JPH046125B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、例えば電磁波妨害試験に用いられる
基本放射素子に好適な広帯域スパイラルアンテナ
に関するものである。

従来の技術 従来、上記のようなアンテナとして線状アルキ
メデス形スパイラルアンテナ、板状等角スパイラ
ルアンテナ、平面状対数周期形アンテナ、多線式
スパイラルスロツトアンテナ又は単線式スパイラ
ルスロツトアンテナ等が用いられている。

発明が解決しようとする問題点 従来の線状アルキメデス形スパイラルアンテナ
及び板状等角スパイラルアンテナは、何れも直線
偏波の放射に不適なると共に、給電系部分が平衡
−不平衡変換素子を含む同軸線路より成るため、
製作が困難である。

平面状対数周期形アンテナにおいては、円偏波
の放射を行わせるためには適当な広帯域ハイブリ
ツド素子等を必要とするため、矢張り製作が困難
となる。

多線式スパイラルロツトアンテナは、２個所以
上の複数個所の給電点を必要とするため、給電が
複雑となり、直線偏波の励振が困難である。

単線式スパイラルスロツトアンテナは、スロツ
ト部分における磁流分布が対称とならないため、
放射方向の中心軸に対称な指向性を得ることが出
来ず、したがつて、正面方向において良好な円偏
波特数が得られず、又、構造的に直線偏波の励振
が困難である。

問題点を解決するための手段、実施例 本発明は、上記従来における各種アンテナの諸
欠点を除くためになされたもので、以下、図面を
用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す平面図、第
２図は、底面図、第３図は側面図で、各図におい
て、１は絶縁基板、２は絶縁基板１の表面に設け
られてアース面を形成する金属薄膜で、例えば銀
箔より成る。３₁及び３₂はそれぞれスパイラルス
ロツト素子で、例えば印刷配線手法により形成
し、両素子の巻方向が同方向となるように形成し
てある。４はスパイラルスロツト素子３₁及び３₂
の各外端部相互の結合素子で、例えば印刷配線手
法により形成したスロツトより成る。５は絶縁基
板１の裏面に設けた適宜幅を有する線状の金属薄
膜で、例えば印刷配線手法により設けた銀箔より
成り、絶縁基板１を介して対向するアース面形成
用金属薄膜２と共にマイクロストリツプライン形
給電線を形成し、給電線５の端部が結合用スロツ
ト４のほぼ中心部と絶縁基板１を介して対向し、
容量結合によつて結合用スロツト４のほぼ中心部
に給電し得るように形成してある。

容量結合によつて給電線５と結合用スロツト４
を結合する代りに、結合用スロツト４の中間点に
おける縁部に近接した金属薄膜２の部分と給電線
５の端部間をスルーホールを介して結合せしめて
もよい。

第４図は、本発明アンテナの基本作動原理説明
のための図で、ＰはスロツトＳを設けた平面導体
板で、無限の広さを有すると共に無限に薄いもの
と仮定する。Ｗは給電線に相当する線状素子で、
この線状素子Ｗ及び平面導体板Ｐは完全導体より
成るものと仮定し、スロツトＳの幅及び線状素子
Ｗの半径は、入射板（in、in）の波長に比し
十分に小なるものと仮定する。

線状素子Ｗ上の電流ＩとスロツトＳ上の磁流Ｍ
は、次式から求めることが出来る。

−１／2μ｛▽×（ｚ）｝・Z^＋１／jωμε｛β²
（ｚ）＋▽▽・（ｚ）｝・Z^＝−１／２sc（ｚ）
・Z^……(1) (1)式においては磁界ベクトルポテンシヤル、
Ｆは電界ベクトルポテンシヤル、Z^は観測点にお
ける単位接線ベクトル、scは閉回路磁界であ
る。

(1)式の左辺第１項は線状素子Ｗからの磁界に関
係するもので、第４図における線状素子Ｗの中、
ｎ−１区間とｎ区間で形成されるくの字形の折曲
部分に着目し、この折曲部分による磁界に局部的
円筒座標（Ψ_o、ρ_o、Z_o）、（Ψ_o-1、ρ_o-1、Z_o-1）を
採用すると共に、折曲部分上における電流の展開
関数として部分的正弦波関数を用い、(1)式の左辺
第１項に示す折曲線状部分による磁界成分を
h_o:_wireとすると、 h_o:_wire＝−ｊ／8π（φ_o-1／ρ_o-1sinβe_o-
1＋φ_o／ρ_osinβe_o）・Z^……(2) ここに、 _o-1＝｛（jcosθ⁺ _o-1・sinβe_o-1−cosβe_o-1）・e
^-j〓^Rn-1+＋e^-j〓^Rn-1-｝Ψ^_o-1……(3) _o＝｛−（jcosθ^- _o・sinβe_o＋cosβe_o）・e^-j〓^Rn
-＋e^-j〓^Rn+｝Ψ^_o……(4) 上式における距離R⁺ _o-1、R^- _o-1、R⁺ _o、R^- _o及
び角度θ⁺ _o-1、θ^- _o-1、θ⁺ _o、θ^- _oは第４図に示した
距離及び角度であり、又、 e_o＝Z_o+1−Z_o e_o-1＝Z_o−Z_o-1 としている。

(1)式の左辺第２項はスロツトＳから放射される
磁界に関係する項で、第４図におけるスロツトＳ
の中、ｎ−１区間とｎ区間から成るくの字形折曲
スロツト部分に着目し、スロツト上の磁流Ｍに対
して再び部分的正弦波展開関数を採用すると、第
２項の磁界成分は最終的に次式のように導出され
る。

h_o:_slpt＝−ｊ／2πZ₀｛（P_o-1／ρ_o-1sinβe_o-1＋P_o
／ρ_osinβe_o）−（Z_o-1／sinβe_o-1＋Z_o／sinβe_o）｝
・Z^……(5) ここに、 _o-1＝｛cosβe_o-1・cosθ⁺ _o-1・e^-j〓^Rn-1
+−cosθ^- _o-1・e^-j〓^Rn-1- −jsinβe_o-1・e^-j〓^Rn+-1｝ρ^_o
-1……(6) Ｐ_o＝｛cosβe_o・cosθ^- _o・e^-j〓^Rn-−cosθ⁺ _o・e^-j
〓^Rn+＋jsinβe_o・e^-j〓^Rn-｝ρ^_o ……(7) _o-1＝｛cosβe_o-1・e^-j〓^Rn-1+／R^-／_o-1−e^-j
〓^Rn-1-／R^-／_o-1｝Z^_o-1……(8) _o＝−｛e^-j〓^Rn+／R⁺／_o＋cos
β_o・e^-j〓^Rn-／R^-／_o｝Z^_o……(9) 次に、完全導体表面上においては、入射波と散
乱波の合成電界の接線成分が零となることを用い
て次式が得られる。

１／ε｛▽×^F（ｚ）｝・Z^＋１／jωμε｛
β²（ｚ）＋▽▽・（ｚ）｝・Z^＝０……(10) 上式における左辺第１項及び第２項の電界成分
は、それぞれスロツトＳと線状素子Ｗにより形成
されるもので、部分的正弦波関数を磁流と電流の
展開関数に用いているので、ｎ−１区間とｎ区間
から成るくの字形スロツト部分及びくの字形線状
素子部分についての電界成分は、第１項及び第２
項より磁式が得られる。

e_o:_slpt＝ｊ／2π（φ_o-1／ρ_o-1sinβe_o-1＋φ_o
／ρ_osinβe_o）・Z^……（11） e_o:_wire＝−j30｛P_o-1／ρ_o-1sinβe_o-1＋P_o／ρ_osin
βe_o）−（Z_o-1／sinβe_o-1＋Z_o／sinβe_o）｝・Z^……
（12） 試験関係を適用した後における折曲線状部分に
よる磁界成分h_o:_wire、折曲スロツト部分による
磁界成分h_o:_slpt、折曲線状部分による電界成分
e_o:_wire及び折曲スロツト部分による電界成分
e_o:_slptを、それぞれh_no:_wire、h_no:_splt、
e_no:_wire及びe_no:_slptとすると、(1)式及び(10)式は、
それぞれ次式で表わされる。

〓ⁿ I_oh_no:_wire＋ 〓ⁿ M_oh_no:_slpt＝i_n 〓ⁿ I_oe_no:_wire＋ 〓ⁿ M_oe_no:_slpt＝０ （ｍ＝１，２，……） ……（13） 以上から電流及び磁流に関する複素展開係数I_o
及びM_oが通常の行列解法によつて求められる。

第１図乃至第３図に示した実施例においては、
給電線５を介してスパイラルスロツト素子３₁及
び３₂を励振すると、各スロツトに流入する磁流
によつて各スパイラルスロツト素子３₁及び₂から
放射される円偏波における各電界ベクトルの回転
方向が同方向となり、互いに和動的に合成されて
一つの円偏波電磁波が放射されることとなる。

上記実施例においては、スパイラルスロツト素
子３₁及び３₂の巻方向を互いに同方向に形成した
場合を例示したが、第５図に要部を示すように、
スパイラルスロツト素子３₁及び３₂の巻方向を互
いに逆方向に形成しても本発明を実施することが
出来、この場合には、各スパイラルスロツト素子
に流入する磁流によつて生ずる各円偏波における
電界ベクトルの回転方向が互いに逆方向となるた
め、給電線に直角な方向の電界ベクトル成分は互
いに差動的に合成され、給電線に平行な方向の電
界ベクトルは互いに和動的に合成されるので、第
５図に示した矢印方向の電界ベクトルを有する直
線偏波が放射されることとなる。

以上は、スパイラルロツト素子３₁及び３₂を線
状アルキメデス形スパイラルスロツト素子を以て
形成した場合を例示したが、第６図に要部を示す
ように、スパイラルスロツト素子を等角スパイラ
ルスロツト素子を以て形成するか、第７図に要部
を示すように、角形スパイラルスロツト素子を以
て形成しても本発明を実施することが出来る。

以上は、何れもスパイラル素子をスロツトスパ
イラル素子を以て形成し、磁流を流入励振せしめ
るように構成した場合を例示したが、スパイラル
素子を導体を以て形成し、電流を流入励振せしめ
るように構成しても本発明を実施することが出来
る。

第８図は、その一例を示す平面図、第９図は、
底面図で、両図において、１は絶縁基板、２′は
アース面を形成する金属薄膜で、例えば印刷配線
手法によつて絶縁基板１の裏面に設けてある。
３′₁及び３′₂は線状アルキメデス形スパイラル素
子で、例えば印刷配線手法によつて絶縁基板１の
表面に設けた導体より成る。４′は結合素子、
５′は給電線で、これらも亦例えば印刷配線手法
によつて絶縁基板１の表面に設けた導体より成
り、給電線５′は金属薄膜２′と共にマイクロスト
リツプラインを形成する。

本実施例においては、スパイラル素子３′₁、
３′₂及び結合素子４′を導体を以て形成した点に
おいて第１図乃至第３図に示した前実施例と異な
るが、その放射特性は前実施例と全く同様であ
る。

尚、図には示していないが、給電線５′の特性
インピーダンスに応じて給電線５′と給電点間に
インピーダンス整合素子を介在せしめる必要のあ
ること勿論である。

第８図及び第９図に示した実施例においては、
導体より成るスパイラル素子を線状アルキメデス
形スパイラル素子を以て形成したが、等角スパイ
ラル素子又は角形スパイラル素子を以て形成して
も本発明を実施することが出来る。

以上何れの実施例においても絶縁基板上に２個
一対のスパイラル素子を設けた場合を例示した
が、第１０図及び第１１図に示すように、絶縁基
板の表面上に２個一対のスパイラル素子３₁及び
３₂を設けると共に、この一対のスパイラル素子
と適宜間隔を隔てて２個一対のスパイラル素子３
_３及び３₄を設け、絶縁基板の裏面に設けたマイク
ロストリツプラインより成る共通の給電線５（第
１０図）又は５″（第１１図）を介して各スパイ
ラル素子を励振せしめるように構成することによ
り、放射電力を大ならしめることが出来る。尚、
第１０図は直列給電の場合、第１１図は並列給電
の場合である。

第１０図及び第１１図の何れにおいても４個二
対のスパイラル素子を設けた場合を例示したが、
各対毎の間隔を適当ならしめて６個三対以上のス
パイラル素子を設けることにより、放射電力を更
に大ならしめることが出来る。

第１０図及び第１１図には線状アルキメデス形
スパイラルスロツト素子を設けた場合を例示した
が、スパイラル素子を等角スパイラルスロツト素
子又は角形スパイラルスロツト素子を以て形成し
てもよく、導体より成るスパイラル素子を以て形
成してもよいこと勿論である。

第６図至第１１図に示した実施例においては、
何れも対をなすスパイラル素子の巻方向を互いに
同方向にして円偏波放射を行い得るように構成し
た場合を例示したが、対をなすスパイラル素子の
巻方向を互いに逆方向にして直線偏波放射を行い
得るように構成してもよいこと勿論である。

上記何れの実施例においても、第１２図に示す
ように、絶縁基板１の前方又は後方に適当な反射
器６を設け、絶縁基板１と反射器６の間隔を放射
波長に応じて適宜調整することにより、放射指向
性を絶縁基板１の後方又は前方においてビーム状
となすことが出来る。

又、何れの実施例においても絶縁基板１を平面
状に形成した場合を例示したが、例えば円筒面の
一部、球面の一部又は円錐面のように曲面状に形
成しても本発明を実施することが出来る。

絶縁基板を、例えば円筒面の一部をなす曲面を
以て形成した場合には、例えば第１３図に平面概
略図を示すように、スパイラル素子及び給電線等
を設けた絶縁基板１を適宜複数個円筒状に配設
し、ほぼ中心軸位置に円筒状の反射体７を設ける
ことにより、合成指向性を無指向性とすることが
出来る。

発明の効果 本発明においては、スパイラル素子及び給電線
を共通の絶縁基板上に設けると共に給電点が１個
所で足りるから構造製作が簡潔容易で、本発明ア
ンテナを構成素子とするアンテナの設計を自在に
行うことが可能となる。

又、対をなすスパイラル素子の巻方向を同方向
又は逆方向となすことにより円偏波或は直線偏波
の何れの放射も可能であり、何れの放射の場合に
もスパイラル素子における磁流又は電流の分布を
対称ならしめ得る構造であるから、広帯域に亙つ
て指向性が対称で、かつ偏波特性が良好である。

第１４図は、第１図乃至第３図に示した実施例
のスパイラルスロツト素子３₁及び３₂における磁
流分布の一例を示す図で、横軸はスロツトの長さ
SL、即ち、第１図における結合用スロツト４の
ほぼ中心に位置する給電点からの各スパイラルス
ロツト素子のスロツトの長さで、第１４図には給
電点をＦで示してある。縦軸はＭ（Ｚ）／λEであ
るが、ここにＭ（Ｚ）は、第１図における給電点
を原点とするスロツトに沿つた磁流の大きさ、λ
は放射波長、Ｅは放射波の電界強度で、第１４図
は、λが3.2GHzの場合である。

又、実線ベクトルの複素数表示における実数部
に対応する曲線、破線は虚数部に対応する曲線、
点線は絶対値に対応する曲線である。

本発明における磁流分布は、給電点に対してほ
ぼ対称であること図から明らかで、したがつて、
円偏波及び直線偏波の何れの場合においても良好
な指向特性が得られることとなる。

第１５図は、第１図乃至第３図に示した実施例
における放射指向特性の一例を示す曲線図で、第
１図における給電点を原点とし、矢印Ｘ及びＹ方
向にＸ座標軸及びＹ座標軸をとり、原点から上方
垂直方向にＺ座標軸をとつた場合における空間極
座標表示による曲線図で、実線で示した曲線は、
XZ平面からの偏角φが0°及び90°の面における電
界成分E〓を、放射周波数3.0GHz、3.2GHz及び
3.4GHzについて示したもので、点線で示した曲
線は、Ｚ座標軸からの偏角θ方向の電界成分E〓を
示したもので、何れも良好な円偏波指向特性を呈
している。

第１６図は、第１図乃至第３図に示した実施例
における円偏波放射の場合の軸比特性、即ち、円
偏波率と周波数の関係を示す図で、横軸は放射周
波数ｆ（ＧHz）、縦軸は軸比AR（dB）、即ち、円偏
波における電界ベクトルの描く円弧の長軸と短軸
との比で、一般に20log₁₀をとり、真円偏波にお
いては0dBである。

図から明らかなように、本発明スパイラルアン
テナにおいては、ほぼ3.0GHz乃至3.7GHzに亙つ
て良好な軸比特性を呈している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は
その底面図、第３図はその側面図、第４図はその
作動説明のための図、第５図乃至第７図は他の実
施例の要部を示す図、第８図は他の実施例を示す
平面図、第９図はその底面図、第１０図乃至第１
３図も亦他の実施例を示す図、第１４図は本発明
のスパイラル素子における磁流分布の一例を示す
図、第１５図は放射指向特性の一例を示す図、第
１６図は軸比特性の一例を示す図で、１：絶縁基
板、２及び２′：アース面を形成する金属薄膜、
３₁，３₂，３′₁，３′₂，３₃及び３の：スパイラル
素子、４及び４′：結合素子、５，５′及び５″：
給電線、６：反射器、７：円筒状反射体、Ｐ：平
面導体板、Ｓ：スロツト、Ｗ：線状素子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２個一対をなすスパイラル素子を、任意対
   数、絶縁基板上に設けると共に、前記一対をなす
   スパイラル素子の各外端部相互の結合素子及びこ
   の結合素子のほぼ中間点に結合される共通給電線
   を前記絶縁基板上に設けて成ることを特徴とする
   スパイラルアンテナ。 ２ 一対をなすスパイラル素子の巻方向が互いに
   同方向である特許請求の範囲第１項記載のスパイ
   ラルアンテナ。 ３ 一対をなすスパイラル素子の巻方向が互いに
   逆方向である特許請求の範囲第１項記載のスパイ
   ラルアンテナ。 ４ スパイラル素子が線状アルキメデス形スパイ
   ラルスロツト素子より成ると共に、結合素子がス
   ロツトより成る特許請求の範囲第１項記載のスパ
   イラルアンテナ。 ５ スパイラル素子が等角スパイラルスロツト素
   子より成ると共に、結合素子がスロツトより成る
   特許請求の範囲第１項記載のスパイラルアンテ
   ナ。 ６ スパイラル素子が角形スパイラルスロツト素
   子より成ると共に、結合素子がスロツトより成る
   特許請求の範囲第１項記載のスパイラルアンテ
   ナ。 ７ スパイラル素子が導体を以て形成した線状ア
   ルキメデス形スパイラル素子より成ると共に、結
   合素子が導体より成る特許請求の範囲第１項記載
   のスパイラルアンテナ。 ８ スパイラル素子が導体を以て形成した等角ス
   パイラル素子より成ると共に、結合素子が導体よ
   り成る特許請求の範囲第１項記載のスパイラルア
   ンテナ。 ９ スパイラル素子が導体を以て形成した角形ス
   パイラル素子より成ると共に、結合素子が導体よ
   り成る特許請求の範囲第１項記載のスパイラルア
   ンテナ。 １０ 各対のスパイラル素子への共通給電線が直
   列形給電線より成る特許請求の範囲第１項記載の
   スパイラルアンテナ。 １１ 各対のスパイラル素子への共通給電線が並
   列形給電線より成る特許請求の範囲第１項記載の
   スパイラルアンテナ。 １２ 絶縁基板が平面状である特許請求の範囲第
   １項記載のスパイラルアンテナ。 １３ 絶縁基板が曲面状である特許請求の範囲第
   １項記載のスパイラルアンテナ。