JP2010021836A - 折返しダイポールアンテナ及びダイポールアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】インピーダンス変換回路を必要とせずにインピーダンスを下げることができ、かつ、広帯域特性を実現できる折返しダイポールアンテナを簡易な構成で提供する。
【解決手段】 折返しダイポールアンテナ１には、中央に空隙部１１４が設けられた長さＤａ＝２５０ｍｍの一直線状のダイポールアンテナ導線１１１と、ダイポールアンテナ導線１１１と平行に設けた折返し導線１１２と、折返し導線１１２の両端とダイポールアンテナ導線１１１の両端とを各々接続する接続導線１１３と、を有するアンテナ部１１が設けられている。ダイポールアンテナ導線１１１と直交する方向に沿って互いに平行に並べて配置された一対の給電線１２が、ダイポールアンテナ導線１１１の空隙部１１４側に設けられる。そして、この給電線１２の長さをアンテナ部１１の共振波長をλとして、０．２２６λ〜０．２４８λに設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、折返しダイポールアンテナ及びダイポールアンテナに関するものである。

上述したダイポールアンテナとして、例えば図１３に示すようなものが提案されている。同図に示すように、ダイポールアンテナ２は、全長Ｄａが使用波長の１／２のダイポールアンテナ導線２１が設けられている。ダイポールアンテナ導線２１の中央には空隙部が設けられている。ダイポールアンテナ導線２１の空隙部２２側に設けられた一対の端部に給電部３が接続されている。

また、上述した折返しダイポールアンテナとして、例えば図１４に示すようなものが提案されている（例えば特許文献１）。同図に示すように、折返しダイポールアンテナ１は、全長Ｄａが使用波長の１／２のダイポールアンテナ導線１１１と、このダイポールアンテナ導線１１１に平行に設けた１本の折返し導線１１２と、を設けて、それぞれ両端を接続した構造である。

ところで、上述した折返しダイポールアンテナ１、ダイポールアンテナ２のインピーダンスに比べて給電路のインピーダンスが低いと、折返しダイポールアンテナ１、ダイポールアンテナ２のインピーダンスを下げる必要がある。そこで、従来では、インピーダンス変換回路を設けて、折返しダイポールアンテナ１、ダイポールアンテナ２のインピーダンスを下げていた。しかしながら、インピーダンス変換回路を設ける分だけコスト高になる、という問題があった。

特に、上記折返しダイポールアンテナ１のインピーダンスは、折返し導線１１２がない図１３に示すダイポールアンテナ２の４倍となる。即ち、約７３Ωのダイポールアンテナ２に上記折返し導線１２を設けた折り返しダイポールアンテナ１は、インピーダンスが約２９３Ωとなる。このような折返しダイポールアンテナ１は、インピーダンスが３００Ωの給電路であればそのまま給電できるが、通常の同軸ケーブル（インピーダンスが５０Ω又は７５Ω）で給電する場合には、インピーダンスを下げる必要がある。

また、上述した従来の折返しダイポールアンテナ１は、ＶＳＷＲ＜２の比帯域が１５％程度しかなく、ダイポールアンテナ２は、ＶＳＷＲ＜３の比帯域は１２％程度しかない。よって、広帯域通信や多くの周波数帯との共用アンテナには向かない。一方、比帯域が２５％を超える広帯域アンテナは、多くのエレメントが組み合わされたものや立体構造であるなど、複雑な形状になってしまう問題があった。
特開平５−９５２１６号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、インピーダンス変換回路を必要とせずにインピーダンスを下げることができ、かつ、広帯域特性を実現できる折返しダイポールアンテナ、ダイポールアンテナを簡易な構成で提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、中央に空隙部が設けられた一直線状のダイポールアンテナ導線と、前記ダイポールアンテナ導線と平行に設けた折返し導線と、前記折返し導線の両端と前記ダイポールアンテナ導線の両端とを各々接続する接続導線と、を有するアンテナ部が設けられた折返しダイポールアンテナにおいて、前記ダイポールアンテナ導線の前記空隙部側に設けられた一対の端部に一端がそれぞれ接続された互いに平行に並べて配置された一対の給電線が設けられ、そして、前記給電線の長さが、前記アンテナ部の共振波長をλとして、０．２２６λ〜０．２４８λに設けられたことを特徴とする折返しダイポールアンテナに存する。

請求項２記載の発明は、中央に空隙部が設けられた一線状のダイポールアンテナ導線が設けられたダイポールアンテナにおいて、前記ダイポールアンテナ導線の前記空隙部側に設けられた一対の端部に一端がそれぞれ接続された互いに平行に並べて配置された一対の給電線が設けられ、そして、前記給電線の長さが、前記ダイポールアンテナ導線の共振波長をλとして、０．２２０λ〜０．２４４λに設けられたことを特徴とするダイポールアンテナに存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、ダイポールアンテナ導線に接続される一対の給電線を設けて、その給電線の長さをアンテナ部の共振波長をλとして、０．２２６λ〜０．２４８λに設けることにより、低インピーダンス化を図れ、かつ、ＶＳＷＲ＜２の比帯域を２５％以上とすることができ、広帯域にすることができる。また、これにより、インピーダンス変換回路を必要とせずに低インピーダンス化することができ、かつ、簡易な構成で広帯域特性を実現できる折返しダイポールアンテナを得ることができる。

請求項２記載の発明によれば、ダイポールアンテナ導線に接続される一対の給電線を設けて、その給電線の長さをダイポールアンテナ導線の共振波長をλとして、０．２２０λ〜０．２４４λに設けることにより、低インピーダンス化を図れ、かつ、ＶＳＷＲ＜３の比帯域を２５％以上とすることができ、広帯域にすることができる。これにより、インピーダンス変換回路を必要とせずに低インピーダンス化することができ、かつ、簡易な構成で広帯域特性を実現できるダイポールアンテナを得ることができる。

第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態における本発明の折返しダイポールアンテナ１を示す平面図である。同図に示すように、折返しダイポールアンテナ１は、アンテナ部１１と、一対の給電線１２と、から構成されている。

上述したアンテナ部１１は、１本の導線を矩形状に設けると共にその両端を距離Ｄｆ＝２．２ｍｍだけ離して設けている。アンテナ部１１は、矩形の底辺に相当するダイポールアンテナ導線１１１と、矩形の上辺に相当する折り返し導線１１２と、矩形の左右辺に相当する接続導線１１３と、から構成されている。上記ダイポールアンテナ導線１１１は、中央に距離Ｄｆ＝２．２ｍｍの空隙部１１４が設けられた全長Ｄａが２５０ｍｍの一直線状の導線である。折返し導線１１２は、上記ダイポールアンテナ導線１１１から距離Ｌａ＝１０ｍｍだけ離間してダイポールアンテナ導線１１１に平行に設けられた全長Ｄａが２５０ｍｍの一直線状の導線である。

一対の給電線１２は、ダイポールアンテナ導線１１１の空隙部１１４側に設けられた一対の端部に一端がそれぞれ接続され、他端が給電部３にそれぞれ接続されている。一対の給電線１２は、線径φ＝１ｍｍとしており、ダイポールアンテナ導線１１１と直交する方向に沿って距離Ｄｆ＝２．２ｍｍだけ離間した状態で互いに平行に配置されている。一対の給電線１２の長さＬｆは、アンテナ部１１の共振周波数の波長をλとして、０．２２６λ〜０．２４８λになるように設けられている。なお、Ｄａ＝２５０ｍｍ、Ｌａ＝１０ｍｍの図１４に示す従来の折返しダイポールアンテナ（＝従来品Ａ）の共振周波数は、図２に示すように、５５０ＭＨｚである。

このように、給電線１２の長さＬｆを０．２２６λ（１２３ｍｍ）〜０．２４８λ（１３５ｍｍ）に設けることにより、給電線１２がない図１４に示す従来の折返しダイポールアンテナ１に比べて低インピーダンス化を図れ、かつ、広い範囲でＶＳＷＲを小さくすることができる。これにより、インピーダンス変換回路を必要とせずに低インピーダンス化することができ、かつ、簡易な構成で広帯域特性を実現できる折返しダイポールアンテナ１を得ることができた。

次に、本発明者らは、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の長さＬｆをそれぞれ５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍとした比較品Ａ〜Ｃと、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の長さＬｆ＝１２５ｍｍとした本発明品Ａと、図１３に示す構成の折返しダイポールアンテナ１である従来品Ａと、について、インピーダンス特性をシミュレーションして上記効果を確認した。結果を図３に示す。なお、上述した比較品Ａ〜Ｃ、本発明品Ａ及び従来品Ａはそれぞれ、Ｄａ＝２５０ｍｍ、Ｄｆ＝２．２ｍｍ、Ｌａ＝１０ｍｍに設けられている。

図３に示すインピーダンス特性（スミスチャート）において、中央の基準特性インピーダンスは１７１Ωに設定している。同図に示すように、従来品Ａのインピーダンス（Ｚ＝Ｒ±ｊＸ）は、周波数を４００ＭＨｚから７００ＭＨｚまで上昇させていったとき２９３Ω付近において実部軸と交わる円状の軌跡をたどる。故に従来品Ａはインピーダンスが３００Ωの給電路であればインピーダンス変換をしなくてもそのまま給電できる。

また、同図に示すように、図１に示す折返しダイポールアンテナ１のインピーダンス軌跡は、給電線１２の長さＬｆに比例して、給電線１２の特性インピーダンス（約１７１Ω）を中心にスミスチャート上で時計回りに回転する。このとき比較品Ａ〜Ｃ、本発明品Ａの折返しダイポールアンテナ１のインピーダンス軌跡は、小さな共振の円を描いたままである。そして、長さＬｆ＝１２５ｍｍの本発明品Ａは、５０Ωを中心としたインピーダンス軌跡となり、低インピーダンス化できることが分かった。また、本発明品Ａは、比較品Ａ〜Ｃに比べて、インピーダンスのリアクタンス成分が最も小さくなり、広帯域化できることが分かった。

次に、本発明者らは、本発明品Ａと従来品Ａとについて、周波数対ＶＳＷＲ特性をシミュレーションして上記効果を確認した。結果を図２に示す。同図に示すように、従来品ＡはＶＳＷＲ＜２の比帯域が１５％程度しかなかったのに対して本発明品は３０％程度となり、確かに広帯域化できることがわかった。

さらに、本発明者は、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の長さＬｆを１２０ｍｍ、１３６ｍｍとした比較品Ｄ、Ｅと、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の長さＬｆを１２４ｍｍ、１２８ｍｍ、１３２ｍｍとした本発明品Ｂ〜Ｄと、について、インピーダンス特性及びＶＳＷＲ特性をシミュレーションして上記効果を確認した。結果を図４及び図５に各々示す。

図４に示すように、比較品Ｄ、Ｅ、本発明品Ｂ〜Ｄは、５０Ωを中心としたインピーダンス軌跡となり、［００１８］と同様にして、従来品Ａに比べて低インピーダンス化されている。しかし、図５から明らかなように、長さＬｆが短くなると高い周波数の特性が劣化して、長さ１２０ｍｍの比較品ＤではＶＳＲＷ＜２となる比帯域が１５％程度しか得られないことが分かった。また、長さＬｆが長くなると低い周波数特性が劣化して、長さ１３６ｍｍの比較品ＥではＶＳＲＷ＜２となる比帯域が１７％程度しか得られない。これに対して、本発明品Ｂ〜Ｄは、ＶＳＲＷ＜２となる比帯域を２５％以上にすることができた。

さらに、本発明者は、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の長さＬｆを０．２２０λ〜０．２６λの範囲で変えた複数の折返しダイポールアンテナ１について、ＶＳＲＷ特性をシミュレーションして上記効果を確認した。結果を図６に示す、同図に示すように、長さＬｆが０．２２６λより小さく、０．２４８λより大きい範囲では、ＶＳＷＲ＜２となる比帯域が１５％以下であるのに対して、長さＬｆを０．２２６λ〜０．２４８λの範囲では、ＶＳＲＷ＜２となる比帯域を２５％以上にすることができた。

なお、上述した第１実施形態では、距離Ｄｆ＝２．２ｍｍに設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。本発明者らは、Ｄａ＝２５０ｍｍ、Ｌａ＝１０ｍｍ、長さＬｆ＝１２５ｍｍ、線径φ＝１ｍｍの図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の距離Ｄｆを例えば１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍと変化させた場合のインピーダンス特性及びＶＳＲＷ特性をシミュレーションした。結果を図７及び図８に示す。図７に示すように、距離Ｄｆを３ｍｍ、５ｍｍと大きくすると給電線１２の特性インピーダンスが大きくなるため、折返しダイポールアンテナ１のインピーダンスも７５Ω、１２０Ωと高くなる。

一方、距離Ｄｆを例えば１．５ｍｍと小さくすると給電線１２の特性インピーダンスが小さくなるため、折返しダイポールアンテナ１のインピーダンスも２５Ωと低くなる。また、図８に示すように、距離Ｄｆを変えてもＶＳＷＲ特性はほとんど変化がなく、ＶＳＲＷ＜２となる比帯域が２５％以上の広帯域を保つことができる。よって、広帯域を保ったまま距離Ｄｆを調整して折返しダイポールアンテナ１のインピーダンスを調整することができるため、距離Ｄｆと線径φについては、隣接される回路の特性インピーダンスと整合が取れるような任意の値に設定してもよい。

第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。図９は、第２実施形態における本発明のアンテナとしてのダイポールアンテナ２を示す平面図である。なお、同図において、上述した第１実施形態と同等の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。同図に示すように、ダイポールアンテナ２は、ダイポールアンテナ導線２１と、一対の給電線２２と、から構成されている。

上述したダイポールアンテナ導線２１は、第１実施形態とは異なり折り返し構造を有していない。上記ダイポールアンテナ導線２１は、中央に距離Ｄｆの空隙部２３が設けられた全長Ｄａが２５０ｍｍの一直線状の導線である。

一対の給電線２２は、線径φ＝１ｍｍで、互いに距離Ｄｆ＝１．１ｍｍだけ離間した状態で平行に配置されている。一対の給電線２２の長さＬｆは、ダイポールアンテナ導線２１のみの共振周波数の波長をλとして、０．２２０λ〜０．２４４λになるように設けられている。なお、Ｄａ＝２５０ｍｍのダイポールアンテナ導線２１のみの共振周波数は、図１０に示すように、５８０ＭＨｚである。

このように、給電線２２の長さＬｆを０．２２０λ（１１４ｍｍ）〜０．２４４λ（１２６ｍｍ）に設けることにより、給電線２２がない図１３に示す従来のダイポールアンテナ２に比べて低インピーダンス化を図れ、かつ、広い範囲でＶＳＷＲを小さくすることができる。これにより、インピーダンス変換回路を必要とせずに低インピーダンス化することができ、かつ、簡易な構成で広帯域特性を実現できるダイポールアンテナ２を得ることができた。

次に、本発明者らは、図１３に示す構成のダイポールアンテナ２である従来品Ｂと、図９に示す構成のダイポールアンテナ２の長さＬｆを１１８ｍｍとした本発明品Ｅと、について、インピーダンス特性をシミュレーションして上記効果を確認した。結果を図１１に示す。なお、上述した従来品Ｂ、本発明品Ｅはそれぞれ、Ｄａ＝２５０ｍｍ、Ｄｆ＝１．１ｍｍ、φ＝１ｍｍに設けられている。

図１１に示すインピーダンス特性（スミスチャート）において、中央の基準特性インピーダンスは５３Ωに設定している。同図に示すように、従来品Ｂのインピーダンス（Ｚ＝Ｒ±ｊＸ）は、周波数を４００ＭＨｚから８００ＭＨｚまで上昇させていったとき７３Ω付近において実部軸と交わる円状の軌跡をたどる。故に従来品Ｂはインピーダンスが７５Ωの給電路であればインピーダンス変換をしなくてもそのまま給電できる。

また、同図に示すように、本発明品Ｅのインピーダンス軌跡は、給電線２２の特性インピーダンス（５３Ω）を中心にスミスチャート上で時計回りに約１８０度回転している。このとき、本発明品Ｅのインピーダンス軌跡は、小さな共振の円を描いたままであり、１５Ωを中心としたインピーダンス軌跡となり、低インピーダンス化できることがわかった。また、本発明品Ｅは、インピーダンスのリアクタンス成分も小さく、広帯域化できることが分かった。

次に、本発明者らは、図９に示すダイポールアンテナ１の長さＬｆを１１０ｍｍ、１３０ｍｍとした比較品Ｆ、Ｇと、図９に示す構成のダイポールアンテナ２の長さＬｆを１１８ｍｍ、１１４ｍｍ、１２２ｍｍ、１２６ｍｍとした本発明品Ｅ〜Ｈと、についてＶＳＲＷ特性をシミュレーションして上記効果を確認した。結果を図１０に示す。

図１０から明らかなように、長さＬｆが短くなると高い周波数の特性が劣化して、長さ１１０ｍｍの比較品ＦではＶＳＷＲ＜３となる比帯域が１５％程度しか得られないことが分かった。また、長さＬｆが長くなると低い周波数特性が劣化して、長さＬｆ＝１３０ｍｍの比較品ＧではＶＳＷＲ＜３となる比帯域が１７％程度しか得られない。これに対して、本発明品Ｅ〜Ｈは、ＶＳＲＷ＜２となる比帯域を２５％以上にすることができた。また、従来品Ｂは１共振特性であるが、配電線２２を設けることにより２共振特性（デュアル特性）となることが分かった。

さらに、本発明者は、図８に示す構成のダイポールアンテナ２の長さＬｆを０．２０５λ〜０．２６λの範囲で変えた複数のダイポールアンテナ２について、ＶＳＲＷ特性をシミュレーションして上記効果を確認した。結果を図１２に示す、同図に示すように、長さＬｆが０．２２０λより小さく、０．２４４λより大きい範囲では、ＶＳＷＲ＜３となる比帯域が２０％以下であるのに対して、長さＬｆを０．２２０λ〜０．２４４λの範囲では、ＶＳＲＷ＜３となる比帯域を２５％以上にすることができた。

上述したダイポールアンテナは、ある特性インピーダンスと特定の長さを持つ配電線１２によって、インピーダンス変換及びアンテナを広帯域化させるものであり、上記以外の実施形態でも同様の効果を実現できる。例として、給電線の配置方向はアンテナ面に対して垂直方向でもよくアンテナ設置状況に合わせて引き回したものも良く、ツイスト線、メアンダ構造、プリント基板、同軸ケーブルで実現したものでもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の折返しダイポールアンテナを示す平面図である。 図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの長さＬｆ＝１２５ｍｍとした本発明品Ａと、図１４に示す構成の折り返しダイポールアンテナである従来品Ａと、のＶＳＷＲ特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの長さＬｆをそれぞれ５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍとした比較品Ａ〜Ｃと、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの長さＬｆ＝１２５ｍｍとした本発明品Ａと、図１４に示す構成の折り返しダイポールアンテナである従来品Ａと、について、インピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すスミスチャートである。 図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの長さＬｆを１２０ｍｍ、１３６ｍｍとした比較品Ｄ、Ｅと、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の長さＬｆを１２４ｍｍ、１２８ｍｍ、１３２ｍｍとした本発明品Ｂ〜Ｄと、について、インピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すスミスチャートである。 図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの長さＬｆを１２０ｍｍ、１３６ｍｍとした比較品Ｄ、Ｅと、図１に示す構成の折返しダイポールアンテナ１の長さＬｆを１２４ｍｍ、１２８ｍｍ、１３２ｍｍとした本発明品Ｂ〜Ｄと、について、ＶＳＷＲ特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの長さＬｆを０．２２０λ〜０．２６λの範囲で変えた複数の折返しダイポールアンテナについて、ＶＳＲＷ特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの距離Ｄｆを１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍと変化させた本発明品と、図１４に示す構成の折返しダイポールアンテナである従来品Ａと、のインピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すスミスチャートである。 図１に示す構成の折返しダイポールアンテナの距離Ｄｆを１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍと変化させた本発明品と、図１４に示す構成の折返しダイポールアンテナである従来品Ａと、について、ＶＳＷＲ特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。 本発明のダイポールアンテナを示す平面図である。 図１３に示す構成のダイポールアンテナである従来品Ｂと、図９に示す構成のダイポールアンテナの長さＬｆを１１０ｍｍ、１３０ｍｍとした比較品Ｆ、Ｇと、図９に示す構成のダイポールアンテナの長さＬｆを１１４ｍｍ、１１８ｍｍ、１２２ｍｍ、１２６ｍｍとした本発明品Ｅ〜Ｈと、について、ＶＳＷＲ特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１３に示す構成のダイポールアンテナである従来品Ｂと、図９に示す構成のダイポールアンテナの長さＬｆを１１８ｍｍとした本発明品Ｅと、についてインピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図９に示す構成のダイポールアンテナの長さＬｆを０．２０５λ〜０．２６λの範囲で変えた複数のダイポールアンテナについて、ＶＳＷＲ特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。 従来のダイポールアンテナの一例を示す平面図である。 従来の折返しダイポールアンテナの一例を示す平面図である。

符号の説明

１ 折返しダイポールアンテナ
２ ダイポールアンテナ
１１ アンテナ部
１２ 給電線
２１ ダイポールアンテナ導線
２２ 給電線
１１１ ダイポールアンテナ導線
１１２ 折返し導線
１１３ 接続導線

Claims (2)

1. 中央に空隙部が設けられた一直線状のダイポールアンテナ導線と、前記ダイポールアンテナ導線と平行に設けた折返し導線と、前記折返し導線の両端と前記ダイポールアンテナ導線の両端とを各々接続する接続導線と、を有するアンテナ部が設けられた折返しダイポールアンテナにおいて、
   前記ダイポールアンテナ導線の前記空隙部側に設けられた一対の端部に一端がそれぞれ接続された互いに平行に並べて配置された一対の給電線が設けられ、そして、
   前記給電線の長さが、前記アンテナ部の共振波長をλとして、０．２２６λ〜０．２４８λに設けられた
   ことを特徴とする折返しダイポールアンテナ。
2. 中央に空隙部が設けられた一線状のダイポールアンテナ導線が設けられたダイポールアンテナにおいて、
   前記ダイポールアンテナ導線の前記空隙部側に設けられた一対の端部に一端がそれぞれ接続された互いに平行に並べて配置された一対の給電線が設けられ、そして、
   前記給電線の長さが、前記ダイポールアンテナ導線の共振波長をλとして、０．２２０λ〜０．２４４λに設けられた
   ことを特徴とするダイポールアンテナ。

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