JP4980285B2

JP4980285B2 - スパイラルアンテナ

Info

Publication number: JP4980285B2
Application number: JP2008091858A
Authority: JP
Inventors: 喜次山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009246746A

Description

この発明はキャビティおよびスパイラル線路を有するスパイラルアンテナに関するものである。

従来のスパイラルアンテナは、キャビティと、電波の放射に寄与するスパイラル線路とを備えているが、キャビティの開口径が、スパイラル線路の最外周径と同程度または大きい値に設定されている（たとえば、特許文献１、非特許文献１参照）。

また、最外周のスパイラル線路がキャビティの外側に位置している場合には、外側のスパイラル線路の上部に電波吸収体が設けられており、外側のスパイラル線路は、実質的に放射に寄与しない線路を構成している（たとえば、特許文献２参照）。
したがって、従来のスパイラルアンテナは、いずれも、放射に寄与するスパイラル線路がキャビティの内側に位置している。

スパイラルアンテナの下限周波数は、スパイラル線路の最外周径で決定され、スパイラル線路は、最外周長が１波長となる周波数で電波を放射する。
したがって、低周波数領域で使用する場合には、スパイラル線路の最外周径を大きくする必要があり、これにともないキャビティ径も大きくなる。
しかし、キャビティ径が大きい場合には、キャビティ共振により放射パターンが乱れ、高域での利得劣化が発生する可能性がある。

特開２０００−２５２７３８号公報、図１特開２００１−６０８２１号公報、図８電子情報通信学会論文誌ＢＶｏｌ．Ｊ８６−Ｂ，Ｎｏ．９（２００３０９０１）ｐｐ．１７４８−１７５７、図１

従来のスパイラルアンテナでは、キャビティ径がスパイラル線路の最外周径よりも大きい値に設定されているので、特に低周波数領域で使用する場合に、スパイラル線路の最外周径の増大にともなってキャビティ径が大きくなり、キャビティ共振により放射パターンが乱れて、高周波領域での利得が減少するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、キャビティの共振周波数が帯域外となるように、キャビティの開口径をスパイラル線路の最外周径よりも小さく設定することにより、キャビティ共振による高周波領域での利得減少を回避したスパイラルアンテナを得ることを目的とする。

この発明によるスパイラルアンテナは、地導体として機能するケースと、ケースに形成されたキャビティと、キャビティの開口側の端面に配設されて、電波の放射に寄与するスパイラル線路とを備えたスパイラルアンテナにおいて、キャビティの開口径を、スパイラル線路の最外周径よりも小さい値に設定したものである。

この発明によれば、キャビティの共振周波数を帯域外とすることにより、低周波数領域で使用する場合においても、キャビティ共振による高周波領域での利得減少を回避することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るスパイラルアンテナを示す断面斜視図であり、図２は図１内のＡ部を拡大して示す側断面図である。
図１および図２において、スパイラルアンテナは、スパイラル基板２上に配設されたスパイラル線路１と、地導体として機能するケース３に形成されたキャビティ４とを備えている。

スパイラル線路１は、スパイラル基板２の上にエッチングにより形成され、電波の放射に寄与する。
ケース３は、一般的には金属で構成され、地導体の役割を果たす。また、金属でなく、樹脂の表面に金属メッキを施してもよい。

なお、一般に、アンテナは送信および受信で可逆性があるが、以降では、代表的に、スパイラルアンテナから電波が放射される場合について述べる。
また、スパイラルアンテナとしては、円形や方形など種々の形状があるが、代表的に、円形スパイラルアンテナについて説明する。この場合、キャビティ４の断面形状も円形となる。

前述の通り、スパイラルアンテナの下限周波数は、スパイラル線路１の最外周径で決定され、スパイラル線路１は、最外周長が１波長となる周波数で電波を放射する。したがって、低周波数領域で使用する場合には、スパイラル線路１の最外周径を大きく設定する必要があり、これにともない、キャビティ４の開口径も大きい値に設定される。

ただし、この発明の実施の形態１（図１、図２）においては、キャビティ４の開口径（開口面積）が、スパイラル線路１の最外周径（最外周面積）よりも小さい値に設定されているので、スパイラル線路１の外周部において、スパイラル基板２の下に、地導体として機能するケース３が位置している。

通常は、スパイラル線路１により電波が放射されるが、キャビティ４が共振する周波数においては、キャビティ４からも電波が放射されるので、スパイラル線路１により放射される電波と、キャビティ４から放射される電波とが干渉することにより、放射パターンが乱れて利得が低下することになる。

しかし、キャビティ４の共振周波数は、キャビティ４の開口径の関数となるので、図１（図２）のようにキャビティ４の開口径が小さい場合には、キャビティ４の共振周波数は高域側にシフトする。

たとえば、磁界の軸成分がゼロで、軸方向の電界のみで決定されるＴＭモードの場合、共振周波数ｆｒは、キャビティ４の高さｈと、キャビティ４の開口径ａと、第一種ベッセル関数のゼロ点Ｘｎｐとを用いて、以下の式（１）で与えられる。

図３はこの発明の実施の形態１による効果を示す説明図であり、有限要素法による利得の周波数特性（計算結果）を示している。
図３において、横軸は最低周波数ｆＬで規格化した規格化周波数ｆ／ｆＬ、縦軸は利得［ｄＢ］である。

また、図３内の破線特性は、規格化周波数ｆ／ｆＬでの波長λＬに対し、キャビティ４の開口径が０．２５λＬ（＞スパイラル線路１の最外周径）の場合の利得であり、実線特性は、キャビティ４の開口径が０．２２λＬ（＜スパイラル線路１の最外周径）の場合の利得である。

図３から明らかなように、キャビティ４の開口径が０．２５λＬの場合の従来の利得特性（破線）と、この発明の実施の形態１による開口径が０．２２λＬの場合の利得特性（実線）とを比較すると、開口径が０．２２λＬの場合の方が、領域Ｂで示す高周波領域での利得が改善していることが分かる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、地導体として機能するケース３と、ケース３に形成されたキャビティ４と、キャビティ４の開口側の端面に配設されて、電波の放射に寄与するスパイラル線路１とを備えたスパイラルアンテナにおいて、キャビティ４の開口径を、スパイラル線路１の最外周径よりも小さい値に設定したので、低周波数領域で使用する場合においても、キャビティ共振による高周波領域での利得減少を回避することができる。

また、図１のスパイラルアンテナを複数配設して、アレーアンテナ（図示せず）を構成することにより、アレーアンテナ構成のスパイラルアンテナにおいても、同様の作用効果を奏することができる。

この発明の実施の形態１に係るスパイラルアンテナを示す断面斜視図である。図１内のＡ部を拡大して示す側断面図である。この発明の実施の形態１による効果を示す説明図である。

符号の説明

１スパイラル線路、２スパイラル基板、３ケース、４キャビティ。

Claims

地導体として機能するケースと、
前記ケースに形成されたキャビティと、
前記キャビティの開口側の端面に配設されて、電波の放射に寄与するスパイラル線路と
を備えたスパイラルアンテナにおいて、
前記キャビティの開口径を、前記スパイラル線路の最外周径よりも小さい値に設定したことを特徴とするスパイラルアンテナ。
請求項１に記載のスパイラルアンテナを複数配設して、アレーアンテナを構成したことを特徴とするスパイラルアンテナ。