JP4521567B2 - ダイポールアンテナ及びこれを用いたアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイポールアンテナ及びこれを用いたアンテナ装置に関するものである。

４分の１波長の距離で離間された電波反射体を持つダイポールアンテナは、広い放射パターンを持った低プロファイル・アンテナとして広く使用されている。特に、離間距離が１０分の１波長未満の低プロファイル・アンテナは、超低プロファイル・ダイポール（ULPD）と呼ばれることがあり、これは、宇宙船や飛行機などの多くの目的に適している。

低プロファイルアンテナは、小型、軽量、製造の容易さ、低コストなどの多くの利点を有している。

しかしながら、従来の低プロファイル・アンテナでは、２本の給電ケーブルを用いているために（下記非特許文献１参照）、給電構造が複雑で設置スペースを要していた。
Arpa Thumvichit, Yukio Kamata, Tadashi Takano, Kousuke Kawahara and Akira Sugawara, "Radiation Characteristics of a Horizontal Dipole Antenna Near a Conductor Plane", General Conference of IEICE, B-1-157, Sept., 2003

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、給電構造が簡易で設置スペースを小さくできるダイポールアンテナを提供することを目的としている。

本発明の他の目的は、インピーダンス整合が容易なダイポールアンテナを提供することである。

請求項１記載のダイポールアンテナは、電波反射体と、同軸給電線と、線状導体とを備えている。前記同軸給電線は、前記電波反射体の裏面側から表面側に貫通させられている。前記同軸給電線は、前記電波反射体の表面側において、ほぼ直角に折り曲げられた折り曲げ部を備えている。前記同軸給電線における、前記折り曲げ部よりも先端側の部分は、前記電波反射体とほぼ平行な平行部となっている。前記同軸給電線における前記平行部の先端近傍における外部導体は除去されている。前記平行部の長さは、ほぼ、（２ｎ−１）（λ／４）となっている。前記線状導体の一端は、前記折り曲げ部に、電気的に接合されている。前記線状導体は、前記電波反射体とほぼ平行に配置されている。前記同軸給電線における平行部と前記線状導体とを合わせた長さは、ほぼ、（２ｎ−１）（λ／２）となっている。

ただし、前記において、
ｎ：適宜に選択される自然数、
λ：使用電波の波長
である。

請求項２に記載のダイポールアンテナは、請求項１に記載のものにおいて、前記平行部の先端近傍における前記外部導体の剥離長（ｘ）により、アンテナとしての入力インピーダンスが調整されているものである。

請求項３に記載のダイポールアンテナは、請求項１又は２に記載のものにおいて、前記電波反射体の表面が屈曲されており、かつ、前記線状導体は、いずれも、屈曲された前記反射体の表面に沿って曲げられているものである。

請求項４に記載のダイポールアンテナは、請求項１又は２に記載のものにおいて、前記電波反射体の表面が曲面となっており、かつ、前記平行部及び前記線状導体は、曲面とされた前記反射体の表面に沿って曲げられているものである。

請求項５に記載のダイポールアンテナは、請求項１〜４に記載のものにおいて、前記電波反射体の表面側に延長された前記同軸給電線の長さにより概ね決まる共振周波数と、前記同軸給電線における前記平行部と前記線状導体との合計の長さにより概ね決まる共振周波数とを、動作周波数としているものである。

請求項６に記載のアンテナ装置は、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナとを備えている。前記第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナとは、いずれも、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構成を備えている。前記電波反射体は、概ね四角錐状に形成されている。前記第１のダイポールアンテナにおける平行部と線状導体とは、前記四角錐状の電波反射体における二つの、反対側に位置する傾斜面にまたがるように配置されている。前記第２のダイポールアンテナにおける平行部と線状導体とは、前記四角錐状の電波反射体における、他の二つの、反対側に位置する傾斜面にまたがるように配置されている。

請求項１記載のダイポールアンテナによれば、給電構造が簡易で設置スペースを小さくでき、さらにインピーダンス整合が容易なダイポールアンテナを提供することが可能となる。

請求項２記載のダイポールアンテナによれば、入力インピーダンスの調整を簡単に行うことができるダイポールアンテナを提供することが可能となる。

請求項３又は４に記載のダイポールアンテナによれば、広い放射パターンを得ることができる。

請求項５記載のダイポールアンテナによれば、二つの共振周波数を動作周波数として利用することができる。

請求項６記載のダイポールアンテナによれば、円偏波の送信又は受信が可能となる。

（第１実施形態の構成）
以下、本発明の第１実施形態を、図１を参照して説明する。

本実施形態に係るダイポールアンテナは、電波反射体１と、同軸給電線２と、線状導体３と主要な構成として備えている。

電波反射体１は、平板状の導体により構成されている。電波反射体１は、通常用いられている物と同様でよいので、詳細な説明は省略する。

同軸給電線２は、電波反射体１の裏面側（図１において下面側）から表面側（図１において上面側）に貫通させられている。同軸給電線２は、電波反射体の表面側において、ほぼ直角に折り曲げられており、この折り曲げ部分が折り曲げ部２１となっている。つまり、同軸給電線は、折り曲げ部２１を備えている。

同軸給電線２における、折り曲げ部２１よりも先端側の部分は、電波反射体１の表面とほぼ平行な平行部２２となっている。この平行部２２の長さｌ_１は、ほぼ、（２ｎ−１）（λ／４）となっている。ただし、ここにおいて、
ｎ：適宜に選択される自然数、
λ：使用電波の波長
である。以降の説明においても同様である。

同軸給電線２における、電波反射体１から折り曲げ部２１までの部分を、本明細書においては基部２３と称する。基部２３は、この実施形態では、電波反射体１からほぼ垂直な方向に延長されている。基部２３の長さｌ２は、λ／４以下とされている。これにより、電波反射体１から折り曲げ部２１までの高さｈはλ／４以下となっている。

同軸給電線２における平行部２２の先端近傍における外部導体は、この実施形態では、除去されている。この除去部の長さｘは、インピーダンス整合の目的に応じて調整される（後述）。

線状導体３は、この実施形態では、低抵抗の金属により構成されているが、導体であれば樹脂であってもよい。線状導体３の一端（図１において右端）は、折り曲げ部２１に、電気的に接合されている。線状導体３は、電波反射体１とほぼ平行に配置されている。さらに、線状導体３は、折り曲げ部２１を挟んで、同軸給電線２の平行部２２とほぼ点対称となっている。

本実施形態では、同軸給電線２における平行部２２と線状導体３とを合わせた長さｌが、ほぼ、（２ｎ−１）（λ／２）となっている。

前記のように構成された本実施形態のアンテナは、電波反射体１の表面側に延長された同軸給電線２の長さにより概ね決まる共振周波数と、同軸給電線２における平行部２２と線状導体３との合計の長さにより概ね決まる共振周波数とを、動作周波数としている（後述）。

（第１実施形態の実験例及び動作）
本実施形態のアンテナの特性を、図２に示す測定システムを用いて計測した。実験条件は以下の通りである。
ｎ＝１（つまりｌ_１＝４分の１波長、ｌ＝２分の１波長）
ｌ_２＝５ｍｍ
線状導体の長さ＝４分の１波長
目標周波数２ＧＨｚ（λ＝１５０ｍｍ）
電波反射体から平行部までの高さｈ＝５ｍｍ
同軸給電線の特性インピーダンス＝５０Ω

このアンテナは、同軸給電線２によって給電される。また、同軸給電線２には、アンテナの特性を測定するためのシンセサイズド・スイーパ５と、Ｓパラメータ・テストセット６と、ネットワーク・アナライザ７とが接続されている。具体的には、次の装置がこれらに用いられている。
シンセサイズド・スイーパ：ＨＰ−８３６４０Ａ
Ｓパラメータ・テストセット：ＨＰ−８５１６Ａ
ネットワーク・アナライザ：ＨＰ−８５１０Ｂ

以下の実験例では、同軸給電線２及び線状導体３の直径を、共に１ｍｍとした例と、共に２ｍｍとした例について説明する。

また、以下においては、順に、インピーダンス整合法、インピーダンス特性、放射パターン及び共振周波数について説明する。

（インピーダンス整合法）
まず、アンテナの共振周波数を調整するために、アンテナ分析用の電磁シミュレーションとモーメント法による積分方程式を展開するIE3Dソフトウエア（www.ie3d.com）を使用することで、アンテナ・モデルを分析する。分析においては、無限の接地面であることと、同軸給電線２の直径＝線状導体３の直径＝２ｍｍを仮定していることに注意する。

最初に、ダイポールの全長をλ／２（λ＝１５０ｍｍ）に保ちながら、給電ポイントの関数として入力インピーダンスを計算する。同軸給電線２の平行部２２における外部導体の長さを変えることで、ダイポールの給電ポイントを移動する。同軸給電線２の外部導体の剥離長さｘは、１〜１０ｍｍの間で変化させた。

結果は、図３に最も細い線で示す。中心周波数とリターン・ロスは、それぞれ実線と点線で示す。入力インピーダンスは、給電ポイントによって大きく影響される。中心周波数は、剥離された長さｘに応じて増加している。共振周波数は、最小のリターン・ロスが得られるときのｘで求められる。x＝6.5 mmとなる場合、共振周波数はｌ＝λ／２（75 mm）のときに1.95 GHzとなる。

共振周波数を目標周波数2 GHzまで増加させるために、ダイポール長ｌを考察する。共振のためのダイポール長は、半波長より短い。線状導体３の長さを短くすることによって、ダイポール長を短くする。lが74 mmまで短くされた場合の結果は、中間の太さの線によって示す。共振周波数は、1.97 GHzまで増加する。多くの異なる長さlを計算すると、共振周波数2 GHzはx＝7 mmでリターン・ロスが-50 dBのときにl＝72.75 mmで得られる。

そのため、このアンテナの入力インピーダンスは、二つのパラメータで制御することが可能である。一つは、同軸ケーブル外部導体の剥離長（x）である。もう1つは、ダイポール長（l）である。実験結果は後述する。

（インピーダンス特性）
本実験例のアンテナのリターン・ロスによるインピーダンス特性は、図２に示すように、ネットワーク・アナライザ７とシンセサイズド・スイーパ５によって測定される。

線状導体３における異なる二つの直径1 mmおよび2 mmについて調べた。その結果をそれぞれ図４と図５に示す。同時に、l＝75 mmの場合についても図４および図５を考察する。その結果は、最も細い線で表す。同軸給電線２の外部導体は、長さx分だけ剥離し、アンテナを給電線に整合させる。共振周波数1.925 GHzと1.935 GHzは、それぞれa＝1 mmと2 mmのときに得ることができることが分かる。両方の場合で、共振周波数は目標周波数2 GHzより低くなる。そのため、共振長は2分の1波長より短い。長さlをいろいろな長さに短くして測定し、目的の周波数で作動するようにアンテナを調整する。

最後に、a＝1 mmおよび2 mm両方の場合で2 GHzの共振長を求める。a＝1 mmのときに、共振長は72.3 mmとなり、図４の太い線によって表される。x＝9 mmのときは、リターン・ロスは-35 dBとなる。それに対し、a＝2 mmのときに、共振長は74.13 mmとなる。x＝9 mmのときは、最小リターン・ロス-27 dBを得た。明らかに、a＝1 mmのときの共振長はa＝2 mmのときの共振長よりも短い。また、lが減少した場合、整合に使用された剥離長xは中心周波数と同じ程度増加する。

（放射パターン）
本実施形態の構成における超低プロファイル・ダイポールアンテナは、直線偏波を放射し、導体面の法線方向で最大放射となる。E面およびH面という二つの面においてパターンを測定する。座標系の取り方は図２に示す。結果は、a＝1 mmと2 mmについてそれぞれ図６および図７に示す。電波反射体（導体面）１の表面側は、-90°から90°までの正対領域となることに注意する。電波反射体の裏側については無視できる。

本実験例では、a＝1 mmのときに0°で7.8 dBiの最大利得を得た。ビーム半値幅は、E面で60°、H面で87°である。a＝2 mmのときに、0°で最大利得9 dBiを得た。ビーム半値幅は、E面で58.5°、H面で87°である。a＝1 mmの場合の利得は、a＝2 mmの利得より約1.2 dB低い。

a＝2 mmの場合の放射パターンについても計算した。その結果を図８に示す。領域は、面が無限として想定されているため、電波反射体１の前面だけを準備する。最大利得9 dBiは0°で発生したことは明らかである。ビーム半値幅は、E面で60°、H面で90°であり、実験結果に非常に一致している。

（共振周波数）
本実験例のアンテナを用いて、共振周波数を調べた。結果を図９に示す。図９において横軸は周波数であり、横軸の中心は２．０ＧＨｚ、両端は２．０±０．５ＧＨｚである。縦軸は反射損失を表し、１目盛り５ｄＢである。この図において、２．０ＧＨｚ（Ｐ点）及び１．７５ＧＨｚ（Ｑ点）の周波数で、アンテナから放射が起こっていることが示されている。

これらの図から分かるように、本実施形態のアンテナでは、線状導体３及び平行部２（合計長さが約λ／２）による共振と、平行部２２及び基部２３（合計長さが約λ／４）による共振とが観察された。したがって、本実施形態のアンテナによれば、二つの動作周波数を持つことが分かる。

本実施形態の超低プロファイル・ダイポール・アンテナのインピーダンス整合は、不平衡給電構造を使用することにより、目標周波数2 GHzで実現される。線状導体３と同軸給電線２を用いることにより、バランを用いずにインピーダンス整合を行うことができ、アンテナ構造を簡略化し、インピーダンス整合の難しさを軽減することができる。前記の実験例で得られた結論は、以下のように要約できる。
(１) 入力インピーダンスは、給電ポイントと線状導体の長さに大きく影響する。
(２) 入力インピーダンスは、二つのパラメータ（平行部２２における外部導体の除去部長さｘとダイポールの長さｌ）によって制御できる。。
(３) a＝1 mmの場合、共振長は72.3 mmである。x＝9 mmのときに最小リターン・ロス-27 dBが得られる。
(４) a＝2 mmの場合、共振長は74.13 mmである。x＝9 mmのときに最小リターン・ロス-27 dBが得られる。
(５) a＝1 mmのときに、0°で最大利得7.8 dBiが得られる。ビーム半値幅はE面で60°、H面で87°である。
(６ a＝2 mmのときに、0°で最大利得9 dBiが得られる。ビーム半値幅はE面で58.5°、H面で87°である。
(７) a＝1 mmの場合の利得は、a＝2 mmの利得より約1.2 dB低い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るアンテナを図１０に基づいて説明する。この実施形態では、電波反射体１の表面が屈曲されている。また、線状導体３は、電波反射体１の表面に沿って折り曲げられている。

本実施形態のアンテナによれば、電波反射体１の表面が屈曲されているために、放射パターンの幅を広げることができるという利点がある。

さらに、本実施形態のアンテナでは、電波反射体１の内部に配置される同軸給電線２は一本でよいので、屈曲された電波反射体１に同軸給電線２を配置する作業が容易となるという利点もある。

本実施形態のアンテナにおける他の構成及び利点は、第１実施形態のアンテナと実質的に同様なので、詳細な説明は省略する。ただし、図１０は、図１とは左右が反転した状態となっている。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るアンテナを図１１に基づいて説明する。この実施形態では、電波反射体１の表面が曲面とされている。また、同軸給電線２の平行部２２及び線状導体３は、電波反射体１の表面に沿って湾曲されている。

本実施形態のアンテナによれば、電波反射体１の表面が曲面とされているために、放射パターンの幅を広げることができるという利点がある。

さらに、本実施形態のアンテナでは、電波反射体１の内部に配置される同軸給電線２は一本でよいので、曲面とされた電波反射体１に同軸給電線２を配置する作業が容易となるという利点もある。

本実施形態のアンテナにおける他の構成及び利点は、第２実施形態のアンテナと実質的に同様なので、詳細な説明は省略する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置を図１２に基づいて説明する。なお、本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付することで説明を簡略化する。

このアンテナ装置は、第１のダイポールアンテナ１００と第２のダイポールアンテナ２００とを備えている。第１のダイポールアンテナ１００と第２のダイポールアンテナ２００とは、いずれも、第２実施形態のアンテナと同様の構成を備えている。

本実施形態における電波反射体１１は、概ね四角錐状に形成されている。電波反射体１１は、四つの傾斜面１１ａ〜１１ｄを備えている。

第１のダイポールアンテナ１００における同軸給電線２の平行部２２と線状導体３とは、四角錐状の電波反射体１１における二つの、反対側に位置する傾斜面１１ａ及び１１ｃにまたがるように配置されている。

第２のダイポールアンテナ２００における同軸給電線２の平行部２２と線状導体３とは、四角錐状の電波反射体１１における、他の二つの、反対側に位置する傾斜面１１ｂ及び１１ｄにまたがるように配置されている。

第４実施形態に係るアンテナ装置によれば、ダイポールアンテナ１００に沿う電界とダイポールアンテナ２００に沿う電界との両者、すなわち、空間的に直交する二つの電波を放射できる利点がある。さらに、二つのダイポールアンテナの給電位相を９０°変えることにより、円偏波の送受信を行うことができるという利点がある。

本実施形態のアンテナ装置における他の構成及び利点は、第２実施形態のアンテナと実質的に同様なので、詳細な説明は省略する。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。

本発明の第１実施形態に係るアンテナの概略的な説明図である。 アンテナの特性を測定するシステムを説明するための説明図である。 本実施形態に係るアンテナの特性を示すグラフである。このグラフにおける横軸は、平行部における外側導体の除去長さ、左側の縦軸は中心周波数（ＧＨｚ）、右側の縦軸はリターン・ロス（ｄＢ）である。 本実施形態に係るアンテナの特性を示すグラフである。このグラフにおける横軸は、平行部における外側導体の除去長さ、左側の縦軸は中心周波数（ＧＨｚ）、右側の縦軸はリターン・ロス（ｄＢ）である。 本実施形態に係るアンテナの特性を示すグラフである。このグラフにおける横軸は、平行部における外側導体の除去長さ、左側の縦軸は中心周波数（ＧＨｚ）、右側の縦軸はリターン・ロス（ｄＢ）である。 本実施形態に係るアンテナの放射パターンを示すグラフである。このグラフにおける横軸は、角度（°）、縦軸は利得（ｄＢｉ）である。 本実施形態に係るアンテナの放射パターンを示すグラフである。このグラフにおける横軸は、角度（°）、縦軸は利得（ｄＢｉ）である。 本実施形態に係るアンテナの放射パターンを示すグラフである。このグラフにおける横軸は、角度（°）、縦軸は利得（ｄＢｉ）である。 本実施形態におけるアンテナの共振周波数の特性を示すグラフである。このグラフにおける横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は反射損失（ｄＢ）である。 本発明の第２実施形態に係るアンテナの概略的な説明図である。 本発明の第３実施形態に係るアンテナの概略的な説明図である。 本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の概略的な説明図である。

符号の説明

１・１１ 電波反射体
１１ａ〜１１ｄ 四角錐状の電波反射体の傾斜面
２ 同軸給電線
２１ 折り曲げ部
２２ 平行部
２３ 基部
３ 線状導体
５ シンセサイズド・スイーパ
６ Ｓパラメータ・テストセット
７ ネットワーク・アナライザ
１００ 第１のダイポールアンテナ
２００ 第２のダイポールアンテナ
ｌ_１ 平行部の長さ
ｌ_２ 基部の長さ
ｌ 平行部及び線状導体を合わせた長さ（ダイポール長さ）
ｘ 平行部における外部導体の除去部の長さ
ｈ 電波反射体から平行部までの高さ

Claims (6)

1. 電波反射体と、同軸給電線と、線状導体とを備えており、
   前記同軸給電線は、前記電波反射体の裏面側から表面側に貫通させられており、
   前記同軸給電線は、前記電波反射体の表面側において、ほぼ直角に折り曲げられた折り曲げ部を備えており、
   前記同軸給電線における、前記折り曲げ部よりも先端側の部分は、前記電波反射体とほぼ平行な平行部となっており、
   前記同軸給電線における前記平行部の先端近傍における外部導体は除去されており、
   前記平行部の長さは、ほぼ、（２ｎ−１）（λ／４）となっており、
   前記線状導体の一端は、前記折り曲げ部に、電気的に接合されており、
   前記線状導体は、前記電波反射体とほぼ平行に配置されており、
   前記同軸給電線における平行部と前記線状導体とを合わせた長さは、ほぼ、（２ｎ−１）（λ／２）となっている
   ことを特徴とするダイポールアンテナ。
   ただし、前記において、
   ｎ：適宜に選択される自然数、
   λ：使用電波の波長
   である。
2. 前記平行部の先端近傍における前記外部導体の剥離長（ｘ）により、アンテナとしての入力インピーダンスが調整されていることを特徴とする、請求項１に記載のダイポールアンテナ。
3. 前記電波反射体の表面が屈曲されており、かつ、前記線状導体は、いずれも、屈曲された前記反射体の表面に沿って曲げられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のダイポールアンテナ。
4. 前記電波反射体の表面が曲面となっており、かつ、前記平行部及び前記線状導体は、曲面とされた前記反射体の表面に沿って曲げられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のダイポールアンテナ。
5. 前記電波反射体の表面側に延長された前記同軸給電線の長さにより概ね決まる共振周波数と、前記同軸給電線における前記平行部と前記線状導体との合計の長さにより概ね決まる共振周波数とを、動作周波数としていることを特徴とする、請求項１〜４に記載のダイポールアンテナ。
6. 第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナとを備え、
   前記第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナとは、いずれも、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構成を備えており、
   前記電波反射体は、概ね四角錐状に形成されており、
   前記第１のダイポールアンテナにおける平行部と線状導体とは、前記四角錐状の電波反射体における二つの、反対側に位置する傾斜面にまたがるように配置されており、
   前記第２のダイポールアンテナにおける平行部と線状導体とは、前記四角錐状の電波反射体における、他の二つの、反対側に位置する傾斜面にまたがるように配置されている、
   ことを特徴とするアンテナ装置。

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