(57)【要約】【課題】ヘリカルアンテナにおいて、軸モードの円偏波特性を放射させるためには、ピッチ角αを１２度＜α＜１４度にする必要がある。一般的にアンテナ高が２波長以上にもなり、アンテナの高さ制約や機械的強度が弱い問題があった。アンテナ高の低姿勢化を図り、且つ軸比のよい放射特性を得ることをを目的とする。【解決手段】アンテナ高の低姿勢化を図るために、ピッチ角αを４度＜α＜９度に小さくする。ピッチ角を小さくすることで、軸比特性が劣化するが、この点を改善するために、ピッチ角を小さくしたままで、ヘリカルの先端部をテーパー状のコーン形状としたものである。【選択図】        図１
2004254168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ同一の直径を有する螺旋状に巻かれた第１のヘリカル導体と、
上記第１のヘリカル導体の一端に接続されたテーパ形状を有する螺旋状に巻かれた第２のヘリカル導体と、
給電コネクタを設けた金属地板とで構成されるヘリカルアンテナであって、
上記螺旋状に巻かれたヘリカル導体のピッチ角αを４度＜α＜９度とし、
上記テーパ形状を有する螺旋状に巻かれたヘリカル導体のターン数を３ターン以上としたことを特徴とするヘリカルアンテナ。
【請求項２】
上記第１のヘリカル導体の他端が接続された底面部と、上記底面部の端縁に立設した立設部とにより、キャビティを構成したことを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
【請求項３】
上記底面部の端縁に立設した立設部を２重構造としたキャビティとし、上記キャビティの深さをＬを約１／４波長にすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のヘリカルアンテナ。
【請求項４】
２つ以上の複数個配列したヘリカルアレーであって、
上記底面部の端縁に立設した立設部から成るキャビティが、他のヘリカルアンテナの立設部との間でチョークを構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のヘリカルアンテナ。
【請求項５】
上記底面部の端縁に立設した立設部を２重構造としたキャビティとし、内側の立設部と外側の立設部の形状が異なる形状としたことを特徴とする請求項４記載のヘリカルアンテナ。
【請求項６】
上記螺旋状の巻かれたヘリカル導体のピッチ角αをα＜４度としたことを特徴とする請求項２記載のヘリカルアンテナ。
【請求項７】
上記底面部の端縁にヘリカルの軸の放射方向と逆方向に立設した立設部を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のヘリカルアンテナ。
【請求項８】
上記第１のヘリカル導体と、上記金属地板をグランドとして構成された伝送線路との接続部のヘリカル外周に整合回路を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のヘリカルアンテナ。
【請求項９】
上記伝送線路の長さ方向の向きを地板が構成される水平面内にてランダムに並べアレー化したことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のヘリカルアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は円偏波を放射する軸モードのヘリカルアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリカルアンテナは、衛星搭載用のアンテナや移動体通信用端末用のアンテナ等円偏波を放射するアンテナとして広く用いられている。ヘリカル螺旋としては１線、２線、４線巻きがあり、又、励振モードとしても様々なものがある。ヘリカルアンテナの基本的な構成として、１線巻きの螺旋状の一方のワイヤ端から給電し、螺旋状のピッチ角をαとすると、一定のピッチ各αにて数ターン巻いたものがある。この構成は軸モードのヘリカルアンテナであり、軸モードの円偏波を効率良く放射するためには、１周長を約１波長とし、１２度＜α＜１４度にする必要があることが知られている（例えば非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｈ．Ｎａｋａｎｏ，Ｙ．Ｓａｍａｄａ，ａｎｄ  Ｊ．Ｙａｍａｕｃｈｉ，“Ａｘｉａｌ  Ｍｏｄｅ  Ｈｅｌｉｃａｌ  Ａｎｔｅｎｎａｓ”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ  Ｐｒｏｐａｇａｇａｔ．，ｖｏｌ．ＡＰ−３４，  ｐｐ．１１４４  １９８６．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ヘリカルアンテナで軸比のよい円偏波を放射し、且つ高利得を得るためには、ヘリカルのターン数を多くする必要がある。そのため、他の円偏波アンテナと比べ、比較的アンテナ高が高くなり、アンテナ容積が大きくなることや機械的強度が弱い問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決し、低姿勢化を図ったヘリカルアンテナを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るヘリカルアンテナは、ほぼ同一の直径を有する螺旋状に巻かれた第１のヘリカル導体と、上記第１のヘリカル導体の一端に接続されたテーパ形状を有する螺旋状に巻かれた第２のヘリカル導体と、給電コネクタを設けた金属地板とで構成されるヘリカルアンテナであって、上記螺旋状に巻かれたヘリカル導体のピッチ角αを４＜α＜９とし、上記テーパ形状を有する螺旋状に巻かれたヘリカル導体のターン数を３ターン以上としたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナ以外の円偏波励振用のアンテナとしては種々あるが、一般的に円偏波励振用の給電回路が別途必要になりアンテナ構成が複雑になる。ヘリカルアンテナは特に円偏波励振用の給電回路を必要としないため、極めてアンテナ構成をシンプルにできる特徴がある。
【０００８】
ヘリカルアンテナは、ヘリカルを構成するワイヤ導体を螺旋状にし、その螺旋状のワイヤ諸元をある励振モードで所望の放射パターンが得られるように適切に選ぶことで円偏波を励振できる。励振モードとしては、ヘリカルアンテナの直径Ｄやピッチ角α、ターン数Ｎで変化する。ヘリカルアンテナの中心軸に沿って、先端方向に円偏波を放射するモードとして、軸モードがある。
【０００９】
軸モードのアンテナ構成を以下に説明する。
ある有限上の金属地板１に給電部を構成するための給電コネクタ１１を設け、給電コネクタ１１は同軸型のコネクタを使用し、そのコネクタの内導体２が地板からほぼ垂直状に延びるものとする。
【００１０】
この内導体２に線路導体が接続され、地板１をグランドとし、線路導体とで伝送線路３が形成される。この伝送線路３の先端にヘリカルアンテナを構成するワイヤ導体４が接続される。伝送線路３はコネクタからの電力をヘリカルワイヤに伝送する伝送線路であると共に、特性インピーダンス５０オームの同軸コネクタのから約１８０オームのヘリカルアンテナへのインピーダンス変換器としての役目も果たすものである。
【００１１】
このワイヤ導体４は、ピッチ角をαとすると、αの傾きでほぼ同一直径にて、螺旋状にＮターン巻かれる。軸モードでは、円偏波励振するためには、αを１２度＜α＜１４度にすることで軸モードの良好な円偏波が放射することが知られている。ターン数を多くすることで利得が高くなると共に軸比も改善される。ターン数は一般的に１０〜１５ターン程度である。
【００１２】
このとき軸比は１ｄＢ以下、利得は１２ｄＢｉ以上が得られる。
但し、アンテナ高が約２〜３波長程度となり、アンテナ高が高くなる問題がある。
このため、他の円偏波アンテナと比べ、取付け箇所の高さ制約の問題がある。又、高さに比べて直径Ｄは０．３波長程度と小さいため、機械的な強度、振動に弱い問題がある。特に衛星搭載用のアンテナの場合、振動条件は厳しく、強度補強を行うと、重量増加に繋がるため、極力アンテナ高を低くした低姿勢化が求められる。
【００１３】
低姿勢化する手段としては、ターン数を少なくすること、あるいはαを小さくすることが考えられる。ターン数を少なくすることは、利得が低下し、又、軸比も劣化するため、ヘリカルアンテナの特性が劣化する。一方、αを小さくすることは、利得はさほど低下しないが、軸比が極端に劣化する。
【００１４】
図２にαをパラメータとし、ターン数を変えた場合の軸比特性を示す。αの代表的な例として、α＝４、７、１３度の３例を示している。通常のピッチ角であるα＝１３度の場合、軸比はターン数が１０ターン程度でほぼ１ｄＢ以下の良い軸比特性が得られている。
【００１５】
一方、αを７度、４度と小さくすると、ターン数を大きくしても、軸比特性はあまり良くならないことがわかる。すなわち、軸モードの円偏波アンテナの動作条件からずれていることを示している。
【００１６】
この点を改善する方法として、この実施の形態では、ほぼ同一半径にワイヤ導体５に連なって、先端付近におけるワイヤー導体をコーン状のテーパー形状６となるように巻くことにする。軸比を劣化させる要因は、ワイヤ導体の終端部での反射である。この反射成分が放射とは逆向きの放射に寄与するため、これは逆旋の円偏波を放射し、軸比が劣化する。
【００１７】
そこで、先端部を滑らかなテーパー状にすることで、先端からの反射が低減できる。このテーパ形状については、従来、１２度＜α＜１４度の軸モードにおいて周波数特性の広帯域化のために検討されてきたが、αが小さい場合の軸比特性の改善については、検討されていない。
【００１８】
図３に先端部をテーパ状にした場合の軸比特性を示す。同一半径でのターン数Ｎ１＝５と一定にし、テーパー状のターン数Ｎ２を変えた場合の軸比特性である。α＝７度としているため、Ｎ２＝０すなわち、テーパーがない場合、軸比特性が約５ｄＢと悪い。
【００１９】
しかし、Ｎ２を多くすることで軸比が改善され、Ｎ２＝４ターンでは、軸比１ｄＢ以下に改善できることがわかる。このテーパーは、αが小さい場合、滑らかにすることが重要である。通常の１２度＜α＜１４度の場合、テーパーによる軸比改善効果は小さい。テーパーが無い場合でも軸比１ｄＢ以下は達成でき、ターン数を１ターン、２ターンとしても改善効果は小さく、ターン数は２ターンで充分である。
【００２０】
しかし、αを小さくすると（ここでは下記のように４＜α＜９の場合）、このテーパ形状のターン数Ｎ２は軸比の改善手段として有効であり、しかも３ターン以上（図３では３ターンで軸比１．５ｄＢ、更に４ターン以上にすると、軸比約１ｄＢと好結果が得られることが分かる。）にする必要がある。すなわち、αが小さい場合には、３ターン以上の緩やかなテーパ形状にすることが軸比改善のポイントである。
【００２１】
ワイヤー先端部をテーパーとしたヘリカルでαを変えた場合の軸比の周波数帯域幅（１ｄＢ以下）を求めた結果、α＝２度では１％程度、α＝４度では１０％弱、α＝７度では３０％程度、α＝１３度では４５％程度とαが大きくなるに従い、帯域幅が広がる。通信用のアプリケーションを考えた場合、送受信帯域を考えると１０％弱の帯域幅を要求されることが多い。この点からすると、αは４度以上にする必要がある。
【００２２】
一方、αが大きくなれば、帯域幅が広がるが、アンテナ高さも高くなる。簡易計算としては、１ターンの高さは約ｔａｎ（α）  波長となるため、α＝１３度の場合、１ターンは約１／４波長にある。全長が１０ターンになれば、アンテナ高さは約２．５波長と高くなる。そこでαを変えた場合の先端部テーパー付ヘリカルの全長を算出した。比較条件としては、ヘリカルの利得約１２ｄＢｉが得られる全長で比較しており、ターン数はαによって、異なる。
【００２３】
この結果、α＝２度で０．８波長であるが、α＝７度で１．２波長、α＝９度で１．５波長、α＝１３度で２．７波長となった。ヘリカル直径が約０．３波長であるため、高さ／直径の比が大きくなると、振動条件等の機械的条件が厳しくなる。この比を５程度に抑える必要があるとすれば、α＝９度以下にしなくてはならない。
【００２４】
よって、先端部テーパー付ヘリカルでは帯域幅とアンテナ高さの制約から、４＜α＜９に設定するのが妥当になる。通常のヘリカルが１２＜α＜１４度であることから考えると、低姿勢化を図れることがわかる。
【００２５】
上記のようにワイヤ先端部をテーパーとすることにより、４＜α＜９度に設定するのが妥当な範囲である。又、例えば、αを通常の約半分であるα＝７とした場合でも、ワイヤ先端部をテーパ形状とすることにより、図３から軸比の改善が図れ、例えばＮ２＝３とした場合約１．５ｄＢの軸比まで改善できる。よって、ワイヤ先端部をテーパ形状とすることにより、αを通常の約半分程度としても円偏波アンテナとして動作することが分かり、アンテナ高さの低姿勢化が図れる効果がある。
【００２６】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナは一方向へ放射させるため、有限の地板１を必要とする。この地板１が小さくなると裏面への放射が増加し、利得が低下する。このため、利得を高くするためには、地板１を大きくする必要があるが、一般的に２波長程度の大きさになり、地板１の寸法が大きくなる問題がある。
【００２７】
そこで、地板１の先端部に折り曲げたリム７を設けてキャビティ構造にする。このキャビティ構造にすることで、裏面への放射が低減され、地板の直径を小さくしても裏面への放射を低減できる。更にこのキャビティの大きさやを変えることやリム７の高さを変えることで利得を可変できる。
【００２８】
地板１にリム７を設けてキャビティ構造にすることで地板１の直径を小さくしたままで高利得が得られ、且つリム７の高さを変えることで利得を可変できる効果がある。
【００２９】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３を示す概略構成図である。地板１の先端部のリム７を２重構造として２重のキャビティを構成したものであり、内側リム８と外側リム９で構成される。この２重構造のキャビティは底面では導通されており、２重構造のキャビティが構成される。
【００３０】
この２重構造のキャビティの深さをＬとすると、Ｌを約１／４波長にすることで、キャビティの上端部で電気的なオープンにできるため、チョークとして動作する。すなわち、キャビティの上端部で電界成分が小さくなるため、地板裏面への放射が低減される。ここでは、内側リム８と外側リム９の高さを同一にしたが、両者の高さをある程度変えても、チョークとして動作し、又、側面や裏面への放射レベルをコントロールできる。
【００３１】
又、ここでは、円形キャビティとしたが、方形や６角形、楕円形、多角形のキャビティであっても２重構造とすることでチョークとして動作するため、形状には依存しない。更に２重キャビティとした例を示したが、３重、４重、多重のキャビティとすることで、よりチョークとしての機能を増すことができる。
【００３２】
このようにキャビティを２重構成とチョークを構成することで裏面への放射を抑圧できる効果がある。
【００３３】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナを２つ以上の複数個配列したヘリカルアレーを考える。ヘリカルアレー間の結合は一般的に大きいことが知られており、このヘリカル間の結合により、放射特性が劣化する。すなわち、結合による利得の低下や軸比の劣化である。この結合は特に給電部付近は流れる電流が強いため、ヘリカル給電部での結合が大きい。
【００３４】
そこで、２つ並べたキャビティ間にチョークを構成する。
すなわち、各ヘリカルキャビティのリム１０ａと１０ｂのの高さをＬとすると、このＬを約１／４波長にすることで、２つのキャビティを利用してチョークを構成する。これにより、２つのヘリカル間の結合を低減することができる。
【００３５】
ここでは、２つのアレーの例を示したが、３つ以上の複数個であっても、同様なチョークを構成できる。又、６角型キャビティとしているが、四角形や多角形、円形、楕円形のキャビティであってもよい。
【００３６】
ヘリカルキャビティ間にチョークを構成することでヘリカルアンテナ間の結合を低減できる効果がある。
【００３７】
実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５を示す概略構成図である。ヘリカルを２つ以上配列し、アレー化ヘリカルアンテナを２つ以上の複数個配列したヘリカルアレーを考える。２重構造のキャビティとし、内側のリム１５ａと外側のリム１６ａの形状を変える。内側のキャビティはヘリカルの放射特性に強く関与する。
【００３８】
つまり、内側のキャビティの大きさと高さを変えると、利得及び軸比が変化するため、このキャビティ諸元を変えることで、ヘリカルの放射特性を可変できる。一方、外側のキャビティはリムの高さＬを約１／４波長とすることで、ヘリカルキャビティ間にチョークを構成し、ヘリカルアンテナ間の結合を低減できる。
【００３９】
ここでは、内側のキャビティ形状を楕円形、外側のキャビティ形状を６角形としたが、４角形、円形等であってもよくこの形状に限定されない。又、２つのアレーの例を示したが、３つ以上の複数アレーであってもよいことは言うまでもない。
【００４０】
このように、内側キャビティと外側のキャビティの形状と諸元を独立に変えることで、ヘリカル放射特性の制御とヘリカルアンテナ間結合を調整できる効果がある。
【００４１】
実施の形態６．
図８はこの発明の実施の形態６を示す概略構成図である。ヘリカルの更に低姿勢化を図るためにピッチ角αを４度以下のヘリカル導体１７として、キャビティ１８を設けたものである。
【００４２】
ヘリカル単体としては、αを小さくすることで円偏波特性が劣化する。放射特性の改善のため、キャビティの直径及びリムの高さを制御して、キャビティアンテナを構成し、ヘリカルをその励振器として動作させるものである。アンテナ高の低姿勢化を図れるため、設置箇所の制約の影響を受け難く、又、アレー化した場合、アンテナ間の結合を低減できる。
【００４３】
α＜４度の小さなヘリカルをキャビティアンテナの励振器として用いることで、アンテナ高の低姿勢化を図ることができ又、アレー化した場合、結合を小さくできる効果がある。
【００４４】
実施の形態７．
図９はこの発明の実施の形態７を示す概略構成図である。
２０はヘリカル地板の下部にスカート部を設けたものである。ヘリカルの地板を小さくしていくと、裏面への放射が増加し、利得が低下する。
【００４５】
すなわち、この実施例では、ブロードな放射パターンを有することを目的とする。地板１を円板とした場合、地板１のエッジでの散乱により放射パターンのリップルが生じたり、ヌルが発生する。ブロードな放射パターンで且つ広角方向の放射パターン形状を制御するために、地板下部に金属のスカート部を設け、このスカート部の高さ、開き角を調整することで、放射パターンを制御することができる。
【００４６】
よって、地板下部にスカート部をつけることで、放射パターン形状を制御できる効果がある。
【００４７】
実施の形態８．
図１０はこの発明の実施の形態８を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナのインピーダンスは一般的に１８０オーム程度と高いため、５０オーム線路とのインピーダンス整合を図るためには、インピーダンス変換部が必要である。このインピーダンス整合には、地板１とで形成される伝送線路３を用いることができる。
【００４８】
すなわち、伝送線路のインピーダンスを変えることで、給電線路とヘリカルのインピーダンス整合を図るものである。しかし、ストレートの伝送線路３のみではその長さと幅の諸元に制約が生じ、必ずしもインピーダンス整合を図れるとは限らず、あるいは、伝送線路形状が複雑になったり、また、製造誤差によるバラツキ等の影響も発生する。
【００４９】
そこで、伝送線路とヘリカル導体の接続部付近にスタブ２１を設けるものである。このスタブはリアクタンス成分を有するため、このスタブ長を調整することでインピーダンス整合を図ることができる。又、スタブはヘリカルの外周にあるため容易にその長さを調整しやすく、製造誤差でインピーダンスのバラツキが生じても、組立て後にも容易にスタブ長を切断し調整することができる。
【００５０】
よって、ヘリカルの直径外周にスタブを設け、スタブ長を調整することで容易にインピーダンス整合を図ることができ、且つ、製造によって生じるバラツキ誤差を容易に調整吸収できる効果がある。
【００５１】
実施の形態９．
図１１はこの発明の実施の形態９を示す概略構成図である。ヘリカルアンテナをアレー化した場合、アンテナ間の強い結合が生じ、その結合を低減する手段として、実施例４、５で示したようにキャビティ間に設けたチョーク構成がある。更にこの実施例では、ヘリカル間の結合位相を変えて、放射特性を調整するものである。各ヘリカルアンテナを独立に使用する場合、円偏波であるため、給電部を回転させても偏波特性は変わらない。
【００５２】
結合位相を変えるために、給電部位置、すなわち、伝送線路３の長さ方向を、各ヘリカルによって変えるものである。これにより、結合位相が変わるため、特定周波数において、結合を低減したり、又、放射パターン形状を変えられると共に軸比の微調整ができる。この実施例では更に、給電部位置をランダムにすることも可能であり、ランダム化によって、特定の周波数での放射パターンの変形等を抑えることができる。
【００５３】
ここでは、３個アレーの例を示したが、２つ以上のアレーであれば有効である。
【００５４】
よって、給電部位置を各ヘリカルによって変えることで、ヘリカル間の結合位相を変えて、放射特性を調整することができる効果がある。
【００５５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したようにピッチ角を小さくし、先端部をテーパー状とすることで、円偏波の放射特性を維持したままでアンテナ高の低姿勢化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態１を示す概略構成図である。
【図２】ピッチ角αとターン数を変えた場合の軸比特性を示す図である。
【図３】テーパーターン数を変えた場合の軸比特性を示す図である。
【図４】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態２を示す概略構成図である。
【図５】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態３を示す概略構成図である。
【図６】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態４を示す概略構成図である。
【図７】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態５を示す概略構成図である。
【図８】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態６を示す概略構成図である。
【図９】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態７を示す概略構成図である。
【図１０】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態８を示す概略構成図である。
【図１１】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態９を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  地板、  ２  内導体、  ３  伝送線路、  ４  ワイヤ導体、  ５  螺旋状ヘリカル導体、  ６    テーパー状ヘリカル導体、  ７  リム、  ８  内側リム、  ９  外側リム、  １０  ヘリカルキャビティのリム、  １１  給電コネクタ、  １５  内側のリム、  １６  外側のリム、  １７  ヘリカル導体、  １８  キャビティ、２０  スカート部、  ２１  スタブ。
【図１】
2004254168.tif 000003
【図２】
2004254168.tif 000004
【図３】
2004254168.tif 000005
【図４】
2004254168.tif 000006
【図５】
2004254168.tif 000007
【図６】
2004254168.tif 000008
【図７】
2004254168.tif 000009
【図８】
2004254168.tif 000010
【図９】
2004254168.tif 000011
【図１０】
2004254168.tif 000012
【図１１】
2004254168.tif 000013