JP2002076738A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】アンテナ高さを低くすることができ、しかも優
れた利得を得ることができるアンテナ装置を提供する。 【解決手段】無線機１に接続された空間アンテナ２の下
方の接地面９内にアース電極７を設け、無線機１とアー
ス電極７との間に整合器６を介在させて共振回路を形成
する。空間アンテナ２と、アース電極７を含む共振回路
とを整合させることにより、接地面９をアンテナの一部
である反射器として使用し、垂直方向に指向性を持つ高
性能アンテナとする。空間アンテナ２を接地面９と接近
させることができ、しかも高い利得が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無線通信に使用す
るアンテナ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のとおりアンテナの大きさは電波の
周波数によって決定され、例えばフルサイズのダイポー
ルアンテナを1/2波長の高さに設置する場合、アマチュ
ア無線用の7ＭＨｚ帯であると地上20ｍの高さに長さ20
ｍのアンテナを設置することとなり、3.5ＭＨｚ帯であ
ると地上40ｍの高さに長さ40ｍのアンテナを設置するこ
ととなる。このように無線通信のためには巨大なアンテ
ナを使用することが好ましいのであるが、敷地や設置コ
ストの問題がある。そこで実際には、1/4波長のモノポ
ールアンテナの下端を接地した接地アンテナが用いられ
る場合が多いが、それでもなおかなりの高さが必要とな
っている。

【０００３】一般に地表面付近に設置されたアンテナ
（空間アンテナ）では、アンテナと地表面との間にキャ
パシティが形成され、アンテナから発射された電波がこ
のキャパシティを介して地面に誘導電流を生起させ、こ
の誘導電流により地面から電波が発生することにより反
射波が発生する。この結果、電波はアンテナからの放射
波と反射波との合成波となり、アンテナの利得を低下さ
せる。そこでアンテナの高さを十分に高くして上記のキ
ャパシティを小さくし、誘電電流を抑制することにより
地表面からの反射波を防止している。このような理由に
より、アンテナはかなりの高さが必要とされており、波
長λによっては非常に大型化して建設費や維持費が高く
なるという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
従来の問題点を解決し、アンテナの設置高さを低くする
ことができ、しかも優れた利得を得ることができる新規
なアンテナ装置を提供するためになされたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めになされた請求項１の発明は、無線機に空間アンテナ
を接続するとともに、整合器を介してこの無線機に接続
されたアース電極を接地面内に設け、この整合器を含む
アース電極に共振回路を形成したことを特徴とするもの
である。また請求項２の発明は、請求項１の発明におけ
る空間アンテナと、アース電極を含む共振回路とを整合
させることにより、アース電極を含む接地面を反射器と
して利用することを特徴とするものである。

【０００６】いずれの発明においても、整合器がインピ
−ダンス可変チューニングを行う単数又は複数の整合器
からなるものであることが好ましく、また整合器が無線
機側よりＣ・Ｌの順で形成されている直列共振回路であ
ることが好ましい。さらに、アース電極が面状であるこ
とが好ましい。接地面は通常は地表面であるが、地面か
ら離れた空間内に設けられた仮想接地面とすることもで
きる。本発明のアンテナ装置は、打ち上げ角パターンが
接地面に対して、垂直方向の指向性を持つものとなる。

【０００７】請求項１の発明によれば、無線機に整合器
を介してアース電極を接続し、この整合器を含むアース
電極に共振回路を形成したことにより、地表面からの電
波の反射を低減させることができる。したがって空間ア
ンテナの高さを従来より低くしても、反射波による悪影
響が緩和され、空間アンテナの性能を向上させることが
できる。

【０００８】また請求項２の発明によれば、空間アンテ
ナの高さの調整を行うなどの方法により、無線機に接続
された空間アンテナと、同一の無線機に接続されたアー
ス電極を含む共振回路とを整合させる。これによりアー
ス電極を含む接地面をグランドアンテナとして利用し、
空間アンテナから放射される電波の反射器として積極的
に機能させることができる。

【０００９】このように、本発明では地表面からの好ま
しからざる反射波を抑制するのみならず、アース電極を
含む接地面をグランドアンテナとして積極的に利用し、
空間アンテナから放射される電波の反射器として機能さ
せることができるので、空間アンテナの高さを従来のよ
うに高くする必要はなくなる。特に請求項２の発明のア
ンテナ装置によれば、垂直方向に指向性を持つ電波を強
く発射することができる。なお本発明においてアース電
極を水分が含まれる誘電体(地面)に埋設する場合には、
損失の少ない短波、長波、超長波等が適している。しか
し、接地面を地面から離した空中にあるようにした場合
には、超短波や極超短波にも適用することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明をその実施形態とと
もに詳細に説明する。図１は本発明のアンテナ装置の説
明図であり、１は励振源となる無線機、２は無線機１の
アンテナ入出力端子に接続された空間アンテナである。
無線機1の種類は特に限定されるものではなく、周波数
についても特に限定されるものではない。空間アンテナ
２の種類も特に限定されるものではなく、中間部負荷
型、逆Ｌ型、Ｔ型、傾斜型、八木型、同調形ビーム型、
ダイポール型、コーリニア型、ヘリカル型、ループ型な
ど各種の種類のものを用いることができる。

【００１１】無線機１から送り出された高周波電流は、
必要に応じて設けられる空間アンテナ用の整合器３で整
合されたうえ、給電線４を通じて空間アンテナ2に供給
される。整合器３はインピ−ダンス可変チューニングを
行うことができるものであり、無線機１と空間アンテナ
２とのインピーダンスの整合を取り、無線機１からの高
周波エネルギーを効率よく空間アンテナ２に送るための
ものである。なお、整合器内蔵型の無線機１を用いても
よいことは言うまでもない。

【００１２】本発明では、空間アンテナ２の下方の接地
面内にアース電極７を設け、その周辺の土壌を含むグラ
ンドアンテナ９を形成している。このアース電極７と無
線機１との間には、グランド用の整合器６が設置されて
いる。金属電極７としては、図示のように多数枚の金属
板を平行に打ち込んだもの、金属棒を放射状に埋設した
もの、金属ネットを埋設したものなど各種のものを用い
ることができるが、アース電極７を広い面積にわたり埋
設し、グランドアンテナ９を面状アンテナとして機能さ
せることが好ましい。接地面内にあるアース電極７はそ
の近傍の土砂、水等の誘電材料とともに固有インピーダ
ンスを持ち、整合器６によってあたかもアンテナと同じ
ようにチューニングすることができる。なお図１では無
線機１を接地線１０により保安接地１１と接続してあ
る。

【００１３】整合器６は無線機１の接地電位端子に接続
され、接地電位端子が高周波電圧最大になるよう同調さ
せる。整合器６の出力端子とアース電極７とは接地線８
を介して接続されている。整合器６も整合器３と同様に
インピ−ダンス可変チューニングを行うことができるも
のである。なお整合器６は単数であっても、複数の整合
器からなるものであってもよい。請求項１の発明では、
このように無線機１とアース電極７の間に接地用の整合
器６を介在させて共振回路を形成する。この結果、グラ
ンドアンテナ９の性能を最大に発揮させ、地表面からの
電波の反射を低減させることができる。

【００１４】また請求項２の発明においては、空間アン
テナ２の高さを変えるなどの方法により、空間アンテナ
２とアース電極７を含む共振回路とを整合させる。その
結果、アース電極７とその近傍の誘電体を含む接地面を
グランドアンテナ９とし、空間アンテナ２の反射器とし
て積極的に使用することが可能となり、大きな利得を得
ることができる。換言すれば、本発明のアンテナ装置
は、従来は好ましくない反射波を発生していた接地面
(地表面)をグランドアンテナ９として空間アンテナ２と
の整合を取った反射器とし、積極的にアンテナの一部と
して機能させたものである。すなわち、空間アンテナ２
は放射器として機能し、グランドアンテナ９は反射器と
して機能するため、空間アンテナ２を接地面に接近させ
ても支障がないばかりか、むしろ両者を接近させること
によって上方に強い電波を放射することができる。この
ためアンテナ装置全体を、小さな設備で済ませることが
可能となる。

【００１５】なお、従来のグランドチューナーとして用
いられている整合器は、無線機側よりＬ・Ｃの順に接続
された直列共振回路構成である。従来のグランド用整合
器の主たる目的は、無線機より結線したリード線で接地
電極を取り付けたとき、無線機の送信時に高周波電圧が
高くなる点とリード線との間に整合器のＬ・Ｃで高周波
電圧の位相を変化させることにより電圧を下げ、高周波
電圧を低くする目的のものである。このように、グラン
ドチューナーは無線機と整合器間の高周波電圧を下げる
ことが主な目的である。

【００１６】これに対して本発明の整合器６は、無線機
側よりＣ・Ｌの順で形成されている直列共振回路構成と
なっている。従って、無線機接地側高周波電圧はそのま
まで、整合器６によりキャパシタンス、インダクタンス
を合わせ、目的周波数に同調させることができる。この
とき、接地電位側端子整合器Ｃ・Ｌで直列共振回路で同
調させるため、高周波電圧は従来より更に高くなるよう
に、高周波電圧最大に同調させる。

【００１７】図２から図８に、様々な整合器６の構成を
示す。図２はキャパシタンスＣを与えるコンデンサとイ
ンダクタンスＬを与えるコイルとを直列接続したもので
あり、図３はコンデンサとコイルとの間にスイッチ１２
を介在させたものである。図４は可変コンデンサ１３と
コイルとからなるものである。図５はコイルよりタップ
１４を取り、ロータリースイッチ１５によりインダクタ
ンスを可変としたものである。図６はこのロータリース
イッチ１５を切り替え用スイッチ１６に置き換えたもの
である。図７はローラーインダクター１７をコイル上で
動かしてインダクタンスを可変としたものである。更に
図８は方向性結合型高周波検出メーター回路１８を組み
込み、整合器６の整合状態を検出できるようにしたもの
である。メーター回路１８は高周波電圧検出メーターで
も高周波電流検出メーターでもよいが、後者の方が合わ
せやすい利点がある。

【００１８】前記したように、本発明におけるアース電
極７はその周辺の通常地盤等を含む面状のグランドアン
テナ９を構成する。一般に面状アンテナは開口面アンテ
ナやパラボラアンテナにおいて反射器として使用されて
おり、放射器から発射された電波を反射して大きな高周
波利得を得ることができる。これと同様に本発明ではグ
ランドアンテナ９を反射器とすることにより、指向性の
強い高利得のアンテナ装置が得られる。

【００１９】このように本発明では接地面９をアンテナ
の一部として利用し、空間アンテナ２から発射される電
波と干渉するような反射波を発生させない。したがって
空間アンテナ２を地表面に近接させて設置することがで
き、アンテナ装置全体を小型化できる。前記したよう
に、従来のアンテナは非常に高い地上高を必要としてい
たのであるが、本発明では地表面等の接地面をアンテナ
装置の一部として利用することから、むしろ空間アンテ
ナ２を地表面に近接させる方が好ましいとも言える。具
体的には、長波や中波の場合、空間アンテナの地上高を
0.5〜6ｍとすることができる。

【００２０】なお、空間アンテナ２が水平アンテナであ
る場合、グランドアンテナ９を構成するアース電極７の
形状はアンテナ面に平行な平面であることが好ましい。
反射面９が平面であっても空間アンテナ２のアンテナ面
に平行になっていないと、空間アンテナ２からの電波と
反射波との有効な合成が得られないからである。空間ア
ンテナ２が垂直アンテナである場合には、アース電極７
の中央に設置することが好ましい。アース電極７は、空
間アンテナ２から見た投影面積が最大になるように設置
することが望ましい。

【００２１】本発明のアンテナ装置の基本構成は図１に
示すとおりであるが、図９から図１２にその変形例を示
す。図９では整合器３の接地線５が無線機１の接地線２
２Ｒに接続されている。図１のように、この接地線５は
省略できることはいうまでもない。図１０では、整合器
６の接地端子がスイッチ２０を介して接地電極２１に接
続されている。図１１では整合器３の接地端子と整合器
６の接地端子とが結合ケーブル２２で結合され、スイッ
チ２０を介して接地電極２１に接続されている。図１２
は無線機１を整合器内蔵型とするとともに、スイッチ２
０を整合器６に内蔵させた例を示す。これらのスイッチ
２０は、受信時にノイズが発生することがある場合、入
投することにより接地側の電位の安定を図り、受信ノイ
ズを軽減するためのものである。なお、整合器３の接地
は、空間アンテナ2から給電線４に戻ってくる反射波を
大地に逃がしてノイズを防止する目的と、安全確保の目
的で行われる。

【００２２】以上に説明した実施形態では、接地面は地
表面であったが、携帯電話などの移動体通信機において
は図１３に示すように無線機の筐体や基板等を接地面と
して利用することができる。この場合にはアース電極７
と接地面とが一体化されてグランドアンテナ９となり、
地面から離れた位置に設けられて仮想接地面を構成して
いるが、人体を介して接地されている。この場合にも空
間アンテナ２とアース電極７を含む共振回路とを整合さ
せることにより、アンテナの利得を高め、強い電波をグ
ランドアンテナ９の垂直方向に放射することが可能とな
る。またアンテナの小型化と高性能化とを同時に達成す
ることができるので、無線機の小型化が可能になる。

【００２３】以上の説明から明らかなように、本発明の
アンテナ装置は小型高性能の垂直指向性アンテナとな
る。本発明のアンテナ装置から垂直方向に発射された高
出力の電波は図１４に示すように電離層で乱反射され、
大気の影響を受けることが少なく長距離まで伝送させる
ことができる。遠距離への伝送を目的とした場合、従来
は図１５に示すようにできるだけ高い位置にアンテナを
設置して水平方向に電波を発射し、電離層での反射回数
を減らすようにしていた。しかし、水平方向に発射され
た電波は大気中を長距離にわたり進行するため、空気中
の浮遊物や水分による散乱・吸収による損失が大きくな
る。垂直方向へ高出力の電波を発射するアンテナは非常
に大型となるため軍事用や衛星通信用などの特殊な分野
を除き現実的ではなかったが、本発明によれば、大型の
アンテナ装置を用いることなく高品質の長距離通信が可
能となる。

【００２４】また本発明のアンテナ装置は垂直指向性ア
ンテナである特徴により、移動体通信機においても望ま
しいものと言える。すなわち、従来の移動体通信機付属
のアンテナ装置から放射される電磁波の打ち上げ角パタ
ーンは、図１６に示すように接地面に対して平行に左
右、円形であった。しかし、本発明のグランドアンテナ
の打ち上げ角パターンは図１７に示すように、接地面に
対して、上方、垂直方向となる。近年、携帯電話等の移
動体通信機から放射される電磁波により、体温上昇、神
経系の刺激等人体への悪影響が指摘されている。本発明
によれば、携帯電話等移動体通信機から放射された電磁
波は、人体への影響の少ないアンテナ上方に打ち上げら
れ、使用者の健康への悪影響を軽減することが可能とな
る。

【００２５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を示す。図９に示し
た本発明のアンテナ装置を用いて、世界各国のアマチュ
ア無線局との交信を行い、交信リポートにより相手方と
当方の了解度Ｒ及び信号強度Ｓを確認した。使用した空
間アンテナは整合器を備えた短縮ダイポールアンテナで
あり、その全長は10.8ｍ、地上高は3ｍである。無線機
の出力は50Ｗ、V.S.W.R（定在波比）は1.1、使用周波数
は表中に記したとおりである。またアース電極は図９に
示すとおりのものを深掘り設置し，整合器により共振さ
せた。交信結果を表１に示す。２桁の数字はＲ(５段
階）とＳ(９段階）であり、５９がベストである。

【００２６】

【表１】

【００２７】上記のように、本発明のアンテナ装置を用
いれば無線機の出力が５０Ｗであり、かつアンテナの地
上高を３ｍとした場合にも、世界各国との間で良好な通
信が可能であった。これに対して従来のように空間アン
テナのみを使用する場合には、同時刻に、無線機出力を
１００Ｗとし、かつ２〜５エレメントのアンテナを高さ
１０ｍ、１５ｍ、２０ｍに設置したが交信が不可能であ
った。また５エレメントのアンテナを３０ｍの高さに設
置することによりようやく交信が可能となったが、ＲＳ
は４１あるいは５１であり、信号強度はかろうじて受信
できるレベルに過ぎなかった。

【００２８】なお、パラオ共和国との交信記録によれ
ば、従来型のアンテナを用い送信出力を５００Ｗとした
場合と、本発明のアンテナを用い送信出力を５０Ｗとし
た場合とで、信号強度が同等であった。

【００２９】本発明のアンテナは従来と電波伝搬通路が
異なるため、大多数の無線局が通信できない時間帯に於
いても通信可能となる。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１の発明
のアンテナ装置は無線機とアース電極との間に整合器を
介在させて共振回路を形成したものであり、反射波の影
響を抑制できるので、従来よりもアンテナ高さを低くす
ることができる。また請求項２の発明のアンテナ装置は
空間アンテナとアース電極を含む共振回路とを整合させ
ることにより、接地面をアンテナの一部である反射器と
して使用したものであり、小型高性能の垂直指向性アン
テナとして機能するものである。このため、従来よりも
アンテナ高さを低くすることができるとともに、アンテ
ナの大幅な利得向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアンテナ装置の基本構成を示す回路図
である。

【図２】整合器を示す回路図である。

【図３】整合器を示す回路図である。

【図４】整合器を示す回路図である。

【図５】整合器を示す回路図である。

【図６】整合器を示す回路図である。

【図７】整合器を示す回路図である。

【図８】整合器を示す回路図である。

【図９】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路図
である。

【図１０】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路
図である。

【図１１】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路
図である。

【図１２】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路
図である。

【図１３】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路
図である。

【図１４】本発明のアンテナ装置から発射される電波を
示す説明図である。

【図１５】従来の遠距離通信用のアンテナ装置から発射
される電波を示す説明図である。

【図１６】従来の移動体無線機のアンテナ装置から発射
される電波の指向性を示す説明図である。

【図１７】本発明のアンテナ装置から発射される電波の
指向性を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 無線機 ２ 空間アンテナ ３ 整合器 ４ 給電線 ５ 結合ケーブル ６ 整合器 ７ アース電極 ８ 接地線 ９ 接地面 １０ 接地線 １１ 保安接地 １２ スイッチ １３ 可変コンデンサ １４ タップ １５ ロータリースイッチ １６ 切り替え用スイッチ １７ ローラーインダクター １８ 方向性結合型高周波検出メーター回路 ２０ スイッチ ２１ 接地電極 ２２ 結合ケーブル ２３ 接地線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J046 AA04 AA07 TA03 TA04 5K060 AA12 BB07 CC04 DD03 DD04 JJ21 LL07 5K062 AB01 AC02 AE02 BC07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】 無線機に空間アンテナを接続するととも
   に、整合器を介してこの無線機に接続されたアース電極
   を接地面内に設け、この整合器を含むアース電極に共振
   回路を形成したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 【請求項２】 空間アンテナと、アース電極を含む共振
   回路とを整合させることにより、アース電極を含む接地
   面を反射器として利用することを特徴とする請求項１記
   載のアンテナ装置。
3. 【請求項３】 整合器がインピ−ダンス可変チューニン
   グを行う単数又は複数の整合器からなる請求項１または
   ２記載のアンテナ装置。
4. 【請求項４】 整合器が無線機側よりＣ・Ｌの順で形成
   されている直列共振回路である請求項１〜３の何れか記
   載のアンテナ装置。
5. 【請求項５】 アース電極が面状である請求項１〜４の
   何れか記載のアンテナ装置。
6. 【請求項６】 接地面が地面から離れた空間に設けられ
   た仮想接地面である請求項１〜５の何れか記載のアンテ
   ナ装置。
7. 【請求項７】 打ち上げ角パターンが接地面に対して、
   垂直方向の指向性を持つ請求項１〜６の何れか記載のア
   ンテナ装置。