JPH082005B2 - ポリロッドヘリカルアレーアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、衛星放送受信用のポリ
ロッドヘリカルアレーアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】衛星放送はサービスエリアが広く、地上
放送の様にビル等の反射によるゴースト障害がない高品
位の受信が可能である特徴を有するため、年々その普及
が進んでいる。しかし、衛星放送を受信する場合、衛星
からの送信電力が地上波と比べて弱いこと、１２ＧＨｚ
帯の高い周波数を使用することにより、受信アンテナは
高利得のパラボラアンテナを使用することが多い。

【０００３】しかし、パラボラアンテナは開口面積に対
する受信効率が約７０％程度であり、より小型化を図る
には高効率の受信アンテナの開発が望まれている。この
高効率化を図ったアンテナとして、最近、図３に示すよ
うなヘリカル平面アンテナが考えられている。このヘリ
カル平面アンテナは、電波の波長に比べて間隔の狭い平
行金属板３２，３３及び、これらの平行金属平板３２，
３３を外周縁で短絡する金属リング３５で構成する導波
路３４に、平行金属平板３２に多数のヘリカル円偏波素
子３１ａ，３１ａｂ，…３１ｎが挿入されて構成され
る。受信電波は多数のヘリカル円偏波素子３１ａ，３１
ｂ，…３１ｎにより受信され、導波路３４内で同位相で
合成されてプローブ３６より出力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のヘ
リカル平面アンテナは、ヘリカル円偏波素子３１ａ，３
１ｂ，…３１ｎとして空芯コイルを使用しており、この
ためコイル単体の放射指向特性が全方向にブロードとな
り、多数のコイルをアレー化した場合、ヘリカル平面ア
ンテナの開口面積に対する受信効率が約８０〜９０％と
なっている。また、平面アンテナに風等による振動が加
わった場合、コイルの巻ピッチの精度を常に安定に保持
させることや、コイルを取付ける際、コイルが相互に絡
み合うことで作業性が著しく悪く、また、コイルを平行
金属平板３２に挿入する場合、直接コイルに挿入力が加
わり、均一に組込むことが困難である欠点があった。

【０００５】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、円偏波放射素子の指向特性を改善して、アンテナ受
信効率の向上を図り、更に組み込み性を向上した高性能
のポリロッドヘリカルアレーアンテナを提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るポリロッド
ヘリカルアレーアンテナは、誘電体材料を用いて棒状に
形成したポリロッドの基部にコイルを装着し、このコイ
ルの始端を解放すると共に終端を上記ポリロッドの基部
中心より下方へ直線に延ばして結合部とした多数のポリ
ロッドヘリカル放射素子を備え、金属材料で囲んだ導波
路の一面に多数の穴を形成して上記ポリロッドヘリカル
放射素子の結合部を挿入すると共に、上記導波路の他面
に給電部を設けてなることを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】ポリロッドヘリカル放射素子により受信した電
波は効率良く誘電体を伝搬し、ポリロッドの基部のコイ
ルに結合される。ここで放射素子を構成する材料として
誘電体を使用することで誘電体中の電波伝搬の速度を遅
くすることができ、その結果、放射素子の指向特性は正
面方向が鋭くなり、放射素子単体の指向特性が改善され
る。従って、ポリロッドヘリカル放射素子をアレー化し
た場合に大きな利得を得ることができる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図１は本発明のポリロッドヘリカルアレーアン
テナの一実施例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断
面図である。

【０００９】本発明のポリロッドヘリカルアレーアンテ
ナは、図１に示すように円偏波を効率良く受信する多数
のポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎ
と、第１の金属板３と第２の金属板４を対向させて平行
に配置し、その周辺部で金属体５により電気的に短絡さ
せてなる導波路６と、第２の金属板４の中心部において
中心導体を導波路６に挿入した接栓７からなる給電部
と、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎ
の周辺に設けたカバー２により構成される。

【００１０】上記ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１
ｂ，…，１ｎは、図２に示すように構成される。すなわ
ち、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎ
は、例えばテフロン、ポリスチレン、ポリエチレン，ポ
リスチロール等の誘電体の特性を示す樹脂系材料や、そ
の他、フェライト更には酸化チタン等を焼結した誘電材
料を用い、棒状で先端が次第に細くなる構造のポリロッ
ド２１と、その基部にコイル２２を装着し、コイル２２
の始端を解放し、終端はポリロッド２１の下部中心より
下方に直線に延ばして結合部２３を構成する。

【００１１】また、ポリロッド２１の下部中心の結合部
の周囲には先端を複数に分割し、第１の金属板３に設け
た穴に挿入して固定する突起部２４が設けられている。
すなわち、突起部２４は先端より中間部の外径がやや大
きく形成され、第１の金属板３に設けた穴に突起部２４
が挿入される時の力で内側に変形し、挿入後その反力で
ポリロッド２１自体を穴の内壁に押しつけて保持する構
造となっている。

【００１２】ポリロッド２１の先端は、基部より次第に
細くした構造、例えば円錐形であり空間と誘電体とのイ
ンピーダンスの整合させ、受信する電波は効率良く誘電
体を伝搬し、ポリロッド２１の基部のコイルに結合され
る。ここで放射素子を構成する材料として誘電体を使用
することで誘電体中の電波伝搬の速度を遅くすることが
でき、その結果、放射素子の指向特性が正面方向に鋭く
なり、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１
ｎの単体の指向特性改善を図っている。従って、ポリロ
ッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎをアレー化
した場合の利得を向上することができる。

【００１３】ポリロッド２１の先端までの長さは受信波
長λに対し通常３〜５λに選ばれるが、アンテナの指向
特性や利得以外にアンテナが薄型のデザインが必要な場
合や経済性を加味した場合、３λ以下でも使用できる。

【００１４】ＢＳ衛星放送の周波数１２ＧＨｚ帯に於い
て、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎ
の実施例では、ポリロッド２１の材料として長さ約４６
ｍｍ、直径７ｍｍのポリエチレン棒の基部にコイル２２
の導入溝を設けた材料を用い、コイル２２は例えば線径
０．７ｍｍの銅線で巻数は２ターン、コイル２２の外形
は約７．２ｍｍで構成される。ここで、コイル２２の外
周長は空芯の場合、受信周波数の自由空間波長λとほぼ
等しい長さとするが、誘電体の短縮率を加味して小さく
している。

【００１５】ここで、コイル２２の始端はポリロッド２
１の導入溝にはめ込んだ後、加熱し融着してコイル２２
の始端が解けなくした固定方法としたが、予め指定の形
状に巻いたコイルを型にセットし、その周囲に樹脂を注
入する型成型による制作方法でコイル２２の始端を固定
する事も可能である。

【００１６】また、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，
１ｂ，…，１ｎの結合部２３が導波路６に挿入される長
さは接栓７から外側に位置する程長くし、導波路６と強
い結合にすることでポリロッドヘリカル放射素子１ａ，
１ｂ，…，１ｎ相互間の受信信号レベルを均一化し、最
適の指向特性、及びアンテナの利得の増大を図ってい
る。

【００１７】ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，
…，１ｎを第１の金属板３に配列する場合は、図１
（ａ）に示す様に第１の金属板３の中心Ｏ、すなわち、
第２の金属板４に設けた接栓７の位置から同心円状に多
数の穴を設ける。

【００１８】この穴の相互の間隔は受信波長λに対し
０．７〜０．９λに選ばれた間隔とし、従って同心円上
に位置するポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，
…，１ｎの相互間の間隔は受信波長λに対し０．７〜
０．９λに選ばれた間隔として配列された事になる。こ
のように実施例では同心円状に多数のポリロッドヘリカ
ル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎを配列したが、相互の
間隔は受信波長λに対し０．７〜０．９λに選ばれた間
隔であれば多角形状、スパイラル状に構成する事でも同
様の効果が得られる。また、特殊な場合すなわち、アン
テナの利得を上げてサイドローブの特性を犠牲にする場
合は１λ以上の間隔とする事も出来る。

【００１９】ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，
…，１ｎの結合部２３から受信信号が導波路６内に結合
された後、導波路６内を伝送されて中心部の接栓７の中
心導体で成るプローブに結合させる。このため、それぞ
れのポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎ
の受信信号の位相関係は重要であるのでポリロッドヘリ
カル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎの受信信号の位相が
接栓７の中心導体で同位相で合成する様にポリロッドヘ
リカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎの取付け角度を接
栓７までの距離に応じて回した角度に設定される。従っ
て、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎ
の突起部１４の側面にキー２５を付けた形状とし、導波
路６を構成する第１の金属板３に設けた多数の穴に指定
の角度で挿入される様に穴の形状を達磨型としている。

【００２０】金属板３と金属板４との間隔は受信信号の
波長λに対しλ／２以下の範囲に選ばれ、実施例では
７．５ｍｍとなっている。また、導波路６の外側の金属
体５と最外周に位置するポリロッドヘリカル放射素子１
ａ，１ｂ，…，１ｎとの距離ｄを導波路６内の波長λに
対し約λ／４とすることで、最外周に位置するポリロッ
ドヘリカル放射素子１ａ，１ｎから導波路６に結合され
る受信信号が金属体５の壁面で反射するので、反射波の
位相をポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｎの位置に
おける位相を同位相にし、受信信号の打ち消しによる損
失を少なくしている。

【００２１】第２の金属板４の中心に設けた接栓７の中
心導体の長さは、受信信号の波長λに対し約λ／４に選
ばれるが、アンテナのインピーダンスがアンテナと接続
するコンバータなどの機器とインピーダンスを整合させ
るため、中心導体の長さを調節したり中心導体にテフロ
ン等の誘電体のパイプをつけて整合させる。

【００２２】カバー２はアンテナの性能を左右するポリ
ロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎを外的環
境から保護するための樹脂材料でなる前面に設けた保護
カバーであり、更にアンテナを美的に装飾する機能も有
している。この場合、カバー２の材料や厚みは、受信信
号の損失が最少となるように選ばれる。

【００２３】以上、ポリロッドヘリカルアレーアンテナ
の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限
定されるものではなく、更に細部の改良改善を図ること
が可能である。例えばアンテナが比較的大きい場合はカ
バー２の強度を増してたわみを防止するためにカバー２
の板厚を厚くする必要があるが、板厚を厚くすると損失
が増加する。このため薄いカバー２の中央部をアーチ状
に膨らみをつけて強度を増すことや、カバー２の内側に
リブを適宜設けて補強してカバー２の厚みを薄くするこ
とや、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１
ｎの周囲を発泡スチロールなど低損失の材料で充填して
カバー２のたわみを防止する。あるいはポリロッドヘリ
カル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎが固定されない金属
板３の中心Ｏの位置からカバー２までの空間に円筒状の
発泡スチロールなど低損失の材料を取付けてカバー２の
たわみを防止する事が可能である。

【００２４】また、実施例ではアンテナの出力、すなわ
ち給電部として接栓７を設けたが、通常はアンテナの出
力にコンバータが接続される。コンバータは１２ＧＨｚ
帯の受信信号を低雑音の増幅の後に周波数変換し、１Ｇ
Ｈｚ帯の中間周波数に変換するので、低雑音の増幅回路
の入力に接栓７の中心導体に相当する線をプローブとし
て設け、接栓７を介さずに直接導波路６内に挿入して結
合させる事も可能である。また、コンバータの入力部が
導波管の場合は、第１の金属板３の裏面に円錐状の反射
体を設ける事で給電部を構成する事が可能である。

【００２５】実施例では導波路６の内部を空間としてい
るのが、発泡スチロールやテフロン材料等を充填してポ
リロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１ｎを保持
させ、第１の金属板３の板厚を薄くする、あるいは第１
の金属板３を金属薄膜のシートとする事でアンテナの軽
量化を図ることも可能である。

【００２６】また、実施例では第１の金属板３と第２の
金属板４と金属体５とは別々の構成としたが、第２の金
属板４の周辺をプレス等の成型により曲げて加工する事
により第２の金属板４と金属体５を一体に構成すること
や、第１の金属板３の周辺を曲げて第１の金属板３と金
属体５を一体に構成することができる。

【００２７】また、上記実施例では第１の金属板３と第
２の金属板４等のアンテナの構成部品を円形にしたが、
正方形や長方形、多角形とすることも可能である。この
場合はポリロッドヘリカル放射素子１ａ，１ｂ，…，１
ｎの位相合わせのため、取付け角度の回転調整を行なう
必要がある。

【００２８】実施例のポリロッドヘリカル放射素子１
ａ，１ｂ，…，１ｎの形状は先端が次第に細くなる円錐
の形状で示したが、先端に丸みを付けることや台形等種
々変化させて成型し易い形状にすることが可能である。

【００２９】また、ポリロッドヘリカル放射素子１ａ，
１ｂ，…，１ｎのコイルは、実施例ではポリロッドの基
部の外側にまいて構成したが、ポリロッドの基部の内側
に埋め込むことで成型し易くすることも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、放
射素子としてコイルとポリロッドとを結合させているた
め、コイル単独の場合よりポリロッドヘリカル放射素子
の方が指向特性が鋭く、利得も高くなり、利得増加分だ
け相対的に実効開口面積が増加した大きいアンテナと同
等の効果が得られることとなる。従って、多数のポリロ
ッドヘリカル放射素子によりアレーを構成した場合の利
得増加を図ることができる。アンテナ面の中央部の放射
素子による実効開口面積の増加の効果は相互に影響し合
うので少ないが、外周部の放射素子による実効開口面積
の効果が大きいので中央部の放射素子数と外周部の放射
素子数の比が大きいほど、すなわち、小口径のアンテナ
程実効開口面積が増加したとみなすことができ、高い受
信効率が得られる。実施例では直径３００ｍｍのアンテ
ナの開口面に対する受信効率は９０〜９５％得られた。
従って、同じアンテナ利得を必要とする場合、ポリロッ
ドヘリカルアレーアンテナは、従来のアンテナより小型
に構成でき、アンテナ自体と梱包材料の節減及び輸送費
用の低減が図れる。

【００３１】また、放射素子としてコイルとポリロッド
とを結合させているため、放射素子の組み込み時のコイ
ルの変形を防止でき、アンテナの性能の均一化が図れ
る。更にアンテナの輸送や設置後の風等による振動に対
しても影響を受け難く、性能を常に安定に保つことがで
きるので、安価なアンテナを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るポリロッドヘリカルア
レーアンテナの構成図で、（ａ）正面図、（ｂ）は側断
面図。

【図２】同実施例におけるポリロッドヘリカル放射素子
の構成図。

【図３】従来のヘリカル平面アンテナの構造を示す図。

【符号の説明】

１ａ〜１ｎ…ポリロッドヘリカル放射素子、２…カバ
ー、３…第１の金属板、４…第２の金属板、５…金属
体、６…導波路、７…接栓、２１…ポリロッド、２２…
コイル、２３…結合部、２４…突起部、２５…キー、３
１ａ〜３１ｎ…ヘリカル円偏波素子、３２，３３…平行
金属平板、３４…導波路、３５…金属リング、３６…プ
ローブ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体材料を用いて棒状に形成したポリ
   ロッドの基部にコイルを装着し、このコイルの始端を解
   放すると共に終端を上記ポリロッドの基部中心より下方
   へ直線に延ばして結合部とした多数のポリロッドヘリカ
   ル放射素子を備え、金属材料で囲んだ導波路の一面に多
   数の穴を形成して上記ポリロッドヘリカル放射素子の結
   合部を挿入すると共に、上記導波路の他面に給電部を設
   けてなることを特徴とするポリロッドヘリカルアレーア
   ンテナ。
2. 【請求項２】 上記ポリロッドヘリカル放射素子は、ポ
   リロッドの先端を次第に細くし、中心部における電波の
   位相を遅延する構造で先端から基部までの距離を受信周
   波数の波長に対して数波長以下とし、上記ポリロッドの
   外周の長さを受信波長に誘電体の短縮率を乗じた値にほ
   ぼ等しくなるように設定したことを特徴とする請求項１
   記載のポリロッドヘリカルアレーアンテナ。
3. 【請求項３】 上記ポリロッドヘリカル放射素子と導波
   路の一面に設けた穴との結合は、ポリロッドの下部に複
   数分割した突起部を設け、挿入後の反力で上記突起部が
   穴の内面に圧着固定されるように構成したことを特徴と
   する請求項１記載のポリロッドヘリカルアレーアンテ
   ナ。
4. 【請求項４】 上記導波路は多数の穴が形成される第１
   の金属板と給電部が形成される第２の金属板とを受信周
   波数の波長λに対してλ／２以下の間隔で対向させ、周
   囲を電気的に短絡する金属体により保持するように構成
   したことを特徴とする請求項１記載のポリロッドヘリカ
   ルアレーアンテナ。
5. 【請求項５】 上記第１の金属板に形成する穴は、相互
   の間隔を受信波長λに対し０．７〜１λで均等に配列し
   たことを特徴とする請求項４記載のポリロッドヘリカル
   アレーアンテナ。
6. 【請求項６】 上記第１の金属板と第２の金属板の周囲
   で電気的に短絡する金属体は、第１の金属板の最外周の
   穴より約１／４λ離れた位置とし、ポリロッドヘリカル
   放射素子より受信結合される電波を最外周の穴位置で同
   位相に反射するように構成したことを特徴とする請求項
   ４記載のポリロッドヘリカルアレーアンテナ。
7. 【請求項７】 上記第２の金属板の中心に設けた給電部
   は、同軸接栓の中心ピンをプローブとし、その長さを約
   １／４λの長さとして導波路内に挿入するように構成し
   たことを特徴とする請求項４記載のポリロッドヘリカル
   アレーアンテナ。