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JP6860189B2 - Spherical helical antenna - Google Patents

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JP6860189B2 JP2016163943A JP2016163943A JP6860189B2 JP 6860189 B2 JP6860189 B2 JP 6860189B2 JP 2016163943 A JP2016163943 A JP 2016163943A JP 2016163943 A JP2016163943 A JP 2016163943A JP 6860189 B2 JP6860189 B2 JP 6860189B2
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Description

本発明は、球面ヘリカルアンテナに関する。 The present invention relates to a spherical helical antenna.

例えば船舶通信や衛星通信などのような様々な通信分野において、小型で性能の良いアンテナが求められている。 For example, in various communication fields such as ship communication and satellite communication, a small and high-performance antenna is required.

小型化が可能なアンテナの1つとして、球面ヘリカルアンテナが提案されている(非特許文献1、2)。球面ヘリカルアンテナは、導体が球面に沿って螺旋状に巻かれた形状のアンテナである。また、球面ヘリカルアンテナにおいて広い周波数帯域で使用可能とするための導体の巻き方が検討されている(非特許文献3)。 A spherical helical antenna has been proposed as one of the antennas that can be miniaturized (Non-Patent Documents 1 and 2). A spherical helical antenna is an antenna in which a conductor is spirally wound along a spherical surface. Further, a method of winding a conductor so that the spherical helical antenna can be used in a wide frequency band has been studied (Non-Patent Document 3).

Steven R. Best, “The Radiation Properties of Electrically Small Folded Spherical Helix Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 52, No. 4, pp. 953-960, April, 2004Steven R. Best, “The Radiation Properties of Electrically Small Folded Spherical Helix Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 52, No. 4, pp. 953-960, April, 2004 Steven R. Best, “Low Q Electrically Small Linear and Elliptical Polarized Spherical Dipole Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, No. 3, pp. 1047-1053, March, 2005Steven R. Best, “Low Q Electrically Small Linear and Elliptical Polarized Spherical Dipole Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, No. 3, pp. 1047-1053, March, 2005 Oleksiy S. Kim, “Minimum Q Electrically Small Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, No. 8, pp. 3551-3558, August, 2012Oleksiy S. Kim, “Minimum Q Electrically Small Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, No. 8, pp. 3551-3558, August, 2012

球面ヘリカルアンテナは、通常、螺旋状の導体の中点に給電点が設けられているが、給電点から見たインピーダンスが小さく、例えば50オームの特性インピーダンスに対して、インピーダンス整合を実現することが困難であった。 A spherical helical antenna is usually provided with a feeding point at the midpoint of a spiral conductor, but the impedance seen from the feeding point is small, and impedance matching can be realized with respect to a characteristic impedance of, for example, 50 ohms. It was difficult.

かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、インピーダンス整合を容易に実現することができる球面ヘリカルアンテナを提供することにある。 An object of the present invention made in view of such a point is to provide a spherical helical antenna capable of easily realizing impedance matching.

本発明に係る球面ヘリカルアンテナは、球面に沿った螺旋状の形状を有する第1の導体を備え、前記第1の導体は、中点からずれた位置に給電点を有する。 The spherical helical antenna according to the present invention includes a first conductor having a spiral shape along the spherical surface, and the first conductor has a feeding point at a position deviated from the midpoint.

また、本発明に係る球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第1の導体は、球体形状又は球殻形状の絶縁体に巻き付けられていることが好ましい。 Further, in the spherical helical antenna according to the present invention, it is preferable that the first conductor is wound around a spherical or spherical shell-shaped insulator.

また、本発明に係る球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第1の導体の球面上の位置は、前記球面を有する球の中心を原点とする球面座標系において、z軸の正の方向からの角度をθ、x軸の正の方向からの角度をφとして、下記の式(1)及び(2)によって表されることが好ましい。

Figure 0006860189
Figure 0006860189
ただし、式(2)において、Jθは自己共振時のθ方向の電流成分を示し、Jφは自己共振時のφ方向の電流成分を示す。 Further, in the spherical helical antenna according to the present invention, the position of the first conductor on the spherical surface is an angle θ from the positive direction of the z-axis in the spherical coordinate system having the center of the spherical surface as the origin. , The angle from the positive direction of the x-axis is φ, and it is preferably expressed by the following equations (1) and (2).
Figure 0006860189
Figure 0006860189
However, in the equation (2), J θ indicates the current component in the θ direction at the time of self-resonance, and Jφ indicates the current component in the φ direction at the time of self-resonance.

また、本発明に係る球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第1の導体が沿っている球面と同一の球面に沿った螺旋状の形状を有する第2の導体をさらに備え、前記第2の導体は開放状態であることが好ましい。なお、ここで、導体が「開放状態」であるとは、導体がいずれの位置においても他の導体と接続していない、且つ、導体の両端の端部が開放されている状態をいう。 Further, in the spherical helical antenna according to the present invention, a second conductor having a spiral shape along the same spherical surface as the spherical surface along which the first conductor is aligned is further provided, and the second conductor is in an open state. Is preferable. Here, the "open state" of the conductor means a state in which the conductor is not connected to another conductor at any position and both ends of the conductor are open.

また、本発明に係る球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第2の導体は複数本であり、前記第2の導体の各々は開放状態であることが好ましい。 Further, in the spherical helical antenna according to the present invention, it is preferable that the second conductor is a plurality of conductors and each of the second conductors is in an open state.

また、本発明に係る球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第1の導体が沿っている球面とは半径が異なる球面に沿った螺旋状の形状を有する第3の導体をさらに備え、前記第3の導体は開放状態であることが好ましい。 Further, the spherical helical antenna according to the present invention further includes a third conductor having a spiral shape along a spherical surface having a radius different from that of the spherical surface along which the first conductor is aligned, and the third conductor is It is preferably in an open state.

また、本発明に係る球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第3の導体は複数本であり、前記第3の導体の各々は開放状態であることが好ましい。 Further, in the spherical helical antenna according to the present invention, it is preferable that the third conductor is a plurality of conductors, and each of the third conductors is in an open state.

本発明によれば、インピーダンス整合を容易に実現することができる球面ヘリカルアンテナを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a spherical helical antenna that can easily realize impedance matching.

本発明の第1実施形態に係る球面ヘリカルアンテナを示す図である。It is a figure which shows the spherical helical antenna which concerns on 1st Embodiment of this invention. 球面座標系を示す図である。It is a figure which shows the spherical coordinate system. 球面ヘリカルアンテナの2種類の巻き方を対比する図である。It is a figure which contrasts two kinds of winding methods of a spherical helical antenna. 本発明の第2実施形態に係る球面ヘリカルアンテナを示す図である。It is a figure which shows the spherical helical antenna which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 各種アンテナ構成の放射効率を比較する図である。It is a figure which compares the radiation efficiency of various antenna configurations. アンテナサイズと給電点の位置との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the antenna size and the position of a feeding point. 図6のデータを示す表である。It is a table which shows the data of FIG. 本発明の第3実施形態に係る球面ヘリカルアンテナを示す図である。It is a figure which shows the spherical helical antenna which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ10を示す図である。球面ヘリカルアンテナ10は、導体(第1の導体)11を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a spherical helical antenna 10 according to the first embodiment of the present invention. The spherical helical antenna 10 includes a conductor (first conductor) 11.

導体11は、線状の導体である。導体11は、球面に沿って螺旋状に巻かれた形状である。図1は、x軸、y軸、z軸を有する直交座標系の原点を中心とする球の球面に沿って、導体11が螺旋状に巻かれている様子を示す。 The conductor 11 is a linear conductor. The conductor 11 has a shape spirally wound along a spherical surface. FIG. 1 shows a state in which the conductor 11 is spirally wound along a spherical surface of a sphere centered on the origin of a Cartesian coordinate system having an x-axis, a y-axis, and a z-axis.

導体11の長さは、球面ヘリカルアンテナ10が対象とする信号の波長に基づいて決定することができる。導体11の長さは、例えば、球面ヘリカルアンテナ10が対象とする信号の波長の2分の1程度である。導体11の長さを、球面ヘリカルアンテナ10が対象とする信号の波長の2分の1程度にすることにより、球面ヘリカルアンテナ10の放射効率を向上させることができる。 The length of the conductor 11 can be determined based on the wavelength of the signal targeted by the spherical helical antenna 10. The length of the conductor 11 is, for example, about half the wavelength of the signal targeted by the spherical helical antenna 10. By reducing the length of the conductor 11 to about half the wavelength of the signal targeted by the spherical helical antenna 10, the radiation efficiency of the spherical helical antenna 10 can be improved.

導体11が螺旋状に巻かれている球面の半径は、ユーザが球面ヘリカルアンテナ10に対して要求する小型化の程度などに応じて決定することができる。導体11の長さを同一とすると、球面の半径が大きい場合、導体11は球面に沿って疎に巻かれ、球面の半径が小さい場合、導体11は球面に沿って密に巻かれる。 The radius of the spherical surface around which the conductor 11 is spirally wound can be determined according to the degree of miniaturization required for the spherical helical antenna 10 by the user. Assuming that the lengths of the conductors 11 are the same, when the radius of the sphere is large, the conductor 11 is wound sparsely along the sphere, and when the radius of the sphere is small, the conductor 11 is wound densely along the sphere.

導体11は給電点12を有し、給電点12において、送信機又は受信機に接続される。給電点12は、導体11の中点からずれた位置に配置される。また、導体11の両側の端部は開放されている。ここで、導体11の「中点」とは、導体11の端部から、導体11に沿って導体11の半分の長さを進んだところに相当する、導体11上の位置である。 The conductor 11 has a feeding point 12 and is connected to a transmitter or a receiver at the feeding point 12. The feeding point 12 is arranged at a position deviated from the midpoint of the conductor 11. Further, the ends on both sides of the conductor 11 are open. Here, the "midpoint" of the conductor 11 is a position on the conductor 11 corresponding to a half length of the conductor 11 along the conductor 11 from the end portion of the conductor 11.

通常の球面ヘリカルアンテナにおいては、対称性の観点などから、給電点は導体の中点(図1に示す配置においては、x−y平面と導体との交点)に配置される。この配置の場合、インピーダンスが小さいため、インピーダンス整合を実現することは困難である。 In a normal spherical helical antenna, the feeding point is arranged at the midpoint of the conductor (in the arrangement shown in FIG. 1, the intersection of the xy plane and the conductor) from the viewpoint of symmetry and the like. In the case of this arrangement, impedance matching is difficult to achieve because the impedance is small.

これに対し、本実施形態に係る導体11は、導体11の中点からずれた位置に給電点12が配置される。この配置とすることにより、インピーダンスを大きくすることが可能となり、また、ずらし具合によってインピーダンスを所望の大きさに調整することができる。これにより、球面ヘリカルアンテナ10は、例えば50オームの特性インピーダンスに対しても、インピーダンス整合を容易に実現することができ、その結果、電力を効率的に伝送することができる。 On the other hand, in the conductor 11 according to the present embodiment, the feeding point 12 is arranged at a position deviated from the midpoint of the conductor 11. With this arrangement, the impedance can be increased, and the impedance can be adjusted to a desired size depending on the degree of shifting. As a result, the spherical helical antenna 10 can easily realize impedance matching even for a characteristic impedance of 50 ohms, for example, and as a result, electric power can be efficiently transmitted.

インピーダンス整合を実現するために、給電点12を中点からどの程度ずらせばよいかは、シミュレーションにより算出することができる。 How much the feeding point 12 should be shifted from the midpoint in order to realize impedance matching can be calculated by simulation.

給電点12を中点からどの程度ずらせば、インピーダンス整合を実現できるかのシミュレーション結果については後述する。 The simulation result of how much the feeding point 12 should be shifted from the midpoint to achieve impedance matching will be described later.

導体11は、螺旋状の形状を保持しやすくするため、球体形状又は球殻形状の絶縁体に巻き付けてもよい。絶縁体の材料としては、例えば、発泡スチロールなどのように、電気的特性が空気に近い材料が好適である。また、導体11は、絶縁体に巻き付けずに内部が空間であってもよい。 The conductor 11 may be wound around a spherical or spherical shell-shaped insulator in order to easily maintain the spiral shape. As the material of the insulator, a material having electrical characteristics close to that of air, such as Styrofoam, is preferable. Further, the conductor 11 may be a space inside without being wound around the insulator.

続いて、導体11の巻き方について説明する。導体11が半径Rの球面に沿って巻き付けられた形状である場合、導体11上の各点は、当該球面を有する球の中心を原点とする図2に示すような球面座標系によれば、θ、φにより特定することができる。ここで、θはz軸の正の方向からの角度であり、φはx軸の正の方向からの角度である。 Subsequently, how to wind the conductor 11 will be described. When the conductor 11 has a shape wound along a spherical surface having a radius R, each point on the conductor 11 has a spherical coordinate system as shown in FIG. 2 having the center of the sphere having the spherical surface as the origin. It can be specified by θ and φ. Here, θ is the angle from the positive direction of the z-axis, and φ is the angle from the positive direction of the x-axis.

例えば、非特許文献1及び2においては、下記の式(3)で表される関係により、導体11を、球面に沿って螺旋状に巻くことを提案している。

Figure 0006860189
ここで、式(3)において、Nは導体11の巻き数を示す。 For example, Non-Patent Documents 1 and 2 propose that the conductor 11 is spirally wound along a spherical surface according to the relationship represented by the following equation (3).
Figure 0006860189
Here, in the formula (3), N represents the number of turns of the conductor 11.

上記の式(3)による導体11の巻き方を、以後「ベスト型」とも称する。 The method of winding the conductor 11 according to the above formula (3) is also hereinafter referred to as a "best type".

また、例えば、非特許文献3においては、下記の式(4)、(5)で表される関係により、導体11を、球面に沿って螺旋状に巻くことを提案している。

Figure 0006860189
Figure 0006860189
ここで、式(5)において、Jθは自己共振時のθ方向の電流成分を示し、Jφは自己共振時のφ方向の電流成分を示す。 Further, for example, Non-Patent Document 3 proposes to spirally wind the conductor 11 along a spherical surface according to the relationship represented by the following equations (4) and (5).
Figure 0006860189
Figure 0006860189
Here, in the equation (5), J θ indicates the current component in the θ direction at the time of self-resonance, and Jφ indicates the current component in the φ direction at the time of self-resonance.

上記の式(4)、(5)による導体11の巻き方を、以後「キム型」とも称する。 The method of winding the conductor 11 according to the above equations (4) and (5) is also hereinafter referred to as "Kim type".

キム型の巻き方は、導体11を自己共振させるため、磁気エネルギーと電気エネルギーが等しくなるようにするための巻き方である。キム型の巻き方とすることにより、放射効率を向上させることができる。 The Kim-type winding method is a winding method for making the magnetic energy and the electric energy equal to each other in order to self-resonate the conductor 11. Radiation efficiency can be improved by using a Kim-shaped winding method.

図3に、ベスト型及びキム型による導体11の巻き方を示す。符号41で示す巻き方がベスト型の巻き方であり、符号51で示す巻き方がキム型の巻き方である。 FIG. 3 shows how to wind the conductor 11 by the best type and the Kim type. The winding method indicated by reference numeral 41 is the best type winding method, and the winding method indicated by reference numeral 51 is the Kim type winding method.

このように本実施形態によれば、導体11は、中点からずれた位置に給電点12を有する。これにより、インピーダンスを大きくすること、及び、インピーダンスを所望の大きさに調整することが可能となり、インピーダンス整合を容易に実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, the conductor 11 has the feeding point 12 at a position deviated from the midpoint. This makes it possible to increase the impedance and adjust the impedance to a desired size, and impedance matching can be easily realized.

また、導体11を、球体形状又は球殻形状の絶縁体に巻き付けることにより、導体11を固定することができる。 Further, the conductor 11 can be fixed by winding the conductor 11 around a spherical or spherical shell-shaped insulator.

また、導体11を、キム型の巻き方で巻くことにより、放射効率を向上させることができる。 Further, the radiation efficiency can be improved by winding the conductor 11 in a Kim-shaped winding method.

[第2実施形態]
図4は、本発明の第2実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ20を示す図である。球面ヘリカルアンテナ20は、導体11と、導体(第2の導体)21とを備えている。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a diagram showing a spherical helical antenna 20 according to a second embodiment of the present invention. The spherical helical antenna 20 includes a conductor 11 and a conductor (second conductor) 21.

第2実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ20は、第1実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ10に対し、導体21を追加した構成である。導体21を追加したこと以外は、第2実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ20は、第1実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ10と同様の構成であるため、適宜、説明を省略し、主に相違点について説明する。 The spherical helical antenna 20 according to the second embodiment has a configuration in which a conductor 21 is added to the spherical helical antenna 10 according to the first embodiment. Since the spherical helical antenna 20 according to the second embodiment has the same configuration as the spherical helical antenna 10 according to the first embodiment except that the conductor 21 is added, the description thereof is omitted as appropriate and mainly differences. Will be described.

導体21は、線状の導体である。導体21は、導体11と同じ長さを有している。導体21は、導体11と同一の螺旋形状であり、導体11と同一の球面に沿って巻かれている。 The conductor 21 is a linear conductor. The conductor 21 has the same length as the conductor 11. The conductor 21 has the same spiral shape as the conductor 11, and is wound along the same spherical surface as the conductor 11.

導体21は、導体11と短絡しないように、導体11とはずれた位置に配置されている。例えば、図4に示す例では、導体21は、導体11をz軸周りに180度回した位置に配置されている。 The conductor 21 is arranged at a position deviated from the conductor 11 so as not to be short-circuited with the conductor 11. For example, in the example shown in FIG. 4, the conductor 21 is arranged at a position where the conductor 11 is rotated 180 degrees around the z-axis.

導体21は、導体11とは異なり給電点を有していない。導体21は、開放状態であり、いずれの位置においても他の導体と接続せず、また、両側の端部が開放されている。 Unlike the conductor 11, the conductor 21 does not have a feeding point. The conductor 21 is in an open state, is not connected to another conductor at any position, and its ends on both sides are open.

導体21は、球体形状又は球殻形状の絶縁体に巻き付けることにより、固定することができる。 The conductor 21 can be fixed by winding it around a spherical or spherical shell-shaped insulator.

球面ヘリカルアンテナ20は、給電点12を有する導体11に追加して、開放状態の導体21を有することにより、放射効率を向上させることができる。 The spherical helical antenna 20 can improve the radiation efficiency by having the conductor 21 in an open state in addition to the conductor 11 having the feeding point 12.

なお、図4においては、開放状態の導体21を1本追加する構成を示したが、開放状態の導体21は複数本あってもよい。導体11と導体21とが全部でN本ある場合、例えば、z軸周りに360度/Nの角度でずらして、導体11及び導体21を配置することにより、導体11と導体21との短絡、及び、導体21同士の短絡を防ぐことができる。 Although FIG. 4 shows a configuration in which one conductor 21 in the open state is added, there may be a plurality of conductors 21 in the open state. When there are N conductors 11 and 21 in total, for example, by arranging the conductors 11 and 21 at an angle of 360 degrees / N around the z-axis, the conductors 11 and 21 are short-circuited. In addition, short circuits between the conductors 21 can be prevented.

図5に、放射効率のアンテナサイズkRへの依存性のシミュレーション結果を示す。ここで、アンテナサイズkRは、波数kと、球面の半径Rとの積であり、波数kは、アンテナが対象としている信号の波長をλとすると、k=2π/λで表される。 FIG. 5 shows a simulation result of the dependence of radiation efficiency on the antenna size kR. Here, the antenna size kR is the product of the wave number k and the radius R of the spherical surface, and the wave number k is represented by k = 2π / λ, where λ is the wavelength of the signal targeted by the antenna.

図5は、球面アンテナの理論値と、キム型のアンテナで導体が1本、2本、4本の場合のシミュレーション結果と、ベスト型のアンテナで導体が1本の場合のシミュレーション結果とを示す。ここで導体の本数とは、導体11と導体21を合わせた本数のことを意味する。 FIG. 5 shows the theoretical value of the spherical antenna, the simulation result when the Kim type antenna has one, two, and four conductors, and the simulation result when the best type antenna has one conductor. .. Here, the number of conductors means the total number of conductors 11 and 21.

図5に示すように、導体が1本の場合で比較すると、キム型の方がベスト型よりも放射効率が高い。また、キム型においては、導体の本数が多くなると放射効率が高くなり、球面アンテナの理論値に近づく。 As shown in FIG. 5, when comparing the case of one conductor, the Kim type has higher radiation efficiency than the best type. Further, in the Kim type, as the number of conductors increases, the radiation efficiency increases, which approaches the theoretical value of the spherical antenna.

なお、球面アンテナの理論値とは、球面全体を導体とした場合の放射効率の値である。導体の本数を増やすことは、球面が導体で覆われる面積が増え、球面全体が導体である状態に近づく方向であるため、放射効率が球面アンテナの理論値に近づくと考えられる。 The theoretical value of the spherical antenna is a value of radiation efficiency when the entire spherical surface is used as a conductor. Increasing the number of conductors is considered to bring the radiation efficiency closer to the theoretical value of the spherical antenna because the area where the spherical surface is covered with the conductors increases and the entire spherical surface approaches the state of being conductors.

このように本実施形態によれば、球面ヘリカルアンテナ20は、導体11と同一の球面上に開放状態の導体21をさらに備える。これにより、放射効率を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the spherical helical antenna 20 further includes an open conductor 21 on the same spherical surface as the conductor 11. Thereby, the radiation efficiency can be improved.

[給電点の位置のシミュレーション結果]
図6は、給電点12の位置のシミュレーション結果を示す図である。横軸はアンテナサイズkRであり、縦軸は、給電点12の位置におけるz軸の正の方向からの角度θである(角度θについては図2参照)。θ=90度の場合は、給電点12が導体11の中点にあることを意味し、θが小さくなる程、給電点12の中点からのずれが大きくなることを意味する。
[Simulation result of feeding point position]
FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of the position of the feeding point 12. The horizontal axis is the antenna size kR, and the vertical axis is the angle θ from the positive direction of the z-axis at the position of the feeding point 12 (see FIG. 2 for the angle θ). When θ = 90 degrees, it means that the feeding point 12 is at the midpoint of the conductor 11, and the smaller the θ, the larger the deviation from the midpoint of the feeding point 12.

図6は、通常用いられる50オームの特性インピーダンスに対してインピーダンス整合を実現する場合の給電点12の位置のシミュレーション結果である。図6には、導体が1本の場合と2本の場合の結果を示す。なお、導体の本数は、図5の場合と同様に、導体11と導体21を合わせた本数のことを意味する。 FIG. 6 is a simulation result of the position of the feeding point 12 when impedance matching is realized with respect to the characteristic impedance of 50 ohms which is usually used. FIG. 6 shows the results when there is one conductor and when there are two conductors. The number of conductors means the total number of conductors 11 and 21 as in the case of FIG.

図6に示すように、アンテナサイズkRを小さくすると、θが小さくなる。すなわち、アンテナサイズkRを小さくして球面ヘリカルアンテナを小型化しようとすると、給電点12の中点からのずれは大きくなる。 As shown in FIG. 6, when the antenna size kR is reduced, θ becomes smaller. That is, if the antenna size kR is reduced to reduce the size of the spherical helical antenna, the deviation from the midpoint of the feeding point 12 becomes large.

また、図6に示すように、導体が2本の場合よりも、導体が1本の場合の方が、θが小さい。すなわち、導体が2本の場合よりも、導体が1本の場合の方が、給電点12の中点からのずれは大きい。 Further, as shown in FIG. 6, θ is smaller in the case of one conductor than in the case of two conductors. That is, the deviation from the midpoint of the feeding point 12 is larger when there is one conductor than when there are two conductors.

図7は、図6のグラフに示したデータを示す表である。 FIG. 7 is a table showing the data shown in the graph of FIG.

図6及び図7に示すように、インピーダンス整合を実現しつつ、アンテナサイズkRを小さくして球面ヘリカルアンテナを小型化するためには、θを小さくすること、すなわち、給電点12の中点からのずれを大きくすることが好適である。 As shown in FIGS. 6 and 7, in order to reduce the antenna size kR and reduce the size of the spherical helical antenna while achieving impedance matching, it is necessary to reduce θ, that is, from the midpoint of the feeding point 12. It is preferable to increase the deviation of the antenna.

例えば、導体が1本の場合、給電点12の位置は、θが31度以下程度であることが好適である。これにより、球面ヘリカルアンテナのアンテナサイズkRを0.4以下程度とすることができる。また、より好ましくは、θが25度以下程度であることが好適である。これにより、球面ヘリカルアンテナのアンテナサイズkRを0.3以下程度とすることができる。また、さらに好ましくは、θが22度以下程度であることが好適である。これにより、球面ヘリカルアンテナのアンテナサイズkRを0.2以下程度とすることができる。 For example, when there is only one conductor, the position of the feeding point 12 is preferably such that θ is about 31 degrees or less. As a result, the antenna size kR of the spherical helical antenna can be set to about 0.4 or less. Further, more preferably, θ is about 25 degrees or less. As a result, the antenna size kR of the spherical helical antenna can be set to about 0.3 or less. Further, more preferably, θ is about 22 degrees or less. As a result, the antenna size kR of the spherical helical antenna can be set to about 0.2 or less.

また、例えば、導体が2本の場合、給電点12の位置は、θが62度以下程度であることが好適である。これにより、球面ヘリカルアンテナのアンテナサイズkRを0.4以下程度とすることができる。また、より好ましくは、θが48度以下程度であることが好適である。これにより、球面ヘリカルアンテナのアンテナサイズkRを0.3以下程度とすることができる。また、さらに好ましくは、θが38度以下程度であることが好適である。これにより、球面ヘリカルアンテナのアンテナサイズkRを0.2以下程度とすることができる。 Further, for example, when there are two conductors, the position of the feeding point 12 is preferably such that θ is about 62 degrees or less. As a result, the antenna size kR of the spherical helical antenna can be set to about 0.4 or less. Further, more preferably, θ is about 48 degrees or less. As a result, the antenna size kR of the spherical helical antenna can be set to about 0.3 or less. Further, more preferably, θ is about 38 degrees or less. As a result, the antenna size kR of the spherical helical antenna can be set to about 0.2 or less.

なお、通常用いられる特性インピーダンスとして、50オームよりも大きい値、例えば75オームなどもある。75オームなどのような、50オームよりも大きい特性インピーダンスに対してインピーダンス整合をする場合、θの値は、50オームに対してインピーダンス整合する場合よりも小さい値になる。 As the characteristic impedance that is usually used, there is a value larger than 50 ohms, for example, 75 ohms. When impedance matching is performed on a characteristic impedance larger than 50 ohms, such as 75 ohms, the value of θ is smaller than when impedance matching is performed on 50 ohms.

[第3実施形態]
図8は、本発明の第3実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ30を示す図である。球面ヘリカルアンテナ30は、導体11と、導体(第3の導体)31とを備えている。
[Third Embodiment]
FIG. 8 is a diagram showing a spherical helical antenna 30 according to a third embodiment of the present invention. The spherical helical antenna 30 includes a conductor 11 and a conductor (third conductor) 31.

第3実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ30は、第1実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ10に対し、導体31を追加した構成である。導体31を追加したこと以外は、第3実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ30は、第1実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ10と同様の構成であるため、適宜、説明を省略し、主に相違点について説明する。 The spherical helical antenna 30 according to the third embodiment has a configuration in which a conductor 31 is added to the spherical helical antenna 10 according to the first embodiment. Since the spherical helical antenna 30 according to the third embodiment has the same configuration as the spherical helical antenna 10 according to the first embodiment except that the conductor 31 is added, the description thereof is omitted as appropriate and mainly differences. Will be described.

導体31は、線状の導体である。導体31は、導体11と同程度の長さを有している。導体31は、図8に示すように、導体11が沿っている球面と同心で、かつ、導体11が沿っている球面よりも小さい半径の球面に沿って螺旋状に巻かれている形状である。なお、導体31は、導体11が沿っている球面と同心で、かつ、導体11が沿っている球面よりも大きい半径の球面に沿って螺旋状に巻かれている形状であってもよい。 The conductor 31 is a linear conductor. The conductor 31 has a length similar to that of the conductor 11. As shown in FIG. 8, the conductor 31 has a shape that is concentric with the spherical surface along which the conductor 11 runs and is spirally wound along a spherical surface having a radius smaller than the spherical surface along which the conductor 11 runs. .. The conductor 31 may have a shape that is concentric with the spherical surface along which the conductor 11 runs and is spirally wound along a spherical surface having a radius larger than that of the spherical surface along which the conductor 11 runs.

導体31は、上述のように、導体11が沿っている球面と同心で半径が異なる球面に沿って巻かれているため、導体11とは短絡しない。なお、導体31が沿っている球面は、必ずしも導体11が沿っている球面と同心でなくてもよく、導体11が沿っている球面と交わらない構成であればよい。 As described above, the conductor 31 is wound along a spherical surface that is concentric with the spherical surface along which the conductor 11 is aligned and has a different radius, so that the conductor 31 is not short-circuited with the conductor 11. The spherical surface along which the conductor 31 is aligned does not necessarily have to be concentric with the spherical surface along which the conductor 11 is aligned, and may be configured so as not to intersect the spherical surface along which the conductor 11 is aligned.

導体31は、導体11とは異なり給電点を有していない。導体31は、開放状態であり、いずれの位置においても他の導体と接続せず、また、両側の端部が開放されている。 Unlike the conductor 11, the conductor 31 does not have a feeding point. The conductor 31 is in an open state, is not connected to another conductor at any position, and has open ends on both sides.

導体11及び導体31は、導体11及び導体31が沿っている球面の半径がそれぞれR1及びR2(R1>R2)であるとすると、半径R2の球体形状の絶縁体に導体31を巻き付け、その外側を厚みがR1−R2の球殻形状の絶縁体で覆い、その球殻形状の絶縁体に導体11を巻き付けることにより、固定することができる。なお、半径R2の球体形状の絶縁体は、球体形状ではなく、中心部分がくり抜かれた球殻形状であってもよい。 Assuming that the radius of the spherical surface along which the conductor 11 and the conductor 31 are aligned is R1 and R2 (R1> R2), respectively, the conductor 11 and the conductor 31 are wound around a spherical insulator having a radius R2, and the outside of the conductor 31 Is covered with a spherical shell-shaped insulator having a thickness of R1-R2, and the conductor 11 is wound around the spherical shell-shaped insulator to fix the conductor 11. The spherical insulator having a radius R2 may not have a spherical shape but may have a spherical shell shape with a hollowed-out central portion.

球面ヘリカルアンテナ30は、給電点12を有する導体11に追加して、開放状態の導体31を有することにより、放射効率を向上させることができる。 The spherical helical antenna 30 can improve the radiation efficiency by having the conductor 31 in an open state in addition to the conductor 11 having the feeding point 12.

下記条件で放射効率のシミュレーションを実施した。
<シミュレーション条件>
外球半径(R1):40mm
内球半径(R2):36mm
導体11及び導体31の直径:1mm
外球のγ:0.17
内球のγ:0.15
A simulation of radiation efficiency was carried out under the following conditions.
<Simulation conditions>
Outer sphere radius (R1): 40 mm
Inner sphere radius (R2): 36 mm
Diameter of conductor 11 and conductor 31: 1 mm
Outer sphere γ: 0.17
Inner sphere γ: 0.15

この結果を、第1実施形態(外球に沿って巻いた導体11のみを有する)と、第3実施形態(内球に沿って巻いた導体31と、外球に沿って巻いた導体11とを有する)とで比較したところ以下のようになった。
<シミュレーション結果>
第1実施形態の放射効率: 84.85%(243.64MHz)
第3実施形態の放射効率: 91.3%(249.42MHz)
This result is shown in the first embodiment (having only the conductor 11 wound along the outer sphere), the third embodiment (the conductor 31 wound along the inner sphere, and the conductor 11 wound along the outer sphere). As a result of comparison with (having), it became as follows.
<Simulation result>
Radiation efficiency of the first embodiment: 84.85% (243.64 MHz)
Radiation efficiency of the third embodiment: 91.3% (249.42 MHz)

このように、245MHz程度と同程度の周波数において、内球に沿った導体31を有する第3実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ30は、第1実施形態に係る球面ヘリカルアンテナ10よりも放射効率が向上する。 As described above, the spherical helical antenna 30 according to the third embodiment having the conductor 31 along the inner sphere at a frequency of about 245 MHz has improved radiation efficiency as compared with the spherical helical antenna 10 according to the first embodiment. To do.

なお、本実施形態においては、導体31が1本である例を説明したが、開放状態の導体31は複数本あってもよい。その場合は、第2実施形態と同様にして、複数本の導体31をずらして配置すればよい。また、導体11が沿っている球面(本実施形態では外球に沿った球面)には、第2実施形態と同様に、導体11に追加して、開放状態の導体21があってもよい。さらに、導体11が沿っている球面とは半径が異なる複数の球面のそれぞれに沿って、開放状態の1本又は複数本の導体31があってもよい。 In the present embodiment, the example in which the number of conductors 31 is one has been described, but there may be a plurality of conductors 31 in the open state. In that case, the plurality of conductors 31 may be staggered and arranged in the same manner as in the second embodiment. Further, the spherical surface along which the conductor 11 is aligned (in the present embodiment, the spherical surface along the outer sphere) may have a conductor 21 in an open state in addition to the conductor 11 as in the second embodiment. Further, there may be one or a plurality of conductors 31 in an open state along each of a plurality of spherical surfaces having radii different from the spherical surface along which the conductor 11 is aligned.

このように本実施形態によれば、球面ヘリカルアンテナ30は、導体11が沿っている球面とは半径が異なる球面上に開放状態の導体31をさらに備える。これにより、放射効率を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the spherical helical antenna 30 further includes an open conductor 31 on a spherical surface having a radius different from that of the spherical surface along which the conductor 11 is aligned. Thereby, the radiation efficiency can be improved.

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。 Although the present invention has been described with reference to the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these modifications and modifications are included in the scope of the present invention.

10、20、30 球面ヘリカルアンテナ
11 導体(第1の導体)
12 給電点
21 導体(第2の導体)
31 導体(第3の導体)
41 導体(ベスト型)
51 導体(キム型)
10, 20, 30 Spherical helical antenna 11 conductor (first conductor)
12 Feeding point 21 Conductor (second conductor)
31 conductor (third conductor)
41 Conductor (best type)
51 Conductor (Kim type)

Claims (7)

球面ヘリカルアンテナであって、
球面に沿った螺旋状の形状を有する第1の導体を備え、
前記第1の導体は、中点からずれた位置に給電点を有し、
前記中点からずれた位置は、前記球面ヘリカルアンテナのインピーダンスを所望の大きさに調整する位置である、球面ヘリカルアンテナ。
It is a spherical helical antenna
It has a first conductor with a spiral shape along a spherical surface,
Said first conductor, have a feeding point at a position deviated from the midpoint,
The position deviated from the midpoint is a position for adjusting the impedance of the spherical helical antenna to a desired size, which is a spherical helical antenna.
請求項1に記載の球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第1の導体は、球体形状又は球殻形状の絶縁体に巻き付けられている、球面ヘリカルアンテナ。 The spherical helical antenna according to claim 1, wherein the first conductor is wound around a spherical or spherical shell-shaped insulator. 請求項1又は2に記載の球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第1の導体の球面上の位置は、前記球面を有する球の中心を原点とする球面座標系において、z軸の正の方向からの角度をθ、x軸の正の方向からの角度をφとして、下記の式(1)及び(2)によって表される、球面ヘリカルアンテナ。
Figure 0006860189
Figure 0006860189
ただし、式(2)において、Jθは自己共振時のθ方向の電流成分を示し、Jφは自己共振時のφ方向の電流成分を示す。
In the spherical helical antenna according to claim 1 or 2, the position of the first conductor on the spherical surface is an angle from the positive direction of the z-axis in the spherical coordinate system having the center of the spherical surface as the origin. A spherical helical antenna represented by the following equations (1) and (2), where θ is θ and the angle from the positive direction of the x-axis is φ.
Figure 0006860189
Figure 0006860189
However, in the equation (2), J θ indicates the current component in the θ direction at the time of self-resonance, and Jφ indicates the current component in the φ direction at the time of self-resonance.
請求項1から3のいずれか一項に記載の球面ヘリカルアンテナにおいて、
前記第1の導体が沿っている球面と同一の球面に沿った螺旋状の形状を有する第2の導体をさらに備え、
前記第2の導体は開放状態である、球面ヘリカルアンテナ。
In the spherical helical antenna according to any one of claims 1 to 3.
Further comprising a second conductor having a spiral shape along the same spherical surface as the spherical surface along which the first conductor is aligned.
A spherical helical antenna in which the second conductor is in an open state.
請求項4に記載の球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第2の導体は複数本であり、前記第2の導体の各々は開放状態である、球面ヘリカルアンテナ。 The spherical helical antenna according to claim 4, wherein the second conductor is a plurality of pieces, and each of the second conductors is in an open state. 請求項1から5のいずれか一項に記載の球面ヘリカルアンテナにおいて、
前記第1の導体が沿っている球面とは半径が異なる球面に沿った螺旋状の形状を有する第3の導体をさらに備え、
前記第3の導体は開放状態である、球面ヘリカルアンテナ。
The spherical helical antenna according to any one of claims 1 to 5.
Further comprising a third conductor having a spiral shape along a spherical surface having a radius different from that of the spherical surface along which the first conductor is aligned.
A spherical helical antenna in which the third conductor is in an open state.
請求項6に記載の球面ヘリカルアンテナにおいて、前記第3の導体は複数本であり、前記第3の導体の各々は開放状態である、球面ヘリカルアンテナ。 The spherical helical antenna according to claim 6, wherein the third conductor is a plurality of pieces, and each of the third conductors is in an open state.
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