スパイラルアンテナ

スパイラルアンテナは、らせん状の形状をした無線周波数 アンテナの一種で、^{[1] : 14‑2} 1956 年に初めて説明されました。^[2]アルキメデスのスパイラルアンテナが最も一般的ですが、対数スパイラルアンテナは周波数に依存せず、^[3]このようなアンテナの駆動点インピーダンス、放射パターン、偏波は、広い帯域幅にわたって変化しません。^[4]スパイラルアンテナは、本質的に円偏波で利得が低いため、アンテナアレイを使用して利得を増やすことができます。 スパイラルアンテナは、巻き線によってサイズが縮小され、非常に小さな構造になっています。このようなアンテナでは一方向性パターンが通常好まれるため、通常は背面に損失のある空洞^{[5]を配置してバックローブを除去します。 スパイラルアンテナは、アルキメデスのスパイラル、対数スパイラル、}正方形スパイラルなどの さまざまな構成に分類されます。

一般に、アンテナは進行波、高速波、漏洩波の 3 つの異なるモードで動作します。スパイラル アンテナはこれら 3 つすべてを使用します。

螺旋状の腕に形成される進行波により、広帯域の性能が可能になります。高速波は、螺旋状の腕の間で発生する相互結合現象によるものです。漏洩波は、螺旋状の腕を伝搬する間にエネルギーを「漏洩」させて放射を生成します。

リング理論（バンド理論）はスパイラルアンテナの動作原理を説明する。この理論によれば、スパイラルアンテナは、スパイラルの円周が波長に等しい活性領域から放射する。 ^[6]

正方形スパイラル アンテナを設計する際には、さまざまな設計パラメータを考慮する必要があります。パラメータには、巻き線間の間隔、アームの幅、内側半径、外側半径が含まれます。内側半径は、スパイラルの中心から最初の巻き線の中心まで測定され、外側半径は、スパイラルの中心から最も外側の巻き線の中心まで測定されます。これらの設計パラメータ以外に、スパイラル アンテナには最低 (および最高動作周波数があります。ここで、 はアンテナの金属内の光速に対応し、主にスパイラルが配置されている基板の誘電率とそのオーバーコーティング (ある場合) によって決まります。 ${\displaystyle s}$${\displaystyle w}$${\displaystyle r_{1}}$${\displaystyle r_{2}}$${\displaystyle f_{\text{low}}=c/2\pi r_{2})}$${\displaystyle (f_{\text{high}}=c/2\pi r_{1})}$${\displaystyle c\leq 299.79{\text{ Mm/s}}=c_{0}}$

極座標系では、螺旋は- 軸と- 軸に沿って同時に成長します。よく使用されるアルケメディアン螺旋は、特に単純な方程式を満たします。ここで、 は成長係数に対応し、は乗算係数に対応します。その結果、連続するターン間の間隔が等しくなり、これにより、通常一定に保たれる螺旋の腕の幅が制限されます。を満たす対数螺旋など、他の螺旋形状を選択することもできます。これにより、結果として得られる螺旋の腕は外側のターンでより広く間隔が空くため、大幅に広がる腕をより適切に収容できます。 ${\displaystyle (r,\theta )}$${\displaystyle r}$${\displaystyle \theta}$${\displaystyle r=a+b\,\theta }$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$${\displaystyle r=a+b\,e^{m\theta}}$

スパイラル アンテナのさまざまな設計は、各アームの巻き数、アームの数、スパイラルの種類、巻き数と巻き数の間の間隔、アームの幅の変化、およびアンテナが置かれている基板などの周囲の材料を変えることによって実現できます。

アンテナには通常、中心から外側に伸びる 2 本の導電性スパイラル アームがあります。スパイラルの回転方向によって、アンテナの偏波方向が決まります。追加のスパイラルが含まれ、マルチスパイラル構造を形成することもあります。アンテナは平らなディスクで、導体が緩く入れ子になった時計のバネに似ている場合もあれば、スパイラルがねじ山のような 3 次元形状に伸びている場合もあります。

2 アームまたは 4 アームのスパイラル アンテナの出力は平衡線です。単一の入力または出力線が必要な場合 (たとえば、接地された同軸線)、バランまたはその他の変圧器を追加して信号の電気モードを変更します。

通常、スパイラルは空洞で覆われています。つまり、スパイラルの背後には空気または非導電性材料または真空の空洞があり、その周囲は導電性の壁で囲まれています。適切な形状とサイズの空洞により、アンテナ パターンが変化し、空洞から離れた単一方向に受信と送信が行われます。

スパイラルは、特別に選ばれた誘電媒体上に印刷またはエッチングすることができ、その誘電率を利用して、特定のサイズで周波数を変えることができます。Rogers RT Duroid のような誘電媒体は、アンテナの物理的なサイズを縮小するのに役立ちます。誘電率の高い薄い基板でも、誘電率の低い厚い基板と同じ結果を得ることができます。このような材料の唯一の問題は、入手しにくく、コストが高いことです。^[7]

スパイラル アンテナは円偏波の電波を送信し、どの方向でも直線偏波を受信しますが、反対方向に回転して受信した円偏波信号は大幅に減衰します。スパイラル アンテナは、ある種類の円偏波を拒否しますが、他の偏波の波は完全に受信します。

スパイラルアンテナの用途の 1 つは、広帯域通信です。スパイラルアンテナのもう 1 つの用途は、周波数スペクトルの監視です。1 つのアンテナで、たとえば最大周波数と最小周波数の比率が 5:1 の広い帯域幅で受信できます。通常、この用途では、偏波 (1 つは右巻き、もう 1 つは左巻き) を除いて同じパラメータを持つ 2 つのスパイラルアンテナが使用されます。スパイラルアンテナは、マイクロ波方向探知に便利です。^[8]

• 「スパイラルアンテナ」。アンテナ理論。