JP6093004B2 - フラクタルパターンを調節した正弦曲線の外形を持つ小型のヘリカルアンテナ - Google Patents

Description

本発明はヘリカル型アンテナに関し、特に４本巻のヘリカル型プリントアンテナに関する。このアンテナは、特に成層圏バルーンの観測機器用のＬバンドテレメトリシステム（１〜２ＧＨｚの動作周波数、一般的には１．５ＧＨｚ付近）にて応用される。

ヘリカル型プリントアンテナは、シンプルかつ低コストの製品であるという利点を有する。

これらは、特に、成層圏バルーンの観測機器に用いられる円偏波のＬバンドテレメトリ信号に適している。

これらは、良好な軸比を示し、それにより、広い仰角範囲にわたって良好な円偏波を示す。

欧州特許出願公開第０３２０４０４号明細書はヘリカル型プリントアンテナ及びその製造方法を開示している。

そのアンテナは、プリント回路のメタルクラッド群の両側のメタルクラッド材を取り除くことによって得られるメタルストリップの形状をした４本の放射ストランドを有する。プリント回路は、シリンダの周りにらせん状に巻きつけられるように設計される。

しかしながら、これらのアンテナは、良好な性能を示すが、大きくなってしまう。

このタイプのアンテナのサイズを低減するために、蛇行した放射ストランドを有する小型のヘリカルアンテナが提案されている。

Y. Letestu, A. Sharaiha, Ph. Besnier “A size reduced configuration of printed quadrifilar helix antenna”, IEEE workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, 2005, pp. 326−328, March 2005の記事は、そのような小型のアンテナについて記載している。

しかしながら、約３５％の大きさの利益（高さの減少）が得られても、性能、特に交差偏波及び背面放射の性能、が低下してしまい、このタイプのアンテナのサイズを低減しようとするとそのような形式での使用が制限されてしまう。

仏国特許出願公開第２９１６５８１明細書は、フラクタルパターンの繰り返しからなる放射ストランドを有するヘリカルアンテナを開示している。

欧州特許出願公開第０３２０４０４号明細書 仏国特許出願公開第２９１６５８１号明細書

Y. Letestu, A. Sharaiha, Ph. Besnier "A size reduced configuration of printed quadrifilar helix antenna", IEEE workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, 2005, pp. 326−328, March 2005

しかしながら、これらのパターンは、アンテナのサイズを大幅に低減させることができない。

また、直線的なセグメントからなるフラクタルパターンは、小型のアンテナの性能を調整及び最適化するために設計者が使用できる自由度をさらに小さくしてしまう。さらに、与えられたアンテナ高さにおいて、これらのパターンを備えた解決策ははるかに少ない。

本発明は、既知の型のヘリカルアンテナの規模を低減させることができ、特に、そのアンテナの高さを低減させることができる。

この目的を達成するために、第１の態様によれば、本発明に係るヘリカルアンテナは、回転形状、及び、複数の放射ストランド、を有し、各放射ストランドは、正弦曲線からなるセグメントを含むフラクタルパターンの繰り返しによって規定される。

本発明は、次の特徴単独で又は技術的に可能な組み合わせによって有利に補完される。

各セグメントは、ｙ（ｘ）＝Ｓ・ｋ・Ｌ’・ｓｉｎ｛（π／Ｌ’）・ｘ｝によって規定される正弦曲線の半周期に対応するものであって、Ｓは｛−１；＋１｝内の整数値、ｋは正弦曲線の振幅とその半波長との比である。

フラクタルパターンの各セグメントは、同一の長さを有する。

フラクタルは、フォンコッホ型であって、各直線は、正弦曲線のセグメントに置き換えられている。

各放射ストランドは、各ストランドの方向軸が特定距離だけ次のストランドの軸から離れるように、スリーブの外側面にらせん状に巻かれた特定のメタルクラッド領域により構成され、ここで、前記特定距離は、ストランドの軸と、スリーブの方向線の垂直面と、の交点によって各々規定される２点間の距離として、スリーブの方向線の垂直面に沿って規定される。

回転形状は、円筒形状、又は、円錐形状である。

アンテナは４本の同一の放射ストランドを有する。

非コイル状のストランドの長さは約ｋ・（λ／４）であって、λはアンテナの動作波長である。

本発明のその他の特徴及び有利な点は以下の記載から明らかになるが、以下の記載は単なる一例であって限定されるものではない。また、添付の図面を参考にして読まれるべきである。

直線の放射ストランドを有する既知の型のヘリカルアンテナの展開図を模式的に示す図である。 直線の放射ストランドを有する既知の型のヘリカルアンテナの正面図を模式的に示す図である。 直線セグメントを持つフォンコッホ型の基準パターンを示す図である。 正弦曲線セグメントを持つフォンコッホ型の基準パターンを示す図である。 正弦曲線セグメントを持つフォンコッホ型の基準パターンを示す図である。 第１基準パターンにおける順序１のフラクタルを示す図である。 第１基準パターンにおける順序２のフラクタルを示す図である。 第１基準パターンにおける順序３のフラクタルを示す図である。 第２基準パターンにおける順序１のフラクタルを示す図である。 第２基準パターンにおける順序２のフラクタルを示す図である。 第２基準パターンにおける順序３のフラクタルを示す図である。 第３基準パターンにおける順序１のフラクタルを示す図である。 第３基準パターンにおける順序２のフラクタルを示す図である。 第３基準パターンにおける順序３のフラクタルを示す図である。 第４基準パターンにおける順序１のフラクタルを示す図である。 第４基準パターンにおける順序２のフラクタルを示す図である。 第５形態に係る放射ストランドパターン用の基準パターンの、順序１のフラクタルを示す図である。 第５形態に係る放射ストランドパターン用の基準パターンの、順序２のフラクタルを示す図である。 いくつかの形態に係る正弦曲線のセグメントを持つフォンコッホ型の基準パターンを示す図である。 いくつかの形態に係る正弦曲線のセグメントを持つフォンコッホ型の基準パターンを示す図である。 いくつかの形態に係る正弦曲線のセグメントを持つフォンコッホ型の基準パターンを示す図である。 本発明に係るヘリカルアンテナの実施形態を示す図である。

アンテナの全体構造
図１及び図２は、それぞれらせん状に巻かれた４本の放射ストランドを有するヘリカルアンテナの展開図及び正面図である。

そのアンテナは、２つの部分１，２を備える。

部分１は、導電性領域１０と、４本の放射ストランド１１，１２，１３，１４を有する。

部分１において、ヘリカルアンテナは、例えば、スリーブ１５の周りの回転形状にらせん状に巻かれた４本の放射ストランド１１，１２，１３，１４を有する。

この部分において、ストランド１１〜１４は、一方で、これらストランドの第１端１１１，１２１，１３１，１４１にてショートして導電性領域１０に接続され、他方で、これらストランドの第２端１１２，１２２，１３２，１４２にて、フィーダー回路２０に接続されている。

アンテナの放射ストランド１１〜１４は、同一のものとすることができ、また、例えば、合計４本である。この場合、アンテナは４本巻きである。

アンテナが巻きつけられたスリーブ１５は、図１のドットで示されており、図２に示すようなアンテナを構成する。

放射ストランド１１〜１４は、各ストランドの支持軸ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’、ＤＤ’がスリーブ１５の方向線Ｌに垂直面に対して角度αをなすように、配置されている。

この角度αは、放射ストランドのらせん巻き角度に対応する。

各放射ストランド１１〜１４は、メタルクラッド領域により構成されている。

図１及び図２では、部分１のメタルクラッド領域は、ストランドの方向軸ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’、ＤＤ’に対して対称なストリップである。

連続する２本のストランドの間の距離ｄは、スリーブ１５の方向線Ｌの垂直面に沿って、当該垂直面とストランドの軸との交点として各々規定された２点間の距離として、定義される。

例えば、対称な４本巻アンテナを得るためには、距離ｄは、スリーブ１５の外周の４分の１に設定される。

メタルストリップを支持する基板は、スリーブ１５の外側面にらせん状に巻かれている。

このアンテナの一実施形態によれば、２つの部分１，２はプリント回路１００上に形成されている。

そして、放射ストランド１１〜１４は、プリント回路１００の表面において、メタルクラッド領域のストリップの両側の材料を取り除くことによって得られたメタルストリップである。

プリント回路１００は、例えば円筒や円錐のような一般的な回転形状を有するスリーブ１５の周りに巻きつけられるように設計される。

アンテナの部分２は、アンテナのフィーダー回路２０を有する。

アンテナのフィーダー回路２０は、リボン線型の蛇行した伝送線からなり、供給物の分配機能、及び、アンテナの放射ストランド１１〜１４の適合機能の両方を提供する。

放射素子への供給は、直交位相の進行とともに等しい振幅にて行われる。

図１及び図２に示すようなヘリカルアンテナのサイズの低減は、以下に説明するような特定パターンを、アンテナの部分１の放射ストランドに適用することにより得られる。アンテナの部分２は、それ自体は、既知であるため、さらなる詳細は省略される。

放射ストランドのパターン
放射ストランドは、正弦曲線のセグメントを有するフラクタルからなる。

フラクタルパターンの基本素子は、セグメントと呼ばれる。

図３ａは、３つの基本素子３０，３１，３３を有するフォンコッホ型フラクタルの基準パターンを示す。このパターンは、順序１のフラクタルである。図３ａでは、基本要素は直線のセグメントとなっている。

フラクタルは、自己相似の特性を有し、それらは、異なるスケールでそれら自身の複製により構成される。これらは、自己相似であり、かつ、非常に不規則な曲線を持つ。

フラクタルは、特に、縮小された基準パターンの複製により構成される。

フラクタルは、基準パターンを縮小し、かつ、得られたパターンを基準パターンに適用する工程、を反復することにより生成される。

高次は、基準パターンの各セグメントの中央に、縮小された同一の基準パターンを適用すること等によって得られる。

基準パターンは、そのパターンの方向軸に関して、簡略化又は代替のものとすることができる。

パターン自体の選択は、アンテナの放射性能によって左右される。

フォンコッホ型フラクタルの生成については、http://www.mathcurve.com/fractals/koch/koch.shtmlを参照することができる。

同じ動作周波数（共振）を維持しつつアンテナの高さを低減するために、フラクタルパターンの各直線セグメントは、正弦曲線セグメントに置き換えられる。

この置き換えは、所定の高さにおいて放射ストランドの展開長を増大させたり、又は、所定の展開長においてアンテナの高さを低減させたりすることができる。

アンテナの共振周波数は、放射ストランドの展開長に基づいて設定される。この展開長は、らせんのパラメータ（高さ、半径、巻数）に依存するとともに、採用されたパターンの形状に依存する。

図３ｂは、ヘリカルアンテナのストランドに用いられる基準パターンを示し、フラクタルパターンの各セグメント３０’、３１’、３２’、３３’が正弦曲線のセグメントにより構成されている。

図３ａの場合、同一長さ（Ｌ’／３、ただしＬ’はパターンの水平方向の長さ）の４本の直線セグメントからなる順序１のフォンコッホ型のフラクタルパターンである。図３ｂの場合、（図３ａにおける）フォンコッホ型のパターンの長さＬ’／３の各セグメントが正弦曲線のセグメント（換言すると、正弦曲線の半円）に置き換えられている。

パターンの全てのセグメントは同じ長さを有する。

フラクタルパターンは３つのパラメータによって規定される。
- 基準パターン（順序１のフラクタルパターン）の繰り返しのそれぞれのサイズ
- セルの数と呼ばれる、上記繰り返しの数
- フラクタルの順序と呼ばれる、フラクタルの反復処理

さらに、アンテナのストランドは以下のパラメータによって規定される。
- 展開された長さ
- 放射ストランドの螺旋の巻き角に対応する角度α
- セルの長さＬ

フラクタルの外形を規定する正弦曲線は、特に次の関数ｙ＝Ｓ・ｋ・Ｌ’・ｓｉｎ｛（π／Ｌ’）・ｘ｝によって規定されることができる。ここで、Ｓは｛−１；＋１｝内の整数値であってセグメントの定数、ｋは正弦曲線の振幅とその半波長（半円）との比である。このようにして、当然のことながら、フラクタルパターンを調節している正弦曲線は、一周期にわたって規定される。

図３ｂは、Ｓ＝＋１のパターンであり、一方、図３ｃは、Ｓ＝−１のパターンである。

このようにして、この基準パターンは、フラクタルパターンを構成する代替の正弦曲線のアークの連続からなる。

その関数は、セグメント毎に規定されるか、又は、パターンに沿った曲線座標を採用することで規定される。

図３ｂの場合、上記で規定された関数は、２つのセグメントの区分（一方はセグメント３０，３１、他方はセグメント３２，３３）に適用された。

図３ａの場合、中央のセグメントは６０°の角度を形成している。図３ｂのパターンを得るために、関数はその２本の直線セグメントに最初に適用され、それらは６０°で配向される。Ｓ＝＋１でｋの値が異なるパターンは、図９ａ，図９ｂ及び図９ｃに示されている。

パラメータｋは、短い直線のセグメントの代わりに、より大きな展開長の正弦曲線のセグメントを、フォンコッホ型フラクタルの各セグメントに用いることで、その展開長を増大させることを可能にする。正弦曲線の振幅が大きくなるほど、展開長は長くなる。ただし、ｋが過度の値をとったときに放射ストランドが重複するのを避ける必要がある。

各セグメントが正弦曲線に置き換えられた他のフラクタルパターンを検討することも可能である。

図４ａ、図５ａ、図６ａ、図７ａ及び図８ａは、セグメントが直線になっている基準パターン（順序１のフラクタル）を示している。

図４ａでは、基準パターンが、底辺の削除された等脚台形である。
図５ａでは、基準パターンが、底辺の削除された三角形である。

図６ａでは、基準パターンが、底辺の削除された四角形である。

図７ａでは、基準パターンが、長辺が削除され、かつ、短辺の幅と等しい間隔を空けた２つの相対する等脚台形を有する。短辺から長辺に向けて延びる２辺の間の角度はθである。

図８ａでは、基準パターンは、底辺が削除され、かつ、辺の幅と等しい間隔を空けた２つの正三角形を有する。

図４ｂ、図５ｂ、図６ｂ、図７ｂ及び図８ｂは、それぞれ図４ａ、図５ａ、図６ａ、図７ａ及び図８ａの基準パターンを反復処理した後の、順序２のフラクタルパターンを示している。

図４ｃ、図５ｃ、図６ｃは、それぞれ図４ａ、図５ａ、図６ａの基準パターンを２回反復処理した後の、順序３のフラクタルパターンを示す。

いくつかのパターンの場合、特に図４ａ、図５ａ及び図７ａに示すタイプでは、同一のセルの線同士が交差する可能性がある。

そのような交差を避けるため、角度βは調整可能である（図４ａ、図５ａ及び図７ａ参照）。

角度βは、第１の傾斜したセグメントと、削除された底辺と、の間の角度である。

この角度βの調整は、ストランドの長さを減少させる。

フォンコッホ型のパターンの場合、順序１では展開長とパターン長さの比は４／３である。順序３では、その比は、（４／３） ^３ 、つまり、大きくなる。

大きな減少を得るために、角度βは調整されることができる。そのときフォンコッホ型のパターンの正三角形は等辺の代わりに二等辺になり、三角形の２つのセグメントは（固定長Ｌ’を持つ）当初の正三角形の場合よりも長くなる。その長さはＬ’／（６ｃｏｓβ）であって、展開長と長さＬ’との比は、

のように与えられる。ｎはフラクタル曲線の順序である。このようにして、同一の長さでより長いストランド長さを展開することができる。この基準パターンは、“修正されたフォンコッホ型”パターンと呼ばれる。

既に述べたように、上記したフラクタルパターンを構成する各セグメントは、正弦曲線からなる。見やすくするため、これらのパターンは示されていないが、上記の記述を見れば、当業者であれば、正弦曲線からなるセグメントを持つフラクタルパターンにより構成された放射ストランド、を有するヘリカルアンテナにどのようにしてたどり着くか、を理解することができる。

実施例及び性能
正弦曲線セグメントに置き換えられたセグメントのフォンコッホ型のフラクタルを有するヘリカルアンテナが作製され試験された。図１０は、そのアンテナの実施形態を示す。

具体的には、そのアンテナの性能は、測定され、５１４ｍｍの高さを持ち直線のストランドを持つ４本巻型（参照）のアンテナと比較された。

以下のテーブルは、放射ストランドに使用された異なるパラメータを記載している。基本のフラクタルは、フォンコッホ型のパターンである。

アンテナの高さにおいて減少が観察される。上記テーブルでは、相対的な大きさ（％）が、小型アンテナの高さと参照アンテナ（５１４ｍｍ）の高さとの比として計算される。

また、もっとも高い性能が、順序２かつ２セルの正弦曲線セグメントを持つフォンコッホ型のパターンに基づくアンテナにおいて得られた。このアンテナは、１３７ＭＨｚ及びその共振周波数（１４４ＭＨｚ）にて同じ図形を持つ。さらに、その高さは１９８ｍｍ（相対的な大きさは３８．５％）で、参照アンテナの高さの６１．５％の減少となっている。

Claims (7)

1. 回転形状と、
   前記回転形状の周りにらせん状に巻かれた複数の放射ストランドと、を備え、
   各放射ストランドは、正弦曲線により構成されたセグメントを備えたフラクタルパターンの繰り返しによって規定される、ヘリカルアンテナ。
2. 各セグメントは、ｙ（ｘ）＝Ｓ・ｋ・Ｌ’・ｓｉｎ｛（π／Ｌ’）ｘ｝により規定される正弦曲線の半周期に対応するものであって、Ｓは｛１；＋１｝内の整数値、ｋは前記正弦曲線の振幅とその半波長との比、Ｌ’は前記フラクタルパターンの水平方向の幅である、請求項１に記載のヘリカルアンテナ。
3. 前記フラクタルパターンの各セグメントは、同一の長さを有する、請求項１又は２に記載のヘリカルアンテナ。
4. 前記フラクタルパターンは、各直線が正弦曲線セグメントに置き換えられたフォンコッホ型である、請求項１〜３の何れか一項に記載のヘリカルアンテナ。
5. 各放射ストランドは、各ストランドの方向軸が特定距離だけ次のストランドの軸から離れるように、スリーブの外側面上にらせん状に巻かれた特定のメタルクラッド領域により構成され、
   ここで、前記特定距離は、ストランドの軸と、スリーブの方向線の垂直面と、の交点によって各々規定される２点間の距離として、スリーブの方向線の垂直面に沿って規定される、請求項１〜４の何れか一項に記載のヘリカルアンテナ。
6. 回転形状は円筒形状又は円錐形状である、請求項１〜５の何れか一項に記載のヘリカルアンテナ。
7. 前記ヘリカルアンテナは４本の同一の放射ストランドを有することを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載のヘリカルアンテナ。

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