JP2003152427A

JP2003152427A - 密巻き小型ヘリカルアンテナ

Info

Publication number: JP2003152427A
Application number: JP2001346785A
Authority: JP
Inventors: Nozomi Hasebe; 望長谷部
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2003-05-23

Abstract

(57)【要約】【課題】アンテナ単体で動作可能、かつ大寸法の地板を
必要としない給電構造が単純な小型アンテナを得るこ
と。【解決手段】ＳＭＡコネクタ１の中心導体を垂直に引き
出した内部導体２と、これと同軸にエナメル線を密巻き
にした外部コイル状導体３によって構成される。図１の
(a)は内部導体２の上部、外部コイル状導体３上部を４
の点で接続し、外部コイル状導体３下部をＳＭＡコネク
タ１外部導体に接続している。図１の(b)は前記図１の
(a)に示すものと若干異なり、内部導体２上部と外部コ
イル状導体３上部を接続していない構造のものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、移動体通信端末局
に適用して好適な小型アンテナの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の移動体通信の発展とともに、送信
局、受信局におけるアンテナの小型化が要求され、高効
率小型アンテナの開発が強く望まれている。これまでに
実用になっている小型アンテナは、その最大寸法が波長
比で約１／１０程度であり、その利得は、−数ｄＢｉ程
度である。これらのアンテナはさらなる小型化をする
と、その波長比の寸法の減少とともに急激に放射効率が
低下して利得が減少する。このため、比較的波長の長い
周波数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ帯のアンテナではアン
テナ寸法を小さくすると放射インピーダンスが低下し、
通常用いられている５０Ω同軸給電線との整合のために
挿入する回路損失のため、アンテナ効率を低下させ、高
効率を維持することが困難であった。また、この周波数
帯で多用されているモノポールタイプのアンテナは地板
を必要とするが、携帯端末機器では波長に比して充分な
寸法の地板を用意することは困難であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】小型アンテナとして
は、これまでに各種ノーマルモードヘリカルアンテナが
研究・開発され実用になっている。特に、地板上に直立
させた小型ヘリカルアンテナは種々の角度から研究がす
すめられ、報告されている。なかでも、ヘリカル頂部よ
り給電した高さ約１／７波長程度のものは、比較的帯域
も広く３％強が得られている。しかし、このアンテナの
場合、地板を必要とし、アンテナ単体では動作しない。

【０００４】上述の如き従来の不都合を解消するため
に、本発明は、アンテナ単体で動作可能、かつ大寸法の
地板を必要としない給電構造が単純な小型アンテナを得
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するため、本願の請求項１に記載の発明は、直線状に延
びる内部導体と、これを中心として表面が絶縁被覆され
間隔を隔てて密巻状に巻回された外部コイル状導体とを
有し、外部コイル状導体の一端とその近傍にある内部導
体の一端間から外部コイル状導体方をみた回路は特有の
共振周波数に共振すると共に、入力インピーダンス抵抗
は５０Ωであって該回路内部導体端は５０Ω系コネクタ
の中心導体と接続自在であり、外部コイル状導体の一端
は該コネクタの外部導体に接続自在であることを特徴と
する密巻き小型ヘリカルアンテナを提供する。本願の請
求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加え
て、外部コイル状導体の他端とその近傍にある内部導体
の他端間が導体で接続されていることを特徴とする密巻
き小型ヘリカルアンテナを提供する。本願の請求項３に
記載の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、外部コ
イル状導体の他端とその近傍にある内部導体の他端間が
開放されていることを特徴とする密巻き小型ヘリカルア
ンテナを提供する。本願の請求項４に記載の発明は、請
求項１に記載の発明に加えて、外部コイル状導体と内部
導体間は空間であることを特徴とする密巻き小型ヘリカ
ルアンテナを提供する。本願の請求項５に記載の発明
は、請求項１に記載の発明に加えて、外部コイル状導体
と内部導体間には絶縁体が介在していることを特徴とす
る密巻き小型ヘリカルアンテナを提供する。本願の請求
項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、
外部コイル状導体と内部導体を形状記憶合金で形成した
ことを特徴とする密巻き小型ヘリカルアンテナを提供す
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に本発明の一実施の形態を、図
面を用いて詳細に説明する。本発明では、多用されてい
るノーマルモードヘリカルアンテナに注目して、さらな
る小型化のためヘリカルピッチ角を減じてコイル状に密
巻きにしたアンテナを採用し、このアンテナを５０Ω同
軸給電線と直接整合させる２種類の方法を開発した。本
発明に係るアンテナの構造はＳＭＡコネクタの中心導体
を垂直に引き出し、これと同軸に密巻きしたコイル状導
体を配置し、コイル胴体下部を外部導体に接続したもの
である。

【０００７】本発明に係るアンテナの給電方法は、アン
テナ上部で中心導体と外部コイル状導体の端部を「短
絡」するアンテナと「開放」するアンテナの２種類であ
る。両者とも何ら整合回路を付加すること無く５０Ω給
電線と整合可能である。前者の場合、アンテナ高は約１
／２０波長、後者の場合、アンテナ高は、約１／７０〜
１／８０波長と非常に小型とすることが出来る。その放
射指向性は、通常用いられるモノポールアンテナと同
様、水平面内で無指向性、垂直面内で８の字指向性が得
られた。実測利得は「短絡型」で−８ｄＢｉ、「開放
型」で−１８ｄＢｉであった。なお、本発明の以下に述
べる実施例では製作と実験の容易さから、長波長域の縮
尺モデルとして２００〜５００ＭＨｚ帯を選び、アンテ
ナ外部導体には、巻枠を必要としない太さのエナメル被
覆導体を採用した。

【０００８】次にアンテナの具体的な構造について説明
する。図１の(a)(b)(c)に密巻き小型ヘリカルアンテナ
の形状を示す。それぞれのアンテナ各部パラメータを表
１に示す。本発明に係るアンテナはＳＭＡコネクタ１の
中心導体を垂直に引き出した内部導体２と、これと同軸
にエナメル線を密巻きにした外部コイル状導体３によっ
て構成される。図１の(a)は内部導体２の上部、外部コ
イル状導体３上部を接続導体４で接続し、外部コイル状
導体３下部をＳＭＡコネクタ１外部導体に接続してい
る。図１の(b)は前記図１の(a)に示すものと若干異な
り、内部導体２上部と外部コイル状導体３上部を接続し
ていない構造のものである。以下、アンテナ先端部を短
絡している図１の(a)の構造のアンテナを「短絡型」、
接続していない図１の(b)の構造を「開放型」と称する
ことにする。上記実施例は、いずれも内部導体２と外部
コイル状導体３間は空気が介在しているが、例えば、高
周波領域で絶縁特性が良好な例えばテフロン（登録商
標）、スチレン等の合成樹脂絶縁物を介在させることも
できる。

【０００９】

【表１】各部のパラメータ

【００１０】次に本発明に係るアンテナのリターンロス
特性について説明する。図２は、図１(a)(b)のアンテナ
のリターンロス特性を示す特性図である。「短絡型」
「開放型」ともに本発明に係るアンテナは各部パラメー
タを変化させることで、何ら整合回路を付加すること無
く５０Ω給電線と整合可能である。各部パラメータ変化
させたときの電気的特性については後に述べることにす
る。

【００１１】次に本発明に係るアンテナの電流分布につ
いて説明する。アンテナの諸特性を調べるとき、アンテ
ナに生じる電流分布を測定することで放射指向性や、偏
波方向を予想することができる。図１の(a)に示す「短
絡型」、図１の(b)に示す「開放型」それぞれ電流分布
について説明する。測定方法図３に座標および測定系を示す。直径５ｍｍのループア
ンテナ５、６をプローブとして用いる。プローブの向き
を図３に示すようにθ＝９０°で固定し、φ方向ベクト
ルを有する電流Ｉφについてアンテナ軸上任意の点で図
３のようにプローブをθ＝0°から回転し電流振幅分布
の測定をする。

【００１２】電流分布図４は「短絡型」アンテナ、図５は「開放型」アンテナ
の電流分布測定結果である。結果にあわせてモーメント
法による計算結果も示している。「短絡型」では約１波
長、「開放型」では約１／２波長の定在波がアンテナ素
子上に生じているといえる。モーメント法による計算結
果もほぼ同様の特性となった。

【００１３】偏波方向アンテナ軸（ｚ軸）上任意の点で偏波角度を変化し測定
を行った結果、短絡・開放型共に偏波角度に対して８の
字となる特性が得られた。しかし、ヌル及び最大値の現
れる角度は水平・垂直方向からずれて生じた。図６は、
ｚ軸上各測定点におけるヌル、振幅最大が現れた角度を
示している。図６より短絡・開放型アンテナ共に密巻き
ヘリカルアンテナの電界成分は垂直、水平偏波、またピ
ッチ各（２．９°）に依存せず、アンテナ軸方向から６
０°前後傾いた斜め偏波であると予想できる。

【００１４】パラメータ変化１、「短絡型」「短絡型」アンテナのパラメータ変化に対する各電気的
特性の変化を図７〜９に示す。「短絡型」アンテナ共振
周波数は図７、図８よりアンテナ全長に依存し約０．７
λで共振する。また入力インピーダンス抵抗はアンテナ
内外径比に依存し図９より内外径比が大きいほど高くな
る。２、「開放型」「開放型」アンテナのパラメータ変化に対する各電気的
特性の変化を図１０〜図１２に示す。「開放型」も「短
絡型」とほぼ同様で共振周波数は図１０、図１１よりア
ンテナ全長に依存する。ただし「開放型」は約０．３λ
で共振する。また入力インピーダンス抵抗はアンテナ内
外径比に依存し図１２より内外径比が大きいほど大きく
なる。

【００１５】次に本発明に係るアンテナの放射指向性・
利得について説明する。１、測定アンテナ図１３に放射特性の測定を行ったアンテナの形状を示
す。表２に各部パラメータを示す。アンテナＡは「短絡
型」、アンテナＢは並列に容量を装荷した「開放型」、
アンテナＣは「開放型」である。それぞれのリターンロ
ス特性を図１４に示す。

【００１６】

【表２】各部のパラメータ２、放射指向性・利得図１５に放射特性の測定を行った座標系及び測定系を示
す。図１５のようにｘｙ面、ｘｚ面における水平偏波と
垂直偏波の放射指向性を測定した。尚、測定に際し、給
電ケーブルの影響を抑圧する目的で、外形寸法６８Ｌ×
４６Ｗ×２３Ｈｍｍの小型の発振器上面にアンテナを直
付けして測定を行った。図１６（ａ）〜（ｆ）に、ｆ：
３０７ＭＨｚ、半波長ダイポールで正規化したアンテナ
Ａ・Ｂ・Ｃ及び比較のため３０７ＭＨｚで共振している
モノポールアンテナの放射指向性測定結果を示す。利得
に関してはモノポールアンテナで約−４ｄＢｉ、アンテ
ナＡ（高さ：λ／２０）で約−８ｄＢｉ、アンテナＢ
（高さ：λ/４１）で約−１２ｄＢｉ、アンテナＣ（高
さ：λ／８２）で約−１８ｄＢｉであった。

【００１７】

【表３】絶対利得

【００１８】以上、本発明を上述の実施の形態により説
明したが、たとえば、本発明のアンテナは、小型である
けれども、形状の変形に対してはかなりクリティカルな
ところがあるので、外部コイル状導体と内部導体を形状
記憶合金で形成しておき、アンテナに外力が加わって多
少変形しても、元の記憶されている形状に復帰すること
ができるように構成するなど、本発明の主旨の範囲内で
種々の変形や応用が可能であり、これらの変形や応用を
本発明の範囲から排除するものではない。

【００１９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
密巻きコイル状外部導体とその中心に同軸に配した直線
状導体よりなる小型アンテナにおいて２種類の給電法を
提案した。「短絡型」ではアンテナ高：約１／２０波
長、「開放型」ではアンテナ高：約１／７０〜１／８０
波長である。本発明に係るアンテナは、何ら整合回路を
必要とせず５０Ω給電線と整合を達成出来る。その放射
指向性はモノポールアンテナと同様の指向性を示した。
実測利得は「短絡型」で約−８ｄＢｉ、「開放型」で約
−１８ｄＢｉであった。本発明に係るアンテナは、小型
で単純な構造を有し、比較的高い利得を有し、とくに地
板を必要としないため、長波長の移動体通信端末局に適
用してその威力を発揮出来る。例えば、ラジコン自動車
受信機用アンテナに「短絡型」を適用したとき、通常の
ビニール被覆線を用いたホイップタイプアンテナに比し
て２倍以上の到達距離を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の密巻き小型ヘリカルアンテナ
の形状を示す図である。

【図２】図２は、リターンロス特性を示す特性図であ
る。

【図３】図３は、座標・測定系を示す概略図である。

【図４】図４は、「短絡型」の電流振幅・位相分布を示
す特性図である。

【図５】図５は、「開放型」の電流振幅・位相分布を示
す特性図である。

【図６】図６は、ｚ軸上各測定点におけるヌル、振幅最
大が現れた角度を示す特性図である。

【図７】図７は、「短絡型」におけるコイル内外径比に
対する共振周波数の変化を示す特性図である。

【図８】図８は、「短絡型」における共振周波数の変化
に対する全長Ｌの関係を示す特性図である。

【図９】図９は、「短絡型」におけるコイル内外径比に
対する入力インピーダンス抵抗の変化を示す特性図であ
る。

【図１０】図１０は、「開放型」におけるコイル内外径
比に対する共振周波数の変化を示す特性図である。

【図１１】図１１は、「開放型」における共振周波数の
変化に対する全長Ｌの関係を示す特性図である。

【図１２】図１２は、「開放型」におけるコイル内外径
比に対する入力インピーダンス抵抗の変化を示す特性図
である。

【図１３】図１３は、供試アンテナの形状を示す斜視図
である。

【図１４】図１４は、リターンロス特性を示す特性図で
ある。

【図１５】図１５は、放射特性の座標・測定系を示す説
明図である。

【図１６】図１６は、放射指向性特性図である。

【符号の説明】１・・・・・ＳＭＡコネクタ２・・・・・内部導体３・・・・・外部コイル状導体４・・・・・接続導体５、６・・・ループアンテナ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線状に延びる内部導体と、これを中心と
して表面が絶縁被覆され間隔を隔てて密巻状に巻回され
た外部コイル状導体とを有し、外部コイル状導体の一端
とその近傍にある内部導体の一端間から外部コイル状導
体方向をみた回路は特有の周波数に共振すると共に、入
力インピーダンス抵抗は５０Ωであって該回路内部導体
端は５０Ω系コネクタの中心導体と接続自在であり、外
部コイル状導体の一端は該コネクタの外部導体に接続自
在であることを特徴とする密巻き小型ヘリカルアンテ
ナ。
【請求項２】外部コイル状導体の他端とその近傍にある
内部導体の他端間が導体で接続されていることを特徴と
する請求項１に記載の密巻き小型ヘリカルアンテナ。
【請求項３】外部コイル状導体の他端とその近傍にある
内部導体の他端間が開放されていることを特徴とする請
求項１に記載の密巻き小型ヘリカルアンテナ。
【請求項４】外部コイル状導体と内部導体間は空間であ
ることを特徴とする請求項１に記載の密巻き小型ヘリカ
ルアンテナ。
【請求項５】外部コイル状導体と内部導体間には絶縁体
が介在していることを特徴とする請求項１に記載の密巻
き小型ヘリカルアンテナ。
【請求項６】外部コイル状導体と内部導体を形状記憶合
金で形成したことを特徴とする請求項１に記載の密巻き
小型ヘリカルアンテナ。