JPH09298417A

JPH09298417A - ヘリカルループアンテナ

Info

Publication number: JPH09298417A
Application number: JP14636196A
Authority: JP
Inventors: Sadao Ito; 貞男伊藤
Original assignee: ITEC KK
Current assignee: ITEC KK
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1996-05-07
Publication date: 1997-11-18

Abstract

(57)【要約】【目的】移動通信方式における無線基地局用或いは移動
端末用アンテナとして適する、特性が良好、製作容易で
経済的なアンテナを実現する。【構成】金属針金をその有する曲率半径が使用波長に比
し小さい値を保った螺旋状に巻き、その全長を使用波長
の１／２〜３倍程度の長さに切断し、その螺旋状金属導
体をさらに螺旋状に巻き、全体の形状が円、楕円、矩形
等の形状としたループ状の励振素子を構成し、二重巻螺
旋状金属導体の両端の針金部を給電線と接続している。【効果】アンテナの有する共振波長が螺旋状金属導体を
ループ状に作成したヘリカルループアンテナの有する共
振波長よりも、同一の寸法の二重巻螺旋状金属導体で構
成されたループ形状のヘリカルループアンテナの有する
共振波長がさらに大きくなることにより、使用周波数で
定まる通常の半波長ダイポールアンテナよりも小型化が
要求される小型無線機器に使用した場合においても従来
以上に高いアンテナ利得が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は無線通信システム用アン
テナ、特に移動通信システムの移動無線端末用、或いは
無線基地局用として使用するのに適するアンテナに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】移動通信システムの無線基地局アンテナ
としては各種のアンテナが使用されている。例えばわが
国の代表的な移動無線システムである携帯・自動車電話
システム用としては４角鉄塔の上に多数のダイポールア
ンテナを上下に多段に取り付けたアンテナ群４組を、鉄
塔各面に取り付け無指向性アンテナとした形式が使用さ
れている。或いは最近サービスが開始されたＰＨＳシス
テム用無線基地局用として、マイクロストリップ給電型
と呼ばれるものや、コリニアアンテナ（電磁結合ダイポ
ール型）が使用されている。その他、一般の移動無線シ
ステムでは上記の外、ブラウンアンテナ、スリーブアン
テナ等も使用されている。これらのアンテナは線状アン
テナと呼ばれ、線状に形成されたアンテナ素子から電磁
波が送信される形式で現在ほとんどがこの形式である。

【０００３】また、移動無線機では車載用としてスリー
ブ形式の半波長ダイポールアンテナを原理に用い、使用
に便ならしめるように若干変形したアンテナが使用され
ている。或いは、携帯無線機用としては逆Ｆ形アンテナ
や、ホイップアンテナを原理としたものが使用されてい
る。一方、ダイポールアンテナの先端を互いに接続し
て、これらのダイポールのうちの一つを中央で給電した
「折り返しダイポールアンテナ」と呼ばれるアンテナ形
式がある。一般に給電部からみてアンテナ全体が閉じた
電気回路を形成しているものはループアンテナと呼ばれ
ている。「折り返しダイポールアンテナ」もこの範疇に
はいる。図１３は折り返しダイポールアンテナの外見図
を示し、図１２はこれの特性を示す（周波数帯１．９Ｇ
Ｈｚ付近で使用される場合である）。「折り返しダイポ
ールアンテナ」は上記の公衆用の移動通信システムとし
ては使用された例はないが、アマチュア無線や、特殊通
信等で広く使用されている。また、ループアンテナは無
線呼び出し方式（ポケットベル）に使用されている。

【０００４】さらに、図１５に示すように波長に比べて
長いヘリックス導体を反射板の前に置き、それを導体板
上で給電した構造がヘリカルアンテナである。このアン
テナの基本的特性は、ヘリックスのピッチ角が１２^０〜
１５^０で、ヘリックス周（図１５ではπＤ）が０．７５
〜１．３３波長になるとき、ヘリックスの軸方向に放射
波として軸比のよい円偏波が得られることが知られてい
る。ヘリカルアンテナはいわゆる遅波形の進行波アンテ
ナとして動作し、衛星通信等で使用されている。また、
ヘリカル構造を有する他のアンテナとして、垂直モード
ヘリカルアンテナ、ヘリカルホイップと呼ばれるアンテ
ナも移動携帯無線機に使用されており、公知である。こ
れは図１６に示すようにアンテナ長の短縮を目的に、波
長に比べ小さい半径で誘電体棒に巻き上げたヘリカル導
体のダイポールの形態をしている。これは垂直モードヘ
リカルアンテナやヘリカルホイップと呼ばれている。簡
単に考えればこのアンテナはいたるところにリアクタン
スを分布して装荷させたダイポールアンテナと考えるこ
とが出来る。

【０００５】本願出願人は下記の様な新しいループアン
テナに関する発明について特許出願した（出願日平成８
年４月２日）。本発明はその改良である。金属針金をそ
の有する曲率半径が使用波長に比し小さい値を保った形
状の螺旋状に巻き、前記螺旋の全長が使用波長の数分の
１程度の長さとした前記螺旋を円、矩形、三角形等の形
状を有するループとし、前記金属針金の両端を給電線と
接続して構成されたアンテナ（ヘリカルループアンテナ
と称すべきであるが以下特に誤解を生じない場合はヘリ
カルアンテナもしくは単にアンテナと略称する）は上記
の公知例に比較して、一層の小形化が可能となるが、こ
のようなアンテナが実用された例はなく、またその呈す
るアンテナ特性も公知例はない様である。本願ではさら
に、次の改良を行った。すなわち、上記の螺旋状に巻か
れた金属線の全長を使用波長の１／２〜３倍程度の長さ
に切断し、その螺旋状金属導体をさらに螺旋状に巻き、
全体の形状を円、楕円、矩形等に形成した励振素子で構
成し螺旋状金属導体の両端を給電線と接続した。その結
果、近接した螺旋状金属導体間で干渉を起こさせること
が可能となった。このような形状のアンテナに関しても
公知例はない様である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最近の移動通信システ
ムは周波数の有効利用度の向上をはかるため、多数の無
線基地局をサービスエリアに設置し、一つの無線基地局
から放射される無線電力を少なくして、同一無線周波数
を場所的に異なるエリアで再使用するといういわゆる小
ゾーン方式が使用されている。このような無線基地局で
はシステムコストの逓減のため基地局に設置されるアン
テナは可能な限り小型・軽量化・高性能でかつ安価なも
のが望まれている。また、移動無線端末に使用されるア
ンテナも同様で小型・軽量・高性能・低コストを有する
ものが望まれている。

【０００７】上記の内、小形化の問題は、アンテナの大
きさは使用周波数や、アンテナを取り巻く周辺（媒体）
の誘電率等が定まると、その形状に対応して、基本的に
定まってしまうと言う原理的な制約があり、いかに小型
化するかは、いかなる形状のアンテナを開発するかと言
うことが問題となった。また、一般にアンテナを小形化
するとその有する利得が減少することになる。もしも利
得の減少を押さえると、アンテナの有する特性インピー
ダンスが数オームと言ったように極めて低い値になり、
給電ケーブル（通常５０オーム）との整合がいちぢるし
く劣化する。その外、アンテナの共振周波数近傍におけ
るインピーダンスや指向特性が急激に変化する。これは
アンテナの共振周波数においてインピーダンス整合が得
られたとしても、周波数が若干離れると定在波比が急激
に悪化し、また、アンテナの有する指向特性（アンテナ
利得）も急激に変化（利得低下）することになる。この
現象を有するアンテナを使用周波数帯域が広い無線通信
システムに使用した場合、使用周波数の中央においては
満足な特性を示していても、端の周波数においては定在
波比や指向特性が劣化しており良好なシステム動作を期
待出来ないことになる。

【０００８】アンテナの有する諸特性の内、上記の共振
周波数近傍における定在波比や指向特性の変化が余り急
激でない特性を有するアンテナを以下の説明では「共振
周波数近傍における特性の良好なアンテナ」或いは、誤
解のない場合は単に「特性の良好なアンテナ」と略記し
て説明する。さて、上述のように従来の小型アンテナで
はアンテナの形状が定まると、その有する諸特性が一元
的に決定され、アンテナの形状を若干変更してその有す
る諸特性を変更すること、例えばアンテナの有する利得
の減少をなるべく押さえ、かつ、形状の変化を所望の変
化範囲におさめると言ったアンテナ開発上のパラメータ
を得ることは出来なかった。したがって、設計の容易化
が要求の一つであった。また、移動無線端末機の小型化
が進むと、共振周波数近傍における特性を少々犠牲にし
てもアンテナの更なる小形化が要求されるようになる。

【０００９】本発明では今まで公知例になかった新しい
形のアンテナを考案して、アンテナの具備している共振
周波数をその有する大きさに比べて低くし、かつ、アン
テナの有する諸特性が設計時のパラメータとして得られ
る様なアンテナを考案した。その結果、余り重要でない
特性を許される範囲で低下させれば、従来にない小型・
軽量でかつ、共振周波数近傍においてシステムの要求す
る特性を満たすアンテナとして、従来のアンテナでは得
られない良好な特性を得ることが可能となった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】金属針金をその有する曲
率半径が使用波長に比し小さい値を保った形状の螺旋状
に巻き、その螺旋線の全長が使用波長の１／２〜３倍程
度の長さとした上、その螺旋状金属導体をさらに螺旋状
に巻き、全体の形状が円、楕円、矩形等の形状としたル
ープ状の励振素子を構成し、前記励振子を構成する金属
針金の両端を給電線と接続する形式のアンテナを構成し
た（正確には多重巻ヘリカルループアンテナと称すべき
であるが、以下特に誤解を生じない場合はヘリカルルー
プアンテナ、もしくはヘリカルアンテナ、或いは単にア
ンテナと略称する）。上記の金属針金で形成された螺旋
線は少なくとも２重巻以上巻いた上、ループ形にとした
ことで、互いに接近した螺旋状の部分が存在することに
なる。そして、この部分を流れる高周波電流間で相互干
渉を起こさせることになり、その結果、螺旋状金属導体
を単に１回だけ巻いたヘリカルループアンテナと、２重
巻以上巻いたヘリカルループアンテナとで全長が同一と
した場合の比較では、共振周波数は１回だけ巻いたヘリ
カルアンテナが有するそれよりも、さらに低下させるこ
とが実現した。また、ヘリカルアンテナを構成するルー
プの形状を矩形ならばその２辺の比、楕円形ならば短軸
と長軸の大きさから定まる量（離心率）を変化させるこ
とにより、その有する特性インピーダンスを変化可能と
し、アンテナと接続される給電線との整合を容易にさせ
た。また、ヘリカルアンテナに用いている金属針金の断
面の大きさを変更すること、螺旋線の曲率半径を許され
る範囲で変化させること、単位長あたりの巻線数（ピッ
チ）を変化する等により、アンテナの有する特性インピ
ーダンス、共振波長、指向特性等を変更可能とし、アン
テナ設計の容易化に寄与させた。

【００１１】

【作用】本発明を適用したヘリカルアンテナは以上述べ
たループアンテナ（折り返しダイポールアンテナ）、ヘ
リカルアンテナ、或いは垂直モードヘリカルアンテナ
（ヘリカルホイップ）等と比較して次のように全く異な
る作用を有している。まずループアンテナ（折り返しダ
イポールアンテナ）と同様に給電部からみてアンテナ全
体が閉じた電気回路を形成しているが、ループアンテナ
のようにアンテナを構成する励振素子が単なる針金状の
金属線でなく、ヘリカル状に巻かれているためループを
流れる電流による放射電界の作成はいたるところにリア
クタンスを分布して装荷したダイポールアンテナと見な
される。その結果、螺旋状金属導体を単に１回だけ巻い
たヘリカルループアンテナでも、波長の１／３程度でそ
の周波数での共振状態が発生する。

【００１２】次にヘリカルアンテナ（ヘリカルホイッ
プ）と比較すると、次の様な相違点がある。まず、基本
的にヘリカルアンテナは給電部からみてアンテナ全体が
開放された電気回路を形成しているのに対し、本発明の
アンテナは閉じた電気回路を形成している。その結果、
前者が電気的な耐圧の問題が厳しいのに対し、後者では
ほとんど問題とならない。次に、前者では基本的に軸方
向に長細い形状を取らざるを得ないと言う制約があるの
に対し、後者では円、矩形、三角形等のループ形状を取
り得るのでアンテナ全体を小さな面内に収容可能と言う
特徴を有する。

【００１３】第三に前者の共振周波数はアンテナの軸方
向の長さが決まると一元的に決定され、その時のアンテ
ナの有する特性インピーダンスも決定されるのに対し、
後者では、例えば矩形状のヘリカルループアンテナの場
合、全長が一定の条件、すなわち共振周波数が一定の条
件の下で、矩形の縦横比を変化させるとアンテナの有す
る特性インピーダンスが変化すると言う特徴を有する。
また、ヘリカルループアンテナの場合はその形状が必ず
しも矩形である必要はなく、円、楕円、三角形等の形状
にしてその有する特性インピーダンスや指向特性を変化
させることが可能である。加えて、ループを構成するヘ
リカル形状の有する曲率半径や、ヘリカルループを構成
する線条金属の寸法を変化させることにより、種々の特
徴を有するヘリカルアンテナが作成可能となる。

【００１４】また、上記の金属針金で形成された螺旋線
を少なくとも１回以上巻いたループ形にとしたことで、
前述した様な螺旋線を流れる高周波電流間で相互干渉を
起こさせることになり、、螺旋状金属導体を単に１回だ
け巻いたヘリカルループアンテナと比較して低い共振周
波数を有することになった。すなわち、単に１回だけ巻
いたヘリカルループアンテナと２重巻以上巻いたヘリカ
ルループアンテナとで、アンテナを形成する螺旋線長の
全長が同一とした場合、後者は前者よりもループの大き
さ（楕円形状ならば外径、矩形状ならば、縦、横長等）
が縮小されているにもかかわらず、共振周波数は低下す
ることが示される。その結果、共振周波数におけるアン
テナ利得は、前者がその周波数で示していたアンテナ利
得よりも良好な値を得られることが可能となった。この
結果、小型筐体内に収容するアンテナとして可及的に小
型化が要求される場合、従来得られなかった小型化が可
能となった。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す楕円形（離心率
０．６７）のヘリカルループアンテナの外観図を示す。
図１で１はヘリカルアンテナ素子、２は給電線を示す。
図１に示すようなヘリカルアンテナの電気的特性を決め
る諸元は以下である。すなわち、ヘリカルループを作成
する基本となる線条金属の寸法（線条金属の太さ、断面
の大きさ、使用する長さ）、第一次螺旋線（ヘリカル）
を構成する時の螺旋線の諸元（ヘリカル形状の有する曲
率半径、ピッチ等）、第二次螺旋線（ヘリカル）を構成
する時の螺旋の諸元（ヘリカル形状の有する曲率半径、
ピッチ等）である。これらの設計パラメータを変化させ
た場合のヘリカルループアンテナの特性については後述
する。

【００１６】まず図１に示されるヘリカルループアンテ
ナの励振素子の作成法を説明する。使用周波数帯域が１
００ＭＨｚ以上では、量産時や特に正確な特性調査時は
別として、開発・試作段階では次の様な簡便な方法を採
用することが可能である。すなわち、絶縁物（例えばポ
リエチレン、ポリウレタン等）で被覆された銅線（直径
０．１〜１ｍｍ程度の）を直径０．３〜１．５ｍｍ程度
の直線状の針金（ピアノ線）を軸として、出来るだけ、
むら（ピッチを変える等）のないように巻き、後で針金
（ピアノ線）を抜き取る方法を採用した。図２（ａ）は
ヘリカルループを作成するのに用いる線条金属（銅線）
を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）に示す線条金属（銅
線）を用いて作成した一次螺旋線（ヘリカル線）を示
す。図の場合、使用した銅線の直径は０．３ｍｍ（これ
にポリウレタンの被覆の厚さが０．０５ｍｍ程度が加わ
る）であった。これを一次螺旋線の作成では、直径０．
５５ｍｍの直線状の針金（ピアノ線）に巻きつけて作成
（一重巻き）した。

【００１７】図２（ｃ）は図２（ｂ）に示す一次螺旋線
（ヘリカル線）を用い、これを直径０．５〜２ｍｍ程度
の直線状の光ファイバー（市販品）を軸として、出来る
だけ、むら（ピッチを変える等）のないように巻いて作
成した二次螺旋線を示す。光ファイバーを用いたのは、
高周波数帯域で低損失であり、ファイバー自体弾力性が
あるため、加工しやすいこと、２重巻ヘリカルループは
形状を固定するために何らかの保持器が必要であること
からであり、ループ形状を他の手段、例えばテフロン板
上にヘリカルループを埋める溝を堀り、固定する方法等
も使用可能である。この場合は特に光ファイバーを用い
る必要はない。

【００１８】なお、図２（ａ）でループを作成する銅線
の一部が切断されているように見えるのは撮影時の光線
の影響であり、実際は一本の連続した線条良導電体であ
る。（以下の図も同様）。また、図２（ａ）、（ｂ）お
よび（ｃ）の縮尺率はそれぞれ異なっており、図２
（ａ）、（ｂ）を用いて図２（ｃ）の２重巻螺旋線（ヘ
リカル線）を作成したのではない。ピッチを変えない一
つとして、針金が重ならない程度で、かつ出来るだけ稠
密に巻く方法がある。ただし、上記の方法で一次螺旋線
を作成した後、針金（ピアノ線）を抜き取ると、螺旋線
の撚り戻しが発生し、巻数が若干減少し、螺旋全長が若
干長くなることになる。これを防止するため、高周波損
失の少ない接着材を螺旋表面に塗布する方法がある。た
だし、螺旋線の撚り戻しの程度はさほど大きくなく、例
えば全長１５０ｃｍ、直径０．３ｍｍの銅線を用い、こ
れを直径０．７ｍｍのピアノ線に出来るだけ稠密にまく
と一次螺旋線の全長は１６．２ｃｍ程度、巻数は約１６
１０を得た。

【００１９】これを接着材等で固定することなくピアノ
線を抜き去った場合の撚り戻しの程度は、巻数の減少が
１０数回、螺旋長の伸びは１６．４ｃｍと０．２ｍｍ程
度に過ぎなかった。以下、説明する測定では一次螺旋線
の撚り戻しに対し、特に対策は行っていない。また、二
次螺旋線の作成については給電線に接続する銅線部分
（１０ｍｍ程度）を光ファィバーに２〜３回巻き付け固
定した後、光ファイバーを軸として一次螺旋線をピッチ
が変化しない程度に弱い引張り圧力を加えつつ密に巻き
付け、巻き終わりは銅線部分（１０ｍｍ程度）を再び光
ファイバーに２〜３回巻き付け固定し、これら二つの銅
線部分を給電線に接続した。従って、二次螺旋線につい
ては一次螺旋線作成時に生じた撚り戻しは発生していな
い。さらに、二次螺旋線の作成で巻き方を粗（ピッチを
大きくとる）にし、ヘリカルループアンテナの全体の形
状を大きくする方法もある。この場合の電気的特性つい
ても後述する。

【００２０】以上説明したような方法で作成したヘリカ
ル励振素子は精度の面で若干の誤差はあるものの、実用
的には十分使用に耐えるヘリカルアンテナを得ることが
可能である。なお、以下の説明ではアンテナに使用する
励振素子が１個の例を説明するので、アンテナと励振素
子とを同意語に使用することがある。

【００２１】以下ヘリカルアンテナの有する諸特性につ
いて実験的に求めた結果を説明し、本発明を適用したヘ
リカルループアンテナが極めて優れた特性を有すること
を明らかにする。測定は電波環境の良好な場所におい
て、ネットワークアナライザを用いて行った。ネットワ
ークアナライザの出力端子（出力１０ｄＢｍ）にケーブ
ル（５０オーム）を接続し、その約１．５メートル先に
被試験用のヘリカルアンテナを接続（給電）する。ヘリ
カルアンテナから放射される電磁波（垂直偏波）は、最
も強く放射され（ループ面が最大に見え）る方向に、約
２メートル程度離れた場所に設置された垂直偏波受信用
のアンテナで受信し、ネットワークアナライザの受信部
へ導入し、被試験アンテナの諸特性を測定した。

【００２２】ただし、受信アンテナは測定周波数が１Ｇ
Ｈｚ以上の場合は広帯域アンテナ（２ＧＨｚで利得７．
５ｄＢｉ）を用い、１ＧＨｚ以下では約３００ＭＨｚで
共振する折り返しダイポールアンテナを用いた。測定は
ヘリカルループアンテナの１つのパラメータのみを変化
させ、他の条件は固定すると言う一般に広く使われてい
る方法をとった。また、得られた特性を公知のアンテナ
の有するそれらと比較するため、図１３に通常のループ
アンテナの形状を、図１２にその有する特性をそれぞれ
示す。

【００２３】既に説明したように本発明を適用したヘリ
カルループアンテナの有する特性は、銅線の長さ、
使用する銅線の寸法（断面の直径）、一次螺旋線作成
時のピアノ線の直径（螺旋の巻数）、二次螺旋線作成
時の光ファイバーの直径（螺旋の巻数）、二次螺旋線
のピッチヘリカルループアンテナの形状等で決定され
る。まず、ヘリカルループアンテナ作成の基本である銅
線の長さを変化させた場合の特性を説明する。銅線の長
さが１５００、３０００および４３５０ｍｍとした場合
の定在波比特性（上図）と指向特性（下図）の実測結果
を図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。他のパラメ
ータは同図内に示される。図で横軸は周波数で１００Ｍ
Ｈｚから１１００ＭＨｚまでを掃引しており、縦軸は上
図では１目盛１．０、下図では１目盛１０ｄＢで、いず
れも図中に説明がされている（以下の図も同様）。同図
から明らかなことは共振周波数は銅線の長さが大きくな
るほど、ループ全長が長くなるから低下することは当然
としても、その値が通常のループアンテナ（同一ループ
長）に比較して大きく低下していることがわかる。例え
ば図３（ｂ）においてループ長は９０ｍｍであるが、共
振周波数は５９０ＭＨｚが得られている。一方、同一ル
ープ長の通常のループアンテナでは共振周波数は３３０
０ＭＨｚ（ただしいずれも空間媒体内とする）であるか
ら約１／５程度に低下していることになる。さらに、本
願出願人が既に出願した新しいループアンテナの有する
特性（図１１参照）と比較すると、以下のように共振周
波数は一般に低下している。すなわち、図１１では使用
した銅線の直径は０．３ｍｍであるが、アンテナの全長
が１４０ｍｍ、１７０ｍｍおよび１９５ｍｍに対し、共
振周波数はそれぞれ９５７ＭＨｚ、７７９ＭＨｚおよ
び、６８１ＭＨｚである。一方、図３（ａ）ではヘリカ
ルループの全長が４４ｍｍ、９０ｍｍおよび１３１ｍｍ
に対し、共振周波数はそれぞれ９５４ＭＨｚ、５９０Ｍ
Ｈｚおよび、４２４ＭＨｚである。

【００２４】次に、共振周波数以下の周波数帯域におい
て、アンテナの指向性（利得）が向上している点があげ
られる。例えば、図３（ｂ）の周波数３３８ＭＨｚにお
いてのアンテナの指向性（利得）は共振周波数よりも良
好なくらいである。この周波数３３８ＭＨｚは本発明を
適用したヘリカルループアンテナの副共振周波数とも考
えられ、２重ヘリカルに巻いたことで整数倍の関係のな
い共振周波数が多数発生したためと考えられる。ただ
し、アンテナ入力インピーダンス特性（定在波比特性）
を改善する必要があるが、これはループの形状を変える
ことで入力インピーダンスの変更が可能であり、或いは
通常の整合法で容易に実現可能である。つぎに銅線の長
さと共振周波数との関係であるが、銅線の長さが長くな
れば共振周波数は低下するのは当然として、長くなる程
上述の副共振周波数が増加していることがわかる。図３
（ｃ）はその１例である。したがってアンテナ設計には
これを有効に利用することが出来る。

【００２５】次に銅線の断面の大きさがアンテナ特性に
与える影響を調べるため、銅線の直径として０．３ｍｍ
のものを使用し、上記と同様の特性を実測した結果を図
４（ａ）、および（ｂ）に示す。図４（ａ）と図３
（ａ）とを比較すると次の結果を得る。指向特性は全般
に前者の方が共振周波数は低くなる。また、指向特性は
全般に前者の方が低い周波数へシフトする。次に図４
（ｂ）と図３（ｂ）とを比較すると共振周波数はほとん
ど変わらないが利得は増加する。すなわち効率のよい電
磁波の送信がされているものと考えられる。このように
銅線の全長を長くした場合の得られる特性は、種々に変
化するから、設計に当たっては銅線の全長をパラメータ
に取り、所望の特性を得ることが可能となる。

【００２６】次に一次螺旋線の内径を大きくした場合の
アンテナ特性について説明する。すなわちピアノ線の直
径を０．７ｍｍにした場合の実測結果を図５（ａ）、お
よび（ｂ）に、また、示す。ピアノ線の直径を１．２ｍ
ｍにした場合の結果を図６に示す。図５（ａ）と図３
（ａ）、或いは図４（ａ）とを比較すると次の結果を得
る。共振周波数はヘリカルループ長が短くなった分だけ
やや高くなる。指向特性は全般に一次螺旋線の内径を大
きくした方が共振周波数以下の周波数においてもよい放
射特性を有している。次に図５（ｂ）と図３（ｂ）、或
いは図４（ａ）とを比較すると共振周波数はほとんど変
わらないが利得は増加していることがわかる。さらに、
図６と図５（ｂ）図３（ｂ）、或いは図４（ａ）とを比
較すると多数の副共振周波数が現れており、これは図３
（ｃ）と同様の結果である。特に図６の周波数４１９Ｍ
Ｈｚにおいては指向特性は後述するように通常の半波長
ダイポールの指向性とほとんど変わらない程度の良好な
特性を示しているのは注目される。ただし、螺旋線の内
径の最適値は使用する周波数により変化するから、常に
内径を大きくする方が特性が良好となる訳ではない。

【００２７】二次螺旋線の内径を上記の０．７５ｍｍよ
り、１．５ｍｍと大きくした時の特性については図７
（ａ）、（ｂ）に実測結果を示しており、これと対応す
る図５と比較して説明する。二次螺旋線の内径を太くし
た効果で特徴的なのは、前者が後者に比較してヘリカル
ループ長が短くなっているにもかかわらず、共振周波数
が低下することであろう。また多数の副共振周波数が現
れることであり、給電線と整合を取れば低い周波数で良
好な指向性が確保可能なことが知られる。

【００２８】図１は図７（ｂ）に示す特性を得た楕円ヘ
リカルアンテナの形状を示している。楕円ヘリカルアン
テナの場合、５０オームの給電線に整合させるには図１
の様な横長の楕円に形成するのがよい様である。また、
ヘリカルアンテナのループ形状を変化させた場合のアン
テナ特性の変化について説明する。被測定アンテナとし
て図３（ｂ）の測定結果を得た楕円ヘリカルアンテナを
基本に取り、離心率を０．６６から０．３，−０．２
９，−０．８８と変化させた時の特性を図８（ａ）、
（ｂ）および（ｃ）に示す。ただし、離心率にマイナス
（−）が付けられているのは、縦長の楕円であることを
示す。さらに、離心率が０．３の場合は図３（ｂ）に同
じである。これらの図からわかることは、まず共振周波
数（マーカ４）は離心率を０．６６から−０．８８まで
変化させると共に、５４３ＭＨｚ，５９０ＭＨｚ、５６
３ＭＨｚ、５３１ＭＨｚ，と複雑に変化していることが
わかる。次に共振周波数における指向性については、−
４３．５ｄＢ，−４３．９ｄＢ，−４３．１ｄＢ，−４
６．５ｄＢと若干変化していることがわかる。また、図
示していないが、入力インピーダンスは、それぞれ４９．８−ｊ９．４，４０．５−ｊ４．８，３８．４＋
ｊ４．３，８２．１−ｊ１１．９となり、大きく変化していることが知られる。

【００２９】上記は本発明を楕円形状の励振素子に適用
した場合であるが、形状は楕円に限らず、矩形や三角形
等他の形状を有するヘリカルループ励振素子に適用可能
であることは当然である。このようにヘリカルループで
構成される励振素子の形状を変化させた場合、アンテナ
特性はかなり変化するから、逆にこの変化を設計に使用
することが出来る。例えば、ヘリカルアンテナの有する
入力インピーダンスを給電線の有する特性インピーダン
スと整合させることは容易である。

【００３０】以上は二次螺旋線を作成する時、一次螺旋
線をなるべく密に巻いた時のヘリカルループアンテナに
ついて説明したが、以下では二次螺旋線の互いの間で接
触しないように粗に巻いた（ピッチを大きくした）場合
のヘリカルループアンテナの特性について以下説明す
る。被測定アンテナとしては、まず上記と同様、二次螺
旋線をなるべく密に巻いたアンテナ（二次螺旋線長３．
８ｍｍ）を準備し、この二次螺旋線を３．８ｍｍから
７．００ｍｍ，７．００ｍｍから１０．００ｍｍへさら
に、１０．００ｍｍから１５．００ｍｍへと順次引伸ば
して行く方法を取った。実測結果を図９（ａ）、（ｂ）
および（ｃ）に示す。作成したヘリカルループアンテナ
のパラメータ図内に示されている。これらの図面を比較
して、二次螺旋線のピッチを大きくするにつれて共振周
波数が順次低下することであろう。これはループを形成
する形状が大きくなるから当然とも考えられる。また、
これらの図面からは余り明確ではないが、ピッチを大き
くするにつれて共振周波数近傍の帯域における指向特性
が良好となる。なお、一次螺旋線のピッチを大きくして
二次螺旋の巻数を増加させたアンテナ形式も可能性があ
る。この時の特性は大略図９（ａ）、（ｂ）および
（ｃ）に示すのと同様の傾向がみられる。

【００３１】上記のように一次または二次螺旋線のピッ
チを大きくしたヘリカルループアンテナの用途として
は、一つは共振周波数近傍の帯域における指向特性を良
好とするためである。すなわち、一次または二次螺旋線
をなるべく密に巻いたヘリカルループは共振周波数付近
において急峻な特性を有する（図１０参照）ので、これ
を緩和させるため故意にピッチを大きくすることが考え
られる。上述の図９（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の結果
と図１０とを比較すれば明らかなように共振周波数付近
における急峻な特性が順次緩和されていることがわか
る。しかしながら、共振周波数付近における急峻な特性
自体は必ずしもデメリットではなくメリットとして働く
場合がある。それは、送信アンテナとしては送信信号の
帯域外に含まれている雑音成分の輻射を妨げる効果があ
り、受信アンテナとしては受信信号の帯域外に含まれて
いる雑音成分の受信機への入力を妨げる効果を有するか
らである。

【００３２】螺旋のピッチを大きくする目的のその２
は、無線基地局用として大電力の無線出力を送信する場
合が考えられる。この場合、アンテナ自体の大きさは若
干大きくなっても、アンテナに電力容量を持たせるた
め、比較的太い銅線が必要であり、また、ヘリカル間の
絶縁も大切であるからである。

【００３３】最後に本発明を適用したヘリカルアンテナ
の共振周波数（１ＧＨｚ以下の場合）における指向特性
（アンテナ利得）が同一周波数において共振するダイポ
ールアンテナ、或いは折り返しアンテナに比較しても利
得の低下は７〜２０ｄＢ程度であることを説明する。図
１２は送信アンテナとして折り返しアンテナを用いた時
の受信特性を示す。図から明らかなようにこの折り返し
アンテナの共振周波数は２７７ＭＨｚであり、受信レベ
ルは−２７．６ｄＢである。本発明を適用したヘリカル
アンテナの指向特性（アンテナ利得）はこの−２７．６
ｄＢと比較することで容易に求めることが出来る。ま
た、測定器の受信用に用いたアンテナも３００ＭＨｚ近
傍で共振周波数を有する折り返しアンテナであるが、こ
のアンテナはかなりの広帯域性を有するから、２００〜
５００ＭＨｚにわたり、この−２７．６ｄＢを基準に使
用して差し支えないものと思われる。ただし、この値を
基準にとると、本発明を適用したヘリカルアンテナのア
ンテナ利得は厳しい（不利な）方向の評価となるが、無
視する。

【００３４】上記の推定の下で本発明を適用した１ＧＨ
ｚ以下のヘリカルアンテナのアンテナ利得を求めると、
図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のアンテナでは−７〜
２０ｄＢ_ｄ程度、図４（ａ）、（ｂ）では−９〜１４ｄ
Ｂ_ｄ程度、図５（ａ）、（ｂ）では−７〜１８ｄＢ_ｄ程
度であり、以下の図面においても同様のことが言える。
同様に、本発明を適用した１ＧＨｚ以上のヘリカルアン
テナの指向性（図７〜図１０）が折り返しアンテナと比
較した結果を説明する。図１３に示された形状を有する
折り返しアンテナの特性は図１２に示す通りである。図
より共振周波数近傍において−３５．７ｄＢ程度の受信
レベルを有している。この値を基準に取り、上記と同様
の比較を行う。その結果、最低の共振周波数近傍におい
て、図９（ａ）で−６ｄＢ_ｄ程度、図９（ｂ）で＋１ｄ
Ｂ_ｄ程度、および図９（ｃ）で−１．５ｄＢ_ｄ程度であ
ることがわかる。ただし、上記の比較に用いたヘリカル
アンテナは前述したように製作工程が必ずしも正確・画
一的ではないから、精密な方法を使用すればさらに良好
な特性が得られるものと推定される。それにもかかわら
ず、これらの値は現在得られている極小アンテナに比較
すれば少なくとも７〜８ｄＢ，多ければ１０ｄＢ以上良
好である。

【００３５】本発明を適用したヘリカルアンテナの有す
る入力インピーダンス、指向性（利得）等については、
以上の実測結果からも明らかなように、ヘリカルアンテ
ナを構成する各種パラメータ更することで容易に変更が
可能である。すなわち、ヘリカルループアンテナの形状
を矩形、円、楕円、三角形等を取り得ること、ループを
構成するヘリカル形状の有する曲率半径や、ヘリカルル
ープを構成する線条金属の寸法を変化させることによ
り、種々の特性を有するヘリカルアンテナが作成可能と
なる。これは従来のループアンテナ、半波長ダイポール
等が所有していない特徴であり、本発明を適用したヘリ
カルアンテナの設計が容易であることを示している。以
上の説明は主として移動端末に適用するアンテナに関し
てであったが、無線基地局用としても今後小型・軽量化
が要求されるので、上記のアンテナは無線基地局用とし
ても使用可能である。

【００３６】

【発明の効果】本発明を適用したヘリカルループアンテ
ナはアンテナ固有の共振周波数を大きく低下させること
が可能となり、またアンテナ入力インピーダンスや指向
性の変更を、形状を変更することで可能となった。その
結果、無線システム上の要求を満たすアンテナ設計が可
能となる。特に、移動無線端末としては今後超小型化・
軽量化の要求が優先して求められると想定されるので、
若干の指向特性（利得）、共振周波数近傍における定在
波比を犠牲にして実現可能となる。さらにアンテナと給
電線との整合の容易さも実現出来る上、多数の本発明を
適用したヘリカル形式の励振素子を多数使用した多段結
合型ヘリカルアンテナを作成可能であるので、無線基地
局においても従来困難であったアンテナの小形・高利得
化が可能となった。したがって、本発明の効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヘリカルループアンテナの実施例を示
す図である。

【図２】本発明によるヘリカルループアンテナの作成法
を説明するための図である。

【図３】本発明によるヘリカルループアンテナの実施例
の特性を測定した結果を示す図である。

【図４】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図５】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図６】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図７】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図８】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図９】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図１０】本発明によるヘリカルループアンテナの他の
実施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図１１】ヘリカルループアンテナの特性を測定した結
果を示す図である。

【図１２】公知の折り返しアンテナの特性を測定した結
果を示す図である。

【図１３】公知のループアンテナの一例である。

【図１４】公知のループアンテナの特性を測定した結果
を示す図である。

【図１５】公知のヘリカルアンテナの一例である。

【図１６】公知の垂直モードヘリカルアンテナの一例で
ある。

【符号の説明】

１：ヘリカルアンテナ素子２：給電線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属針金をその有する曲率半径が使用波
長に比し小さい値を保った形状の螺旋状に巻き、前記螺
旋状金属導体の全長を使用波長の１／２〜３倍程度の長
さに切断した上、さらに螺旋状に巻き、全体の形状を
円、楕円、矩形等に形成した励振素子で構成されるヘリ
カルループアンテナ。
【請求項２】前記「請求項１」のヘリカルループアン
テナの形状を変化させることにより、アンテナの有する
特性インピーダンス、共振波長、指向特性等を変更可能
としたヘリカルループアンテナ。
【請求項３】前記「請求項１」のヘリカルループアン
テナを形成する前記螺旋状金属導体の有する螺旋の物理
的諸元を変更することにより、アンテナの有する特性イ
ンピーダンス、共振波長、指向特性等を変更可能とした
ヘリカルループアンテナ。
【請求項４】前記「請求項１」のヘリカルループアン
テナを形成する前記螺旋状金属導体の有する全長、さら
に螺旋状に巻く回数等を変更することにより、アンテナ
の有する特性インピーダンス、共振波長、指向特性等を
変更可能としたヘリカルループアンテナ。