JP2005210251A - Twin loop antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、UHF帯のテレビ電波を受信するのに用いられる双ループアンテナに関するものである。 The present invention relates to a dual loop antenna used for receiving UHF band television waves.
従来、双ループアンテナは、UHF帯のテレビ送信用のアンテナとして広く用いられている(例えば、特許文献1参照)。図10は特許文献1に記載された従来の双ループアンテナ101を示している。1波長分の周囲長λを持つ一対のループ素子102、103を平行線路104に接続し、同軸線路106と平行な導体線112を配置してなる平衡−不平衡回路105を経由し、前記平行線路104の中央部にアンテナ給電部となる同軸線路106に接続してアンテナとしていた。なお、図10(a)は双ループアンテナ101の正面図、図10(b)はその側面図である。
Conventionally, the twin loop antenna has been widely used as an antenna for television transmission in the UHF band (see, for example, Patent Document 1). FIG. 10 shows a conventional
また、従来の双ループの形状を小型化したさせたものとして、例えば、特許文献2に記載されているようなものがあった。図11は特許文献2に記載された双ループアンテナで、変形されたループ素子107、108の中央出力部にインピーダンス特性が変化する平衡線路109を接続し、前記平衡線路109の中央で給電させる双ループアンテナの実現例である。
しかしながら、図10に示す前記従来の双ループアンテナの構成では、双ループアンテナ出力インピーダンスを設定するショート板110を必要とし、アンテナ平衡出力を同軸線路に給電する為に、同軸線に平行に置かれた導体線112とショート板110からなる平衡−不平衡変換(特許文献1に記載のバランと同義語)回路105を必要とする複雑な構造である。また、双ループアンテナを構成する平行線路の中央部の出力インピーダンスは特許文献1に解説されているように、概ね100〜200Ωであり、一般的に使用される通常同軸ケーブルのインピーダンス75オームから大きく離れている。したがって、テレビジョン放送のUHF帯域470MHzから770MHzまでを全てカバーすることは困難であった。
However, the configuration of the conventional double loop antenna shown in FIG. 10 requires a
また、図10に示す構造の双ループアンテナは、テレビ放送の送信アンテナに用いられており、寸法サイズを小型化することにあまり着目されず、平行線路長Lを使用する波長λの概ね1/2としていた。しかるに、テレビ受信アンテナとして用いるには寸法を小型にすることが必要であり、アンテナ性能である利得、VSWR等の性能特性を劣化させること無く平行線路Lを短くすることが重要である。 Further, the double loop antenna having the structure shown in FIG. 10 is used as a transmission antenna for television broadcasting, and does not pay much attention to miniaturization of the size and is approximately 1 / of the wavelength λ using the parallel line length L. 2. However, it is necessary to reduce the size for use as a television receiving antenna, and it is important to shorten the parallel line L without degrading performance characteristics such as gain and VSWR which are antenna performance.
一方、図11に示された2つのループ素子を近接させた構成では、中央部に給電する円環部構造のループ素子107、108と線路間隔が徐々に変化する平衡線路109の形状が、図10に示された双ループアンテナ構造以上に複雑化しているばかりでなく、アンテナ構成要素である反射板113、平衡線路109、ループ素子107,108の3層立体構造のため、所定の位置にそれらを固定配置する支持構造が複雑になるなど普及型家庭用テレビ受信アンテナとして、量産性に問題があった。
On the other hand, in the configuration in which the two loop elements shown in FIG. 11 are arranged close to each other, the shape of the
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、双ループアンテナを単純な構造で広帯域の周波数に渡りケーブルインピーダンスに整合せしめ、放射効率の良い小型の双ループアンテナを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a small double-loop antenna having a high radiation efficiency by matching the double-loop antenna to a cable impedance over a wide band frequency with a simple structure. .
前記従来の課題を解決するために、本発明の双ループルアンテナは、互いに向き合わせた2つのループ素子のアンテナエレメントと前記ループ素子のそれぞれの開口部に接続した平行線路と前記平行線路の中央部にインダクタ素子を接続し、さらに、前記ループ素子の面に対向させた反射板を有し、アンテナ出力インピーダンスを出力コネクターに接続している同軸ケーブルのインピーダンスに整合せしめて、小型化アンテナを実現している。 In order to solve the above-described conventional problems, the dual loop antenna of the present invention includes two loop elements facing each other, a parallel line connected to each opening of the loop element, and a central part of the parallel line. In addition, an inductor element is connected to the loop element, and a reflecting plate facing the surface of the loop element is provided. The antenna output impedance is matched with the impedance of the coaxial cable connected to the output connector, thereby realizing a miniaturized antenna. ing.
本構成によって、従来構成事例では1/2波長の長さの平行線路を1/5〜1/3波長程度に短くし、平衡―不平衡回路を具備せず、部品点数の少ない簡素な構造でアンテナ出力インピーダンスが同軸ケーブルの75Ωに整合せしめ、アンテナ出力VSWRを良好なものとしている。 With this configuration, in the case of the conventional configuration, the parallel line having a length of 1/2 wavelength is shortened to about 1/5 to 1/3 wavelength, no balanced-unbalanced circuit is provided, and a simple structure with a small number of components is used. The antenna output impedance is matched to 75Ω of the coaxial cable, and the antenna output VSWR is made favorable.
また、アンテナ利得を低下させること無く、反射板の中央部を平行線路側に近づけることで、反射板を曲面化している。 Further, the reflecting plate is curved by bringing the central portion of the reflecting plate closer to the parallel line without reducing the antenna gain.
以上のように、本発明の双ループアンテナによれば、ショート板と複雑な構成の平衡―不平衡回路を必要とせず、簡素な構成部品よるなる構成でアンテナ寸法を小型化でき、アンテナ利得を低下させること無く、同軸ケーブルインピーダンスに整合したVSWRの良い広帯域周波数特性のアンテナを実現することができる。 As described above, according to the dual-loop antenna of the present invention, the antenna dimensions can be reduced by a configuration composed of simple components without requiring a short plate and a balanced-unbalanced circuit having a complicated configuration, and the antenna gain can be reduced. Without lowering, it is possible to realize an antenna having a broadband frequency characteristic with good VSWR matched to the coaxial cable impedance.
また、反射板を曲面化することで、風圧荷重に耐ええるための強度を増加させることができる。 Moreover, the intensity | strength for withstanding a wind-pressure load can be increased by curving a reflecting plate.
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における双ループアンテナの構成図である。図1において、図10および図11と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明を省略する。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a double-loop antenna according to
図1において、外周長が使用する周波数の波長λに近いループ素子120とループ素子121は、同一平面状でそれぞれの開口部が2本の導体よりなる平行線路114で結合されている。さらに、平行線路114の中央部の片側にインダクタンス素子122を介して同軸ケーブル119の中心導体に接続し、平行線路のもう一方の片側を同軸ケーブル119の外部導体に接続して双ループアンテナの出力コネクター123にアンテナ受信信号が導かれる。また、反射板113は、前記二つのループ素子の面に対向してループ素子の面より距離Dがλ/4に近くに配置され、アンテナの反射素子として構成している。なお、反射板の大きさは、幅を波長の2分の1よりやや長く、高さを1波長以上の2つのループ素子全体を覆い、最小面積で効率よく電波が反射される寸法とする。
In FIG. 1, a
ループ素子支持板124はループ素子120,121と平行線路114を固定し、支持体125は、ループ素子支持板124とで前記ループ素子を同一平面に保たせ、中空の支持母体126は支持体125と固定され、同軸ケーブル119の通り道となるとともに、支持金具127を介してループ素子の面を反射板113と平行に対向させている。さらに、支持金具127は、押さえ金具128と固定ネジ129によりアンテナ取付けマスト130に双ループアンテナを取り付ける構造となっている。なお、ループ素子支持板124と支持体125は誘電体材料よりなり、アンテナの電気的特性に影響を与えない材料を用いている。
The loop
かかる構成によれば、ループ素子120とループ素子121は、ループ軸方向に最大放射指向性をもつアンテナとなり、ループ素子の出力インピーダンスZrは、テレビ放送で使用される470MHzから770MHzのUHF帯域で100〜300Ωの平衡出力となる。
According to this configuration, the
さらに、平行線路の中央部よりループ素子120側もしくはループ素子121を見たインピーダンスZbは、Zrと平行線路114の特性インピーダンスZ0と平行線路の長さにより決まり、図1で上下対称に配置されたループ素子と平行線路により平行線路中央部より見たアンテナ放射素子側のインピーダンスZaは、前記インピーダンスZbの1/2となる。
Furthermore, the impedance Zb when the
図10に示した従来構成の双ループアンテナでは、ループ素子開口部のインピーダンスZrをショート板110によりZr=200Ωに設定し、平行線路104のλ/4長によるインピーダンス変換効果で同軸ケーブルのインピーダンスZ0に整合させていた。例えば同軸ケーブルインピーダンス100Ωであれば平行線路のインピーダンスZLはZL2=2ZrZ0の関係で決めていた。
In the conventional double loop antenna shown in FIG. 10, the impedance Zr of the loop element opening is set to Zr = 200Ω by the
しかしながら図1に示す本発明による構成では、ショート板を削除し、平行線路の長さを短くしているので、この手法による設計を行わず、ショート板をなくすことによりループ素子インピーダンスを容量性にし、さらに平行線路長を短くすることを利用し、整合素子として単一のインダクタ素子122を平行線路114の中央に追加することで、アンテナ出力インピーダンスを通常使用する50Ωもしくは75Ωの同軸インピーダンスに整合させている。
However, in the configuration according to the present invention shown in FIG. 1, the short plate is eliminated and the length of the parallel line is shortened. Therefore, the loop element impedance is made capacitive by eliminating the short plate without designing by this method. Further, by using a shorter parallel line length and adding a
インピーダンスの調整のショート板をもたないループ素子のインピーダンスZrはループ長と導体径Wにより決まり、テレビ放送帯域(470MHz〜770MHz)で100から300Ωとなるが少し容量性を示す。 The impedance Zr of the loop element having no impedance adjusting short plate is determined by the loop length and the conductor diameter W, and is 100 to 300Ω in the television broadcast band (470 MHz to 770 MHz), but exhibits a little capacitive property.
実測例として、UHFテレビ帯域(470MHz〜770MHz)のループ素子の出力インピーダンス特性Zrを図2の75Ω基準のスミスチャートに、中心周波数600MHz、λ=500mmでループ長を500mm、導体径3mmの寸法事例で示す。 As an actual measurement example, the output impedance characteristic Zr of the loop element in the UHF TV band (470 MHz to 770 MHz) is shown in the 75Ω standard Smith chart of FIG. It shows with.
平行線路のインピーダンスZLを300Ω程度に大きくし、平行線路長を1/5〜1/3λに選ぶことによる短い平行線路の長さで、使用下限周波数の470MHzで平行線路中央部のインピーダンスZaをスミスチャート上の定75Ω円上に近接設定が実現できる。図2のスミスチャート上に示したZbはループ素子のインピーダンスZrが平行線路インピーダンスZLを中心として回転した値にあり、さらにZaはZbの2分の1の関係にある。 The parallel line impedance ZL is increased to about 300Ω, and the parallel line length is set to 1/5 to 1 / 3λ. The length of the parallel line is short, and the impedance Za at the center of the parallel line is Smith at the lower limit frequency of use of 470 MHz. Proximity setting can be realized on a constant 75Ω circle on the chart. Zb shown on the Smith chart of FIG. 2 is a value in which the impedance Zr of the loop element is rotated around the parallel line impedance ZL, and Za has a relationship of half of Zb.
ここで示されたZaは、下限使用周波数がほぼスミスチャートの75Ω定円上にあるので、単一のインダクタ素子122を直列に接続することにより、使用周波数全帯域(470−770MHz)がスミスチャートの中心円に近づくことになる。すなわちアンテナのVSWRが小さくなることで、伝送ケーブルとの接続に損失が生じない理想的な特性となる。
Za shown here has a lower limit operating frequency that is substantially on the 75 Ω constant circle of the Smith chart. By connecting a
図3にインダクタ素子122が無い場合と、ある場合のVSWRの前記説明実施例での実測例を示す。とくに、低域周波数470MHzでの性能改善効果が顕著である。 また、平行線路中央部のインピーダンスZaが同軸インピーダンスに近いことにより、インダクタ素子122の値が小さく、平行線路が電磁波を放射しない平衡線路であるのでアンテナとして動作せず、その結果、受信アンテナとして求められるVSWR性能値は、平衡−不平衡変換回路を必要とせず良好な値を達成できている。
FIG. 3 shows an example of actual measurement in the above described embodiment of the VSWR when there is no
なお、本実施の形態は、インダクタ素子122を介して同軸ケーブル119の中心導体135を平行線路114に接続したが、インダクタ素子122を同軸ケーブルの中心導体を変形させることで実現しても良い。
In the present embodiment, the
図4は、同軸ケーブル119と平行線路114との接続部の構造例で、同軸ケーブルの中心導体を変形してなるインダクタ素子122を実現している。すなわち、インダクタ素子122は、同軸ケーブルの中心導体135の延長部分で構成しており、同軸ケーブルの中心導体よりなるインダクタ素子の先端部は、折り曲げた接続端子132に圧着接続されている。
FIG. 4 is a structural example of a connection portion between the
また、接続金具133は平行線路114の中央部で挟み込むことで接続され、前記接続端子132とネジ131により接続されている。一方、同軸ケーブル119の外部導体137は、挟み接続端子134により同軸の外部導体137を圧着接続し前記接続金具と同一形状の接続金具138とネジ131により平行線路114のもう一方に中央部に接続されている。また、インダクタ素子122はコイル状の形状で示しているが、必要とするインダクタンス値であれば形状を変形することもできる。
The connection fitting 133 is connected by being sandwiched between the central portions of the
かかる構成によれば、同軸ケーブルと平行線路を電気的に接続するのに、少ない部品構成で容易に組み立てでき、量産性に効果ある。 According to such a configuration, the electrical connection between the coaxial cable and the parallel line can be easily assembled with a small number of components, which is effective in mass production.
なお、ループ素子と平行線路を一体導体より構成した図5に示すアンテナ素子139の場合、接続金具133、138を用いて、平行線路部で接続する役割を持たせることもできる。また、ループ素子の線径Wと平行線路の導体線径と同一にしたアンテナ素子139は、量産観点での加工の同時処理等で利点がある。
In the case of the
ループ素子120と平行線路114を固定している誘電体のループ素子支持部124は、平行線路のインピーダンスを一定値に保持する作用ばかりでなく、特に、ループ形状と平行線路を導体線で一体構造にした図5に示すアンテナ素子139の場合にループ形状も含め強固に固定し、ループ面を平面に保持する重要な役割も持つ。
(実施の形態2)
図6は本発明の実施の形態2における双ループアンテナの構成図である。図6において、図1および図10と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明を省略する。
The dielectric
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a configuration diagram of a double loop antenna according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same components as those in FIGS. 1 and 10 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図6において、反射板140は2つのループ素子が対向する中央部でループ素子面に近接せしめ曲面化している。さらに、ループ素子の中央に近い反射板の平面部は、ループ素子面よりλ/4の位置に配置することにより、本実施形態の双ループアンテナは高利得のアンテナ性能を有している。
In FIG. 6, the reflecting
かかる構成によれば、反射板の曲面化により風圧に対する強度が増加するばかりでなく、アンテナ特性のVSWRが劣化することも無く、反射板が平面板に比べわずかばかりのアンテナ利得性能が上昇する効果が生じる。 According to such a configuration, not only the strength against wind pressure is increased due to the curved surface of the reflecting plate, but also the antenna gain performance is slightly improved compared to the flat plate without causing deterioration of the antenna characteristics VSWR. Occurs.
外周囲がλ長のループ素子は図7(a)に示すようにループ素子面の垂直のZ方向に最大の電磁界の放射特性をもつ。このアンテナ放射特性パターンは、間隔λ/4で並べられたλ/2の長さからなる二つのダイポール素子が、同相で励振された特性に近いことが知られている。 As shown in FIG. 7A, the loop element having an outer circumference of λ length has the maximum electromagnetic field radiation characteristic in the Z direction perpendicular to the loop element surface. It is known that this antenna radiation characteristic pattern is close to the characteristic in which two dipole elements having a length of λ / 2 arranged at an interval of λ / 4 are excited in phase.
図7(b)はループ素子120と等価な二つのダイポール素子142からなるアンテナを表している。ダイポールアンテナに反射板を用いて利得性能を大きくするには、電磁波の到来方向の波と反射波が同一位相になることがよく、図8(a)に示すように、ダイポールの軸を焦点とする反射曲面を反射板143の形状とし、焦点距離をλ/4にすればよい。
FIG. 7B shows an antenna including two
図8(b)のループ素子と等価な二つのダイポール素子の場合では、焦点位置が二つになり破線で示された曲面部分は反射効率が低下するので、反射板を従来通りの平面とした反射板144の形状としている。 In the case of two dipole elements equivalent to the loop element shown in FIG. 8B, the reflection position is lowered in the curved portion indicated by the broken line and the focal point position becomes two, so that the reflecting plate is made a conventional plane. The shape of the reflector 144 is used.
一方、双ループアンテナでは、ループ素子が二つあるので、四つのダイポール素子が図8(c)に示す位置に配置されたことに等価である。従って、アンテナ利得性能を大きくするには、図8(b)の構造の反射板を上下に配置し、中央部を反射板の曲面の延長線上にある反射板145の形状であれば、反射波は最大効率でダイポール素子に到達する。 On the other hand, since the dual loop antenna has two loop elements, it is equivalent to four dipole elements arranged at the positions shown in FIG. Therefore, in order to increase the antenna gain performance, if the reflectors having the structure shown in FIG. 8B are arranged up and down and the shape of the reflector 145 is on the extended line of the curved surface of the reflector, the reflected wave can be obtained. Reaches the dipole element with maximum efficiency.
すなわち、双ループアンテナの反射板を曲面化することで、アンテナ利得性能が上昇させることができる。 That is, the antenna gain performance can be increased by making the reflecting plate of the dual loop antenna curved.
なお、反射板は通常金属板が用いられるが、テレビ放送周波数では波長λは500mm前後であるので、数本の導体棒もしくは金網状の導体を用いてもよい。図9は反射板と同一役割を、導体棒を用いて実現している双ループアンテナの実施例を示している。導体棒146は、λ/2より長く曲面よりなる反射板位置に少なくともλ/4以下の間隔で配置することで本数を少なくすることができる。 In general, a metal plate is used as the reflection plate. However, since the wavelength λ is around 500 mm at the television broadcast frequency, several conductor rods or wire mesh conductors may be used. FIG. 9 shows an embodiment of a double loop antenna that realizes the same role as the reflector by using a conductor rod. The number of the conductor rods 146 can be reduced by arranging them at intervals of at least λ / 4 or less at the position of the reflector plate longer than λ / 2 and having a curved surface.
なお、反射板の位置は、ループ素子面からλ/4の位置でアンテナ利得がほぼ最大となるが、アンテナVSWRはλ/4の位置より反射板をループ面より遠ざけても大きく変化しない。一方、反射板を近づけると、アンテナを小型にできるが、ループ素子のインピーダンスが大きく変化し、狭帯域の双ループアンテナとなる。 Note that the antenna gain is almost maximized at the position of λ / 4 from the loop element surface, but the antenna VSWR does not change greatly even if the reflector is moved away from the loop surface from the position of λ / 4. On the other hand, when the reflector is brought closer, the antenna can be reduced in size, but the impedance of the loop element changes greatly, resulting in a narrow-band dual-loop antenna.
反射板とループ面が近接した小型の狭帯域の双ループアンテナを実現するには、平行線路の間隔を広げることで、特性インピーダンスを大きくし、さらに、インダクタ素子の値を小さくすることで容易に実現できる。 In order to realize a small, narrow-band, dual-loop antenna in which the reflector and the loop surface are close to each other, it is easy to increase the characteristic impedance by increasing the interval between the parallel lines and to further reduce the value of the inductor element. realizable.
本発明にかかる双ループアンテナは、簡素な構成部品によりアンテナ寸法を小型化でき、同軸ケーブルインピーダンスに整合したVSWRの良い広帯域周波数特性のアンテナを実現することができ、また、風圧荷重に耐えるための強度を増加させることが可能になるので、テレビ放送の受信アンテナ等として有用である。 The dual loop antenna according to the present invention can reduce the size of the antenna with simple components, can realize an antenna having a wide frequency characteristic with a good VSWR matched to the coaxial cable impedance, and can withstand a wind pressure load. Since the strength can be increased, it is useful as a receiving antenna for television broadcasting.
101 双ループアンテナ
102 ループ素子
103 ループ素子
104 平行線路
105 平衡−不平衡変換回路
106 同軸線路
107 ループ素子
108 ループ素子
109 平衡線路
110 ショート板
112 導体線
113 反射板
114 平行線路
119 同軸ケーブル
120 ループ素子
121 ループ素子
122 インダクタ素子
123 出力コネクター
124 ループ素子支持板
125 支持体
126 支持母体
127 支持金具
128 押さえ金具
129 固定ネジ
130 マスト
131 ネジ
132 接続端子
133 接続金具
134 挟み接続端子
135 中心導体
137 外部導体
138 接続金具
139 アンテナ素子
140 反射板
142 ダイポール素子
143 反射板
144 反射板
145 反射板
146 導体棒
147 保持材
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