JP2004512720A - 小型アンテナの実効高の増大方法、小型アンテナの指向性の提供方法およびこれらの方法のための小型アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は無線工学に関し、様々な用途の小型のアンテナ・アセンブリを開発するために利用することができる。前記発明は、アンテナの実効高をかなり増加させ、放射波及び吸収波の伝搬方向に向けられた寸法が波長の４分の１より短い指向性アンテナ・アセンブリを開発することを可能にする。本発明の小型アンテナ・アセンブリは、リアクタンス部品（８）および誘導コイルを含んだ発振回路を備える。前記リアクタンス部品（８）は、金属板の対（１１）が設けられたコンデンサの形に実現される。前記板（１１）の間の空間は、誘電性物質で区分けされた導電性物質の粒子（１０）を含んだ物質（９）で満たされている。前記板（１１）の間隔は、λを動作信号の波長としたときλ／４より小さく選択される。導電性物質は、数式（ωρ^２εμ／ｘ_ｏ）・１０^−１１≧１，（１／ρω）１０^１０）≫εとなるように選ばれる。ここでωは動作信号の周波数、ρは導電性物質の電気抵抗率（Ｏｈｍ・ｍ）、ε、μはそれぞれ物質の誘電率および透磁率、ｘ_ｏは作用する電界ベクトルと直角方向の断面における導体物質の粒子の最小寸法である。

Description

【０００１】
本発明は無線工学に関する。特に、電波システムに関連し、様々に適用される小型アンテナ装置の設計に適切に使用される。
【０００２】
既知のアンテナ装置を使用した電磁波エネルギーの放射と吸収は、アンテナの寸法が送受信信号の波長と等しいか、またはその４分の１の倍数であるときに最適に行われる。アンテナ装置の構成の実務では、しばしばアンテナの寸法を短縮することが必要になる。特に低い周波数で動作する場合およびアンテナの指向性を設ける場合である。
【０００３】
これらの目標は、アンテナ長を延長する既知の技術および高度の指向性アンテナの構成を利用することにより達成される。
【０００４】
アンテナ長を延長する技術は、Ｚ軸に沿って方向付けられた長さｌのアンテナの役割を果たす従来の発振器１についての下記の例に基づいて検討される（図１）。高調波発振器２は、アンテナに強弱を繰り返す電流Ｉ（ω，ｔ）を提供する。アンテナに沿った電流分布はＩ（ｚ）に対応する。このようなアンテナは、アンテナ実効高であるパラメータｈによって特徴付けられる。
【数１】

ここで、Ｉ_０は、アンテナ基部における電流の動作値である。
【０００５】
送信信号の波長をλとすると、ｌ＝λ／４の場合には式（１）から次式が導かれる。
ｈ＝（２／π）ｌ＝λ／２π＝ｈ_ｏｐｔ　　　　（２）
すなわち、最適な状況におけるアンテナの実効高ｈ_ｏｐｔは、実際の高さｌの０．６３７倍である。
【０００６】
図１ｂは、発振器１による電解および磁界の空間分布を示したものである。
【０００７】
ｌ＜λ／４（短縮されたアンテナ）のときは、ｈ＜ｈ_ｏｐｔとなる。前記不等式は図２ａ、ｂ、ｃに示されたアンテナを擬似的に延長する技術を使用している場合も保たれる。図２ａ、ｂ、ｃはそれぞれＴ形アンテナ３、Γ形アンテナ４およびその基部に追加インダクタンスＬを有するアンテナ５を説明している。このようなアンテナ延長技術は、アンテナに沿った電流Ｉ（ｚ）の最適な分布を与えることを可能にする。Ｔ形アンテナ３、Γ形アンテナ４の実効高ｈに関しは、ｌ＜λ／４のときにｈ＝ｌ、すなわちアンテナ自身の高さと等しくなる。追加インダクタンスを有するアンテナ５の場合は（図２ｃ）、ｈ＝ｌ／２、すなわち実効高はアンテナ高さの半分に等しくなる。
【０００８】
ダイポールアンテナの放射電力は、次式により決定されることが知られている
Ｐ_ｅｍ＝（ｋｈ^２Ｉ_ｏ ^２）／λ^２　　　　（３）
ここでｋ≒１６００である。（ｋｈ^２）／λ^２の値は、アンテナの実効抵抗ｒ_ｅｆである。放射抵抗ｒ_ｅｍは、２ｒ_ｅｆである。ｌ＜λ／４、すなわちｈ＜ｈ_ｏｐｔのとき、ｒ_ｅｆ≒４０オームである。
【０００９】
式（３）から明らかなように、ｌ＜λ／４のとき、放射抵抗は急激に低下する（ｒ_ｅｆ≡ｈ^２）。したがって例えば、ｈ＝（１／３）ｈ_ｏｐｔのとき、抵抗ｒ_ｅｆは、ほとんど１０分の１に減少する。ｌ≪λ／４のときｒ_ｅｍは、無視できるほどになり、その結果として所定のＰ_ｅｍの値を備えるために、電流Ｉ_Ｏを十分に強くする必要がある。それは、実用的な実現に際して困難を生ずる。さらに、ｒ_ｅｍの最適値からの大きな差は、アンテナと給電経路との整合の可能性を減少させる。
【００１０】
アンテナの指向性は、多くのアンテナ素子の適正な空間的配列によってもたらされることが知られている。さらにアンテナ素子間の間隔がλ／４の倍数であるときに、Ｐ_ｅｍの最適値が得られる。このような配置は、アンテナ素子（発振器）と無給電アンテナ素子との空間的結合が存在する際に、個々のアンテナ素子に必要な位相シフトを提供する。図３ａは、（ｘ，ｚ）平面内の半波長発振器６および反射器７の対称な配置の図である。そして図２ｂはそのようなアンテナの（ｘ，ｙ）平面上のパターンを示す。
【００１１】
したがって、アンテナにより送信（または受信）される電磁エネルギー（アンテナ利得）が伝搬する立体角の減少は、アンテナシステムの寸法の増大に影響を及ぼし、それはしばしば、通信装置の設計、特に比較的長い波長の領域の信号を使う必要に迫られる場合に深刻な技術上の問題を生ずる。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、前述した既知のアンテナの欠点のないアンテナ装置を提供し、指向性アンテナの電波の伝搬方向の範囲を減少した、小さな装置寸法のアンテナ実効高を増大させる可能性を提供することにある。
【００１３】
さらに具体的にいうと、本発明の目的は、アンテナ内でもたらされた電気力学的作用の性質が、最終的に実効抵抗の増大すなわち実効高の増大をもたらすアンテナ装置を提供することであり、さらにそのようなアンテナによる電磁界の一時的な空間分布の性質が、λ／４より短い間隔にあるアンテナ装置と無給電発振器の間の電気的な相互関係によって、放射された電波の伝搬の指向性を提供する、アンテナ装置を提供することにある。
【００１４】
達成されるべき技術的効果は、アンテナ装置の放射抵抗の著しい増大、その結果生じるｌ＜λ／４およびｌ≪λ／４の寸法によるアンテナ実効高の増大、および送信および吸収される電磁波の伝搬の主方向において、波長の４分の１より十分に小さい寸法を有する指向性アンテナ装置を作り出す実現性である。
【００１５】
前記の技術的効果は、下記の本発明による小型アンテナ装置の実効高を増大する方法によって達成される。
【００１６】
本発明は、直列に接続された誘導コイルおよびリアクタンス素子を備えた発振ループの形に形成されたアンテナ素子であり、そのコイルのインダクタンスの値が信号の所定の周波数における発振ループの共振を与えるように選択され、そのリアクタンス素子は、金属板の対を有する容量の形で備えられ、前記板の間の空間には導電性物質の粒子を含む材料で満たされ、その粒子は、誘電性の充填材により区分されており、容量の板の間隔は、λ／４の値より小さくなるように選択されている。ここでλは、アンテナ装置上に作用する信号の波長である。導電性物質は、下記の条件を満足するように選択される。
（ωρ^２εμ／ｘ_ｏ）・１０^−１１≧１，（１／ρω）１０^１０≫ε
ここでωは動作信号の周波数である。ρは導電性物質特有の電気抵抗率（Ｏｈｍ・ｍ）である。ε、μはそれぞれ、媒質の比誘電率および比透磁率である。ｘ_ｏは、導電性物質粒子の切断面の最小寸法であり、切断面は作用する電界のベクトルの方向に直角である（ｃｍ）。
【００１７】
前記発振ループには信号が加えられ、信号はリアクタンス素子をまたがって発生するループ電圧を発生させ、リアクタンス素子を囲む空間にループ電圧による電界をもたらす。それにより、信号送信モードではリアクタンス素子の物質に加えられた信号エネルギーの蓄積が与えられる。その蓄積は、前記材料と前記動作信号の電磁界との電気力学的な相互作用によって発生し、その後、蓄積されたエネルギーはアンテナ装置近傍領域へ送信された電磁界のエネルギーへと変化し、そして電磁気力の束が形成される。
【００１８】
そして、信号受信状態では、外部電磁界のエネルギー束の吸収が与えられ、その吸収は、前記外部電磁界とアンテナ装置近傍領域におけるループ電圧の電界との相互作用により発生し、その後、供給されたエネルギーがリアクタンス素子の物質に蓄積され、受信信号エネルギーに変化する。
【００１９】
さらに、容量の板の領域は、既知の動作信号周波数および容量の板の間隔に対して、アンテナ装置の所定の送信周波数帯域の値の条件のもと、電気的静電容量の所要値を満足するように決定される。アンテナ装置の空間的方向は、送信または受信電磁波の電界の分極ベクトルが容量板の面に対して垂直になるように決定される。
【００２０】
容量の板の間の空間を埋める物質としては、高周波フェライトまたは、イオン含有液体が選択される。
【００２１】
前記技術的効果は、前記の方法の実現を意図された小型アンテナ装置によっても達成され、小型アンテナ装置は、上記で検討された容量として実装されているリアクタンス素子および誘導コイルおよびフィーダを備え、前記容量、誘導コイルおよびフィーダが直列に接続されている。
【００２２】
前記の装置は、さらに第２の誘導コイルを備え、両方の誘導コイルの第１の導線がフィーダに接続され、第２の導線は、対応する容量板に接続されている。
【００２３】
他の実施例では、装置はさらに第２のリアクタンス素子が第１のリアクタンス素子と同一の容量の形で実装され、第１および第２の容量の第１の板がフィーダに接続され、両容量の第２の板が、対応する誘導コイルの導線に接続され、フィーダとして同軸コイルが使用されている。
【００２４】
前記技術的効果は、小型アンテナの指向性を提供する方法によっても達成される。この方法によると、アンテナ素子が、直列に接続されたリアクタンス素子および誘導コイルを備えた発振ループの形で形成され、そのコイルのインダクタンスの値は、信号の所定の周波数における発振ループの共振を与えるように選択され、リアクタンス素子は、金属板の対を有する容量の形で備えられ、前記板の間の空間には導電性物質の粒子を含む材料で満たされ、その粒子は、誘電性の充填材により区分されており、容量の板の間隔は、λ／４の値より小さくなるように選択されている。ここでλは、アンテナ装置上で動作する信号の波長である。導電性物質は、下記の条件を満足するように選択される。
（ωρ^２εμ／ｘ_ｏ）・１０^−１１≧１，（１／ρω）１０^１０≫ε
ここでωは動作信号の周波数である。ρは導電性物質特有の電気抵抗率（Ω・ｍ）である。ε、μはそれぞれ、媒質の比誘電率および比透磁率である。ｘ_ｏは、導電性物質粒子の切断面の最小寸法であり、切断面は作用する電界のベクトルの方向に直角方向である（ｃｍ）。
【００２５】
前記発振ループはフィーダに接続され、追加アンテナ素子はリアクタンス素子からある間隔をおいてフィーダの導体の一つに接続され、その間隔は波長の４分の１より十分に小さい。前記発振ループには、リアクタンス素子をまたがって生成されるループ電圧を発生させ、リアクタンス素子および、追加アンテナ素子を囲む空間にループ電圧の電界をもたらす信号が加えられ、追加アンテナ素子はループ電圧の電界の対称性を変化させる。アンテナ・パターンは、ループ電圧の電界の対称性が破られるために、座標軸に関して非対称に形成される。
【００２６】
さらに、動作信号の２分の１または４分の１程度の長さの長さを有する追加アンテナは、ある間隔をおいて、フィーダの導体の一つに接続され、その間隔は波長の４分の１の０．１程度である。
【００２７】
この方法による小型アンテナ装置は、上述のように容量の形に実装されたリアクタンス素子、上述のように実装され、発振ループのすぐ近傍に配置された追加アンテナ素子およびフィーダを含んだ発振ループを備え、容量、誘導コイルおよびフィーダは直列に接続されている。そして追加アンテナ素子はフィーダの導体の１つに接続され、その間隔は波長の４分の１より十分に小さい。
【００２８】
本発明の創作において発明者は、その内部構造の電気力学的な作用が、前記素子を流れる電流と一致するまたは逆位相で作用する有効起電力の外形を与えるアンテナ素子を利用することにより、前記目的が原理的に達成可能であると考える。長さｌを有する延長された素子のための前記起電力のこのような作用は、上記素子において電流を作り出す発電機から生ずるエネルギーの追加的な発信または周囲の空間から吸収されるエネルギーの値の増大を生ずる。いいかえれば、この電気力学的作用は、ｌ＜λ／４またはｌ≪λ／４となる長さｌを有するアンテナの放射抵抗の増大と等価である。
【００２９】
発明者は、長さｌを有する延長された素子により送信（または吸収）された電磁的振動（信号）の電力が、素子それ自身の内部物質構造の要素と外界の信号源の電磁界の要素との相互関係により起こされる起電力が有効であるときに増大することを、確かめた。この電気力学的作用の効果は、ｌ＜λ／４またはｌ≪λ／４の場合におけるアンテナの放射抵抗ｒ_ｅｍの増大である。
【００３０】
理論的な検討および実験の結果として、外部電磁界の作用に依存している導体内において、σ／ω≫ε_ｒｅｌの条件の下では、電界と媒質との相互関係の有効起電力Ｕ^〜があらわれ、σがガウス系の単位で表現された導体の特有の導電率、ωを前記電波の振動の周波数、ε_ｒｅｌを媒質の比誘電率としたとき、次式で表されることを発明者は確かめた。
Ｕ^〜＝（ｑεμ／σ^２ｘ_ｏ）・∂Ｕ／∂ｔ　　　（４）
【００３１】
ここで、ｑは寸法係数、ε、μはそれぞれ媒質の誘電率および透磁率である（単位のＳＩ系ではε＝ε_ｒｅｌε_ｏ；μ＝μ_ｒｅｌμ_ｏであり、ここでε_ｒｅｌ、μ_ｒｅｌは比誘電率および比透磁率、ε_ｏ、μ_ｏは真空の誘電率および透磁率である。σは導体特有の導電率、ｘ_ｏは導電性素子の、作用する電界のベクトルと直角方向の切断面の最小寸法である。
【００３２】
式（４）の解析の結果により、前記電波システムが定められた目標を達成するためにどんな特長を有するかについて結論を下すことができる。式（４）は、与えられた素子の物質のεおよびμの値が大きくなり、また特有の導電率σの値が小さくなると、Ｕ^〜が高くなることの効果的な提示を明示する。Ｕ^〜（１／ｘ_ｏ）の依存性は、この素子がポインチング・ベクトルＳ＝［ＥＨ］の方向の同様の他の素子から空間的に隔離されていることを確かめる。さらにこのような素子は、電気発振生成器の動作のための電流Ｉ（ｔ）の経路の実現性を提供するに違いない。
【００３３】
前記の条件を満たすためには、アンテナ装置は、粒子の細かい構造の物質により作られた素子を備え、その粒子の要素は式（４）により定義される条件を満たし、そしてその構造において前記粒子自身がｘ_ｏ程度の寸法を有し、誘電性物質により区分されている。すなわち上記の素子は、基本的に容量すなわち回路のリアクタンス素子であり、容量の金属板の間に前記細かい粒子の物質が配置され、そして前記の板それ自身も集電板としての機能を果たす。
【００３４】
本発明は、典型的な実施例により説明され、添付する図により示される。
【００３５】
図４ａ、ｂ、ｃは、有効起電力Ｕ^〜のソースであるリアクタンス素子８の考えうる実施例を示す。図４ａ，ｂ，ｃが説明するように、リアクタンス素子８は、基本的には、ｘ_Ｏ程度の長さ寸法を有する誘電体の粒子１０を非接触の方法によって体積Ｖ＝ｌ×Ｓの中に拘束している誘電性の充填材９を有する静電容量である。ここでｌは長さ、Ｓは体積Ｖを有する幾何学的形状の底面の面積である。間隔ｌを隔てた素子８の端面には、面積Ｓを有する金属板１１が配置されている。誘電性粒子１０を拘束する誘電性の充填材９を構成する物質としては、様々なタイプの高周波フェライトまたは溶液を使うことができ、溶液は拘束する誘電体の役割を果たし、溶解された物質は誘電性粒子の機能を果たす。このような構造は、１／σ　≧１０^２の条件のとき十分に機能する。
【００３６】
図５ａ、ｂ、ｃ、ｄは、本発明によるアンテナ装置の実施例を説明する。図５ａによれば、リアクタンス素子８は、誘導コイル１２に直列に接続され、フィーダ１３に接続された発振ループを構成する。図５ｂ、５ｃは、対照的な接続の種類における同様の発振ループを示し、図５ｂによる実施例は２個の同一の誘導コイル１２，１２’を使用しており、そして図５ｃによる実施例は、２個のリアクタンス素子８，８’を使用する。図５ｄは、リアクタンス素子８領域の作用範囲の外に配置された誘導コイル１２を有する非対称的なループの実施例を示す。
【００３７】
図５ａによれば、容量Ｃを有する容量としてのリアクタンス素子８は、リアクタンス素子８から離れた参照番号１２で示されたインダクタンスＬを有する直列ループに包含されている。リアクタンス素子８の長さｌはｚ軸に沿って向けられている。ループＣＬは、フィーダ１３経由で供給された信号Ｕ（ｔ）の周波数ωとともに共振に同調させられる。そしてループの電流Ｉ_ｌｏ（ｔ）は直列回路Ｃ、Ｌを流れる。リアクタンス素子８にまたがって生成されるループ電圧Ｕ_ｌｏ（ｔ）は、共新周波数ωτ＝１／√ＬＣにおけるループ電流Ｉ_ｌｏ（ｔ）と位相が直交している。したがって、式（４）から分かる通り有効起電力Ｕ^〜（ｔ）もまたＵ_ｌｏ（ｔ）に対して位相が直交しているため、電流Ｉ_ｌｏ（ｔ）と反対方向に作用する（蓄積効果）。その結果、直列ループＣＬの共振が増幅、すなわちフィーダ１３の負荷ｚ_ｌｏが増幅する。積Ｕ^〜（ｔ）・Ｉ_ｌｏ（ｔ）＝Ｐ^〜（ｔ）は、フィーダ１３によりループＣＬのリアクタンス素子８に送信される電力を決定する。
【００３８】
標準的な発振器（図１ｂ）における電流Ｉ（ｚ）と対照的に、素子ＣおよびＬを通るその流れの異なる方向のために、従来のループの条件の下での電流Ｉ_ｌｏ（ｔ）が、全体のループを含んだ（ｘ，ｙ）平面上の磁界を作らないことは明らかである。しかし、リアクタンス素子８における有効起電力Ｕ^〜（ｔ）すなわちＥ_ｚ＝Ｅ^〜＝Ｕ^〜（ｔ）／ｌの出現は、マックスウェル方程式
ｒｏｔＨ^〜 _ｅｆ＝ε∂Ｅ^〜／∂ｔ　　　（５）
によって、（ｘ，ｙ）平面上にループＣＬを含む磁界Ｈ^〜 _ｅｆを生ずる。
【００３９】
式（５）から、時間軸に沿ったＨ^〜 _ｅｆの位相は、すでにＣＬループを取り囲んでいる近傍領域において電圧Ｕ_ｌｏ（ｔ）の位相すなわち、電界Ｅ_ｌｏ（ｔ）の位相と一致し、それはＩ_ｌｏ（ｔ）の発信周期の間ｄｉｖ［Ｅ_ｌｏＨ^〜 _ｅｆ］がゼロ以外であることを意味する。したがってアンテナとしてのループＣＬによって発信された電力はゼロ以外であり、次の割合により決定される。
【数２】

ここで、ｓは発信ループＣＬにより囲まれた面積であり、Ｐ_ｅｍ＝ｒ_ｅｆ・Ｉ_ｏ ^２は、アンテナ装置により送信された電力である。
【００４０】
したがって、リアクタンス素子の寸法がｌ＜λ／４およびｌ≪λ／４のとき、効果的な起電力Ｕ^〜（ｔ）の出現は、ｒ_ｅｍの増大を生じ、その結果リアクタンス素子８を含むアンテナ装置の実効高を増大させる。
【００４１】
さらに、上記で検討したように、本発明によるリアクタンス素子の実現の効果は、ループＣＬの近傍領域、すなわちリアクタンス素子８の近傍領域における放射束ｄｉｖ［Ｅ_ｌｏＨ^〜 _ｅｆ］の形成が、最大送信電力の方向における大きなアンテナ装置の寸法を増大することなく、そのようなアンテナ装置の指向性送信を達成する可能性を提供する。この増大は可能である。なぜなら、電界Ｅ_ｌｏの空間分布は、ループＣＬの幾何学的配列により定義されるからである。
【００４２】
図６ａ、ｂ、ｃは、リアクタンス素子８を備え、円形パターンと異なるパターンを有するアンテナ装置の種類をしめす。
【００４３】
図６ａは、対照的に接続した種類の発信ループの形（図５ｃ）により実現され、２つのリアクタンス素子８，８’を含むアンテナ装置を示す。そしてインダクタンスＬは、０．３λ／４程度の寸法を有するフレーム１４として実現されうる。自己誘導の起電力 Ｌ　ｄＩ／ｄｔ は電界Ｅ_ｌｏの作用と反対方向の電界Ｅ_Ｌを作り出し、したがって、ｙ軸方向のポインチング・ベクトル［ＥＨ］は弱くなる。このようなアンテナ装置のパターンを図７ａに示す。
【００４４】
図６ｂは、容量Ｃとしてのリアクタンス素子８、誘導コイル１２、１２’を含む発信ループを備えたアンテナ装置を示す。このループは、同軸フィーダの出力に接続され、さらに長さｌ_ｒｅｆ≒λ／４を有する追加発振器１５を備える。発振器は、同軸フィーダの外側導体（網線）に接続され、リアクタンス素子８からは、ａ≒０．１λ／４の間隔を隔てて配置されている。図６ｂによる実施例における追加発振器１５の非対称的な接続に対して、図６ｃに示されるアンテナ装置の種類では、長さｌ_ｒｅｆ≒λ／２を有する対称的に接続された発振器１５を備える。図６ｂの非対称的接続および図６ｃの対称的接続の両方の発振器１５の接続の種類において、発振器１５がループの構成要素として作用する、この合成体の結合ループにおける束［ＥＨ］の形成は、ｙ軸に沿って偏って発生する。図６ｂおよび図６ｃによるアンテナ装置のパターンは、図７ｂおよび図７ｃにそれぞれ示される。
【００４５】
本発明によって実現され、指向性を有する送信を形成する方法を備えるアンテナ装置は、０．１λ／４程度の長さのリアクタンス素子８の様々な値の長さｌにおいて、１．１÷１．２程度の定常波比を実現することを可能とする。これらのアンテナ装置のさらなる利点は、フィーダ１３の電波インピーダンスと自己整合する負荷としてのループＣＬをその中に含んでいることである。
【００４６】
本発明によるアンテナ装置の送信周波数の帯域は、リアクタンス素子８の寸法を変える方法によってその容量Ｃの値を選択することにより決定される。
【００４７】
本発明によるアンテナ装置は、同軸ケーブルとアンテナの接続を対称にする措置をとる必要なく、同軸ケーブルであるフィーダにより動作することができる。
【００４８】
本発明によるアンテナ装置の種類は、通信システム、無線検出および測拒への応用などにおける様々な目的の無線工学装置の設計の分野において広く適用可能であり、例えば図６ｂで説明されるような、請求されたアンテナ装置の種類は、移動通信無線電話に利用されうる。そこでは危険なレベルの送信信号電力から利用者を守る方法（図７ｂ）が採用される。
【００４９】
提案されたアンテナ装置の実験に基づく設計は、送信および受信モードの双方において１０ＭＨｚから１．５ＧＨｚの動作周波数の範囲で試験された。リアクタンス素子の材料として、高周波フェライトおよび様々な水溶液の工業製品が用いられる。達成された結果は、上記に列挙された本発明によるアンテナ装置の性能データに対応している。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
先行技術による垂直直線アンテナおよびそこにおける電流分布を示す図である。
【図１ｂ】
図１ａに示されるアンテナにおける場の空間分布を示す図である。
【図２ａ】
ｌ＜λ／４のとき、アンテナを延長する既知の方法において実現された様々なアンテナを示す図である。
【図２ｂ】
ｌ＜λ／４のとき、アンテナを延長する既知の方法において実現された様々なアンテナを示す図である。
【図２ｃ】
ｌ＜λ／４のとき、アンテナを延長する既知の方法において実現された様々なアンテナを示す図である。
【図３ａ】
送信の方向特性を有する既知のアンテナを示す図である。
【図３ｂ】
図３ａによるアンテナのパターンを示す図である。
【図４ａ】
本発明による有効起電力Ｕ^〜のソースとなるリアクタンス素子の実施例を示す図である。
【図４ｂ】
本発明による有効起電力Ｕ^〜のソースとなるリアクタンス素子の実施例を示す図である。
【図４ｃ】
本発明による有効起電力Ｕ^〜のソースとなるリアクタンス素子の実施例を示す図である。
【図５ａ】
本発明によるアンテナ装置の実施例を示す図である。
【図５ｂ】
本発明によるアンテナ装置の実施例を示す図である。
【図５ｃ】
本発明によるアンテナ装置の実施例を示す図である。
【図６】
本発明による指向性アンテナの実施例を示す図である。
【図７】
図６によるアンテナ装置のパターンを示す図である。

Claims (31)

1. 小型アンテナの実効高を増大させる方法であって、
   直列に接続されたリアクタンス素子および誘導コイルを含む発振ループであって、信号の所定の周波数において前記発振ループが共振するように前記コイルのインダクタンスの値が選択された発振ループの形にアンテナ素子を形成するステップ、
   金属板の対を有し、前記板の間の空間が導電性物質の粒子を含んだ材料で満たされた容量であって、前記粒子が誘電性の充填材で区分けされ、λを前記アンテナ装置に作用する信号の波長としたとき前記容量の板の間隔がλ／４であり、ωを動作信号の周波数、ρを導電性物質特有の電気抵抗率（Ｏｈｍ・ｍ）、εを媒体の比誘電率、μを媒体の比透磁率、ｘ_ｏを作用する電界のベクトルと垂直方向の断面における導電性物質の粒子の断面の最小寸法（ｃｍ）としたときに、前記導電性材料が次の条件を満たすように選択された容量の形にリアクタンス素子を設けるステップ、
   （ωρ^２εμ／ｘ_ｏ）・１０^−１１≧１，（１／ρω）１０^１０≫ε
   前記リアクタンス素子にまたがって発生するループ電圧を発生させかつ前記リアクタンス素子を囲む空間に前記ループ電圧の電界をもたらす信号を、前記発振ループに加えるステップ、
   これにより、信号送信状態において、前記リアクタンス素子の材料に加えられた信号エネルギーの蓄積であって、前記材料と動作信号の電磁界との電気力学的な相互作用によって発生し、その後前記アンテナ装置の近傍領域へ送信される電磁界のエネルギーへと変化し電磁気力の束を形成するエネルギーの蓄積を与えるステップ、および
   信号受信状態において、外部電磁界のエネルギー束の吸収であって、前記外部電磁界と前記アンテナ装置の近傍領域における前記ループ電圧の電界との相互作用により発生し、その後供給されたエネルギーがリアクタンス素子の前記材料に蓄積され受信信号エネルギーに変化するエネルギー束の吸収を与えるステップを備えた方法。
2. 前記アンテナ装置により提供される送信周波数帯域幅の所定の値、前記動作信号の周波数の既知の値および前記容量の板の既知の間隔とともに、所要の電気容量の値を満たすように、容量の板の前記面積が決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 送信または受信される電磁波の電界の分極ベクトルと前記容量の板が垂直になるように、前記アンテナ装置の空間的配置が決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、高周波数フェライトを選択することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、イオンを含有する液体を選択することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
6. 発振ループの形状をしており、金属板の対を有する容量の形状に実装されたリアクタンス素子を含み、前記金属板の間の空間が導電性物質の粒子を含む材料で満たされ、前記粒子が誘電性の充填材により区分けられ、λを前記アンテナに作用する信号の波長とするとき前記容量の板の間隔がλ／４より小さく選択され、ωを動作信号の周波数、ρを導電性物質特有の電気抵抗率（Ｏｈｍ・ｍ）、εを媒体の比誘電率、μを媒体の比透磁率、ｘ_ｏを作用する電界のベクトルと垂直方向の断面における導電性物質の粒子の断面の最小寸法（ｃｍ）とするとき前記導電性材料が次の条件を満たすように選択されたアンテナ素子、
   （ωρ^２εμ／ｘ_ｏ）・１０^−１１≧１，（１／ρω）１０^１０≫ε
   誘導コイルおよび
   フィーダを備え、
   前記容量、前記誘導コイルおよび前記フィーダが直列に接続されている小型アンテナ装置。
7. 送信または受信される電磁波の電界の分極ベクトルと前記容量の板が垂直になるように、前記アンテナ装置の空間的配置が決定されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記アンテナ装置により提供される送信周波数帯域幅の所定の値、前記動作信号の周波数の既知の値および前記容量の板の既知の間隔とともに、所要の電気容量の値を満たすように、前記容量の板の面積が決定されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. さらに第２の誘導コイルを備え、両方の誘導コイルの第１の導線を前記フィーダに接続し、第２の導線を容量の対応する板に接続したことを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 第１のリアクタンス素子と同一であり、容量の形状をした第２のリアクタンス素子をさらに備え、第１および第２の容量の第１の導線をフィーダに接続し、第２の容量の板を誘導コイルの対応する導線に接続することを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、高周波数フェライトを選択することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、イオンを含有する液体を選択することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記フィーダとして同軸ケーブルが使用することを特徴とする請求項６から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 小型アンテナの実効高を増大させる方法であって、
    直列に接続されたリアクタンス素子および誘導コイルを含む発振ループであって、信号の所定の周波数において前記発振ループが共振するように前記コイルのインダクタンスの値が選択された発振ループの形に、アンテナ素子を形成するステップ、
    金属板の対を有し、前記板の間の空間が導電性物質の粒子を含んだ材料で満たされた容量であって、前記粒子が誘電性の充填材で区分けされ、λを前記アンテナ装置に作用する信号の波長としたとき前記容量の板の間隔がλ／４であり、ωを動作信号の周波数、ρを導電性物質特有の電気抵抗率（Ｏｈｍ・ｍ）、εを媒体の比誘電率、μを媒体の比透磁率、ｘ_ｏを作用する電界のベクトルと垂直方向の断面における導電性物質の粒子の断面の最小寸法（ｃｍ）としたときに、前記導電性材料が次の条件を満たすように選択された容量の形にリアクタンス素子を設けるステップ、
    （ωρ^２εμ／ｘ_ｏ）・１０^−１１≧１，（１／ρω）１０^１０≫ε
    前記発振ループを前記フィーダに接続するステップ、
    追加アンテナ素子を、前記リアクタンス素子から波長の４分の１より十分に小さい間隔を隔てた位置において、前記フィーダの導体の１つに接続するステップ、
    前記リアクタンス素子にまたがって発生するループ電圧を発生させ、かつ前記ループ電圧の電界の対称性を変化させる追加アンテナ素子および前記リアクタンス素子を囲む空間に前記ループ電圧の電界をもたらす信号を、前記発振ループに加えるステップ、および
    対称性が破られた前記ループ電圧のために、座標軸に関して非対称のアンテナ・パターンを形成するステップを備えた方法。
15. 前記アンテナ装置により提供される送信周波数帯域幅の所定の値、前記動作信号の周波数の既知の値および前記容量の板の既知の間隔とともに、所要の電気容量の値を満たすように、前記容量の板の面積が決定されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、高周波数フェライトを選択することを特徴とする請求項１４または１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、イオンを含有する液体を選択することを特徴とする請求項１４または１５のいずれかに記載の方法。
18. 前記フィーダとして同軸ケーブルが使用することを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記追加アンテナ素子を、前記リアクタンス素子から波長の４分の１の０．１程度の距離を隔てた位置において、前記フィーダの導体の１つに接続することを特徴とする請求項１４から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記追加アンテナ素子を、その長さが動作信号の波長の４分の１程度の長さとなるように選択することを特徴とする請求項１４から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記追加アンテナ素子を、その長さが動作信号の波長の２分の１の程度の長さとなるように選択することを特徴とする請求項１４から１９のいずれか一項に記載の方法。
22. 金属板の対を有する容量の形状に実装され、前記金属板の間の空間が導電性物質の粒子を含む材料で満たされ、前記粒子が誘電性の充填材により区分けられ、λを前記アンテナに作用する信号の波長とするとき前記容量の板の間隔がλ／４より小さく選択され、ωを動作信号の周波数、ρを導電性物質特有の電気抵抗率（Ｏｈｍ・ｍ）、εを媒体の比誘電率、μを媒体の比透磁率、ｘ_ｏを作用する電界のベクトルと垂直方向の断面における導電性物質の粒子の断面の最小寸法（ｃｍ）としたときに、前記導電性材料が次の条件を満たすように選択されたリアクタンス素子および誘導コイルを含む発振ループ、
    （ωρ^２εμ／ｘ_ｏ）・１０^−１１≧１，（１／ρω）１０^１０≫ε
    発振ループのすぐ近傍に配置された追加アンテナ素子および
    フィーダを備え、
    前記容量、前記誘導コイルおよび前記フィーダが直列に接続され、追加アンテナが前記リアクタンス素子から波長の４分の１より十分に小さい間隔を隔てた位置において、前記フィーダの導体の１つに接続されている小型アンテナ装置。
23. 前記アンテナ装置により提供される送信周波数帯域幅の所定の値、前記動作信号の周波数の既知の値および前記容量の板の既知の間隔とともに、所要の電気容量の値を満たすように、前記容量の板の面積が決定されることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
24. さらに第２の誘導コイルを備え、両方の誘導コイルの第１の導線を前記フィーダに接続し、第２の導線を容量の対応する板に接続したことを特徴とする、請求項２２または２３のいずれかに記載の装置。
25. 第１のリアクタンス素子と同一であり、容量の形状をした第２のリアクタンス素子をさらに備え、第１および第２の容量の第１の導線をフィーダに接続し、第２の容量の板を誘導コイルの対応する導線に接続することを特徴とする、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の装置。
26. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、高周波数フェライトを選択することを特徴とする請求項２２から２５のいずれか一項に記載の装置。
27. 前記容量の板の間の空間を充填する材料として、イオンを含有する液体を選択することを特徴とする請求項２２から２５のいずれか一項に記載の装置。
28. 前記フィーダとして同軸ケーブルを使用することを特徴とする請求項２２から２７のいずれか一項に記載の装置。
29. 前記追加アンテナ素子を、前記リアクタンス素子から波長の４分の１の０．１程度の距離を隔てた位置において、前記フィーダの導体の１つに接続することを特徴とする請求項２２から２８のいずれか一項に記載の装置。
30. 前記追加アンテナ素子を、その長さが動作信号の波長の４分の１程度の長さとなるように選択することを特徴とする請求項２２から２９のいずれか一項に記載の装置。
31. 前記追加アンテナ素子を、その長さが動作信号の波長の２分の１程度の長さとなるように選択することを特徴とする請求項２２から２９のいずれか一項に記載の装置。