JP6065807B2 - ヘリカルアンテナ - Google Patents

Description

この発明は円偏波を放射する軸モードのヘリカルアンテナに関するものである。

ヘリカルアンテナは、衛星搭載用のアンテナや移動体通信用端末用のアンテナ等円偏波を放射するアンテナとして広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４０９３０７７号公報（図１）

宇宙空間に曝されるアンテナは、宇宙空間特有の熱環境により、低温側では約−１５０℃まで温度が下がり、高温側では約＋９０℃まで温度が上昇する。この２４０℃という大きな温度変化によって、アルミ合金製のヘリカルワイヤは伸び縮みする。例えば、直径φ２５０ｍｍ、高さ１ｍのアンテナの場合、ワイヤ長は７ｍとなり、伸縮量は約４０ｍｍとなる。ここで、ヘリカルワイヤをワイヤ保持用プレートに多数の点で固定するとワイヤが長さ方向に伸縮し、ヘリカルワイヤと固定されている給電部のマイクロストリップ線路締結部分に力が加わり、長期間にわたる繰り返し応力によって破断する恐れがある。

一方で、ヘリカルワイヤの固定箇所を少なくすると、マイクロストリップ線路へのストレスを緩和させることが可能であるが、ワイヤの固有振動数が下がり、衛星の打ち上げの振動に耐えることができなくなるという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、アンテナの大型化に対応し、かつ宇宙空間での温度変化による給電部にかかるストレスを緩和し、給電部の機械的信頼性を向上させることが可能なヘリカルアンテナを提供することを目的とする。

この発明に係るヘリカルアンテナは、給電コネクタを設けた金属地板と、螺旋状のワイヤ導体と、所定の角度で交差され、前記ワイヤ導体を通す穴を有して前記ワイヤ導体を保持する複数のワイヤ保持用プレートとからなるヘリカルアンテナであって、前記複数のワイヤ保持用プレートのうち、１つのワイヤ保持用プレートの穴は丸穴であって前記ワイヤ導体は前記丸穴部分で固定され、他のワイヤ保持用プレートの穴は長穴であって前記長穴を通る前記ワイヤ導体は前記長穴の中で移動可能であるようにした。

この発明に係るヘリカルアンテナによれば、アンテナの大型化に対応し、かつ宇宙空間での温度変化による給電部にかかるストレスを緩和し、給電部の機械的信頼性を向上させる効果がある。

この発明の実施の形態１に係るヘリカルアンテナの構成を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るヘリカルアンテナの固定部分を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るヘリカルアンテナのワイヤの固定方法を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係るヘリカルアンテナの給電部付近のワイヤの固定箇所を説明する図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるヘリカルアンテナの構成を説明する図である。ヘリカルアンテナ以外の円偏波励振用のアンテナとしては種々あるが、一般的に円偏波励振用の給電回路が別途必要になりアンテナ構成が複雑になる。ヘリカルアンテナは特に円偏波励振用の給電回路を必要としないため、極めてアンテナ構成をシンプルにできる特徴がある。

ヘリカルアンテナは、ヘリカルを構成するワイヤ導体を螺旋状にし、その螺旋状のワイヤ諸元をある励振モードで所望の放射パターンが得られるように適切に選ぶことで円偏波を励振できる。ヘリカルアンテナの中心軸に沿って、先端方向に円偏波を放射するモードとして、軸モードがある。

軸モードのアンテナ構成を、図１〜図３を用いて以下に説明する。
ある有限上の金属地板１に給電部を構成するための給電コネクタ８を設け、給電コネクタ８は同軸型のコネクタを使用し、そのコネクタの内導体２が金属地板１からほぼ垂直状に延びるものとする。

この内導体２に線路導体が接続され、金属地板１をグランドとし、線路導体とでマイクロストリップ線路３が形成される。このマイクロストリップ線路３の先端にヘリカルアンテナを構成するワイヤ導体４が接続される。マイクロストリップ線路３はコネクタからの電力をヘリカルワイヤに伝送する伝送線路であると共に、特性インピーダンス５０オームの同軸コネクタから約１８０オームのヘリカルアンテナへのインピーダンス変換器としての役目も果たすものである。

ヘリカルアンテナのヘリカルを構成するワイヤ導体４を螺旋状に保持するために、ワイヤ保持用プレート５を用いる。ワイヤ保持用プレート５は角度６０度で交差させた３枚の絶縁体の板からなる。各板の外周付近に穴（丸穴（固定箇所）６、長穴（非固定箇所）７）を設け、そこにワイヤを通す。

図２は、ヘリカルアンテナのワイヤの固定部分を説明する図である。図２に示すように、長穴はワイヤ導体４の螺旋中心の放射方向に長径を有する長穴形状を成し、ワイヤ導体４は丸穴の中ではＬ１しか動くことができないが、長穴の中は丸穴よりも長いＬ２だけ動くことができる。さらに、丸穴部分では、近傍に設けたひも通し穴９にひも１０を通し、ワイヤを固定する。

図３は、ヘリカルアンテナのワイヤの固定方法を説明する図である。穴は、ワイヤ導体４がワイヤ保持用プレート５の周りを１周する間に６箇所あり、そのうち１箇所を丸穴（固定箇所）１１とする。
他の５箇所は、周方向に長い長穴（非固定箇所）１２とする。低温環境ではワイヤが熱膨張により縮むため、ワイヤは常温時のワイヤ位置１５から低温時のワイヤ位置１３に移動し、ワイヤは長穴（非固定箇所）１２の、螺旋の中心に近い側を通る。高温環境では逆にワイヤが伸びるため、ワイヤは高温時のワイヤ位置１４に移動し、ワイヤは長穴（非固定箇所）１２の、螺旋の中心から遠い側を通る。

このように、本実施の形態によれば、温度変化時のワイヤの長さ方向の伸縮を、螺旋構造の直径の変動で吸収できる。これにより、熱膨張に起因するヘリカルワイヤとマイクロストリップ線路の締結部分にかかる力を低減でき、長期間使用した場合の繰り返し応力に対する機械的信頼性を向上させる効果がある。特に、アンテナが大型化し、ワイヤ長が長くなる場合により効果がある。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係るヘリカルアンテナの給電部付近のワイヤの固定箇所を説明する図である。
実施の形態２では、最初にワイヤ導体１７をワイヤ保持用プレート２０に固定する場所を、マイクロストリップ線路１６とワイヤ導体１７の締結点から、半周以上離す。すなわち、図４に示したヘリカルアンテナでは、長穴（非固定箇所）２１、２２、２３は固定せず、丸穴（固定箇所）２４で固定する。

本実施の形態によれば、ワイヤのローカルな固有振動数を、衛星の主モードの固有振動数より高くすることにより大きな共振が発生しないようにすることができ、これにより、衛星の打ち上げの振動が加わったときマイクロストリップ線路とヘリカルワイヤの締結点にかかる力は、マイクロストリップ線路が破断しないレベルにすることができる。かつ、ワイヤが熱膨張により縮んだときは低温時のワイヤ位置１８に移動し、ワイヤが伸びたときは高温時のワイヤ位置１９に移動することで、熱膨張によるワイヤの長さ方向の伸縮を螺旋構造の直径の変動で吸収し、マイクロストリップ線路とヘリカルワイヤの締結点にかかる力を低減できる。これにより、ヘリカルアンテナに、宇宙空間での熱環境による繰り返し応力に対する信頼性を維持しつつ、衛星の打ち上げの振動に耐えることができる十分な剛性を持たせる効果がある。

１ 金属地板、２ 内導体、３ マイクロストリップ線路、４ ワイヤ導体、５ ワイヤ保持用プレート、６ 丸穴（固定箇所）、７ 長穴（非固定箇所）、８ 給電コネクタ、９ ひも通し穴、１０ ひも、１１ 丸穴（固定箇所）、１２ 長穴（非固定箇所）、１３ 低温時のワイヤ位置、１４ 高温時のワイヤ位置、１５ 常温時のワイヤ位置、１６ マイクロストリップ線路、１７ ワイヤ導体、１８ 低温時のワイヤ位置、１９ 高温時のワイヤ位置、２０ ワイヤ保持用プレート、２１ 長穴（非固定箇所）、２２ 長穴（非固定箇所）、２３ 長穴（非固定箇所）、２４ 丸穴（固定箇所）。

Claims (5)

1. 給電コネクタを設けた金属地板と、
   螺旋状のワイヤ導体と、
   所定の角度で交差され、前記ワイヤ導体を通す穴を有して前記ワイヤ導体を保持する複数のワイヤ保持用プレートとからなるヘリカルアンテナであって、
   前記複数のワイヤ保持用プレートのうち、１つのワイヤ保持用プレートの穴は丸穴であって前記ワイヤ導体は前記丸穴部分で固定され、他のワイヤ保持用プレートの穴は長穴であって前記長穴を通る前記ワイヤ導体は前記長穴の中で移動可能であること特徴とするヘリカルアンテナ。
2. 前記丸穴部分で前記ワイヤ導体を固定する固定箇所は、前記給電コネクタの内導体と前記ワイヤ導体との締結点から、前記螺旋において半周以上離れていることを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
3. 前記給電コネクタの内導体と前記ワイヤ導体とは伝送線路を介して接続され、前記丸穴部分で前記ワイヤ導体を固定する固定箇所は、前記ワイヤ導体と前記伝送線路との接続点から、前記螺旋において半周以上離れていることを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
4. 前記ワイヤ導体は、前記ワイヤ保持プレートの前記丸穴部分においてひもにより固定されることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載のヘリカルアンテナ。
5. 前記長穴は、前記螺旋の中心とした放射方向が長径であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のヘリカルアンテナ。

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