JP2003133849A

JP2003133849A - 電磁波送受信装置

Info

Publication number: JP2003133849A
Application number: JP2001327652A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Hoshino; 俊弘星野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】所要周波数の選定ならびに高利得送受信を可
能とした電磁波送受信装置を提供する。【解決手段】金属からなる中心導体１と外部導体２は
同軸構造を有し、この外部導体２の側面に円形の開口部
３を形成する。中心導体１の半径：ri、外部導体２の半
径：ro、開口部３の半径：Rと設定する。中心導体１と
外部導体２の先端部４は、両導体が開離した開放端とす
る。中心導体１と外部導体２の基部は、両導体が同軸円
錐状に形成されたテーパ部６とする。テーパ部６には、
電磁波を送受信するための外部機器７を接続する。中心
導体１と外部導体２における基部側には絶縁物８を設け
る。絶縁物８は、円盤状の部材の中央部に中心導体１を
挿通するための開口部を有し、その外周部において外部
導体２に接触している。金属製乃至は絶縁製のボルト９
によって、外部導体２と絶縁物８を固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所要周波数の選定
ならびに高利得送受信を可能とした電磁波送受信装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】アンテナには非常に多くの種類があり、
その構造の違いから、周波数帯域、送受信効率、指向
性、利得などにおいて様々な利用方法が考案されてい
る。また、アンテナはいわゆる放送波や通信波等におけ
る送受信のみに限らず、制御装置、処理装置、通信装置
に見られるように、幅広いシステムに用いられている。

【０００３】アンテナの目的は、単一の周波数を高い送
受信効率で、強い指向性で、かつ大きな利得を送受信す
ることにある。この目的に最も良く用いられる手法がア
ンテナのエレメントに定在波を励振させる方法であり、
ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ等の各種アレ
ーアンテナが挙げられる。また、スロットアンテナやパ
ッチアンテナ等の面積を有するアンテナは、スロット部
およびパッチ部に目的の周波数の波長を載せた構造であ
る。さらにホーンアンテナ等の開口面を有するアンテナ
は、その開口面の寸法に依存し、円形・方形導波管等の
導波回路ではその円周・各辺に基づいた寸法にて動作す
る。このように、定在波はアンテナの構造に強く依存す
る物理量であり、様々に工夫された定在波の発生方法が
考案されている。

【０００４】ここで、定在波の波長とアンテナの構造と
の関係を概観する。半波長ダイポールアンテナはその名
の示すとおり半波長λ/2で動作し、主にVHF帯域〜UHF帯
域をカバーする。VHF帯域より周波数の低い波長を空間
に放射したい場合、半波長λ/2ではアンテナエレメント
が大きくなりすぎるため、モノポールアンテナが用いら
れる。このアンテナはλ/4で動作するため、アンテナ構
造が小さくなり設計上有益である。スロットアンテナや
ホーンアンテナ、および導波管においても送受信する周
波数がUHF帯域以上であり、基本となる波長はλ/2〜λ
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
アンテナにおいては、一般に次の様な課題が指摘されて
いる。アンテナは基本的に同軸構造ではないのでインピ
ーダンス整合が難しく不平衡回路となる。この場合、送
信電力の一部は外部空間に放射されず逆電力となって送
信側に戻ってくるため、入力リターンロス（VSWR）が悪
く送受信側の機器に対しても悪影響を及ぼす。また、同
軸構造を採用した場合であっても、この入力リターンロ
スを解消するためには、特開平１０−２２４１４０号
（発明の名称：筒状放射素子アンテナ）や特開平５−１
７５７１８号（発明の名称：アンテナ）に示すように、
同軸構造体の外部に筒状体や板状体を別途設けたる必要
があり、その構成が複雑になっていた。

【０００６】また指向性についても、特開２０００−２
０９０２４号（発明の名称：同軸給電型アレーアンテ
ナ）のように、多素子のエレメントで指向性を強くする
ことは可能であるが、アンテナの構造が必然的に大きく
なり、また余計な指向性（サイドローブ）などの発生も
考えられる。さらに利得についても、エレメントが大き
いほど利得は大きくなるが、指向性（サイドローブ）の
発生により利得が各方向に分散してしまうことが考えら
れる。

【０００７】本発明は、前記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであって、同軸構造体
以外には、複雑な構造体を必要とすることなく、簡単な
構造で、しかも指向性ならびに高利得性能に優れたアン
テナとして幅広く使用することのできる電磁波送受信装
置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、中空外部導体内に同軸状に中
心導体を挿通させてなる同軸導体部と、この同軸導体部
の一側端部に前記中心導体を介して電波を送信あるいは
受信する外部機器との接続部を設けて構成した電磁波送
受信装置において、前記中空外部導体の側面に開口部を
形成すると共に、前記同軸導体部の一側端部には前記中
空外部導体の端部のみを絶縁する絶縁物を介して前記接
続部を配置し、前記開口部に現れる開口部定在波の波長
をλ、前記絶縁物から前記開口部までの距離をs、前記
絶縁物から前記中空外部導体の他側端部までの距離をL
とした場合、L=nλ/2（n=1,2,・・・）かつs=(2n-1)λ/
4（n=1,2,・・・）、としたことを特徴とする。

【０００９】請求項１の発明によると、開口部以外は完
全に同軸遮蔽構造であるため、送受信効率を妨げる不整
合部分を排除することができる。また開口部以外は外部
導体により完全に遮蔽されているので、中心導体と開口
部により決定される開口部定在波が外部空間に放射され
る。したがって、信号純度の高い単一周波数の電磁波を
効率よく送受信することが可能となる。すなわち、本発
明は、送受信効率および指向性を上げるために開口部以
外を同軸遮蔽構造とすると共に、絶縁物と同軸端部で開
口部を挟んだ同軸内部に定在波を発生させ、さらにアン
テナ構造の縮小化のために1/4波長の定在波を利用する
ことにより、同軸内部に高利得な電磁波を励振すること
が可能となる。

【００１０】請求項２の発明は、前記同軸導体部の前記
接続部において、前記中心導体と前記中空外部導体の直
径比を一定に維持したまま、直径を拡大するか乃至は絞
り込んだテーパ部を形成したことを特徴とする。請求項
２の発明によると、インピーダンス整合を維持したまま
送受信機器に接続できるので、送受信効率を損なうこと
なく高指向性・高利得を実現することができる。

【００１１】請求項３の発明は、前記同軸導体部の前記
他側端部を開放端としたことを特徴とする。また、請求
項４の発明は、前記同軸導体部の前記他側端部を短絡端
としたことを特徴とする。この請求項３または請求項４
の発明によると、同軸構造の先端部の構成を短絡端や開
放端とすることにより、同軸部分の定在波が開口部に強
く現れるようになり、これが開口部定在波をさらに強め
ることになるので、非常に高利得な電磁波の送受信が可
能となる。特に、短絡端や開放端にすることにより、同
軸部分の定在波の波形が異なるので、開口部の位置とこ
れらの端部構造との組み合わせにより、用途に応じた種
々の電磁波送受信装置を得ることが可能になる。

【００１２】請求項５の発明は、前記開口部を、前記中
空外部導体の側面に複数個形成したを特徴とする。請求
項５の発明によると、開口部が複数個存在することによ
り、指向性や利得を幅広く変化させることができるの
で、柔軟な送受信電磁波送受信装置として機能させるこ
とが可能となる。

【００１３】請求項６の発明は、前記絶縁物を、前記開
口部を挟んで前記同軸導体部の前記一側端部側と前記他
側端部側にそれぞれ配置したことを特徴とする。請求項
６の発明によると、当該絶縁物相互で開口部を挟んだ同
軸内部に定在波を発生させることができるので、絶縁部
の間隔を調整するたことにより、送受信する電磁波の特
性に応じた高利得の装置を容易に得ることが可能にな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】（１．第１の実施の形態…先端部
が開放端）［構成］図１は、本発明の第１の実施の形態によ
る電磁波送受信装置の構成図である。この図１に示すよ
うに、本実施の形態の電磁波送受信装置は、金属からな
る中心導体１と外部導体２は同軸構造を有し、この外部
導体２の側面に円形の開口部３が形成されている。ここ
で、図２に示すように、中心導体１の半径：ri、外部導
体２の半径：ro、開口部３の半径：Rと設定されてい
る。

【００１５】前記中心導体１と外部導体２の先端部４
は、両導体が開離した開放端になっている。この場合、
本実施の形態においては、中心導体１と外部導体２の先
端部４に、図示しない開放コネクタを別途装着すること
により、開放端を形成する。

【００１６】一方、前記中心導体１と外部導体２の基部
は、両導体が同軸円錐状に形成されたテーパ部６となっ
ている。このテーパ部６の部分には、電磁波を送受信す
るための外部機器７が接続されている。この接続構造
は、テーパ部６の端部に同軸コネクタを取り付けること
によって行う。一般に、電磁波を送受信するための外部
機器７の入出力部には、ＢＮＣ（Bayonet-Neill-Concel
man）型あるいはＮ型の高周波同軸コネクタ（JIS C5410
「高周波同軸コネクタ通則」にて規定されているコネク
タ）が使用されている。ここで、ＢＮＣ型のコネクタ
は、コネクタを差し込んでからプラグを回転させだけで
固定できる固定機構を持つコネクタであり、Ｎ型コネク
タは、ねじ込み式のコネクタであるが、いずれもインピ
ーダンス整合可能な高周波特性に優れたコネクタであ
る。これらコネクタ間を同軸ケーブルにより接続するこ
とで、本実施の形態の送受信装置と電磁波を送受信する
ための外部機器７とを接続する。なお、電磁波を送受信
するための外部機器７の直前に増幅器（アンプ）を接続
することも可能である。

【００１７】前記中心導体１と外部導体２における基部
側には、絶縁物８が設けられている。この絶縁物８は、
円盤状の部材の中央部に中心導体１を挿通するための開
口部を有するもので、その外周部において外部導体２に
接触している。この絶縁物８を中心導体１および外部導
体２に固定する構造としては、各種のものを採用するこ
とができるが、例えば、外部導体２にフランジを形成し
ておき、このフランジ部分に円盤状絶縁物８の外周部を
挟み込み、金属製乃至は絶縁製のボルト９によって、外
部導体２と絶縁物８を固定することができる。

【００１８】また、前記のようにして絶縁物８を外部導
体２に固定する代わりに、絶縁物８の固定位置の調整機
構を設けることも可能である。例えば、外部導体２にス
ライド筒１０をはめ込み、このスライド筒１０に円盤状
絶縁物８を固定することにより、外部導体２の軸方向に
対する絶縁物８の固定位置を調整可能とすることもでき
る。このスライド筒１０を使用した場合、スライド筒１
０と外部導体２との固定およびスライド量の調整は、ス
ライド筒１０と外部導体１とをねじ込みすることによっ
て行ったり、外部導体１の軸方向に形成した突条や溝に
沿ってスライド筒１０を移動させ、移動後の位置におい
て両者をねじ止めしたり、バネなどで係止することがで
きる。さらに、位置調整機構としては、前記のようなス
ライド筒１０に限らず、その他絶縁物８を導体の軸方向
に移動させることのできる構造を適宜採用することが可
能である。

【００１９】さらに、前記開口部３に現れる開口部定在
波の波長をλ、絶縁物８から開口部３までの距離をs、
絶縁物８から先端部４までの距離をLとした場合、L=(2n
+1)λ/4（n=1,2,・・・）かつs=(2n-1)λ/4（n=1,2,・
・・）となるように同軸長および開口部の位置を設定さ
れている。なお、図１は、例としてn=2の場合について
示してある。

【００２０】［作用効果］図１において、中心導体１と
外部導体２からなる同軸部分に送受信信号Ｗが伝搬する
場合であって、この送受信信号Ｗが、中心導体１と開口
部３により決定される開口部定在波と同一周波数となる
場合、この送受信信号Ｗは開口部３を通して外部空間に
放射される。逆に、送受信信号Ｗが開口部定在波と異な
る周波数である場合、送受信信号Ｗは開口部３を通して
外部空間に放射されない。この放射電磁波Ｆは開口部３
により周波数帯域幅の狭い電磁波となるので、非常に信
号純度の高い送受信ができる。従って、本実施の形態に
よれば、開口部定在波を送受信させることが可能とな
る。

【００２１】すなわち、図２は本実施の形態による開口
部定在波の発生説明図である。同図にて中心導体１の半
径：ri、外部導体２の半径：ro、開口部３の半径：Rと
し、かつ、開口部３を円形にした場合、開口部定在波は
図２に示す寸法において発生する。開口部定在波A〜Dの
うちC以外は全て波長λ/4に基づいているため、当該電
磁波送受信装置の設置に際して縮小化が図られる。また
上記３つのパラメータを変化させることで、放射電磁波
６を制御することができる。このように、本実施の形態
によれば、開口部定在波の周波数を決定することで、送
受信電磁波の周波数選択を容易に行うことができる。

【００２２】本実施の形態のように、中心導体１と外部
導体２から成る同軸構造においては、同軸部分に伝搬す
る送受信信号Ｗの電圧信号は絶縁物８では節、すなわち
０に相当する。この場合、絶縁物８と先端部４で開口部
３を挟んだ同軸内部に定在波を発生させることができ、
同軸内部に高利得な電磁波を励振することが可能とな
る。特に、図１のように先端部４が解放端の場合、先端
部４における送受信信号Ｗの電圧信号は腹、すなわち最
大に相当する。一方、絶縁物８における電圧信号は節で
ある。この場合、同軸内部の定在波の電圧分布１１は図
１のようになり、開口部３の位置における同軸内部の定
在波は最大になることがわかる。したがって、同軸部分
の定在波が開口部定在波をさらに強めることができ、非
常に高利得な電磁波の送受信が可能となる。

【００２３】本実施の形態においては、中心導体１と外
部導体２の基部が、直径比を一定に維持したまま、直径
を拡大乃至は絞り込んだテーパ部６となっている。一般
に、同軸内部にインピーダンス不整合が存在すると、同
軸内部には全く意図しない周波数の定在波が発生する。
そこでテーパ部６を設けることにより、インピーダンス
不整合を発生させることなく、中心導体１と外部導体２
とを電磁波を送受信するための外部機器７をはじめとし
た他の電気機器と容易に接続ができる。

【００２４】本実施の形態においては、円盤状絶縁物８
を外部導体２の軸方向にスライドできるようにスライド
筒１０を設けてある。すなわち、同軸内部の定在波は、
その先端部４と絶縁物８との間の距離で決定される。そ
こで、スライド筒１０にて絶縁物８を移動できるように
すれば、直径や形状が異なる開口部が存在する場合にお
いても、同軸内部にて定在波の周波数同調（チューニン
グ）を行うことができ、同軸内部の定在波の発生周波数
に柔軟性を持たせることができる。

【００２５】以上のように、本実施の形態の電磁波送受
信装置は、開口部を円形とすることにより、開口部定在
波の波長を以下の３つのパラメータ、すなわち中心導体
の直径、外部導体の直径、および開口部の直径に基づい
て決定できるので、送受信電磁波の周波数を容易に決定
することができる。すなわち、中心導体１の半径：ri、
外部導体２の半径：ro、開口部３の半径：Rを変化させ
ることで送受信する信号の周波数を柔軟に変化させるこ
とができる。

【００２６】そこで、目的に応じてこれらの寸法を変更
し、制御装置、処理装置、検出装置、通信装置などの各
種装置に組み込むことができる。例えば、本装置の寸法
を携帯機や基地局で使用する周波数に設計すれば、情報
端末および中間局としての情報伝送システムの一部とし
て機能するため、移動通信システムや遠方監視装置を構
成することが可能となる。この手法は、GPSに見られる
ような最近の交通システムにおいても同様であり、無線
通信が必要不可欠であるこれらの電磁波送受信方式に対
して混信のない信号の送受信が期待できる。また、放送
波アンテナや無線LAN等のアンテナには当該電磁波送受
信装置がそのまま適用可能であり、大電力長距離無線通
信から小電力短距離無線通信まで、柔軟な電磁波送受信
に貢献することができる。

【００２７】（２．第２の実施の形態…先端部４が短絡
端）図３は本発明の第２の実施の形態による電磁波送受
信装置の構成図である。本実施の形態において、先端部
４は短絡端にしておく。開口部３に現れる開口部定在波
の波長をλ、絶縁物８から開口部３までの距離をs、絶
縁物８から先端部４までの距離をLとした場合、L=nλ/2
（n=1,2,・・・）かつs=(2n-1)λ/4（n=1,2,・・・）と
なるように同軸長および開口部の位置を設定する。な
お、図３は一例としてn=2の場合について示してある。

【００２８】この第２実施の形態のように、先端部４が
短絡端の場合、図３のように先端部４における送受信信
号Ｗの電圧信号は節、すなわち０に相当する。また絶縁
物８についても電圧信号は先端部４と同様に節（０）に
なる。この場合、同軸内部の定在波の電圧分布１１は図
３のようになり、開口部３の位置における同軸内部の定
在波は最大になることがわかる。したがって、同軸部分
の定在波が開口部定在波をさらに強めることができ、非
常に高利得な電磁波の送受信が可能となる。

【００２９】（３．第３の実施の形態…先端部が整合負
荷で終端）図４は本発明の第３の実施の形態を示すもの
であって、本実施の形態においては、同軸構造とした中
心導体１と外部導体２の先端部４は整合負荷にて終端さ
れている。なお、他の構造については、前記の実施の形
態と同様である。

【００３０】本実施の形態のように、先端部４を整合負
荷にて終端した場合、同軸内部に定在波は発生しない。
この場合、開口部３は任意の位置で開口部定在波が発生
する。したがって、同軸部分の長さを自由に変化させる
ことができる。本実施の形態によれば、同軸部分の長さ
に依らずλ/4に基づいた開口部定在波の放射が可能にな
るので、当該電磁波送受信装置の設置に際して縮小化が
図られる。

【００３１】（４．第４の実施の形態…複数の開口部を
形成）図５は、本発明の第４の実施の形態を示すもので
あって、この実施の形態においては、２つの開口部３
Ａ，３Ｂが導体の軸方向に離れた位置、一例として、L=
2λ（n=4）、s=λ/4, 5λ/4（n=1,3）に設けられてい
る。この場合、同軸内部の定在波の電圧分布１１は図５
のようになり、開口部３の位置における同軸内部の定在
波は同位相で最大になることがわかる。したがって、同
軸部分の定在波が開口部定在波を強めており、さらに開
口部定在波についても相互に強め合い、アレーアンテナ
のように指向性を強めることができる。

【００３２】（５．第５の実施の形態…絶縁物を２枚配
置）図６は、本発明の第５の実施の形態を示すものであ
って、この実施の形態においては、開口部３を挟んで２
枚の絶縁物８Ａ，８Ｂが配置されている。このように２
枚の絶縁物８が配置されていると、同軸部分に伝搬する
送受信信号Ｗの電圧信号は双方の絶縁物８で節、すなわ
ち0に相当する。その結果、双方の絶縁物８で開口部３
を挟んだ同軸内部に定在波が発生可能となり、同軸内部
に高利得な電磁波を励振することが可能となる。

【００３３】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、開口部以
外を同軸遮蔽構造にすることで送受信効率および指向性
を上げることができる。また、開口部に現れる開口部定
在波を利用することで信号純度および高利得を得ること
ができる。さらに、1/4波長の定在波を利用することで
アンテナ構造の縮小化が図られる。したがって、無線通
信全般に幅広く適用することが可能であり、情報技術の
拡充に対して大きく貢献できると考えられる。

【００３４】より具体的には、本装置を携帯機や基地局
へ適用することによる新タイプの移動通信システムや遠
方監視装置が考えられる。GPSに見られる交通システム
においても無線通信が主流であり、これに対しても混信
のない信号の送受信が期待できる。また、放送波アンテ
ナや無線LAN等のアンテナにも直接代用が可能であるた
め、本装置の用途は際限なく幅広い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の電磁波送受信装置
を示す模式図。

【図２】本発明の電磁波送受信装置における開口部の定
在波発生状態を説明する模式図。

【図３】本発明の第２の実施の形態の電磁波送受信装置
を示す模式図。

【図４】本発明の第３の実施の形態の電磁波送受信装置
を示す模式図。

【図５】本発明の第４の実施の形態の電磁波送受信装置
を示す模式図。

【図６】本発明の第５の実施の形態の電磁波送受信装置
を示す模式図。

【符号の説明】

１…中心導体２…外部導体３…開口部４…先端部６…テーパ部７…外部機器８…絶縁物９…ボルト１０…スライド筒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空外部導体内に同軸状に中心導体を挿
通させてなる同軸導体部と、この同軸導体部の一側端部
に前記中心導体を介して電波を送信あるいは受信する外
部機器との接続部を設けて構成した電磁波送受信装置に
おいて、前記中空外部導体の側面に開口部を形成すると共に、前
記同軸導体部の一側端部には前記中空外部導体の端部の
みを絶縁する絶縁物を介して前記接続部を配置し、前記開口部に現れる開口部定在波の波長をλ、前記絶縁
物から前記開口部までの距離をs、前記絶縁物から前記
中空外部導体の他側端部までの距離をLとした場合、L=n
λ/2（n=1,2,・・・）かつs=(2n-1)λ/4（n=1,2,・・
・）、としたことを特徴とする電磁波送受信装置。
【請求項２】前記同軸導体部の前記接続部において、
前記中心導体と前記中空外部導体の直径比を一定に維持
したまま、直径を拡大するか乃至は絞り込んだテーパ部
を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電磁波送
受信装置。
【請求項３】前記同軸導体部の前記他側端部を開放端
としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載
の電磁波送受信装置。
【請求項４】前記同軸導体部の前記他側端部を短絡端
としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載
の電磁波送受信装置。
【請求項５】前記開口部を、前記中空外部導体の側面
に複数個形成したことを特徴とする請求項１に記載の電
磁波送受信装置。
【請求項６】前記絶縁物を、前記開口部を挟んで前記
同軸導体部の前記一側端部側と前記他側端部側にそれぞ
れ配置したことを特徴とする請求項１または請求項５に
記載の電磁波送受信装置。