JP4910198B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明はアンテナ装置に関し、特に、モノポールアンテナを備えたアンテナ装置に関する。

従来より、垂直偏波を受信または送信するための無指向性のアンテナ装置としてモノポールアンテナが知られている。このモノポールアンテナは、電波の波長の４分の１の長さの円柱導体を接地板上に立設したものである（たとえば、非特許文献１参照）。
アンテナ工学ハンドブック、５０頁、電子情報通信学会編、オーム社発行

しかし、従来のモノポールアンテナでは、その寸法により受信または送信可能な電波の周波数帯域が決まるので、たとえばＦＭ（Frequency Modulation）放送の電波とＵＨＦ（Ultra High Frequency）テレビ放送の電波を受信または送信するためには、ＦＭ放送用とＵＨＦテレビ放送用の２台のアンテナを設ける必要があり、装置寸法が大きくなるという問題があった。たとえば、ＦＭ帯の７６ＭＨｚの電波を受信または送信するためには約１ｍの高さのアンテナが必要であり、ＵＨＦ帯の４７０ＭＨｚの電波を受信または送信するためには約１５ｃｍの高さのアンテナが必要であった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、２つの周波数帯域の電波を受信または送信することが可能な小型で薄型のアンテナ装置を提供することである。

この発明に係るアンテナ装置は、接地板と、接地板の中央部に立設されたモノポールアンテナと、モノポールアンテナの頂部に設けられた頂部容量体と、頂部容量体に隣接して設けられたアンテナ素子と、頂部容量体と接地板の間に接続され、第１の共振周波数の電流を流し、第１の共振周波数よりも低い第２の共振周波数の電流を遮断するコンデンサと、頂部容量体とアンテナ素子との間に接続され、第１の共振周波数の電流を遮断し、第２の共振周波数の電流を流すコイルとを備えたものである。ここで、接地板、モノポールアンテナ、頂部容量体、およびコンデンサは第１の共振周波数を有する第１のアンテナを構成し、接地板、モノポールアンテナ、頂部容量体、アンテナ素子、およびコイルは第２の共振周波数を有する第２のアンテナを構成することを特徴とする。

好ましくは、モノポールアンテナは複数のアンテナ片を含み、各アンテナ片は、基端から先端に向かって幅広になるファン形に形成され、複数のアンテナ片の基端部は接地板の中央部で結合されて給電点を構成し、それらの先端部は上方に向かって開くように配置されて頂部容量体に接続されている。

好ましくは、頂部容量体は十字形に形成されている。
また好ましくは、頂部容量体は多角形状に形成されている。

また好ましくは、アンテナ素子はジグザグ形に形成されている。
また好ましくは、アンテナ素子は円環状に形成されている。

また好ましくは、接地板は円形であり、頂部容量体およびアンテナ素子は、接地板と略同径のプリント基板の導電層で形成されている。

この発明に係るアンテナ装置では、モノポールアンテナに頂部容量体を設けたので、アンテナの頂部に多くの電荷を貯えることができ、アンテナ高さを低くすることができる。また、頂部容量体と接地板の間にコンデンサを接続して第１の共振周波数の電流を流すので、頂部容量体の設置に伴って低下するアンテナの入力抵抗を上昇させることができる。また、接地板、モノポールアンテナ、頂部容量体、およびコンデンサは第１の共振周波数を有する第１のアンテナを構成し、接地板、モノポールアンテナ、頂部容量体、アンテナ素子、およびコイルは第２の共振周波数を有する第２のアンテナを構成するので、２つの周波数帯域の電波を受信または送信することができる。

[実施の形態１]
図１（ａ）は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の要部を示す正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図であり、図１（ｃ）はアンテナ装置の平面図であり、図１（ｄ）はアンテナ装置の寸法を模式的に示す図である。

図１（ａ）〜（ｄ）において、このアンテナ装置は、水平に配置される円形の接地板１を備える。接地板１の直径は、たとえば３５０ｍｍである。接地板１は、たとえば銅薄板で形成される。接地板１の下面の中心部には、下側から同軸ケーブルを接続するためのコネクタ２が固定されている。コネクタ２は、同軸ケーブルの外部導体が接続される外部コンタクト部２ａと、同軸ケーブルの内部導体が接続される内部コンタクト部２ｂとを含む。外部コンタクト部２ａは、接地板１の下面に機械的および電気的に結合されている。内部コンタクト部２ｂの上端部は、接地板１の中心に開けられた貫通孔（図示せず）を介して接地板１の上に突出している。

接地板１の中央部には、モノポールアンテナ３が立設されている。モノポールアンテナ３は、４つのアンテナ片３ａを含む。各アンテナ片３ａは、基端から先端に向かって徐々に幅広になるファン形に形成されている。４つのアンテナ片３ａの基端部は一体に形成されて給電点Ｐを構成し、給電点Ｐは内部コンタクト部２ｂの上端に結合される。上方から見ると、４つのアンテナ片３ａは、給電点Ｐの周りに等角度間隔で配置される。また、横方向から見ると、各アンテナ片３ａは、接地板１に対して斜めに配置され、その先端部は接地板１に平行になるように折り曲げられている。

アンテナ片３ａの高さはたとえば５０ｍｍである。また、対向して配置されている２つのアンテナ片３ａの先端の間隔はたとえば２００ｍｍである。モノポールアンテナ３は、たとえば１枚の銅薄板を加工することにより形成される。このような形状のモノポールアンテナ３を採用することにより、周波数帯域を広げ、かつ高さを低くすることができる。

モノポールアンテナ３の頂部には、円板状のプリント基板４が設けられている。プリント基板４は接地板１に対して平行に配置され、プリント基板４の下面は４つのアンテナ片３ａの先端部に固定される。プリント基板４の直径は、たとえば３５０ｍｍである。

プリント基板４の表面には、図１（ｃ）に示すように、十字形の頂部容量体５が形成されている。頂部容量体５は、プリント基板４の表面の導電層で形成されている。頂部容量体５の中心はプリント基板４の中心に一致し、中心から周縁部に向かって延びる４本の線路５ａはそれぞれ４つのアンテナ片３ａの中心線の真上に配置される。各線路５ａは、たとえばプリント基板４に形成されたスルーホールを介して、その真下にあるアンテナ片３ａの先端部に電気的に結合される。頂部容量体５の中心点から各線路５ａの先端までの距離は、たとえば１６０ｍｍである。モノポールアンテナ３の頂部には、多くの電荷が存在するので、その電荷を蓄積する頂部容量体５を設けることにより、アンテナの高さを低くすることができる。

また、プリント基板４の表面には、４つのアンテナ素子６が形成されている。アンテナ素子６は、プリント基板４の表面の導電層で形成されている。４つのアンテナ素子６は、プリント基板４の外周に沿って、４本の線路５ａの間の領域に配置されている。アンテナ素子６は、プリント基板４表面の中心点から見て約８０度の範囲に、１本の線路６ａをプリント基板４の外周に沿ってジグザグ形に配置したものである。たとえば、アンテナ素子６を構成する線路６ａの幅は６ｍｍであり、折り返した線路６ａの間隔は５ｍｍであり、線路６ａの折り返し回数は４回である。線路６ａの一方端は、隣接する線路５ａの先端の近傍まで延びている。線路６ａの一方端部と線路５ａの先端部との接続方法については後述する。

また、接地板１の上面と各アンテナ片３ａの先端部の下面との間に、棒状の導電部材７が設けられる。導電部材７の下端は、接地板１の表面に固定され、その先端は絶縁部材（図示せず）を介してアンテナ片３ａとプリント基板４を支持している。導電部材７は、たとえば長さが５０ｍｍの銅棒で形成される。導電部材７と頂部容量体５を電気的に結合する方法については後述する。頂部容量体５を設けると、アンテナ装置の入力抵抗値が小さくなるが、導電部材７を設けることにより、入力抵抗値を高めることができる。複数の導電部材７を設けることにより、アンテナ装置の入力抵抗値を所望の値に設定することができる。

図２はアンテナ装置の要部と電気回路部を示す図であり、図３はアンテナ装置全体の等価回路図である。図２および図３において、アンテナ装置は、図１（ａ）〜（ｄ）で示した構成に加え、各導電部材７に対応して設けられたコンデンサ８と、各アンテナ素子６に対応して設けられたコイル９とを備える。コンデンサ８は、対応する導電部材７の先端部とアンテナ片３ａとの間に接続される。コイル９は、対応するアンテナ素子６の線路６ａ一方端部と頂部容量体５の線路５ａの先端部との間に接続される。

このアンテナ装置は、ＦＭ放送およびＵＨＦテレビ放送の電波の受信または再送信を行なうために使用される。このため、コンデンサ８の容量値は、ＵＨＦテレビ放送の周波数の電流を流し、ＦＭ放送の周波数の電流を遮断する値（たとえば１３ｐＦ）に設定されている。コイル９は、ＵＨＦテレビ放送の周波数の電流を遮断し、ＦＭ放送の周波数の電流を流すように形成されている。コイル９は、たとえば、線径が０．９ｍｍの銅線を、直径が６ｍｍになるように１０回巻き回したものである。

したがって、ＦＭ放送の電波に対しては、接地板１、モノポールアンテナ３、頂部容量体５、４つのコイル９、および４つのアンテナ素子６が１つのアンテナを構成し、ＵＨＦテレビ放送の電波に対しては、接地板１、モノポールアンテナ３、頂部容量体５、４つのコンデンサ８、および４つの導電部材７がもう１つのアンテナを構成する。

図４（ａ）（ｂ）はアンテナ装置の利得およびＶＳＷＲのＦＭ帯における周波数特性を示す図であり、図５（ａ）（ｂ）はアンテナ装置の利得およびＶＳＷＲのＵＨＦ帯における周波数特性を示す図である。これらの図４（ａ）（ｂ）および図５（ａ）（ｂ）から、このアンテナ装置は、ＦＭ帯およびＵＨＦ帯の両方において十分に実用的な利得と十分に実用的なＶＳＷＲを有することが分かる。また、図６（ａ）（ｂ）は、このアンテナ装置のＦＭ帯（７６ＭＨｚ）とＵＨＦ帯（４７０ＭＨｚ）における指向性を示す図である。図６（ａ）（ｂ）から、このアンテナ装置はＦＭ帯およびＵＨＦ帯の両方において良好な無指向性を示すことが分かる。

図７は、このアンテナ装置の使用方法を例示する図である。図７において、このアンテナ装置は、再送信アンテナ１０として使用される。再送信アンテナ１０は、地下街１１の天井に所定の間隔で設置される。ＦＭ放送およびＵＨＦテレビ放送の電波は、屋外に設置された受信アンテナ１２で受信され、電気／光変換器（Ｅ／Ｏ）１３で光信号に変換される。この光信号は、光ファイバ１４を介して光／電気変換器１５に伝達され、電気信号に変換される。この電気信号は、電力増幅器（Ｐ／Ａ）１６で増幅され、同軸ケーブル１７を介して再送信アンテナ１０に供給され、地下街１１内に送信される。これにより、地下街１１内でも、ＦＭ放送およびＵＨＦテレビ放送を視聴することができる。また、再送信アンテナ１０は小型で薄型であるので、地下街１１の天井に容易に設置することができ、美観を損ねることもない。

また、このアンテナ装置は、ＦＭ放送とＵＨＦ放送の両方を受信する屋外アンテナまたは室内アンテナとして使用することも可能である。従来の室内アンテナでは、ＦＭ放送やＶＨＦ放送を受信するためのロッドアンテナが本体から突出していたが、このアンテナ装置では突出物は無いので、設置スペースが小さくて済む。

なお、この実施の形態１では、頂部容量体５およびアンテナ素子６をプリント基板４の表面側に設けたが、それらをプリント基板２の裏面側に設けてもよい。また、頂部容量体５およびアンテナ素子６をプリント基板４の導電層で形成したが、それらを板金で形成してもよい。

また、この実施の形態１では、同じ４つのアンテナ素子６を設けたが、異なるｎ個（ただし、ｎは２以上の整数である）のアンテナ素子を設けてもよい。この場合は、（ｎ＋１）個の共振周波数を有するアンテナ装置を構成することができる。

[実施の形態２]
また、図８は、この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の要部を示す図であって、図１（ｃ）と対比される図であり、図９は、このアンテナ装置の等価回路図であって、図３と対比される図である。図８および図９において、このアンテナ装置が実施の形態１のアンテナ装置と異なる点は、十字形の頂部容量体５が八角形状の頂部容量体２０で置換され、４つのジグザグ形のアンテナ素子６が１つの円環状のアンテナ素子２１で置換されている点である。頂部容量体２０およびアンテナ素子２１は、プリント基板４の導電層で形成されている。

図８において、時計の１２時の位置を０度とすると、４つのアンテナ片３ａは０度から２７０度まで９０度間隔で配置されている。頂部容量体２０の八角形の本体部２０ａの一辺の長さはアンテナ片３ａの先端の幅と同じであり、対向する２辺の間隔は対向する２つのアンテナ片３ａの先端の間隔と同じ２００ｍｍである。また、頂部容量対２０の本体部２０ａの８辺は、それぞれ０度から３１５度までの４５度間隔で配置されている。

本体部２０ａの８辺のうちの０度、９０度、１８０度、および２７０度の４辺の各々の中央部には突起部２０ｂが設けられている。突起部２０ｂは、たとえば１０×１０ｍｍの正方形状に形成されている。各アンテナ片３ａの先端部は、たとえばプリント基板４に形成されたスルーホールを介して、その真上にある頂部容量体２０に電気的に接続されている。

また、アンテナ素子２１は、頂部容量体２０とプリント基板４の外周との間に配置された円環状の本体部２１ａを含む。本体部２１ａの幅はたとえば１０ｍｍであり、その内径はたとえば２８０ｍｍである。本体部２１ａの４５度、１３５度、２２５度、および３１５度の各位置には、負荷容量体２１ｂが設けられている。負荷容量体２１ｂは、プリント基板４の外周に沿って配置され、その中央部は本体部２１ａに接続されている。負荷容量体２１ｂの幅はたとえば６ｍｍであり、その長さはたとえば１４０ｍｍである。本体部２１ａの内側の０度と１８０度の各位置には、突起部２１ｃが設けられている。突起部２１ｃは、たとえば１０×１０ｍｍの正方形状に形成されている。０度と１８０度の各位置では、突起部２０ｂと２１ｃが対向して配置されている。対向して配置された突起部２０ｂ、２１ｃ間には、コイル９が接続される。

したがって、ＦＭ放送の電波に対しては、接地板１、モノポールアンテナ３、頂部容量体２０、２つのコイル９、およびアンテナ素子２１が１つのアンテナとして動作し、ＵＨＦテレビ放送の電波に対しては、接地板１、モノポールアンテナ３、頂部容量体２０、４つのコンデンサ８、および４つの導電部材７がもう１つのアンテナとして動作する。この実施の形態２でも、実施の形態１と同じ動作が得られる。

なお、上記実施の形態１，２において、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、モノポールアンテナ３を円錐形のモノポールアンテナ３０で置換してもよいし、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、モノポールアンテナ３を多角錐形（図では８角錐形）のモノポールアンテナ３１で置換してもよい。アンテナ３０，３１の各々の中心線は、接地板１に対して垂直に配置される。アンテナ３０，３１の各々は、頂点部を下にして上方に向かって開くように配置される。アンテナ３０，３１の各々の頂点部は給電点Ｐを構成してコネクタ２の内部コンタクト部２ｂの上端に接続され、その底面周縁部は頂部容量体５，２０に接続される。これらの変更例でも、実施の形態１，２と同じ効果が得られる。

また、図１２（ａ）に示すように、頂部容量体５，２０を円板状の頂部容量体３２で置換してもよいし、図１２（ｂ）に示すように、頂部容量体５，２０を円環状の頂部容量体３３で置換してもよいし、図１２（ｃ）に示すように、頂部容量体５，２０を円板と十字形を重ねた形状の頂部容量体３４で置換してもよい。頂部容量体３２〜３４の各々は、頂部容量体５，２０と同様に、コンデンサ８および導電部材７を介して接地板１に接続される。これらの変更例でも、実施の形態１，２と同じ効果が得られる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の要部を示す図である。 図１に示したアンテナ装置の要部と電気回路部を示す図である。 図１および図２に示したアンテナ装置の等価回路図である。 図１〜図３に示したアンテナ装置の利得およびＶＳＷＲのＦＭ帯における周波数特性を示す図である。 図１〜図３に示したアンテナ装置の利得およびＶＳＷＲのＵＨＦ帯における周波数特性を示す図である。 図１〜図３に示したアンテナ装置の指向性を示す図である。 図１〜図６に示したアンテナ装置の使用方法を例示する図である。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の要部を示す図である。 図８に示したアンテナ装置の等価回路図である。 実施の形態１，２の変更例を示す図である。 実施の形態１，２の他の変更例を示す図である。 実施の形態１，２のさらに他の変更例を示す図である。

符号の説明

１ 接地板、２ コネクタ、２ａ 外部コンタクト部、２ｂ 内部コンタクト部、３，３０，３１ モノポールアンテナ、３ａ アンテナ片、４ プリント基板、５，２０，３２〜３４ 頂部容量体、５ａ，６ａ 線路、６，２１ アンテナ素子、７ 導電部材、Ｐ 給電点、８ コンデンサ、９ コイル、１０ 再送信アンテナ、１１ 地下街、１２ 受信アンテナ、１３ 電気／光変換器、１４ 光ファイバ、１５ 光／電気変換器、１６ 電力増幅器、１７ 同軸ケーブル、２０ａ，２１ａ 本体部、２０ｂ，２１ｃ 突起部、２１ｂ 負荷容量体。

Claims (7)

1. 接地板、
   前記接地板の中央部に立設されたモノポールアンテナ、
   前記モノポールアンテナの頂部に設けられた頂部容量体、
   前記頂部容量体に隣接して設けられたアンテナ素子、
   前記頂部容量体と前記接地板の間に接続され、第１の共振周波数の電流を流し、前記第１の共振周波数よりも低い第２の共振周波数の電流を遮断するコンデンサ、および
   前記頂部容量体と前記アンテナ素子との間に接続され、前記第１の共振周波数の電流を遮断し、前記第２の共振周波数の電流を流すコイルを備え、
   前記接地板、前記モノポールアンテナ、前記頂部容量体、および前記コンデンサは前記第１の共振周波数を有する第１のアンテナを構成し、
   前記接地板、前記モノポールアンテナ、前記頂部容量体、前記アンテナ素子、および前記コイルは前記第２の共振周波数を有する第２のアンテナを構成することを特徴とする、アンテナ装置。
2. 前記モノポールアンテナは複数のアンテナ片を含み、
   各アンテナ片は、基端から先端に向かって幅広になるファン形に形成され、
   前記複数のアンテナ片の基端部は前記接地板の中央部で結合されて給電点を構成し、それらの先端部は上方に向かって開くように配置されて前記頂部容量体に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記頂部容量体は十字形に形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記頂部容量体は多角形状に形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナ素子はジグザグ形に形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記アンテナ素子は円環状に形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 前記接地板は円形であり、
   前記頂部容量体および前記アンテナ素子は、前記接地板と略同径のプリント基板の導電層で形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれかに記載のアンテナ装置。

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