JP4195403B2 - アンテナ構造体およびテレビ受像機 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ構造体、特に電気的に指向性を可変することが出来るアンテナ構造体、並びにそのようなアンテナ構造体を備えたテレビ受像機に関する。

アンテナの指向性を変更するのに、アンテナを空間的に傾斜、回転等する方法の他、電気的な手法がある。この手法は、指向性の異なった複数のアンテナを設けて、それを択一的に選択するダイバーシティアンテナとか、エスパアンテナとかが知られている（特許文献１）。
しかしこれらのアンテナは、ダイポール素子とかモノポール素子から構成されるため、送受信機の金属筐体や回路基盤から十分離して設置するか、それらを地板として、そこから起立する状態で設けざるを得ない。そのため、アンテナが送受信機から外側へ大きく突出し、持ち運びに不便な構成となってしまう。

アンテナを、送受信機の筐体（地板）に平行に設ける場合も、ダイポール素子、モノポール素子の場合は、少なくともλ／４は離間させる必要があり、嵩張りを解消することはできない。特に、薄型テレビ受像機において電波を受信する場合は、水平偏波であるために、天板上に水平にダイポール素子等を設けざるを得ず、アンテナが、受像機の前後方向に出っ張り、全体の見栄えを悪化することになる。

アンテナの中で、低姿勢構造のものとして、逆Ｆアンテナやループアンテナが知られており（非特許文献１）、これを利用すれば、上記の嵩張り、出っ張りといった課題は解決できると考えられる。
特開２００２−１１８４１４号公報 「図説・アンテナ」P２２５〜２２７、 著者：後藤尚久、 発行：電子情報通信学会

しかしながら、逆Ｆアンテナやループアンテナにおいては、指向性を可変することができる技術がまだ確立されていないのが現状である。
本発明はかかる点に鑑み、逆Ｆアンテナやループアンテナといった低姿勢構造のアンテナにおいて指向性を可変とする技術を提案するものである。
本発明の他の目的は、そのようなアンテナを備えたテレビ受像機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、給電素子と少なくとも１本の無給電素子とが所定の間隔を置いて配置され、それらの素子が低姿勢構造からなるとともに、無給電素子は、可変リアクタンス素子を含み、電気長が変更できる構成とされており、
更に、前記給電素子、無給電素子が、１の短尺導体の両端から、長尺導体を起立方向に延出させたヘンテナフォーク型をし、給電素子には、短尺導体に平行に、２本の長尺導体にまたがって、給電点が接続され、無給電素子には、短尺導体に可変リアクタンス素子が挿入されていることを特徴としている。

この構成によれば、無給電素子が含む可変リアクタンスを、容量性と誘導性との間で調整すると、無給電素子の電気長が変更され、導波器の特性、反射器の特性に変更できるので、それと平行に配された給電素子は、導波器の方向に指向性が高く或いは反射器と反対方向に指向性が高くなり、指向性を変更できる。しかも、給電素子、無給電素子のいずれもがヘンテナフォーク型の低姿勢構造のため、嵩張らずに送受信機等に設けることができる。なお、前記可変リアクタンスを、３つ以上の状態若しくは連続的に変化させる構成とすれば、対応して指向性を３状態あるいは連続的に変化させることができ、アンテナが適用された機器の送受信感度を、最適な状態に設定でき、一層好ましい。

さらに、上記アンテナ構造体をテレビ受像機筐体の縦壁面に配した形態で実施することが出来る。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
〔実施の形態１〕
<全体構成>
図１は、たとえばプラズマディスプレイパネル等の薄型テレビに本発明のアンテナ構造体が適用された例を示している。図中、１は、テレビ受像機筐体で、背面から見た状態を示している。２は、アンテナ構造体で、金属板（以下、地板という。）２１上に、給電素子２２を挟んで、その両側に無給電素子２３、２４を並設した構成をしている。給電素子２２は、同軸ケーブル２５により、テレビ受像機内部のチューナ回路（不図示）と接続され、無給電素子２３、２４は、制御信号線２６、２７により、テレビ受像機内部のコントロール回路（不図示）と接続されている。給電素子２２、無給電素子２３、２４とも、この実施例では逆Ｆ型アンテナ構造のものを使用している。
<アンテナの構成>
図２は、アンテナ構造体２を説明する原理的な図である。
給電素子２２は、地板２１に対して平行な長尺導体部分２２aと、地板２１に垂直に交差する第１、第２の導体部分２２b、２２cとからなる。長尺な導体部分２２aと第２の導体部分２２ｃの長さの和は、（ｎ/２＋１/４）λ（ただし、λは、送信または受信周波数の空間波長、ｎは、０又は任意の正の整数）とされている。第１、第２の導体部分２２b、２２cの長さhは、アンテナの利得、尖鋭度Ｑとの兼ね合いで適宜調整することになるが、h／λを小さくするほど、利得、Ｑとも上がる。通常は、h／λを０．０６〜０．０８の範囲に設定するのが望ましい。この範囲に設定すると、給電系インピーダンスとして一般的な、５０または７５Ωに対して良好な整合特性が得られる。

第１の導体部分２２bには、給電点２８が挿入されている。給電点２８は厳密には、チューナ回路であるので、実際には、第１の導体部分２２bの途中に、同軸ケーブル２５が挿入されることになる。第２の導体部分２２cの垂下端は、地板２１に接地されている。
無給電素子２３、２４は、給電素子２２と略同一の形状をし、地板２１と平行な長尺状の導体部分２３a、２４aと、地板に向けて垂下した第１、第２の導体部分２３b、２３c、２４b、２４cからなる。各部分の長さも給電素子２２と同一である。

ただし、給電素子２２と異なり、無給電素子２３、２４の第１の導体部分２３b、２４bには、可変リアクタンス素子として、バリキャップダイオード２９、３０が挿入され、また、第２の導体部分２３c、２４cには、容量の大きなバイパスコンデンサ３１、３２が挿入されている。バイパスコンデンサ３１、３２は、静電容量が大きいので、送受信波長でのインピーダンスはきわめて小さく、導体とみなされるが、直流的に長尺状の導体部分２３a、２４aを地板２１から浮かす働きをしている。このため、テレビ受像機のコントローラからの制御信号Ｖ_A、Ｖ_Bを高周波カットフィルタなどを介在することなく、長尺状導体部分２３a、２４aに直接印加している。

給電素子２２、無給電素子２３、２４の間の間隔ｄは、大体０．１〜０．４λに設定される。たとえば、使用周波数を６００ＭＨｚとすれば、前記間隔は５〜２０ｃｍとなる。また、給電素子２２、無給電素子２３、２４の全長は、１２．５ｃｍ程度である（ただし、ｎ＝０）。なお、逆Ｆ型のアンテナ構造の場合、図４に示すように第１、第２の導体部分、地板で閉ループを構成し、給電素子２２では、給電電流がこのループに流れる結果、その電流による磁界が、破線で示すように無給電素子２４（２３）と交差することとなり、素子間が磁気結合する。このため、素子間の間隔は、アレーアンテナの給電素子と無給電素子間の間隔として知られている値よりも一層大きな値としても十分な素子間結合を確保することが出来る。そればかりか、素子間隔を広くすると、アンテナの実効開口が大きくなるため、指向性が鋭く（半値幅が狭く）なるので、利得も高まる。
＜動作＞
上記構成において、無給電素子２３、２４にそれぞれ制御信号としてＶa、Ｖbを与え、その値を変化すると、バリキャップダイオード２９、３０の容量が変化し、第１導体部分２３b、２４bの送受信周波数におけるインピーダンスが０からある値まで変化する。その結果、逆Ｆ型アンテナの地板２１への短絡点が等価的に長尺導体部分２３a、２４aに沿って移動し、実質的にアンテナ長が変化する。アンテナ長が給電素子のそれより長くなると、反射器としての特性になり、短くなると導波器としての特性となる。したがって、左右の無給電素子２３、２４のアンテナ長を相反する方向へ変更することにより、アンテナ構造体２の指向性を可変することができる。
〔実施の形態１の変形〕
基本的な構成は、実施の形態１と同じであるが、細部においては異なった形で実施することのできる構成を列挙する。

1) 無給電素子２３（２４）の第２の導体部分に挿入するバイパスコンデンサ３１（３２）を、図３に示すように、地板２１に挿設した貫通コンデンサ３３で構成する。この構成とすれば、第２の導体部分の端部を接地したり、途中にコンデンサを挿入したりする作業が不要となり、構成上も簡素化する。
2)実施の形態１では、長尺導体部分２２a、２３a、２４aの一端は、遊端としてあったが、図５に示すように、先端を曲げ、垂下させて地板２１に接地する構成とする。この場合は、給電素子２２、無給電素子２３、２４の全長は、λ／２とする必要がある。また、無給電素子２３、２４にあっては、長尺導体部分２３a、２４aを直流的に浮かすために、先端の垂下部分２３d、２４dにも容量の大きなバイパスコンデンサ３４、３５を挿入する必要がある。これ以外の構成は、実施の形態１と同じであるので、構成、動作の説明は省略する。なお、長尺導体の先端は、地板に設置させずに、少し浮かして配置する形態で実施することも出来る。その場合は、バイパスコンデンサは不要である。

3)図６に示すようにバリキャップダイオード２９（３０）とバイパスコンデンサ３１（３２）との接続箇所を、図２とは逆にする。この実施例においても、嵩低く構成できて、指向性が可変できることは、上記の各実施例の構成と同じである。
4)図７（a）に示すように、給電素子２２全体を金属板３５で構成する。この構成とすれば、方形パッチアンテナに類する構造となるので、電波受信性能が高まる。なお、図中、３７は地板、３８は給電点と接続する同軸ケーブルである。

5)図７（b）に示すように、金属板３５の端縁の一部に耳部３５a、bを形成する。耳部の存在によって、付近の電磁界分布が乱れ、素子間の電界結合が強まり、素子間隔をその分、広く取ることができる。
6)図７aの変形として図７（ｃ）に３６で示すようにＦ型形状を、銅等の金属板から打ち抜いて形成する。給電素子、無給電素子ともこの形状とし、図２で示した導体と同様にして地板に配置する。このように打ち抜き形状とする場合は、大量生産に向き、コスト低減が図れ、実用的価値が高い。なお、打ち抜き型でなく、Ｆ型パターンを形成したプリント基板を用いることもできる。
〔実施の形態２〕
上記の実施の形態は、各素子が、逆Ｆ型アンテナ構造とされていたが、この実施例においては、接地型ループアンテナ構造としている。図８は、その構成を示している。図中、４１は地板、４２は給電素子、４３、４４は無給電素子である。給電素子４２、無給電素子４３、４４とも、地板４１に平行な導線４２a、４３a、４４aの両端４２b、４２c、４３b、４３c、４４b、４４cを地板方向に垂下させたもので、全長はｎλ／２である。いわゆる電気影像法から理解されるようにループアンテナと等価なアンテナとなっている。

給電素子４２の一方の垂下導体部分４２bには、給電点２８が接続され、無給電素子４３、４４の一方の垂下導体部分４３b、４４bには、バリキャップダイオード２９、３０が、他方の垂下導体部分４３c、４４cには、バイパスコンデンサ３１、３２が挿入されている。
バイパスコンデンサの働き、パリキャップダイオードの容量を変化させて、無給電素子４３、４４を導波器、反射器の特性を発揮させるのは、逆Ｆ型アンテナと同様であるので、説明は省略する。
〔実施の形態２の変形〕
1) 図９に一方の無給電素子だけを示すが、全長をｎλ／４とし、素子一端を遊端とする。給電素子は図示しないが、バリキャップダイオードに変えて給電点とする以外は、図８に示した実施形態２と同一構成とする。

このように全長が、実施の形態２の半分で、一端が遊端とした構成は、やはり、実施の形態２に電気影像法を適用すれば、明らかなように、実施の形態２と等価である。
2) 図１０に示すように、給電素子５２、無給電素子５３、５４ともループアンテナ構造とする。この構成においては、地板は存在しない。電気影像法の下で実施の形態２と等価であることは理解される。したがって、ループ全長はλとなり、短辺部分５２b、５３b、５４bの長さは、実施の形態２の垂下導体部分の長さの２倍となる。なお、コンデンサ５５、５６は、直流阻止のために用いられている。挿入位置は、長辺の中央部分とすると、その部分は高周波電流が少ない部分であるので、小容量のものを用いることができ、例えば撚り線で実施でき、便利である。図中、５８・・・は、給電素子５２、無給電素子５３、５４を壁面５９から適当距離離して保持するための保持具である。壁面は、前の各実施の形態と異なり、地板である必要は無い。
電気的特性は実施の形態２と同じである。
〔実施の形態３〕
これまでの実施の形態と若干異なり、図１１に示すように、給電素子６２、無給電素子６３、６４を、いわゆるヘンテナフォーク構造としたものである。形状としては、図１０のループアンテナの長辺導体の中央から上を切除し、下側だけで構成したものに等しい。やはり、電気影像法において図１０のものと等価である。その意味で、ヘンテナフォーク型は、ループアンテナ型の範疇に含むこともできる。

なお、給電素子６２は、実施の形態１同様、Ｆ型構造としてある。また、図中、６８・・・は、給電素子６２、無給電素子６３、６４を壁面６９から適当距離離して保持するための保持具である。
最後に、上記各実施の形態は、給電素子、無給電素子はそれぞれ同一形状のものを使用しているが、本発明はこれに限られるものではなく、給電素子は、Ｆ型構造とし、無給電素子は、ループ型、或いはヘンテナフォーク型として実施することができる。或いは、２本の無給電素子の内の一方を、ループ型、他方をＦ型、或いはヘンテナフォーク型とすることもできる。また、無給電素子は、上記実施例のように、２本でなくても、給電素子の左右一方に１本配した構成とすることもできる。その場合も、無給電素子が、導波器、反射器へと特性変更されることにより、指向性が変化できる。さらに、無給電素子は、３本以上設けて実施できることは言うまでもない。

また、上記アンテナ構造体をテレビ受像機に取り付けるに際しては、図１のように、筐体背面に取り付ける構成に限らず、側面でも構わない。要は水平偏波の電波を受信できるように、配置されていれば足りる。

受像機等の筐体や金属板に接近して配置できる嵩張らない形態のアンテナであって、かつ、指向性の可変なアンテナ構造体である。

図１は、アンテナ構造体が適用された例を示す図である。 図２は、実施の形態１のアンテナ構造体を示す図である。 図３は、図２の１変形例を示す図である。 図４は、図２のアンテナ構造体の利点を説明する図である。 図５は、実施の形態１の他の変形例を示す図である。 図６は、実施の形態１のさらに他の変形例を示す図である。 図７（a）（b）（c）は、それぞれ実施の形態１の変形例を示す図である。 図８は、実施の形態２のアンテナ構造体を示す図である。 図９は、実施の形態２の１変形例を示す図である。 図１０は、実施の形態２の他の変形例を示す図である。 図１１は、実施の形態３のアンテナ構造体を示す図である。

符号の説明

１ テレビ受像機
２ アンテナ構造体
２１、４１ 地板
２２、４２、５２、６２ 給電素子
２２a、４２a 長尺状導体部分
２２b 第１の導体部分
２２c 第２の導体部分
２３、２４、４３、４４、５３、５４、６３、６４ 無給電素子
２３a、２４a 長尺状導体部分
２３b、２４b 第１の導体部分
２３c、２４c 第２の導体部分
２５ 同軸ケーブル
２６、２７ 制御信号線
２８ 給電点
２９、３０ 可変リアクタンス素子
３１、３２ バイパスコンデンサ
３３、３６ 金属板
３３a、b 耳部

Claims (2)

1. 給電素子と少なくとも１本の無給電素子とが所定の間隔をおいて配置され、無給電素子は、可変リアクタンス素子を含み、電気長が変更できる構成とされていると共に
   前記給電素子、無給電素子が、１の短尺導体の両端から、長尺導体を起立方向に延出させたヘンテナフォーク型をし、給電素子には、短尺導体に平行に、２本の長尺導体にまたがって、給電点が接続され、無給電素子には、短尺導体に可変リアクタンス素子が挿入されていること
   を特徴とするアンテナ構造体。
2. 請求項１に記載のアンテナ構造体を筐体背面に配しなるテレビ受像機。

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