JPS62216407A - スパイラルアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、例えば電磁波妨害試験に用いられる基本放射
素子に好適な広帯域スパイラルアンテナに関するもので
ある。

従来の技術 従来、上記のようなアンテナとして線状アルキメデス形
スパイラルアンテナ、板状等角スパイラルアンテナ、平
面状対数周期形アンテナ、多線式スパイラルスロットア
ンテナ又は単線式スパイラルスロットアンテナ等が用い
られている。

発明が解決しようとする問題点 従来の線状アルキメデス形スパイラルアンテナ及び板状
等角スパイラルアンテナは、何れも直線偏波の放射に不
適なると共に、給電系部分が平衡−不平衡変換素子を含
む同軸線路より成るため、製作が困難である。

平面状対数周期形アンテナにおいては、円偏波の放射を
行わせるためには適当な広帯域ハイブリッド素子等を必
要とするため、矢張り製作が困難となる。

多線式スパイラルスロットアンテナは、２個所以上の複
数個所の給電点を必要とするため、給電が複雑となり、
直線偏波の励振が困難である。

単線式スパイラルスロットアンテナは、スロット部分に
おける？ａ流分布が対称とならないため、放射方向の中
心軸に対称な指向性を得ることが出来ず、したがって、
正面方向において良好な円偏波特性が得られず、又、構
造的に直線偏波の励振が困難である。

問題点を解決するための手段、実施例 本発明は、上記従来における各種アンテナの諸欠点を除
くためになされたもので、以下、図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す平面図、第２図は、
底面図、第３図は側面図で、各図において、ｌは絶縁基
板、２は絶縁基板ｌの表面に設けられてアース面を形成
する金属薄膜で、例えば銅箔より成る。３１及び３２は
それぞれスパイラルスロット素子で１例えば印刷配線手
法により形成し、画素子の巻方向が同方向となるように
形成しである。４はスパイラルスロット素子３！及び３
２の各外端部相互の結合素子で、例えば印刷配線手法に
より形成したスロットより成る。５は絶縁基板１の裏面
に設けた適宜幅を有する線状の金属薄膜で、例えば印刷
配線手法により設けた銅箔より成り、絶縁基板１を介し
て対向するアース面形成用金属薄膜２と共にマイクロス
トリップライン形給電線を形成し、給電線５の端部が結
合用スロット４のほぼ中心部と絶縁基板ｌを介して対向
し、容量結合によって結合用スロット４のほぼ中心部に
給電し得るように形成しである。

容量結合によって給電線５と結合用スロット４を結合す
る代りに、結合用スロット４の中間点における縁部に近
接した金属薄膜２の部分と給電線５の端部間をスルーホ
ールを介して結合せしめてもよい。

第４図は、本発明アンテナの基本作動原理説明のための
図で、ＰはスロットＳを設けた平面導体板で、無限の広
さを有すると共に無限に薄いものと仮定する。Ｗは給電
線に相当する線状素子で、この線状素子Ｗ及び平面導体
板Ｐは完全導体より成るものと仮定し、スロッ）Ｓの幅
及び線状素子Ｗの半径は、入射波（ｇｉｎ　、　１（ｉ
ｎ　）の波長に比し十分に小なるものと仮定する。

線状素子Ｗ上の電流ＩとスロットＳ上の磁流Ｍは、次式
から求めることが出来る。

・・・・　（１） （１）式においてＡは磁界ベクトルポテンシャル、Ｆは
電界ベクトルポテンシャル、之は観測点における単位接
線ベクトル、）（ＳＣは閉回路磁界である。

（１）式の左辺第１項は線状素子Ｗからの磁界に関係す
るもので、第４図における線状素子Ｗの中、ｎ−１区間
とｎ区間で形成されるくの字形の折曲部分に着目し、こ
の折曲部分による磁界に局部的円筒座標（ψｎ、ρｎ、
Ｚｎ）、（ψｎ−１、ρ。−１，２ｎ−＋　）を採用す
ると共に、折曲部分上における電流の展開関数として部
分的正弦波関数を用い、（１）式の左辺第１項に示す折
曲線状部分による磁界成分を）Ｉｎ：ｗｉｒｅ　とする
と、ここに、 φｎ−１＝　（（ｊｃｏｓθｎ−１−ｓｉｎβａｎ−１
−ｃｏｓβｅｎ−１）・ｅ−ｊβＲｎ−１−ｊβ””−
’　）＊ｎ−＋＋ｅ ・　・　・　・　（３） φｎ　＝　（−Ｃｊｃｏｓθ−、−５ｉｎβｅｎ＋　ｃ
ｏｓβｅｌ）−ｅ−””’　　−ｊβＲ０）：ｎ＋ｅ ・　・　・　・　（４） 示した距離及び角度であり、又、 ａｎ　　＝ｚｎ＋Ｉ　　　ｚｎ ｅｎ−１＋＝　ｚｎ−Ｚｎ−１ としている。

（１）式の左辺第２項はスロットＳから放射される磁界
に関係する項で、第４図におけるスロットＳの中、ｎ−
１区間とｎ区間から成るくの字形折曲スロット部分に着
目し、スロット上の磁流Ｍに対して再び部分的正弦波展
開関数を採用すると、第２項の磁界成分は最終的に次式
のように導出される。

・・・・　（５） ここに、 Ｐｏ−１＝　（ｃｏｓβｅｌ−１，０Ｏ３ｏｎ−１’　
ｅ−ｊβＲｎ−１−８゜８．。−、，８−ｊβ２°− −ｊｓｉｎβｂ ・　・　・　・　（６） −−ｊβＲｒｌ Ｐｎ＝　（ｃｏｓβｅｎ−ＣｏＳｏｎ−ｅ・　・　・　
・　（７） ・　・　・　・　（９） 次に、完全導体表面上においては、入射波と散乱波の合
成電界の接線成分が零となることを用いて次式が得られ
る。

＋・Ａ（ｚ））・Ｚ＝ｏ・・・・（ｌｏ）上式における
左辺第１項及び第２項の電界成分は、それぞれスロット
ｓと線状素子Ｗにより形成されるもので、部分的正弦波
関数を磁流と電流の展開関数に用いているので、ｎ−１
区間とｎ区間から成るくの字形スロット部分及びくの字
形線状素子部分についての電界成分は、第１項及び第２
項より次式が得られる。

ｏ　　　− ＋　　　　　）・Ｚ　　・・・・　（１１）ρ口Ｓｌｎ
βｅｎ ・・・・　（１２） 試験関数を適用した後における折曲線状部分による磁界
成分ｈｎ：ｗｉｒｅ、折曲スロット部分による磁界成分
ｈｎ：５ｌｏｔ、折曲線状部分による電界成分ｅｎ：ｗ
ｉｒｅ及び折曲スロット部分による電界成分ｅｌ’ｌ：
５ｌｏｔを、それぞれｈｓ＋ｎ：ｖｌｒｐ　、　ｈｅｎ
：５ｌｏｔ。

ｅｍｎ＋ｗｉｒｅ及びｅｌｎ：５ｌｏｔ　とすると、（
１）式及び（ｌＯ）式は、それぞれ次式で表わされる。

（ｍ＝１．２．・・・・・　） ・・・・　（１３） 以上から電流及び磁流に関する複素展開係数Ｉｎ及びＭ
ｎが通常の行列解決によって求められる。

第１図乃至第３図吟示した実施例においては、給電線５
を介してスパイラルスロット素子３１及び３２を励振す
ると、各スロットに流入する磁流によって各スパイラル
スロット素子３Ｉ及び２から放射される円偏波における
各電界ベクトルの回転方向が同方向となり、互いに和動
的に合成されて一つの円偏波電磁波が放射されることと
なる。

上記実施例においては、スパイラルスロット素子３１及
び３２の巻方向を互いに同方向に形成した場合を例示し
たが、第５図に要部を示すように、スパイラルスロット
素子３Ｉ及び３２の巻方向を互いに逆方向に形成しても
本発明を実施することが出来、この場合には、各スパイ
ラルスロット素子に流入する磁流によって生ずる各円偏
波における電界ベクトルの回転方向が互いに逆方向とな
るため、給電線に直角な方向の電界ベクトル成分は互い
に差動的に合成され、給電線に平行な方向の電界ベクト
ルは互いに和動的に合成されるので、第５図に示した矢
印方向の電界ベクトルを有する直線偏波が放射されるこ
ととなる。

以上は、スパイラルスロット素子３１及び３２を線状ア
ルキメデス形スパイラルスロット素子を以て形成した場
合を例示したが、第６図に要部を示すように、スパイラ
ルスロット素子を等角スパイラルスロット素子を以て形
成するか、第７図に要部を示すように、角形スパイラル
スロット素子を以て形成しても本発明を実施することが
出来る。

以上は、何れもスパイラル素子をスロットスパイラル素
子を以て形成し、磁流を流入励振せしめるように構成し
た場合を例示したが、スパイラル素子を導体を以て形成
し、電流を流入励振せしめるように構成しても本発明を
実施することが出来る。

第８図は、その−例を示す平面図、第９図は、底面図で
、両図において、ｌは絶縁基板、２′はアース面を形成
する金属薄膜で、例えば印刷配線手法によって絶縁基板
１の裏面に設けである。

３゛１及び３″２は線状アルキメデス形スパイラル素子
で、例えば印刷配線手法によって絶縁基板１の表面に設
けた導体より成る。４′は結合素子、５′は給電線で、
これらも亦例えば印刷配線手法によって絶縁基板ｌの表
面に設けた導体より成り、給電線５′は金Ｈ薄１１！ｉ
　２’と共にマイクロストリップラインを形成する。

本実施例においては、スパイラル素子３１．３；及び結
合素子４′を導体を以て形成した点において第１図乃至
第３図に示した前実施例と異なるが、その放射特性は前
実施例と全く同様である。

尚、図には示していないが、給電線５′の特性インピー
ダンスに応じて給電線５′と給電点間にインピーダンス
整合素子を介在せしめる必要のあること勿論である。

第８図及び第９図に示した実施例においては、導体より
成るスパイラル素子を線状アルキメデス形スパイラル素
子を以て形成したが、等角スパイラル素子又は角形スパ
イラル素子を以て形成しても本発明を実施することが出
来る。

以上何れの実施例においても絶縁基板上に２個一対のス
パイラル素子を設けた場合を例示したが、第１０図及び
第１１図に示すように、絶縁基板の表面上に２個一対の
スパイラル素子３１及び３２を設けると共に、この一対
のスパイラル素子と適宜間隔を隔てて２個一対のスパイ
ラル素子３３及び３４を設け、絶縁基板の裏面に設けた
マイクロストリップラインより成る共通の給電線５（第
１０図）又は５パ（第１１図）を介して各スパイラル素
子を励振せしめるように構成することにより、放射電力
を大ならしめることが出来る。尚、第１０図は直列給電
の場合、第１１図は並列給電の場合である。

第１０図及び第１１図の何れにおいても４個二対のスパ
イラル素子を設けた場合を例示したが、各列毎の間隔を
適当ならしめて６個三対以上のスパイラル素子を設ける
ことにより、放射電力を更に大ならしめることが出来る
。

第１０図及び第１１図には線状アルキメデス形スパイラ
ルスロット素子を設けた場合を例示したが、スパイラル
素子を等角スパイラルスロット素子又は角形スパイラル
スロット素子を以て形成してもよく、導体より成るスパ
イラル素子を以て形成してもよいこと勿論である。

第６図乃至第１１図に示した実施例においては、何れも
対をなすスパイラル素子の巻方向を互いに同方向にして
円偏波放射を行い得るように構成した場合を例示したが
、対をなすスパイラル素子の巻方向を互いに逆方向にし
て直線偏波放射を行い得るように構成してもよいこと勿
論である。

上記何れの実施例においても、第１２図に示すように、
絶縁基板１の前方又は後方に適当な反射器６を設け、絶
縁基板１と反射器６の間隔を放射波長に応じて適宜調整
することにより、放射指向性を絶縁基板１の後方又は前
方においてビーム状となすことが出来る。

又、何れの実施例においても絶縁基板１を平面状に形成
した場合を例示したが、例えば円筒面の一部、球面の一
部又は円錐面のように曲面状に形成しても本発明を実施
することが出来る。

絶縁基板を、例えば円筒面の一部をなす曲面を以て形成
した場合には、例えば第１３図に平面概略図を示すよう
に、スパイラル素子及び給電線等を設けた絶縁基板１を
適宜複数個円筒状に配設し、はぼ中心軸位置に円筒状の
反射体７を設けることにより、合成指向性を無指向性と
することが出来る。

発明の効果 本発明においては、スパイラル素子及び給電線を共通の
絶縁基板上に設けると共に給電点が１個所で足りるから
構造製作が簡潔容易で、本発明アンテナを構成素子とす
るアンテナの設計を自在に行うことが可能となる。

又、対をなすスパイラル素子の巻方向を同方向又は逆方
向となすことにより円偏波或は直線偏波の何れの放射も
可能であり、何れの放射の場合にもスパイラル素子にお
ける磁流又は電流の分布を対称ならしめ得る構造である
から、広帯域に互って指向性が対称で、かつ偏波特性が
良好である。

第１４図は、第１図乃至第３図に示した実施例のスパイ
ラルスロット素子３１及び３２における磁波分布の一例
を示す図で、横軸はスロットの長さＳＬ、即ち、第１図
における結合用スロット４のほぼ中心に位置する給電点
からの各スパイラルスロット素子のスロットの長さで、
第１４図には給電点をＦで示しである。縦軸はＭ（Ｚ）
／入Ｅであるが、ここにＭ（Ｚ）は、第１図における給
電点を原点とするスロットに沿った磁流の大きさ、入は
放射波長、Ｅは放射波の電界強度で、第１４図は、入が
３．２　ＧＨ２の場合である。

又、実線はベクトルの複素数表示における実数部に対応
する曲線、破線は虚数部に対応する曲線、点線は絶対値
に対応する曲線である。

本発明における磁流分布は、給電点に対してほぼ対称で
あること図から明らかで、したがって、円偏波及び直線
偏波の何れの場合においても良好な指向特性が得られる
こととなる。

第１５図は、第１図乃至第３図に示した実施例における
放射指向特性の一例を示す曲線図で、第１図における給
電点を原点とし、矢印Ｘ及びＹ方向にＸ座標軸及びＹ座
標軸をとり、原点から上方垂直方向にＸ座標軸をとった
場合における空間極座標表示による曲線図で、実線で示
した曲線は、ｘＺ平面からの偏角φが００及び９００の
面における電界成分Ｅ、を、放射周波数３．０　ＧＨ２
，３，２ＧＨ２及び３．４０Ｈ２について示したもので
、点線で示した曲線は、Ｘ座標軸からの偏角θ方向の電
界成分Ｅｅを示したもので、何れも良好な円偏波指向特
性を呈している。

第１６図は、第１図乃至第３図に示した実施例における
円偏波放射の場合の軸比特性、即ち、円偏波率と周波数
の関係を示す図で、横軸は放射周波数ｆ（Ｇ）ＩＩ）、
縦軸は軸比ＡＲ（ｄＢ）、即ち、円偏波における電界ベ
クトルの描く円弧の長袖と短軸との比で、一般に２０１
ｏｇ＋ｏをとり、真円偏波においてはＯｄＢである。

図から明らかなように、本発明スパイラルアンテナにお
いては、はぼ３．０　ＧＨｚ乃至３．７　ｃＨ２に亙っ
て良好な軸比特性を呈している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図はその底面
図、第３図はその側面図、第４図はその作動説明のため
の図、第５図乃至第７図は他の実施例の要部を示す図、
第８図は他の実施例を示す平面図、第９図はその底面図
、第１θ図乃至第１３図も非他の実施例を示す図、第１
４図は本発明のスパイラル素子における磁流分布の一例
を示す図。 第１５図は放射指向特性の一例を示す図、第１６図は軸
比特性の一例を示す図で、１：絶縁基板、２及び２′：
アース面を形成する金属薄膜、３１．３２．３１．３’
２．３３及び３４：スパイラル素子、４及び４゛：結合
素子、５．５′及び５″：給電線、６：反射器。 ７二円筒状反射体、Ｐ：平面導体板、Ｓニスロット、Ｗ
：線状素子である。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）２個一対をなすスパイラル素子を、任意対数、絶
   縁基板上に設けると共に、前記一対をなすスパイラル素
   子の各外端部相互の結合素子及びこの結合素子のほぼ中
   間点に結合される共通給電線を前記絶縁基板上に設けて
   成ることを特徴とするスパイラルアンテナ。
2. （２）一対をなすスパイラル素子の巻方向が互いに同方
   向である特許請求の範囲第１項記載のスパイラルアンテ
   ナ。
3. （３）一対をなすスパイラル素子の巻方向が互いに逆方
   向である特許請求の範囲第１項記載のスパイラルアンテ
   ナ。
4. （４）スパイラル素子が線状アルキメデス形スパイラル
   スロット素子より成ると共に、結合素子がスロットより
   成る特許請求の範囲第１項記載のスパイラルアンテナ。
5. （５）スパイラル素子が等角スパイラルスロット素子よ
   り成ると共に、結合素子がスロットより成る特許請求の
   範囲第１項記載のスパイラルアンテナ。
6. （６）スパイラル素子が角形スパイラルスロット素子よ
   り成ると共に、結合素子がスロットより成る特許請求の
   範囲第１項記載のスパイラルアンテナ。
7. （７）スパイラル素子が導体を以て形成した線状アルキ
   メデス形スパイラル素子より成ると共に、結合素子が導
   体より成る特許請求の範囲第１項記載のスパイラルアン
   テナ。
8. （８）スパイラル素子が導体を以て形成した等角スパイ
   ラル素子より成ると共に、結合素子が導体より成る特許
   請求の範囲第１項記載のスパイラルアンテナ。
9. （９）スパイラル素子が導体を以て形成した角形スパイ
   ラル素子より成ると共に、結合素子が導体より成る特許
   請求の範囲第１項記載のスパイラルアンテナ。
10. （１０）各対のスパイラル素子への共通給電線が直列形
    給電線より成る特許請求の範囲第１項記載のスパイラル
    アンテナ。
11. （１１）各対のスパイラル素子への共通給電線が並列形
    給電線より成る特許請求の範囲第１項記載のスパイラル
    アンテナ。
12. （１２）絶縁基板が平面状である特許請求の範囲第１項
    記載のスパイラルアンテナ。
13. （１３）絶縁基板が曲面状である特許請求の範囲第１項
    記載のスパイラルアンテナ。