KR100311440B1

KR100311440B1 - 단선스파이럴안테나

Info

Publication number: KR100311440B1
Application number: KR1019970707764A
Authority: KR
Inventors: 히사마쯔 나까노; 미쯔야 마끼노
Original assignee: 다끼자와 이치로; 닛뽕 안테나 가부시키가이샤
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 2001-11-17
Also published as: WO1997033341A1; DE69726070T2; DE69726070D1; US6018327A; EP0825674A1; EP0825674A4; EP0825674B1; JP2863727B2; KR19990008238A; JPH09246847A

Abstract

단선 스파이럴 안테나의 스파이럴 주위길이 (C) 를 예를 들면, 2.3 λ (λ 는 사용주파수 파장) 로 하면, 그 안테나면에 연직인 축 (Z) 에서 방사되는 빔이 경사지게 된다. 빔 경사각은 스파이럴 주위길이 (C) 에 의해 변화되고, 스파이럴 주위길이 (C) 는 2λ 를 초과하여 3λ 이내로 된다.

Description

단선 스파이럴 안테나 {SINGLE WIRE SPIRAL ANTENNA}

이동체통신이나 위성통신 분야에서는 원편파를 사용한 통신이 많이 실시되고 있다. 이 원편파를 사용한 통신에는, 원편파의 송수신을 실시할 수 있는 헬리컬 안테나나 스파이럴 안테나가 다용되고 있다.

헬리컬 안테나는 나선형상으로 감긴 축방향으로 최대지향성을 갖고 있으며, 1 차 모드의 스파이럴 안테나는 안테나면에 대하여 연직방향으로 최대지향성을 갖고 있다. 또, 2 차 모드의 스파이럴 안테나는 쌍방향의 방사특성을 갖고 있다.

그러나, 통신분야에서는 위성통신과 같이 원하는 통신방향을 필요로 하는 경우가 있다. 이와 같이 특정의 통신방향을 갖고 있는 경우는, 안테나의 빔을 그 앙각 (仰角) 및 방위각에 일치하도록 설정하지 않으면 안된다.

따라서, 종래에는 안테나 자체를 경사시킴으로써, 안테나 빔의 앙각을 통신방향의 앙각에 일치시킴과 동시에, 안테나 전체를 회전가능하게 하여 이동체에 탑재된 경우에도 통신방향의 방위각에 일치되도록 하였다.

그러나, 안테나에서 방사되는 빔이 소정각도의 앙각이 되도록 안테나 자체를 경사시키면, 안테나가 받는 수풍 (受風) 면적이 증가하게 되어 안테나의 고착수단을 강고하게 할 필요가 생긴다. 또한, 안테나의 높이가 높아져 이동체에 탑재한 경우에 제한높이를 초과해 버릴 우려가 생긴다.

따라서, 본 발명은 수풍면적을 감소할 수 있음과 동시에 설치높이를 낮게 할 수 있도록, 원편파의 방사빔을 경사지게 할 수 있는 단선 스파이럴 안테나를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 단선으로 구성되는 스파이럴 안테나에 관한 것으로, 특히 경사진 빔을 형성할 수 있는 스파이럴 안테나에 관한 것이다.

도 1a 는 본 발명의 단선 스파이럴 안테나의 실시형태의 구성을 나타낸 상면도, 도 1b 는 그 측면도이다.

도 2 는 본 발명의 단선 스파이럴 안테나의 Y - Z 면의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 3 은 본 발명의 단선 스파이럴 안테나의 X - Y 면의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 4 는 본 발명의 단선 스파이럴 안테나의 X - Z' 면의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 5 는 본 발명의 단선 스파이럴 안테나의 방사패턴을 3 차원적으로 나타낸 도면이다.

도 6 은 본 발명의 어레이화된 단선 스파이럴 안테나를 설명하기 위한 도면이다.

도 7 은 본 발명의 어레이화된 단선 스파이럴 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.

도 8a 는 본 발명의 어레이화된 단선 스파이럴 안테나의 Y - Z 면의 방사패턴이며, 도 8b 는 그 X - Z' 면의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 9 는 본 발명의 어레이화된 단선 스파이럴 안테나의 주파수에 대한 축비특성 및 이득특성을 나타낸 도면이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 단선 스파이럴 안테나는, 그라운드 플레인 (ground plane) 상에 소정간격을 두어 배치되는 스파이럴 안테나가 단선으로 구성되어 있으며, 사용되는 파장을 λ 로 했을 때에, 이 스파이럴 안테나의 스파이럴 주위길이가 2λ를 초과하여 3λ 까지의 길이로 되어 있다.

또, 사용되는 파장을 λ 로 했을 때에, 단선으로 구성된 스파이럴 안테나 소자의 스파이럴 주위길이가 2λ 를 초과하여 3λ 까지의 길이로 되어 있어, 스파이럴 안테나 소자를 반사판상에 소정간격을 두어 복수 배치하도록 되어 있다.

이와 같은 본 발명의 단선 스파이럴 안테나에서는, 안테나면의 연직축에 대하여 빔을 경사지게 할 수 있어 빔의 앙각방향을 통신방향에 일치시킴으로써, 스파이럴 안테나를 수평면에 설치할 수 있게 된다. 이 때문에, 원하는 앙각방향에 빔을 방사할 수 있는 스파이럴 안테나의 설치높이를 낮게 할 수 있어, 수풍면적을 작게 할 수 있음과 동시에, 이동체에 탑재하여도 제한높이를 초과하는것을 방지할 수 있다.

또, 이와 같은 단선 스파이럴 안테나를 어레이 (array) 화하여도 수평방향으로 복수 배열하면 되므로, 스파이럴 안테나의 설치높이가 높아지는 일은 없다.

본 발명의 단선 스파이럴 안테나의 실시예의 구성을 도 1a 및 도 1b 에 나타냈다. 또한, 도 1a 는 단선 스파이럴 안테나의 상면도이며, 도 1b 는 측면도이다.

이들의 도면에 나타낸 바와 같이, 단선 스파이럴 안테나 (1) 는 그라운드 플레인 (2) 으로부터 간격 (h) 을 두어, 안테나면이 그라운드 플레인 (2) 과 평행이 되도록 배치되어 있다. 이 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 스파이럴 주위길이 (C) 는 예를 들면, 약 2.3λ (λ 는 사용주파수의 파장임) 로 되어 있고, 그라운드 플레인 (2) 과 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 간격 (h) 은 약 1/4λ 로 되어 있다.

또, 단선 스파이럴 안테나 (1) 에는 동축선 (3) 에서 파장 (λ) 의 고주파신호가 급전되고 있다. 또한, 동축선 (3) 의 어스부는 그라운드 플레인 (2) 에 접속되고, 심선이 단선 스파이럴 안테나 (1) 에 접속되어 있다.

이와 같이 구성된 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 안테나면을 X - Y 평면으로 하고, 안테나면의 연직방향을 Z 축으로 했을 때의 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 Y - Z 면의 방사패턴을 도 2 에 나타냈다. 이 방사패턴은 도 1a 에 나타낸 각도 (ø) 가 232 도인 면의 방사패턴으로, 빔 경사각 (θ) 이 약 28 도로 된 팬빔이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 최대방사방향은 ø = 232˚, θ = 28˚ 방향이 된다. 이 때의 축비는 1.9 ㏈ 로 양호하며, 이득은 8.2 ㏈ 가 된다.

이와 같이, 본 발명의 단선 스파이럴 안테나 (1) 는 안테나면의 연직방향으로 경사진 팬빔을 형성할 수 있다.

또, 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 X - Y 평면의 방사패턴을 도 3 에 나타냈는데, Z 축을 빔 경사각 (θ = 28˚) 만큼 경사져 나타내고 있다. 이 방사패턴에서도 최대방사방향의 각도 (ø) 가 ø = 232˚인 것을 알 수 있다. 또한, 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 X - Z' 면의 방사패턴을 도 4 에 나타냈다. 이 Z' 축은 Z 축을 빔 경사각 ( ø = 28˚) 만큼 경사진 축이다.

또한, 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 방사패턴을 도 5 에 3 차원적으로 나타냈다.

또한, 본 발명의 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 스파이럴 주위길이 (C) 는, 2λ 를 초과하여 3λ 이내이면, 형성되는 빔을 경사지게 할 수 있다. 이 경우, 스파이럴 주위길이 (C) 를 변경시키면, 빔 경사각 (θ) 이 변화하게 된다. 따라서, 스파이럴 주위길이 (C) 를 변경함으로써, 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 빔을 통신방향에 일치시킬 수 있다. 또, 그라운드 플레인 (2) 과 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 간격 (h) 은 1/4λ 로 한정되지는 않으며, 1/4λ 근방이면 된다.

또한, 단선 스파이럴 안테나 (1) 는 와이어로 형성할 수 있는데, 절연제의 필름상에 단선 스파이럴 안테나 (1) 를 형성하여, 그라운드 플레인 (2) 과 단선 스파이럴 안테나 (1) 를 발포체 등의 유전재를 개재시켜 고착하도록 하여도 된다.

다음으로, 도 1a 및 도 1b 에 나타낸 단선 스파이럴 안테나를 4 소자를 이용한 4 소자 어레이 안테나의 구성을 도 7 에 나타냈다.

이 도면에서, 1 - 1 ∼ 1 - 4 는 단선 스파이럴 안테나소자로, 리플렉터 (4) 로부터 간격 (h) 을 두어 배열되어 있다. 이 경우, 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 의 간격 (d) 은 약 0.8λ 로 되어 있어, 어레이 안테나의 최대방사방향이 Y - Z 면이 되도록 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 는, 도 6 에 나타낸 바와 같이 ø 방향으로 218 도 회전되어 있다. 또, 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 와 리플렉터 (4) 와의 간격 (h) 은 약 1/4λ 로 되어 있다.

또, 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 는 도시하지 않은 동축선에 의해 급전되고 있으며, 각 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 는 서로 동상 (同相) 이 되도록 급전되고 있다.

도 7 에 나타낸 바와 같이 구성된 어레이 안테나의 방사패턴을 도 8 에 나타냈다. 도 8a 은 Y - Z 면의 방사패턴으로, 최대방사방향의 빔 경사각 (θ) 은 단선 스파이럴 안테나소자의 단체 (單體) 에서 약 4 도 어긋나 약 24 도 로 이루어진다. 또, 도 8b 는 X - Z' 면의 방사패턴으로, 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 를 수평방향으로 나열하여 어레이 안테나를 구성하고 있기 때문에, 방위각 방향의 빔이 펜슬빔으로 되어 있다. 이 Z' 축은 Z 축을 빔경사각 (θ = 24˚) 만큼 경사진 축이다.

또한, 도 7 과 같이 구성된 어레이 안테나의 주파수에 대한 축비특성 및 이득특성을 도 9 에 나타냈다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 축비는 약 5.7 ㎓ 에서 약 7 ㎓ 의 넓은 주파수대역에 걸쳐 3 ㏈ 이하로 양호한 축비로 할 수 있다. 또한, 이득도 최대이득이 14.7 ㏈ 로 고이득이 되어, 넓은 주파수대역에 걸쳐 고이득을 얻을 수 있다. 특히, 사용주파수대역을 5.5 ㎓ ∼ 7.0 ㎓ 로 했을 때에, 그 중심주파수에 대한 3 ㏈ 이하의 축비의 주파수대역폭을 약 22 % 로 광대역으로 할 수 있다.

또한, 어레이 안테나를 구성하는 각 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 의 스파이럴 주위길이 (C) 는 2λ를 초과하여 3λ 이내로 되어 있다. 이 경우, 스파이럴 주위길이 (C) 를 변경시키면, 빔 경사각 (θ) 이 변화하게 된다. 따라서, 스파이럴 주위길이 (C) 를 변경함으로써 단선 스파이럴 안테나 (1) 의 빔을 통신방향에 일치시킬 수 있다.

또, 리플렉터 (4) 와 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 의 간격 (h) 은 1/4λ 에 한정되는 것은 아니며, 1/4λ 의 근방이면 된다. 또, 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 의 간격 (d) 은 약 0.8λ 에 한정되지 않고, 어레이 안테나의 사이드 로브를 최적화할 수 있는 간격으로 하면 된다.

또한, 도 7 에 나타낸 바와 같이 리플렉터 (4) 와 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 사이는 비유전율 ε_r= 1 (진공) 로 된 공간으로 되어 있는데,리플렉터 (4) 와 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 를 발포체 등의 유전재를 개재시켜 고착되도록 하여도 된다. 이 경우, 절연제의 필름상에 단선 스파이럴 안테나소자 (1 - 1 ∼ 1 - 4) 를 형성하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명의 단선 스파이럴 안테나는 빔을 경사지게 할 수 있으므로, 이동체에 탑재했을 때에는 저자세의 안테나로 할 수 있다. 따라서, 안테나의 취부를 용이하게 실시할 수 있음과 동시에, 그 구조도 간이화할 수 있다. 또, 본 발명의 단선 스파이럴 안테나는 안테나의 중심에 급전점이 존재하므로, 안테나를 수평면내에서 회전시켜도 회전의 불균일이 발생하는 일이 없다.

또한, 본 발명의 안테나를 어레이화한 경우, 안테나 시스템의 크기는 수평방향으로 넓어질 뿐이므로, 높이방향에 제한이 있어도 충분히 사용할 수 있게 된다.

또한, 이상의 설명 중에서 예를 든 주파수는 본 발명의 단선 스파이럴 안테나에서의 사용주파수의 일 예로, 이 주파수에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 이상과 같이 구성되어 있으므로, 앙각방향으로 빔을 경사지게 할 수 있기 때문에, 빔의 앙각방향을 통신방향에 일치시킬 수 있어, 스파이럴 안테나를 수평면에 설치할 수 있게 된다. 이 때문에, 빔을 원하는 방향으로 한 스파이럴 안테나의 설치높이를 낮게 할 수 있으며, 수풍면적을 작게 할 수 있음과 동시에, 이동체에 탑재하여도 제한높이를 초과하는 것을 방지할 수 있다.

또, 이와 같은 단선 스파이럴 안테나를 어레이화하여도 수평방향으로 복수배열하면 되므로, 스파이럴 안테나의 설치높이가 높아지는 일은 없다. 따라서, 제한높이를 초과하는 것을 방지할 수 있다.

Claims

단선으로 형성된 단선 스파이럴 안테나 소자;

상기 단선 안테나 소자와 평행하게 배치된 그라운드 플레인; 및

상기 단선 안테나 소자와 심선이 접속되며, 상기 그라운드 플레인과 접지부가 접속된, 동축선을 포함하며,

공급되는 신호의 파장을 λ로 했을 때, 상기 단선 스파이럴 안테나와 상기 그라운드 플레인은 약 1/4 λ의 간격으로 설정되고,

상기 동축선에 의해 λ의 파장의 신호를 상기 단선 스파이럴 안테나 소자에 공급하며,

상기 단선 스파이럴 안테나의 스파이럴 주위 길이를 2λ내지 3λ의 범위로 설정함으로서, 상기 안테나 면의 연직축에 대해 빔 경사각이 변화하도록 한 것을 특징으로 하는 단선 스파이럴 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 단선 스파이럴 안테나 소자를 반사판 상에 소정 간격 이격시켜 복수 배치하는 것을 특징으로 하는 단선 스파이럴 안테나.