JPH08288736A - 誘電体を有する自己整相アンテナ素子とその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体を用いて自己整相するアンテナ素子を
提供する。 【解決手段】 ２対のアーム１１０，１２０，１３０，
１４０を交差関係に有する自己整相アンテナ素子は、共
振周波数において信号を送受信する。誘電体１５０，１
６０が、アーム１３０，１４０に隣接して配置され、ア
ーム１１０，１２０，１３０，１４０内の自己整相関係
を共振周波数において得る。アームは、四線ヘリックス
・アンテナ素子などの交差ループまたはねじれた交差ル
ープを形成することができる。同一ループ上にあるアー
ム上の誘電性カラーにより、アーム電流は互いに等距離
に隔てられる。アンテナ寸法が削減され、アンテナ素子
の断面は、誘電体が特定のアームに用いられると利得パ
ターンを劣化させずに円形になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アンテナ素子に関し、
さらに詳しくは、誘電体を用いて自己整相するアンテナ
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術発明が解決しようとする課題】多くのアン
テナは、複数の対のアームからなるアンテナ素子を有す
る。交差ループ型（crossed loop）アンテナ素子または
四線ヘリックス・アンテナ（quadrifilar helix antenn
a ）素子においては、１対のアームがループを形成し、
２つのループが９０度に交差する。既知の四線ヘリック
ス・アンテナは、通常は、異なる長さの２つの交差ルー
プを有する。この２つのループがねじれて、四分の一波
長の渦巻，半波長の渦巻，四分の三波長の渦巻または全
波長の渦巻を形成する。円形に極性化された放射パター
ンを生成するその他のアームの構造も、当技術に含まれ
る。

【０００３】四線ヘリックス・アンテナの２つのループ
は、アンテナが自己整相（self phase）すると円形の極
性をもって放射する。当技術においては、ループの１つ
が所望の共振周波数より大きいときに四線ヘリックス・
アンテナまたは交差ループ・アンテナは自己整相する。
大きいほうのループは容量性であり、正の仮想成分を有
し、小さいほうのループは誘導性であり、負の仮想成分
を有する。理想的には、アンテナ素子が自己整相する
と、容量および誘導成分（仮想成分）が打ち消しあっ
て、アンテナが純粋に抵抗性となる。この自己整相アン
テナは、このようにして、ループ内の電流間に直角すな
わち９０度の位相差を得て、それによりその中に自己整
相され円形に極性化された関係を生成する。

【０００４】四線ヘリックス・アンテナ素子と交差ルー
プ・アンテナ素子に伴う問題点は、アンテナ素子がある
方向において他方向よりも幅広くなるように直交ループ
が設計されることである。１つのループがもう一方のル
ープよりも大きくなるので、アンテナ素子は一方向で、
他方向よりも幅が広くなる。好ましくは、アンテナ素子
はできるだけ幅が狭く、薄く形成される。通常、ループ
が大きくなると、アンテナは一方向で他方向よりも約１
５％幅が広くなる。このような大きなループのために、
交差ループ・アンテナまたは四線ヘリックス・アンテナ
の断面が、楕円形の断面を持つことになり、より小型で
美的に好ましい円形の断面を持たない。本発明は、理想
的な円形のより小さい断面を設けることによりアンテナ
の寸法を小さくすることができる。

【０００５】アンテナの寸法は、当技術では、アンテナ
の全体の外形寸法を狭く短くすることにより削減されて
きた。四線ヘリックス・アンテナの２つのループの各寸
法を、両ループが同じ寸法となるように小さくしようと
試みるものもいる。しかし、アンテナ内でアームの各外
形寸法を変えると、アンテナの利得パターンに歪みが出
る。アンテナの外形寸法を小さくすることにより見かけ
が小さいアンテナを作ると、これも数デシベル以上アン
テナの利得を下げる。非静止衛星と通信する低電力の携
帯用衛星トランシーバなどの装置においては、均一で損
失の少ないアンテナの利得パターンが重要である。特に
直径の小さいことは、携帯性を高めユーザの希望に沿う
ためにも望ましい。本発明は、既知の交差ループまたは
四線ヘリックス・アンテナに楕円の断面を持たないで、
これまで可能でなかった所望の利得パターンを維持しな
がらアンテナの寸法を削減する。

【０００６】複数のアームを有するアンテナも、正確に
製造することは難しい。製造過程で、アームをハンダ付
けしてアンテナ素子を形成する際に特殊な道具が必要と
される。損失が最小限の理想的な利得パターンを得るた
めには、アームは完ぺきに必要な寸法にしなければなら
ない。さらに多重のアームをもつアンテナの正確さを高
めるための技術が望まれる。多重アーム・アンテナの組
立中に特殊な道具を減らす、あるいは必要でなくする方
法も必要である。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明による誘電体を有する四線ヘ
リックス・アンテナ素子（quadrifilar helix antenna
element ）の等角図である。四線ヘリックス・アンテナ
素子は、４本のアーム１１０，１２０，１３０，１４０
を有する。第１対のアーム１１０，１２０が第１ループ
を形成し、第２対のアーム１３０，１４０が第２ループ
を形成する。誘電体１５０，１６０は、四線ヘリックス
・アンテナ素子の２つのループのうちの１つのループの
アームに隣接して設けられる。誘電体１５０または１６
０は、好ましくはループの１本のアームの周囲に巻かれ
たカラーの形に形成される。このカラーは、アームを完
全にカプセル状に包囲して、スリーブを形成する。好ま
しくは、カラーは部分的にアームをカプセル状に包囲す
る。誘電性カラーが部分的にアームをカプセル状に包囲
すると、誘電性材料は、好ましくは、図示されるように
ループの内側に向く。誘電性材料がループの内側に向く
と、外形寸法がさらに小さくなり、アンテナ素子の断面
寸法はさらに小さくなる。

【０００８】長さ，厚み，幅およびカプセル化量などの
誘電体の外形寸法は、関連するループまたはアームの電
流の整相に影響を与える。さらに、誘電性材料の種類
は、好ましくは、射出成型過程でよく用いられるプラス
チック材料である。誘電性材料の種類は、関連するルー
プまたはアームの電流の整相に影響を与える。誘電性部
材の数も、関連するループまたはアームの電流の整相に
影響を与える。誘電性部材が射出成型以外の過程により
形成される場合は、他の材料は適切な誘電特性を生成す
ることができると知られているものである。

【０００９】アンテナ素子の製造または組立の間に、図
１の誘電性カラーは、アームに沿って上下に摺動するに
過ぎず、関連するアームの電流の整相を削除または多少
調整する。あまり好ましくはないが、選択された誘電性
材料の長さを製造中に短くして、電流の整相を調整する
こともできる。アンテナの寸法と断面の直径を小さくす
る以外に、本発明はアンテナを同調するための簡単な機
構を提供する。

【００１０】アンテナ素子は自己整相が可能で、１つの
アームに隣接するただ１つの誘電性部材を用いてその寸
法を小さくすることができるが、好ましくは、２つの誘
電性カラー１５０，１６０をそれぞれ２つのアーム上に
配置する。２つの各アーム上に２つの誘電性カラーを用
いることにより、トラス部材１７０がカラー１５０，１
６０の間にアーム１３０，１４０を支持することができ
る。トラス部材１７０による支持により、アーム間の圧
縮力が吸収される。アーム間の支持のために、複数のト
ラス部材１７０または誘電性材料の連続片も用いること
ができる。アーム間の支持としてトラス部材１７０を用
いることにより、トラス部材はハンダ付け中にアームを
支持する。このため、組立中にアームの位置決めを維持
するために用いられる特殊工具が必要でなくなる。

【００１１】本発明による四線ヘリックス・アンテナ素
子または交差ループ・アンテナ素子は、同じ寸法の２つ
の交差されたループを有する。同寸法のループのうち１
つが誘電性材料を有すると、そのループは他方のループ
より誘導性が高くなる。このため、両ループが誘電体を
持たずに容量性になるときは、誘電体を１つのループに
加えることにより１つのループを誘導性にする。適切な
量と種類の誘電体が適切な位置に加えれらると、容量成
分と誘導成分とが打ち消しあって、アンテナ素子は、外
見上は純粋に抵抗性になる。このようにして、共振周波
数におけるアンテナ素子の自己整相が実現される。

【００１２】図２は、本発明による四線ヘリックス・ア
ンテナの側面図である。フィード線２８０は、好ましく
は半硬質の同軸伝送線で、外側銅管によりシールドされ
た内部導体を有する。フィード線２８０は、アームの１
つを貫通して、四線ヘリックス素子の頂部２９０のフィ
ード励起点まで延在する。フィード励起点において、フ
ィード電流は同軸ケーブルまたは同軸管から出て、アー
ムの外側の導電性表面に付く。フィード励起点は、代わ
りに底部２９５に置くこともできる。フィード線２８０
を接続するために結合ナット２９７が用いられる。アン
テナ素子の放射特性や利得パターンに影響を与えずに、
異なる形の結合部や異なる長さのフィード線２８０を選
択することもできる。四線ヘリックスまたは交差ループ
・アンテナ型素子の全体の構造は、当業者には周知のも
のである。

【００１３】図３は、図２の四線ヘリックス・アンテナ
素子の断面図である。図３では、ねじれたアーム３１
０，３２０，３３０，３４０の下から見た図が示され
る。部分的にカプセル状に包囲する誘電性カラー３５
０，３６０は、トラス部材３７０により支持される。結
合ナット３９７も図示される。

【００１４】図４は、本発明による誘電体を有するアン
テナ素子を収納するレードーム４１０である。レードー
ム４１０は、アンテナ素子の外観を覆い、繊細なアーム
構造を物理的に収納する。アンテナ素子の断面直径を小
さくするために、レードーム４１０は、実用化できる程
度の小さい直径を有する。レードームの材料には、硬質
で軽量の特性を有する種類が好ましい。

【００１５】図５ないし図７は、本発明による誘電体を
有するアンテナ素子を収納する代替の実施例を示す。ア
ームだけが誘電性材料を支持するのではなく、レードー
ム自身が誘電性部材を支持する。誘電性部材５２０，５
３０，５４０，５５０は、好ましくは、各々のレードー
ム側面５１３，５１５内に成型される。ある実施例にお
いては、レードームは２つの側面５１３，５１５を有す
る。２つの側面５１３，５１５からレードームを作る
と、アンテナ素子を誘電性部材５２０，５３０，５４
０，５５０間のレードーム内部に組み入れるのが容易に
なる。レードームから誘電性部材を支持するために、誘
電性部材は、好ましくはレードームの材料と同じ材料内
に成型される。図示された正方形状の形以外に、誘電性
材料５２０，５３０，５４０，５５０は実際の製造を容
易にする異なる形とすることができる。

【００１６】誘電性カラー１５０，１６０または誘電性
部材５２０，５３０，５４０，５５０は、好ましくはア
ームに接触して、アンテナ素子を機械的に支持する。ま
た、誘電性カラー１５０，１６０または誘電性部材５２
０，５３０，５４０，５５０は、アームに接触せずにア
ンテナ部材に隣接してもよい。誘電体をアームに接触さ
せずに隣接して配置しても、アンテナの自己整相は可能
であるが、機械的支持という利点が失われる。

【００１７】図８は、本発明による誘電体を有する交差
ループ・アンテナ素子の等角図である。交差ループ・ア
ンテナは、構造的には四線ヘリックス・アンテナと同様
であるが、２つのループがねじれていない点が異なる。
交差ループ・アンテナ素子は、４本のアーム６１０，６
２０，６３０，６４０を有する。第１対のアーム６１
０，６２０が第１ループを形成し、第２対のアーム６３
０，６４０が第２ループを形成する。誘電体６５０，６
６０は、２つのループのうち１つのループのアームに隣
接して設けられる。

【００１８】本発明は、上記の説明および図面において
説明および図示されるが、本説明は例に過ぎず、本発明
の精神および範囲から逸脱せずに、当業者は多くの変更
および修正が可能であることを理解頂きたい。上記の図
面は、１つのアンテナ素子しか図示しないが、アンテナ
素子のアレイをアンテナ内に組み込むことができる。本
発明は無線電話およびページャなどの携帯電子無線機に
限らず、地上局，固定衛星電話ブースおよび航空船舶局
など他の機器にも適応することができる。さらに、本発
明の原理は、衛星通信ならびに地上通信にも適用可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による誘電体を有する四線ヘリックス・
アンテナ素子の等角図である。

【図２】本発明による誘電体を有する四線ヘリックス・
アンテナ素子の側面図である。

【図３】本発明による図２の誘電体を有する四線ヘリッ
クス・アンテナ素子の断面図である。

【図４】本発明による誘電体を有するアンテナ素子を収
納するレードームである。

【図５】本発明によるアンテナ素子を収納する代替の実
施例である。

【図６】本発明によるアンテナ素子を収納する代替の実
施例である。

【図７】本発明によるアンテナ素子を収納する代替の実
施例である。

【図８】本発明による誘電体を有する交差ループ・アン
テナ素子の等角図である。

【符号の説明】

１１０，１２０，１３０，１４０ アーム １５０，１６０ 誘電体 １７０ トラス部材

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振周波数を有する信号を送受信する自
   己整相アンテナ素子であって：励起給電点（２９０）に
   おいて動作可能に接続され、互いに交差関係に配設され
   た少なくとも２対のアーム（２１０，２２０，２３０，
   ２４０）；およびアームの少なくとも１つに隣接して配
   置された少なくとも１つの誘電性部材（２５０，２６
   ０）であって、前記対のアームが共振周波数において互
   いに自己整相関係を得るように選択された特性を有する
   誘電性部材；によって構成されることを特徴とするアン
   テナ素子。
2. 【請求項２】 前記自己整相関係が、アーム電流の位相
   が互いに等しい間隔を隔てるときに起こる請求項１記載
   のアンテナ素子。
3. 【請求項３】 前記誘電性材料（２５０，２６０）が共
   振周波数において自己整相関係を起こす特性を有する種
   類の材料であり、そのような外形寸法を有する請求項１
   記載のアンテナ素子。
4. 【請求項４】 前記誘電性部材（２５０，２６０）がカ
   ラーによって構成される請求項１記載のアンテナ素子。
5. 【請求項５】 前記対のアーム（２１０，２２０）がル
   ープを形成し、前記誘電性部材（２５０，２６０）がル
   ープの内側に向く、少なくとも１つの部分的にカプセル
   状に包囲するカラーによって形成される請求項１記載の
   アンテナ素子。
6. 【請求項６】 前記対のアーム（２１０，２２０）がル
   ープを形成し、前記誘電性部材が：ループの内側に向い
   て、ループの対のアームのうち第１アームに隣接する、
   部分的にカプセル状に包囲する第１カラー；ループの内
   側に向いて、ループの対のアーム（２１０，２２０）の
   うち第２アームに隣接する、部分的にカプセル状に包囲
   する第２カラー；および前記第１および第２カラーの間
   に配置されて支持を行うトラス部材；によって構成され
   る請求項１記載のアンテナ素子。
7. 【請求項７】 前記アンテナ素子が前記の少なくとも２
   対のアームの外周に配設されたレードーム（５１３，５
   １５）によってさらに構成され、前記誘電性部材が前記
   レードームの内面に設けられる請求項１記載のアンテナ
   素子。
8. 【請求項８】 前記誘電性部材がレードームの内面にお
   いてそれと一体的に形成される請求項７記載のアンテナ
   素子。
9. 【請求項９】 励起給電点において動作可能に接続さ
   れ、互いに交差関係に配設された少なくとも２対のアー
   ムを有して、共振周波数を有する信号を送受信する自己
   整相アンテナ素子を形成する方法であって： （ａ）少なくとも１つの誘電性部材（２５０）をアンテ
   ナ素子のアームの少なくとも１つ（２３０）に隣接する
   位置に配設する段階；および（ｂ）少なくとも１つの誘
   電性部材（２５０）の位置を、関連するアームに関して
   調整し、アンテナ素子の対のアーム（２３０）が共振周
   波数において互いに自己整相関係を得るようにする段
   階；によって構成されることを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 前記調整段階（ｂ）が誘電性部材（２
    ５０）を少なくとも１つのアーム（２３０）の長さに沿
    って摺動させ、その位置を調整して、自己整相関係を起
    こす段階（ｂ１）によって構成される請求項９記載の方
    法。