JP5016456B2 - 地上デジタル放送受信用アンテナ及び地上デジタル放送受信用アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、共振周波数を可変とすることにより、地上デジタル放送の広い帯域内において任意の周波数で十分な感度を得て、所望のチャンネルを確実に受信できるようにした地上デジタル放送受信用アンテナと、これを利用した地上デジタル放送受信用アンテナ装置に関するものである。

テレビの地上デジタル放送は、ＵＨＦ帯で４７０〜７７０ＭＨｚと広い帯域を有しているが、一般に受信時にノイズを拾いやすく、Ｃ／Ｎが小さくなりがちであるため、デジタル変調時のビット誤り率の特性が大となり、画像変換が不可能になってしまうことがあった。

すなわち、地上デジタル放送の受信においてはノイズの問題が重要であり、前記広帯域中の所望のチャンネルの周波数において十分良好なＣ／Ｎで信号を受信することが望まれる。良好なＣ／Ｎを得るための一手段として、狭帯域（例えば１０ＭＨｚ程度）のアンテナを用いる方法があるが、アンテナ単体で上述したような地上デジタル放送の４７０〜７７０ＭＨｚという広い帯域をカバーすることは難しい。

現在のところ、地上デジタル放送の受信に供されているアンテナとしては、広帯域である八木アンテナ、ロッドアンテナ、フィルムアンテナ等が知られている。

しかしながら、前述した従来の八木アンテナ等は、前述した通り広帯域での受信が可能ではあるが、受信帯域を広げるほどに利得が低下する傾向があり、地上デジタル放送の広帯域中において、所望のチャンネルの周波数で十分な感度を得ることが困難であるという問題点があった。

また、これらのアンテナは、設置場所にある程度のスペースを必要とし、小型・薄型・軽量を好む近年のユーザー需要に必ずしも適合せず、また一般的に無指向性とされていることから車載用等の移動体における受信に必ずしも適合しないという問題もあった。

そこで、本発明は、地上デジタル放送の広帯域中において、所望のチャンネルの周波数で十分な利得が得られ、ノイズが入りにくく、しかも小型・薄型・軽量で無指向性の地上デジタル放送受信用アンテナと、これを利用した地上デジタル放送受信用アンテナ装置を提供することを目的としている。

また、請求項１に記載された地上デジタル放送受信用アンテナ装置は、
誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に形成され同軸ケーブルの中心導体に給電点を介して接続されるアンテナエレメントと、前記誘電体基板の一方の面に垂直な方向から見て前記アンテナエレメントと一部が重なるように前記誘電体基板の他方の面に形成され同軸ケーブルの外部導体に接続される接地電極と、前記アンテナエレメントと前記接地電極の間に設けられ前記同軸ケーブルの中心導体と外部導体の間に印加された電圧に応じて発生する静電容量により前記アンテナエレメントの容量を変化させる可変容量ダイオードと、前記アンテナエレメントの前記給電点と前記接地電極との間に設けられて直流を除去するキャパシタとを有するアンテナと、
前記アンテナの前記アンテナエレメント及び前記接地電極と同軸ケーブルを介して接続されるバイアス回路と、前記バイアス回路に電圧を与えるスイッチ電源と、チューナーから入力されたチャンネル制御信号に対応する電圧に基づいて前記スイッチ電源を駆動する制御手段とを有する制御回路と、
を具備することを特徴としている。

請求項１に記載の地上デジタル放送受信用アンテナ装置のアンテナによれば、可変容量ダイオードの両端に逆バイアス電圧が加わるように、同軸ケーブルの中心導体と外部導体の間に所要の極性で電圧を加えれば、静電容量が決定される。同軸ケーブルに加える前記電圧を変化させることで前記静電容量は変化し、その結果としてアンテナエレメントを含めたアンテナ全体としての容量が変化し、共振周波数が変化する。

このような可変容量ダイオードを用いた同調方式を採用したことにより、地上デジタル放送の４７０〜７７０ＭＨｚという広い帯域をカバーし、その帯域中の所望のチャンネルの周波数を選択し、当該周波数においてＶＳＷＲ（電圧定在波比）が例えば２以下の特性で良好な受信状態を得ることができる。

また、この地上デジタル放送受信用アンテナ装置のアンテナによれば、誘電体基板の表裏にそれぞれアンテナエレメントと接地電極を設ける構造であり、小型・薄型・軽量を好む近年のユーザー需要に適合したコンパクトな構成とすることが可能である。

また、この地上デジタル放送受信用アンテナ装置のアンテナによれば、無指向性であることから車載用等の移動体通信に極めて適している。

そして請求項１に記載の地上デジタル放送受信用アンテナ装置によれば、以上説明したような作用効果を奏するアンテナを、バイアス回路と、スイッチ電源と、入力されたチャンネル制御信号に対応する電圧でスイッチ電源を駆動する制御手段とを有する制御回路で制御するので、チューナーからチャンネル制御信号を得て制御手段に与えれば、制御手段が有する当該チャンネルに相当する電圧でスイッチ電源を制御できる。このため、前記アンテナにおいて可変容量ダイオードの静電容量を必要な所望の程度に変化させて、アンテナ全体としての共振周波数を当該チャンネルの周波数に正確に同調させることができるので、選択したチャンネルの帯域の電波のみを受信して高感度の画像構成を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態（本例）を図面を参照して具体的に説明する。
（１）第１実施形態（図１）
発明者は、前述した課題を解決する地上デジタル放送受信用アンテナの基本構造について鋭意研究した結果、アンテナエレメントを安定した高さに維持するとともに全体としてコンパクトな形状を実現するために、接地電極とアンテナエレメントの間に基板状の誘電体が挟まれた構造が有効であるとの知見に至った。

そして、さらに実験の結果、誘電体基板に垂直な方向から見て前記アンテナエレメントの全体が前記接地電極に重なる配置関係とすると、種々の条件下での実験において、利得がいずれも−２０ｄＢ以下となり、実用的なレベルが得られず好ましくないとの結果を得た。また、誘電体基板の厚さをある程度高くすることによって利得が改善されるとの結果も得た。

発明者は、これらの実験結果を踏まえて、前述した課題を解決するには、前記誘電体基板の厚さをある程度以上の寸法に設定するとともに、さらに前記誘電体基板に垂直な方向から見て前記アンテナエレメントと前記接地電極が、互いにその一部が重なるような配置とすることが好ましいとの知見を得るに至った。

上記の基本構造を具現したのが、図１に示す第１実施形態（第１例）の地上デジタル放送受信用アンテナ装置１である。この地上デジタル放送受信用アンテナ装置１は、アンテナ２と制御回路３の組合せからなり、そのアンテナ２は薄型矩形状の誘電体基板４を基体としている。なお、第１例では、誘電体基板４はＰＥＴ（ポリエチレンテレフテラート、誘電率は３．４）であり、寸法は一例として縦横２０ｍ×８０ｍｍ、厚さは望ましい利得との関係で一例として２ｍｍとした。

前記誘電体基板４の一方の面（図示表面側）の一方の略半部よりやや大きい範囲において、帯状のアンテナエレメント５が誘電体基板４の縁に沿って略コ字状に形成されている。このアンテナエレメント５の一端部には、同軸ケーブル６の中心導体が給電点７（電圧印加点）を介して接続されており、入力インピーダンスは５０Ωになるように設定されている。また先端部８の長さＬを変えることでアンテナエレメント５自体の固有の共振周波数が適宜に設定されている。図１では、先端部８は、誘電体基板４の長辺の略中央までの長さとなっており、当該長辺部での長さをＬとして表示しているが、設定しようとする共振周波数によって長さは任意であり、例えば同図中に鎖線で示すように該長辺の全長と、これに続く誘電体基板４の他の短辺の全長との合計の長さとしてもよい。

誘電体基板４の他方の面の他方（図示裏面側）の略半部には、例えばＣｕ薄膜からなる接地電極９がべた状に形成されている。前記アンテナエレメント５とこの接地電極９の配置関係は、前述した基本構造の通り、前記誘電体基板４に垂直な方向から見て、前記アンテナエレメント５の一部が接地電極９と重なるようなものとされており、より具体的に説明すれば、アンテナエレメント５の給電点７側と先端部８とが、接地電極９の上に存在するように配置されている。そして、同軸ケーブル６の外部導体が接地電極９に接続されている。

前記アンテナエレメント５と前記接地電極９の間には、前記アンテナエレメント５の容量を変化させる可変容量ダイオード１０が設けられている。この可変容量ダイオード１０は、前記同軸ケーブル６の中心導体と外部導体の間に印加された電圧に応じて発生する静電容量により、アンテナエレメント５の容量を変化させ、アンテナ２の共振周波数を可変とする機能を有している。

次に、アンテナエレメント５の給電点７付近の接地電極９への短絡部には、直流を除去するキャパシタ１１が設けられている。

第１例では、この可変容量ダイオード１０はアンテナエレメント５の給電点７（電圧印加点）付近において接地電極９と並列に接続されており、すなわち、この可変容量ダイオード１０の一端はアンテナエレメント５の給電点７付近に接続され、他端は誘電体基板４を貫通して接地電極９に接続されている。第１例では、可変容量ダイオード１０がアンテナエレメント５に対して並列に接続されているので、直列接続の場合に比べて可変容量ダイオード１０の有する直列抵抗成分Ｒｓが直接影響することが少なく、共振点におけるＶＳＷＲを可及的に低くするために有効である。

また、図示の例では可変容量ダイオード１０は１個であるが、共振点におけるＶＳＷＲをさらに可及的に低くするためには、複数個の可変容量ダイオード１０を接地電極９と並列に接続することにより前記直列抵抗成分Ｒｓを小さくしてもよいし、素子の選択にあたっては前記直列抵抗成分Ｒｓがなるべく小さい可変容量ダイオード１０を選択することが好ましい。

また、第１例では、上述したように可変容量ダイオード１０がアンテナエレメント５に対して並列に接続されているので、周波数調整のためにアンテナエレメント５の全長を設定する際の自由度が高く、例えばアンテナエレメント５の先端部８を短縮したい場合、直列配置では誘電体基板４に垂直な方向から見た配置関係においてエレメント先端の先端部８が接地電極９の領域から離れてしまって可変容量ダイオード１０にバイアスをかけることが困難になるが、第１例のような並列接続であれば問題なくエレメント長を変更・設定できる。

以上のアンテナ２の構成によれば、同軸ケーブル６の中心導体と外部導体の間に電圧を加えれば、可変容量ダイオード１０の両端に逆バイアス電圧が加わり、静電容量が発生する。同軸ケーブル６に加える前記電圧を変化させることで前記静電容量は変化し、その結果としてアンテナエレメント５を含めたアンテナ２全体としての容量が変化し、共振周波数が変化する。

また、この地上デジタル放送受信用アンテナ１は、薄型の誘電体基板４の表裏にそれぞれアンテナエレメント５と接地電極９を設けるコンパクトな構造なので、小型・薄型・軽量を好む近年のユーザー需要に適合し、設置場所の限定も少なく、例えば車載用としても適している。

次に、以上説明したアンテナ２を制御する制御回路３について説明する。この制御回路３は、同軸ケーブル６を介してアンテナエレメント５に加える電圧を変化させることにより、可変容量ダイオード１０に静電容量を発生せしめてアンテナ２全体としての容量を変化させ、受信しようとする所望のチャンネルに適合した共振周波数を設定するための回路である。

制御回路３は、バイアス回路としてのバイアスＴ（図中符号「Ｔ」で示す）を有している。このバイアスＴは、前記アンテナ２のアンテナエレメント５及び接地電極９とチューナー２０とを接続する同軸ケーブル６の中途に設けられており、さらにバイアスＴの電圧入力端には、スイッチ電源（ＳＷ電源）２１から電圧が与えられるように構成されている。このバイアスＴは、スイッチ電源２１からチューナー２０へ直流が流れるのを防止する直流カットフィルターとして機能するとともに、アンテナ２にて受信した電波からの高周波信号が制御回路３のバイアスＴよりも先に入るのを防止する機能を有する。そして、前記スイッチ電源２１は、制御手段としてのマイコン２２（一例として１６ビットマイコン）が出力する電圧によって制御されるように構成されている。

前記マイコン２２は、受信しようとする複数のチャンネルに対応した制御電圧値をメモリに予め記憶しており、前記チューナー２０から与えられるチャンネル制御信号に対応する制御電圧値をメモリから読み出し、この電圧値から生成したＰＷＭ（パルス幅変調、Pulse Width Modulation）方式の制御信号により前記スイッチ電源２１を制御するように構成されている。

以上の地上デジタル放送受信用アンテナ装置１の構成によれば、受信したい所望のチャンネルをチューナー２０にて指定すれば、当該チャンネルに対応するチャンネル制御信号がチューナー２０からマイコン２２に送られ、マイコン２２はこのチャンネル制御信号が指定するチャンネルに相当する電圧値をメモリから読み出し、この電圧値からＰＷＭ方式の制御信号を生成して前記スイッチ電源２１を制御する。

スイッチ電源２１からバイアスＴ及び同軸ケーブル６を介してアンテナ２に所定の電圧が与えられると、前述した通りアンテナ２に接続された可変容量ダイオード１０の静電容量が必要な所望の程度だけ変化し、アンテナ２全体としての共振周波数が当該チャンネルの周波数に正確に設定され、選択したチャンネルの帯域の信号のみが低いノイズレベルでチューナー２０に導かれる。

これによって地上デジタル放送の４７０〜７７０ＭＨｚという広い帯域中で所望のチャンネルの周波数を選択し、当該チャンネルにおいてＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ．（電圧定在波比）が例えば２以下の特性で良好な受信状態を得ることができるので、地上デジタル放送を高品質で視聴することができる。

また、この地上デジタル放送受信用アンテナ２は、実験の結果、特定方向に対する指向性は見られず、全方位から満遍なく受信可能であり、特に前述した外形のコンパクト性と相俟って車載用等の移動体通信に極めて適している。

（２）第２実施形態（図２）
図２は、第２実施形態（第２例）の地上デジタル放送受信用アンテナ装置におけるアンテナ２ａの平面図である。これを制御する制御回路の構成は第１例と同一であるので図示及び説明は省略する。

第２例のアンテナ２ａでは、アンテナエレメント５の容量を変化させるための手段である可変容量ダイオード１０が、アンテナエレメント５の先端部８の先端点（給電点７と反対側の端部）において接地電極９に直列に接続されている。すなわち、この可変容量ダイオード１０の一端はアンテナエレメント５の先端部８に接続され、他端は誘電体基板４を貫通して接地電極９に接続されている。このような接続態様であっても、その他の条件適宜に設定することによって本願の課題を達成する相応の効果を得ることができる。

（３）第３実施形態（図３）
図３は、第３実施形態（第３例）の地上デジタル放送受信用アンテナ装置１ｂの平面図である。そのアンテナ２は第１例のアンテナ２と同一であるので、説明は省略する。

第３例の制御回路３ｂは第１例と同様のバイアスＴを有している。バイアスＴと、アンテナ２及びチューナー２０との接続関係も第１例と同一である。このバイアスＴの電圧入力端は、可変抵抗２５を介して電源端子２６に接続されており、この電源端子２６には外部電源（本例では例えば１２Ｖ）が接続される。

第３例の地上デジタル放送受信用アンテナ装置１の構成によれば、受信したい所望のチャンネルに対応した電圧が出力されるように可変抵抗２５を調整すれば、バイアスＴ及び同軸ケーブル６を介してアンテナ２に所定の電圧が与えられる。これによって、可変容量ダイオード１０の静電容量が必要な所望の程度に変化し、アンテナ２全体としての共振周波数が当該チャンネルの周波数に正確に設定され、選択したチャンネルの帯域の信号のみが低いノイズレベルでチューナー２０に導かれる。これによって本例によっても第１例と同様の作用効果を得ることができる。

以上説明した各実施形態では、アンテナ２，２ａの誘電体基板４は矩形であったが、これに限らず正方形、その他の多角形、円形等であってもよく、またアンテナエレメント５のパターンも矩形の誘電体基板４の縁に沿ったコ字形に限らず、櫛歯状、らせん状、適当な共振周波数が得られる種々のパターンとすることができる。

第１実施形態の地上デジタル放送受信用アンテナ装置の構成図である。 第２実施形態の地上デジタル放送受信用アンテナ装置におけるアンテナ２の平面図である。 第３実施形態の地上デジタル放送受信用アンテナ装置の構成図である。

符号の説明

１…地上デジタル放送受信用アンテナ装置
２，２ａ…アンテナ
３…制御回路
４…誘電体基板
５…アンテナエレメント
６…同軸ケーブル
９…接地電極
１０…可変容量ダイオード
１１…キャパシタ
２０…チューナー
２１…スイッチ電源
２２…制御手段としてのマイコン
２５…可変抵抗
Ｔ…バイアス回路としてのバイアスＴ

Claims (1)

1. 誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に形成され同軸ケーブルの中心導体に給電点を介して接続されるアンテナエレメントと、前記誘電体基板の一方の面に垂直な方向から見て前記アンテナエレメントと一部が重なるように前記誘電体基板の他方の面に形成され同軸ケーブルの外部導体に接続される接地電極と、前記アンテナエレメントと前記接地電極の間に設けられ前記同軸ケーブルの中心導体と外部導体の間に印加された電圧に応じて発生する静電容量により前記アンテナエレメントの容量を変化させる可変容量ダイオードと、前記アンテナエレメントの前記給電点と前記接地電極との間に設けられて直流を除去するキャパシタとを有するアンテナと、
   前記アンテナの前記アンテナエレメント及び前記接地電極と同軸ケーブルを介して接続されるバイアス回路と、前記バイアス回路に電圧を与えるスイッチ電源と、チューナーから入力されたチャンネル制御信号に対応する電圧に基づいて前記スイッチ電源を駆動する制御手段とを有する制御回路と、
   を具備することを特徴とする地上デジタル放送受信用アンテナ装置。

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