JP2013162444A - ＢｅａｎＡｎｔｅｎｎａ（そら豆形アンテナ） - Google Patents

Abstract

【課題】ＵＨＦ，ＶＨＦ ａｎｔｅｎｎａとして、電波障害物が多い環境でも使用でき、かつ広帯域なアンテナを開発すること。
また構造単純で移動体通信用アンテナとして利用できるアンテナを開発すること。
【解決手段】円形ループアンテナを応用し、内部に円形無給電素子を配置し、その配置位置を決定した。
【選択図】図２

Description

空中線

ＶＨＦ,UHF帯域に置いては、八木アンテナが広く普及し利用されている。
八木アンテナは指向性が鋭く、電界強度利得も高いので、受信環境がよければ非常に有利なアンテナである。しかし次のような欠点を持つ。１．受信環境の悪いところ、遮蔽物が多いところなどでは、必ずしも有利ではない。２．帯域幅が狭い。３．移動体通信用アンテナ
としても好適とは言えない。

土井、佐藤："ループ状連続線電流による指向性の合成"、電子通信学会論文誌、昭和44-440、B-173 喜安："環状輻射体による指向性の合成について"、電気通信学会誌、２９巻３号、昭和２１−０３ 土井、佐藤："ループ状連続線電流による指向性の合成とその実現法"、電子通信学会専門委員会誌、AP 68-37(1968-09)

八木アンテナよりも広角度で単方向性を持った線状アンテナを実現すること。

UHF帯域において、広い帯域幅を持ったアンテナを開発すること。

移動体通信に適した、単方向性を持つアンテナを実現すること。

非特許文献１、非特許文献２の理論に着目して、円形線状ループアンテナを応用する。非特許文献１が基礎論文であるが、明らかにされていることは、目的とする指向性を実現するために、円形線状ループアンテナ上に電流分布を生成する。このとき指向性形状と電流分布を其々フーリエ展開すると、各々の展開項において次数の一致する項が１対１に対応している、というものである。

非特許文献３に於ける実現法は、ループを分割して分割点にインピーダンスを負荷するというものであり、実現性は少ないので、別方法を考案する。

半径Ｒの円形線状ループに周波数Ｆの電流を給電する。このとき円内に半径rの円形無給電素子を置く。この無給電素子を外部給電素子の給電点に極限まで近付けると、無給電素子上に周波数（Ｒ／ｒ）Ｆの高調波電流が誘導される(R円の電流も、r円の電流も定在波であるので）という事実の発見が本発明の骨子である。R/r = n として、無限遠方から見た場合、このアンテナは周波数Ｆの電流と周波数nＦの電流が重畳されているものと等価となる。この形状により Bean Antenna と名付けた。また原理より別称を Fourier Antenna とする。

定置アンテナとしては、広角単方向性アンテナである。電波障害物の多い環境でも有効。利得は高くない。

UHF帯域において、広い帯域幅を持つ（約 2G Hz)。

単純形状なので、パラメータは少なく設計、製造および設置調整は容易。

複数個の Bean Antena を装備することにより、移動体通信アンテナを構成できる。

基本原理を示す。目的とする放射パターンを単方向の矩形とする。このパターンをフーリエ展開すると Σ(係数n)cos(nωt) となるが、n=1 の波形を起電流素子で実現する。n=2,3,4,・・・の高周波誘導電流を無給電素子で実現する。 Bean Antenna の基本型であり、bean basic pattern と定義する。dx=極小、ｄｚ は任意だが 0 を典型とする。 bean_basic_pattern において、給電円素子（半径R）、無給電円（半径r）、 R/r = n = 2 の場合の形状。 図３において、R=0.1m、周波数 f = 3Ghz、すなわち R は１波長。の場合における、遠方電界強度パターンの垂直と水平。使用シミュレーション・ソフトは、4nec2 （v5.8.7、モーメント法、Lawrence Livermore Laboratory、以下同様）。前方利得 8.2 dbi、前後比（front to back ratio, FB比） 12dbi。 図３において、周波数 f = 2Ghz、電界強度パターンの垂直と水平。前方利得 7.3 dbi、 FB比 11dbi。 図３において、周波数 f = 4Ghz、電界強度パターンの垂直と水平。前方利得 7.7 dbi、 FB比 12dbi。 bean_basic_pattern において、 R/r = n = 3 の場合の形状。 図7において、R=0.1m、周波数 f = 3Ghz、前方利得 7.9 dbi、前後比（front to back ratio, FB比） 12dbi。 図7において、周波数 f = 2Ghz、前方利得 7.3 dbi、 FB比 10dbi。 図7において、周波数 f = 4Ghz、前方利得 7.7 dbi、 FB比 12dbi。 bean_basic_pattern において、1 素子追加 n = 2、3 の場合の形状。 図11において、周波数 f = 3Ghz、前方利得 8.8 dbi、 FB比 12dbi。 図11において、周波数 f = 2Ghz、前方利得 7.4 dbi、 FB比 12dbi。 図11において、周波数 f = 4Ghz、前方利得 9.0 dbi、 FB比 12dbi。 bean_basic_pattern において、反射器として1 素子追加 、n = 3 の場合の形状。 図1５において、周波数 f = 3Ghz、前方利得 8.４ dbi、 FB比 1４dbi。 図1５において、周波数 f = ２Ghz、前方利得 8.９ dbi、 FB比 1２dbi。 図1５において、周波数 f = 4Ghz、前方利得 7.９ dbi、 FB比 15dbi。

bean basic pattern に複数の無給電素子を追加する。

bean basic pattern に refｌector を追加する。

bean basic pattern に付加素子を追加したものを１単位として、複数単位を並列または縦列して構成する。

構造は線状のもの、プリント基板上に構成したもの、リボン帯状のもので構成したもの、などトポロジカルには変形を持つ。

UHF,VHF antenna

車載アンテナ、移動体通信アンテナ

UHF,VHF antenna として、Bean Antenna は広角低利得アンテナであり、狭角高利得の八木アンテナの機能を補完する存在である。

帯域幅の広さが最有利点であり、経済性に富む。

形状構造は単純なので、多量生産も容易である。また車載アンテナ等の他の構造物への組み込みも容易である。

空中線

VHF,UHF帯域に置いては、八木アンテナが広く普及し利用されている。
八木アンテナは半波長ダイポールを放射素子とする共振アンテナである。共振周波数においては、指向性が鋭く、電界強度利得も高いので、受信環境がよければ非常に有利なアンテナである。しかし次のような欠点を持つ。１．受信環境の悪いところ、遮蔽物が多いところなどでは、必ずしも有利ではない。２．帯域幅が狭い。３． 1GHz 以上の周波数帯域においては構造も小さいものとなり、小電力アンテナとなる。４．移動体通信用アンテナとしても好適とは言えない。5. 設置調整が微妙である。また近辺に電波遮蔽物が出現すると再調整が必要となる。

土井、佐藤："ループ状連続線電流による指向性の合成"、電子通信学会論文誌、昭和44-440、B-173 喜安："環状輻射体による指向性の合成について"、電気通信学会誌、２９巻３号、昭和２１−０３ 土井、佐藤："ループ状連続線電流による指向性の合成とその実現法"、電子通信学会専門委員会誌、AP 68-37(1968-09)

八木アンテナよりも広角度で、単方向指向性を持った線状アンテナを実現すること。

UHF帯域において、広い帯域幅を持ったアンテナを開発すること。

SHF（3GHz 以上）の帯域でも構造サイズを保ち、受信電力も大きい線状アンテナを開発すること。

移動体通信に適した、単方向性を持つアンテナを実現すること。

非特許文献１、非特許文献２の理論に着目して、円形線状ループアンテナを応用する。非特許文献１が基礎論文であるが、明らかにされていることは、目的とする指向性を実現するために、円形線状ループアンテナ上に電流分布を生成する。このとき指向性形状と電流分布を其々フーリエ展開すると、各々の展開項において次数の一致する項が１対１に対応している、というものである。

非特許文献３に於ける実現法は、ループを分割して分割点にインピーダンスを負荷するというものであり、実現性は少ないので、別方法を考案する。

半径Ｒの円形線状ループに周波数Ｆの電流を給電する。このとき円内に半径rの円形無給電素子を置く。この無給電素子を外部給電素子の給電点に極限まで近付けると、無給電素子上に周波数（Ｒ／ｒ）Ｆの高調波電流が誘導される(R円の電流も、r円の電流も定在波であるので）という事実の発見が本発明の骨子である。R/r = n として、無限遠方から見た場合、このアンテナは周波数Ｆの電流と周波数nＦの電流が重畳されているものと等価となる。この形状により Bean Antenna と名付けた。また原理より別称を Fourier Antenna とする。

定置アンテナとしては、広角単方向性アンテナである。電波障害物の多い環境でも有効。利得は高くない。

Bean Antenna は共振アンテナではなく、電流重畳アンテナである。故にUHF,SHF帯域において、広い帯域幅を持つ（約 2G Hz)。

SHF帯域（3GHz以上）に入ると、ある程度の構造サイズを保ち、指向性は鋭くなり、受信電力の大きさも保つ。

単純形状なので、パラメータは少なく設計、製造および設置調整は容易。

複数個の Bean Antena を装備することにより、移動体通信アンテナを構成できる。

基本原理を示す。目的とする放射パターンを単方向の矩形とする。このパターンをフーリエ展開すると Σ(係数n)cos(nωt) となるが、n=1 の波形を起電流素子で実現する。n=2,3,4,・・・の高周波誘導電流を無給電素子で実現する。 Bean Antenna の基本型であり、bean basic pattern と定義する。dx=極小、ｄｚ は任意だが 0 を典型とする。 bean_basic_pattern において、給電円素子（半径R）、無給電円（半径r）、 R/r = n = 2 の場合の形状。 図３において、R=0.1m、周波数 f = 3Ghz、すなわち R は１波長。線材の太さは半径2.16e-3 mm の場合における、遠方電界強度パターンの垂直と水平。使用シミュレーション・ソフトは、4nec2 （v5.8.7、モーメント法、Lawrence Livermore Laboratory、以下同様）。前方利得 8.2 dbi、前後比（front to back ratio, FB比） 12dbi。 図３において、周波数 f = 2Ghz、電界強度パターンの垂直と水平。前方利得 7.3 dbi、 FB比 11dbi。 図３において、周波数 f = 4GHz、電界強度パターンの垂直と水平。前方利得 9.1 dbi、 FB比 12dbi。4GHzのSHF帯域においては、指向性が鋭くなり、メインローブ方向の放射面積が大きくなる。これは受信電力の大きさを示している。 bean_basic_pattern において、 R/r = n = 3 の場合の形状。 図7において、R=0.1m、周波数 f = 3Ghz、前方利得 7.9 dbi、前後比（front to back ratio, FB比） 12dbi。 図7において、周波数 f = 2Ghz、前方利得 7.3 dbi、 FB比 10dbi。 図7において、周波数 f = 4Ghz、前方利得 7.7 dbi、 FB比 12dbi。 bean_basic_pattern において、1 素子追加 n = 2、3 の場合の形状。 図11において、R=0.1m、周波数 f = 3Ghz、前方利得 8.8 dbi、 FB比 12dbi。 図11において、周波数 f = 2Ghz、前方利得 7.4 dbi、 FB比 12dbi。 図11において、周波数 f = 4Ghz、前方利得 9.0 dbi、 FB比 12dbi。 bean_basic_pattern において、反射器として1 素子追加 、R=0.1m、n = 3 の場合の形状。 図1５において、周波数 f = 3Ghz、前方利得 8.４ dbi、 FB比 1４dbi。 図1５において、周波数 f = ２Ghz、前方利得 8.９ dbi、 FB比 1２dbi。 図1５において、周波数 f = 4Ghz、前方利得 7.９ dbi、 FB比 15dbi。 図１１と形状は同じだが、 R = 0.5 m すなわち直径１ｍである。UHF テレビ受信用としての実用性を見る。（周波数 400 MHz, 600 MHz, 800 Mhz) 図19において、周波数 f = 400 MHz、前方利得 6.8 dbi、 FB比 12dbi。 図19において、周波数 f = 600 MHz、前方利得 8.5 dbi、 FB比 11dbi。 図19において、周波数 f = 800 MHz、前方利得 9.0 dbi、 FB比 12dbi。

bean basic pattern に複数の無給電素子を追加する。

bean basic pattern に refｌector を追加する。

bean basic pattern に付加素子を追加したものを１単位として、複数単位を並列または縦列して構成する。

構造は線状のもの、プリント基板上に構成したもの、リボン帯状のもので構成したもの、などトポロジカルには変形を持つ。

UHF,SHF 定置アンテナ。

車載アンテナ、移動体通信アンテナ

UHF antenna として、Bean Antenna は広角低利得広帯域アンテナであり、狭角高利得狭帯域の八木アンテナの機能を補完する存在である。

UHF テレビ受信用として、 all band (400 MHz → 800 MHz) の性能を持つ（図１９，２０，２１，２２）。

SHF帯域を拓く線状アンテナとして、Bean Antenna は登場した。指向性は鋭く、受信電力も大きい。

帯域幅の広さ（約2GHz）が最有利点であり、経済性に富む。

形状構造は単純なので、多量生産も容易である。また車載アンテナとして等の他の構造物への組み込みも容易である。

bean basic pattern とは図２に示すものをいう。

空中線

ＶＨＦ，ＵＨＦ帯域に置いては、八木アンテナが広く普及し利用されている。
八木アンテナは指向性が鋭く、電界強度利得も高いので、受信環境がよければ非常に有利なアンテナである。しかし次のような欠点を持つ。１．受信環境の悪いところ、遮蔽物が多いところなどでは、必ずしも有利ではない。２．帯域幅が狭い。３．移動体通信用アンテナとしても好適とは言えない。

土井、佐藤："ループ状連続線電流による指向性の合成"、電子通信学会論文誌、昭和４４−４４０、Ｂ−１７３ 喜安："環状輻射体による指向性の合成について"、電気通信学会誌、２９巻３号、昭和２１−０３ 土井、佐藤："ループ状連続線電流による指向性の合成とその実現法"、電子通信学会専門委員会誌、ＡＰ６８−３７（１９６８−０９）

八木アンテナよりも広角度で単方向性を持った線状アンテナを実現すること。

ＵＨＦ帯域において、広い帯域幅を持ったアンテナを開発すること。

移動体通信に適した、単方向性を持つアンテナを実現すること。

円形線状ループアンテナを応用する。目的とする指向性を実現するために、円形線状ループアンテナ上に電流分布を生成する。
このとき指向性形状と電流分布を其々フーリエ展開すると、各々の展開項において次数の一致する項が１対１に対応している。

ループを分割して分割点にインピーダンスを負荷するという方法がある。

半径Ｒの円形線状ループに周波数Ｆの電流を給電する。このとき円内に半径ｒの円形無給電素子を置く。
この無給電素子を外部給電素子の給電点に極限まで近付けると、無給電素子上に周波数（Ｒ／ｒ）Ｆの高調波電流が誘導される（Ｒ円の電流も、ｒ円の電流も定在波であるので）。
Ｒ／ｒ＝ｎとして、無限遠方から見た場合、このアンテナは周波数Ｆの電流と周波数ｎＦの電流が重畳されているものと等価となる。
この形状によりＢｅａｎ Ａｎｔｅｎｎａと名付けた。また原理より別称をＦｏｕｒｉｅｒ Ａｎｔｅｎｎａとする。

定置アンテナとしては、広角単方向性アンテナである。電波障害物の多い環境でも有効。利得は高くない。

ＵＨＦ帯域において、広い帯域幅を持つ（約２Ｇ Ｈｚ）。

単純形状なので、パラメータは少なく設計、製造および設置調整は容易。

複数個のＢｅａｎ Ａｎｔｅｎａを装備することにより、移動体通信アンテナを構成できる。

基本原理を示す。目的とする放射パターンを単方向の矩形とする。このパターンをフーリエ展開するとΣ（係数ｎ）ｃｏｓ（ｎωｔ）となるが、ｎ＝１の波形を起電流素子で実現する。ｎ＝２，３，４，・・・の高周波誘導電流を無給電素子で実現する。 Ｂｅａｎ Ａｎｔｅｎｎａの基本型であり、ｂｅａｎ ｂａｓｉｃ ｐａｔｔｅｒｎと定義する。ｄｘ＝極小、ｄｚは任意だが０を典型とする。 ｂｅａｎ＿ｂａｓｉｃ＿ｐａｔｔｅｒｎにおいて、給電円素子（半径Ｒ）、無給電円（半径ｒ）、Ｒ／ｒ＝ｎ＝２の場合の形状。 図３において、Ｒ＝０．１ｍ、周波数ｆ＝３Ｇｈｚ、すなわちＲは１波長。の場合における、遠方電界強度パターンの垂直と水平。使用シミュレーション・ソフトは、４ｎｅｃ２（ｖ５．８．７、モーメント法、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、以下同様）。前方利得８．２ｄｂｉ、前後比（ｆｒｏｎｔ ｔｏ ｂａｃｋ ｒａｔｉｏ，ＦＢ比）１２ｄｂｉ。 図３において、周波数ｆ＝２Ｇｈｚ、電界強度パターンの垂直と水平。前方利得７．３ｄｂｉ、ＦＢ比１１ｄｂｉ。 図３において、周波数ｆ＝４Ｇｈｚ、電界強度パターンの垂直と水平。前方利得７．７ｄｂｉ、ＦＢ比１２ｄｂｉ。 ｂｅａｎ＿ｂａｓｉｃ＿ｐａｔｔｅｒｎにおいて、Ｒ／ｒ＝ｎ＝３の場合の形状。 図７において、Ｒ＝０．１ｍ、周波数ｆ＝３Ｇｈｚ、前方利得７．９ｄｂｉ、前後比（ｆｒｏｎｔ ｔｏ ｂａｃｋ ｒａｔｉｏ，ＦＢ比）１２ｄｂｉ。 図７において、周波数ｆ＝２Ｇｈｚ、前方利得７．３ｄｂｉ、ＦＢ比１０ｄｂｉ。 図７において、周波数ｆ＝４Ｇｈｚ、前方利得７．７ｄｂｉ、ＦＢ比１２ｄｂｉ。 ｂｅａｎ＿ｂａｓｉｃ＿ｐａｔｔｅｒｎにおいて、１素子追加ｎ＝２、３の場合の形状。 図１１において、周波数ｆ＝３Ｇｈｚ、前方利得８．８ｄｂｉ、ＦＢ比１２ｄｂｉ。 図１１において、周波数ｆ＝２Ｇｈｚ、前方利得７．４ｄｂｉ、ＦＢ比１２ｄｂｉ。 図１１において、周波数ｆ＝４Ｇｈｚ、前方利得９．０ｄｂｉ、ＦＢ比１２ｄｂｉ。 ｂｅａｎ＿ｂａｓｉｃ＿ｐａｔｔｅｒｎにおいて、反射器として１素子追加、ｎ＝３の場合の形状。 図１５において、周波数ｆ＝３Ｇｈｚ、前方利得８．４ｄｂｉ、ＦＢ比１４ｄｂｉ。 図１５において、周波数ｆ＝２Ｇｈｚ、前方利得８．９ｄｂｉ、ＦＢ比１２ｄｂｉ。 図１５において、周波数ｆ＝４Ｇｈｚ、前方利得７．９ｄｂｉ、ＦＢ比１５ｄｂｉ。

ｂｅａｎ ｂａｓｉｃ ｐａｔｔｅｒｎに複数の無給電素子を追加する。

ｂｅａｎ ｂａｓｉｃ ｐａｔｔｅｒｎにｒｅｆｌｅｃｔｏｒを追加する。

ｂｅａｎ ｂａｓｉｃ ｐａｔｔｅｒｎに付加素子を追加したものを１単位として、複数単位を並列または縦列して構成する。

構造は線状のもの、プリント基板上に構成したもの、リボン帯状のもので構成したもの、などトポロジカルには変形を持つ。

ＵＨＦ，ＶＨＦ ａｎｔｅｎｎａ

車載アンテナ、移動体通信アンテナ

ＵＨＦ，ＶＨＦ ａｎｔｅｎｎａとして、Ｂｅａｎ Ａｎｔｅｎｎａは広角低利得アンテナであり、狭角高利得の八木アンテナの機能を補完する。

帯域幅の広さが最有利点であり、経済性に富む。

形状構造は単純なので、多量生産も容易である。また車載アンテナ等の他の構造物への組み込みも容易である。

Claims (2)

1. 図２に示す、bean basic pattern にトポロジカルに等しい構造のアンテナを請求する。
2. bean basic pattern に反射器、導波器等の付加素子を追加したもの。

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