JP4711089B2 - オープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナ - Google Patents

Description

本発明はオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナに関し、より詳細には低周波帯域で動作し小型化が可能であるだけではなく、小型化により入力抵抗が低くなり入力リアクタンスが大きくなることを防止することができるオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナに関する。

近年の移動通信技術の発達に伴い、家庭や会社などの限られた場所でのみ使用可能であった多様なサービスが無線端末機を介して提供されている。
このようなサービスのうち、最近注目されているのがＶＨＦ帯域の放送信号を受信してサービスするＤＭＢ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ）やＤＶＢ−Ｈ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ‐Ｈａｎｄｈｅｌｄｓ）である。

ＤＭＢサービスやＤＶＢ−Ｈサービスは、通信と放送が結合した新概念の移動式マルチメディア放送サービスであって、低周波帯域の放送を無線端末機を介して視聴することができる。
ＤＭＢサービスは、ＤＭＢ機能を有するＤＭＢ専用端末機、ノートＰＣ、携帯電話機用端末機、車両用端末機、ＰＤＡ、ＰＭＰなどの移動性を有する無線端末機を介して提供されるものであって、衛星ＤＭＢサービスと地上波ＤＭＢサービスに分類することができる。韓国の地上波ＤＭＢサービスの場合、１７４〜２１６ＭＨｚの周波数帯域を使用し、衛星ＤＭＢサービスの場合には地上波ＤＭＢより高周波数帯域であるＳ−ｂａｎｄ２.６３０〜２.６５５ＧＨｚ帯域を使用する。

一方、一般にアンテナの長さは、ダイポールアンテナの場合にはλ/２、モノポールアンテナの場合にはλ/４の長さで形成するので、周波数帯域が高いほどアンテナが短くなる一方、周波数帯域が低いほどアンテナの長さが長くなる。すなわち、地上波ＤＭＢサービスは一般放送帯域であるＶＨＦ帯域を使用するため、衛星ＤＭＢを使用する場合よりアンテナの長さが長くならなければならなく、理論上、ＴＶアンテナと同一のサイズが必要である。よって、約３０ｃｍ以上の長さを有するアンテナが必要となるが、もし出力が高ければ更に短い長さに構成することもできる。

しかし、地上波ＤＭＢの場合、その出力が１〜２ｋＷ程度で非常に低い。このように出力が低い理由は、アナログ放送で用いられている周波数間の空き周波数帯域を地上波ＤＭＢの周波数帯域として用いていることから、アナログ方法で使用している隣接するチャネルとの干渉を避けるためである。たとえば、アナログ放送において、７番、９番、１１番のチャネルを使用していると仮定すると、地上波ＤＭＢ放送では、アナログ放送におけるタブーチャネルである８番、１０番、１２番帯のチャネルが割り当てられる。ここで、たとえば、８番のチャネルが割り当てられた地上波ＤＭＢでは、前後に７番のチャネルと９番のチャネルにアナログ放送の周波数帯域があり、出力を上げることで両チャネルとの混信をもたらすおそれがあるため、出力を上げることが困難である。しかし、携帯および移動が簡易であることをその特徴としている無線端末機に設けられるアンテナであるだけに、長さが長いほど使い勝手が悪くなる。

これにより、最近のアンテナ開発メーカは、受信感度を維持しつつ地上波ＤＭＢ専用アンテナの長さを減少することを最大の課題としている。地上波ＤＭＢ用アンテナの長さについて、現時点で１５ｃｍ以下のものによる性能実現が不可能であることが知られている。
一方、ＤＶＢ−Ｈは、ヨーロッパ地域で開発され主に使われるデジタルＴＶ放送規格であるＤＶＢ−Ｔ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ−Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ）を基盤としたサービスであって、携帯電話機や携帯用映像機器などの低電力、移動性、携帯性を考慮して設けられたＤＶＢの一種である。このようなＤＶＢ−Ｈも相対的に低い周波数帯域を使用するだけに、地上波ＤＭＢ用アンテナと同様の問題点を抱えている。

これにより、地上波ＤＭＢサービスやＤＶＢ−Ｈサービスなどで主に使われる低周波帯域の信号を受信するために、小型のアンテナを開発する必要がある。
一方、小型のアンテナは入力抵抗が低くてアンテナの効率が低下し、入力リアクタンスは非常に大きくてアンテナの帯域幅が狭いという短所がある。
大韓民国特許出願公開第２００２−０７９８５３号公報 米国特許第６２２２５０５号明細書 特開２００２−２６１５３８号公報

本発明は前述の問題点を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、低周波帯域で動作でき小型化が可能であるだけではなく、小型化により入力抵抗が低くなってリアクタンスが大きくなることを防止できるようにするオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナを提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の構成は、少なくとも一部領域が螺旋状で形成され、一端にグラウンドと平行に形成されたオープンスタブを有する放射体を含むことを特徴とする。
前記放射体は、所定の間隔を隔てて平行に配置された一対の螺旋体で形成されることができる。

一側の螺旋体の一端には前記オープンスタブが形成され、他側の螺旋体の一端には給電点が形成され、前記一側の螺旋体と他側の螺旋体の他端が連結された構成とすることができる。
前記各螺旋体は、回転方向が同一であることが好ましい。
前記放射体は、螺旋状で形成された第１放射部と、前記第１放射部と並列に形成されたバー形状の第２放射部とを含むことができる。

前記第１放射部と第２放射部のうち一側には給電点が形成され、前記第１放射部と第２放射部のうち他側には前記オープンスタブが形成され、前記第１放射部と第２放射部の前記給電点とオープンスタブに対向される他端は連結される構成とすることができる。
所定の間隔を隔てて配置された一対の螺旋部と、前記各螺旋部の端部から延長され平行に配置されるバー形状の一対のホイップ部を含むように構成できる。

前記各ホイップ部の自由端部は連結され、前記螺旋部のうち一側には前記オープンスタブが形成され、前記螺旋部のうち他側には給電点が形成することができる。
前記オープンスタブは、前記放射体の長手方向の横側に所定の長さで延長されたバー形状で形成することができる。
前記オープンスタブは、前記グラウンドと所定の間隔を隔てて配置されることが好ましい。

前記オープンスタブの外表面には、誘電物質を塗布することができる。
前記放射体の一側に取り付けられ周波数バンドを移動させるマッチング回路を更に含むことができる。
前記螺旋の螺旋平面が、円形、楕円形、四角形、多角形のうちいずれか１つで形成されることができる。

本発明によると、既存のモノポールアンテナに比べ１/４の長さで形成することができるので、アンテナを小型化することができる。更に、入力抵抗を増加することで、入力リアクタンスを減少できるので、アンテナの効率が向上し、周波数の帯域幅を増加することができる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。
図１は、本発明の一実施形態に係るオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナの斜視図である。
本実施形態のヘリカルアンテナは、螺旋状の放射体１０と、放射体１０の一側に結合されたオープンスタブ（Ｏｐｅｎ Ｓｔｕｂ）２０を含む。

放射体１０は、相互に所定の間隔を隔てて平行に配置された第１及び第２螺旋体１０ａ、１０ｂから形成される。第１及び第２螺旋体１０ａ、１０ｂは、回転方向は同様であるが、第１及び第２螺旋体１０ａ、１０ｂの開示点が１８０°異なっていることから、第１螺旋体１０ａと第２螺旋体１０ｂは螺旋の直径分間隔をおいて配置されている。このような第１螺旋体１０ａと第２螺旋体１０ｂの外部に向けた上側端部は相互に連結されている。

第２螺旋体１０ｂの端部には、給電点２５が形成され、第１及び第２螺旋体１０ａ、１０ｂに電流を提供する。
オープンスタブ２０は、一対の螺旋体のうち第１螺旋体１０ａに結合され、第１螺旋体１０ａの長さ方向に対して側方に所定の長さで延長されたバー形状で構成される。
オープンスタブ２０は、グラウンド５と所定の間隔だけ離間して平行に形成され、オープンスタブ２０の外表面には誘電物質が塗布されている。

従来では、同一の長さのモノポールアンテナを螺旋状に巻いてヘリカルアンテナとして製造する場合、螺旋間のカップリングなどによって入力リアクタンスが増加し、入力抵抗が減少することにより、同一の長さのモノポールアンテナよりヘリカルアンテナの効率が低かった。従って、ヘリカルアンテナとして製造する場合、モノポールアンテナよりヘリカルアンテナの長さを長く設計しなければならなかった。しかし、本ヘリカルアンテナの場合、オープンスタブ２０の長さに応じて、またオープンスタブ２０とグラウンド５との距離に応じて入力リアクタンスが変化するため、入力リアクタンスが減少するように設計できる。そして、オープンスタブ２０に塗布された誘電物質は入力抵抗を増加させる。従って、ヘリカルアンテナを製造する際、モノポールアンテナの長さより長く設計する必要がなく、従来のものに比してヘリカルアンテナの高さを低くすることができるので、アンテナの小型化が可能となる。

このようなヘリカルアンテナは、一対の螺旋体１０ａ、１０ｂと、オープンスタブ２０によりその長さを縮小することが可能となり、１０ｃｍ以下まで縮小することができる。このとき、ヘリカルアンテナの長さの一例として８ｃｍのサイズにすることができる。
一方、図１においては第１及び第２螺旋体１０ａ、１０ｂの断面が円形である場合を示しているが、螺旋体の断面を四角形、楕円形、多角形など多様な形状で形成できることは言うまでもない。

このようなヘリカルアンテナは、放射が起こるアンテナモード（Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ Ｍｏｄｅ）と、放射が起こらないトランスミッションモード（Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｍｏｄｅ）との和で解析することができる。
アンテナモードの場合、図１にＩ_ＵとＶＩ_Ｕで示したように、各螺旋体に沿って図の下から上方に向けて電流が流れ、電磁波が放射される。ここで、Ｉ_Ｕとはアンテナモードにおいて給電点２５に連結された第２螺旋体１０ｂを沿って流れる電流であって、Ｉ_Ｕは給電点２５から供給されて流れるようになる。一方、ＶＩ_Ｕはオープンスタブ２０に連結された第１螺旋体１０ａに沿って流れる電流であって、Ｉ_Ｕによって誘導された電流である。ここで、Ｖは電流の振幅率を示す。

このようなアンテナモードにおいては、オープンスタブ２０に流れる電流に対して反対方向に流れるグラウンド５の映像電流により、オープンスタブ２０に流れる電流は放射されない。すなわち、アンテナモードではオープンスタブ２０の役割を無視することができる。これにより、アンテナモードにおいては、図２に示すような等価回路を形成することになり、このとき、アンテナモードでのロードインピーダンス（Ｚ_{ｉｎ_ｕ}）は、Ｚ_{ｉｎ_ｕ}＝ｎ^２Ｚ_ｕになる。ここで、ｎは、螺旋の巻数を示し、アンテナのロードインピーダンス（Ｚ_{ｉｎ_ｕ}）は螺旋体の巻数の２乗だけ増加する。

トランスミッションモードの場合、図１に示すように、給電点２５から供給される電流Ｉ_ｂが、両螺旋体に沿って流れオープンスタブ２０まで到達する。これによって、両螺旋体に沿って図の上下逆方向に同一の電流Ｉ_ｂが流れることになる。このとき、オープンスタブ２０ではグラウンド５との間でキャパシタンスが発生する。すなわち、オープンスタブ２０がキャパシタとして動作するようになる。

これにより、図３に示すように、トランスミッションモードでの等価回路には、キャパシタ（Ｃ）と抵抗（Ｒ）が直列接続されている。ここで、抵抗（Ｒ）は、オープンスタブ２０の表面に塗布した誘電物質によって発生する損失を示す。このようなトランスミッションモードでのインピーダンス（Ｚ_{ｉｎ_ｂ}）は、

で表すことができる。
図４は、アンテナモードとトランスミッションモードの両方を含むアンテナの全体等価回路である。
図４に示すように、アンテナモードの入力インピーダンス（Ｚ_{ｉｎ_ｕ}）と、トランスミッションモードの入力インピーダンス（Ｚ_{ｉｎ_ｂ}）とが並列接続された合計が、本ヘリカルアンテナの入力インピーダンス（Ｚ_ｉｎ）となる。従って、ヘリカルアンテナの入力インピーダンス（Ｚ_ｉｎ）は、オープンスタブ２０によって発生されるキャパシタンスを用いて調節することができる。

図５は、図１のヘリカルアンテナと従来のモノポールアンテナのＳ２１特性を示すグラフである。ここで、本発明のヘリカルアンテナと従来のモノポールアンテナは全部８ｃｍで形成される。
このＳ２１特性グラフは、放射体１０の長さが４０ｃｍであるモノポールアンテナを１８０ｃｍ離間した距離に置き、本発明に係るヘリカルアンテナ及び従来のモノポールアンテナとの伝達係数を測定した結果である。

同図に示すように、本発明のヘリカルアンテナは、ＤＭＢ帯域である１７０〜２４０ＭＨｚ帯域で従来のモノポールアンテナに比べ１０ｄＢ以上高いＳ２１特性を示している。従って、本ヘリカルアンテナは従来のモノポールアンテナに比べ、アンテナとして更に優れた動作をしていることが分かる。
図６は、図１のヘリカルアンテナの他の実施形態に係る斜視図である。

本実施形態のヘリカルアンテナは、図１のヘリカルアンテナとほぼ同様の構造で形成されている。但し、ヘリカルアンテナの動作周波数バンドを移動させるためのマッチング回路３０を更に備える構成である。一般にＤＭＢ放送の各チャネルは６ＭＨｚで形成され、あわせて７個のチャネルを使っている。これにより、各チャネルの周波数幅にヘリカルアンテナの動作周波数をマッチングさせ、チャネルの移動に応じて動作周波数を移動させるためにマッチング回路３０を用いることができる。図６においては、マッチング回路３０をオープンスタブ２０の端部に取り付けているが、放射体１０の何処に接続しても構わない。

図７は、本発明の他の実施形態に係るヘリカルアンテナの斜視図である。
本実施形態のヘリカルアンテナは、放射体１１０が螺旋状の第１放射部１１０ａと、バー形状の第２放射部１１０ｂから形成される。
第１放射部１１０ａは、図１のヘリカルアンテナと同様に一側方向に巻かれた螺旋状で形成され、その端部には給電点１２５が形成されている。第２放射部１１０ｂは、第１放射部１１０ａの側方に位置して上下方向に配置され、その端部にはオープンスタブ１２０が形成されている。そして、第１放射部１１０ａと第２放射部１１０ｂとは、給電点１２５およびオープンスタブ１２０と対向する他側の端部において相互に連結されている。

勿論、本実施形態において、第１放射部１１０ａの端部にオープンスタブ１２０を形成し、第２放射部１１０ｂの端部に給電点１２５を形成できることは言うまでもない。
このようなヘリカルアンテナの一側には、前述した実施形態と同様に、マッチング回路１３０が取り付けられている。
図８は、本発明のさらに他の実施形態に係るヘリカルアンテナの側面図である。

本実施形態のヘリカルアンテナの放射体２１０は、螺旋部２１０ｂとホイップ（Ｗｈｉｐ）部２１０ａを有する。
螺旋部２１０ｂは、図１のヘリカルアンテナと同様に、相互に所定の間隔を隔てて平行に配置された一対で形成され、同一の方向に巻かれた螺旋形状を有している。ここで、一対の螺旋部２１０ｂのうち一側にはオープンスタブ２２０が形成され、他側には給電点２２５が形成される。

ホイップ部２１０ａは、一対で形成され、各ホイップ部２１０ａは各螺旋部２１０ｂの端部から垂直に延長されたバー形状に形成される。各ホイップ部２１０ａは、平行に配置され、その自由端部が連結されている。
一方、図８にはマッチング回路が取り付けられていないが、必要に応じてマッチング回路を取り付けることが可能であることは言うまでもない。

本実施形態のヘリカルアンテナは、ヘリカルアンテナとモノポールアンテナを結合させた形状で、その長さは図１の実施形態に比べ長いが、より安定したアンテナの特性を発揮することができる。
このように、本ヘリカルアンテナは、オープンスタブ２０、１２０、２２０を備えることで、入力インピーダンスと入力リアクタンスを減少させることができ、オープンスタブ２０、１２０、２２０に誘電物質を塗布して入力抵抗を更に増加することができる。

更に、既存のモノポールアンテナに比べ１/４の長さで形成されるので、アンテナを小型化することができる。また、オープンスタブ２０、１２０、２２０の長さと、オープンスタブ２０、１２０、２２０とグラウンド５との間隔を調節して入力インピーダンスを調節することができるので、入力インピーダンスの調節も簡易になる。
以上、本発明の好適な実施形態を図示及び説明してきたが、本発明の技術的範囲は前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に基づいて定められ、特許請求の範囲において請求する本発明の要旨から外れることなく当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば誰もが多様な変形実施が可能であることは勿論のことであり、該変更した技術は特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲に属するものである。

本発明の一実施形態に係るオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナの斜視図である。 図１のヘリカルアンテナのアンテナモードでの等価回路図である。 図１のヘリカルアンテナのトランスミッションモードでの等価回路図である。 図１のヘリカルアンテナの等価回路図である。 図１のヘリカルアンテナと従来のモノポールアンテナのＳ２１特性を示すグラフである。 図１のヘリカルアンテナの他の実施形態に係る斜視図である。 本発明の他の実施形態に係るヘリカルアンテナの斜視図である。 本発明のまた他の実施形態に係るヘリカルアンテナの斜視図である。

符号の説明

５ グラウンド
１０、１１０、２１０ 放射体
１０ａ 第１螺旋体
１０ｂ 第２螺旋体
２０、１２０、２２０ オープンスタブ
２５、１２５、２２５ 給電点
３０、１３０ マッチング回路
１１０ａ 第１放射部
１１０ｂ 第２放射部
２１０ａ ホイップ部
２１０ｂ 螺旋部

Claims (11)

1. 放射体を含む低周波帯域のヘリカルアンテナにおいて、
   前記アンテナの少なくとも一部に形成された螺旋状の螺旋体と、
   前記螺旋体の長さ方向に垂直となるように形成されたオープンスタブと、
   を含み、
   前記螺旋体は、
   前記放射体の長さ減少のためのキャパシタンスを提供するために形成された前記オープンスタブが接続される放射体の一部として直列接続され、
   前記オープンスタブは、
   前記ヘリカルアンテナの入力リアクタンスが前記オープンスタブの長さ及び前記オープンスタブとグラウンドとの間の間隔に従属されるように前記グラウンドに平行に形成されることを特徴とする低周波帯域のヘリカルアンテナ。
2. 前記放射体は、相互に所定の間隔を隔てて平行に配置された一対の螺旋体で形成されることを特徴とする請求項１に記載の低周波帯域のヘリカルアンテナ。
3. 一側の螺旋体の一端には前記オープンスタブが形成され、他側の螺旋体の一端には給電点が形成され、前記一側の螺旋体と他側の螺旋体の他端が相互に連結されたことを特徴とする請求項２に記載の低周波帯域のヘリカルアンテナ。
4. 前記各螺旋体は、回転方向が同一であることを特徴とする請求項２に記載の低周波帯域のヘリカルアンテナ。
5. 前記放射体は、螺旋状で形成された第１放射部と、前記第１放射部に並列に形成されたバー形状の第２放射部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の低周波帯域のヘリカルアンテナ。
6. 前記第１放射部と第２放射部のうち一側には給電点が形成され、前記第１放射部と第２放射部のうち他側には前記オープンスタブが形成され、
   前記第１放射部と第２放射部の前記給電点とオープンスタブに対向する他端は相互に連結されていることを特徴とする請求項５に記載の低周波帯域のヘリカルアンテナ。
7. 所定の間隔を隔てて配置された一対の螺旋部と、前記各螺旋部の端部から延長され平行に配置されるバー形状の一対のホイップ部を含むことを特徴とする請求項１に記載の低周波帯域のヘリカルアンテナ。
8. 前記各ホイップ部の自由端部は連結され、前記螺旋部のうち一側には前記オープンスタブが形成され、前記螺旋部のうち他側には給電点が形成されたことを特徴とする請求項７に記載の低周波帯域のヘリカルアンテナ。
9. 前記オープンスタブの外表面には、誘電物質が塗布されていることを特徴とする請求項１に記載のオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナ。
10. 前記放射体の一側に取り付けられ周波数バンドを移動させるマッチング回路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナ。
11. 前記螺旋の螺旋平面が、円形、楕円形、四角形、多角形のうちいずれか１つで形成されたことを特徴とする請求項１に記載のオープンスタブを有する低周波帯域のヘリカルアンテナ。