JPH0260307A - 円錐ビームヘリカルアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、衛星通信用の移動局等に設けられる送受信ア
ンテナとして好適な円錐ビームヘリカルアンテナに関す
るものである。

［従来の技術］ 第２４図は、従来の円錐ビームヘリカルアンテナを示す
正面図、第２５図は背面図で、両図において、ｌは肉厚
が放射波長に比し十分に薄い誘電体より成る円筒状の支
持体、２、乃至２４はヘリカル素子で、支持体ｌの外周
面にプリント配線又は蒸着等の手法によって付着せしめ
た金属薄膜より成り、各ヘリカル素子の始端及び終端が
円筒状の支持体１の円周方向に等間隅を隔て、かつ各ヘ
リカル素子のピッチ角が互いに等しくなるように設けで
ある。９１乃至９４は給電点で、各ヘリカル素子の始端
又は終端に一致する。１０．乃至１０４は二次給電線、
１１１及びｌ１２は９０°ハイブリツド回路、１２、及
び１２□は終端器、１３．及び１３２は一次給電線、１
４は１８０°ハイブリッド回路、１５は終端器、１６は
入力端子である。

入力端子１６を介して供給される高周波電流は、１８０
°ハイブリッド回路１４において互いに逆相の高周波電
流に分けられ、それぞれ−次給電線１３゜及び１３゜を
介して９０°ハイブリツド回路１１．及び１１２に各別
に加えられ、各ハイブリッド回路１１゜及び１１□にお
いて互いに９０°位相の異なる高周波電流に分けられ、
ハイブリッド回路１１．の出力高周波電流は二次給電線
１０．及び１０２を介して給電点９．及び９２に各別に
加えられ、ハイブリッド回路１１□の出力高周波電流は
二次給電線１０３及び１０４を介して給電点９３及び９
４に各別に加えられるが、給電点９．乃至９４に分配さ
れる高周波電流の位相が順次９０°ずつ遅れ又は進むと
共に、各高周波電流の振幅が互いに等しくなるように、
−次給電線１３、及び１３□の長さを互いに等しく形成
し、二次給電Ｌ’１ｌｌＯ□乃至１０４の長さも亦互い
に等しく形成しである。

そして円筒状の支持体ｌの直径を放射波長の０．０２乃
至０゜２６の範囲内において適当に選ぶと共に、ヘリカ
ル素子２．乃至２４のピッチを放射波長の０．３乃至０
．８５の範囲内において適当に選び、これらの組み合わ
せを適当ならしめることによって、放射特性を円錐ビー
ムとなすことができる。

第２６図は、円筒状の支持体１の直径を放射波長の０．
１に、ヘリカル素子２．乃至２４の各ピッチを放射波長
の０゜６７にそれぞれ選ぶと共に、ヘリカル素子２．乃
至２４の各巻き数を１．５巻きとした場合の放射特性の
一例を示す図で、円筒状の支持体１の中心軸に対して６
０°乃至７０°の放射方向に円錐ビムを生している。

［発明が解決しようとする課題］ 衛星通信用の移動局に設けられる送受信アンテナとして
は、構造が簡潔小型で、衛星を見る仰角がほぼ３０°乃
至ほぼ６０°の方向にのみ効率よく円偏波を放射し得る
円錐ビームアンテナであることが要求される。

然しなから、上記従来のヘリカルアンテナにおいて円錐
ビームを放射せしめるためには、４個のヘリカル素子の
各給電点に振幅が互いに等しく、位相が順次９０°ずつ
遅れ又は進む高周波電流を供給する必要があるから、給
電回路の構成が複雑大型となるを免れることが出来ない
。

給電回路の構成を簡潔ならしめるために、４個のヘリカ
ル素子の長さを互いに異ならしめて給電位相を順次変化
せしめる、所謂セルフフェージング方式を用いることも
可能であるが、周波数帯域が狭くなる欠点を避けること
が出来ない。

又、上記従来のヘリカルアンテナにおける放射指向特性
は、第２６図に示すように衛星を見る仰角がほぼ６０°
乃至ほぼ７０°の方向に円錐ビームが放射されるから、
周回衛星を利用する衛星通信用の移動局における送受信
アンテナとしては好適であるが、今後実用化を予定され
ている静止衛星を利用する衛星通信用の移動局における
送受信アンテナとしては不適である。

このように従来のヘリカルアンテナは、構造及び放射指
向特性の何れの点においても静止衛星を利用する衛星通
信用の移動局における送受信アンテナとして甚だ不適で
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明ヘリカルアンテナは、ヘリカル素子の仮想円筒を
共有し、各始端位置及び各終端位置が前記ヘリカル素子
の仮想円筒における上部及び下部の各同一円周−１−に
おいてそれぞれ円周方向に１８０°異なるように設けた
２個のヘリカル素子と、この２個のヘリカル素子の各始
端相互又は各終端相互の接続線のほぼ中心に設Ｇづた給
電点とを備えたことを特徴とするものである。

［作用］ 給電点に供給された高周波電流は、ヘリカル素子の各始
端相互又は各終端相互の接続線の左右に分流し、互いに
同相の電流となって２個のヘリカル素子に流れ、ヘリカ
ル素子の仮想円筒の中心軸から斜めの方向に円錐ビーム
状の電磁波を放射する。

［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例を示す正面図、第２図は背
面図、第３図は断面図、第４図は平面間で、各図におい
て、１は肉厚が放射波長に比し十分に薄い誘電体より成
る円筒状の支持体、２１及び２、はヘリカル素手で、円
筒状の支持体１の外周面又は内周面にプリント配線又は
蒸着等の手法によって付着せしめた銅箔等の金属薄膜を
以て形成するか、円筒状の支持体１の外周面又は内周面
に固着せしめた銅等の金属製の線又は条等を以て形成し
てもよく、線又は条が、それ自体によって所要の形状を
保持し得る強度を有する場合には円筒状の支持体１を省
いても本発明を実施することが出来、又、支持体１を円
筒を以て形成する代りに、誘電率の低い円柱状の誘電体
を以て形成してもよい。

ヘリカル素子２．及び２□を上記何れの態様を以て形成
した場合においても、各ヘリカル素子の始端位置が円筒
状の支持体１　（以下、ヘリカル素子の仮想円筒の意味
を含めて円筒状の支持体と称する）の同一円周上におい
て円周方向に１８０°の間隔を隔てると共に、各ヘリカ
ル素子の終端位置が円筒状の支持体１の同一円周上にお
いて円周方向に１８０°の間隔を隔て、かつ各ヘリカル
素子のピッチ角が互いに等しくなるように設けである。

３はヘリカル素子２１及び２２の各始端（又は各終端）
間に設けた接続線、４は金属板で、円筒状の支持体１の
中心軸と直交又はほぼ直交するように設けである。５は
誘電体板で、接続線３と金属板４の間に介在して接続線
３と金属板４とを電気的に絶縁する。尚、接続線３、金
属板４及び誘電体板５を各別に形成する代りに、プリン
ト配線又は蒸着等の手法によって銅箔等の金属薄膜を誘
電体板５の表裏面に付着せしめることにより、誘電体板
５の表面に接続線３を、誘電体板５の裏面に金属板４を
形成せしめるようにしてもよい。

６は給電線で、例えば円筒状の支持体１の中心軸にほぼ
一致せしめて円筒状の支持体１内に挿入した同軸線より
成り、その内部導体６１の端部を金属板４との間を絶縁
を保って金属板４の中心部を貫き、更に誘電体板５の中
心部を貫いて接続線３の中心における給電点７に接続し
、誘電体６□を介して内部導体６１の外周に設けである
外部導体６３を金属板４に接続しである。８は取り付は
金具で、金属板４と給電線６の外部導体６３との間を機
械的電気的に接続する。

ヘリカルアンテナの指向特性は、−１ｔ１６にヘリカル
素子の−巻き分の指向特性と、あるピッチで並／υだ等
方性点放射源の合成指向特性との積で表わされ、ヘリカ
ル素子の−巻き分の指向特性は、近似的にはループアン
テナの指向特性を以て置き換えることが出来る。

そこで本発明アンテナの放射原理を説明するために、円
筒状の支持体１の円周の長さを放射波長の２倍に選び、
ヘリカル素子の−巻き分を、放射波長の２倍の長さのル
ープアンテナとして考え、給電線６を介して給電点７に
高周波電流を供給すると、第５図に示すように、給電点
７から接続線３の左半分３Ｉに流れた高周波電流は、矢
印を付した実線で示した電流の最大値としてヘリカル素
子２、上に現われ、第６図に示すように、給電点７から
接続線３の右半分３２に流れた高周波電流は矢印を付し
た破線で示した電流の最大値としてヘリカル素子２２上
に現われる。

第７図は、第５図及び第６図を重ねた図で、ヘノカル素
子２１及び２２上の各点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤにおける各矢
印を付した実線及び矢印を付した破線の大きさ及び向き
が等しく放射が可能であることを示している。

第５図乃至第７図は、ある瞬間における高周波電流の流
れの状態を示したものであるが、矢印を付した実線及び
矢印を付した破線を以て示した最大値電流が、何れかの
方向に時間と共に回転している場合、放射された電磁波
の偏波は円偏波となる。

ここでループアンテナの指向特性を検討すると、第７図
から明らかなように、各最大値電流はヘリカル素子の中
心軸方向においては何れも差動的に流れ、これらの電流
によって形成される電界は零である。

然しなからヘリカル素子の中心軸から離れるにしたがっ
てＡ点（又はＢ点）から極めて遠方の観測点Ｐまでの距
離と０点（又はＤ点）から観測点Ｐまでの距離の間には
差Δ℃を生じ、この距離の点に電界を生ずる。

ん で与えられる最大放射方向を有する円錐ビームとなる。

尚、上式におけるえは自由空間波長である。

次に、ループの円周の長さと指向特性との関係を近似計
算に基づいて検討すると、第８図に示すようにループ面
をＸ座標軸及びＹ座標軸で定まる水平面に一致せしめ、
ループ面に垂直方向にＺ軸をとり、ループの円周の長さ
、即ち円筒状の支持体ｌの円周の長さを放射波長の１．
５倍、２．０倍及び２．３倍に選んだ場合の指向特性は
第９図乃至第１１図に示すようになる。即ち放射波長の
１．５倍の場合には第９図示のように、水平方向におい
て指向特性が増加するが天頂方向においては指向特性の
減衰が著しく、放射波長の２．３倍の場合には第１１図
示のように、天頂方向の指向特性が増加するが水平方向
における指向特性の減衰が大となり、したがって広角に
亙って円偏波放射を行なわしめるには−巻きループの円
周の長さを放射波長の１．５倍乃至２．３倍の間に選ぶ
ことが望ましく、第１Ｏ図に示すように放射波長の２０
倍に選んだ場合に最も広角に亙って円偏波の放射が行な
われることを確かめることが出来た。

−巻きループアンテナの指向特性は、ループ面の上方と
下方でループ面に対称となるが、−巻きのループアンテ
ナを複数段設けた場合、即ち各ルブ面を共通軸と直交せ
しめ、各ループの中心を共通軸に一致せしめると共に各
ループ面を適宜間隔を隔てるようにして複数個の−巻き
ループアンテナを設けた場合には、各ループの励振電流
の位相を変えることによって指向特性の対称性を非対称
性に変えることが出来る。

ヘリカルアンテナの場合には、ヘリカル素子に流れる電
流の位相とヘリカル素子の仮想円筒の円周の長さ及びヘ
リカル素子のピッチ角を変えることによって指向特性を
制御し得るが、一般にヘリカル素子に流れる電流の分布
は、ヘリカル素子の形状によって変化するため、指向特
性を正確に予測することは困難である。

よって一般にはヘリカル素子２１及び２□並びに金属板
４における電流分布を求め、これより指向特性を算出す
るか、実験的に観測する必要がある。

本発明者等が行なった実験結果によれば、円錐ビームを
得るためには、円筒状の支持体の円周の長さを大ならし
めた場合はヘリカル素子のピッチ角を小ならしめ、逆に
円筒状の支持体の円周の長さを小ならしめた場合はヘリ
カル素子のピッチ角を大ならしめる必要があり、ヘリカ
ル素子のピッチ角をほぼ８°乃至ほぼ３０°に選ぶこと
によって良好な円錐ビームを得ることが出来、特に静止
衛星を見る仰角がほぼ３０°乃至ほぼ６０°方向に良好
な円偏波を得るためには、ヘリカル素子のピッチｆ（＋
をほぼ１２°に選ぶことが最も望ましいことを確かめる
ことが出来た。

第１２図及び第１３図は、第１図乃至第４図について説
明した本発明ヘリカルアンテナの指向特性の例を示す図
で、円筒状の支持体ｌの円周の長さを放射波長の１．９
倍に、ヘリカル素子２１及び２２の各ピッチ角を１２５
°に、各巻き数を４巻きに、金属板４の直径を放射波長
の０．６倍にそれぞれ選んて円偏波の電波を受信して観
測した指向特性で、第１２図はＸ−Ｚ平面における指向
特性を示し、第１３図はＹ−７，平面における指向特性
を示すもので、両図における実線は、主要円偏波を受信
した場合の指向特性、破線は交叉円偏波を受信した場合
の指向特性である。

尚、Ｘ、Ｙ及びＺ座標軸は、第３図に示すように、給電
点７を原点とし、円筒状の支持体ｌの中心軸方向に２軸
を、紙面内において２軸と直角方向にＹ軸を、紙面の−
Ｆ方垂直方向にＸ軸をとるものとする。

第１４図及び第１５図は、前記と同様に構成した本発明
アンテナによって、互いに直交する２つの電界成分、即
ちＸ軸から角θ方向の電界成分ＥθとＸ軸から角φ方向
の電界成分Ｅφをそれぞれ受信した場合の指向特性を示
すもので、第１４図はＹＺ平面における指向特性、第１
５図はｘ−Ｚ平面における指向特性である。

第１２図乃至第１５図から明らかなように、本発明アン
テナは静止衛星を利用する衛星通信用の移動局における
アンテナに必要な条件、即ち静止衛星を見る仰角がほぼ
３０°乃至ほぼ６０°における最大方向利得は４．４ｄ
Ｂ乃至６．５ｄＢで、静止衛星を見る仰角がほぼ１０°
乃至ほぼ６０°の範囲において軸比がほぼ３ｄＢ以下と
なり、円偏波となる条件を十分に備えている。

以」−は我国の赤道に対する緯度の関係を考慮して本発
明ヘリカルアンテナの指向特性を定めた場合につき説明
したが、我国とは異なる緯度に位置する地域において用
いる場合には、円筒状の支持体１の円周の長さ並びにヘ
リカル素子２、及び２２のピッチ角等を適当に変えるこ
とによって所要の指向特性を得ることが出来る。

第１６図は、第１図乃至第４図に示した本発明ヘノカル
アンテナにおける円筒状の支持体１の円周の長さ、ヘリ
カル素子２．及び２□の各ピッチ角、ヘノカル素子２、
及び２□の各巻き数及び金属板４の直径等を前記と同様
の値に選んだ場合に、ヘリカル素子２．（又は２□）に
流れる高周波電流の振幅の分布を示す図で、横軸はヘリ
カル素子２１（又は２□）の巻き数で、横軸の原点はヘ
リカル素子２１（又は２□）の始端に対応する。縦軸は
電流Ｉ　（ｍＡ）で、図は給電線６を介して給電、ＩＪ
′５．７にＩＶの高周波電圧を印加した場合における電
流分布を示すもので、図から明らかなように、ヘリカル
素子２１（又は２□）の巻き数が３巻きを越える範囲に
おいては電流は十分に減衰して進行波分布となっている
。

この電流分布が示すように、ヘリカル素子２１（又は２
□）の巻き数が２巻き程度においては高周波電流が十分
に減衰していないため定在波分布となり、その結果放射
特性が劣化すると共に、周波数帯域が狭いものとなる。

又、上記本発明ヘリカルアンテナにおいて円筒状の支持
体１の円周の長さ、ヘリカル素子２、及び２２のピッチ
角及び金属板４の直径等はこれを前記と同様に定め、ヘ
リカル素子２１及び２□の巻き数を増して、前貫己と同
様給電点７に１■の高周波電圧を印加して電流分布を観
測したところ、ヘリカル素子２、（又は２２）の巻き数
が７巻き以上の範囲においては電流が既に十分減衰して
いるため周波数帯域は広くなるが、その反面アンテナが
大形化する欠点を免れることが出来ない。

このような検討結果からヘリカル素子の巻き数は、３巻
き乃至７巻きとすることが望ましい。

以上は、第１図乃至第４図に示したように、円筒状の支
持体１の内部に給電線６を挿入し、ヘリカル素子２、及
び２□の各上端部間に設けた接続線３の中心部に給電点
７を設けると共に、金属板４を円筒状の支持体ｌの上部
内において接続線３より適宜下方に設けてアンテナを構
成した場合について説明したが、第１７図（一部断面を
有する正面図）に示すように、給電点をヘリカル素子の
各下端部間に設けるようにしても本発明を実施すること
が出来る。

第１７図において、■は円筒状の支持体、２１及び２□
はヘリカル素子で、これらは前実施例におけるものと同
様の構成である。３′は接続線で、へりカル素子２．及
び２２の各下端間を接続する。４′は金属板で、誘電体
板５′を介して接続線３′の下方に、かつ円筒状の支持
体ｌの中心軸と直交又はほぼ直交するように設けである
。

接続線３′、金属板４′及び誘電体板ぎは、これらを各
別に形成してもよく、プリント配線又は蒸着等の手法に
よって銅箔等の金属薄膜を誘電体板ぎの表裏面に付着せ
しめることにより、誘電体板５′の表面に接続線３′を
、誘電体板５′の裏面に金属板４′を設けるようにして
もよいこと前実施例と同様である。

６は給電線で、例えば同軸線より成り、その内部導体６
．の端部を金属板４′との間を絶縁を保って金属板４の
中心部を貫き、更に誘電体板５′の中心部を貫いて接続
線３′の中心における給電点１に接続し、給電線６の外
部導体６３を金属板４′に接続すると共に、取り付は金
具８′によって金属板４′と給電線６の外部導体６３間
の機械的電気的接続を確保せしめること前実施例と同様
である。

この実施例における放射原理も前実施例と全く同様であ
る。

尚、第１７図において、Ｚ及びＹは給電点γを原点とす
るＸ座標軸及びＹ座標軸を示し、Ｘ座標軸は原点から紙
面の上方に垂直にとるものとする。

第１８図乃至第２３図は、第１７図に示した実施例にお
いて円筒状の支持体１の円周の長さを放射波長の１９倍
に、ヘリカル素子２１及び２□のピッチ角を１２．５°
に、ヘリカル素子２、及び２２の巻き数を４巻きに選び
、金属板４′の直径を変えた場合における指向特性の変
化を示す図で、各図共に互いに直交する２つの電界成分
、即ちＸ軸から角θ方向の電界成分ＥθとＸ軸から角φ
方向の電界成分Ｅφをそれぞれ受信し、Ｘ軸からの角φ
が４５°の面における指向特性を示したもので、第１８
図乃至第２３図は、金属板４′の直径を放射波長の０．
２倍、０．２４倍、０．３２倍、　０．６倍、　０．８
倍及び０．９５倍にそれぞれ選んだ場合に対応する。

各図の指向特性を検討すると、金属板４′の直径が円筒
状の支持体１の直径にほぼ等しい点を境にして、金属板
４′の直径が大になると金属板４′は反射器として作用
し、指向特性を上向きならしめると共に給電線６への漏
洩電流を阻止して指向特性の乱れを防ぎ、逆に金属板４
′の直径が小なる場合には反射器としての機能は失われ
るが給電線６への漏れ電流を阻止して指向特性の乱れを
抑えるから、所要の指向特性及び給電線６に流れ込む電
流の大きさに応して金属板４の直径を調整することが望
ましく、これは第１図乃至第４図に示した実施例におい
ても同様である。

又、何れの実施例においても金属板４又は４を設ける代
りに、所謂シュベルトツブのような電流阻止管を設ける
か、給電線の外形を適当ならしめることによって同様の
効果を得ることが出来る。

［発明の効果］ 本発明ヘリカルアンテナは、へりカル素子が２個で足り
、このヘリカル素子に一点給電を行なうように形成しで
あるので、従来のようにハイブリッド回路及び終端器等
より成る給電回路を必要としないから構成が簡潔小型で
良好な円錐ビームを得ることが出来、部品数が少ないた
め信頼性が高く、ヘリカル素子における電流分布が進行
波と−２２＝ なるため周波数帯域が広く、無調整で特性の−様なアン
テナの量産が可能であるからコストを低下ぜしめること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す正面図、第２図は、
その背面図、第３図は、その断面図、第４図は、その平
面図、第５図乃至第７図は、本発明アンテナの作動説明
のための図、第８図乃至第１１１Ｉは、本発明アンテナ
におけるヘリカル素子の仮想円筒の円周の長さと指向特
性の関係を説明するための図、第１２図乃至第１５図は
、本発明アンテナの指向特性の一例を示す図、第１６図
は、本発明アンテナのヘリカル素子に流れる高周波電流
の分７５の一例を示す図、第１７図は、本発明の他の実
施例を示す一部断面を有する正面図、第１８図乃至第２
３図は、本発明アンテナの指向特性の一例を示す図、第
２４区は、従来のヘリカルアンテナを示す正面図、第２
５図は、その背面図、第２６区は、従来のヘリカルアン
テナの放射特性の一例を示す区で、１　円筒状の支持体
、２、及び２□、ヘリカル素子、３及び３′　接続線、
４及び４′：金属板、５及び５′　誘電体板、６．給電
線、６．：給電線の内部導体、６２　　給電線の誘電体
部分、６３：給電線の外部導体、７及びγ　給電点、８
及び８′・取りイ」け金具、２３及び２４　　ヘリカル
素子、９．乃至９４：給電点、１０．乃至１０４　　二
次給電線、１１、及び１１２゜９０°ハイブリッド回路
、１２１及び】２２−終端器、１３１及び１３□、−次
給電線、１４：　　１８０°バイブノット回路、１５　
　終端器、１６二人力端子である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヘリカル素子の仮想円筒を共有し、各始端位置及
   び各終端位置が前記ヘリカル素子の仮想円筒の上部及び
   下部における各同一円周上においてそれぞれ円周方向に
   １８０゜異なるように設けた２個のヘリカル素子と、こ
   の２個のヘリカル素子の各始端相互又は各終端相互の接
   続線のほぼ中心に設けた給電点とを備えたことを特徴と
   する円錐ビームヘリカルアンテナ。
2. （２）ヘリカル素子の仮想円筒を共有し、各始端位置及
   び各終端位置が前記ヘリカル素子の仮想円筒の上部及び
   下部における各同一円周上においてそれぞれ円周方向に
   １８０゜異なるように設けた２個のヘリカル素子と、こ
   の２個のヘリカル素子の各始端相互又は各終端相互の接
   続線のほぼ中心に設けた給電点と、この給電点から前記
   ヘリカル素子の仮想円筒の中心軸方向に適宜間隔を隔て
   ると共にこのヘリカル素子の仮想円筒の中心軸とほぼ直
   交するように設けた金属板とを備えたことを特徴とする
   円錐ビームヘリカルアンテナ。
3. （３）金属板の直径がヘリカル素子の仮想円筒の直径に
   ほぼ等しいか適宜小である請求項２に記載の円錐ビーム
   ヘリカルアンテナ。
4. （４）ヘリカル素子の仮想円筒の円周の長さが放射波長
   のほぼ１．５倍乃至ほぼ２．３倍である請求項１又は２
   に記載の円錐ビームヘリカルアンテナ。
5. （５）各ヘリカル素子の巻き数が３巻き乃至７巻きであ
   る請求項１又は２に記載の円錐ビームヘリカルアンテナ
   。
6. （６）各ヘリカル素子のピッチ角がほぼ８゜乃至ほぼ３
   ０゜である請求項１又は２に記載の円錐ビームヘリカル
   アンテナ。