JP4980327B2

JP4980327B2 - ２周波共用アンテナ装置

Info

Publication number: JP4980327B2
Application number: JP2008271154A
Authority: JP
Inventors: 静憲藤田; 陸男藤田
Original assignee: Yagi Antenna Co Ltd
Current assignee: Kokusai Denki Electric Inc
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: JP2010103635A

Description

本発明は、垂直偏波の無指向性アンテナの特性を有し、簡易設置型基地局としての無線通信等に使用される２周波共用アンテナ装置に関する。

例えばＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯の電波を使用する簡易設置型基地局を設置する場合、ＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯のアンテナを設置する必要があるが、ＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯でそれぞれ別のアンテナを設置すると時間が掛かり、アンテナの設置場所を選ぶなどの問題がある。このため簡易設置型基地局用のアンテナとしては、従来１つのアンテナでＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯の周波数を共用できる２周波共用アンテナを使用している。

上記ＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯の周波数を共用できる２周波共用アンテナとしては、従来、大地をグランドにしたモノポール形アンテナや地線素子を水平方向に設けた地線付モノポールアンテナ（ブラウンアンテナ）が知られている（例えば、特許文献１参照。）
上記大地をグランドにしたモノポール形アンテナは、図１３に示すようにモノポール形のＵＨＦアンテナ１１及びＶＨＦアンテナ１２を大地１４に対して垂直方向に直線状に配置し、両者間にローディング素子１３を設けている。この場合、下側にＵＨＦアンテナ１１、上側にＶＨＦアンテナ１２を配置し、ＵＨＦアンテナ１１の下部に設けた給電部１５から給電している。上記のように下側にＵＨＦアンテナ１１、上側にＶＨＦアンテナ１２を配置することにより、整合が取りやすく反射損失も少なくなる。

しかし、波長の短いＵＨＦ帯では、ＵＨＦアンテナ１１を下側に設けた場合、上側に設けた場合に比較して見通し距離が短くなり、通信距離が極端に短くなるという問題がある。

また、地線素子を水平方向に設けた地線付モノポールアンテナ（ブラウンアンテナ）は、地線１本の長さが約λ／４（λ：使用周波数の波長）になり、アンテナが大きくなってしまい、簡易設置型基地局で使用する場合、組立て時に横に張り出した地線で怪我をする等の問題がある。

また、本発明に関連する公知技術として、中波帯及び短波帯に使用されるコニカルモノポールアンテナにおいて、支柱の長さを最低使用周波数帯の１／２０波長程度に短くし、ローディング素子、ローディングコイル、地線素子等を付加することにより、広帯域特性を持たせると共に水平ステーを不要にして開設、撤収作業を容易に行えるようにした技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平９−９３０２６号公報実開平５−３６９１６号公報

上記図１３に示した従来のモノポール形アンテナの２周波共用アンテナは、整合及び反射損失の関係から下側にＵＨＦアンテナ１１を配置し、その上側にＶＨＦアンテナ１２を配置しているが、波長の短いＵＨＦ帯では基本的に回折波による電波伝播が行われないので、ＵＨＦアンテナ１１を下側に設けた場合、上側に設けた場合に比較して極端に通信距離が短くなるという問題がある。

また、従来用いられているブラウンアンテナは、約λ／４の長さの地線が使用されるので、アンテナが大型化すると共に、簡易設置型基地局で使用する場合、組立て時に横に張り出した地線で怪我をする等の問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、ＵＨＦ帯における通信距離を長くして広いエリアをカバーできると共に小型化が可能となり、簡易設置型基地局で使用する場合においても安全に組み立てることができる２周波共用アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る２周波共用アンテナ装置は、管状外部導体と中心導体が同軸状に設けられた同軸管と、前記同軸管の上側に設けられ、前記同軸管の中心導体に接続されるＵＨＦアンテナの放射素子と、前記同軸管の上端より斜め下方に放射状に配置される少なくとも３本の第１の地線素子と、前記同軸管に前記第１の地線素子より下方位置に所定の間隔をおいて設けられる該第１の地線素子と略同形の第２の地線素子と、前記第１及び第２の地線素子の上端と前記同軸管の外部導体との間にそれぞれ接続されるコンデンサと、前記同軸管の外部導体を所定の長さに設定して構成されるＶＨＦアンテナの放射素子と、前記同軸管を介してＵＨＦアンテナの放射素子に給電する第１の給電手段と、前記ＶＨＦアンテナの放射素子を構成する前記同軸管の外部導体に給電する第２の給電手段とを具備し、前記ＵＨＦアンテナの放射素子と前記第１及び第２の地線素子により地線付モノポールアンテナを構成することを特徴とする。

本発明によれば、ＶＨＦアンテナの上側にＵＨＦアンテナを配置した場合であっても、２段の地線素子を設けることによって確実に整合でき、広帯域特性とすることができる。また、ＵＨＦアンテナは、ＶＨＦアンテナの上側に配置して高い位置に設けることが可能であるので、ＵＨＦ帯における通信距離を長くして広いエリアをカバーできる。

また、ＶＨＦアンテナは、ＵＨＦアンテナに設けた２段の地線素子が天頂部に装荷した容量素子と同じ効果が得られ、低姿勢化して小型化することができる。従って、アンテナ全体の長さを短くして小型に形成でき、容易に可搬できると共に安全に組み立てることが可能となり、簡易設置型基地局での使用に好適する構成とすることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る２周波共用アンテナ装置の斜視図、図２は同２周波共用アンテナ装置の側面図である。

図１及び図２において、２０は整合器で、金属製の整合器ケース２１を使用しており、該整合器ケース２１は杭２２を介して接地される。上記整合器２０は、整合器ケース２１の側面にＶＨＦ給電用接栓２３及びＵＨＦ給電用接栓２４が設けられると共に他の側面に杭取付金具２５が装着される。杭取付金具２５は、略Ｌ字状に折り曲げて形成され、その折り曲げ先端部が下方を向くように整合器ケース２１の側面に取付けられる。上記ＶＨＦ給電用接栓２３及びＵＨＦ給電用接栓２４は、それぞれ給電用同軸ケーブルを介して無線機（図示せず）に接続される。

一方、杭２２は、簡易設置型基地局を設置する際に地中に挿入されるもので、例えば板状部材が上方から見て略９０度に折り曲げられ、その下部先端が先鋭に形成されている。また、杭２２の一方の側部外側面に略コの字状に折り曲げられた接合金具２６が取付けられる。この接合金具２６の内側に上記整合器２０の整合器ケース２１に設けられた杭取付金具２５が上方から圧入力されて接合され、整合器ケース２１と杭２２が電気的に接続されるようになっている。この場合、接合金具２６は、例えば内側にバネ部材を装着し、整合器ケース２１の杭取付金具２５が挿入された際に圧着して電気的接続が確実に行われるようにしている。

そして、上記整合器ケース２１の上部にＶＨＦアンテナ３０が装着され、このＶＨＦアンテナ３０の上部にＵＨＦアンテナ４０が設けられる。

上記ＵＨＦアンテナ４０に対しては、同軸管３１により給電される。この同軸管３１は、金属パイプを用いた管状の外部導体３２と、この外部導体３２の中心軸に沿って同軸状に設けられる棒状の中心導体３３からなり、この中心導体３３は外部導体３２の上端から上方に長さＬ１だけ突出して設けられ、この突出部分がＵＨＦアンテナ４０の放射素子として用いられる。

また、同軸管３１の外部導体３２は、ＶＨＦアンテナ３０の放射素子として用いられるもので、Ｌ２の長さを有している。上記ＵＨＦアンテナ４０の長さＬ１は約λ_Ｍ／４の長さに設定され、ＶＨＦアンテナ３０の長さＬ２は約λ_Ｌ／８の長さに設定される。上記λ_Ｍは使用するＵＨＦ帯域における中心周波数の波長であり、λ_Ｌは使用するＶＨＦ帯域における下端周波数の波長である。

そして、上記同軸管３１の外部導体３２の上部には、ＵＨＦアンテナ４０の地線素子が２段に設けられる。すなわち外部導体３２の上部に上部絶縁基板４１ａ及び下部絶縁基板４１ｂが約λ_Ｍ／４の間隔Ｌ３を保って設けられ、上部絶縁基板４１ａに複数本例えば少なくとも３本の上部地線素子４２ａ〜４２ｃが等間隔すなわち１２０度の間隔で下方に所定の角度例えば約３０度の角度で放射状に設けられる。上部地線素子４２ａ〜４２ｃは、約λ_Ｍ／４の長さＬ４を有し、その上端は図３に示すように小容量のコンデンサ４３ａ〜４３ｃを介して外部導体３２に接続される。図３は、上部地線素子４２ａ〜４２ｃ（下部地線素子４４ａ〜４４ｃ）と同軸管３１の外部導体３２との接続関係を示す構成図である。

また、下部絶縁基板４１ｂには、長さＬ４の下部地線素子４４ａ〜４４ｃが等間隔で下方に約３０度の角度で放射状に設けられる。上記下部地線素子４４ａ〜４４ｃの上端は、上部地線素子４２ａ〜４２ｃと同様に小容量のコンデンサ４５ａ〜４５ｃを介して外部導体３２に接続される。上記上部地線素子４２ａ〜４２ｃと下部地線素子４４ａ〜４４ｃは、略同形状に形成される。

上記のようにＵＨＦアンテナ４０は、同軸管３１の外部導体３２から上方に突出させた中心導体３３に対し、上部地線素子４２ａ〜４２ｃと下部地線素子４４ａ〜４４ｃを２段に設けてブラウンアンテナを構成している。

また、ＶＨＦアンテナ３０は、同軸管３１の外部導体３２を利用し、地面をグランドにしたモノポールアンテナを構成している。この場合、ＶＨＦアンテナ３０は、ＵＨＦアンテナ４０の上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃが天頂部に装荷した容量素子と同じ効果が得られ、アンテナの低姿勢化を図ることができる。

そして、上記整合器２０の整合器ケース２１内には、図４に示すようにＶＨＦ整合回路５１及びＵＨＦ整合回路５２が設けられる。ＶＨＦ整合回路５１はＶＨＦ帯の信号を通過させるローパスフィルタ（ＬＰＦ）５３を介してＶＨＦ給電用接栓２３に接続され、ＵＨＦ整合回路５２はＵＨＦ帯の信号を通過させるハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５４を介してＵＨＦ給電用接栓２４に接続される。

上記整合器ケース２１の上面には、アンテナを装着するためのアンテナ接合部５６が設けられる。アンテナ接合部５６は、中心導体接続部５７及び外部導体接続部５８からなり、外部導体接続部５８は整合器ケース２１とは絶縁した状態で設けられる。上記ＶＨＦ整合回路５１は、外部導体接続部５８に接続され、ＵＨＦ整合回路５２はコンデンサ６１を介して接続される。また、外部導体接続部５８は、コンデンサ６２を介して整合器ケース２１に接続される。

上記アンテナ接合部５６には、上記同軸管３１が装着される。この場合、同軸管３１の外部導体３２から下方に導出した中心導体３３が中心導体接続部５７に接続され、外部導体３２は外部導体接続部５８に接続される。

すなわち、無線機から整合器２０のＶＨＦ給電用接栓２３に供給されるＶＨＦ帯の信号は、ローパスフィルタ５３、ＶＨＦ整合回路５１、アンテナ接合部５６の外部導体接続部５８を介してＶＨＦアンテナ３０（同軸管３１の外部導体３２）に給電される。また、無線機から整合器２０のＵＨＦ給電用接栓２４に供給されるＵＨＦ帯の信号は、ハイパスフィルタ５４、ＵＨＦ整合回路５２、コンデンサ６１、６２、アンテナ接合部５６（中心導体接続部５７及び外部導体接続部５８）、同軸管３１（中心導体３３及び外部導体３２）を介してＵＨＦアンテナ４０に給電される。

上記実施形態において、ＵＨＦアンテナ４０は、同軸管３１の外部導体３２から上方に突出して設けた中心導体３３が放射素子、外部導体３２の上端部から等間隔で斜め下方に放射状に設けた２段の地線素子（上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃ）によって地線付モノポールアンテナ（ブラウンアンテナ）を構成している。

上記のようにＶＨＦアンテナ３０の上側にＵＨＦアンテナ４０を配置した場合であっても、２段の地線素子、すなわち上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃを設けることによって確実に整合でき、広帯域特性とすることができる。１段の地線素子すなわち上部地線素子４２ａ〜４２ｃを設けることで、ある特定の共振周波数では整合されるが、広帯域特性を実現することは困難である。このため本実施形態は、２段の地線素子を設けてＵＨＦ帯域における広帯域特性を実現している。

地線素子が１段のときは共振周波数から離れれば離れる程、地線素子で電波を反射しきれなくなって放射素子からの放射が減っていき、同軸管３１の外部導体３２を伝わって電源側に戻ってしまう現象が生じる。

しかし、地線素子を２段に設けることで、同軸管３１の外部導体３２を伝わって電源側に戻る電磁波をＵＨＦアンテナの放射素子から再度放射させることができ、広帯域化を図ることができる。

また、ＵＨＦアンテナ４０は、ＶＨＦアンテナ３０の上側、すなわち高い位置に設けることが可能であるので、ＵＨＦ帯における通信距離を長くして広いエリアをカバーできる。

また、通常、ブラウンアンテナは、地線素子の開き角度θが４０度程度で整合されるが、上記実施形態ではアンテナの小型化を図るために上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃの開き角度θを約３０度に設定している。上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃの開き角度θを約３０度に設定しても、問題なく整合することが可能であり、これによりアンテナの小型化を図ることができる。

一方、ＶＨＦアンテナ３０は、同軸管３１の外部導体３２を放射素子とし、杭２２を介して接地することで、地面をグランドにしたモノポールアンテナを構成している。また、ＶＨＦアンテナ３０は、ＵＨＦアンテナ４０の上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃが天頂部に装荷した容量素子と同じ効果が得られ、アンテナを低姿勢化して小型化することができる。従って、上記実施形態に係るＶＨＦアンテナ３０は、通常のλ_Ｌ／４のモノポールアンテナと比較して約半分の長さ約λ_Ｌ／８で構成することができる。

上記実施形態に係る２周波共用アンテナ装置は、全体の長さを短くして小型に形成できるので、容易に可搬できると共に安全に組み立てることができ、簡易設置型基地局での使用に好適する構成とすることができる。

図５は上記実施形態におけるＶＨＦアンテナ３０のＶＳＷＲ特性で、横軸にｆ／ｆｃ（ｆは周波数、ｆｃは中心周波数）をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。

図６は上記実施形態におけるＵＨＦアンテナ４０のＶＳＷＲ特性で、横軸にｆ／ｆｃをとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。

図７及び図８は上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間に設けたコンデンサ４３ａ〜４３ｃ、４５ａ〜４５ｃの効果を比較するために示したＶＳＷＲ特性である。

上記図７は上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間を短絡した場合、すなわち、コンデンサ４３ａ〜４３ｃ、４５ａ〜４５ｃを介在せずに短絡した場合のＶＨＦアンテナ３０のＶＳＷＲ特性で、横軸にｆ／ｆｃをとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間を短絡した場合、高い周波数のＶＳＷＲが悪くなっている。

また、図８は上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間を開放した場合のＵＨＦアンテナ４０のＶＳＷＲ特性で、横軸にｆ／ｆｃをとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間を開放した場合、周波数帯域が非常に狭くなっている。

上記のように上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間を短絡した場合は、ＶＨＦアンテナ３０のＶＳＷＲ特性が悪くなり、上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間を開放した場合は、ＵＨＦアンテナ４０のＶＳＷＲ特性が悪くなる。

このため本実施形態では、上部地線素子４２ａ〜４２ｃ及び下部地線素子４４ａ〜４４ｃと同軸管３１の外部導体３２との間にコンデンサ４３ａ〜４３ｃ、４５ａ〜４５ｃを介在することにより、図５及び図６に示すようにＶＨＦアンテナ３０及びＵＨＦアンテナ４０のＶＳＷＲ特性を改善している。すなわち、ＶＨＦアンテナ３０では図５に示したように高い周波数のＶＳＷＲ特性を改善することができ、ＵＨＦアンテナ４０では図６に示したように広帯域化が可能となり、広い帯域に亘ってＶＳＷＲを３以下に保つことができる。

図９は上記ＶＨＦアンテナ３０のＶＨＦ帯中心周波数における垂直面指向特性を示す図で、８の字の指向性となっている。図１０はＶＨＦアンテナ３０のＶＨＦ帯中心周波数における水平面指向特性を示したもので、無指向性となっている。

図１１はＵＨＦアンテナ４０のＵＨＦ帯中心周波数における垂直面指向特性を示す図で、略８の字の指向性となっている。図１２はＵＨＦアンテナ４０のＵＨＦ帯中心周波数における水平面指向特性を示したもので、無指向性となっている。

なお、上記実施形態では、同軸管３１の中心導体３３を外部導体３２の上端部から上方に所定長さ突出させてＵＨＦアンテナ４０の放射素子を構成した場合について示したが、中心導体３３とは別個にＵＨＦアンテナの放射素子を設けて上記中心導体３３に接続するようにしてもよい。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の一実施形態に係る２周波共用アンテナ装置の斜視図である。同実施形態における２周波共用アンテナ装置の側面図である。同実施形態における２周波共用アンテナ装置の地線素子と同軸管の外部導体との接続関係を示す構成図である。同実施形態における整合器の回路構成及び整合器と同軸管との電気的接続状態を示す図である。同実施形態におけるＶＨＦアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。同実施形態におけるＵＨＦアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。同実施形態において、上部地線素子及び下部地線素子と同軸管の外部導体との間を短絡した場合のＶＨＦアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。同実施形態において、上部地線素子及び下部地線素子と同軸管の外部導体との間を開放した場合のＵＨＦアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。同実施形態において、ＶＨＦアンテナのＶＨＦ帯中心周波数における垂直面指向特性を示す図である。同実施形態において、ＶＨＦアンテナのＶＨＦ帯中心周波数における水平面指向特性を示す図である。同実施形態において、ＵＨＦアンテナのＵＨＦ帯中心周波数における垂直面指向特性を示す図である。同実施形態において、ＵＨＦアンテナのＵＨＦ帯中心周波数における水平面指向特性を示す図である。モノポール形のＵＨＦアンテナ及びＶＨＦアンテナを大地に対して垂直方向に直線状に配置した従来の２周波共用アンテナ装置の構成を示す側面図である。

符号の説明

２０…整合器、２１…整合器ケース、２２…杭、２３…ＶＨＦ給電用接栓、２４…ＵＨＦ給電用接栓、２５…杭取付金具、２６…接合金具、３０…ＶＨＦアンテナ、３１…同軸管、３２…外部導体、３３…中心導体、４０…ＵＨＦアンテナ、４１ａ…上部絶縁基板、４１ｂ…下部絶縁基板、４２ａ〜４２ｃ…上部地線素子、４３ａ〜４３ｃ…コンデンサ、４４ａ〜４４ｃ…下部地線素子、４５ａ〜４５ｃ…コンデンサ、５１…ＶＨＦ整合回路、５２…ＵＨＦ整合回路、５３…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、５４…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、５６…アンテナ接合部、５７…中心導体接続部、５８…外部導体接続部、６１、６２…コンデンサ。

Claims

管状外部導体と中心導体が同軸状に設けられた同軸管と、前記同軸管の上側に設けられ、前記同軸管の中心導体に接続されるＵＨＦアンテナの放射素子と、前記同軸管の上端より斜め下方に放射状に配置される少なくとも３本の第１の地線素子と、前記同軸管に前記第１の地線素子より下方位置に所定の間隔をおいて設けられる該第１の地線素子と略同形の第２の地線素子と、前記第１及び第２の地線素子の上端と前記同軸管の外部導体との間にそれぞれ接続されるコンデンサと、前記同軸管の外部導体を所定の長さに設定して構成されるＶＨＦアンテナの放射素子と、前記同軸管を介してＵＨＦアンテナの放射素子に給電する第１の給電手段と、前記ＶＨＦアンテナの放射素子を構成する前記同軸管の外部導体に給電する第２の給電手段とを具備し、
前記ＵＨＦアンテナの放射素子と前記第１及び第２の地線素子により地線付モノポールアンテナを構成することを特徴とする２周波共用アンテナ装置。