JP3116501U

JP3116501U - 地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置

Info

Publication number: JP3116501U
Application number: JP2005007365U
Authority: JP
Inventors: 春夫川上
Original assignee: アンテナ技研株式会社
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2015-09-07

Abstract

【課題】高利得、広帯域を維持したまま給電部を簡易にした地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置を提供する。
【解決手段】変形バットウイングアンテナ２１ａ、２１ｂは、給電部の両側にスタブ１４を設け、その線路に沿って両側に変形バットウイングアンテナ素子１１ａ、１１ｂを接続したもので、反射板２３上に所定の高さで配置する。アンテナ２１ａ、２１ｂは、スタブ１４間を平行２線２５で連結する。アンテナ２１ａ、２１ｂは、給電部と反射板２３との間に平行２線の不平衡給電線路２６を設ける。不平衡給電線路２６は、一方の給電線路２６ａをアンテナ素子１１ｂの給電部から反射板２３に直接接続し、他方の給電線路２６ｂをアンテナ素子１１ａの給電部から所定長さ設ける。そして、各給電線路２６ｂの下端を線路２７により接続し、その中央部に同軸線路２９の中心導体を接続する。
【選択図】図２

Description

本考案は、ＵＨＦ帯送信用として用いられる地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置に関する。

従来、ＵＨＦ帯用送信アンテナとしては、双ループアンテナ、ヘリカルアンテナ、反射板付ダイポールアンテナ等が用いられている。これらのアンテナは、分岐導体型、分割同軸型のバランの複雑な構造となっているのが一般的である。

しかし、地上波デジタル放送は多チャネル化が進むと予想され、1つの送信局に複数のチャネルが割り当てられる。このように１つの送信局に複数のチャネルが割り当てられる場合、アンテナのコストを下げるために複数のチャネルをカバーできる広帯域で簡易な構造のアンテナが有効である。

一方、双ループアンテナは、よく知られているように平衡給電方式が用いられる。平衡給電方式の場合、入力インピーダンスは約１００Ω付近になるが、実際にアンテナを製作する際には平衡不平衡変換回路及びインピーダンス変換器が必要となるため、システムが高価になり、又、複雑な回路構成となり、コスト高で汎用性に不向きである。

本考案は上記実情に鑑みてなされたもので、給電部を簡易にした地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置を提供することを目的とする。

第１の考案に係る地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置は、反射板と、前記反射板上に所定の高さで設けられる変形バットウイングアンテナと、前記変形バットウイングアンテナの給電部と前記反射板との間に設けられる不平衡給電線路とを具備し、前記不平衡給電線路に同軸線路を直接接続して給電することを特徴とする。

第２の考案に係る地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置は、反射板と、前記反射板上に所定の高さで並列に連結して設けられる複数の変形バットウイングアンテナと、前記各変形バットウイングアンテナの給電部と前記反射板との間にそれぞれ設けられる不平衡給電線路と、前記各不平衡給電線路の給電点間を接続する接続線路とを具備し、前記接続線路の中央部に給電用同軸線路を直接接続して給電することを特徴とする。

第３の考案は、前記第２の考案に係る地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置において、変形バットウイングアンテナを４段以上設けて構成する場合、前記各不平衡給電線路の給電系を交叉させて給電することを特徴とする。

第４の考案は、前記第１、第２又は第３の考案に係る地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置において、反射板は、両側を変形バットウイングアンテナ側に所定角度で折り曲げて構成したことを特徴とする。

第５の考案は、前記第１、第２、第３又は第４の考案に係る地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置において、同軸線路を接続する給電部分の入力インピーダンスを約５０Ωに設定したことを特徴とする。

本考案によれば、地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置において、高利得、広帯域を維持したまま給電方法を簡略化して入力インピーダンスを５０Ωにすることができ、又、給電が簡易な方法であるためインピーダンスの整合のためのリアクタンス調整が容易である。

以下、図面を参照して本考案の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本考案の第１実施形態に係る基本素子となる変形バットウイングアンテナの構造図である。

図１において、１１ａ、１１ｂは例えば銅或いは真鍮等の導体によりほぼＭ字状に形成した変形バットウイングアンテナ素子で、１本の中央素子１２を備え、この中央素子１２の先端に設けられる給電部１３から給電される。上記アンテナ素子１１ａ、１１ｂは、波長より十分細い例えば半径が４ｍｍ程度の導体を用いて構成される。

上記給電部１３には、その両側に４分の１波長（λ_０／４）のスタブ（トラップ）１４が設けられ、その線路に沿って両側に上記アンテナ素子１１ａ、１１ｂが接続される。すなわち、スタブ１４の両側にアンテナ素子１１ａ、１１ｂを配置して軍配状の変形バットウイングアンテナ２１を構成している。

上記スタブ１４の長さＬＷ_０は、中心周波数を５００ＭＨｚ（波長は６００ｍｍ）とすると１５０ｍｍである。このときアンテナ素子１１ａ、１１ｂのウイング部１５の長さＬＷ_１＋ＬＷ_２＋ＬＷ_３を３００ｍｍにすると、入力インピーダンスが中心周波数を中心にフラットな特性となる。上記ＬＷ_１とＬＷ_２の長さは、例えばＬＷ_１が約１００ｍｍ、ＬＷ_２が約３８ｍｍに設定される。このＬＷ_１とＬＷ_２の比率が大きくなるほど帯域が狭くなり、逆に小さくなると帯域が広がるが共振周波数が分離してくる。

図２は反射板付２素子変形バットウイングアンテナの構成例を示したもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。

図２において、２１ａ、２１ｂは上記図１に示した変形バットウイングアンテナで、反射板２３上にＨの高さに設けられる。各アンテナ２１ａ、２１ｂは、中心間距離Ｄが約０．６３３λ_０（約３８０ｍｍ）、反射板２３からの高さＨが約０．２５〜０．３λ_０の範囲で設定される。

上記アンテナ２１ａ、２１ｂは、０〜０．１λ_０の間隔で設けられるが、スタブ１４間を平行２線２５で連結している。アンテナ２１ａ、２１ｂのスタブ１４間を平行２線２５で連結することにより、アンテナ強度を増すことができ、又トラップ回路としても利用することができる。

上記アンテナ２１ａ、２１ｂは、給電部１３と反射板２３との間に平行２線の不平衡給電線路２６を設けて給電している。上記不平衡給電線路２６は、反射板２３上にアンテナ２１ａ、２１ｂを保持する機能も兼ねている。

上記不平衡給電線路２６は、図２（ｂ）に示すように、一方の給電線路２６ａはアンテナ素子１１ｂの給電部１３から反射板２３に直接接続し、他方の給電線路２６ｂはアンテナ素子１１ａの給電部１３から所定長さ、すなわち、反射板２３から高さＨｆの位置まで設けられる。そして、上記アンテナ２１ａ、２１ｂの各給電線路２６ｂの下端、すなわち給電点は接続線路２７により接続され、この接続線路２７の中央部に同軸線路２９の中心導体３０が接続される。上記同軸線路２９は、上端部が取付け金具等を用いて反射板２３の下面に固定され、中心導体３０が反射板２３に設けられた給電用穴２８を介して上側に導出され、接続線路２７の中央部に接続される。また、同軸線路２９の外導体は反射板２３に接続される。

上記反射板２３に垂直に設けられる不平衡給電線路２６は非対称構造になるが、アンテナ２１ａ、２１ｂに含まれるλ_０／４のスタブ１４の効果により比較的対称な電流分布となり、不要放射が小さくなると考えられる。尚且つ入力インピーダンスは平衡給電を行う構造に対して約半分になり、反射板２３に平行な接続線路２７の高さＨｆと不平衡給電線路２６の間隔ｄを調整することにより５０Ωにすることができる。又、同軸線路２９の中心導体３０と接続線路２７との接続部の形状により、リアクタンスの調整が可能である。

上記のように構成された変形バットウイングアンテナについて、各部の設定及び特性についての検討結果を以下に示す。なお、［１．インピーダンス特性］、［２．指向性］及び［３．利得］については、反射板２３として無限反射板を用いた場合を例として解析結果を示している。

［１．インピーダンス特性］
図３は、ＬＷ３＝１５０ｍｍ（０．２５λ_０）、Ｄ＝３８０ｍｍ（０．６３３λ_０）、Ｈｆ＝１３ｍｍ（０．０２２λ_０）として、ＬＷ１、ＬＷ２を種々組み合わせた寸法にて比較した条件におけるＶＳＷＲ（規格化インピーダンス５０Ω）を示す。図３において、曲線ａはＬＷ１、ＬＷ２を９５−４８ｍｍ、曲線ｂは１００−３８ｍｍ、曲線ｃは１０５−２５ｍｍに設定した場合のＶＳＷＲを示している。

ＵＨＦ帯における低い周波数側のＶＳＷＲ特性はほぼ等しいが、高い周波数側ではＬＷ１とＬＷ２の比率が小さいとＶＳＷＲが悪化し、比率が大きいと帯域が狭くなった。帯域がフラットな特性になるのは、ＬＷ１＝１００ｍｍ（０．１６７λ_０）、ＬＷ２＝３８ｍｍ（０．０６３λ_０）であった。送信アンテナでは、ＶＳＷＲは１．０５以下が要求されるが、数値計算では線材の直径や形状による入力インピーダンスの微調整が困難なためにＶＳＷＲ約１．１以下を目安に帯域を算出した結果、ＬＷ１＝１００ｍｍ、ＬＷ２＝３８ｍｍでＶＳＷＲが１．１２以下になる帯域は１８０ＭＨｚ（３５％）を得た。

［２．指向性］
次に、ＵＨＦ帯域における周波数に対する垂直面（Ｙ−Ｚ面）のＥφ成分放射パタンを図４、同水平面（Ｘ−Ｚ面）のＥθ成分放射パタンを図５に示す。ここでは４００ＭＨｚ〜６００ＭＨｚまで５０ＭＨｚステップの周波数とし、最大利得を得た５５０ＭＨｚの利得で各周波数の放射パタンを規格した。又サイドローブは全周波数で−１３ｄＢ以下になった。サイドローブは素子間隔Ｄで変化することがわかっている。上記図４、図５において、曲線ａは４００ＭＨｚ、曲線ｂは４５０ＭＨｚ、曲線ｃは５００ＭＨｚ、曲線ｄは５５０ＭＨｚ、曲線ｅは６００ＭＨｚの放射パタンを示している。

アンテナの非対称構造の影響で垂直面には不平衡給電線路２６から放射される交差偏波が生じるが、非常に小さなものである。又水平面では不平衡給電線路２６から放射される偏波とアンテナの主偏波が同じであるため、θ＝６０°〜９０°で非対称な放射パタンとなるが、θ＝４５°以内ではほぼ対称な放射パタンである。多面合成の場合には考慮しなければならない。

［３．利得］
上記［１．インピーダンス特性］より得られた最適値であるＬＷ１＝１００ｍｍ、ＬＷ２＝３８ｍｍにより電力利得の周波数特性を図６に示す。ここで、２Ｌ形双ループアンテナとの比較を示した。２Ｌ形双ループアンテナの利得ａは約１０ｄＢｉであり、周波数に対してフラットな特性であった。一方、変形バットウイングアンテナの利得ｂは周波数に対する変化は若干あるが、双ループアンテナの利得より１〜２ｄＢ高く、１１．５〜１２ｄＢｉである。

［４．反射板の影響］
上記［１．インピーダンス特性］〜［３．利得］では、無限反射板を用いて解析を行ったが、実用化に際しては有限反射板で行わねばならない。

以下は有限反射板を用いた場合について示したもので、その構成を図７に示す。図７（ａ）は、有限反射板を用いた変形バットウイングアンテナの構成を示す斜視図、同図（ｂ）は同側面図である。ここでは反射板２３は薄い平板を使用し、中心周波数を５００ＭＨｚとした。そして、反射板２３の長さＬ＝８００ｍｍ（１．８３λ_０）とし、幅Ｗ１＝３００ｍｍ（０．５λ_０）及び４００ｍｍ（０．６７λ_０）の平板を基準にして両側に仰角βで幅Ｗ２の反射板２３ａを付加した。この場合、反射板２３の両側を幅Ｗ２、仰角βで上方に折り曲げても良い。

図８にＷ１＝３００ｍｍを基準にした場合、図９にＷ１＝４００ｍｍを基準にした場合の前後比（ＦＢ比）と電力利得を示した。幅Ｗ２は０，５０，１００ｍｍ、βは０°，４５°，９０°とし、Ｗ＝Ｗ１＋２×Ｗ２で表した。β＝０°の場合は幅Ｗに比例して前後比及び利得が大きくなる。ただし、利得の変化は小さく、無限反射板との差は小さい。

一方、前後比の変化は大きく、Ｗ＝６００ｍｍのとき約２０ｄＢで、Ｗ＝３００ｍｍから１０ｄＢの改善があった。仰角β＝４５°にすると、基準となる幅からの利得の変化は無いが、前後比は大きく改善された。反射板２３の幅をＷ１＝３００ｍｍとしたときの前後比は共に２５ｄＢであった。しかし、利得は幅Ｗ１に依存するので、Ｗ１＝４００ｍｍの方が高利得になる。次に仰角β＝９０°にすると、前後比の変化はβ＝４５°の場合と同様に大きく改善されるが利得は低下する。又Ｗ１が大きいほど利得の低下は小さくなった。

以上の結果より反射板２３の設計は所望の利得が得られる幅Ｗ１を決定し、更に前後比を改善するには仰角βを４５°程度にして両サイドに反射板２３ａを付加し、所望の前後比が得られる幅Ｗ２を決定すれば設計できる。ここでは、Ｗ１＝４００ｍｍ、Ｗ２＝１００ｍｍ、β＝４５°の場合における垂直面Ｅφ成分の放射パタンを図１０、同水平面Ｅθ成分の放射パタンを図１１に示した。破線で示す放射パタンは無限反射板を用いた場合である。正面方向のメインローブはほぼ等しいパタンとなり、水平面における前後比も２０ｄＢが得られた。

上記第１実施形態によれば、変形バットウイングアンテナにおいて、高利得、広帯域を維持したまま給電方法を簡略化して入力インピーダンスを５０Ωにすることができ、又、給電が簡易な方法であるためインピーダンスの整合のためのリアクタンス調整が容易である。

［第２実施形態］
次に本考案の第２実施形態に係る変形バットウイングアンテナ装置について説明する。

この第２実施形態は、高利得化を目的として段数を増した高利得化多段構成の並列連結バットウイングアンテナについて示したものである。

図１２は、第２実施形態に係る並列連結バットウイングアンテナの構成を示す斜視図である。この第２実施形態に係る並列連結バットウイングアンテナは、反射板２３上に複数段例えば４段の変形バットウイングアンテナ２１ａ〜２１ｄを並列に連結して設けたものである。この場合、両端のアンテナ２１ａ、２１ｄは、中央のアンテナ２１ｂ、２１ｃに対して不平衡給電線路２６の給電線路２６ａ、２６ｂの位置を逆にし、各給電線路２６ｂの下端部を接続線路２７により反射板２３からＨｆの高さで接続する。また、アンテナ２１ｂ、２１ｃの給電線路２６ｂ間は、２本の接続線路２７ａ、２７ｂを平行配置してインピーダンス変換を行っている。上記２本の接続線路２７ａ、２７ｂの間隔は、スタブ１４の間隔より短い値に設定される。

すなわち、変形バットウイングアンテナ２１ａ〜２１ｄを用いて４段構成とした場合、アンテナ２１ｂの給電線路２６ｂ（Ａ点）からみたインピーダンスが５０Ωになるので、接続線路２７の中央であるＢ点からみたインピーダンスが５０Ωとなるように２線式としてインピーダンス変換を行っている。

また、両端のアンテナ２１ａ、２１ｄでは、給電位相がずれるので、不平衡給電線路２６の給電線路２６ａ、２６ｂの位置を逆にし、すなわち給電系を交差させ、全素子を同相励振するようにしている。なお、４段以上の変形バットウイングアンテナを構成する場合は、外側に追加される変形バットウイングアンテナに対し、不平衡給電線路２６の給電線路２６ａ、２６ｂの位置を順次逆に配置する。

上記のように構成した変形バットウイングアンテナは、中心周波数を５００ＭＨｚとし、また、導体の直径を８ｍｍとした。第１実施形態に係るアンテナは２素子の間に間隔があったが、第２実施形態では各素子を並列連結し、中心間距離Ｄをλ_０／２にすることで小形化及び広帯域化を図ったものである。但し４段の場合は、上記したようにＡ点からみたインピーダンスが５０Ωになるので、Ｂ点からみたインピーダンスを５０Ωにするために接続線路２７を２線式にし、インピーダンス変換を行った。そして両端の素子の給電位置を逆にし、全素子を同相励振する構造にした。

図１３に上記第２実施形態に係る変形バットウイングアンテナのＶＳＷＲ（規格インピーダンス５０Ω）を示す。図１３において、曲線ａは２段構造の変形バットウイングアンテナのＶＳＷＲ、曲線ｂは４段構造の変形バットウイングアンテナのＶＳＷＲである。２段構造と４段構造でＶＳＷＲが１．１５以下になる周波数が３０ＭＨｚほど異なるが、ほぼ同じ比帯域２８％が得られた。

図１４に上記変形バットウイングアンテナの電力利得の周波数特性を示す。２段構造は約１２ｄＢｉ、４段構造は約１３〜１４ｄＢｉであり、３素子及び５素子の反射板付ダイポールアレーと同等の利得が得られた。

図１５に４段構造における変形バットウイングアンテナのＹＺ面放射パタンを示す。図１５の（ａ）は周波数４５０ＭＨｚ、（ｂ）は周波数５００ＭＨｚ、（ｃ）は周波数５５０ＭＨｚにおける垂直面放射パタンを示している。上記周波数４５０ＭＨｚ，５００ＭＨｚ，５５０ＭＨｚにおけるビーム半値角は、３０°，２４°，２２°である。

上記第２実施形態によれば、反射板付変形バットウイングアンテナの高利得化を目的として段数を増し、変形バットウイングアンテナを並列に連結して給電間隔、すなわち中心間距離Ｄをλ_０／２にすることで、簡易な給電構造でありながら高利得、広帯域特性が得られた。また、４段高利得構成の所望の特性を得るための基本的な設計値において、実験値と良く一致した特性を得ることができた。

本考案の第１実施形態に係る変形バットウイングアンテナの基本素子構造を示す図である。（ａ）は同実施形態におけるバットウイングアンテナの構成を示す斜視図、（ｂ）は給電部の詳細を示す構成図である。同実施形態におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。同実施形態における垂直面放射パタンを示す図である。同実施形態における水平面放射パタンを示す図である。同実施形態における電力利得の周波数特性を示す図である。（ａ）は有限反射板を用いた変形バットウイングアンテナの構成を示す斜視図、（ｂ）は同側面図である。同実施形態における有限反射板の幅Ｗに対する前後比と利得（Ｗ１＝３００ｍｍ）を示す図である。同実施形態における有限反射板の幅Ｗに対する前後比と利得（Ｗ１＝４００ｍｍ）を示す図である。同実施形態において、有限反射板を用いた場合の垂直面放射パタンを示す図である。同実施形態において、有限反射板を用いた場合の水平面放射パタンを示す図である。本考案の第２実施形態に係る変形バットウイングアンテナの構成を示す斜視図である。同実施形態におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。同実施形態における電力利得の周波数特性を示す図である。同実施形態における垂直面放射パタンを示す図である。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ…変形バットウイングアンテナ素子、１２…中央素子、１３…給電部、１４…スタブ、１５…ウイング部、２１、２１ａ、２１ｂ…変形バットウイングアンテナ、２３、２３ａ…反射板、２５…平行２線、２６…不平衡給電線路、２７、２７ａ、２７ｂ…接続線路、２８…給電用穴、２９…同軸線路、３０同軸線路の中心導体。

Claims

反射板と、前記反射板上に所定の高さで設けられる変形バットウイングアンテナと、前記変形バットウイングアンテナの給電部と前記反射板との間に設けられる不平衡給電線路とを具備し、前記不平衡給電線路に同軸線路を直接接続して給電することを特徴とする地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置。
反射板と、前記反射板上に所定の高さで並列に連結して設けられる複数の変形バットウイングアンテナと、前記各変形バットウイングアンテナの給電部と前記反射板との間にそれぞれ設けられる不平衡給電線路と、前記各不平衡給電線路の給電点間を接続する接続線路とを具備し、前記接続線路の中央部に給電用同軸線路を直接接続して給電することを特徴とする地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置。
前記変形バットウイングアンテナを４段以上設けて構成する場合、前記各不平衡給電線路の給電系を交叉させて給電することを特徴とする請求項２に記載の地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置。
前記反射板は、両側を変形バットウイングアンテナ側に所定角度で折り曲げて構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置。
前記同軸線路を接続する給電部分の入力インピーダンスを約５０Ωに設定したことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の地上デジタル放送用変形バットウイングアンテナ装置。