JP2004200832A

JP2004200832A - 同軸線路アンテナ

Info

Publication number: JP2004200832A
Application number: JP2002364699A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nishi; 清次西; Yoshiro Takahashi; 良郎高橋; Hirotsugu Ogawa; 博世小川; Kiyoshi Hamaguchi; 清浜口; Yozo Shoji; 洋三荘司
Original assignee: Communications Research Laboratory; Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】同軸線路形状が小さくなった場合にも実現が可能であり、構造が簡単で小型化できる同軸線路アンテナを提供する。
【解決手段】内導体と外導体間に誘電体を有する同軸線路２００の先端を、内導体２０１だけを、放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の長さを残し、同軸線路２００の先端より電波を放射あるいは受信するアンテナにおいて、同軸線路２００の外導体２０２に円錐状の導電性の突起２０４を設ける。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波アンテナに係り、特に、同軸線路アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の先行技術文献としては、新アンテナ工学−移動通信時代のアンテナ技術−、新井宏之著、総合電子出版、１９９６年４月９日第１版２８〜３０頁、７５〜７６頁に開示されるようなものがあった。
【０００３】
上記従来の同軸線路アンテナは「１．８．２同軸線路とスリーブアンテナ」に記載されているように、その形状は「内導体のみを残して外導体を取り去ると、その内導体に流れている電流によって放射が生じる」（上記文献の２８頁下から１行目〜第２９頁１行目記載）構成となっており、その内導体を残す長さは、λ／４（上記文献の図１．２９参照）と示されている。
【０００４】
また、電波の放射の方向を反射板で制御する方法が記載されており、「ダイポールアンテナの場合で、ダイポールアンテナを反射板からλ／４の位置に置くとき」（上記文献の７５頁２行目〜３行目参照）に、「ｚ＞０でｚ軸方向に最大放射方向を持つ単方向指向性が得られる」（上記文献の７５頁７行目参照）構成となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の同軸線路によるアンテナでは、「同軸線路の外導体を流れる電流は、外導体の内側を流れており、同軸線路を用いてアンテナを構成するときに問題となるのが、この外導体を流れる電流である。」と記述されている（上記文献２８頁下から４行目〜２行目参照）。
【０００６】
具体的には、「外導体の内側を流れてきた電流は、外導体の先端で反射し、その電流の一部は外導体の外側に漏れてしまう。外導体の外側に漏れた電流によって生じる放射は、所望の電波の放射の妨げとなる。」（上記文献２９頁１行目〜４行目参照）と記述されている。この外側に漏れる電流を阻止する構造が、スリーブアンテナ（上記文献２９頁の図１．２９参照）として示されている。
【０００７】
しかし、上記したように、スリーブアンテナは構造が複雑で、特に同軸線路形状が小さくなったとき実現が困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑みて、同軸線路形状が小さくなった場合にも実現が可能であり、構造が簡単で小型化できる同軸線路アンテナを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕内導体と外導体間に誘電体を有する同軸線路の先端を、前記内導体だけを、放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の長さを残し、前記同軸線路の先端より電波を放射あるいは受信するアンテナにおいて、前記同軸線路の外導体に円錐状の導電性の突起を設けることを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の同軸線路アンテナにおいて、前記円錐状の導電性の突起の円錐部の傾斜角度を４０度程度以下とし、前記同軸線路の垂直方向のアンテナゲインを高くすることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載の同軸線路アンテナにおいて、前記円錐状の導電性の突起の円錐部の傾斜角度により同軸線路方向の放射パターンを制御することを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の同軸線路アンテナにおいて、前記円錐状の導電性の突起の底辺の円の直径が、アンテナが放射あるいは受信する電波の自由空間波長の２／３程度以上であることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の同軸線路アンテナにおいて、電波を放射あるいは受信する同軸線路の先端の後方の、アンテナが放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の位置に、放射あるいは受信する電波の波長より十分に大きな反射板を設けることを特徴とする。
【００１４】
〔６〕内導体と外導体間に誘電体を有する同軸線路の先端を、前記内導体だけを、放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の長さ残し、前記同軸線路の先端より電波を放射あるいは受信するアンテナで、前記同軸線路の先端の後方の、放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の位置に、放射あるいは受信する電波の波長より十分に大きな反射板を設けたアンテナにおいて、前記同軸線路の外導体の前方が、傾斜角を持った導電性の斜面を有する突起を有することを特徴とする。
【００１５】
〔７〕上記〔６〕記載の同軸線路アンテナにおいて、前記突起の斜面の傾斜角度を４０度程度以下とし、前記同軸線路の垂直方向のアンテナゲインを高くすることを特徴とする。
【００１６】
〔８〕上記〔６〕記載の同軸線路アンテナにおいて、前記突起の斜面の傾斜角度により、同軸線路方向の放射パターンを制御することを特徴とする。
【００１７】
〔９〕上記〔６〕、〔７〕又は〔８〕記載の同軸線路アンテナにおいて、前記突起の斜面が前方に、アンテナが放射あるいは受信する電波の自由空間波長の２／３程度以上あることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
まず本発明の第１実施例を示す同軸線路のアンテナについて説明する。
【００２０】
すべての実施例では、同じ同軸線路を用いている。
【００２１】
図１は本発明の第１実施例の同軸線路の構造を示す斜視図である。
【００２２】
この実施例では、銅の内導体１０１、外導体１０２とその間に挟まれているテフロン(登録商標）からなる誘電体１０３からなる。内導体１０１の直径Ｌ₁は０．２９ｍｍの円柱、外導体１０２は内径Ｌ₂が０．９４ｍｍ、外径Ｌ₃が１．１９ｍｍの円筒形となっている。誘電体１０３の誘電率は２．０２で、この線路の特性インピーダンスは５０Ωとなっている。この同軸線路の高次のモードは、１１７ＧＨｚ以上で、その周波数までは単一モードの伝送が可能となっている。
【００２３】
第１実施例で、６８ＧＨｚ同軸線路アンテナを説明する。
【００２４】
図２は本発明の第１実施例を示す同軸線路アンテナをその斜め上方から見た斜視図、図３はその同軸線路アンテナの側面図、図４はその同軸線路アンテナの断面寸法を示す図である。
【００２５】
これらの図において、２００は同軸線路、２０１は内導体、２０２は外導体、２０４は傘状（円錐状）のひさし（突起）、２０６は固定ネジである。
【００２６】
これらの図から明らかなように、第１実施例では、同軸線路２００の先端で、内導体２０１のみ１．２ｍｍ（Ｌ₅）残しており、ここより電波が放射される。さらにこの第１実施例では、アルミニウムで加工した傘状（円錐状）のひさし２０４を設けている。この傘状のひさし２０４の半径Ｌ₄は１０ｍｍ、高さＬ₆は５ｍｍ（図５参照）であり、図４に示す固定ネジ２０６で同軸線路２００と固定されている。同軸線路２００の下の端（図４のポートｐｏｒｔＡ）は、この実施例では、図には記載されていないが導波管同軸変換器を通してＷＲ１５矩形導波管に変換し、アンテナの特性を評価した。
【００２７】
前述したように、ｐｏｒｔＡはＷＲ１５矩形導波管に変換される。このＷＲ１５の矩形導波管より６８ＧＨｚの信号を入力すると、その６８ＧＨｚの信号は同軸線路２００に伝わり、先端を１．２ｍｍ残した内導体２０１より空間に放射される。このとき、従来技術で述べたように、外導体２０２にも電流が流れる。
【００２８】
本発明では、外導体２０２には傘状のひさし２０４が設けてあるため、外導体２０２に流れる電流は傘状のひさし２０４の表面を流れることになる。電波は、先端の内導体２０１を流れる電流と傘状のひさし２０４を流れる電流により放射される。放射の方向は、水平面内は同一の強度で、垂直面内はひさし２０４の角度αにより制御される。この実施例では、傘状の斜面の傾斜角度αを２８度（図４参照）としたため、垂直面内は、ほぼ水平方向の強度が強くなっている。
【００２９】
以上のように、第１実施例では、同軸線路２００の先端の外導体２０２に傘状のひさし２０４を設けたので、その傾斜角度αによって同軸線路アンテナの垂直面内での放射パターンの制御が可能となった。傘状のひさし２０４の傾斜角度αと垂直面内での放射パターンの関係については、電磁界解析を用い詳細に検討を行った。
【００３０】
電磁界解析で用いた形状を図５に示す。解析では傘状のひさし２０４の傾斜角度αの値を変え、周波数が６８ＧＨｚの場合の、垂直面内での放射パターンを計算した。計算結果を図６及び図７に示す。
【００３１】
図６及び図７では、垂直方向からの角度θ（図５参照）を角度方向、半径方向をアンテナゲインとした極座標で放射パターンを表している。図６に示すように、α＝９０度は傘状のひさしが無い場合である。傘状のひさしが無いと、放射パターンはθ＝１４０度（あるいは２２０度）方向の強度が高くなっている。
【００３２】
角度αを減らして行くと、α＝５６度では、図６に示すように、θ＝１２０度（あるいは２４０度）方向が、α＝４３度では、図７に示すように、θ＝１１０度（あるいは２５０度）方向がアンテナゲイン最大の方向に変わっていくのが分かる。
【００３３】
また、図７から明らかなように、α＝３４度あるいは２８度としたときは、ほぼ水平方向〔θ＝９０度（あるいは２７０度）〕の強度が強くなっており、さらに、最大のアンテナゲインも約５ｄＢと高い値が得られる。
【００３４】
以上の計算結果で示したように、傘状のひさし２０４を設けその傘状のひさし２０４の傾斜角度αを４０度程度以下とすることにより、水平方向が最大強度となるように制御することが可能であり、さらに最大のアンテナゲインも増大することが分かった。第１実施例で述べた同軸線路アンテナでは、傘状のひさし２０４の傾斜角度を２８度としたので、水平〔θ＝９０度（あるいは２７０度）〕方向で最大のアンテナゲイン、約５ｄＢが得られた。
【００３５】
第１実施例では水平方向が最大のアンテナゲインとなるようにしたが、傾斜角度を変えることにより、最大のアンテナゲインとなる放射角度が制御できる。例えば、図６より傾斜角度αを５６度とすると、水平方向より下方２０度〔θ＝１１０度（あるいは２５０度）〕の方向で最大のアンテナゲインが得られる。
【００３６】
次に、電磁界解析で計算し、傘状のひさし２０４の大きさがどの程度必要か検討した。解析で用いた構造は図５に示した構造で、傘状のひさし２０４の傾斜角度αを３０度とし、その傘状のひさし２０４を半径Ｒの円筒で切り取り、切り取る円筒の半径Ｒを変えた時の放射パターンを比較した。
【００３７】
図２０に得られた結果を示した。図２０より、Ｒを３ｍｍ程度以上とると、水平方向の放射強度を最大とすることが出来ることが分かり、Ｒを７ｍｍ程度以上とすると最大のアンテナゲインも増大することが分かった。なお、半径Ｒの数値は、アンテナの放射あるいは受信する電波の自由空間波長で規格化して考えるべきであり、以上で述べた場合は６８ＧＨｚの電波なので、自由空間波長は４．４ｍｍで規格化して考える必要がある。つまりＲを放射あるいは受信する電波の自由空間波長の２／３程度以上とすると、水平方向の放射強度を最大とすることが出来ることとなる。
【００３８】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３９】
図８は本発明の第２実施例の６８ＧＨｚ同軸線路アンテナを斜め上方から見た斜視図である。
【００４０】
この図において、２１０は台座で、図には記載されていないがＷＲ１５矩形導波管に接続される。また、２１１は反射板である。
【００４１】
この図ではアンテナ放射部のみを示しているが、同軸線路２００の他の端は、ＷＲ１５矩形導波管２１０に変換し、アンテナ特性を評価した。第２実施例では、第１実施例に比べ、材質がアルミニウムの円錐状のひさし２０８の大きさを小さくすると共に、同軸線路２００の後方に材質がアルミニウムの反射板２１１を設けている。
【００４２】
図９にその同軸線路アンテナの寸法を示した。反射板２１１の幅Ｌ₇は２０ｍｍ、円錐状のひさし２０８の直径Ｌ₈は８ｍｍであり、同軸線路２００と反射板２１１の間隔は、約λ／４（λ：自由空間波長）である１．２５ｍｍとした。以下、その６８ＧＨｚ同軸線路アンテナの動作について説明する。
【００４３】
第２実施例では、第１実施例と同様に、同軸線路２００の端の外導体２０２の外側に、傾斜角度が３６度の円錐状のひさし２０８を設けており、外導体２０２に流れる電流はこの円錐状のひさし２０８を流れることになる。このため、第１実施例と同様に、垂直面内での放射パターンは、水平方向にアンテナゲインの最大値を持つ。
【００４４】
更に、第２実施例では、第１実施例に加え、同軸線路アンテナの後方に反射板２１１を設けている。反射板２１１の大きさは、アンテナより放射する電波の周波数の自由空間波長より十分大きければよく、実施例では放射する電波の周波数は６８ＧＨｚ、その自由空間波長は４．４ｍｍで、反射板２１１の大きさは幅２０ｍｍと十分な大きさとなっている。
【００４５】
反射板２１１の位置は、同軸線路放射部より後方１．２５ｍｍで、自由空間波長の約１／４となっている。このため、同軸線路放射部より後方に放射した電波は、反射板２１１で反射し位相が反転し前方に進む。同軸線路放射部より前方に進む波とこの反射波は位相が同一となるため、前方に進む電波は強度が増大する。
【００４６】
以上説明したように、第２実施例のアンテナでは、垂直面内の放射パターンは水平方向に最大の強度を持ち、水平面内の放射パターンは前方に最大の強度を持つ。なお、水平面内での放射パターン、たとえば３ｄＢゲインの半値角は、反射板の位置を少しずらすことで変えることが出来る。
【００４７】
以上述べたように、第２実施例では第１実施例に加え、後方に反射板を設けたため、垂直面内では水平方向がアンテナゲインの最大方向となるだけでなく、水平方向ではアンテナの前方がアンテナゲインの最大となる。また放射パターンが絞られたため、最大のアンテナゲインも第１実施例より高い値が得られる。このことを定量的に示すために、第２実施例のアンテナの放射パターンの計算値を、垂直面内は図１０に、水平面内は図１１に示す。また実際に得られた放射パターンとアンテナゲインを図１２、図１３、図１４に示す。
【００４８】
図中のθ，φは極座標での角度で、図８中にも示したが、θは垂直面内の垂直方向からの角度、φは水平面内の前方からの角度を表す。第２実施例では、垂直面内では図１０より、θ＝９０度の水平方向がアンテナゲインの最大値となっており、図１１より水平面内では前方にのみアンテナゲインが高い値を持っていることが分かる。最大のアンテナゲインは６〜７ｄＢが得られており、第１実施例に比べ高い値が得られている。実測された値、図１２〜１４も計算値とほぼ一致している。
【００４９】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００５０】
第３実施例で作製した６８ＧＨｚのアンテナを斜め上から見た図を図１５に、その寸法を図１６に示す。第３実施例では、第２実施例と比べ、第２実施例で設けていた同軸線路の先端の外導体に接して付けた円錐状のひさし２０８を、直線状のひさし２０９としたことが異なる。ひさしの材質はアルミニウムとした。ひさし以外は第２実施例と同じである。また、図１６に示すように、直線状のひさし２０９のＬ₉は４ｍｍ、高さＬ₁₀は２．５ｍｍである。
【００５１】
以下、この第３実施例の動作について説明する。
【００５２】
第３実施例では、第２実施例と同様に、同軸線路アンテナ放射部の後方に反射板を設けた。これにより、同軸線路２００からの電波は前方に放射される。電波が前方に放射される場合、その電波に対し、外導体に設けたひさし２０９に流れる電流のうち前方に流れる電流が放射に寄与するため、ひさしの形状は第３実施例のように前方向のみに傾いた直線状のひさし２０９で十分である。
【００５３】
第３実施例の形状のアンテナの放射パターンを電磁界解析で計算した。計算結果を図１７、図１８に示す。
【００５４】
第３実施例では直線状のひさしを外導体に設けたが、放射パターンは、垂直面内では第１実施例、第２実施例と同様に水平方向の放射強度が強くなっており、また、水平面内の放射パターンも前方にのみ放射していることが分かる。アンテナゲインも約６ｄＢｉと高い値が得られている。
【００５５】
第３実施例では直線状のひさしを設けたが、図１９に示すように、反射板およびひさしを傾け、水平面内での放射パターンの放射角度を制御することも可能である。つまり、図１９のＲｅｆｌｅｃｔｏｒＡｎｇｌｅを１８０度より大きくすれば水平面内の放射角度は広がり、１８０度より小さくすれば放射角度が狭まる。
【００５６】
更に、本発明によれば、以下のような利用形態を有することができる。
【００５７】
本発明の同軸線路アンテナは、構造が簡単で小型化できることより、小型無線装置のアンテナとして用いることが出来る。水平方向の放射角度が広いことより、基地局用アンテナ、あるいはアドホック的に送受信する無線ＬＡＮシステムのアンテナとして有用である。また、広い領域をモニターする無線センサーのアンテナとしても有用である。
【００５８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、同軸線路形状が小さくなった場合にも実現が可能であり、構造が簡単で小型化できる同軸線路アンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の同軸線路の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例の同軸線路アンテナを斜め上から見た斜視図である。
【図３】本発明の第１実施例を示す同軸線路アンテナの側面図である。
【図４】本発明の第１実施例を示す同軸線路アンテナの断面寸法を示す図である。
【図５】電磁界解析で用いた構造と放射角度（θ）を示す図である。
【図６】α＝９０，７４，５６度としたときの放射パターンを示す図である。
【図７】α＝４３，３４，２８度としたときの放射パターンを示す図である。
【図８】本発明の第２実施例の同軸線路アンテナを斜め上から見た斜視図である。
【図９】本発明の第２実施例を示す同軸線路アンテナの正面寸法を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例のアンテナの垂直面内での放射パターンの計算値を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例のアンテナの水平面内での放射パターンの計算値を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施例のアンテナの垂直面内での放射パターンの実測値を示す図である。
【図１３】本発明の第２実施例のアンテナの水平面内での放射パターンの実測値を示す図である。
【図１４】本発明の第２実施例のアンテナのアンテナゲインの周波数依存性の実測値（θ＝９０°、φ＝０°）を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施例を示す同軸線路アンテナを斜め上から見た斜視図である。
【図１６】本発明の第３実施例を示す同軸線路アンテナの側面寸法を示す図である。
【図１７】本発明の第３実施例のアンテナの垂直面内の放射パターンを示す図である。
【図１８】本発明の第３実施例のアンテナの水平面内の放射パターンを示す図である。
【図１９】本発明の第３実施例の変形例を示す図である。
【図２０】本発明の円錐のひさしを半径Ｒの円筒形状に切り取ったときの放射パターンを示した図である。
【符号の説明】
１０１，２０１内導体
１０２，２０２外導体
１０３誘電体
２００同軸線路
２０４傘状（円錐状）のひさし（突起）
２０６固定ネジ
２０８円錐状のひさし
２０９直線状のひさし
２１０台座
２１１反射板

Claims

内導体と外導体間に誘電体を有する同軸線路の先端を、前記内導体だけを、放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の長さを残し、前記同軸線路の先端より電波を放射あるいは受信するアンテナにおいて、前記同軸線路の外導体に円錐状の導電性の突起を設けることを特徴とする同軸線路アンテナ。
請求項１記載の同軸線路アンテナにおいて、前記円錐状の導電性の突起の円錐部の傾斜角度を４０度程度以下とし、前記同軸線路の垂直方向のアンテナゲインを高くすることを特徴とする同軸線路アンテナ。
請求項１記載の同軸線路アンテナにおいて、前記円錐状の導電性の突起の円錐部の傾斜角度により同軸線路方向の放射パターンを制御することを特徴とする同軸線路アンテナ。
請求項１、２又は３記載の同軸線路アンテナにおいて、前記円錐状の導電性の突起の底辺の円の直径が、アンテナが放射あるいは受信する電波の自由空間波長の２／３程度以上であることを特徴とする同軸線路アンテナ。
請求項１、２、３又は４記載の同軸線路アンテナにおいて、電波を放射あるいは受信する同軸線路の先端の後方の、アンテナが放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の位置に、放射あるいは受信する電波の波長より十分に大きな反射板を設けたことを特徴とする同軸線路アンテナ。
内導体と外導体間に誘電体を有する同軸線路の先端を、前記内導体だけを、放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の長さ残し、前記同軸線路の先端より電波を放射あるいは受信するアンテナで、前記同軸線路の先端の後方の、放射あるいは受信する電波の波長の１／４程度の位置に、放射あるいは受信する電波の波長より十分に大きな反射板を設けたアンテナにおいて、前記同軸線路の外導体の前方が、傾斜角を持った導電性の斜面を有する突起を有することを特徴とする同軸線路アンテナ。
請求項６記載の同軸線路アンテナにおいて、前記突起の斜面の傾斜角度を４０度程度以下とし、前記同軸線路の垂直方向のアンテナゲインを高くすることを特徴とする同軸線路アンテナ。
請求項６記載の同軸線路アンテナにおいて、前記突起の斜面の傾斜角度により、同軸線路方向の放射パターンを制御することを特徴とする同軸線路アンテナ。
請求項６、７又は８記載の同軸線路アンテナにおいて、前記突起の斜面が前方に、アンテナが放射あるいは受信する電波の自由空間波長の２／３程度以上あることを特徴とする同軸線路アンテナ。