JP2008228257A

JP2008228257A - アンテナ装置

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Publication number: JP2008228257A
Application number: JP2007101098A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sugiyama; ▲隆▼司杉山; Yoshinari Ohashi; 良成大橋; Takaaki Sugiyama; 陽明杉山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-10
Filing date: 2007-03-10
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-03-10
Also published as: JP4224864B2

Abstract

【課題】従来の小形化された短縮形アンテナ装置は短縮コイルや頂冠キャパシティを用いて実現していた。絶縁物として誘電体を使用して作られている同軸ケーブル及び平行二線式平衡線（フィーダー）等素材の絶縁物の持つ速度係数（短縮率）を活かしたアンテナ装置を実現出来ればこれらを不要とするシンプルな短縮形アンテナ装置が実現出来るという考え方は従来よりあったがこれまで成し得ることが出来なかった。本発明のこのアンテナ装置は最適な給電方法を考案したことにより課題を解決出来るに至った。
【解決手段】
１／２λの電気的な長さの同軸ケーブル又は平行二線式平衡線（フィーダー）等或いは同等の形状の素材を放射器（ラジエーター）として使用し、高インピーダンス給電することにより実現出来る。
【選択図】図１

Description

本発明はアンテナ装置であって、さらに詳しくは基本的な長さを要するアンテナ長の短縮を図った或いは無線運用の出来る周波数帯域の広いダイポール形アンテナに関するものである。

ダイポール形アンテナはヘルツが初めて電波を発生させるために用いたアンテナで、以来形状は変わらず現在も無線通信に於ける基本形のアンテナとして使用されている。構造は長さ１／２λの放射器（ラジエーター）を中央で分割し、その位置から給電させる。いたってシンプルなアンテナである。このダイポール形アンテナは一般的に短波帯から超短波帯の送信及び受信用のアンテナとして使用されている。

無線通信でのアマチュア無線の運用は比較的波長の長い波長域においても運用されている。実用的な周波数の下限はアマチュア無線では１．９ＭＨｚであり、これは波長およそ１６０ｍであり、従来の１／２λダイポール・アンテナは約８０ｍ、１／４λ垂直形アンテナでも約４０ｍとなり、アンテナの架設は物理的に困難であった。これを解決するため従来は短縮コイルや頂冠キャパシティを使用していたが、短縮させるが故に運用出来る周波数帯域も狭くなってしまった。

同軸ケーブルを使用して素材の絶縁物の持つ速度係数（短縮率）を利用したアンテナを発明することが出来れば短縮コイルや頂冠キャパシティを省略した短縮されたアンテナが実現出来るという考え方は過去多くの無線に関わった人たちが実験・可能性について挑戦したが成し得ることが出来なかった。最近もその可能性について詳細に理論立てて実験されたにも拘らず完成には至っていない。（非特許文献１を参照）

１／４λ垂直形アンテナ（モノポール・アンテナ）に於いては１／２λダイポール・アンテナの片側の放射器（ラジエーター）を給電部近くで接地することにより鏡像アンテナとして実現しているが、給電点を高くしたり、移動体でのアンテナ装置の架設に於いてはその移動体の形状により接地が不完全になり十分な性能を発揮出来ない場合がある。

従来のアンテナ技術に同様な給電方法が見出されてはいたが、この様な素材だけを給電し、短縮されたアンテナを実現するには至らなかった。（非特許文献２を参照）

ＣＱ出版株式会社ＨＡＭＪｏｕｒｎａｌＮｏ．１１３２００５年４月１日発行ｐ１１４「同軸ケーブル特性の把握と短縮率の実験」

ＣＱ出版株式会社別冊ＣＱｈａｍｒａｄｉｏ３月号１９９３年３月１日発行ダイナミック・ハムシリーズ１６「ワイヤーアンテナ」ｐ２０５「６．１０７ＭＨｚダブル・バズーカ」

アンテナ装置は小形化すると給電インピーダンスが下がり効率が低下し、また運用出来る周波数帯域が狭くなる性質があって短縮された小形のアンテナは使い難いアンテナ装置であった。

本発明はアンテナの長さを短縮し、運用周波数帯域幅を十分確保出来る広帯域なダイポール形アンテナ装置を作り出すことを目的とするものである。

このアンテナの給電インピーダンスは大変高い値であることが把握出来たことにより、最適な給電方法を考案し課題を解決出来るに至った。

ダイポール形アンテナについて特許請求の範囲の請求項２の同軸ケーブルにて図１、図４、図５に従った構成にて達成される。及び請求項３の平行二線式平衡線（フィーダー）にて図２、図３に従った構成にて達成される。及び接地を要さない請求項４の１／４λ垂直形アンテナ（モノポール・アンテナ）は図６に従った構成によって達成される。及び請求項５の同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配したダイポール形アンテナは図７に従った構成によって達成される。

本発明に従った短縮されたダイポール形のアンテナ装置は放射器（ラジエーター）の素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を活かして波長が短縮されるので、短縮コイルや頂冠キャパシティが不要で構造がシンプルであり、コストパフォーマンスに優れ応用性が高い。また周波数帯域幅も十分確保できる状態で作動する。実験で架設した３ないし５ｍ程の給電高で基本的に図１の形態で７ＭＨｚ帯ではおよそ２００ＫＨｚ、図６の形態では２５０ＫＨｚの周波数帯域を確保出来る。

この短縮されたダイポール形放射器（ラジエーター）は特に直線的に伸張する必要はなく、片側を巻き込んで全長が１／４λ形アンテナとして実現できる。モノポール・アンテナとは異なり、接地を要しない。図６はスパイダー巻きであるがソレノイド巻きでも良い。

この基本的な誘電体で絶縁された同軸ケーブルで実現したダイポール形アンテナは図４のようにそれぞれの放射器（ラジエーター）を巻き込んで更に短縮させても給電インピーダンス・周波数帯域幅にほとんど影響を与えず作動する。図はスパイダー巻きであるがソレノイド巻きでも良い。

同様に図５のように給電部よりそれぞれの放射器（ラジエーター）をすべてソレノイド巻きにした５０ＭＨｚ帯の全長１７０ｍｍのこのダイポール形アンテナでも給電インピーダンス・周波数帯域幅にはほとんど影響を与えず作動する。また放射器（ラジエーター）の片側を逆方向に巻いても変わらず作動する。この現象は放射器（ラジエーター）をどのような形に展開してもアンテナとして作動することを意味している。

上記のアンテナは本来必要な長さの５．７％に過ぎず、このまま１．９ＭＨｚ帯のアンテナを考えるとわずか数メートル弱で実現できることになる。このように単純な構造で構成出来るこのアンテナの独特の特質は波長の長い、低い周波数帯での無線の運用のためのアンテナ装置の架設が物理的にもコスト的にも容易になる。

本発明に従った原理は従来の基本的なダイポール形アンテナ及び、より複雑なアンテナ構成の反射器もしくは導波器を伴う通常の多素子の形式のダイポール形アンテナのすべてに適用可能である。

基本的に一定のインピーダンスを持つ同軸ケーブル、平行二線式平衡線（フィーダー）又は同様の性質を持つ素材を使用し、それぞれを１／４λの電気的な長さの一対の放射器（ラジエーター）として使用し、その先端を短絡し、中央部を交差させて接続、その部分から高インピーダンス給電することにより素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を利用した波長の短縮された広帯域ダイポール形のアンテナ装置として作動させることが出来る。

図１，２，３は一般的な通常の放射器（ラジエーター）として図４、５は更に短縮された放射器（ラジエーター）として動作する本発明に従った短縮されたダイポール形のアンテナ装置を略図的に示している。いずれもこれらは長さが電気的な長さの１／２λに素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を乗じた同軸ケーブル又は平行二線式平衡線（フィーダー）で構成されている。給電部の結線で解るように同一の同相の電流がそれぞれ流れ、アンテナとして作動する。これら同軸ケーブル又は平行二線式平衡線（フィーダー）をアンテナの放射器（ラジエーター）として使用するには、この図の様に構成・結線することにより実現出来る。

図６はモノポール・アンテナとしての放射器（ラジエーター）と鏡像側放射器（ラジアル）であり、接地を要しない構造となる。

このアンテナは大変給電インピーダンスが高く、このままでは給電出来ないので、インピーダンスの変換を行わねばならない。一時側は送信機の出力形態によるが現在では５０Ω不平衡出力がほとんどである。故に不平衡５０Ω：平衡ｎｎΩに変換しなくてはならない。この値は放射器（ラジエーター）に使用する同軸ケーブル又は平行二線式平衡線（フィーダー）によって値が異なる。これにより素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を活かした短縮されたダイポール形のアンテナ装置が実現出来る。

実験で求めた給電インピーダンス値はそれぞれ次に示す数値付近となる。請求項２及び請求項４の５０Ω系同軸ケーブルでは８００Ω。７５Ω系同軸ケーブルでは１０００Ω。
請求項３の２００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）では２８００Ω。３００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）では３０００Ω。請求項５の一対の二本の金属管（パイプ）内に配した５０Ω系同軸ケーブルでは２５０Ω。７５Ω系同軸ケーブルでは２７０Ω。インピーダンス及び不平衡・平衡の変換は一般的なトロイダルコア及びフェライトビーズを使用したバランで実現出来る。

高い周波数帯では給電インピーダンスが低くなる傾向があり、５０ＭＨｚ帯にては若干低いインピーダンスで給電出来る。及び図４の様に先端を巻き込んでも図５の様に全体を巻き込んでも周波数帯域の広いアンテナとして作動させることが出来る。

図７の同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配したダイポール形アンテナは構造的にも強固となり多素子化の実現が容易となる。

５０Ω系同軸ケーブル又は７５Ω系同軸ケーブルでの実施方法を示した斜視図。２００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）での実施方法を示した斜視図。３００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）での実施方法を示した斜視図。５０Ω系同軸ケーブル又は７５Ω系同軸ケーブルの両先端を巻き込んでの実施方法を示した斜視図で図ではスパイラル巻きとしているがソレノイド巻きでも良い。５０Ω系及び７５Ω系同軸ケーブルを全てソレノイド巻きとした斜視図。全長１／４λでの実現の実施方法を示した斜視図で図ではスパイラル巻きとしているがソレノイド巻きでも良い。同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配したダイポール形アンテナの斜視図。請求項２、図１の５０Ω系同軸ケーブルをそれぞれ片側６９７０ｍｍとし図１７の５０Ω不平衡：８００Ω平衡バランを使用し、給電点高さ＝３．４ｍでの実測結果請求項２、図１の７５Ω系同軸ケーブルをそれぞれ片側６９７０ｍｍとし図１８の５０Ω不平衡：１０００Ω平衡バランを使用し、給電点高さ＝３．４ｍでの実測結果請求項４、図６の１／４λ垂直型アンテナ装置を７５Ω系同軸ケーブルをそれぞれ７６８０ｍｍとし片側を鏡像側放射器（ラジアル）として巻き込み、図１８の５０Ω不平衡：１０００Ω平衡バランを使用し、給電点高さ＝５．４ｍでの実測結果請求項３、図２の２００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）をそれぞれ片側を８５３０ｍｍとし放射器（ラジエーター）として使用し、図１９の５０Ω不平衡：２８００Ω平衡バランを使用し、給電点高さ＝３．３ｍでの実測結果請求項３、図３の３００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）をそれぞれ片側を８８２０ｍｍとし放射器（ラジエーター）として使用し、図２０の５０Ω不平衡：３０５０Ω平衡バランを使用し、給電点高さ＝３．３ｍでの実測結果請求項３、図３の３００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）を放射器（ラジエーター）として使用する場合の最適給電インピーダンスを求めるため３種類のバランにより実測した推測結果請求項２、図１を７５Ω系同軸ケーブルでそれぞれ片側９２０ｍｍとし、図１７の５０Ω不平衡：８００Ω平衡バランを使用、５０ＭＨｚ帯（給電点高さ＝７ｍ）での実測結果で左図は同軸ケーブルを伸張した状態、右図は同軸ケーブルを中心よりそれぞれ１７０ｍｍの位置より両端をソレノイド巻きにした状態（全長４４０ｍｍ）及び１６０ｍｍの位置より両端をスパイラル巻きにした状態（全長３３０ｍｍ）請求項２、図５を７５Ω系同軸ケーブルを図１７の５０Ω不平衡：８００Ω平衡バランを使用、バランに隣接した位置よりソレノイド巻きにした状態（全長１７０ｍｍ）での５０ＭＨｚ帯（給電点高さ＝７ｍ）の実測結果請求項５、図７同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配しそれぞれ片側の放射器（ラジエーター）を９１０ｍｍ、７５Ω系は図２１のＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２７０Ω平衡バランを使用、５０Ω系は図２２のＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２５０Ω平衡バランを使用しての５０ＭＨｚ帯（給電点高さ＝７ｍ）での実測で図の左側は７５Ω系同軸ケーブルを実装、右側は５０Ω系同軸ケーブルを実装した実測結果請求項２及び請求項４の５０Ω系同軸ケーブルを放射器（ラジエーター）として給電させるＨＦに特化した５０Ω不平衡：８００Ω平衡バラン請求項２及び請求項４の７５Ω系同軸ケーブルを放射器（ラジエーター）として給電させるＨＦに特化した５０Ω不平衡：１０００Ω平衡バラン請求項３の２００Ω系平行二線式平衡線（フィーダー）を放射器（ラジエーター）として給電させるＨＦに特化した５０Ω不平衡：２８００Ω平衡バラン請求項３の３００Ω系平行二線式平衡線（フィーダー）を放射器（ラジエーター）として給電させるＨＦに特化した５０Ω不平衡：３０００Ω平衡バラン請求項５の７５Ω系同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配し放射器（ラジエーター）として給電させるＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２７０Ω平衡バラン請求項５の５０Ω系同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配し放射器（ラジエーター）として給電させるＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２５０Ω平衡バラン

符号の説明

１電気的長さが１／４λの同軸ケーブル
２電気的長さが１／４λの２００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）
３電気的長さが１／４λの３００Ω平行二線式平衡線（フィーダー）
４電気的長さが１／４λの先端側をスパイダー巻きにした同軸ケーブル
５電気的長さが１／４λのソレノイド巻きにした同軸ケーブル
６電気的長さが１／４λのスパイダー巻きにした同軸ケーブル
７電気的長さが１／４λの同軸ケーブルに相当した長さの金属管（パイプ）
８、９給電ポイント、インピーダンス及び不平衡・平衡の変換をバランにて行い送信機へ

Claims

平衡したインピーダンスを持つ同軸ケーブル又は平行二線式平衡線（フィーダー）を放射器（ラジエーター）として高インピーダンス給電するダイポール形のアンテナ装置。
誘電体で絶縁された一対の同軸ケーブルを使用し、それぞれを１／４λの電気的な長さの一対の放射器（ラジエーター）として使用し、その先端を短絡し、中央部を交差させて接続、その部分から高インピーダンス給電する素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を利用した波長の短縮された広帯域ダイポール形のアンテナ装置。
誘電体で絶縁された一対の平行二線式平衡線（フィーダー）を使用し、それぞれを１／４λの電気的な長さの一対の放射器（ラジエーター）として使用し、その先端を短絡し、中央部を交差させて接続、その部分から高インピーダンス給電する素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を利用した波長の短縮された広帯域ダイポール形のアンテナ装置。
１／４λの電気的な長さの一対の誘電体で絶縁された同軸ケーブルを使用し、その先端を短絡し、中央部を交差させて接続、片側を鏡像側放射器（ラジアル）として配した接地を要さない高インピーダンス給電する素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を利用した波長の短縮された広帯域１／４λ垂直型アンテナ装置。
誘電体で絶縁された一対の同軸ケーブルを使用し、それぞれを１／４λの電気的な長さの一対の放射器（ラジエーター）として使用し、その先端を短絡し、中央部を交差させて接続し、更に一対の二本の金属管（パイプ）内に配し、同時に高インピーダンス給電する素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を利用した波長の短縮された広帯域ダイポール形のアンテナ装置。