JP4708114B2 - Antenna device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a spiral antenna device, and more particularly to a small-sized spiral antenna device having broadband characteristics.
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。 In the fields of radar, satellite communications, and mobile communications, it is conceivable to use circularly polarized waves so that radio waves can be transmitted and received regardless of the direction of polarization. A spiral antenna is an example of an antenna that radiates circularly polarized waves over a wide band with a low attitude.
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。 The principle of operation of the spiral antenna can be described as a kind of traveling wave antenna. That is, by feeding power to the center of a spiral line formed by spirally winding a plurality of conductor lines, a wave travels from the feed point toward the tip of the line, and gradually radiates radio waves during that time.
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。 In order to radiate radio waves in one direction, a reflector composed of a reflector or a cavity is usually provided at a distance of about λ / 4 of the operating frequency on the opposite side of the radiation direction.
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。 In spiral antennas, residual components that do not contribute to radiation are reflected at the tip of the spiral line, and the reflected waves radiate reverse-polarization components. As a result, axial ratio characteristics that are important for circular polarization performance are affected. It will get worse. In addition, when the reflected wave reaches the feeding point, there is a problem that the matching with the feeding device is deteriorated. These problems are particularly noticeable in a low frequency band where the antenna size is small with respect to the wavelength.
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。 Therefore, conventionally, when the wavelength of the lower limit frequency of the use frequency is λ L , the outer dimension of the spiral line is approximately 1.5 to 2λ L so that the antenna size is set to the wavelength of the antenna use frequency. measures such as increasing or measures such to absorb the residual component of the wave absorber provided outermost length spiral antenna is miniaturized to about 1 [lambda L is taken of the spiral line.
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)。 Furthermore, a method for improving the residual component absorption performance by combining a radio wave absorber and a resistor is disclosed (for example, see Patent Document 1).
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。 However, as in the prior art described above, increasing the antenna size with respect to the wavelength is against the demand for antenna miniaturization, and when considering the antenna array, the element spacing becomes wide. There arises a problem that a grating lobe occurs at the frequency band.
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。 On the other hand, when the radio wave absorber is provided, it is difficult to select a radio wave absorber having radio wave absorption performance over a wide band, and the manufacturability of the antenna is deteriorated from the viewpoint of the fixing method of the radio wave absorber. Furthermore, there is also a problem that the gain of the antenna is reduced by the radio wave absorber absorbing the main polarization component of the antenna.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In a spiral antenna in which the outermost peripheral length of the spiral line is reduced to about 1λ L , a wide band and high gain can be obtained without using a radio wave absorber. It is an object to obtain an antenna device having excellent performance and excellent antenna manufacturability.
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。 The antenna device according to the present invention has a spiral line in which two conductor lines are spirally wound in the same direction so as not to overlap each other on a dielectric substrate, and a feeding device is provided at the center of the spiral line. The spiral line tip is open, and the upper surface of the use frequency is larger than the area where the spiral line is formed on the back side of the dielectric substrate opposite to the surface on which the spiral line is formed. In a two-wire spiral antenna having a ground conductor having a cavity with a depth of about λ H / 4 when the wavelength of the frequency is λ H , a conductor piece is placed at an outer position from the center of the antenna near the tip of the spiral line. Forming a conductor thin film on the back side of the dielectric substrate of the conductor piece, short-circuiting the conductor piece and the conductor thin film with a through hole, and connecting the conductor thin film to the ground conductor. A first resistor between the tip of the spiral line and the adjacent spiral line, and a second resistor between the tip of the spiral line and the conductor piece, the two resistors The body forms one pair, and the resistor pair is provided at the tip of two spiral lines.
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。 According to the present invention, since the antenna elements can be reduced in size, the elements can be arranged with a narrower element spacing. As a result, the frequency at which the grating lobe can be generated can be shifted to the high frequency side, and the use band of the antenna is expanded. Further, when viewed at the same frequency, the beam scanning angle range can be expanded as compared with the conventional example.
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。
1 to 3 are schematic views for explaining a spiral antenna device according to
The spiral antenna device shown in FIG. 1 has a
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。
Furthermore, a
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。
In FIG. 1, when the surface on which the
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。
The outermost circumference length of the
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
The
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。
The
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。
Next, the effects of the present invention will be described. As described above, in the spiral antenna reduced in size with respect to the wavelength, it is necessary to suppress reflection at the tip of the
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。
One is a mode that stands between the tip of the
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。
Therefore, if two
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。
How to select the resistance values of the
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。
The tip of the
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。
The coupled microstrip line in FIG. 4 has two types of modes, an even mode in which the two conductor lines 11 are excited in the same phase and an odd mode in which the two conductor lines 11 are excited in the opposite phase. The even mode is a mode that stands between each conductor line 11 and the
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。
First, if the resistance value R2 of the second
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。
Subsequently, the resistance value R 1 of the
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。
Thus, it is possible to determine the resistance value R 1 of the
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。
As an example of the effect of the present invention, FIG. 5 shows a numerical calculation example of the frequency characteristic of the axial ratio (Axial Ratio). The FDTD method (finite difference time domain method) was used for the calculation. Outermost length of the
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。
The resistor pair used in the present invention is only for suppressing reflection at the tip of the
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。
In the above description, the relationship between the line width and the line interval of the
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。
In the first embodiment, the means for realizing the
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。 Many types of chip resistors are commercially available at low cost depending on the resistance value, dimensions, etc., and may be appropriately selected. In addition, when chip resistances having resistance values R 1 and R 2 calculated by the design method described in the first embodiment cannot be obtained, a plurality of chip resistors are connected in series or in parallel to obtain a desired value. It can be close to the resistance value. In general, since the chip resistance has a minute size with respect to the wavelength of the frequency used in the antenna, there is almost no influence on the wave characteristics even when a plurality of chip resistors are connected as described above. Moreover, there is almost no influence of the error of an attachment position.
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。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a spiral antenna device according to
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。
As means for realizing the
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。
For the
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。 Since the resistance film can be processed by an etching process in the same manner as the conductor film, an antenna with high processing accuracy and little variation in characteristics can be easily manufactured.
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。
In the first to third embodiments, a single spiral antenna device has been described, but a plurality of spiral antenna devices may be arranged to constitute an array antenna. If each arrayed spiral antenna element is excited with a phase difference, a phased array antenna capable of scanning a beam in an arbitrary direction can be obtained.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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。 On the dielectric substrate, there is a spiral line in which two conductor lines are spirally wound in the same direction so as not to overlap each other, and a power feeding device is provided at the center of the spiral line, and the tip of the spiral line is open In addition, on the back surface side of the dielectric substrate opposite to the surface on which the spiral line is formed, the wavelength of the upper limit frequency of the use frequency is λ H in an area larger than the range in which the spiral line is formed. In a two-wire spiral antenna with a ground conductor sometimes having a cavity with a depth of about λ H / 4,
A conductor piece is formed at a position outside the center of the antenna near the tip of the spiral line, a conductor thin film is formed on the back side of the dielectric substrate of the conductor piece, and the conductor piece and the conductor thin film are short-circuited through a through hole. The conductor thin film is short-circuited to the ground conductor, and a first resistor is provided between the spiral line tip and the adjacent spiral line, and a second resistor is provided between the spiral line tip and the conductor piece. An antenna device, comprising: a body, wherein the two resistors form a pair, and the resistor pair is provided at two distal ends of the spiral line.
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 The antenna device according to claim 1, wherein a chip resistor is used as the resistor.
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 The dielectric substrate with a resistance film is used as the dielectric substrate, and the spiral line and the first and second resistors are formed on the dielectric substrate with a resistance film. Antenna device.
ことを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to any one of claims 1 to 3, wherein the antenna device is arrayed.
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