JP2014090383A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】細径化ができ、低周波数で使用することが可能なアンテナを提供する。
【解決手段】信号の給電を行う第１汎用同軸ケーブル７と、始端部において第１汎用同軸ケーブル７に接続され、始端部から終端部に延伸する線状の中心導体、中心導体を覆う絶縁体、絶縁体を挟んで中心導体を覆い、延伸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体を有する漏洩同軸ケーブル１とを備えるアンテナであって、信号の波長をλ、ｎを１、２及び３のいずれかとして、延伸方向における漏洩同軸ケーブル１の長さが、ｎλ／４である。
【選択図】図１

Description

本発明は、漏洩同軸ケーブルを用いたアンテナに関する。

漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）は、通常の同軸ケーブルの外部導体に複数のスロットが設けられたものである（非特許文献１参照）。このようなスロットを通じて、ケーブル内部の電磁波信号を外部に放射したり、ケーブル外部の電磁波信号をケーブル内部に取り込むことができる。即ち、ＬＣＸはケーブル型アンテナであり、特殊な細長い送受信アンテナと言える。

ＬＣＸは、通信領域が細長い環境におけるアンテナとして有効である。特に、曲がりくねったトンネル内や金属体が多数存在する場所では、電磁波の不感地帯が生じやすい。このような場所では、一般のアンテナを用いると、多数のアンテナを設置しなければならない。しかし、ＬＣＸではそれぞれのスロットがアンテナとして働くので、ＬＣＸに沿って多数のアンテナが配置されることになる。したがって、１本のＬＣＸを布設するだけで、細長い通信領域でも電磁波不感地帯の発生がし難くなる。布設工事も、一般のアンテナを個別に取り付けて電気配線する必要がなく、ＬＣＸを延線するだけでよく非常に簡単に実施できる。

会議室や待合室などの、それほど細長くない空間で、形状が大きくて目立つアンテナを避けたい場合に、ＬＣＸをアンテナとして使用することが提案されている（特許文献１参照）。特に、アンテナの存在をできるだけわからないようにする場合は、外径が１０ｍｍ程度以下の細径ＬＣＸが使用される。また、更に狭い空間である通信機器内でも、細径ＬＣＸをアンテナとして使用することが検討されている（非特許文献２参照）。

特許文献１及び非特許文献２で使用されている細径ＬＣＸでは、外径が約５ｍｍの外部導体にジグザグ型のスロットが設けられている。スロットの長手方向の長さ（スロット長）をＬｓ、ＬＣＸの周方向のスロットの長さをＬｓｃ、ＬＣＸの軸方向のスロットの長さをＬｓｌとする。スロットの軸方向に対する角度をγ及び（１８０−γ）とする。

スロットは外部導体に存在する裂け目と同等である。したがって、周方向長さＬｓｃを長くすると、ＬＣＸに屈曲などの外力が加わった場合、外部導体が破断してアンテナとして動作できなくなる致命的な状況になる。また、軸方向長さＬｓｌが長すぎると、ＬＣＸに加わる屈曲などの外力により、スロットが歪んでしまいＬＣＸからの放射波の強度が不安定になる恐れがある。経験的に、周方向長さＬｓｃは外部導体の周長の５０％以下が望ましい。外径が５ｍｍの外部導体であれば、周長は約１６ｍｍである。したがって、スロットの周方向長さＬｓｃは８ｍｍ以下とする必要がある。また、軸方向の長さＬｓｌは経験的に１５ｍｍ以下が望ましい。

外径が５ｍｍの外部導体では、周方向長さＬｓｃが３ｍｍ〜８ｍｍで、軸方向長さＬｓｌが１５ｍｍ以下となるスロットは、スロット長Ｌｓが約６ｍｍ〜約１６ｍｍで、角度γが約２０度〜約３０度となる。実際にＬＣＸに適用するスロット形状は、必要とする放射強度によって選択される。例えば、放射強度を大きくする場合は、スロット長Ｌｓを約１６ｍｍと長くして、角度γを約３０度とする。放射強度を小さくする場合は、スロット長Ｌｓを約６ｍｍと短くして、角度γを約３０度とする。

このように、外径が５ｍｍの外部導体では、スロット長Ｌｓは数ｍｍから、長くても１６ｍｍ程度である。ＬＣＸでは、個々のスロットから漏洩した電磁波が放射波を形成する。しかしながら、スロット長Ｌｓに対して、使用する電磁波の波長が長すぎると、スロットから漏洩する電磁波が少なくなる。これは、金網の網目に対して短い波長の電磁波（高周波）は金網を透過し、網目に対して長い波長の電磁波（低周波）は金網を透過できず反射することに対応する。周波数が４５０ＭＨｚ（波長６６６ｍｍ）の電磁波では、スロット長Ｌｓが数十ｍｍ以下、即ち波長の約５％以下になると、ＬＣＸからの放射が非常に少なくなる（非特許文献１、図２参照）。

外径が５ｍｍの外部導体を有する細径ＬＣＸでは、スロット長Ｌｓは長くても１６ｍｍ程度である。したがって、放射できる電磁波は、波長が約３２０ｍｍ以下、即ち周波数が約９４０ＭＨｚ以上となる。したがって、外径が５ｍｍの外部導体を有する細径ＬＣＸは、９４０ＭＨｚ以下の周波数では放射が弱くて使用し難く、４５０ＭＨｚ以下では全く実用にならない。

小型で低周波数で使用可能なアンテナとして、スリーブアンテナがある（非特許文献３参照）。スリーブアンテナは、同軸ケーブルの先端部で１／４波長分の中心導体をむき出しにし、むき出しになった部分の根元から外部導体の周囲に１／４波長の長さの導体を折り返して接続している。しかし、スリーブアンテナの外径は、細いものでも２５ｍｍもあり、微小で複雑な空間で使用するには適さない。

特開２０１１−２４４１９４号公報

岸本俊彦、佐々木伸著「ＬＣＸ通信システム」 電子通信学会、昭和５７年８月２０日出版 岡、他、「微小かつ複雑な空間におけるＬＣＸ利用の一検討」 ２０１２年電子情報通信学会総合大会、Ｂ‐５−１５５ 「アンテナ工学ハンドブック」 電子情報通信学会、第２版、オーム社、２００８年７月２５日出版、ｐ．１３６−１３７

上記問題点を鑑み、本発明の目的は、細径化ができ、低周波数で使用することが可能なアンテナを提供することにある。

本発明の一態様によれば、信号の給電を行う第１汎用同軸ケーブルと、始端部において第１汎用同軸ケーブルに接続され、始端部から終端部に延伸する線状の中心導体、中心導体を覆う絶縁体、絶縁体を挟んで中心導体を覆い、延伸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体を有する漏洩同軸ケーブルとを備え、信号の波長をλ、ｎを１、２及び３のいずれかとして、延伸方向における漏洩同軸ケーブルの長さが、ｎλ／４であるアンテナが提供される。

本発明の一態様において、終端部に接続され、漏洩同軸ケーブルの特性インピーダンスで終端する終端器を備えることが望ましい。また、始端部に隣接して、第１汎用同軸ケーブルの外周を覆うフェライトコアを備えることが望ましい。更に、終端部に接続された第２汎用同軸ケーブルと、終端部に隣接して、第２汎用同軸ケーブルの外周を覆うフェライトコアとを備える構成としてもよい。

本発明によれば、細径化ができ、低周波数で使用することが可能なアンテナを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るアンテナの一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナに用いるＬＣＸの一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナの結合損失分布の測定系の一例を示す概略図である。 ＬＣＸの長さが半波長のアンテナより得られた結合損失分布の一例を示す図である。 ＬＣＸの長さが１／４波長のアンテナより得られた結合損失分布の一例を示す図である。 ＬＣＸの長さが３／４波長のアンテナより得られた結合損失分布の一例を示す図である。 ＬＣＸの長さが１波長のアンテナより得られた結合損失分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例に係るアンテナの一例を示す概略図である。 図８に示したアンテナより得られた結合損失分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例に係るアンテナの他の例を示す概略図である。 図１０に示したアンテナより得られた結合損失分布の一例を示す図である。 図１０に示したアンテナからフェライトコアを除去して得られた結合損失分布の一例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係るアンテナは、図１に示すように、ＬＣＸ１、終端器３及び汎用同軸ケーブル７を備える。ＬＣＸ１の延伸方向（ｚ軸方向）のケーブル長は、Ｌである。終端器３は、ＬＣＸ１の終端部でコネクタ５を介してＬＣＸ１に接続される。汎用同軸ケーブル７は、ＬＣＸ１の始端部でコネクタ９を介してＬＣＸ１に接続される。終端器３は、不要な反射が発生しないように、ＬＣＸ１の特性インピーダンスと同じ抵抗値の終端抵抗である。汎用同軸ケーブル７は、ＬＣＸ１に高周波信号の給電を行う。

ＬＣＸ１は、図２に示すように、中心導体１０、絶縁体１２、外部導体１４、及びシース１６を有する。中心導体１０は、汎用同軸ケーブル７が接続された始端部から終端器３が接続された終端部に向かうｚ軸方向に延伸する。絶縁体１２は、中心導体１０を覆うように設けられる。外部導体１４は、絶縁体１２を挟んで中心導体１０を覆うように設けられる。シース１６は、外部導体１４の外周を覆うように設けられる。外部導体１４には、ＬＣＸ１の延伸方向（ｚ軸方向）に沿って複数のスロット１８が所定のピッチで設けられる。スロット１８は、ｚ軸に対して角度γで傾けて配置される。

例えば、中心導体１０には直径２ｍｍの銅線、絶縁体１２には直径５ｍｍの発泡ポリエチレンが用いられる。絶縁体１２の外周に外部導体１４として、厚さ０．０１ｍｍの銅箔を縦添えし、外部導体１４の外周に外径７ｍｍのシース１６が被覆される。ＬＣＸ１の特性インピーダンスは５０Ωである。スロット１８の形状は、スロット長が約１２ｍｍで、軸方向に対する角度が３０度である。以下の説明においては、ＬＣＸ１に給電される信号周波数を４５０ＭＨｚとする。しかし、信号周波数は限定されず、任意の周波数を用いてもよい。周波数が４５０ＭＨｚの電磁波の波長は、約６６６ｍｍであり、スロット長の１２ｍｍに比べて５０倍以上も大きい。

ケーブル長Ｌが、信号周波数の半波長、１／４波長、３／４波長、及び１波長のＬＣＸ１を作製した。実際には、ケーブル長Ｌは、ＬＣＸ１での波長短縮を見込んで決定される。一般の波長短縮率は５％であるので、周波数４５０ＭＨｚの半波長、１／４波長、３／４波長、及び１波長は、それぞれ３３３ｍｍ、１６７ｍｍ、５００ｍｍ、及び６６６ｍｍである。したがって、波長短縮率５％を見込むと、半波長、１／４波長、３／４波長、及び１波長のＬＣＸ１のケーブル長Ｌは、それぞれ３１６ｍｍ、１５８ｍｍ、４７５ｍｍ、及び６３３ｍｍとなる。ＬＣＸ１の終端に５０Ωの終端器３を取り付けて反射を防止する。

まず、図３に示すように、ＬＣＸ１のケーブル長が半波長のアンテナを電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。電波暗室３０内において、ＬＣＸ１の軸方向をｚ、高さ方向をｘとする。電波暗室３０の中央部で、ＬＣＸ１の始端部がｚ＝１ｍに位置するように配置する。電波暗室３０の外に設けた給電部２０が、汎用同軸ケーブル７を介してＬＣＸ１の始端部に接続される。受信アンテナ２４として、例えば半波長標準ダイポールアンテナをアンテナの真上に配置する。受信アンテナ２４はアプローチケーブル２６を介して、電波暗室３０の外に設けた受信部２８に接続される。なお、図１に示したアンテナからの放射波は、Ｅｚ偏波である。

給電部２０から、ＬＣＸ１の始端部に周波数が４５０ＭＨｚで入力電力Ｐｔの信号が供給され、アンテナからの放射波が受信アンテナ２４で受信される。受信部２８で放射波の受信電力Ｐｒが検出される。結合損失Ｌｃは、次式で計算される。

Ｌｃ ＝ −１０ｌｏｇ（Ｐｒ／Ｐｔ） （ｄＢ） ・・・（１）

図４に、受信アンテナ２４の高さ（ｘ）を０．２５ｍ〜１．５ｍの範囲、位置（ｚ）を０〜３ｍの範囲で変化させて、結合損失Ｌｃの分布を測定した結果を示す。図４に示すように、ＬＣＸ１の上方に強い放射が得られることがわかる。ケーブル長が半波長のＬＣＸ１を用いて、４５０ＭＨｚ帯で狭い空間における無線通信を実現することができる。

次に、ＬＣＸ１のケーブル長が１／４波長のアンテナを、図３に示した電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。図５に、結合損失Ｌｃの分布を測定した結果を示す。図５に示すように、ケーブル長が半波長のＬＣＸを用いた場合に比べると全体的に放射は弱いものの、ＬＣＸ１の上方に強い放射が得られることがわかる。このように、ケーブル長が１／４波長のＬＣＸ１を用いても、４５０ＭＨｚ帯で狭い空間における無線通信を実現することができる。

また、ＬＣＸ１のケーブル長が３／４波長のアンテナを、図３に示した電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。図６に、結合損失Ｌｃの分布を測定した結果を示す。図６に示すように、ＬＣＸ１の上方に強い放射が得られることがわかる。このように、ケーブル長が３／４波長のＬＣＸ１を用いても、４５０ＭＨｚ帯で狭い空間における無線通信を実現することができる。

更に、ＬＣＸ１のケーブル長が１波長のアンテナを、図３に示した電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。図７に、結合損失Ｌｃの分布を測定した結果を示す。図７に示すように、軸方向において、ＬＣＸ１の中央上方に放射が急激に低下する領域があることが確認できる。放射の低下の原因は、ＬＣＸ１のケーブル長が１波長であり、外部導体１４上の電流がＬＣＸ１の中央部から同じ大きさで逆方向に始端部及び終端部に向き、中央部の上方に放射の弱い領域が生じるためである。このように、ケーブル長が１波長のＬＣＸ１を用いると、アンテナ周囲に安定した放射が得られないことがわかる。

上記のように、４５０ＭＨｚ帯で狭い空間で使用するアンテナとしては、ケーブル長が１／４波長、及び３／４波長のＬＣＸ１を用いることが望ましい。また、ＬＣＸ１のケーブル長が１／４波長及び３／４波長に比べて、ケーブル長が半波長では、外部導体１４上の電流分布は対称的になり、ＬＣＸ１の上方での結合損失分布Ｌｃも対称的になる。したがって、ケーブル長が半波長のＬＣＸ１では、アンテナ周囲により安定した放射が得られる。このように、結合損失及び放射の安定性から、ＬＣＸ１のケーブル長として、半波長がもっとも望ましく、次いで３／４波長が望ましい。また、ケーブル長が１／４波長のＬＣＸ１は、小型化には最も適している。

（変形例）
本発明の実施の形態の変形例に係るアンテナは、図８に示すように、ＬＣＸ１、終端器３、汎用同軸ケーブル７、及びフェライトコア４０を備える。フェライトコア４０は、ＬＣＸ１の始端部に隣接して、汎用同軸ケーブル７の外周を覆う。

実施の形態の変形例では、フェライトコア４０をＬＣＸ１の始端部に隣接して設ける点が実施の形態と異なる。他の構成は、実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。

図４〜図６に示した結合損失分布では、汎用同軸ケーブル７側にも放射があることがわかる。これは、ＬＣＸ１の外部導体１４上の電流が、汎用同軸ケーブル７側にも僅かに伝搬するからである。

例えば、ケーブル長が半波長のＬＣＸ１を用いて、フェライトコア４０をＬＣＸ１の始端部に隣接して汎用同軸ケーブル７に装着したアンテナを作製した。作製したアンテナを、図３に示した電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。図９に、結合損失Ｌｃの分布を測定した結果を示す。図９に示すように、ＬＣＸ１の上方に放射波が集中していることがわかる。このように、汎用同軸ケーブル７側への放射も低減でき、理想的な放射指向性を有するアンテナを実現することができる。また、ケーブル長が１／４波長及び３／４波長のＬＣＸ１を用いても、同様の効果が得られる。

なお、汎用同軸ケーブルの途中に通信領域を設定する場合がある。このような場合、図１０に示すように、ＬＣＸ１の始端側に汎用同軸ケーブル（第１汎用同軸ケーブル）７が接続され、ＬＣＸ１の終端側に汎用同軸ケーブル（第２汎用同軸ケーブル）７ａが接続された構成になる。汎用同軸ケーブル７には、ＬＣＸ１の始端部に隣接してフェライトコア４０が設けられ、汎用同軸ケーブル７ａには、ＬＣＸ１の終端部に隣接してフェライトコア４２が設けられる。

例えば、ケーブル長が半波長のＬＣＸ１を用いて、終端部に、長さが１ｍで、特性インピーダンスが５０Ωの汎用同軸ケーブル７ａを接続したアンテナを作製した。汎用同軸ケーブル７ａの終端に５０Ωの終端器３を取り付けて反射を防止する。作製したアンテナを、図３に示した電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。また、図１０に示したアンテナから、フェライトコア４０、４２を除去して結合損失分布の測定を実施した。測定結果を、図１１及び図１２に示す。図１１に示すように、フェライトコア４０、４２を用いると、ＬＣＸ１の上方に放射が集中していることがわかる。一方、図１２に示すように、フェライトコアを用いない場合は、ＬＣＸ１からの放射はあるが、ＬＣＸ１の終端側に接続した汎用同軸ケーブル７ａの上方にも分布が不安定な放射があることがわかる。

このように、ＬＣＸ１の始端部及び終端部に汎用同軸ケーブル７、７ａを接続する場合、汎用同軸ケーブル７、７ａのそれぞれにフェライトコア４０、４２を設けることが望ましい。フェライトコア４０、４２を設けることにより、ＬＣＸ１の外部導体１４から汎用同軸ケーブル７、７ａに漏出する電流を抑制することができる。その結果、汎用同軸ケーブル７側への放射も低減でき、理想的な放射指向性を有するアンテナを実現することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）
３…終端器
７…汎用同軸ケーブル（第１汎用同軸ケーブル）
７ａ…汎用同軸ケーブル（第２汎用同軸ケーブル）
１０…中心導体
１２…絶縁体
１４…外部導体
１６…シース
１８…スロット
４０…フェライトコア
４２…フェライトコア

Claims (4)

1. 信号の給電を行う第１汎用同軸ケーブルと、
   始端部において前記第１汎用同軸ケーブルに接続され、前記始端部から終端部に延伸する線状の中心導体、前記中心導体を覆う絶縁体、前記絶縁体を挟んで前記中心導体を覆い、前記延伸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体を有する漏洩同軸ケーブル
   とを備え、
   前記信号の波長をλ、ｎを１、２及び３のいずれかとして、前記延伸方向における前記漏洩同軸ケーブルの長さが、ｎλ／４であることを特徴とするアンテナ。
2. 前記終端部に接続され、前記漏洩同軸ケーブルの特性インピーダンスで終端する終端器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記始端部に隣接して、前記第１汎用同軸ケーブルの外周を覆うフェライトコアを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 前記終端部に接続された第２汎用同軸ケーブルと、
   前記終端部に隣接して、前記第２汎用同軸ケーブルの外周を覆うフェライトコア
   とを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナ。

Images