JP2004254168A - Helical antenna - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は円偏波を放射する軸モードのヘリカルアンテナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ヘリカルアンテナは、衛星搭載用のアンテナや移動体通信用端末用のアンテナ等円偏波を放射するアンテナとして広く用いられている。ヘリカル螺旋としては1線、2線、4線巻きがあり、又、励振モードとしても様々なものがある。ヘリカルアンテナの基本的な構成として、1線巻きの螺旋状の一方のワイヤ端から給電し、螺旋状のピッチ角をαとすると、一定のピッチ各αにて数ターン巻いたものがある。この構成は軸モードのヘリカルアンテナであり、軸モードの円偏波を効率良く放射するためには、1周長を約1波長とし、12度<α<14度にする必要があることが知られている(例えば非特許文献1参照。)。
【0003】
【非特許文献1】
H.Nakano,Y.Samada,and J.Yamauchi,“Axial Mode Helical Antennas” IEEE Trans.Antennas Propagagat.,vol.AP−34, pp.1144 1986.
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ヘリカルアンテナで軸比のよい円偏波を放射し、且つ高利得を得るためには、ヘリカルのターン数を多くする必要がある。そのため、他の円偏波アンテナと比べ、比較的アンテナ高が高くなり、アンテナ容積が大きくなることや機械的強度が弱い問題があった。
【0005】
この発明は上記のような課題を解決し、低姿勢化を図ったヘリカルアンテナを得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るヘリカルアンテナは、ほぼ同一の直径を有する螺旋状に巻かれた第1のヘリカル導体と、上記第1のヘリカル導体の一端に接続されたテーパ形状を有する螺旋状に巻かれた第2のヘリカル導体と、給電コネクタを設けた金属地板とで構成されるヘリカルアンテナであって、上記螺旋状に巻かれたヘリカル導体のピッチ角αを4<α<9とし、上記テーパ形状を有する螺旋状に巻かれたヘリカル導体のターン数を3ターン以上としたものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナ以外の円偏波励振用のアンテナとしては種々あるが、一般的に円偏波励振用の給電回路が別途必要になりアンテナ構成が複雑になる。ヘリカルアンテナは特に円偏波励振用の給電回路を必要としないため、極めてアンテナ構成をシンプルにできる特徴がある。
【0008】
ヘリカルアンテナは、ヘリカルを構成するワイヤ導体を螺旋状にし、その螺旋状のワイヤ諸元をある励振モードで所望の放射パターンが得られるように適切に選ぶことで円偏波を励振できる。励振モードとしては、ヘリカルアンテナの直径Dやピッチ角α、ターン数Nで変化する。ヘリカルアンテナの中心軸に沿って、先端方向に円偏波を放射するモードとして、軸モードがある。
【0009】
軸モードのアンテナ構成を以下に説明する。
ある有限上の金属地板1に給電部を構成するための給電コネクタ11を設け、給電コネクタ11は同軸型のコネクタを使用し、そのコネクタの内導体2が地板からほぼ垂直状に延びるものとする。
【0010】
この内導体2に線路導体が接続され、地板1をグランドとし、線路導体とで伝送線路3が形成される。この伝送線路3の先端にヘリカルアンテナを構成するワイヤ導体4が接続される。伝送線路3はコネクタからの電力をヘリカルワイヤに伝送する伝送線路であると共に、特性インピーダンス50オームの同軸コネクタのから約180オームのヘリカルアンテナへのインピーダンス変換器としての役目も果たすものである。
【0011】
このワイヤ導体4は、ピッチ角をαとすると、αの傾きでほぼ同一直径にて、螺旋状にNターン巻かれる。軸モードでは、円偏波励振するためには、αを12度<α<14度にすることで軸モードの良好な円偏波が放射することが知られている。ターン数を多くすることで利得が高くなると共に軸比も改善される。ターン数は一般的に10〜15ターン程度である。
【0012】
このとき軸比は1dB以下、利得は12dBi以上が得られる。
但し、アンテナ高が約2〜3波長程度となり、アンテナ高が高くなる問題がある。
このため、他の円偏波アンテナと比べ、取付け箇所の高さ制約の問題がある。又、高さに比べて直径Dは0.3波長程度と小さいため、機械的な強度、振動に弱い問題がある。特に衛星搭載用のアンテナの場合、振動条件は厳しく、強度補強を行うと、重量増加に繋がるため、極力アンテナ高を低くした低姿勢化が求められる。
【0013】
低姿勢化する手段としては、ターン数を少なくすること、あるいはαを小さくすることが考えられる。ターン数を少なくすることは、利得が低下し、又、軸比も劣化するため、ヘリカルアンテナの特性が劣化する。一方、αを小さくすることは、利得はさほど低下しないが、軸比が極端に劣化する。
【0014】
図2にαをパラメータとし、ターン数を変えた場合の軸比特性を示す。αの代表的な例として、α=4、7、13度の3例を示している。通常のピッチ角であるα=13度の場合、軸比はターン数が10ターン程度でほぼ1dB以下の良い軸比特性が得られている。
【0015】
一方、αを7度、4度と小さくすると、ターン数を大きくしても、軸比特性はあまり良くならないことがわかる。すなわち、軸モードの円偏波アンテナの動作条件からずれていることを示している。
【0016】
この点を改善する方法として、この実施の形態では、ほぼ同一半径にワイヤ導体5に連なって、先端付近におけるワイヤー導体をコーン状のテーパー形状6となるように巻くことにする。軸比を劣化させる要因は、ワイヤ導体の終端部での反射である。この反射成分が放射とは逆向きの放射に寄与するため、これは逆旋の円偏波を放射し、軸比が劣化する。
【0017】
そこで、先端部を滑らかなテーパー状にすることで、先端からの反射が低減できる。このテーパ形状については、従来、12度<α<14度の軸モードにおいて周波数特性の広帯域化のために検討されてきたが、αが小さい場合の軸比特性の改善については、検討されていない。
【0018】
図3に先端部をテーパ状にした場合の軸比特性を示す。同一半径でのターン数N1=5と一定にし、テーパー状のターン数N2を変えた場合の軸比特性である。α=7度としているため、N2=0すなわち、テーパーがない場合、軸比特性が約5dBと悪い。
【0019】
しかし、N2を多くすることで軸比が改善され、N2=4ターンでは、軸比1dB以下に改善できることがわかる。このテーパーは、αが小さい場合、滑らかにすることが重要である。通常の12度<α<14度の場合、テーパーによる軸比改善効果は小さい。テーパーが無い場合でも軸比1dB以下は達成でき、ターン数を1ターン、2ターンとしても改善効果は小さく、ターン数は2ターンで充分である。
【0020】
しかし、αを小さくすると(ここでは下記のように4<α<9の場合)、このテーパ形状のターン数N2は軸比の改善手段として有効であり、しかも3ターン以上(図3では3ターンで軸比1.5dB、更に4ターン以上にすると、軸比約1dBと好結果が得られることが分かる。)にする必要がある。すなわち、αが小さい場合には、3ターン以上の緩やかなテーパ形状にすることが軸比改善のポイントである。
【0021】
ワイヤー先端部をテーパーとしたヘリカルでαを変えた場合の軸比の周波数帯域幅(1dB以下)を求めた結果、α=2度では1%程度、α=4度では10%弱、α=7度では30%程度、α=13度では45%程度とαが大きくなるに従い、帯域幅が広がる。通信用のアプリケーションを考えた場合、送受信帯域を考えると10%弱の帯域幅を要求されることが多い。この点からすると、αは4度以上にする必要がある。
【0022】
一方、αが大きくなれば、帯域幅が広がるが、アンテナ高さも高くなる。簡易計算としては、1ターンの高さは約tan(α) 波長となるため、α=13度の場合、1ターンは約1/4波長にある。全長が10ターンになれば、アンテナ高さは約2.5波長と高くなる。そこでαを変えた場合の先端部テーパー付ヘリカルの全長を算出した。比較条件としては、ヘリカルの利得約12dBiが得られる全長で比較しており、ターン数はαによって、異なる。
【0023】
この結果、α=2度で0.8波長であるが、α=7度で1.2波長、α=9度で1.5波長、α=13度で2.7波長となった。ヘリカル直径が約0.3波長であるため、高さ/直径の比が大きくなると、振動条件等の機械的条件が厳しくなる。この比を5程度に抑える必要があるとすれば、α=9度以下にしなくてはならない。
【0024】
よって、先端部テーパー付ヘリカルでは帯域幅とアンテナ高さの制約から、4<α<9に設定するのが妥当になる。通常のヘリカルが12<α<14度であることから考えると、低姿勢化を図れることがわかる。
【0025】
上記のようにワイヤ先端部をテーパーとすることにより、4<α<9度に設定するのが妥当な範囲である。又、例えば、αを通常の約半分であるα=7とした場合でも、ワイヤ先端部をテーパ形状とすることにより、図3から軸比の改善が図れ、例えばN2=3とした場合約1.5dBの軸比まで改善できる。よって、ワイヤ先端部をテーパ形状とすることにより、αを通常の約半分程度としても円偏波アンテナとして動作することが分かり、アンテナ高さの低姿勢化が図れる効果がある。
【0026】
実施の形態2.
図4はこの発明の実施の形態2を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナは一方向へ放射させるため、有限の地板1を必要とする。この地板1が小さくなると裏面への放射が増加し、利得が低下する。このため、利得を高くするためには、地板1を大きくする必要があるが、一般的に2波長程度の大きさになり、地板1の寸法が大きくなる問題がある。
【0027】
そこで、地板1の先端部に折り曲げたリム7を設けてキャビティ構造にする。このキャビティ構造にすることで、裏面への放射が低減され、地板の直径を小さくしても裏面への放射を低減できる。更にこのキャビティの大きさやを変えることやリム7の高さを変えることで利得を可変できる。
【0028】
地板1にリム7を設けてキャビティ構造にすることで地板1の直径を小さくしたままで高利得が得られ、且つリム7の高さを変えることで利得を可変できる効果がある。
【0029】
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3を示す概略構成図である。地板1の先端部のリム7を2重構造として2重のキャビティを構成したものであり、内側リム8と外側リム9で構成される。この2重構造のキャビティは底面では導通されており、2重構造のキャビティが構成される。
【0030】
この2重構造のキャビティの深さをLとすると、Lを約1/4波長にすることで、キャビティの上端部で電気的なオープンにできるため、チョークとして動作する。すなわち、キャビティの上端部で電界成分が小さくなるため、地板裏面への放射が低減される。ここでは、内側リム8と外側リム9の高さを同一にしたが、両者の高さをある程度変えても、チョークとして動作し、又、側面や裏面への放射レベルをコントロールできる。
【0031】
又、ここでは、円形キャビティとしたが、方形や6角形、楕円形、多角形のキャビティであっても2重構造とすることでチョークとして動作するため、形状には依存しない。更に2重キャビティとした例を示したが、3重、4重、多重のキャビティとすることで、よりチョークとしての機能を増すことができる。
【0032】
このようにキャビティを2重構成とチョークを構成することで裏面への放射を抑圧できる効果がある。
【0033】
実施の形態4.
図6はこの発明の実施の形態4を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナを2つ以上の複数個配列したヘリカルアレーを考える。ヘリカルアレー間の結合は一般的に大きいことが知られており、このヘリカル間の結合により、放射特性が劣化する。すなわち、結合による利得の低下や軸比の劣化である。この結合は特に給電部付近は流れる電流が強いため、ヘリカル給電部での結合が大きい。
【0034】
そこで、2つ並べたキャビティ間にチョークを構成する。
すなわち、各ヘリカルキャビティのリム10aと10bのの高さをLとすると、このLを約1/4波長にすることで、2つのキャビティを利用してチョークを構成する。これにより、2つのヘリカル間の結合を低減することができる。
【0035】
ここでは、2つのアレーの例を示したが、3つ以上の複数個であっても、同様なチョークを構成できる。又、6角型キャビティとしているが、四角形や多角形、円形、楕円形のキャビティであってもよい。
【0036】
ヘリカルキャビティ間にチョークを構成することでヘリカルアンテナ間の結合を低減できる効果がある。
【0037】
実施の形態5.
図7はこの発明の実施の形態5を示す概略構成図である。ヘリカルを2つ以上配列し、アレー化ヘリカルアンテナを2つ以上の複数個配列したヘリカルアレーを考える。2重構造のキャビティとし、内側のリム15aと外側のリム16aの形状を変える。内側のキャビティはヘリカルの放射特性に強く関与する。
【0038】
つまり、内側のキャビティの大きさと高さを変えると、利得及び軸比が変化するため、このキャビティ諸元を変えることで、ヘリカルの放射特性を可変できる。一方、外側のキャビティはリムの高さLを約1/4波長とすることで、ヘリカルキャビティ間にチョークを構成し、ヘリカルアンテナ間の結合を低減できる。
【0039】
ここでは、内側のキャビティ形状を楕円形、外側のキャビティ形状を6角形としたが、4角形、円形等であってもよくこの形状に限定されない。又、2つのアレーの例を示したが、3つ以上の複数アレーであってもよいことは言うまでもない。
【0040】
このように、内側キャビティと外側のキャビティの形状と諸元を独立に変えることで、ヘリカル放射特性の制御とヘリカルアンテナ間結合を調整できる効果がある。
【0041】
実施の形態6.
図8はこの発明の実施の形態6を示す概略構成図である。ヘリカルの更に低姿勢化を図るためにピッチ角αを4度以下のヘリカル導体17として、キャビティ18を設けたものである。
【0042】
ヘリカル単体としては、αを小さくすることで円偏波特性が劣化する。放射特性の改善のため、キャビティの直径及びリムの高さを制御して、キャビティアンテナを構成し、ヘリカルをその励振器として動作させるものである。アンテナ高の低姿勢化を図れるため、設置箇所の制約の影響を受け難く、又、アレー化した場合、アンテナ間の結合を低減できる。
【0043】
α<4度の小さなヘリカルをキャビティアンテナの励振器として用いることで、アンテナ高の低姿勢化を図ることができ又、アレー化した場合、結合を小さくできる効果がある。
【0044】
実施の形態7.
図9はこの発明の実施の形態7を示す概略構成図である。
20はヘリカル地板の下部にスカート部を設けたものである。ヘリカルの地板を小さくしていくと、裏面への放射が増加し、利得が低下する。
【0045】
すなわち、この実施例では、ブロードな放射パターンを有することを目的とする。地板1を円板とした場合、地板1のエッジでの散乱により放射パターンのリップルが生じたり、ヌルが発生する。ブロードな放射パターンで且つ広角方向の放射パターン形状を制御するために、地板下部に金属のスカート部を設け、このスカート部の高さ、開き角を調整することで、放射パターンを制御することができる。
【0046】
よって、地板下部にスカート部をつけることで、放射パターン形状を制御できる効果がある。
【0047】
実施の形態8.
図10はこの発明の実施の形態8を示す概略構成図である。
ヘリカルアンテナのインピーダンスは一般的に180オーム程度と高いため、50オーム線路とのインピーダンス整合を図るためには、インピーダンス変換部が必要である。このインピーダンス整合には、地板1とで形成される伝送線路3を用いることができる。
【0048】
すなわち、伝送線路のインピーダンスを変えることで、給電線路とヘリカルのインピーダンス整合を図るものである。しかし、ストレートの伝送線路3のみではその長さと幅の諸元に制約が生じ、必ずしもインピーダンス整合を図れるとは限らず、あるいは、伝送線路形状が複雑になったり、また、製造誤差によるバラツキ等の影響も発生する。
【0049】
そこで、伝送線路とヘリカル導体の接続部付近にスタブ21を設けるものである。このスタブはリアクタンス成分を有するため、このスタブ長を調整することでインピーダンス整合を図ることができる。又、スタブはヘリカルの外周にあるため容易にその長さを調整しやすく、製造誤差でインピーダンスのバラツキが生じても、組立て後にも容易にスタブ長を切断し調整することができる。
【0050】
よって、ヘリカルの直径外周にスタブを設け、スタブ長を調整することで容易にインピーダンス整合を図ることができ、且つ、製造によって生じるバラツキ誤差を容易に調整吸収できる効果がある。
【0051】
実施の形態9.
図11はこの発明の実施の形態9を示す概略構成図である。ヘリカルアンテナをアレー化した場合、アンテナ間の強い結合が生じ、その結合を低減する手段として、実施例4、5で示したようにキャビティ間に設けたチョーク構成がある。更にこの実施例では、ヘリカル間の結合位相を変えて、放射特性を調整するものである。各ヘリカルアンテナを独立に使用する場合、円偏波であるため、給電部を回転させても偏波特性は変わらない。
【0052】
結合位相を変えるために、給電部位置、すなわち、伝送線路3の長さ方向を、各ヘリカルによって変えるものである。これにより、結合位相が変わるため、特定周波数において、結合を低減したり、又、放射パターン形状を変えられると共に軸比の微調整ができる。この実施例では更に、給電部位置をランダムにすることも可能であり、ランダム化によって、特定の周波数での放射パターンの変形等を抑えることができる。
【0053】
ここでは、3個アレーの例を示したが、2つ以上のアレーであれば有効である。
【0054】
よって、給電部位置を各ヘリカルによって変えることで、ヘリカル間の結合位相を変えて、放射特性を調整することができる効果がある。
【0055】
【発明の効果】
この発明は以上説明したようにピッチ角を小さくし、先端部をテーパー状とすることで、円偏波の放射特性を維持したままでアンテナ高の低姿勢化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態1を示す概略構成図である。
【図2】ピッチ角αとターン数を変えた場合の軸比特性を示す図である。
【図3】テーパーターン数を変えた場合の軸比特性を示す図である。
【図4】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態2を示す概略構成図である。
【図5】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態3を示す概略構成図である。
【図6】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態4を示す概略構成図である。
【図7】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態5を示す概略構成図である。
【図8】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態6を示す概略構成図である。
【図9】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態7を示す概略構成図である。
【図10】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態8を示す概略構成図である。
【図11】この発明によるヘリカルアンテナの実施の形態9を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1 地板、 2 内導体、 3 伝送線路、 4 ワイヤ導体、 5 螺旋状ヘリカル導体、 6 テーパー状ヘリカル導体、 7 リム、 8 内側リム、 9 外側リム、 10 ヘリカルキャビティのリム、 11 給電コネクタ、 15 内側のリム、 16 外側のリム、 17 ヘリカル導体、 18 キャビティ、20 スカート部、 21 スタブ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an axial mode helical antenna that emits circularly polarized waves.
[0002]
[Prior art]
Helical antennas are widely used as antennas for radiating circularly polarized waves, such as antennas mounted on satellites and antennas for mobile communication terminals. As the helical spiral, there are one-wire, two-wire, and four-wire windings, and there are various excitation modes. As a basic configuration of a helical antenna, there is a helical antenna in which power is fed from one wire end of a single spiral wire and a spiral pitch angle is α, and several turns are wound at a constant pitch α. This configuration is an axial mode helical antenna. It is known that in order to efficiently radiate axial mode circularly polarized waves, it is necessary to set one circumference to about one wavelength and 12 degrees <α <14 degrees. (For example, see Non-Patent Document 1).
[0003]
[Non-patent document 1]
H. Nakano, Y .; Samada, and J.M. Yamauchi, "Axial Mode Helical Antennas", IEEE Trans. Antennas Propagagat. , Vol. AP-34, pp. 1144 1986.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to radiate circularly polarized waves with a good axial ratio and obtain high gain with a helical antenna, it is necessary to increase the number of helical turns. Therefore, compared with other circularly polarized antennas, there are problems that the antenna height is relatively high, the antenna volume is large, and the mechanical strength is weak.
[0005]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and to obtain a helical antenna with a reduced attitude.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A helical antenna according to the present invention includes a spirally wound first helical conductor having substantially the same diameter and a tapered spirally wound first helical conductor connected to one end of the first helical conductor. 2. A helical antenna comprising a helical conductor of No. 2 and a metal ground plate provided with a power supply connector, wherein the spirally wound helical conductor has a pitch angle α of 4 <α <9 and has the tapered shape. The number of turns of the spirally wound helical conductor is three or more.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration
There are various types of circularly polarized wave excitation antennas other than the helical antenna, but generally a separate feed circuit for circularly polarized wave excitation is required, which complicates the antenna configuration. The helical antenna does not particularly require a feed circuit for exciting circularly polarized waves, and thus has a feature that the antenna configuration can be extremely simplified.
[0008]
The helical antenna can excite circularly polarized waves by making a wire conductor constituting a helical spiral, and appropriately selecting the spiral wire specifications in a certain excitation mode so as to obtain a desired radiation pattern. The excitation mode changes with the diameter D of the helical antenna, the pitch angle α, and the number of turns N. An axial mode is a mode for radiating circularly polarized waves along the central axis of the helical antenna toward the tip.
[0009]
The axial mode antenna configuration will be described below.
A
[0010]
A line conductor is connected to the
[0011]
Assuming that the pitch angle is α, the
[0012]
At this time, an axial ratio of 1 dB or less and a gain of 12 dBi or more are obtained.
However, there is a problem that the antenna height becomes about 2 to 3 wavelengths, and the antenna height becomes high.
For this reason, there is a problem that the height of the mounting location is restricted as compared with other circularly polarized antennas. Further, since the diameter D is as small as about 0.3 wavelength as compared with the height, there is a problem in that it is weak in mechanical strength and vibration. In particular, in the case of an antenna mounted on a satellite, the vibration conditions are severe, and reinforcement of the strength leads to an increase in weight.
[0013]
As a means for lowering the attitude, it is conceivable to reduce the number of turns or reduce α. Reducing the number of turns decreases the gain and the axial ratio, so that the characteristics of the helical antenna deteriorate. On the other hand, when α is reduced, the gain does not decrease so much, but the axial ratio is extremely deteriorated.
[0014]
FIG. 2 shows the axial ratio characteristics when α is a parameter and the number of turns is changed. As typical examples of α, three examples of α = 4, 7, and 13 degrees are shown. In the case of α = 13 degrees, which is a normal pitch angle, the axial ratio has about 10 turns, and a good axial ratio characteristic of approximately 1 dB or less is obtained.
[0015]
On the other hand, when α is reduced to 7 degrees or 4 degrees, it is understood that the axial ratio characteristics are not so much improved even if the number of turns is increased. In other words, this indicates that the operating conditions of the circularly polarized antenna in the axial mode are deviated.
[0016]
As a method for improving this point, in the present embodiment, the wire conductor is connected to the
[0017]
Therefore, the reflection from the tip can be reduced by making the tip end smooth and tapered. This taper shape has conventionally been studied for widening the frequency characteristics in the axial mode of 12 degrees <α <14 degrees, but no improvement in the axial ratio characteristics when α is small has been studied. .
[0018]
FIG. 3 shows the axial ratio characteristics when the tip is tapered. This is an axial ratio characteristic when the number of turns N1 = 5 at the same radius is fixed and the number of turns N2 in a tapered shape is changed. Since α = 7 degrees, N2 = 0, that is, when there is no taper, the axial ratio characteristic is as bad as about 5 dB.
[0019]
However, it can be seen that the axial ratio is improved by increasing N2, and the axial ratio can be reduced to 1 dB or less when N2 = 4 turns. It is important to smooth this taper when α is small. When the normal angle is 12 degrees <α <14 degrees, the effect of improving the axial ratio by the taper is small. Even when there is no taper, an axial ratio of 1 dB or less can be achieved, and even if the number of turns is set to 1 turn or 2 turns, the improvement effect is small, and 2 turns are sufficient.
[0020]
However, when α is reduced (here, when 4 <α <9 as described below), the number of turns N2 of this tapered shape is effective as a means for improving the axial ratio, and more than 3 turns (3 turns in FIG. 3). If the axial ratio is set to 1.5 dB and the number of turns is increased to 4 or more, it is understood that a good result can be obtained with an axial ratio of about 1 dB.) That is, when α is small, the point of improving the axial ratio is to form a gentle taper shape of three turns or more.
[0021]
As a result of obtaining the frequency bandwidth (1 dB or less) of the axial ratio when α is changed by a helical having a tapered tip of the wire, about 1% is obtained when α = 2 degrees, less than 10% when α = 4 degrees, and α = The bandwidth increases as α increases to about 30% at 7 degrees and about 45% at α = 13 degrees. When considering an application for communication, a bandwidth of less than 10% is often required in consideration of a transmission / reception band. From this point, α needs to be 4 degrees or more.
[0022]
On the other hand, if α increases, the bandwidth increases, but the antenna height also increases. As a simple calculation, since the height of one turn is about tan (α) wavelength, when α = 13 degrees, one turn is about 4 wavelength. If the total length is 10 turns, the antenna height will be as high as about 2.5 wavelengths. Therefore, the total length of the helical with a tapered tip when α was changed was calculated. As a comparison condition, the comparison is made over the entire length at which a helical gain of about 12 dBi is obtained, and the number of turns differs depending on α.
[0023]
As a result, although 0.8 wavelength was obtained at α = 2 degrees, 1.2 wavelengths were obtained at α = 7 degrees, 1.5 wavelengths were obtained at α = 9 degrees, and 2.7 wavelengths were obtained at α = 13 degrees. Since the helical diameter is about 0.3 wavelength, when the height / diameter ratio increases, mechanical conditions such as vibration conditions become severe. If this ratio needs to be suppressed to about 5, it must be set to α = 9 degrees or less.
[0024]
Therefore, it is appropriate to set 4 <α <9 for a helical with a tapered tip portion due to restrictions on the bandwidth and the antenna height. Considering that the normal helical satisfies 12 <α <14 degrees, it can be understood that the attitude can be reduced.
[0025]
By making the tip of the wire tapered as described above, it is reasonable to set 4 <α <9 degrees. Further, for example, even when α is set to α = 7 which is about half of the normal value, the axial ratio can be improved from FIG. 3 by making the tip of the wire tapered. The axial ratio can be improved to 0.5 dB. Therefore, it can be understood that the tapered tip of the wire operates as a circularly polarized antenna even when α is set to about half of the normal value, and there is an effect that the height of the antenna can be reduced.
[0026]
FIG. 4 is a schematic configuration
The helical antenna needs a
[0027]
Therefore, a
[0028]
By providing the
[0029]
FIG. 5 is a schematic configuration
[0030]
Assuming that the depth of the double-structured cavity is L, by setting L to about 1/4 wavelength, the upper end of the cavity can be made electrically open, and thus operates as a choke. That is, since the electric field component is reduced at the upper end of the cavity, radiation to the back surface of the ground plane is reduced. Here, the heights of the
[0031]
Also, here, the circular cavity is used, but even a square, hexagonal, elliptical, or polygonal cavity operates as a choke by adopting a double structure, and thus does not depend on the shape. Although an example in which a double cavity is used has been described, the function as a choke can be further increased by using a triple, quadruple, or multiple cavity.
[0032]
By thus forming the cavity in the double configuration and the choke, there is an effect that radiation to the back surface can be suppressed.
[0033]
FIG. 6 is a schematic configuration
Consider a helical array in which two or more helical antennas are arranged. It is known that the coupling between the helical arrays is generally large, and the coupling between the helicals deteriorates the radiation characteristics. That is, the reduction of the gain and the deterioration of the axial ratio due to the coupling. This coupling has a large coupling in the helical power supply part because the current flowing particularly near the power supply part is strong.
[0034]
Therefore, a choke is formed between the two arranged cavities.
That is, assuming that the height of the
[0035]
Here, an example of two arrays has been described, but a similar choke can be formed with three or more arrays. In addition, although a hexagonal cavity is used, a square, polygonal, circular, or elliptical cavity may be used.
[0036]
By forming a choke between the helical cavities, there is an effect that the coupling between the helical antennas can be reduced.
[0037]
FIG. 7 is a schematic configuration
[0038]
That is, when the size and height of the inner cavity are changed, the gain and the axial ratio change. Therefore, by changing the cavity specifications, the helical radiation characteristics can be changed. On the other hand, by setting the height L of the rim to about 1/4 wavelength in the outer cavity, a choke is formed between the helical cavities, and the coupling between the helical antennas can be reduced.
[0039]
Here, the shape of the inner cavity is elliptical, and the shape of the outer cavity is hexagonal, but may be quadrangular, circular, or the like, and is not limited to this shape. Although an example of two arrays has been described, it goes without saying that three or more arrays may be used.
[0040]
As described above, by independently changing the shapes and specifications of the inner cavity and the outer cavity, it is possible to control the helical radiation characteristics and adjust the coupling between the helical antennas.
[0041]
FIG. 8 is a schematic configuration
[0042]
As a single helical, reducing α decreases the circular polarization characteristics. In order to improve the radiation characteristics, the diameter of the cavity and the height of the rim are controlled to form a cavity antenna, and the helical is operated as its exciter. Since the height of the antenna can be reduced, it is less likely to be affected by restrictions on the installation location, and when an array is used, coupling between antennas can be reduced.
[0043]
By using a small helical having α <4 degrees as the exciter for the cavity antenna, it is possible to reduce the height of the antenna and to reduce the coupling when an array is used.
[0044]
FIG. 9 is a schematic configuration
[0045]
That is, the purpose of this embodiment is to have a broad radiation pattern. When the
[0046]
Therefore, by providing a skirt portion below the main plate, there is an effect that the radiation pattern shape can be controlled.
[0047]
FIG. 10 is a schematic configuration
Since the impedance of a helical antenna is generally as high as about 180 ohms, an impedance converter is required to achieve impedance matching with a 50 ohm line. For this impedance matching, the
[0048]
That is, by changing the impedance of the transmission line, impedance matching between the feed line and the helical is achieved. However, the length and width of the
[0049]
Therefore, the
[0050]
Therefore, by providing a stub on the outer periphery of the helical diameter and adjusting the stub length, impedance matching can be easily achieved, and there is an effect that a variation error caused by manufacturing can be easily adjusted and absorbed.
[0051]
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a ninth embodiment of the present invention. When the helical antenna is arrayed, strong coupling between the antennas occurs, and as a means for reducing the coupling, there is a choke structure provided between the cavities as shown in the fourth and fifth embodiments. Further, in this embodiment, the radiation characteristics are adjusted by changing the coupling phase between the helices. When each helical antenna is used independently, since it is circularly polarized, the polarization characteristics do not change even if the feeding unit is rotated.
[0052]
In order to change the coupling phase, the position of the feeder, that is, the length direction of the
[0053]
Here, an example of three arrays has been described, but any two or more arrays are effective.
[0054]
Therefore, by changing the position of the power supply unit for each helical, there is an effect that the coupling phase between the helicals is changed and the radiation characteristics can be adjusted.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, the present invention makes it possible to reduce the antenna height while maintaining the circularly polarized wave radiation characteristics by reducing the pitch angle and making the tip portion tapered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration
FIG. 2 is a diagram showing axial ratio characteristics when a pitch angle α and the number of turns are changed.
FIG. 3 is a diagram showing an axial ratio characteristic when the number of taper turns is changed.
FIG. 4 is a schematic configuration
FIG. 5 is a schematic configuration
FIG. 6 is a schematic configuration
FIG. 7 is a schematic configuration
FIG. 8 is a schematic configuration
FIG. 9 is a schematic configuration
FIG. 10 is a schematic configuration
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a ninth embodiment of a helical antenna according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ground plane, 2 inner conductor, 3 transmission line, 4 wire conductor, 5 spiral helical conductor, 6 tapered helical conductor, 7 rim, 8 inner rim, 9 outer rim, 10 helical cavity rim, 11 power supply connector, 15 inner Rim, 16 outer rim, 17 helical conductor, 18 cavity, 20 skirt, 21 stub.
Claims (9)
上記第1のヘリカル導体の一端に接続されたテーパ形状を有する螺旋状に巻かれた第2のヘリカル導体と、
給電コネクタを設けた金属地板とで構成されるヘリカルアンテナであって、
上記螺旋状に巻かれたヘリカル導体のピッチ角αを4度<α<9度とし、
上記テーパ形状を有する螺旋状に巻かれたヘリカル導体のターン数を3ターン以上としたことを特徴とするヘリカルアンテナ。A helically wound first helical conductor having substantially the same diameter;
A helically wound second helical conductor having a tapered shape connected to one end of the first helical conductor;
A helical antenna composed of a metal ground plate provided with a power supply connector,
The pitch angle α of the spiral wound helical conductor is set to 4 degrees <α <9 degrees,
A helical antenna, wherein the spirally wound helical conductor having the tapered shape has three or more turns.
上記底面部の端縁に立設した立設部から成るキャビティが、他のヘリカルアンテナの立設部との間でチョークを構成したことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のヘリカルアンテナ。A helical array in which two or more helical arrays are arranged,
4. The cavity according to claim 1, wherein the cavity formed by the upright portion provided at the edge of the bottom portion forms a choke with the upright portion of another helical antenna. The helical antenna according to the paragraph.
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