反円偏波カールアンテナ

法政大学大学院理工学・工学研究科紀要
Vol.55(2014 年 3 月)
法政大学
反円偏波カールアンテナ
COUNTER CIRCULARLY-POLARIZED CURL ANTENNA
奥山 祐美子
Yumiko OKUYAMA
指導教員 中野 久松
法政大学大学院工学研究科情報電子工学専攻修士課程
A curl antenna as a circularly polarized (CP) antenna is discussed. The rotational sense of the CP
wave is determined by the winding direction of the curl; the curl radiates either a right-handed (RH) CP
wave or a left-handed (LH) CP wave. It is not possible for this simple curl to radiate an LH CP wave
within a specific frequency band and an RH CP wave within a different frequency band (dual-band
counter CP radiation). This paper discusses a new curl antenna that can enable dual-band counter CP
radiation.
Key Words : curl, dual-band, counter CP radiation
１．はじめに
いる. カールアームは 6 つの素辺で構成されている. こ
円偏波を放射するアンテナとしてカールアンテナが検
のアームは, 接地された誘電体基板 (比誘電率 r, 厚さ
討されてきた[1]. 偏波の回転方向はカールの巻方向によ
B) 上に印刷されている. 辺の長さを Li (1, 2, …, 6) と定
って決まるため, 1 つのアンテナでは右旋偏波か左旋偏
義する. メタスパイラルアンテナ[2]やメタループアンテ
波のどちらか一方しか放射することができない. すなわ
ナ[3]のように, このアンテナアームも多数のストリップ
ち従来のカールは, ある周波数帯では左旋円偏波を放射
片に分割されている. それぞれのストリップ片の長さを
し, 異なる周波数帯では右旋円偏波を放射する(二重反
p0, ギャップの長さを g とする. 長さ p = 2(p0 + g)
円偏波放射), ということは不可能であった. 本稿では,
の反復部分はセルと呼ばれる. セルの構造は図 1 (c) の
この二重反円偏波放射を可能にした新アンテナについて
ようになっている. セルには負の位相定数 (< 0) を得
議論する.
るため, キャパシタンス 2CZ およびインダクタンス LY
を使用している. なお, 2CZ および LY の値は文献[4]の
２．構造
方法に従って決定した.
図 1 は給電点を F としたカールアンテナを示して
z
y
Q
T
P
L3
Q
(b) 側面図

L2
2C Z
LY
T
GP y
L4
F
x
L1
L6
r
L5
GP
GP x
P
(c) ユニットセル
(b) 上面図
図 1 反円偏波カールアンテナ
３．放射特性
z 軸からのビーム偏向はあるが, 円偏波を使うほとんど
アームの終端 T には, メタカールが漏れ波アンテナと
のアプリケーションに著しく影響することはない. 周波
して動作するようにブロッホインピーダンス RB ≒ 80
数 fLGmax における半値幅 (HPBW) は周波数 fRGmax に
が接続されている. アンテナ外周 (AAPL = 4L5) が
おけるそれに比べて広い. これはメタループアンテナ[3]
1g になる周波数に近づくにつれて, + z 方向の放射は
と同様に, 電気的なアンテナサイズ (物理的アンテナサ
円偏波になる. この円偏波は 2 つの異なる周波数帯で
イズと動作空間波長の比) が fRGmax におけるそれに比
現れる. この事実は図 2 に示す利得の周波数特性を使
べて小さいためである. 図 4 に示されるように, 50 
って描画される. 左旋円偏波利得 GL は N 周波数付近
に 対 す る VSWR は 予 想 通 り , 周 波 数 fLGmax お よ び
にある周波数 fLGmax において最大値に達する. 一方, 右
fRGmax 周りにおいて 2 以下となっている.
旋円偏波利得 GR は H 周波数付近にある周波数
RC Z = 0 
RfRGmax
CZ = 0 
G
G
R
=
0.5
R
L

R
C
Z
C Z = 0.5 
において最大値に達する. 文献[2]で定義されるように,
{
{
RC Z = 1 
fLG m a x
fR G m a x
9
RC Z = 1 
周波数 fN および fH は電気的外周 (4L5 / g) が 1 に等
8
しくなるときの低域・高域の周波数である.
fN
VSWR 5 0 
7
fH
Gain (    ,    ) [dBi]
6
GL
GR
{
4
6
5
4
3
2
2
0
1
2.4
-2
2.6
2.8
-4
図 4
-6
f LG m a x
-8
2.4
2.6
3.0
3.2
3.4
Frequ ency [GH z]
3.6
3.8
4.0
VSWR の周波数特性
fR G m a x
４．結論
2.8
3.0
3.2
3.4
Frequ ency [G H z]
3.6
3.8
4.0
二重反円偏波アンテナとして, 新アンテナを提案した.
修士論文では, ストリップ片に装荷されているキャパシ
図 2 利得の周波数特性
タンスとインダンクタンスが持つ損失がアンテナ特性に
アンテナ構造は z 軸に対して対称にはなっていない.
与える影響を議論している[5]. 解析で使用された抵抗値
そのため放射パターンは z 軸に対して完全に対称には
RCZ, RLY は商業上入手できるキャパシタンスとインダ
ならない. 図 3 は周波数 fLGmax および fRGmax の放射パタ
クタンスに含まれる損失である.
ーンを示している.
ER
参考文献
EL
ER
z
EL
30 °
z

0°
60 °
90 ° x
60 °
90 °
90 ° y
ER
z
EL
30 °
60 °
30 °
30 °
90 °
90 ° x
Circularly-Polarized

0°
60 °
60 °
Low-profile
without
a
Metamaterial-based
Balun
Circuit,”
Spiral
Asia-Pacific
3) H. Nakano, K. Yoshida, J. Miyake, J. Yamauchi : “Counter
z

0°
“Simplified
Singapore, August 2012
(a) fLGmax = 2.675 GHz
EL
2) H. Nakano, J. Miyake, T. Sakurada, and J. Yamauchi :
Conference on Antennas and Propagation, pp. 63-64,
0 [dB]
0 [dB]
Propagat., vol. 41, no. 11, pp. 1570-1575, Nov. 1993
Antenna
-10
-10
ER
Yamauchi : “A curl antenna,” IEEE Trans. Antennas
30 °
60 °
60 °
90 °

0°
30 °
30 °
1) H. Nakano, S. Okuzawa, K. Ohishi, M. Mimaki, and J.
30 °
60 °
90 °
Loop
Antenna,”
2013
IEEE
International Symposium on Antennas and Propagation,
90 ° y
pp. 152-153, Orland, FL, USA, July, 2013
4) 三宅隼也 : “右左手系複合伝送線路,” 法政大学大学
院工学研究科紀要, vol. 54, 2013 年 3 月
-10
-10
0 [dB]
0 [dB]
(b) fRGmax = 3.625 GHz
図3
放射パターン
5) H. Nakano, Y. Okuyama, J. Miyake, J. Yamauchi :
“Counter Circularly-Polarized Curl Antenna with a Lossy
Structure,” 2013 IEEE International Symposium on
Antennas and Propagation, pp. 1068-1069, Orland, FL,
USA, July, 2013