JPS5810006B2 - エンヘンバヨウアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は円偏波放射器のビームの軸上に無給電のまま軸
モードのヘリカルアンテナ素子を多数装置した導波器を
設けることにより円偏波放射電力をその軸上に集中して
尖鋭な放射パターンならびにアンテナ利得の向上を図る
ようにした円偏波用アンテナに関するものである。

従来、導波器を使用しているものに八木・牢固アンテナ
があることは周知である。

これは給電された放射器の前方に約１／４波長の間隔で
、１／２波長よりやや短い長さのダイポールを導波器と
して配列したもので、配列の軸上に沿うて放射ビームを
絞るようにしたものである。

これは直線偏波に対し導波器として作動するもので、そ
の構成が簡易でしかも放射ビームを尖鋭にすることがで
きるため、テレビジョン受信用アンテナその他の用途に
広く使用されている。

この形式のアンテナで使用されている導波器はダイポー
ル素子であるので、個々の周波数帯域は狭く、従ってこ
れを配列してできたアンテナ系全体の周波数帯域はさら
に狭くなるので、広帯域になるように種々研究されてい
るが、現在の所、導波器を１０個以上配列することは困
難であり、従って放射ビームのビーム幅を５０度以下に
絞ることは中々容易ではない。

本発明の目的は円偏波に対して新規な導波器を設けて尖
鋭な放射パターンならびにアンテナ利得の向上を図るよ
うにした円偏波用アンテナを提供することである。

前記目的を達成するため、本発明の円偏波アンテナは円
偏波放射器の放射軸上に、円偏波の回転が同方向である
ような軸モードのヘリカルアンテナ素子を無給電のまま
配列してなる導波器を１個以上設けて、尖鋭な放射パタ
ーンならびにアンテナ利得の向上を図るようにしたこと
を特徴とするものであり、さらに前記導波器を構成する
何れかのヘリカルアンテナ素子に正規の回転方向と逆の
円偏波を放射させるような所定巻数の逆巻きヘリカル導
線素子を接続し、放射軸上における円偏波の軸比の改善
を図るようにしたことを特徴とするものである。

すなわち、本発明においては導波器として軸モードのビ
ームを形成するヘリカルアンテナ素子を使用したもので
、そのヘリカル導線の巻き方は、これに給電して放射器
として作動させたときに、導波すべき円偏波と同種の回
転方向を有する円偏波であるようにしであるものである
（たとえば導波すべき円偏波が右旋であれば右旋円偏波
のヘリカルアンテナ素子を導波器さして使用する。

）しかもヘリカルアンテナ素子は軸モードの放射パター
ンに対して７０係にも及ぶ広帯域の周波数特性を有する
ので、この素子を一直線上に多数配列することが可能で
あり、円偏波放射器から放射された電磁波により、隣接
したヘリカルアンテナ素子に誘起電圧を生じ、ヘリカル
導線上に進行波電流を生じ、これにより同回転方向の円
偏波が軸方向に再放射され、この過程が次のヘリカルア
ンテナ素子に逐次繰返えされて、軸二に尖鋭な放射パタ
ーンを形成することになる。

たとえば２０回巻きのヘリカルアンテナ素子を５個、１
０個という風に配列することが可能であり、その一巻き
が直線偏波に使用される八木・牢固アンテナの導波器１
個に匹敵するものであるから、本発明では直線偏波の八
木・牢固アンテナにおいて導波器を１００個、２００個
と使用したものに相当する。

従って本発明においては円偏波の放射ビームを１０度以
下に尖鋭化することは極めて容易であり、実験的にも確
められている。

本発明の詳細な説明に入る前に、本発明に使用されてい
る円偏波導波器の構造と密接な関係がある従来の軸モー
ドのヘリカルアンテナ放射器について説明する。

第１図Ａは軸モード（またはビームモードともいう）の
ヘリカルアンテナ放射器の構造、ビームパターン、左旋
円偏波の概要を示す。

ヘリカル導線１の巻いである直径りの仮想円筒２の円周
πＤが波長の２／４倍から２／４倍程度であり、同図Ｂ
の図形５に示すように、巻線間の間隔Ｓ１導線の１巻長
りの標線のピッチ角αが１２度から１５度の範囲である
と、同図Ｃの図形６に示すように、導線１に沿うて進行
波が乗り、各部分からの軸方向への放射位相がほぼ一致
し、円偏波に近い電波が軸方向に放射される。

しかも使用周波数範囲の中心周波数に対して約７０係の
広帯域特性を有することは周知である。

またヘリカル導線が同図Ａに示すように右巻きの場合に
は左旋円偏波が放射され、その逆に左巻きの場合には右
旋円偏波が放射される。

さらに放射された円偏波を受信するためには同じ回転方
向のヘリカルアンテナを使用することはよく知られてい
ることである（逆回転方向のヘリカルアンテナでは受信
できない）。

また同図Ａ中のα５部分は同軸線３からヘリカルアンテ
ナに至る給電部であって、ｂ点は仮想円筒に沿うたヘリ
カルアンテナの一起点に相当するところである。

同図りに示す放射パターン４のビーム幅（半型力点）は
理論的ならびに実験的に次式７式％ ただしβ：ビーム幅、λ：自由空間波長、Ｃ：円周（π
Ｄ）ｎ：巻き数、 Ｓ：巻き線間の間隔 またアンテナ利得は次式で与えられる 上式かられかるように放射パターンを尖鋭にするために
は巻き数ｎを増大すれはよく、また巻き数の増大に伴い
アンテナ利得も向上する。

ヘリカルアンテナにおいては中心周波数に対してヘリカ
ル導線の間隔Ｓは大体自由空間波長の２／４波長に等し
く、またヘリカル導線上を進行波電流が伝搬する位相速
度は自由空間伝搬より遅く、ヘリカル導線１巻きを伝搬
するのにほぼ自由空間波長の１１／４波長を伝搬するの
に相当する。

従ってＣ１から電磁波が０２に達したときには、進行波
電流が０１からヘリカル導線上を伝搬してＣ２に達し、
これより放射される電磁波とほぼ同相となる。

従って軸方向に電界が相加わるアンテナ縦形配列に相当
する。

またＣ１における電流位相は次の巻き線の同じ関係位置
にあるＣ２の電流位相とほとんど相等しく、また仮想円
筒の円周はほぼ自由空間波長の１波長に等しい関係にあ
るので、軸上では円偏波が放射されることは周知である
。

しかし巻き数ｎを増大すると進行波電流がヘリカル導線
上をその終端の方に向って進むにつれて、■巻き毎の進
行波の２πからの位相差が累積されて終端部に近い所で
は進行波の位相が起点に近い仮想円筒上で同じ関係位置
にある点と逆相になり得ることは容易に推測し得るとこ
ろであり、その周波数放射に対し終端部のヘリカル導線
部分は打消し合うようになり、その結果最良の放射パタ
ーンは中心周波数からずれた所にあるようになり、その
特性を劣下する。

しかし従来使用されているヘリカルアンテナは１０数巻
き以内であり、放射ビーム幅も３０．〜４０度程度であ
るので、上に述べた影響は顕著に現われていないことが
多い。

しかし巻き数を１００，２００という風に増大させ、放
射ビーム幅を１０度以内に尖鋭なものとしようとすると
従来のように導線が連続してつながっているヘリカルア
ンテナ放射器では性能の良いものを実現することは困難
となる。

本発明においてはこのような欠点を除くために無給電の
ヘリカルアンテナ素子を円偏波放射器の軸上に多数配列
して導波器として作動させ、性能の優秀な円偏波アンテ
ナ系を得ようとしたものである。

次に本発明の実施例についてこれを詳細に説明しよう。

導波器として使用するヘリカル素子はヘリカルアンテナ
放射器と同一構造のもので、ただ放射器と異なるところ
は給電部を必要としないためこれを取り除いた形となる
。

すなわち第１図の放射器で給電部αｂの部分を切り落し
た形となる。

導波器として使用するヘリカル素子の巻き数は数巻き以
上あればよく、巻き数がこれより少い場合には終端より
の反射の影響により円偏波の軸比を劣下させる結果とな
る。

また導波器として使用するヘリカル素子は、もし給電し
た場合に放射器の円偏波と同回転の円偏波を放射できる
ような巻き方向のものであればよむ）。

また放射器としてはヘリカルアンテナ放射器と限る必要
はない。

たとえばスパイラルアンテナ放射器、円すい形ホーンの
円偏波放射器等を使用しても、この導波器は作動するこ
とは当然である。

第２図は本発明に係るアンテナ系にしてヘリカル素子を
無給電のまま円偏波放射器の軸上に縦に配列した場合の
配置図である。

図中７は円偏波放射器、８は導波器であり、またｄは導
波器間の間隔を示す。

第３図は本発明に係るアンテナ系においてヘリカル素子
導波器を５個まで使用した場合、軸方向における放射電
力増加の状況を示すものである。

周波数をパラメータとして、横軸に導波器の本数を、縦
軸に軸方向における放射電力（相対値）をとっている。

なお横軸において導波器の数がＯとあるのは、放射器の
みを使用したときに相当し、縦軸にはその時の軸方向の
放射電力の値を示している。

またこれはＸ波帯用（波長約３．２ｃｒ）として設計し
たヘリカル素子の放射器および導波器を使用したもので
、放射器、導波器ともに１６巻きを使用している。

放射器のみの場合には軸方向の放射電力（相対値）が４
０であったものが、導波器５本まで使用すると最良周波
数（８，３Ｇ、Ｈｚ）で導波器の数とともに１７０まで
直線的に増加している。

途中の損失が無く理想的にいけば４０×６＝２４０まで
増加する筈である（（２）式参照）。

またこれは試験の途中であるが、周波数８．４Ｇ、Ｈｚ
の場合には導波器２個まで殆んどこの理想値に達してい
ることを示している。

第４図は導波器間の間隔ｄをパラメータとして導波器５
本まで使用したときの軸方向における円偏波の軸比の測
定結果を示したものである。

横軸には前と同様に導波器の本数を、縦軸には軸方向に
おける放射円偏波の軸比をとっている。

一般に導波器間の間隔ｄについては、放射パターン、軸
比その他に関し例等臨界的な所はなく、比較的波長）、
位にとればよい。

この図では軸比のみについて測定結果をあげているが、
軸比は１．０５〜１．２５（電力比）という風に相当性
能の良い円偏波が得られることを示している。

第５図Ａ、Ｂは放射器単独のときの放射パターンを示す
もので、放射器としては第３図の場合と同様の構造であ
る。

円偏波放射器であるので同図Ａの水平偏波成分ＥＨと同
図Ｂの垂直偏波成分Ｅｖの２つについて極座標で示しで
ある。

円周方向にはアンテナの回転角を、半径方向には放射電
力（相対値）をｄＢ単位で示しである。

半型力点のビーム幅は約３０度であり、サイドローブは
約１０ｄＢ以下であり、軸比は１°１１、測定周波数は
９．３７５Ｇ、Ｈｚである。

第６図Ａ、Ｂは本発明に係るアンテナ系の放射パターン
のそれぞれ水平偏波成分ＥＨと垂直偏波成分Ｅ■を示す
ものであって、放射器の軸上に導波器５本をならべた場
合である。

放射器および導波器の構造および配列は第３図の場合と
同様であこの場合、半型力点のビーム幅は約１１度であ
り、サイドローブは１０ｄＢ以下、軸比は１．１１、測
定周波数は８．５Ｇ、Ｈｚである。

第５図Ａ、Ｂと第６図Ａ、Ｂとを対照すれは本発明に係
るアンテナ系がいかに有効に作動しているかがわかるこ
とと思う。

なおこの点に関し若干説明を補足すると次の通りである
。

（１）式に示しである半型力点のビーム幅はＪｍに逆比
例する。

放射器のみであればｎ−１６であるが、もしも導波器の
ヘリカル素子が全部放射器に直列に接続されて１個のヘ
リカルアンテナとして作動したと仮定すればｎ＝１６Ｘ
６＝９６となる。

前にも述べたようにこのように多数の巻数を使用すると
仮想円筒上において同じ関係位置にある各点の進行波電
流がほぼ同相になることは実際上は困難であるが、今仮
りにそのように理想状態で作動したとすると（１）式が
利用できることになる。

こ倍になる筈である。

すなわち３０°／２．４６＝１２．２°となる。

これは第６図より求めたビーム幅約１１゜とよく一致す
る。

このようにして本発明に係るアンテナ系においては途中
の損失が極めて僅少であるように各導波器が良く作動し
ていることを示している。

また導波器間の間隔において何等臨界的な所がなく調整
容易であって従来のヘリカルアンテナ放射器では達成し
得なかったビームの尖鋭化すなわちアンテナ利得の向上
が比較的容易に実現することができる。

以上の説明においては本発明に係るアンテナ系を送信用
として述べてきたが、同一アンテナ系で同様な性能を持
って受信用として使用できることは自明である。

次に本発明に係るアンテナ系の応用例を示すと第７図の
通りである。

７は円偏波放射器、８はＯを中心として半径方向に一直
線上に配列された導波器列、９はアンテナ系の放射パタ
ーンを示すもので、円偏波放射器と導波器列はすべて一
平面上に置かれ、導波器列を固定し、放射器のみをその
平面上において０を中心として回転させれば、水平面上
各方向において尖鋭なビームを放射させることができる
。

これは放射器と導波器ならびに導波器間の間隔ｄの値が
臨界的でないことならびにアンテナ系自体は比較的に広
帯域にわたり作用し得ることを利用したもので、このよ
うな用途は数多く生まれることと思う。

またいままでの説明においてヘリカル素子を用いた導波
器はその巻き線の始端および終端は何れも開放端の場合
について述べたが、巻き数がある程度以上多い場合（た
とえば１０巻き以上）には、どちらの端もエネルギーが
少いのでそこからの反射波による影響は少い。

従って一方または両方の端に短絡環を設けることもでき
る。

また導波器として同一直径の仮想円筒上に巻いたヘリカ
ル素子を用いたが、必ずしもこれに限る必要はない。

広帯域性を更に拡げるために仮想円筒の直径を除々に増
大または減少させて巻いたヘリカルアンテナがあるのと
同様に本発明に係るアンテナ系としてこれと同じような
構造をもったヘリカル素子を導波器として使用し得るこ
とは容易に推測し得るところである。

第８図はその一例であって１０は放射器、１１は導波器
を示すもので広帯域特性を拡げるためにヘリカル素子の
巻き線直径を除々に増大させるようにしたものである。

さらに本発明に係るアンテナ系において、導波器列の一
部の導波器に第９図に示すように、右巻き（または左巻
き）のヘリカル導線１２の次に僅かな巻き数の逆巻きの
ヘリカル導線１３を接続し、この導波器の軸の周りに回
転させることによりアンテナ系としての円偏波軸比を改
善させ得る利点がある。

一般に楕円偏波は振幅が異なり、しかもたがいに回転方
向の逆である２つの円偏波の合成であるから、逆巻きの
ヘリカル導線より放射される電波により２つの円偏波の
うち一方を打ち消すように作動させ得るからである。

しかし前に導波器の所で説明したように、アンテナ系の
ビームは導波器間の間隔ならびに軸周りの回転には殆ん
ど影響はないという点を利用したもので、逆巻きのヘリ
カル導線部分はその前に接続されている正規の巻き方向
の導線に誘起された電圧電流による進行波により逆方向
の円偏波を放射し、しかもこの円偏波は軸まわりの回転
によりその位相が回転角θの２倍に等しい値だけ変化す
るからである。

従ってアンテナ系として軸上における円偏波軸比が１．
２０のものを、このような導波器を使用することにより
１．１０以内にもってくることは左程困難ではない。

以上説明したように、本発明によれば円偏波放射器の放
射軸上に、円偏波の回転が同方向であるような軸モード
のヘリカルアンテナ素子を無給電のまま配列してなる導
波器を１個または複数個設けることにより放射軸上に尖
鋭な放射パターンが得られアンテナ利得を向上すること
ができるものである。

しかも導波器の作用を行なうヘリカルアンテナ素子間の
間隔ならびにヘリカルアンテナ素子自体の軸の回りの回
転角には何等臨界的な値はなく、はとんど無調整で充分
な性能を発揮することができ、しかもヘリカルアンテナ
素子は広帯域の周波数特性を有するためヘリカルアンテ
ナ素子を導波器として多数配列しても、アンテナ系とし
て安定に動作させることができるという他に見られない
特長を有するものである。

さらにまたこのヘリカルアンテナ素子を配列してなる導
波器の何れかのヘリカルアンテナ素子に所定巻数の逆巻
きヘリカル導線素子を接続し、放射軸上における円偏波
の軸比の改善を行なうことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ−Ｄは従来のヘリカルアンテナ放射器の説明図
、第２図は本発明の実施例の構成の概略説明図、第３図
は本発明の実施例の導波器数と放射軸上の放射電力の関
係を示す特性図、第４図は本発明の実施例の導波器数と
放射軸上における放射電力の円偏波軸比の関係を示す特
性図、第５図Ａ、Ｂは従来の円偏波アンテナの放射パタ
ーンのそれぞれ水平成分ＥＨと垂直成分ＥＶの測定値の
一例、第６図Ａ、Ｂは本発明の実施例の円偏波アンテナ
の放射パターンのそれぞれ水平成分ＥＨ垂直成分ＥＶの
測定値、第７図は本発明の円偏波アンテナの応用例、第
８図は本発明の他の実施例の構成の概略説明図、第９図
は本発明のさらに他の実施例の構成の概略説明図であり
、図中、１はヘリカル導線、２は仮想円筒、３は同軸線
、４，９は放射パターン、７．１０は円偏波放射器、８
゜１１．１２は導波器、１３は逆巻きヘリカル導線素子
を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円偏波放射器の放射軸上に、円偏波の回転が同方向
   であるような軸モードのヘリカルアンテナ素子を無給電
   のまま配タルてなる導波器を１個以上設けて、尖鋭な放
   射パターンならびにアンテナ利得の向上を図るようにし
   たことを特徴とする円偏波用アンテナ。 ２ 前記導波器を構成する何れかのヘリカルアンテナ素
   子に正規の回転方向と逆の円偏波を放射させるような所
   定巻数の逆巻きヘリカル導線素子を接続し、放射軸上に
   おける円偏波の軸比の改善を図るようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の円偏波用アンテナ。