JP4719404B2 - 短縮ダイポール及びモノポール・ループ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイポール・ループ（折り返しダイポール）又はモノポール・ループに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイポール・ループ又は折り返しダイポールは、２つの互いに近接させたλ／２ダイポールからなり、これらは両端が互いに接続されているが、給電は一方に対してだけ行われる。これらのダイポール上においては、同一の電流方向が設定される。いずれのダイポールもそれぞれの動作において互いをサポートする。厚さの異なる２つのダイポールを使用することによって、トランス効果を介して入力インピーダンスに影響を与えることができる。導体平面上の１／２のダイポール・ループとして解釈することができる、いわゆるモノポール・ループは、同様に近接させて配置される、上端が互いに接続され、λ／４長ダイポールからなり、これも同じ原理で作用する。導体平面上のこの種のダイポール・ループ又はモノポール・ループは、各種実施態様における短波ならびに超短波域の送信及び受信用の空中線に使用されている。
【０００３】
無線運用は、アマチュア及び軍事無線のいわゆるスレッショルド波長域においても行われている。実用的な周波数の下限は約１．５ＭＨｚであり、これは、２００メートルよりわずかに短い波長に対応する。その結果、従来のλ／２空中線は、約１００メートルの長さを有することになり、水平若しくは垂直の空中線手段としてのその実装は、物理的にきわめて支出の大きなものとなる。それらの空中線の理論的な長さに関して、頂冠キャパシタンス及び／又は直列インダクタンス等の適切な手段を使用して、それらの長さを物理的に短くし、かつ関連する効率上の欠点をバランスさせることが知られているが、これらの周知の解決策は、更にかなりの支出を必要とし、特にマルチバンド運用における空中線においてはそれが顕著になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、たとえば動作波長のわずか５〜１０％まで短縮するといった著しい短縮にもかかわらず、１０オームを超える充分に大きな放射抵抗を有し、頂冠キャパシタンスあるいはインダクタンス等のディスクリート変成エレメントの使用を伴うことのないダイポール・ループ（折り返しダイポール）又はモノポール・ループを作り出すことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的は、ダイポール・ループあるいはモノポール・ループについて特許請求の範囲の請求項１及び請求項２にそれぞれ従った方法によって達成される。更に従属請求項には、有利な展開が示されている。
【０００６】
本発明に従ったダイポール又はモノポール・ループは、たとえば、最低動作周波数における動作波長のわずか５〜６％という、きわめて短い長さに短縮することが可能であり、その結果、１．５ＭＨｚの動作周波数用のダイポール・ループの物理的な長さが、わずか１０〜１２メートルの物理的な長さに等しくなる。それにもかかわらず、その放射抵抗は充分に大きく、１０オームを超える。つまり、本発明に従ったこの種のダイポール・ループは、通常のλ／２ダイポールとほぼ同程度に良好な特性を有する。テストから、本発明に従った空中線の放射空中線部分の効率が、整合エレメントの損失ならびに接地損失を除いて、１．８ＭＨｚにおいては５０％を超え、３．６ＭＨｚにおいては８０％を超えることが明らかになっており、言い換えるとこれ関しても、λ／２ダイポールの場合に等しい良好な特性が達成されていることになる。それにもかかわらず、本発明に従ったダイポール又はモノポール・ループは、適切な長さの非放射導体ピースがそれぞれの端部に配置されるだけであることから、非常にシンプルかつコスト効果的に構成することができる。ダイポールにおける、ワイヤを張り出す形式の幾何学的に複雑な頂冠キャパシティあるいは複雑な短縮用コイルの使用が防止される。放射器の短縮を補償するための非放射導体ピースの使用は、この種の導体ピースの損失が小さいことから、同時に特に有利なことでもある。また、本発明に従った構成は、周波数において容易に切り替えが可能なマルチバンド空中線の構成にも特に適している。しかも、本発明に従った垂直ダイポールは、その短い長さによって、比較的低い周波数においても一様な放射エネルギを生成することができる。その点において、近距離場の空中線の電界強度は、下に向かう方が比較的低くなり、その結果、この種の送信空中線を運用するための厳格な規制に従うことも容易である。
【０００７】
本発明に従った原理は、単純な放射型ダイポール及びより複雑な空中線構成の反射器若しくは導波器を伴う通常の周知の形式のダイポール及びモノポール・ループのすべてに適用可能であり、更にはこの種のダイポール又はモノポール・ループを用いて構成される対数周期空中線にも適用可能である。現存する空中線を、わずかな支出で本発明に従った原理を用いて補助若しくは変換することも可能である。非放射導体ピースに割り当てられる切り替えデバイスは、容易にリモート・コントロールが可能であることから、複数のダイポール・ループからなる空中線を最適放射抵抗に調整することが可能なだけでなく、最適反射係数若しくは指向性ファクタに調整することも可能である。
【０００８】
以下、図面を参照し、例示の実施態様を使用して本発明を詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、水平放射器として動作する本発明に従ったダイポール・ループを略図的に示している。これは、その長さが理論的な長さのλ／２に比べると著しく短縮された２つの平行ダイポール放射器１及び２からなり、それらは、λ／２０より短い距離を間に置いて互いに平行に配置され、それらのうちの一方のダイポール放射器１に対してだけ、その中央から給電される。これら２つのダイポール放射器１、２の物理的な長さＬは、たとえば動作波長λのわずか６％しかなく、スレッショルド波長域の下側スレッショルド周波数である１．５ＭＨｚの場合であれば、これは、物理的な長さがわずかにＬ＝１２メートルしかないことを意味する。これらのダイポール放射器１、２の両端には、それぞれに非放射導体ピースが接続されており、そのそれぞれは、図のダイポールの右側端部に示されるような平行ワイヤ・オーバーヘッド・ライン３若しくは図のダイポールの左側端部に示されるような非対称同軸ケーブル４のいずれかになる。この非放射導体ピース３又は４の長さＬｘは、導体ピースに関連づけされた短縮係数（ライン３又は同軸ケーブル４の誘電体に依存）を考慮し、ダイポール・ループの全体がその理論的な長さであるλ／２に再び達するように選択される。著しく短縮されたダイポール放射器１、２の両端においてこの非放射導体ピースを使用することによって、短縮されていないダイポールに比べると放射抵抗が明確に増加し、したがって好ましくない枠型空中線効果が回避され、その結果、放射空中線部分の著しい短縮にもかかわらず、λ／２ダイポールと同様のほぼ一様な高い効率が達成され、しかもそれは、ソース又はコンシューマのインピーダンスの次元の、問題のない放射抵抗を伴う。
【００１０】
同じ原理を、図２に従って、導体平面７上に配置され、長さが理論的な長さのλ／４に比べると著しく短縮された２つの平行モノポール放射器５及び６からなる、いわゆるモノポール・ループにも適用することができる。これらは、ダイポール・ループの２分の１を表し、それが導体平面７上に反射される。これにおいても、モノポール放射器５、６は、波長に比べて著しく短縮されており、上端に接続された、図２においては同軸ケーブルによって示されている非放射導体ピース８によって電気的な伸張が行われる。
【００１１】
非放射導体ピース３、４及び８は、図５に従ってダイポールの両端若しくは中心に取り付けられる小さいハウジング３０内に物理的に収容することが可能である。この種のダイポール又はモノポール・ループのいずれにおいても、変形の理由から放射器を中空チューブとすることが一般的であるが、放射器の一方を中空チューブとして構成する場合には、その中空チューブの中に、追加の非放射導体ピースを容易に収容させることができる。中空チューブの内側において短絡を必要とするより高い周波数については、中空チューブ内に収容される非放射導体ピースを、追加の延長ラインを介して中空チューブの外側に取り付けられる実際のスイッチング・デバイスに接続するが、この延長ラインは、λ／２若しくはλ、あるいはλの倍数の長さになる。このようにして、たとえば中央ハウジング３０内において実際のスイッチングを行い、その一方では非放射導体ピースを中空チューブ内に取り付けることが可能になる。多くの場合、特にオーバーヘッド・ラインを使用する場合には、非放射導体ピースの追加のシールドが有利となり得る。
【００１２】
図３は、本発明に従った、複数の周波数域の切り替えが可能なダイポール・ループを示している。適切な切り替えデバイスを介して、異なる長さの非放射導体ピースをダイポール・ループの端部に接続することができる。図３に従った例示の実施態様においては、これがリレー・スイッチ１０及び１１によってなされ、これらのスイッチは、この例示の実施態様では２ワイヤのラインとして示されている非放射導体ピースを所定の間隔で切り替える。例示の実施態様においては、この導体ピースが３つの導体ピースから構成され、それぞれがＬ１、Ｌ２及びＬ３の長さを有する。スイッチ１０及び１１がともに図３に図示されたスイッチング・ポジションａにあるとき、ダイポール・ループの放射部分１、２には、導体ピースＬ１だけが接続され、それが動作周波数ｆ１に対応する。スイッチ１０がスイッチング・ポジションｂにあるとき、更に導体ピースＬ２が接続され、動作周波数ｆ２に対応する。最後にスイッチ１１についても、それがスイッチング・ポジションｂにあれば、更に導体ピースＬ３が接続され、最低動作周波数ｆ３に対応する。
【００１３】
図４は、この種の空中線の周波数切り替えに関する別の可能性を示している。例示したこの実施態様においては、リレー・スイッチがフィルタ回路１３及び１４に置き換えられており、そのそれぞれは、直列共振回路及び２つの並列共振回路からなり、対応する動作周波数ｆ１及びｆ２に同調されている。このようにして、切り替えを必要とすることなく、この種の空中線の自動マルチバンド動作が可能になる。
【００１４】
リレー・スイッチを伴う図３に従った構成は、１００ワットを超える高出力の送信空中線に適しており、共振回路を伴う図４に従った構成は、１００ワットまでの平均的出力に適している。また、多くの応用においては、機械的スイッチとフィルタ回路を組み合わせることも可能である。
【００１５】
長さの異なる導体ピースＬ１、Ｌ２及びＬ３の２値的な段階変化によって、擬似的な連続調整を達成することが可能になり、それにおいては、たとえば第１の導体ピースＬ１に２^０＝１単位の長さを選択し、第２の導体ピースＬ２に２^１＝２単位の長さを選択し、第３の導体ピースＬ３に２^２＝４単位の長さを選択すれば、可能性のあるすべての長さをセットすることが可能になる。この点に関して言えば、調整ステップ幅をＶＳＷＲ（電圧定在波比）帯域幅に関連づけすること、言い換えると、たとえば２より小さいＶＳＷＲに関するスレッショルド波長域において、５０〜１００ｋＨｚのステップ幅を選択することが有利である。多くの応用においては、帯域に応じて切り替えられる導体ピース及び疑似的に連続して切り替えられる導体ピースの組み合わせが有利となり得る。
【００１６】
通常は非常に低いオーム値となる空中線の実際の放射抵抗と、ソース又はコンシューマのインピーダンスをより良好に整合させるために、図１に従ったダイポール・ループの給電部分１又は図２に従ったモノポール・ループの給電部分５を、複数の並列放射器から構成すると有利であり、それによってリレー・スイッチ・マトリクスの補助の下に、広い範囲にわたって変成比を離散的なステップで変化させ、ソース又はコンシューマに対して整合させることができるように切り替えを行うことが可能になる。つまり、たとえば、その種の並列放射器を３つ使用する場合には、適切なスイッチングによって、１：４から、１：９を途中に置いて、１：１６までの間において変成比を切り替えることができる。
【００１７】
市販されている空中線整合デバイスを使用し、給電ポイントにおいて、本発明に従ったダイポール・ループと、送信機又は受信機に至る給電ケーブルを整合させることができる。マルチバンド動作の場合には特に、図５に従ったアダプタ回路を使用すると有利であることが確認されており、この回路は、カスケードに切り替えられる２つの１：４のトランスミッタ（transmitter）２０、２１からなり、それらのタップは、それぞれ直列共振回路２２〜２５を介してダイポール・ループの給電ポイント２６、２７に接続されている。これらの直列共振回路２２〜２５の標準共振周波数は、それぞれの場合において、ダイポール・ループの切り替えが可能なユーザ帯域の中心周波数に対応されている。トランスミッタ（transmitter）２０、２１は、平衡トランスミッタ（transmitter）２８（バラン）を介して給電ケーブル２９に接続される。トランスミッタ（transmitter）のそれぞれのタップにおけるインピーダンスは、放射抵抗の実数部に対応するように選択される。直列共振回路２２を介してダイポールに接続される第１のタップについては、この実数部が、たとえば１２．５オームになり、第２のタップについては５０オーム、第３のタップについては１００オーム、２つのトランスミッタ（transmitter）のカスケード全体については２００オームになる。空中線のインピーダンスの虚数部は、直列回路２２〜２５のわずかな離調によって補償される。このようにして、２より小さい望ましいＶＳＷＲが維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるダイポール・ループを示した概略図である。
【図２】 本発明によるモノポール・ループを示した概略図である。
【図３】 本発明によるリレー・スイッチによって周波数域の切り替えが行われるダイポール・ループを示した概略図である。
【図４】 本発明によるフィルタ回路によって周波数域の自動選択が行われるダイポール・ループを示した概略図である。
【図５】 本発明によるアダプタ回路によって整合が行われるダイポール・ループを示した概略図である。
【符号の説明】
１，２ ダイポール放射器
３，４，８ 非放射導体ピース
５，６ モノポール放射器
７ 導体平面
８ 非放射導体ピース
１０，１１ リレー・スイッチ
１３，１４ 中間切り替えフィルタ回路
２０，２１ トランスミッタ
２２〜２５ 直列共振回路
２６，２７ 給電ポイント
２９ 給電ケーブル
３０ ハウジング

Claims (16)

1. 理論的な長さ（λ／２）に比較すると著しく短縮された２つのダイポール放射器（１，２）を伴うダイポール・ループ装置であって、前記ダイポール放射器（１，２）の長さ（Ｌ）が、それぞれの場合において、最低動作周波数の波長（λ）のわずか５〜１０％、好ましくは、わずか６％として選択され、前記２つのダイポール放射器は、それぞれの両端において非放射導体ピース（３，４）によって電気的な伸張が行われるダイポール・ループ装置。
2. 理論的な長さ（λ／４）に比較すると著しく短縮された２つのモノポール放射器（５，６）を伴う導体平面上のモノポール・ループ装置であって、前記モノポール放射器（５，６）の長さ（Ｌ）が、それぞれの場合において、最低動作周波数の波長（λ）のわずか５〜１０％、好ましくは、わずか６％として選択され、導体平面（７）から離れる側のそれぞれの端部において非放射導体ピース（８）によって電気的な伸張が行われるモノポール放射器を伴う導体平面上のモノポール・ループ装置。
3. 前記非放射導体ピース（３，４，８）が、電磁シールド内に収容されることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記非放射導体ピースが、端部が短絡される平行ワイヤ・ライン（３）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記非放射導体ピースが、端部が短絡される同軸ケーブル（４，８）であり、その内側の導体が前記ダイポール又はモノポール放射器の一方（１又は５）に接続され、その外側の導体が他方の放射器（２又は６）に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
6. 前記非放射導体ピース（３，４，８）が、２ないしはそれを超える数の異なる長さ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）にわたって長さの切り替えが可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. 前記長さの切り替えが、前記非放射導体ピースに割り当てられるリレー・スイッチ（１０，１１）によってなされることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記長さの切り替えが、異なる共振周波数に同調された中間切り替えフィルタ回路（１３，１４）によってなされることを特徴とする請求項６又は７記載の装置。
9. 異なる長さの前記非放射導体ピース（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の長さに、２値的な段階変化が設定されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の装置。
10. 前記非放射導体ピースの同調ステップ幅が、空中線の、所望の電圧定在波比の帯域幅に対応させて選択されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の装置。
11. 前記装置の配列は、送信及び／又は受信用の空中線、反射器又は導波器として使用されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置。
12. 長さ切り替えデバイスが、前記ダイポール放射器（１，２）又は前記モノポール放射器（５，６）に取り付けられるハウジング（３０）内に組み込まれることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置。
13. 少なくとも１つのダイポール又はモノポール放射器が、中空チューブとして構成され、前記非放射導体ピースが前記中空チューブ内に収容されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記中空チューブ内に収容される前記非放射導体ピースが、λ／２又はｎ×λの長さの延長ラインを介して前記長さ切り替えデバイスに接続されることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. それぞれの場合において、連続するユーザ帯域に対応させて共振周波数が選択された直列共振回路（２２〜２５）を介してダイポール又はモノポールの接続部（２６，２７）に接続される複数のタップを有し、更にそれぞれの場合において作用するダイポール又はモノポールのインピーダンスの虚数部が補償されるように寸法設定されるトランスミッタ（transmitter）（２０，２１）を伴うアダプタ回路を備えることを特徴とする請求項６乃至１４のいずれかに記載の装置。
16. 給電される前記ダイポール又はモノポール放射器（１）又は（５）が、複数の並列放射器からなり、給電ポイントにおいて、これらの並列放射器に割り当てられた切り替えデバイスを介して変成比が切り替え可能であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。

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