(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板上に、２本の導体線路を互いに重なり合わないように同一方向にらせん状に巻いたスパイラル線路を有し、前記スパイラル線路の中心部に給電装置を備え、前記スパイラル線路先端は開放され、また、前記スパイラル線路を形成する面と反対側の誘電体基板の裏面側に、前記スパイラル線路が形成される範囲よりも大きな面積で、使用周波数の上限の周波数の波長をλＨとしたときに約λＨ／４の深さの空洞を有する地導体を備えた２線式スパイラルアンテナにおいて、
前記スパイラル線路先端近傍のアンテナ中心から外側の位置に導体小片を形成し、かつ、前記導体小片の誘電体基板の裏側に導体薄膜を形成し、前記導体小片と前記導体薄膜をスルーホールで短絡し、前記導体薄膜を前記地導体と短絡し、前記スパイラル線路先端とその隣り合うスパイラル線路との間に第１の抵抗体を備え、かつ、前記スパイラル線路先端と導体小片の間に第２の抵抗体を備え、前記２つの抵抗体が１組のペアを形成し、前記抵抗体ペアを２箇所のスパイラル線路先端に備えた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記抵抗体として、チップ抵抗を用いた
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記誘電体基板として、抵抗膜付誘電体基板を用い、当該抵抗膜付誘電体基板上に前記スパイラル線路と前記第１及び第２の抵抗体を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ装置をアレー化した
ことを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スパイラルアンテナ装置に関し、特に、小型で広帯域特性を有するスパイラルアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーダ、衛星通信、移動体通信の分野において、偏波の向きに関わらず電波を送受信できるように円偏波を利用することが考えられる。低姿勢で、かつ、広帯域に亘り円偏波を放射するアンテナとしてスパイラルアンテナが挙げられる。
【０００３】
スパイラルアンテナの動作原理は、進行波型アンテナの一種として説明できる。すなわち、複数の導体線路をらせん状に巻いて形成したスパイラル線路の中心に給電することで、給電点から線路先端に向かって波が進行し、その間に徐々に電波を放射する。
【０００４】
一方向に電波を放射するために、通常、放射方向の反対側には使用周波数の約λ／４の距離の位置に反射板あるいはキャビティなどから成る反射器が備えられる。
【０００５】
スパイラルアンテナでは、放射に寄与しない残留成分がスパイラル線路先端で反射することにより、反射波が逆旋偏波成分を放射し、その結果、円偏波性能を左右するのに重要な軸比特性が悪化してしまう。また、反射波が給電点に到達することにより、給電装置との整合が悪化してしまうという問題がある。これらの問題は、特に、波長に対してアンテナ寸法が小さくなる低周波数帯で顕著になる。
【０００６】
そのため、従来は、使用周波数の下限の周波数の波長をλＬとしたときに、スパイラル線路の最外周長を概ね１．５〜２λＬとすることでアンテナ使用周波数の波長に対してアンテナ寸法を大きくするといった対策や、スパイラル線路の最外周長を１λＬ程度に小型化したスパイラルアンテナに電波吸収体を設けて前記残留成分を吸収させるといった対策が採られている。
【０００７】
さらには、電波吸収体と抵抗体を組み合わせることで前記残留成分の吸収性能を高める方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１６３６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来技術のように、波長に対してアンテナ寸法を大きくするのはアンテナ小型化の要求に反し、また、アンテナのアレー化を考えた場合、素子間隔が広くなってしまうので、高域周波数ではグレーティングローブが生じてしまうなどの問題が生じる。
【００１０】
一方、電波吸収体を設ける場合は、広帯域に亘り電波吸収性能を有する電波吸収体を選択するのが困難であり、また、電波吸収体の固定方法などの観点からアンテナの製造性が悪化する。さらに、電波吸収体がアンテナの主偏波成分も吸収することにより、アンテナの利得が低下してしまうといった問題もある。
【００１１】
この発明は、前記のような問題点を解決するためになされたもので、スパイラル線路の最外周長を１λＬ程度に小型化したスパイラルアンテナにおいて、電波吸収体を使用しなくとも広帯域・高利得な性能を有し、かつ、アンテナの製造性に優れたアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係るアンテナ装置は、誘電体基板上に、２本の導体線路を互いに重なり合わないように同一方向にらせん状に巻いたスパイラル線路を有し、前記スパイラル線路の中心部に給電装置を備え、前記スパイラル線路先端は開放され、また、前記スパイラル線路を形成する面と反対側の誘電体基板の裏面側に、前記スパイラル線路が形成される範囲よりも大きな面積で、使用周波数の上限の周波数の波長をλＨとしたときに約λＨ／４の深さの空洞を有する地導体を備えた２線式スパイラルアンテナにおいて、前記スパイラル線路先端近傍のアンテナ中心から外側の位置に導体小片を形成し、かつ、前記導体小片の誘電体基板の裏側に導体薄膜を形成し、前記導体小片と前記導体薄膜をスルーホールで短絡し、前記導体薄膜を前記地導体と短絡し、前記スパイラル線路先端とその隣り合うスパイラル線路との間に第１の抵抗体を備え、かつ、前記スパイラル線路先端と導体小片の間に第２の抵抗体を備え、前記２つの抵抗体が１組のペアを形成し、前記抵抗体ペアを２箇所のスパイラル線路先端に備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、アンテナ素子を小型化することができるので、素子間隔を狭くして素子を配列することができる。その結果、グレーティングローブが生じる周波数を高域側へずらすことができ、アンテナの使用帯域を拡大する。また、同一周波数で見た場合、従来例に比べてビーム走査角度範囲を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１から図３は、この発明の実施の形態１に係るスパイラルアンテナ装置を説明するための模式図である。
図１に示すスパイラルアンテナ装置は、誘電体基板２の上に、２本の導体線路を互いに重なり合うように同一方向にらせん状に巻いたスパイラル線路１を有する。スパイラル線路１の中心部には給電線４に接続された図示しない給電装置を備え、スパイラル線路１の先端は開放され、また、スパイラル線路１を形成する誘電体基板２の表面とは反対側の裏面側には、後述する空洞を有する地導体３を備える。
【００１５】
さらに、スパイラル線路１の先端近傍のアンテナ中心から外側の位置には導体小片６が形成され、スパイラル線路１の先端と隣り合うスパイラル線路１との間には第１の抵抗体９が形成され、かつスパイラル線路１の先端と導体小片６との間には第２の抵抗体１０が形成されている。
【００１６】
図１において、スパイラル線路１が形成されている面をｘｙ面とし、紙面に対して手前側に向かう側を＋ｚ方向とすると、図２は、図１のＡ−Ｂの線におけるｚｘ面断面図であり、図３は、図１のＣ部におけるｙｚ面断面図を拡大したものである。図２において、５はコネクタを表し、図３において、７は導体薄膜、８はスルーホールを表す。
【００１７】
スパイラル線路１の最外周長は、使用周波数の下限の周波数の波長をλＬとしたときに１λＬ程度に小型化した寸法とする。
【００１８】
地導体３は、図２に示すように、誘電体基板２を支持しており、その中心部には、スパイラル線路１が占有する面積よりも大きく、使用周波数の上限周波数の波長をλＨとしたときに約λＨ／４となる深さとなる空洞（以下、キャビティと称す）を有している。キャビティは反射器の役割を果たし、これにより、単一方向（この場合＋ｚ方向）に電波を放射する。また、キャビティの深さを前記寸法にすれば、使用周波数帯域内では反射波が直接波と同相で重なり合うため、アンテナ利得が向上する。
【００１９】
導体小片６は、スパイラル線路１の先端近傍に設けられ、図３に示すように、誘電体基板２の裏面側に導体薄膜７が形成される。導体小片６と導体薄膜７はスルーホール８により短絡される。さらに、導体薄膜７は地導体３と短絡するようにすることで、導体小片６も地導体３と短絡される。
【００２０】
第１の抵抗体９は、スパイラル線路１の先端とその隣り合うスパイラル線路との間に設けられる。また、第２の抵抗体１０は、スパイラル線路１の先端と導体小片６との間に設けられる。これら第１の抵抗体９と第２の抵抗体１０は１組のペアを形成し、２箇所あるスパイラル線路１の先端にそれぞれ設けられる。
【００２１】
次に、この発明の効果を説明する。前述した通り、波長に対して小型化したスパイラルアンテナでは、スパイラル線路１の先端での反射を抑圧する必要がある。スパイラル線路１の先端に存在する電界のモードを考えた場合、次の２つのモードが考えられる。
【００２２】
一つは、スパイラル線路１の先端とその隣り合うスパイラル線路との間に立つモードであり、もう一つはスパイラル線路１の先端と地導体３の間に立つモードである。したがって、これら２つのモードをそれぞれ抑圧する必要がある。
【００２３】
そこで、この発明のように、２つの抵抗体９，１０を設ければ、前記第１の抵抗体９がスパイラル線路１の先端とその隣り合うスパイラル線路との間に立つモードを抑圧し、前記第２の抵抗体１０がスパイラル線路１の先端と地導体３の間に立つモードを抑圧する。
【００２４】
第１の抵抗体９と第２の抵抗体１０の抵抗値の選び方は、以下のようにして決定することができる。ここで、第１の抵抗体９の抵抗値をＲ１、第２の抵抗体１０の抵抗値をＲ２と表現する。
【００２５】
図１のスパイラル線路１の先端部は、等価的に図４に示す結合マイクロストリップ線路でモデル化できる。図４において、１１は導体線路、１２は誘電体基板、１３は地導体を表す。２本の導体線路１１が誘電体基板１２上に形成され、導体線路１１の幅はスパイラル導体１の幅と等しく、また、２本の導体線路１１の間隔はスパイラル導体１同士の間隔と等しいものとする。誘電体基板１２の比誘電率と基板厚さは、誘電体基板２と同一とする。さらに、誘電体基板１２と地導体１３の距離は、スパイラルアンテナにおける誘電体基板２と地導体３の距離（キャビティの深さ）と等しくする。
【００２６】
図４の結合マイクロストリップ線路には、２本の導体線路１１が同相で励振される偶モードと、２本の導体線路１１が逆相で励振される奇モードの２種類のモードが存在する。偶モードは各導体線路１１と地導体１３の間に立つモードであり、これがスパイラル線路１の先端と地導体３の間に立つモードに対応する。一方、奇モードは２本の導体線路１１の間に立つモードであり、これがスパイラル線路１の先端とその隣り合うスパイラル線路との間に立つモードに対応する。偶モード、奇モードの特性インピーダンスをそれぞれＺｅ、Ｚｏと表現する。
【００２７】
まず、第２の抵抗体１０の抵抗値Ｒ２を結合マイクロストリップ線路の偶モードの特性インピーダンスＺｅと選べば、本モードに対して無反射とすることができる。このとき、次に決定する第１の抵抗体９の抵抗値Ｒ１の値がどのようなものであっても、スパイラル線路１の先端とその隣り合うスパイラル線路は同電位であるため、本モードに対して影響を受けない。
【００２８】
続いて、第１の抵抗体９の抵抗値Ｒ１を決定する。スパイラル線路１の先端とその隣り合うスパイラル線路との間にモードが立つ場合、あるいは、結合マイクロストリップ線路の奇モードでは、線路の中間には等価的に電気壁が存在すると考えることができる。この電気壁を電位基準としたときに、スパイラル線路１の先端部には抵抗値Ｒ１を半分にしたものと、先に決定した抵抗値Ｒ２が並列に接続されていると見なすことができる。したがって、この並列接続抵抗値が結合マイクロストリップ線路の奇モードの特性インピーダンスＺｏと等しくなるように、以下の関係式を満たす抵抗値Ｒ１を選択する。
【００２９】
【数１】
0004708114.tif 000002
【００３０】
以上により、第１の抵抗体９の抵抗値Ｒ１と、第２の抵抗体１０の抵抗値Ｒ２を決定することができる。例えば、Ｚｅ＝３００Ω、Ｚｏ＝５０Ωであれば、Ｒ１＝１２０Ω、Ｒ２＝３００Ωとなる。
【００３１】
この発明による効果の一例として、軸比（Axial Ratio）の周波数特性の数値計算例を図５に示す。計算にはＦＤＴＤ法（有限差分時間領域法）を用いた。スパイラル線路１の最外周長は０．６４λＬで、キャビティの深さは０．０６λＬとした。スパイラル線路１の幅と線路間隔は、結合マイクロストリップ線路でモデル化した場合に、偶モード、奇モードの特性インピーダンスがそれぞれＺｅ＝３００Ω、Ｚｏ＝５０Ωとなる寸法を選定した。実線がこの発明での抵抗体９および抵抗体１０を付けた結果であり、破線が抵抗体を付けない従来例の結果である。スパイラルアンテナの寸法は両者とも同一である。この発明により、広帯域に亘り低軸比特性が得られることがわかる。
【００３２】
この発明で用いた抵抗体ペアは、スパイラル線路１の先端での反射を抑圧するためだけのものであり、スパイラルアンテナの動作原理からも明らかなようにアンテナの利得は減少しない。
【００３３】
なお、以上の説明では、スパイラル線路１の線路幅と線路間隔の関係について特に明言しなかったが、線路幅と線路間隔が同一であってもなくてもよい。選んだ寸法に応じて、結合マイクロストリップ線路でモデル化した場合の偶モード、奇モードの特性インピーダンスを求めることができるので、特性インピーダンスの値に合わせて適宜Ｒ１、Ｒ２の値を調整すればよい。また、スパイラルアンテナの形状に関しては、図１のような方形形状以外でもよく、例えば円形形状であってもよい。
【００３４】
実施の形態２．
前記実施の形態１では、第１の抵抗体９と第２の抵抗体１０を実現する手段について明言しなかったが、本実施の形態２のように、抵抗体としてチップ抵抗を用いてスパイラル線路１および導体小片６に半田付けすればよい。
【００３５】
抵抗値、寸法などに応じて数多くの種類のチップ抵抗が安価で市販されているので適宜選択すればよい。また、実施の形態１で述べた設計法で算出した抵抗値Ｒ１、Ｒ２となるチップ抵抗が得られない場合には、複数のチップ抵抗を直列、あるいは並列に接続することで、所望の抵抗値に近づけることができる。一般に、チップ抵抗はアンテナで使用する周波数の波長に対して微細な寸法であるので、前記のように複数のチップ抵抗を接続した場合でも波動特性に与える影響はほとんどない。また、取り付け位置の誤差の影響もほとんどない。
【００３６】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係るスパイラルアンテナ装置を示す模式図である。前述と同様のものについては、同一符号を付して記述を省略する。新たな符号として、１４は抵抗膜付誘電体基板、１５は第１の抵抗膜、１６は第２の抵抗膜を表す。
【００３７】
前記実施の形態１の第１の抵抗体９と第２の抵抗体１０を実現する手段として、本実施の形態３で示すような抵抗膜付誘電体基板１４を用いてもよい。ここで、第１の抵抗膜１５は、前記実施の形態１で述べた第１の抵抗体９に対応し、第２の抵抗膜１６は、前記実施の形態１で述べた第２の抵抗体１０に対応する。
【００３８】
抵抗膜付誘電体基板１４は、例えば単位面積当たり２５Ω、５０Ω、１００Ωといった抵抗値を持つ材料が市販されている。形成する抵抗膜の長さを長くする、あるいは、幅を狭くすれば抵抗値が増加し、逆に、抵抗膜の長さを短くする、あるいは、幅を広くすれば抵抗値が低減するので、抵抗膜の形状を調整することで任意の抵抗値を実現することができる。
【００３９】
抵抗膜は、導体膜と同様にエッチングプロセスで加工することができるので、加工精度が高く、特性のばらつきが少ないアンテナを容易に製作することができる。
【００４０】
実施の形態４．
前記実施の形態１から３では、単一のスパイラルアンテナ装置について説明したが、複数のスパイラルアンテナ装置を並べてアレーアンテナを構成してもよい。アレー化した各々のスパイラルアンテナ素子に位相差をつけて励振すれば、任意の方向にビームを走査することができるフェーズドアレーアンテナを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の実施の形態１に係るスパイラルアンテナ装置を示す模式図である。
【図２】図１のＡ−Ｂの線におけるｚｘ面断面図である。
【図３】図１のＣ部におけるｙｚ面断面図である。
【図４】図１のスパイラル線路１の先端部を等価的にモデル化した結合マイクロストリップ線路の模式図である。
【図５】この発明による効果の一例として、軸比（Axial Ratio）の周波数特性の数値計算例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るスパイラルアンテナ装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  スパイラル線路、２  誘電体基板、３  地導体、４  給電線、５  コネクタ、６  導体小片、７  導体薄膜、８  スルーホール、９  第１の抵抗体、１０  第２の抵抗体、１１  導体線路、１２  誘電体基板、１３  地導体。
【図１】
0004708114.tif 000003
【図２】
0004708114.tif 000004
【図３】
0004708114.tif 000005
【図４】
0004708114.tif 000006
【図５】
0004708114.tif 000007
【図６】
0004708114.tif 000008