JPS6055706A - 遠近両用送受信アンテナ - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は小型であり極めて高利得、高効率の特殊な形状
をもつ遠近両用送受信アンテナに関する。

このアンテナは送信および受傷モードで動作可能である
が、本明細誓に記載する好適な実施例では受信モーｙＶ
ｃ設定された状態について説明しており、これは特に例
えば衛星から送信された信号の受信に適したものである
ことが確認されている。

〔従来技術〕

例えば高周波（数ギガヘルツ）動作用の従来のアンテナ
の有する基本的な問題点は一般にそれが極めて大型であ
り利得が比較的低く、効率も低いということである。衛
星送受信アンテナのようなアンテナの分野での一般的な
ものはいわゆるパ２♂ラアンテナであってこれは極めて
大型であり且つ高価である。

〔発明の目的〕

本発明の目的はこれら従来のアンテナの有する原理上の
欠陥を大幅に解決することのできる新規な形状をもつア
ンテナを提供することである。

詳細に述べると、本発明の目的は比較的安価かつ極めて
小型であってその小型であることにより極めて高い利得
と高い効率（比：実際の利得／理論利得ｘ　ｉｏｏ　）
をもって動作することのできるアンテナを提供すること
である。

［発明の概要］ 本発明者はエマージン・アンド・カミンス（Ｆｉｋｎｍ
ｅｒａｏｎ　＆　Ｃｕｍｍ１ｎｓ　）から販売されてい
るＱ２００，５　［ポリペムコ（Ｐｏｌｙｐｅｍｅｏ　
）　Ｊと呼ばれる固体ポリスチレン材料の幾何的形状の
研究により、上記のごとき本発明の目的を容易に実現で
きることを知った。

この明細書では「遠赤」および「近赤」なる用語を用い
ているが、遠赤電磁輻射とは極めて遠距離にわたる輻射
であって波面が実質的に平面となるものであり、近赤輻
射とは例えば関連する動作周波数の十〜十波長内の極め
て近い目標に対してのものである。後者の場合には輻射
波面は厳密には非平面であり、特に極端な曲面となる。

本発明のアンテナは約４０ｄＢ　までの利得および約８
５％の高い効率で動作することができる。

不発明の一実施例によればこのアンテナは外側から見て
円盤形状をもつものである。このアンテナは３つの主た
る機能部分を含む回転体で形成されており、それらの部
分とは次のようなものである。

１、前面と後面の間にあって前面の外向き部分で遠赤レ
スポンスがそして後面に隣接した部分で逓昇レスポンス
が生じるようになった外向きに拡がりかつ内向きに収斂
する変換部分。

２、この変換部分と一体に接合されてこの変換部分に対
し定インピーダンス終端を与え、内側および外側の曲面
収斂がこの変換部分から離れる方向に生じるごとくなっ
た終端部分。

３、円筒状の外側および曲面をもって収斂する内側をも
ち、アンテナ全体を外ｓ１！気回路の選ばれた同軸ボー
トのインピーダンスと整合させるためのカップリングイ
ンピーダンス変成器部分。

更にこのアンテナは変換器と終端部分との間の界面、す
なわちこのアンテナの中央面にリング状の被駆動素子を
有している。このリングは細導体と変成器部分を通り前
述の形のポートに結合する。

このアンテナの半径方向外向きの外側面には４１１Ｌ性
の電磁／静電遮蔽が分布している。

〔発明の実施例〕

本発明の詳細な説明の前に、本発明のアンテナを適正に
構成するに必要な設計パラメータを定義する。これらＡ
ラメータをいかに使用するかについてはその後に説明す
る。

Ｋ＝にファクタ（定数）　＝０．９５６１ｆｏ＝選ばれ
た動作周波数 ｔａ＝設計動作周波数ヒ に λａ＝ｖ！（λａ＝空気中の波長、ｖａ＝空気中の伝播
ｄ 速度） λ１＝」（λ、＝アンテナ本体本体材料液長、■、＝ｄ その材料中の伝播速度） （Ｄｏ＝カンプリングボート内の外側同軸導体の内径、
Ｄ、＝カッシリングポート内の内側同軸導体の外径） λａ Ａ１＝＝ Ａ２＝０．１λ”ｘ Ａ、＝宝 （Ｋ、＝アンテナ本体材料の誘電定数、Ｋ、＝空気の誘
電定数） Ｒｉｃ、Ｉｔｏｅ、Ｒｉｔ、Ｒｏｔ、Ｒｉｔｒ、Ｒｏｔ
ｒ＝アンテナの対称軸からの半径方向距離 次に本発明の詳細な説明する。第１図および第４図にお
いて、１０は本発明の近赤／遠赤送受信アンテナを一般
的に示している。前述のようにアンテナ１０はここでは
受信モード動作用に外部回路１】（第１図）に結合する
ものとして示されている。

一般にアンテナ１０は３個の主本体部分からなり、夫々
の部分は回転体であり、それらすべてが組合さって一つ
の単位構造を形成する。これら３個の部分はアンテナの
前面１４と中央面１６との間の変換器部分１２と、中央
面１６とかで示す他の面との間の終端部分と面加とこの
アンテナの後面となる他の面ムとの間のカップリングイ
ンピーダンス変成器部分ｎである。面１４　、１６　、
２０　、２４は互いにほぼ平行でありアンテナの回転軸
謳に直交する。この回転軸はこのアンテナの送受信軸と
なる。

これら３個の部分を共通に種々の材料で形成できるが、
極めて適当である材料は前述の商品名「ホリヘムコＪ　
Ｑ２００．５として市販されているポリスチレンである
。

変換器部分１２の形状をみるに、それは外側および内側
回転面１２ｍと１２ｂを有する（第１図）。これら回転
面が軸部を含む任意の半径方向の面と交わるところ、例
えば第１，４図の面でこれらは第１．４図に示すような
曲線を描く。これら曲線は而１４と１６の間にある。こ
れら面を部分１２の前面および後面と呼ぶ。

第４図において面１６に関しその右側の角度をθ。

とすると、角度θ１は面１６において０°であり軸あに
沿って右方に増加する。

第１，４図のこれら面と交換器部分１２の内側の回転面
との交わりにより形成される線の曲率は次式で表わされ
る。

Ｒｉｃ　＝Ａ１ｃｏＢθ１ 但しＲｉｃ　（変換器部分の内側半径）は軸あからの上
記線の半径方向距離であり、Ａ１は前述のように定数で
ある。後述する理由により上記の余弦形の線は軸かに達
しないところまでとなっている。これを軸あまで伸ばす
とすると、この巌は点２８（第４図）のところで軸と交
わることになるが、点部はアンテナに対し十波長点とな
る。

部分１２の外側回転面との半径方向面の交差により生じ
るこの曲線は次式で表わされる。

Ｒｏｅ　＝Ａ２　ｓｅｃ　０１ 但しＲｏｅ（ｉ換器部分の外側半径）は軸謳からの線の
半径方向距離、Ａ２は定数である。

面１４内に限定されるアンテナの前面を点あで軸がと交
わる面内に置くことができるものとすれば部分１２の外
側回転向１２ａは無限となり、不都合である。この不都
合はアンテナの前面を軸かに沿って点あに近いがそれに
到らないようにし動作周波数とは無関係にアンテナの大
きさを合理的なものに維持することによつ℃解決される
。経験によれはこの前面を０１がほぼ８７°となる位置
に伸ばすと非常によいことがわかっている。これを第４
図に示している。

上述の２つの曲線を限定する２つの式をみると、定数Ａ
、は軸あから本体部分１２の内面内の線が軸１６と交わ
る点までの距離に等しいことがわかる。

同様に置数Ａ２は軸がから部分１２の外面内の線が面１
６と交わる点までの距離に等しい０次に同様にして終端
部分１８を考えると、第１．４図の面内に含まれるこの
部分の内側回転面１８ｂ（第１図）内の線は次式で表わ
される。

Ｒｉｔ　＝Ａ１ｃｏｓ　０２ 但しＲｉｔ（終端部分の内側半径）は軸届かものこの線
の半径方向の距離であり、θ２は面１６の位置を０度と
して第４図に示すように面１６の左側に測定した角度で
ある。

上述の部分１８内の上記線が軸あと交わるところまで伸
びるとすればそのような交わりは面１６に対して点あに
向う鏡像となる点３ｏ（第４図）で生じることになる。

点あと同様に点間ばこのアンテナに対して十波長点とな
る。しかしながらこの線はこの点までは伸びない。その
理由は後述のようにアンテナｌＯを前述の回路１１に対
する入力ポートに結合するためのアクセスを設ける必要
があるからである。

終端部分について更に述べると、第１．４図の面内に含
まれるこの部分の外側回転面１８ａ（第１図）内の線は
次式で表わされる。

Ｒｏｔ　＝Ａ２　ｃｏｓθ２ 但しＲｏｔ　（終端部分の外側半径）は軸がからのこの
線の半径方向距離である。

後述のように面間の位置まで伸びるそのような線は軸が
まで伸びるとすれば点間でその軸に交わることになる。

変換器部分１２の後面である前述の中央面１６はこの終
端部分１８の前面となる。云い換えると、面１６は部分
１２の後面と部分１８の前面との間の平面適合領域を限
定する。更に面１６は第４図に示すように点あと（資）
の中間にありその面内の点からの距離は面間と一致する
前面を有する変換器部分ｎを考えるに、この部分の内側
回転面２２ｂ（第１図）と第１．４図の面との間の交差
線は次式で表わされる。

Ｒｉｔｒ　＝Ａ１ｃｏｓ　ａ２ 但しＲｉｔｒ（変換器部分の内側半径）はこの線と軸あ
の間の半径方向距離である。

外側回転面２２ａ（第１図）と第１．４図の面との交わ
りにより生じる線は次式で表わされる。

聞ｔｒ　＝　Ａ５ 但しＲｏｔｒ（変換器部分の外側半径）は軸がとその線
との間の半径方向距離であり、Ａ３は定数であってその
計算については後述する。

これまで述べたアンテナ１００部分、すなわちこのアン
テナ内の主回転体（ポリスチレン）の設計について考え
てみる。そのため特に第１．４図を参照し前述の定義お
よび設計ノξラメータを参照する。

まず、このアンテナの所望の動作周波数ｆ。を選ぶ。高
周波アンテナにたずされる者には、動作周波数ｆ。をＫ
で割った値に等しい設計動作周波数ｆｄ　にもとづき計
算を行うが、このに因子が重要であることは明らかであ
る。不発明にもとづくアンテナを用いた実験により、ア
ンテナ１０のに因子は定義およびパラメータの説明の個
所で述べたように０．９５？３１に等しい。

この設計動作周波数を用いそして空気中およびそのアン
テナを形成するポリスチレン内での電磁輻射の伝播速度
を知れば、空気中およびポリスチレン中の対応する波長
λａとＡ１は定義に従ってそれぞれ計算できる。

このようにして決定される２つの波長を用いて同様にし
て定数Ａ、とＡ２が計算できる。

定数Ａ１とＡ２が得られれば変換器部分１２の設計は利
得についての下記の式を用いて可能となる。

但しに１　はアンテナ本体材料の誘電定数であり、Ｋａ
は空気の誘電定数である。

出力開口面積は面１６内に限定されており、下式％式％ （１） 人力開口面は面１４内にあって第１．４図における変換
器部分１２の右側で実際の面を構成する。

所望のそして容易に得られる代表的な利得は約３〜４　
ｄＢ　であり、これを用いると入力開口面積は容易に計
算できる。経験によればそのような利得の選択により第
１．４図の面１６の右側に約８７６のところにある面内
に入力開口が与えられることになる。またこれにより変
換器部分の全体の寸法小さ１よものとなる。

次に変成器部分２２の設計は回路１１に対する同軸ホー
ドにおいて整合されるべきインピーダンスによりき複る
。この例においては回路１１に対するポートは第１図で
３２で示されており、これはリング状の内側導体３６と
同じくリング状の外側導体間を同軸的に支持するプラス
チック、ｙ−ｐ３４内に形成されている。導体３６と詔
は同軸であり、軸３６のところに中心を有し℃おり、ゼ
ードあとそれに関連する回路ＩＪは図示のようにアンテ
ナの背面に適当に装着される。

ポート３２のような同軸ポートのインピーダンスの計算
方法は前述した通りであり、容易である。

本発明の装置のような一般的な同軸インピーダンスおよ
びポート３２を特徴づけるインピーダンスは５０オーム
である。後述するように変成器部分器の外径は導体あの
内径により実質的に決定されるものであり、従って前述
の定数Ａ３はり。／２　に等しい。これがきまるとアン
テナ部分１８とｎ間の界面領域を限定する面間の位置が
きまる。

面冴の位置における変成器部分ｎの内径は導体３６の外
径により実質的にきまるものであってり、／２に等しい
。

従っていかにして本発明のアンテナ１０の主部分を設計
すべきかは明らかである。

アンテナ１０の説明の最後に述べると、面１６において
アンテナ本体内に形成される環形のチャンネル内に装着
されているのはリング状の被駆動要素４０（第１．２図
）である。第２図に特に示すように、要素４０はほぼ完
全な円をなすリング部分４０ａを有し、これはその一端
において半径方向内向きに伸びるアーム部分４０ｂに接
続しており、アーム部分４０ｂは軸かのところでフィン
ガ一部分４０ｃに接続する。フィンガ一部分４０ｃはア
ンテナ内で軸部に沿って後方に伸びて第１図に示すよう
に導体３６の内側に直接に結合する。リング部分４０ａ
の長さはほぼＡ８に等しくまたその直径は定数Ａ１　に
等しい。

アンテナの本体の半径方向外面きの面１２ａ　、　１８
ａ　。

２２ａ上にはシールド装置である導電性層４２が適当に
形成されている。この導電性層４２は面別のところでポ
ート３２の導体路に接続する。

４　ＧＨｚを所望動作周波数として設計した本発明のア
ンテナにおいては、面１４における最大外径は約７６ｃ
７ａ（３０インチン、軸方向最大長さは約３．８０（１
，５インチ）にすきない。このアンテナは小型であるに
も拘らず約３０ｄＢ　の利得および約８８％の効率を示
すものである。

前述のように本実施例では受信モーＰについてのみ説明
したが、要素４０を輸射源により適当に駆動することに
よって送信モードでも動作することは明らかである。

而１４から面々へと軸あに沿ってアンテナ１０内にある
インピーダンス特性についてみると、面１４と１６の間
に伸びる領域においてはアンテナの見かけのインピーダ
ンスは非常に大きな値（無限値に近い）から約１２オー
ムまで曲線的に減少する。面１６と肋の間の領域ではは
は約１２オームで一定となる。

そして回加と冴の間では約１２オームからボート３２に
必要な犯オームまで曲線的に増加する。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、新規で小型であり、
且つ高利得、高効率のアンテナが実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による遠近両用送受信アンテナの一部を
断面で示した側面図、第２図は第１図の２−２線におけ
る断面図、第３図は第１図の３−３線における拡大断面
図、第４図は第１図の遠近両用送受信アンテナの上半分
を寸法および設計ノにラメータを含めて示す図である。 １０・・・アンテナ、１２・・・変換器部分、１４・・
・アンテナ前面、１６・・・アンテナ中央面、１８・・
・終端部分、η・・・カップリングインピーダンス変成
器部分、か・・・アンテナ回転軸、３２・・・アンテナ
ポート、詞・・・プラスチックデート、加、３８・・・
同軸導体、４２・・・シールド装置（導電性層）、４０
・・・被駆動要素。 １　、、＋４ ／ ＦＩＧ、　４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、送受信軸を有し、選択された波長の電磁輻射のため
   のアンテナであって、 前記軸に関して対称であり、かつ前記軸に対しほぼ直角
   となる前面および後面を境界とする回転体形状を有し、
   この回転体の内外面が前記前面と後面間に伸びるごとく
   形成されており；前記内面が前記軸の一方の側にのみあ
   る半径方向の面と交わるところで、Ｒｉｃを前記軸から
   の距離、Ａ１を選ばれた動作波長における空気中の輻射
   の伝播速度に関係する定数、θ１を前記後面から前記前
   面へとθ°から増加する角度として、Ｒｉｃ　＝　ＡＩ
   　ｃｏ＠θ１なる曲線を描き；また前記外面が前記半径
   方向の面と交わるところで、Ｒｏｃを前々軸からの距離
   、Ａ２を空気中および前記回転体を形成する材料内での
   前記選択された動作周波数における輻射の伝播速度とし
   て、Ｒｏｃ＝Ａ２ｓｅｃθ１なる曲線を描くとと（なっ
   た近界／遠界変換アンテナ部分と、 前記選択された波長にほぼ等しい公称周辺長さと、２Ａ
   １にほぼ等しい公称直径を有し、前記軸に関して位置対
   称に前記後面を占めるごと（なった、はぼ円形平坦リン
   グ状導電性被駆動要素と、 層として前記外面にほぼ分布され、前記選択された波長
   の輻射を通さないようにする電磁／静電シールド装置と を備えた遠近両用送受信アンテナ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の遠近両用送受信アンテ
   ナにおいて、前記変換アンテナ部分と同一の材料で形成
   されると共に、前記軸に関して対称で前記軸に直角で前
   記変換アンテナ部分において前記後面に一致する前面に
   より部分的に限定される回転体を有する近赤終端アンテ
   ナ部分を更に含み、この近赤終端アンテナ部分はその前
   記前面から後方に伸びる内側および外側の回転面を有し
   、この内側の回転面が前記半径方向の面と交わるところ
   で、θ２を前記一致する前面から後方に００　から増加
   する角度として、Ｒｉｔ　＝Ａ１　ｃｏｓ　１１２なる
   曲線を描き、前記終端アンテナ部分の前記外側の回転面
   の、前記半径方向の面と交わる点が、Ｒｏｔ　：＝　Ａ
   ２　ｃｏｓθ２なる曲線を描くごとくなったことを特徴
   とする遠近両用送受信アンテナ。 ３、特許請求の範囲第２項記載の遠近両用送受信アンテ
   ナにおいて、前記変換器および終端アンテナ部分と同一
   材料で形成されると共に前記軸に関し対称である回転体
   を有する結合インピーダンス変成器アンテナ部分を更に
   含み、前記軸に直角の前面により部分的に境界を形成す
   ると共に、前記終端アンテナ部分内の前記後面と連続す
   る同軸インピーダンスをもつ外部回路内の同軸ポートに
   結合しており、前記変成器アンテナ部分はその前記前面
   から後方に伸びる内側および外側の回転面を有し、この
   内側の回転面が前記半径方向の面と交わる点がＲｉ　ｔ
   ｒ　＝　Ａ１　ｃｏｓθ２なる曲線を描き、前記外側の
   回転面が上記半径方向の面と交わる点が、上記終端アン
   テナ部分の上記後面の角度位置を特徴づける角度θ２　
   においてＡ３＝勤ｔとして、Ｒｏｔｒ＝ｊＪなる直線を
   描くごとくなったことを特徴とする遠近両用送受信アン
   テナ。