JP2006135605A

JP2006135605A - 水平偏波用アンテナ

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Publication number: JP2006135605A
Application number: JP2004321769A
Authority: JP
Inventors: Taichi Sato; 太一佐藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】簡易な構成で、水平面内における全方向性の指向特性を有する水平偏波用アンテナを得る。
【解決手段】水平偏波用アンテナ10は、各々直線状で全長が略等しく略平行に対向配置された第１アンテナ素子12及び第２アンテナ素子14と、直線状で略中央に給電点が設けられた第３アンテナ素子16を備え、第３アンテナ素子16は、第１アンテナ素子12と略直角をなすように一端が第１アンテナ素子12の一端に接続されると共に、第２アンテナ素子14と略直角をなすように他端が第２アンテナ素子14の一端に接続され、アンテナ素子12〜16の全長の合計が使用周波数帯域の電波の１波長以下とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は水平偏波用アンテナに係り、特に、水平面内の全方向に亘って一様な指向特性（全方向性の指向特性）を有する水平偏波用アンテナに関する。

放送用のアンテナや移動体用のアンテナは、水平面（地表面）内の全方向に亘って一様な指向特性（全方向性(omnidirectional)の指向特性）が要求される。垂直偏波の電波を送受信する場合、全方向性の指向特性を有するアンテナとしては、例えば図２２(Ａ)に示す垂直ダイポールアンテナや、図２２(Ｂ)に示すモノポールアンテナが用いられる。図２２(Ｃ)に示すように、これらのアンテナは垂直偏波の電波に対して水平面（ｘ−ｙ平面）内に全方向性の指向特性を有している。

一方、図２３(Ａ)に示すようにダイポールアンテナを水平に配置した水平ダイポールアンテナでは、水平偏波の電波に対する水平面内の指向特性が、図２３(Ｂ)に示すように８の字状の特性となるので、単一の水平ダイポールアンテナで水平偏波の電波に対して水平面内における全方向性の指向特性を得ることはできない。このため、水平偏波の電波に対しては、従来、図２３(Ｃ)に示すように２個の水平ダイポールアンテナを直角に交差するように配置し、それぞれの水平ダイポールアンテナに90°の位相差をもつ電流が流れるように給電することで、水平面内における全方向性の指向特性を実現している。

以下、図２３(Ｃ)に示す水平偏波用全方向性アンテナによって水平面内における全方向性の指向特性が得られる原理について、２個の水平ダイポールアンテナを各々電気(微小)ダイポールアンテナ＃Ｄ１,＃Ｄ２とみなして説明する。ｘ軸（図２３(Ｃ)参照）からの水平面内角度がθの方向における電気ダイポールアンテナ＃Ｄ１の電界強度Ｅ₁は次の(１)式で表される。

但し、(１)式におけるｋ＝2π／λ（λは波長)、ｒはアンテナからの距離であり、Ｋは次の(２)式で表される。

但し、(２)式におけるＩはアンテナ素子上の電流値、Ｌはアンテナの長さである。

一方、ｘ軸からの水平面内角度θの方向における電気ダイポールアンテナ＃Ｄ２の電界強度Ｅ₂は、電気ダイポールアンテナ＃Ｄ２が電気ダイポールアンテナ＃Ｄ１に対して直角に配置されているために(１)式のsinθをcosθに置き換えると共に、電気ダイポールアンテナ＃Ｄ２を流れる電流が電気ダイポールアンテナ＃Ｄ１を流れる電流に対して位相が90°ずれているために(１)式のＩをjＩへ置換することで得られる次の(３)式によって表される。

図２３(Ｃ)に示す水平偏波用全方向性アンテナの電界強度Ｅ₁₂は、電気ダイポールアンテナ＃Ｄ１の電界強度Ｅ₁と電気ダイポールアンテナ＃Ｄ２の電界強度Ｅ₂のベクトル和で求まる（次の(４)式を参照）。

上記の(４)式からも明らかなように、電界強度Ｅ₁₂はｘ軸からの水平面内角度θと無関係に一定値Ｋ/ｒとなるので、図２３(Ｃ)に示す水平偏波用全方向性アンテナが水平面内における全方向性の指向特性を有していることが理解できる。なお、実際の水平偏波用全方向性アンテナについても、個々の水平ダイポールアンテナの長さＬ及び個々の水平ダイポールアンテナを流れる電流の大きさを揃え、かつ電流の位相を90°相違させれば、個々の水平ダイポールアンテナの電界強度の最大値が等しくなるので、個々の水平ダイポールアンテナの水平面内における８の字状の指向特性を合成した結果に相当する水平面内指向特性が略円形（全方向性）となる。

また、上記に関連して特許文献１には、半波長ダイポールアンテナの放射素子である線状導電体を、線状導電体の給電点と反対側の端部が接触することなく互いに対向、或いは一部重なって互いに対峙するようにそれぞれ湾曲させると共に、線状導電体の給電点と反対側の端部と、湾曲された線状導電体により囲まれる領域の中心点との成す角度を45°以内とした半波長ダイポールアンテナが開示されている。
特開平１１−６８４４６号公報

しかしながら、図２３(Ｃ)に示す従来の水平偏波用全方向性アンテナは、水平偏波の電波に対して水平面内における全方向性の指向特性が得られるものの、２個のダイポールアンテナが直角に交差した状態で維持されるように個々のダイポールアンテナを各々保持する必要があると共に、個々のダイポールアンテナに位相が90°異なる電流を各々供給する必要があるので、アンテナ及び周辺回路の構成が複雑化するという問題がある。

また、特許文献１に記載の半波長ダイポールアンテナは、鉛直軸に関して対称な形状とすれば（水平面内の何れの方向から見ても同じ様な形状とすれば）、水平面内における全方向性の指向特性が得られるのではないかとの考えに基づいており、特許文献１には、上記のアンテナにより水平偏波の水平面内の指向性をほぼ無指向性にできる旨が記載されている。しかし、上記のアンテナは軸対称に近い形状ではあるものの、両端部が離間しているので完全な軸対称ではなく、実際には水平面内のうち離間している両端部付近に相当する方向で指向特性に乱れが生ずるという問題がある。また上記のアンテナでは、湾曲された放射素子のうち両端部に近い部分（給電点付近の放射素子と平行に近い向きとなっている部分）がアンテナの効率に悪影響を及ぼすという問題もある。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、簡易な構成で、水平面内における全方向性の指向特性を有する水平偏波用アンテナを得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナは、各々直線状で全長が略等しく略平行に対向配置された第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と、直線状で略中央に給電点が設けられ、前記第１アンテナ素子と略直角をなすように一端が前記第１アンテナ素子の一端に接続されると共に、前記第２アンテナ素子と略直角をなすように他端が前記第２アンテナ素子の一端に接続された第３アンテナ素子と、を備え、前記第１乃至第３アンテナ素子の全長の合計が使用周波数帯域の電波の１波長以下とされている。

請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナの一例を図１(及び図２(Ａ))に示す。図１に示す水平偏波用アンテナ１０は、各々直線状で全長が等しく平行に対向配置された第１アンテナ素子１２及び第２アンテナ素子１４と、直線状で中央に給電点が設けられ、第１アンテナ素子１２と略直角をなすように一端が第１アンテナ素子１２の一端に接続されると共に、第２アンテナ素子１４と略直角をなすように他端が第２アンテナ素子１４の一端に接続された第３アンテナ素子１６から成り、各アンテナ素子１２〜１６の全長の合計が使用周波数帯域の電波の１波長以下とされている。なお、上記の水平偏波用アンテナ１０は、例えば全長が使用周波数帯域の電波の１波長以下とされた単一のダイポールアンテナを、全体の形状が略コ字状をなすように、給電点からの距離が等しい中間部の２箇所において、同一平面内で略直角に各々折り曲げることで実現することができる。水平偏波用アンテナ１０は、各アンテナ素子１２〜１６が上記のように配置・接続されていることで、第１アンテナ素子１２と第２アンテナ素子１４に空間的に逆位相(位相差180°)の電流Ｉが流れることになる。

図１及び図２(Ａ)に示す水平偏波用アンテナ１０の各アンテナ素子１２〜１６は、図２(Ｂ)に示すように、コ字型に配置され互いに独立に給電される（但し、電気ダイポールアンテナ＃１，＃２には空間的に逆位相の電流Ｉが流れるように給電される）３個の電気(微小)ダイポールアンテナ＃１〜＃３で近似することができる。更に、計算式表示を簡潔にするため、電気ダイポールアンテナ＃１〜＃３が図２(Ｃ)に示すようにＨ型に配置されているものとし、この電気ダイポールアンテナ＃１〜＃３を用いて請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナの原理を説明する。

請求項１記載の発明に係る第３アンテナ素子に相当する電気ダイポールアンテナ＃３の中央を原点とし、電気ダイポールアンテナ＃３に沿う方向をｘ軸、請求項１記載の発明に係る第１アンテナ素子に相当する電気ダイポールアンテナ＃１及び請求項１記載の発明に係る第２アンテナ素子に相当する電気ダイポールアンテナ＃２に平行な方向をｙ軸、ｘｙ平面を水平面、この水平面に垂直な方向をｚ軸としたときに、ｘ軸からの水平面内角度がθの方向における電気ダイポールアンテナ＃３の電界強度Ｅ_dは、前出の(１)式と同様に次の(５)式で表される。

但し、(５)式におけるｋ＝2π／λ（λは波長)、ｒは電気ダイポールアンテナ＃３（原点）からの距離であり、Ｋは前出の(２)式で表される。

一方、電気ダイポールアンテナ＃１，＃２は、互いに平行で空間的に逆位相の電流Ｉが流れるので、電気ダイポールアンテナ＃１，＃２の間隔を２ｄとすると、ｘ軸からの水平面内角度がθの方向における電気ダイポールアンテナ＃１の電界強度Ｅ₁及び電気ダイポールアンテナ＃２の電界強度Ｅ₂は、ｒ≫ｄの関係に基づき、各々次の(６),(７)式で表される（図３も参照）。

そして、ｘ軸からの水平面内角度がθの方向における電気ダイポールアンテナ＃１、＃２の合成電界強度Ｅ_Pは次の(８)式で表される。

なお(８)式におけるsin(kd・cosθ)はベッセル関数Ｊによる級数になるが（次の(９)式を参照）、請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナはkdの値が小さく(kd≒0.5 程度)、ベッセル関数Ｊの高次項は第１項と比較して数％以下の値であるため(次の(10)式を参照)、(８)式ではベッセル関数Ｊの第１項Ｊ₁(0.5)のみを用いて近似した。

ここで、図２(Ｃ)に示すように各々水平面内に配置された電気ダイポールアンテナ＃１〜＃３のうち、電気ダイポールアンテナ＃３の電界強度Ｅ_dを表す(５)式と、平行に配置された電気ダイポールアンテナ＃１、＃２の合成電界強度Ｅ_Pを表す(８)式を比較すると、(８)式には虚数単位を表すｊ項が付加されている。これは、従来の水平偏波用全方向性アンテナと同様に、電気ダイポールアンテナ＃３の電界の位相に対して電気ダイポールアンテナ＃１、＃２の合成電界の位相が90°ずれていることを示している。このため、電気ダイポールアンテナ＃１〜＃３の合成電界強度Ｅ_Tは、次の(11)式に示すように、電気ダイポールアンテナ＃３の電界強度Ｅ_dと電気ダイポールアンテナ＃１、＃２の合成電界強度Ｅ_Pとのベクトル合成で表される。

電気ダイポールアンテナ＃３の電界強度Ｅ_dの指向性は、(５)式に示すようにsinθで定まるのに対し、平行に配置された電気ダイポールアンテナ＃１、＃２の合成電界強度Ｅ_Pの指向性は、(８)式に示すように近似的にjcos²θで定まる。このため、電界強度Ｅ_dと合成電界強度Ｅ_Pとのベクトル合成で表される電気ダイポールアンテナ＃１〜＃３の合成電界強度Ｅ_Tは、sinθで定まる電界強度Ｅ_dとjcos²θで定まる合成電界強度Ｅ_Pとが補完し合うことで、上記の(11)式からも明らかなように、ｘ軸からの水平面内角度θと略無関係に一定値となる。これにより、図２に示す電気ダイポールアンテナ＃１〜＃３が水平面内における全方向性の指向特性を有していることが理解できる。

なお、本発明に係る実際の水平偏波用アンテナについても、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子の合成電界強度と第３アンテナ素子の電界強度の最大値が略等しくなるように、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と第３アンテナ素子の長さ（比率）を調整すれば、本発明に係る水平偏波用アンテナの水平面内指向特性（この水平面内指向特性は、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子によって形成される水平面内における８の字状の指向特性と、第３アンテナ素子の水平面内における８の字状の指向特性とを合成した結果に相当する）が略円形（全方向性）となる。

本願発明者は、上記原理に基づき、請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナの水平面内における指向特性を確認するために、図１に示す水平偏波用アンテナ１０において、使用周波数帯域の中心周波数を300ＭＨ_Zとし、第１アンテナ素子１２の長さＬ₁及び第２アンテナ素子１４の長さＬ₂をＬ₁＝Ｌ₂＝約0.24ｍ、第３アンテナ素子１６の長さ２Ｌ₃を約0.16ｍ(Ｌ₃＝0.08ｍ)、アンテナ素子１２〜１６の直径2ρ＝5mmとしたときに、水平偏波の電波に対する水平面内指向特性をモーメント法により計算した。図４に示す計算結果からも明らかなように、水平面内指向特性は略円形を示しており、請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナ１０が、水平偏波の電波に対して水平面内における全方向性の指向特性を有していることが確認された。

但し、上記の条件では各アンテナ素子１２〜１６の全長の合計が使用周波数帯域の中心周波数の電波の１波長の64％程度となるが、各アンテナ素子１２〜１６の全長の合計が使用周波数帯域の中心周波数の電波の１波長を超えると、アンテナ素子１２〜１６に部分的に逆位相の電流が流れることで水平面内指向特性に大きな乱れが生ずるので、アンテナ素子１２〜１６の全長の合計は使用周波数帯域の電波の１波長以下とすればよい。

このように、請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナは、「逆位相給電された平行アンテナ（請求項１記載の発明に係る第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子に相当）は、該平行アンテナに対して直角に配置された単一のアンテナ（請求項１記載の発明に係る第３アンテナ素子に相当）に対して放射位相が90°異なる」という原理に基づいて水平面内における全方向性の指向特性を実現するものであり、前述した特許文献１に記載の半波長ダイポールアンテナとは原理が全く異なっており、鉛直軸に関して対称な形状でないにも拘らず、第１及び第２アンテナ素子と第３アンテナ素子の長さ及びその比率を適切に調整することで、水平面内における全方向性の指向特性を得ることができる。

また、請求項１記載の発明に係る水平偏波用アンテナは、単一のアンテナに給電するのみで水平面内における全方向性の指向特性が得られるので、図２３(Ｃ)に示す従来の水平偏波用全方向性アンテナのように、複数個のアンテナが一定の配置状態で維持されるように複数個のアンテナを各々保持したり、個々のアンテナに位相が互いに90°異なる電流を供給する必要もなく、アンテナ自体及び周辺回路の構成の簡易化も実現することができる。

ところで、本願発明者は、本発明に係る水平偏波用アンテナにおいて、使用周波数帯域の電波の波長に対して第１乃至第３アンテナ素子の長さの合計を種々の値に変化させたときの水平面内指向特性とアンテナ自体のインピーダンス（＝Ｒ＋jＸ）の変化を確認する解析検討を行った。その結果、使用周波数帯域の電波の波長λに対して第１乃至第３アンテナ素子の長さの合計を短くしていくと、水平面内における全方向性の指向特性は理想的な形状（略円形）となるものの、アンテナ自体のインピーダンスの実部Ｒの値が減少すると共にアンテナ自体のインピーダンスの虚部Ｘの値（リアクタンス成分Ｘ）が増大し、使用周波数帯域の電波の波長λに対して第１乃至第３アンテナ素子の長さの合計を長くしていくと、アンテナ自体のインピーダンスの実部Ｒは同軸給電線と整合する適正な値（例えば50Ω）に近づいていきアンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘも減少していくものの、第１及び第２アンテナ素子の水平面内指向特性及び第３アンテナ素子の水平面内指向特性が各々シャープな形状（指向特性を表す８の字状を構成する個々の円がアンテナ素子に直交する方向を長軸とする楕円形状）となってしまうことで、水平偏波用アンテナ全体としての水平面内指向特性も略円形からいびつな形状へ変化してしまうことが明らかとなった。

そして、本発明に係る水平偏波用アンテナは、使用周波数帯域の電波の波長λに対して第１乃至第３アンテナ素子の長さの合計を適切に調整することで、水平面内における全方向性の指向特性を得ることと、アンテナ自体のインピーダンスの実部Ｒを同軸給電線と整合する適正な値に一致させることは両立できるものの、このときアンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘはゼロにはならないことが本願発明者によって確認された。例えば、図１に示す水平偏波用アンテナ１０の各部の寸法を前述の条件（Ｌ₁＝Ｌ₂＝約0.24ｍ、Ｌ₃＝0.08ｍ、2ρ＝5mm）に合致させたときのアンテナ自体のインピーダンスＺ_inは約50＋j250Ωとなり、アンテナ自体のインピーダンスＺ_inの実部Ｒは同軸給電線と整合する適正な値（50Ω）に一致しているものの、アンテナ自体のインピーダンスＺ_inのリアクタンス成分Ｘ(j250Ω)の影響により本発明に係る水平偏波用アンテナの送信機又は受信機と整合させることができないという問題が生ずる。

上記を考慮すると、請求項１記載の発明において、例えば請求項２に記載したように、第３アンテナ素子の給電点付近に、インピーダンスを整合させるためのリアクタンスを挿入することが好ましい。例えば先の例のようにアンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの符号が正の場合、インピーダンスを整合させるためのリアクタンスとしてはキャパシタンスを挿入すればよく、具体的には、図５(Ａ)に示すように容量性の集中定数素子（コンデンサ）１８を挿入してもよいし、図５(Ｂ)に示すように容量性の分布定数回路（同軸回路）２０を挿入してもよい。また、アンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの符号が負の場合には、インピーダンスを整合させるためのリアクタンスとしてインダクタンスを挿入すればよく、このインダクタンスについても集中定数素子又は分布定数回路を用いることができる。

一例として、図１に示す水平偏波用アンテナ１０の各部の寸法を前述の条件（Ｌ₁＝Ｌ₂＝約0.24ｍ、Ｌ₃＝0.08ｍ、2ρ＝5mm）に合致させ、アンテナ自体のインピーダンスＺ_in＝約50＋j250Ωのうちのリアクタンス成分Ｘ（j250Ω）を略ゼロにするリアクタンス（キャパシタンス）を図５に示すように給電点付近に挿入したときの、水平偏波用アンテナ１０のＶＳＷＲ（電力反射係数）特性を計算した結果を図６に示す。図６より明らかなように、予め設定した使用周波数帯域の中心周波数300ＭＨ_ZにおけるＶＳＷＲ値は、1.0に近い良好な値を示している。このように、請求項２記載の発明によれば、本発明に係る水平偏波用アンテナ全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を略ゼロにすることができ、本発明に係る水平偏波用アンテナを送信機又は受信機と整合させることができる。なお、請求項２記載の発明において、給電点付近に挿入したリアクタンスが水平偏波用アンテナの水平面内指向特性に影響を与えることはなく、上述した図６のＶＳＷＲ特性を示す水平偏波用アンテナ１０の水平面内指向特性は前述した図４の水平面内指向特性と同じである。

また、請求項１記載の発明において、例えば請求項３に記載したように、第１乃至第３アンテナ素子のうち少なくとも第３アンテナ素子と略平行に配置され、少なくとも両端部が、個々の端部の位置の近傍に配置されている第１乃至第３アンテナ素子の何れかに各々接続された副アンテナ素子を更に設けることが好ましい。この副アンテナ素子は、第１乃至第３アンテナ素子と同一平面内に配置されていてもよいし、第１乃至第３アンテナ素子が配置されている平面からずれた位置に配置されていてもよい。また、上記の副アンテナ素子は、第３アンテナ素子と略平行に配置された部分（及び両端部を第１乃至第３アンテナ素子の何れかに各々接続する部分）のみから構成されていてもよいし、第１アンテナ素子と略平行に配置された部分及び第２アンテナ素子と略平行に配置された部分も含んで構成されていてもよい。更に、上記の副アンテナ素子は、両端部のみがアンテナ素子に接続されていてもよいし、両端部に加えて中間部分の任意の箇所においてもアンテナ素子に接続されていてもよい。

上述したように、請求項３に記載の副アンテナ素子は、第１乃至第３アンテナ素子のうち少なくとも第３アンテナ素子と略平行に配置され、少なくとも両端部が、個々の端部の位置の近傍に配置されている第１乃至第３アンテナ素子の何れかに各々接続されているので、この副アンテナ素子が略平行に配置されると共に副アンテナ素子の個々の端部が接続されたアンテナ素子（第３アンテナ素子、或いは第１乃至第３アンテナ素子）と副アンテナ素子は折り返しアンテナとして作用する。折り返しアンテナは、『内田英成,虫明康人,「超短波空中線」株式会社コロナ社,1955年７月25日,p.157-183』にも記載されているように、同じ長さのダイポールアンテナと比較して、指向性に影響を与えることなくアンテナ自体のインピーダンスを増大させることができるので、同様に請求項３記載の発明についても、水平面内指向特性に悪影響を及ぼすことなく本発明に係る水平偏波用アンテナのインピーダンスを増大させることができる。また、副アンテナ素子を設けることで、本発明に係る水平偏波用アンテナの強度も向上させることができる。

また、図１に示す水平偏波用アンテナ１０は、平行２線式給電線（平行フィーダー線）には直接接続できるものの、同軸給電線に接続するためには平衡不平衡変換器（バラン）を用いる必要がある。しかし、バランを介して同軸給電線をアンテナに接続した場合、一般に損失が増大（効率が低下）し、周波数特性にも悪影響を及ぼすと共に、コストも増大するので望ましくない。これに対し、請求項３に記載の副アンテナ素子は第３アンテナ素子と略平行に配置されている部分を備えており、第３アンテナ素子と略平行に配置されている部分のうち第３アンテナ素子に設けられた給電点に対応する箇所（給電点位置で第３アンテナ素子と略直交し副アンテナ素子へ向けて延びる仮想線が副アンテナ素子と交差する箇所）では電位が基準電位（例えば０Ｖ）となるので、これを利用して、バランを用いることなく本発明に係る水平偏波用アンテナに同軸給電線を接続することも可能となる。

すなわち、請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、副アンテナ素子は、第３アンテナ素子と略平行に配置されている部分のうち第３アンテナ素子に設けられた給電点に対応する箇所に同軸給電線の外部導体が接続されており、同軸給電線の内部導体は、前記箇所から給電点に至る経路上の各アンテナ素子の内部を挿通されて給電点の位置まで延設されていることを特徴としている。同軸給電線では外部導体が基準電位（例えば０Ｖ）に維持されているが、前述のように請求項３に記載の副アンテナ素子が設けられた水平偏波用アンテナでは、第３アンテナ素子と略平行に配置されている部分のうち第３アンテナ素子に設けられた給電点に対応する箇所で電位が基準電位となるので、この箇所に同軸給電線の外部導体を接続することで、同軸給電線からの電磁波の放射等の不都合が生ずることを防止することができる。従って、請求項４記載の発明によれば、バランを用いることなく本発明に係る水平偏波用アンテナに同軸給電線を接続することができ、バランを用いることで損失の増大（効率の低下）や周波数特性の悪化、コストの増大等を招くことを回避することができる。

また、請求項４記載の発明において、使用周波数帯域が変化するとアンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさが変化することを考慮すると、例えば請求項５に記載したように、第３アンテナ素子の給電点付近に配置されると共に同軸給電線の内部導体に接続され、同軸給電線を介して供給される高周波電流に重畳された直流電流に応じてリアクタンスの大きさが変化する可変リアクタンス素子を更に設け、可変リアクタンス素子を介して給電されるように構成することが好ましい。これにより、使用周波数帯域が変化してアンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさが変化した場合にも、変化した後のリアクタンス成分Ｘの大きさに応じて、同軸給電線を介して供給する高周波電流に重畳する直流電流を変化させることで、本発明に係る水平偏波用アンテナ全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を略ゼロにすることができ、本発明に係る水平偏波用アンテナを送信機又は受信機と整合させることができる。従って、請求項５記載の発明によれば、本発明に係る水平偏波用アンテナの広帯域化を実現することができる。

以上説明したように本発明は、各々直線状で全長が略等しく略平行に対向配置された第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子を設けると共に、直線状で略中央に給電点が設けられ、第１アンテナ素子と略直角をなすように一端が第１アンテナ素子の一端に接続されると共に、第２アンテナ素子と略直角をなすように他端が第２アンテナ素子の一端に接続された第３アンテナ素子を設け、第１乃至第３アンテナ素子の全長の合計を使用周波数帯域の電波の１波長以下としたので、簡易な構成で、水平面内における全方向性の指向特性を実現できる、という優れた効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。なお、本発明は以下に記載した数値に限定されるものではない。

〔第１実施形態〕
図７(Ａ)には本第１実施形態に係る水平偏波用アンテナ２４が示されている。水平偏波用アンテナ２４は、各々直線状で全長が等しく平行に対向配置された第１アンテナ素子２６及び第２アンテナ素子２８を備えており、第１アンテナ素子２６及び第２アンテナ素子２８の間には、直線状で中央に給電点として機能する空隙が設けられた第３アンテナ素子３０が配置されている。第３アンテナ素子３０の一端は、第３アンテナ素子３０が第１アンテナ素子２６と略直角をなすように第１アンテナ素子２６の一端に接続されており、第３アンテナ素子３０の他端は、第３アンテナ素子３０が第２アンテナ素子２８と略直角をなすように第２アンテナ素子２８の一端に接続されている。従って、アンテナ素子２６〜３０は、各々同一平面上に位置しかつ全体の形状が略コ字状をなすように端部が接続されている。なお、アンテナ素子２６〜３０は、各々の全長の合計が使用周波数帯域の電波の１波長以下となるように、全長が調整されている。

また、水平偏波用アンテナ２４には副アンテナ素子３２も設けられている。副アンテナ素子３２は、直線状で全長が第３アンテナ素子３０と等しく、アンテナ素子２６〜３０と同一平面内のうち第３アンテナ素子３０を挟んでアンテナ素子２６〜３０が形成する略コ字状の開口部と反対側の位置に第３アンテナ素子３０と平行に配置された平行部３２Ａと、一端が平行部３２Ａの一端に接続され他端が第１アンテナ素子２６と第３アンテナ素子３０の接続部に接続された接続部３２Ｂと、一端が平行部３２Ａの他端に接続され他端が第２アンテナ素子２８と第３アンテナ素子３０の接続部に接続された接続部３２Ｃから構成されている。

また、副アンテナ素子３２の平行部３２Ａには、同軸給電線としての同軸管３４の外部導体３４Ａが中央（請求項４に記載の「給電点に対応する箇所」に相当）の下部に接続されている。同軸管３４の内部導体３４Ｂは、副アンテナ素子３２の平行部３２Ａ及び接続部３２Ｂ、第３アンテナ素子３０の内部を挿通されて給電点の位置まで延設されている。また内部導体３４Ｂの先端部は、第３アンテナ素子３０の中央に設けられた空隙を通過して反対側の第３アンテナ素子３０の内部へ所定長さに亘って挿入されている。従って、内部導体３４Ｂは容量性の分布定数回路（同軸回路）３６を介して第３アンテナ素子３０に容量結合している。本実施形態では、水平偏波用アンテナ２４の使用周波数帯域の中心周波数における水平偏波用アンテナ２４自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘが事前に測定され、分布定数回路３６は、使用周波数帯域の中心周波数における水平偏波用アンテナ２４全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分が略ゼロになるように、測定されたリアクタンス成分Ｘの大きさに応じてキャパシタンスの大きさ（内部導体３４Ｂの先端部の挿入長さ等）が調整されている。

次に本第１実施形態に係る水平偏波用アンテナ２４の作用を説明する。水平偏波用アンテナ２４には、第３アンテナ素子３０と平行に配置された平行部３２Ａと、平行部３２Ａの両端を第３アンテナ素子３０の両端に各々接続する接続部３２Ｂ，３２Ｃから成る副アンテナ素子３２が設けられているが、この副アンテナ素子３２は第３アンテナ素子３０と共に折り返しアンテナとして機能するので、水平偏波用アンテナ２４全体の指向特性に影響を与えることはない。このため、水平偏波用アンテナ２４は、図１に示す水平偏波用アンテナ１０と同様に水平面内における全方向性の指向特性を示す。また、副アンテナ素子３２が設けられていることで、水平偏波用アンテナ２４は、図１に示す水平偏波用アンテナ１０と比較してインピーダンスが増大しており、かつ強度も向上している。

また、水平偏波用アンテナ２４は給電点付近に分布定数回路３６が設けられており、前述のように、使用周波数帯域の中心周波数における水平偏波用アンテナ２４自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさに応じて、分布定数回路３６のリアクタンス（詳しくはキャパシタンス）の大きさが調整されているので、使用周波数帯域における水平偏波用アンテナ２４全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分が略ゼロとなり、水平偏波用アンテナ２４を送信機又は受信機と整合させることができる。

なお、本第１実施形態に係る水平偏波用アンテナ２４は、アンテナ２４自体のインピーダンスＺ_inのリアクタンス成分Ｘの符号が正（すなわちインダクタンス）であるため、内部導体３４Ｂの先端部を、第３アンテナ素子３０の中央に設けられた空隙を通過して反対側の第３アンテナ素子３０の内部へ挿入させることで、容量性の分布定数回路３６を形成し、これにより、使用周波数帯域における水平偏波用アンテナ２４全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を略ゼロにしているが、アンテナ２４自体のインピーダンスＺ_inのリアクタンス成分Ｘの符号が負（すなわちキャパシタンス）である場合には、反対側の第３アンテナ素子３０の内部へ挿入した内部導体３４Ｂの先端部を反対側の第３アンテナ素子３０とショート（短絡）すれば分布定数回路が誘導性となるので、上記と同様に使用周波数帯域における水平偏波用アンテナ２４全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を略ゼロにすることができる。

また、水平偏波用アンテナ２４の副アンテナ素子３２は、第３アンテナ素子３０と平行に配置された平行部３２Ａを備えているが、この平行部３２Ａの中央（平行部３２Ａのうち給電点に対応する箇所）では電位が基準電位（例えば０Ｖ）となる。水平偏波用アンテナ２４ではこれを利用し、平行部３２Ａの中央の下部に同軸管３４の外部導体３４Ａが接続されており、同軸管３４の内部導体３４Ｂは、副アンテナ素子３２の平行部３２Ａ及び接続部３２Ｂ、第３アンテナ素子３０の内部を挿通されて給電点の位置まで延設されている。これにより、水平偏波用アンテナ２４と同軸給電線（同軸管３４）を直接接続することが、バランを用いることなく、また同軸管３４からの不必要な電磁波の放射等を生じさせることなく実現され、バランを用いることで損失の増大（効率の低下）や周波数特性の悪化、コストの増大等を招くことが回避される。

また、水平偏波用アンテナ２４では同軸給電線として同軸管３４を用いており、同軸管３４の外部導体３４Ａは水平偏波用アンテナ２４の副アンテナ素子３２に接続されているので、同軸管３４の外部導体３４Ａが鉛直方向に沿うように外部導体３４Ａを支持することで、同時に水平偏波用アンテナ２４を一定の姿勢に保持することができ、水平偏波用アンテナ２４の設置も容易に行うことができる。

続いて、本第１実施形態に係る水平偏波用アンテナ２４の特性について、具体的な数値を挙げて更に説明する。水平偏波用アンテナ２４において、使用周波数帯域の中心周波数を300ＭＨ_Zとし、第１アンテナ素子２６の長さＬ₁及び第２アンテナ素子２８の長さＬ₂をＬ₁＝Ｌ₂＝約0.21ｍ、第３アンテナ素子１６の長さ２Ｌ₃を約0.16ｍ(Ｌ₃＝約0.08ｍ)、アンテナ素子２６〜３０及び副アンテナ素子３２の直径2ρ＝5mm、副アンテナ素子３２の平行部３２Ａと第３アンテナ素子３０との間隔（接続部３２Ｂ，３２Ｃの長さ）ｂをｂ＝約0.03ｍとした場合、水平偏波用アンテナ２４自体のインピーダンスＺ_inは、本願発明者の計算によればＺ_in≒50＋j230Ωとなる。このインピーダンスＺ_inのリアクタンス成分Ｘ(j230Ω)に応じて分布定数回路３６のリアクタンス（詳しくはキャパシタンス）の大きさを調整した場合の水平偏波用アンテナ２４のＶＳＷＲ特性及び水平面内指向特性を計算した結果を図８及び図９に示す。

図８に示すように、水平偏波用アンテナ２４は、使用周波数帯域の中心周波数300ＭＨ_ZにおけるＶＳＷＲ値が略1.0となっており、送信機又は受信機と整合できることが明らかである。また図９に示すように、水平面内指向特性も略円形となっており、副アンテナ素子３２が水平面内指向特性に影響を与えておらず、図１に示す水平偏波用アンテナ１０と同様に水平面内における全方向性の指向特性が得られていることが理解できる。

なお、第１実施形態では、第３アンテナ素子３０を挟んでアンテナ素子２６〜３０が形成する略コ字状の開口部と反対側の位置に副アンテナ素子３２が設けられている構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例として図１０(Ａ)に示すように、副アンテナ素子３２が第１アンテナ素子２６と第２アンテナ素子２８の間に配置されている構成を採用してもよい。図１０(Ａ)に示す水平偏波用アンテナ３８では、副アンテナ素子３２が、直線状で全長が第３アンテナ素子３０と等しく、アンテナ素子２６〜３０と同一平面内に第３アンテナ素子３０と平行に配置された平行部のみから成り、副アンテナ素子３２の両端部は、個々の端部の位置の近傍に配置されているアンテナ素子、すなわち第１アンテナ素子２６又は第２アンテナ素子２８に各々接続されている。

水平偏波用アンテナ３８では、図１０(Ｂ)にも示すように、副アンテナ素子３２の中央の下部に同軸管３４の外部導体３４Ａが接続され、この同軸管３４の内部導体が、副アンテナ素子３２、第１アンテナ素子２６、第３アンテナ素子３０の内部を挿通されて給電点の位置まで延設されている。この水平偏波用アンテナ３８は、先に説明した水平偏波用アンテナ２４と同様に水平面内における全方向性の指向特性が得られると共に、同軸管３４の外部導体３４Ａを支持することで水平偏波用アンテナ３８を一定の姿勢に保持することを考慮すると、水平偏波用アンテナ２４よりも重量バランスの点で優れている。

また、第１実施形態では、副アンテナ素子３２の平行部３２Ａの全長を第３アンテナ素子３０と等しくした例を説明したが、これに限定されるものではなく、例として図１１に示すように、副アンテナ素子３２の平行部３２Ａの全長は第３アンテナ素子３０の全長よりも短くてもよい。図１１に示す水平偏波用アンテナ４０では、平行部３２Ａの全長が第３アンテナ素子３０の全長よりも短く、接続部３２Ｂ，３２Ｃは平行部３２Ａの両端部と、平行部３２Ａの個々の端部の位置の近傍に配置されているアンテナ素子、すなわち第３アンテナ素子３０との間を接続している。

この水平偏波用アンテナ４０においても、第３アンテナ素子３０のうち副アンテナ素子３２の平行部３２Ａと対向している部分と、副アンテナ素子３２（の平行部３２Ａ、接続部３２Ｂ，３２Ｃ）が折り返しアンテナとして機能するので、副アンテナ素子３２が水平偏波用アンテナ４０全体の指向特性に影響を与えることはなく、水平偏波用アンテナ４０も水平面内における全方向性の指向特性を示す。

〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図１２に示すように、本第２実施形態に係る水平偏波用アンテナ４４は、第１実施形態で説明した水平偏波用アンテナ２４と比較して副アンテナ素子の構成が相違している。

すなわち、水平偏波用アンテナ４４の副アンテナ素子４６は、各々直線状で第１アンテナ素子２６及び第２アンテナ素子２８と全長が等しく平行に対向配置された第１平行部４６Ａ及び第２平行部４６Ｂと、直線状で第３アンテナ素子３０と全長が等しく第１平行部４６Ａと第２平行部４６Ｂの間に配置された第３平行部４６Ｃを備えている。第３平行部４６Ｃの一端は、第３平行部４６Ｃが第１平行部４６Ａと略直角をなすように第１平行部４６Ａの一端に接続されており、第３平行部４６Ｃの他端は、第３平行部４６Ｃが第２平行部４６Ｂと略直角をなすように第２平行部４６Ｂの一端に接続されている。従って平行部４６Ａ〜４６Ｃは、アンテナ素子２６〜３０と同様に、各々同一平面上に位置しかつ全体の形状が略コ字状をなすように端部が接続されている。

そして、平行部４６Ａ〜４６Ｃが位置している平面はアンテナ素子２６〜３０が位置している平面と平行とされ、平行部４６Ａ〜４６Ｃは、第１平行部４６Ａが第１アンテナ素子２６と平行に対向配置され、第２平行部４６Ｂが第２アンテナ素子２８と平行に対向配置され、第３平行部４６Ｃが第３アンテナ素子３０と平行に対向配置されている。また副アンテナ素子４６は、第１平行部４６Ａと第１アンテナ素子２６の先端部同士を接続する接続部４６Ｄ、第２平行部４６Ｂと第２アンテナ素子２８の先端部同士を接続する接続部４６Ｅ、第１平行部４６Ａと第１アンテナ素子２６の中間部同士を接続する短絡部４６Ｆ及び第２平行部４６Ｂと第２アンテナ素子２８の中間部同士を接続する短絡部４６Ｇも備えている。

また、水平偏波用アンテナ４４では、副アンテナ素子４６の第３平行部４６Ｃの中央下部に同軸管３４の外部導体３４Ａが接続されており、同軸管３４の内部導体３４Ｂは、副アンテナ素子４６の第３平行部４６Ｃ、第１平行部４６Ａ、短絡部４６Ｆ、第１アンテナ素子２６及び第３アンテナ素子３０の内部を挿通されて給電点の位置まで延設され、第１実施形態で説明した水平偏波用アンテナ２４と同様に、容量性の分布定数回路（同軸回路）３６を介して第３アンテナ素子３０に接続されている。なお、本第２実施形態に係る水平偏波用アンテナ４４についても、アンテナ自体のインピーダンスＺ_inのリアクタンス成分Ｘの符号が正（インダクタンス）であるために容量性の分布定数回路３６を設けているが、アンテナ自体のインピーダンスＺ_inのリアクタンス成分Ｘの符号が負（キャパシタンス）であれば、誘導性の分布定数回路を設ければよい。

次に本第２実施形態に係る水平偏波用アンテナ４４の作用を説明する。水平偏波用アンテナ４４には、第１アンテナ素子２６と平行に配置された第１平行部４６Ａ、第２アンテナ素子２８と平行に配置された第２平行部４６Ｂ、第３アンテナ素子３０と平行に配置された第３平行部４６Ｃ、平行部４６Ａ，４６Ｂをアンテナ素子２６，２８に接続する接続部４６Ｄ，４６Ｅ及び短絡部４６Ｆ，４６Ｇから成る副アンテナ素子４６が設けられているが、この副アンテナ素子４６はアンテナ素子２６〜３０と共に折り返しアンテナとして機能するので、水平偏波用アンテナ４４全体の指向特性に殆ど影響を与えることはない。このため、水平偏波用アンテナ４４についても水平面内における全方向性の指向特性を示す。また、水平偏波用アンテナ４４は副アンテナ素子４６が設けられていることでインピーダンスが増大し、かつ強度も向上している。

また水平偏波用アンテナ４４は、水平偏波用アンテナ２４と同様に、使用周波数帯域の中心周波数における水平偏波用アンテナ４４自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさに応じて、給電点付近に設けられている分布定数回路３６のリアクタンスの大きさが調整されているので、使用周波数帯域における水平偏波用アンテナ４４全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分が略ゼロとなり、水平偏波用アンテナ４４を送信機又は受信機と整合させることができる。更に、水平偏波用アンテナ４４は、電位が基準電位（例えば０Ｖ）となる第３平行部４６Ｃの中央下部に同軸管３４の外部導体３４Ａが接続されており、同軸管３４の内部導体３４Ｂはアンテナ内部を挿通されて給電点の位置まで延設されているので、水平偏波用アンテナ２４と同様に、水平偏波用アンテナ４４と同軸給電線（同軸管３４）を接続することを、バランを用いることなく、また同軸管３４からの不必要な電磁波の放射等を生じさせることなく実現している。

続いて、本第２実施形態に係る水平偏波用アンテナ４４の特性について、具体的な数値を挙げて更に説明する。水平偏波用アンテナ４４において、使用周波数帯域の中心周波数を300ＭＨ_Zとし、第１アンテナ素子２６（第１平行部４６Ａ）の長さＬ₁及び第２アンテナ素子２８（第２平行部４６Ｂ）の長さＬ₂をＬ₁＝Ｌ₂＝約0.22ｍ、第３アンテナ素子１６（第３平行部４６Ｃ）の長さ２Ｌ₃を約0.16ｍ(Ｌ₃＝約0.08ｍ)、アンテナ素子２６〜３０及び副アンテナ素子４６の直径2ρ＝5mm、副アンテナ素子４６の平行部４６Ａ〜４６Ｃとアンテナ素子２６〜３０との間隔（接続部４６Ｄ，４６Ｅ及び短絡部４６Ｆ，４６Ｇの長さ）ｂをｂ＝約0.02ｍ、第３アンテナ素子３０の両端部と短絡部４６Ｆ，４６Ｇとの距離ｓをｓ＝約0.08ｍとし、水平偏波用アンテナ４４自体のインピーダンスＺ_inのリアクタンス成分Ｘ(j230Ω)に応じて分布定数回路３６のリアクタンス（キャパシタンス）を約-j230Ωに調整した場合の水平偏波用アンテナ４４の水平面内指向特性及びＶＳＷＲ特性を計算した結果を図１３及び図１４に示す。

図１３に示すように、水平偏波用アンテナ４４の水平面内指向特性は略円形となっており、副アンテナ素子４６が水平面内指向特性に影響を与えておらず、水平面内における全方向性の指向特性が得られていることが理解できる。また、図１４に示すように、使用周波数帯域の中心周波数300ＭＨ_Zにおける水平偏波用アンテナ４４のＶＳＷＲ値は略1.0となっており、送信機又は受信機と整合することができる。

また、本第２実施形態に係る水平偏波用アンテナ４４は設計が容易であるという利点も有している。すなわちアンテナの諸特性は指向特性とインピーダンスに集約されるため、アンテナの設計に際しては、指向特性が所望の特性を示し、かつインピーダンスが所望の値を示すことが主目標となる。一方、本発明に係る水平偏波用アンテナでは、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と第３アンテナ素子の長さ（比率）を調整することで所望の指向特性（水平面内指向特性の全方向性）が得られるものの、同時にアンテナ自体のインピーダンスも変化してしまうため、水平面内指向特性が全方向性を示し、かつインピーダンスが所望の値を示すように第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と第３アンテナ素子の長さ（比率）を定めることに困難が伴うという問題がある。

これに対して本第２実施形態に係る水平偏波用アンテナ４４では、短絡部４６Ｆ，４６Ｇの位置を変化させると、水平面内指向特性に殆ど変化することなくアンテナ自体のインピーダンスが変化するという特性を有している。一例として、前述の条件（Ｌ₁＝Ｌ₂＝約0.22ｍ、Ｌ₃＝約0.08ｍ、2ρ＝5mm、ｂ＝約0.02ｍ）で、使用周波数帯域の中心周波数300ＭＨ_Zの波長λ(≒１ｍ)に対して短絡部４６Ｆ，４６Ｇの位置（第３アンテナ素子３０の両端部と短絡部４６Ｆ，４６Ｇとの距離ｓ）を変化させた場合のインピーダンスの変化を図１５に示す。

このため、水平偏波用アンテナ４４の設計に際しては、まず水平面内指向特性の全方向性が得られるように第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と第３アンテナ素子の長さを調整した後に、水平偏波用アンテナ４４自体のインピーダンスの実部Ｒの値が所望の値（例えば同軸給電線と整合する50Ω等）になるように短絡部４６Ｆ，４６Ｇの位置（第３アンテナ素子３０の両端部と短絡部４６Ｆ，４６Ｇとの距離ｓ）を調整し、続いて、使用周波数帯域における水平偏波用アンテナ４４全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分が略ゼロとなるように分布定数回路３６のリアクタンスの大きさを調整することで、水平面内における全方向性の指向特性を有し、かつインピーダンスが送信機又は受信機と整合できる適切な値を示す水平偏波用アンテナ４４を容易に設計することができる。

なお、第２実施形態では副アンテナ素子４６の平行部４６Ａ〜４６Ｃが、アンテナ素子２６〜３０が位置している平面と平行かつ異なる平面上に位置している例を説明したが、これに限定されるものではなく、例として図１６に示すように、副アンテナ素子４６がアンテナ素子２６〜３０と同一平面上に位置していてもよい。図１６に示す水平偏波用アンテナ４８では、副アンテナ素子４６の平行部４６Ａ〜４６Ｃが、全体の形状が略コ字状をなすように端部が接続されている。そして副アンテナ素子４６の平行部４６Ａ〜４６Ｃは、アンテナ素子２６〜３０と同一平面上でかつアンテナ素子２６〜３０がなす略コ字状の全体の形状の内側に、第１平行部４６Ａが第１アンテナ素子２６と略平行、第２平行部４６Ｂが第２アンテナ素子２８と略平行、第３平行部４６Ｃが第３アンテナ素子３０と略平行になるように配置されている。

また、副アンテナ素子４６は、第１平行部４６Ａと第１アンテナ素子２６の先端部同士を接続する接続部４６Ｄ、第２平行部４６Ｂと第２アンテナ素子２８の先端部同士を接続する接続部４６Ｅ、第１平行部４６Ａと第１アンテナ素子２６の中間部同士を接続する短絡部４６Ｆ及び第２平行部４６Ｂと第２アンテナ素子２８の中間部同士を接続する短絡部４６Ｇも備えている。更に、水平偏波用アンテナ４８では、副アンテナ素子４６の第３平行部４６Ｃの中央下部に同軸管３４の外部導体３４Ａが接続されており、同軸管３４の内部導体３４Ｂは、副アンテナ素子４６の第３平行部４６Ｃ、第１平行部４６Ａ、短絡部４６Ｆ、第１アンテナ素子２６及び第３アンテナ素子３０の内部を挿通されて給電点の位置まで延設され、容量性の分布定数回路（同軸回路）３６を介して第３アンテナ素子３０に接続されている。

図１６に示す水平偏波用アンテナ４８についても、副アンテナ素子４６がアンテナ素子２６〜３０と共に折り返しアンテナとして機能するので、水平偏波用アンテナ４４全体の指向特性に殆ど影響を与えることはなく、水平面内における全方向性の指向特性を示す。また、副アンテナ素子４６が設けられていることでインピーダンスが増大し、かつ強度も向上している。また水平偏波用アンテナ４８は、使用周波数帯域の中心周波数における水平偏波用アンテナ４４自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさに応じて、給電点付近に設けられている分布定数回路３６のリアクタンスの大きさが調整されているので、使用周波数帯域における水平偏波用アンテナ４８全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分が略ゼロとなり、水平偏波用アンテナ４８を送信機又は受信機と整合させることができる。

更に、水平偏波用アンテナ４８は、電位が基準電位（例えば０Ｖ）となる第３平行部４６Ｃの中央下部に同軸管３４の外部導体３４Ａが接続されり、同軸管３４の内部導体３４Ｂはアンテナ内部を挿通されて給電点の位置まで延設されているので、水平偏波用アンテナ４８と同軸給電線（同軸管３４）を接続することを、バランを用いることなく、また同軸管３４からの不必要な電磁波の放射等を生じさせることなく実現できる。また、水平偏波用アンテナ４８においても、短絡部４６Ｆ，４６Ｇの位置（第３アンテナ素子３０の両端部と短絡部４６Ｆ，４６Ｇとの距離）を変化させることでアンテナ自体のインピーダンスが変化するので、水平面内指向特性が全方向性を示し、かつインピーダンスが所望の値を示す水平偏波用アンテナ４８を容易に設計できる、という効果も有している。

図１６に示す水平偏波用アンテナ４８の特性について、具体的な数値を挙げて更に説明する。水平偏波用アンテナ４８において、使用周波数帯域の中心周波数を300ＭＨ_Zとし、第１アンテナ素子２６（第１平行部４６Ａ）の長さＬ₁及び第２アンテナ素子２８（第２平行部４６Ｂ）の長さＬ₂をＬ₁＝Ｌ₂＝約0.22ｍ、第３アンテナ素子１６（第３平行部４６Ｃ）の長さ２Ｌ₃を約0.16ｍ(Ｌ₃＝約0.08ｍ)、アンテナ素子２６〜３０及び副アンテナ素子４６の直径2ρ＝5mm、副アンテナ素子４６の平行部４６Ａ〜４６Ｃとアンテナ素子２６〜３０との間隔（接続部４６Ｄ，４６Ｅ及び短絡部４６Ｆ，４６Ｇの長さ）ｂをｂ＝約0.01ｍ、第３アンテナ素子３０の両端部と短絡部４６Ｆ，４６Ｇとの距離ｓをｓ＝約0.11ｍとした場合、水平偏波用アンテナ４４自体のインピーダンスＺ_inはＺ_in＝49.1＋j256Ωとなり、このリアクタンス成分Ｘ(j256Ω)に応じて分布定数回路３６のリアクタンス（キャパシタンス）を約-j256Ωに調整した場合の水平偏波用アンテナ４８の水平面内指向特性及びＶＳＷＲ特性を計算した結果を図１７及び図１８に示す。

図１７に示すように、水平偏波用アンテナ４４の水平面内指向特性は略円形となっており、先に説明した水平偏波用アンテナ４４と同様に、副アンテナ素子４６が水平面内指向特性に影響を与えておらず、水平面内における全方向性の指向特性が得られていることが理解できる。また、図１８に示すように、使用周波数帯域の中心周波数300ＭＨ_Zにおける水平偏波用アンテナ４４のＶＳＷＲ値は略1.0となっており、送信機又は受信機と整合できることも明らかである。

また、第２実施形態では副アンテナ素子４６の第１平行部４６Ａ及び第２平行部４６Ｂの全長を第１アンテナ素子２６及び第２アンテナ素子２８と等しくした例を説明したが、これに限定されるものではなく、例として図１９に示すように、副アンテナ素子４６の第１平行部４６Ａ及び第２平行部４６Ｂの全長を第１アンテナ素子２６及び第２アンテナ素子２８よりも短くしてもよい。図１９に示す水平偏波用アンテナ５０では、第１平行部４６Ａ及び第２平行部４６Ｂの全長が第１アンテナ素子２６及び第２アンテナ素子２８よりも短く、第１平行部４６Ａ及び第２平行部４６Ｂの端部は、短絡部４６Ｆ，４６Ｇを介して第１アンテナ素子２６及び第２アンテナ素子２８の中間部に接続されている。

この水平偏波用アンテナ５０は、水平偏波用アンテナ４４よりも若干強度が低下するものの、第１アンテナ素子２６のうち第１平行部４６Ａと対向している部分、第２アンテナ素子２８のうち第２平行部４６Ｂと対向している部分、第３アンテナ素子３０、及び、副アンテナ素子４６（の平行部４６Ａ〜４６Ｃ、短絡部４６Ｆ，４６Ｇ）が折り返しアンテナとして機能し、電気的な特性は水平偏波用アンテナ４４と殆ど変わらず、軽量かつ低コストに構成できるという効果を有する。また水平偏波用アンテナ５０では、短絡部４６Ｆ，４６Ｇが水平偏波用アンテナ４４における短絡部４６Ｆ，４６Ｇと同様に作用し、短絡部４６Ｆ，４６Ｇの位置（第３アンテナ素子３０の両端部と短絡部４６Ｆ，４６Ｇとの距離）を変化させることでアンテナ自体のインピーダンスが変化するので、水平面内指向特性が全方向性を示し、かつインピーダンスが所望の値を示す水平偏波用アンテナ５０を容易に設計することができる、という効果も有している。

なお、上記では請求項２に記載の「インピーダンスを整合させるためのリアクタンス」として分布定数回路を例に説明したが、これに限定されるものではなく、上記のリアクタンスとして集中定数素子（コンデンサ等）を適用してもよい。但し、集中定数素子には耐圧の制限があるので、特に本発明に係る水平偏波用アンテナを送信用として用いる場合には分布定数回路を用いることが好ましい。

また、上記の分布定数回路や集中定数素子に代えて、可変容量ダイオード等の可変リアクタンス素子を給電点付近に設けてもよい。例えば可変容量ダイオードを設ける場合、図２０に示すように、第３アンテナ素子３０を構成し中央に設けられた空隙を挟んで対向配置された一対のアンテナ素子３０Ａ，３０Ｂのうち、同軸管３４の内部導体３４Ｂが挿通されていない方のアンテナ素子３０Ａの開口を金属板５４により封止し、同軸管３４の内部導体３４Ｂと金属板５４との間に可変容量ダイオード５６を接続すればよい。なお、図２０では同軸管３４の外部導体３４Ａに−(マイナス)、内部導体３４Ｂに＋(プラス)を給電する場合を示しているが、逆極性に給電する場合は可変容量ダイオード５６を図２０と逆向きに接続すればよい。これにより、水平偏波用アンテナは可変容量ダイオード５６を介して給電される。また、同軸管３４を介して供給される高周波電流に直流電流を重畳すると共に、この直流電流の大きさを変化させると、可変容量ダイオード５６のリアクタンス（キャパシタンス）の大きさが変化することで、水平偏波用アンテナ全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を高周波電流とは無関係に変化させることができる。

例えば図７に示す水平偏波用アンテナ２４において、分布定数回路３６に代えて可変容量ダイオード５６を設け、高周波電流に重畳する直流電流の大きさを変化させることで、可変容量ダイオード５６のリアクタンス（キャパシタンス）を各値に変化させたときの、水平偏波用アンテナ２４のＶＳＷＲ特性及び水平面内指向特性の変化を図２１に示す。第１実施形態で説明した水平偏波用アンテナ２４や第２実施形態で説明した水平偏波用アンテナ４４は、実用に耐えうる周波数帯域幅（ＶＳＷＲが所定値以下となる周波数帯域幅）が何れも数十MHz程度である。これに対し、上記の可変容量ダイオード５６等の可変リアクタンス素子を設ければ、使用周波数帯域を変更したい場合にも、変更後の使用周波数帯域におけるアンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさに応じて、同軸管３４を介して供給する高周波電流に重畳させた直流電流の大きさを変化させ、可変リアクタンス素子のリアクタンスの大きさを調整することで、変更後の使用周波数帯域における水平偏波用アンテナ全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を略ゼロ又はゼロに近づけることができ、図２１からも明らかなように、水平偏波用アンテナの広帯域化を実現することができる。

なお、アンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさに比して可変容量ダイオード５６のキャパシタンスが不足している場合には、分布定数回路３６を設けると共に、この分布定数回路３６と並列に可変容量ダイオード５６を接続れば、アンテナ全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を略ゼロ又はゼロに近づけることができる。また、アンテナ自体のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘの大きさに比して可変容量ダイオード５６のキャパシタンスが大き過ぎる場合には、図２０に示す構成において、可変容量ダイオード５６と直列にコンデンサ（キャパシタンス）を接続すれば、アンテナ全体としてのインピーダンスのリアクタンス成分を略ゼロ又はゼロに近づけることができる。

また、上記では本発明に係る水平偏波用アンテナに接続する同軸給電線として同軸管を例に説明したが、これに代えて同軸ケーブルを用いてもよい。また、本発明に係る水平偏波用アンテナに接続する給電線は同軸給電線に限られるものではなく、例えば平行２線式給電線（平行フィーダー線）等の他の給電線を接続してもよい。

本発明に係る水平偏波用アンテナの一例を示す平面図である。図１に示す水平偏波用アンテナの各アンテナ素子を電気ダイポールアンテナ＃１〜＃３に置き換えた状態を示す斜視図である。平行に配置された電気ダイポールアンテナ＃１，＃２を示す平面図である。図１に示す水平偏波用アンテナの水平面内指向特性を示す線図である。 (Ａ)及び(Ｂ)は給電点付近にリアクタンスを挿入した水平偏波用アンテナの一例を示す平面図である。図５に示す水平偏波用アンテナのＶＳＷＲ特性を示す線図である。第１実施形態に係る水平偏波用アンテナの(Ａ)は斜視図、(Ｂ)は平面図である。図７に示す水平偏波用アンテナのＶＳＷＲ特性を示す線図である。図７に示す水平偏波用アンテナの水平面内指向特性を示す線図である。水平偏波用アンテナの他の例を示す(Ａ)は平面図、(Ｂ)は斜視図である。水平偏波用アンテナの他の例を示す平面図である。第２実施形態に係る水平偏波用アンテナの斜視図である。図１２に示す水平偏波用アンテナの水平面内指向特性を示す線図である。図１２に示す水平偏波用アンテナのＶＳＷＲ特性を示す線図である。図１２に示す水平偏波用アンテナにおいて、副アンテナ素子の短絡部の位置の変化に対するインピーダンスの変化を示す線図である。水平偏波用アンテナの他の例を示す斜視図である。図１６に示す水平偏波用アンテナの水平面内指向特性を示す線図である。図１６に示す水平偏波用アンテナのＶＳＷＲ特性を示す線図である。水平偏波用アンテナの他の例を示す斜視図である。水平偏波用アンテナの給電部の構成の他の例を示す斜視図である。給電部が図２０に示すように構成された水平偏波用アンテナにおいて、可変容量ダイオードの容量を変化させたときの水平面内指向特性及びＶＳＷＲ特性の変化を示す線図である。 (Ａ)は垂直ダイポールアンテナ、(Ｂ)はモノポールアンテナを各々示す斜視図、(Ｃ)は垂直ダイポールアンテナやモノポールアンテナの水平面内における指向特性を示す線図である。 (Ａ)は水平ダイポールアンテナを示す斜視図、(Ｂ)は水平ダイポールアンテナの水平面内における指向特性を示す線図、(Ｃ)は従来の水平偏波用全方向性アンテナを示す斜視図である。

符号の説明

１０，２４，３８，４０，４４，５０水平偏波用アンテナ
１２，２６第１アンテナ素子
１４，２８第２アンテナ素子
１６，３０第３アンテナ素子
３２，４６副アンテナ素子
３４同軸管
３６分布定数回路
５６可変容量ダイオード

Claims

各々直線状で全長が略等しく略平行に対向配置された第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子と、
直線状で略中央に給電点が設けられ、前記第１アンテナ素子と略直角をなすように一端が前記第１アンテナ素子の一端に接続されると共に、前記第２アンテナ素子と略直角をなすように他端が前記第２アンテナ素子の一端に接続された第３アンテナ素子と、
を備え、
前記第１乃至第３アンテナ素子の全長の合計が使用周波数帯域の電波の１波長以下とされた水平偏波用アンテナ。
前記第３アンテナ素子の給電点付近に、インピーダンスを整合させるためのリアクタンスが挿入されていることを特徴とする請求項１記載の水平偏波用アンテナ。
前記第１乃至第３アンテナ素子のうち少なくとも前記第３アンテナ素子と略平行に配置され、少なくとも両端部が、個々の端部の位置の近傍に配置されている前記第１乃至第３アンテナ素子の何れかに各々接続された副アンテナ素子を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の水平偏波用アンテナ。
前記副アンテナ素子は、前記第３アンテナ素子と略平行に配置されている部分のうち前記第３アンテナ素子に設けられた給電点に対応する箇所に同軸給電線の外部導体が接続されており、前記同軸給電線の内部導体は、前記箇所から前記給電点に至る経路上の各アンテナ素子の内部を挿通されて前記給電点の位置まで延設されていることを特徴とする請求項３記載の水平偏波用アンテナ。
前記第３アンテナ素子の給電点付近に配置されると共に前記同軸給電線の内部導体に接続され、前記同軸給電線を介して供給される高周波電流に重畳された直流電流に応じてリアクタンスの大きさが変化する可変リアクタンス素子を更に備え、前記可変リアクタンス素子を介して給電されることを特徴とする請求項４記載の水平偏波用アンテナ。