JP2008543145A - モノポールアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】低製造コストで、十分な性能レベルで、地上波デジタルテレビに適した小さなサイズのモノポールアンテナを提供する。
【解決手段】柱（３０）を用いて土台（２０）に取り付けられた放射素子（１０）を有するモノポールアンテナであって、該放射素子は、２つの導電性Ｕ字ストランド（１１、１２）から形成され、各ストランドの長さＬは、１／４λｇ≦Ｌ≦１／２λｇとなるように選ばれ、該λｇは中心放射周波数Ｆ０でのストランド内の波長である。
【選択図】図１

Description

本発明はモノポールアンテナに関し、特にＵＨＦ帯を完全にカバーする広い周波数帯を有する低コストでコンパクトなアンテナに関する。本発明は、地上波デジタルテレビ（ＴＮＴ）のポータブル受信に適したモノポールアンテナにも関し、このモノポールアンテナはインピーダンス整合回路網を要求しない。

アンテナでは、アンテナによって占められる最大サイズと体積を減少したい願望と、逆にこのアンテナに要求される放射及び／又は帯域幅を十分確保するため、最小のアンテナ寸法を維持する必要性との間に、妥協が見出されるべきである。実際、アンテナの寸法は物理法則と低周波数用途のために制限が課されており、周波数帯域幅と歩留まりに関して、重要な性能を保持したまま、アンテナのサイズを減少することは非常に難しい。

一方、地上波デジタルテレビで、使用される復調は、ＤＶＢ−Ｔ（地上波デジタルビデオ放送）基準に準拠しているＯＦＤＭマルチキャリア変調である。このＯＦＤＭ変調は、堅牢であり、特にマルチパスの事象に対して堅牢である。しかしながら、送信される信号は、アナログ信号と異なるデジタル信号であり、その劣化は進行するため、ポータブル受信に関して受信の問題がある。高品質の受信から画像の完全な喪失までのデジタル信号の劣化は早く起こる。

それゆえ、本発明の目的は、低製造コストで、十分な性能レベルで、地上波デジタルテレビに適した小さなサイズのモノポールアンテナを提供することである。

本発明は、柱を用いて土台に取り付けられた放射素子を有するモノポールアンテナであって、該放射素子は、２つの導電性Ｕ字ストランドから形成され、各ストランドの長さＬは、１／４λｇ≦Ｌ≦１／２λｇとなるように選ばれ、該λｇは中心放射周波数Ｆ０でのストランド内の波長である。

モノポールアンテナのこの形状は、より少ない材料を使用して、より軽いアンテナを製造することを可能にする。一方、放射素子の厚さが薄いモノポールアンテナを設計することが可能である。これは、特に金属薄板スタンピング技術を使用することによって、低コストで製造できることを意味する。

本発明の他の特徴によれば、モノポールアンテナのストランドは、特別な折りたたみに対応した外形を有する。ストランドは、Ｌ字型、ギザギザ型、多角形型、又は正弦波型に折りたたまれる。

好ましくは、導電性ストランドは、金属又は金属化材料から作られる。同様に、柱を用いて放射素子を支えている土台は、放射素子のための接地面を形成する金属又は金属化材料から作られた面を含む。好ましくは、接地面を形成する金属面は、中心放射周波数での波長の１／５λｇと１／１０λｇの間の寸法を有している。

本発明の他の特徴と効果は、非制限例として与えられる異なった実施形態の記載で現れ、この記載は添付の図を参照して行われる。

記述を簡単化するため、同じ又は同様な要素は図で同じ参照を有している。

図１で、本発明の単純な実施形態が概略的に示される。本実施形態でモノポールアンテナは、顕著なＵ字を形成するように素子１３によって先端で結びつけられている２つのストランド１１と１２を含んでいる放射素子１０から形成されている。放射素子１０は、素子１３上に固定されている柱３０を用いて、土台２０に結びつけられている。放射素子１０は同軸ケーブル４０、又はマイクロストリップ線路若しくは同様な他の任意の手段のような接続素子を用いて接続され、インピーダンス整合回路網なしで、同様な給電装置に接続された放射素子から来る信号を有効にしている。

本発明によれば、２つのストランド１１と１２は、金属又は金属化材料から作られ、それらは長さＬを持ち、Ｌは１／４λｇと１／２λｇの間であり、λｇは中心放射周波数Ｆ０でのストランド内の波長である。好ましくは、十分な帯域幅を得るため、この長さＬは、中心放射周波数Ｆ０でほぼ３／８λｇの程度である。後でより詳細に説明するように、ストランドの厚さｅと同様にその幅Ｉの寸法の変化は、アンテナにインピーダンス整合させることを可能とする。一方、素子１３の長さによって与えられる２つのストランド１１と１２の間の距離ｐは、アンテナ指向性図のみならず制御されるアンテナのインピーダンス整合も可能とする。

土台２０は、２つのストランド１１と１２で構成される放射素子１０のための接地面の役目を果たす金属又は金属化平面から構成されている。土台の形状と寸法はアンテナのインピーダンス整合のための制御パラメータである。好ましくは、土台は、１／５λｇと１／１０λｇの間の寸法を有し、λｇは中心放射周波数Ｆ０での波長である。図１に示すように、柱３０は素子１３の中央に取り付けられ、２つのストランド１１と１２から形成される放射素子を支えている。放射素子１０は同軸ケーブル４０を用いて電源に接続される。

図１に示したようなアンテナが、シミュレートされた。このアンテナは以下の寸法を有している。

２つのストランド１１と１２の長さ：Ｌ＝１７７ｍｍ
ストランド１１と１２の幅：Ｉ＝２０ｍｍ
２つのストランド間の距離：ｐ＝５０ｍｍ
柱の高さ：Ｈ＝１７ｍｍ
ストランド１１と１２の厚さ：ｅ＝０．３ｍｍ
さらに、放射素子を支える土台は、６０ｍｍの幅と９６ｍｍの長さを有している。シミュレーションの結果は図２と図３で与えられる。

図２は、周波数に対するインピーダンス整合Ｓ（１．１）を示す。この曲線は、Ｕ字アンテナの広帯域インピーダンス整合が得られることを示し、これは−１０ｄＢの反射率に対して４３９ＭＨｚから８９３ＭＨｚまでで６８％より大きい。

しかしながら、デジタルテレビ信号の受信のため、アンテナは５８％より大きい必要な相対帯域幅を意味する４７０ＭＨｚから８６２ＭＨｚまで適応されなければならない。このアンテナは、ここでは６８％より大きいインピーダンス整合なので、これはＴＮＴを受信するために使用することができる。

図３も、このアンテナの４５０ＭＨｚと８５０ＭＨｚでのアンテナ指向性図をそれぞれ示し、図１のアンテナがモノポールタイプのアンテナとして機能することを示す。

上記アンテナのインピーダンス整合におけるアンテナのストランド１１と１２の幅の影響は、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを参照して示される。

図４Ａで、アンテナ１０は、図１のアンテナと同じタイプのアンテナを示し、２つのストランド１１と１２を有し、本実施形態ではその幅Ｉは３７．５ｍｍに選ばれている。一方、図４Ｂで、アンテナ１０’は、７．３ｍｍに等しい幅を有するストランド１１’と１２’を示している。

異なったストランド幅を有する図４Ａと図４Ｂのようなアンテナがシミュレートされ、周波数に対するインピーダンス整合曲線が図４Ｃで示される。これらの曲線から、垂直ストランドの幅の変更は、曲線Ｓ（１、１）のインピーダンス整合を調節するために使用されることが分かる。それゆえ、ストランドの幅は、アンテナのインピーダンス整合を制御するために使用される。好ましくは、ストランドの幅は、１／１０λｇと１／１００λｇの間であり、λｇは中心放射周波数Ｆ０での長さである。

図５Ａと図５Ｂで示されているアンテナ１０の２つのストランド１１と１２を結びつけている素子１３の長さを知るため、２つのストランド間の距離ｐの影響が研究される。

図５Ａは、距離ｐが２０．４ｍｍに等しい図１のアンテナと同じアンテナである。

図５Ｂで、距離Ｐ’はアンテナ１０”に対して１１０ｍｍに等しい。異なった距離の値は、１５ｍｍのステップで間隔を変化させることでシミュレートされた。シミュレーションの結果は図５Ｃで提供され、図５Ｃは周波数に対するインピーダンス整合を示す。これらの曲線は、垂直ストランド間の間隔が中心周波数に非常に小さな効果、極端な例の間で２０ＭＨｚの変化、を有することを示している。しかしながら、位相と帯域幅は、垂直ストランド１１と１２の間の間隔に従って変更される。それゆえ、中心から中心までのストランド間の距離は、好ましくは、１／２０λｇと１／４λｇの間であり、λｇは動作中心周波数での波長である。

垂直ストランドの厚さｅの影響も研究された。図６Ａでアンテナ１０の垂直ストランド１１と１２は、０．３ｍｍに等しい厚さｅであることを示し、一方、図６Ｂでアンテナ１０'''の垂直ストランド１１'''と１２'''の厚さｅ’は、４ｍｍである。０．３ｍｍ、２ｍｍ及ぶ４ｍｍの厚さでのシミュレーションは、図６で表されている周波数に対するインピーダンス整合を提供する。厚さの変化も、制御されるアンテナのインピーダンス整合を可能とするが、アンテナ指向性図において重要な影響を持たない。好ましくは、ストランドの厚さは１０μｍと１０ｍｍの間である。

本発明にかかるアンテナの異なった実施形態の変種は、図７、図８及び図９を参照して説明される。

図７で、放射素子１００は特別な外形を有する２つのストランドを示している。この外形はＬ字型と呼ばれ、各ストランドは垂直部分１１０、１２０と水平部分１１１、１２１を有している。図１の実施形態では、２つのストランドが、顕著なＵ字を有するように素子１３０によってお互いに結びつけられている。放射素子１００は柱３０によって土台２０に取り付けられ、放射素子は同軸ケーブル４０によって、給電装置に結びつけられている。この場合、垂直ストランド１２０と１１０の長さＬは、全体の長さＬとの関連で小さくすることもできる。例えば、垂直ストランドの長さは１０５ｍｍであり、ストランドの水平部分１１１と１２１の長さは７５ｍｍに等しい。Ｌ字型外形はそれゆえ、よりコンパクトなアンテナを得るために使用される。示されていないが、シミュレーションは図７で与えられた寸法を持つＵ字アンテナ、つまり３２ｍｍのストランド幅、５０ｍｍのストランド間間隔、９ｍｍの柱の高さ、図１のアンテナと同じである土台の寸法を有するアンテナが、ほぼ６９％程度の相対帯域幅を得られることを実証している。

図８で、本発明にかかるアンテナの他の実施形態が示される。この場合、放射素子２００は、柱３０を通して土台２０に接続された素子２３０によって結びつけられた２つのストランドを示す。各ストランドは、ギザギザ部分２１１、２２１に続く直線部分２１０、２２１を示す。図８で示した実施形態で、ギザギザ２１１、２２１は３６ｍｍの長さと２０ｍｍの深さを有し、長方形部分２１０、２２０は５３ｍｍの長さを有する。全体の幅は、１４６ｍｍである。このタイプのアンテナのシミュレーションは、ほぼ６６％程度の相対帯域幅を与える。いずれにしても、関連するアンテナ指向性図は、このアンテナがＬ字型の外形を有し、水平又は垂直偏光で放射された任意のタイプの地上波デジタルテレビ信号を受信するため特に重要な傾いた偏光でモノポールタイプアンテナのアンテナ指向性図と一致する。

図９で、本発明にかかるアンテナの別の実施形態が示される。この場合、放射素子３００は、柱３０を通して土台２０に接続された素子３３０によって結びつけられた２つのストランド３１０と３２０を含む。この特別な実施形態で２つのストランド３１０と３２０は異なった長さＬを有している。このタイプのアンテナがシミュレーションされた。

図１０は、このようなアンテナでの周波数に対するインピーダンス整合曲線Ｓ（１、１）を提供する。このタイプのアンテナで第２のインピーダンス整合帯域、つまり０．３５ＧＨｚの周りの第１の帯域と０．６ＧＨｚの周りの第２の帯域が得られることに気がつく（−１０ｄＢのインピーダンス整合レベルに対する中心周波数を考えた場合）。この第２のインピーダンス整合帯域は、２つのストランドの共振モードの導入に起因する。このタイプのアンテナは、アンテナが２．４ＧＨｚと５ＧＨｚの周りの周波数帯をカバーしなければならないＷｉＦｉの用途に重要である。

本発明にかかるアンテナの斜視図を概略的に示す。 図１のアンテナでの周波数に対するインピーダンス整合Ｓ（１、１）を示す。 図１のアンテナをシミュレートすることによって得られた４５０ＭＨｚと８５０ＭＨｚでのアンテナ指向性図を概略的に示す。 図１のアンテナに準拠するが、異なったストランドの幅を有するアンテナを示し、異なったストランドの幅での周波数に対するインピーダンスのパターンも示す。 図１のアンテナに一致するが、ストランド間の間隔が可変な２つのアンテナを示し、異なったストランド間の間隔値での周波数に対するインピーダンスのパターンを示す。 図１のアンテナに一致するが、異なったストランドの厚さを有するアンテナを示し、異なったストランドの厚さでの周波数に対するインピーダンス整合のパターンを示す。 本発明にかかるアンテナの他の実施形態を概略的に示す。 本発明にかかるアンテナのさらに他の実施形態を概略的に示す。 本発明にかかるアンテナの追加の実施形態を概略的に示す。 図９のアンテナの周波数に対するインピーダンスパターンを示す。

符号の説明

１０、１００、２００、３００ 放射素子
１１、１２、３１０、３２０ ストランド
１３、２３０、３３０ 素子
２０ 土台
３０ 柱
４０ 同軸ケーブル
１１０、１２０ 垂直ストランド
１１１、１２１ 水平ストランド
２１０、２２０ 直線部分
２１１、２２１ ギザギザ部分

Claims (8)

1. 柱を用いて土台に取り付けられた放射素子を含んでいるモノポールアンテナであって、
   前記放射素子は、２つの導電性ストランドでＵ字に形成され、各ストランドの長さＬは１／４λｇ≦Ｌ≦１／２λｇとなるように選ばれ、該λｇは中心放射周波数Ｆ０でのストランド内の波長であることを特徴とするモノポールアンテナ。
2. 各ストランドは、Ｌ＝３／８λｇである長さＬを有していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. ２つのストランドが異なった長さを有していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
4. 各ストランドが特別な折りたたみに対応した外形を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ。
5. 前記折りたたみの外形は、Ｌ字型、ギザギザ型、多角形型、正弦波型であることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
6. 前記導電性ストランドは、金属又は金属化材料から作られることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ。
7. 前記土台は、前記放射素子のための接地面を形成する金属又は金属化材料の面を含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のアンテナ。
8. 前記接地面は１／５λｇと１／１０λｇの間の寸法を有し、該λｇは中心放射周波数Ｆ０でのストランド内の波長であることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。

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