に、前記１対のキャパシタンス間の線路と前記反射板との間にリアクタンスを装荷して右手／左手系複合伝送線路を構成したことを特徴とする請求項１に記載のスパイラルアンテナ。
3. 前記誘電体の厚さを約０．０１波長に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載のスパイラルアンテナ。
4. 前記スパイラルアンテナは単線式であり、
   前記複数のユニットセルの夫々の線路幅、ピッチ間隔、前記キャパシタンス及び前記リアクタンスは、前記右手／左手系複合伝送線路の全体に亘って一定であることを特徴とする請求項１に記載のスパイラルアンテナ。

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