JP5470579B2

JP5470579B2 - 広帯域単指向性アンテナ

Info

Publication number: JP5470579B2
Application number: JP2010004911A
Authority: JP
Inventors: 恭一飯草; 博司原田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011146851A

Description

この発明は、八木宇田アンテナと同様に導波器と反射器を備えるが、広帯域に単指向性が得られ、指向性方向を大幅に短縮して低姿勢にした広帯域単指向性アンテナに関している。

一般に、通信あるいは放送受信において、外部擾乱からの影響を抑制するためには、高指向性アンテナが有利である事が知られている。例えば、単指向性アンテナの場合、無指向性のものより利得が向上する。このような利得の向上により、通信範囲の拡大に加え、望まない他システムとの干渉を低減する効果も得ることができる。また、単指向性のアンテナを組み合わせて、複数の方向の領域をカバーすることは容易である。

単指向性アンテナとして種々のアンテナが知られているが、例えばＵＨＦ帯のテレビ放送受信（４７０−７７０ＭＨｚ）では、棒状の素子で構成された八木宇田アンテナがよく使われている。

一般に、八木宇田アンテナでは、その指向性方向に反射素子と給電素子と導波素子を順に備えるため、その指向性方向に長い、という特徴がある。また、上記の４７０−７７０ＭＨｚの周波数帯を１つの八木宇田アンテナでカバーするためには、特別な工夫が必要である。

指向性方向を大幅に短縮した八木宇田アンテナとしては、特許文献１（特願２００８−２６２１７２号明細書）の開示がある。これは、素子間隔を約０．０５波長以下としたもので、反射素子にインダクタに相当する部分を備えることで、整合をとり、かつ指向性を鋭くするようにしたものである。

また、使用に適する周波数帯域を広帯域化したものとして、特許文献２（米国特許第３、３６４、４９１号明細書）には、２つの立体楕円体を用いたダイポールアンテナが開示されている。また、特許文献３（米国特許第４、３７０、６６０号明細書）には、平面状楕円を用いたダイポールアンテナが開示されている。

特許文献１から３を組合わせた場合には、導波素子と反射素子とは類似の形状となるが、本発明では、それらは類似ではないので、これらの特許文献を組合わせても、実現できるものでないことは明らかである。

特願２００８−２６２１７２号明細書米国特許第３、３６４、４９１号明細書米国特許第４、３７０、６６０号明細書

一般に、低姿勢で単指向性のアンテナは設置自由度が高く広範囲に適用できる。つまり、低姿勢なアンテナは装置筐体などに貼り付けるように設置することができ、単指向性であれば、筐体などに貼り付けるように設置しても、アンテナ特性への影響が小さい。さらに、広い分野に利用できるためには、周波数特性に関して広帯域な特性であることが望ましい。

本発明の広帯域単指向性アンテナは、互いに離れて順に並行するそれぞれの面上にある導波素子と給電素子と反射素子とを含み、上記導波素子は、２枚の面状導体を同一面上に所定の距離をおいて配置したものである。特に、上記給電素子は、２枚の面状導体を同一面上に所定の距離をおいて配置し、該２枚の面状導体に平衡給電するものであり、上記反射素子は、２枚の面状導体を同一面上に該面状導体の相対する点を短絡したものである。また、導波素子、給電素子、反射素子の順に並べることで、八木宇田アンテナ類似の構成とする。上記導波素子と反射素子との距離は、上記給電素子に給電する高周波信号波長の１０分の１以下である。

上記導波素子の２枚の面状導体間は、キャパシタで結合されていてもよい。キャパシタとしては、例えば平行平板型のキャパシタである。

また、上記面状導体の形状は、すくなくとも一部の形状が円形または楕円形である。全体が円形または楕円形であっても差し支えない。

上記導波素子と反射素子との中間に給電素子を設けることが望ましい。

上記導波素子と給電素子と反射素子におけるそれぞれの面状導体は、それぞれ同一の平面状導体から形成したものである。例えば、印刷基板を用いて容易に形成することができる。

広帯域に単指向性の得られる低姿勢なアンテナを実現することができる。

本発明の広帯域単指向性アンテナを示す図である。地上デジタルテレビの放送周波数帯域４７０−７１０ＭＨｚをほぼカバーできるように設計した広帯域単指向性アンテナ例を示す図である。導波器にキャパシタを装荷した広帯域単指向性アンテナ例を示す図である。図３の構成で、キャパシタの電気容量が、（ａ）６．９ｐＦの場合と、（ｂ）０ｐＦ（開放）の場合の動作利得Ｇｗ、絶対利得Ｇａ、不整合損（１／Ｍ）の周波数特性を示す図である。図３の広帯域単指向性アンテナ例の寸法を、波長で表現した構成例を示す図である。本発明の広帯域単指向性アンテナと他のアンテナとの利得や帯域の比較を示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

素子間隔を通常の０．２５波長に対して、約５分の１の０．０４９波長に小形化する３素子の八木宇田アンテナにおいて、素子ダイポールを２つの楕円で構成し、導波器は２つの楕円を開放状態にし、反射器は短絡状態にすることにより、動作利得劣化が１ｄＢ以内の比帯域を約２９％に広帯域化することができる。

図１は、高周波信号源５からの高周波信号波長λについて本発明の広帯域単指向性アンテナの構成例を示す図である。この例では、導波器は、０．５３２λの長径と０．８４λの短径をもつ楕円状の導体１Ａと１Ｂを約０．００１λの距離を置いて同一平面上に配置したものである。また、給電素子は、導波器の導体１Ａ、１Ｂと同サイズの楕円形の導体２Ａ、２Ｂを約０．００１λの距離を置いて同一平面上に配置し、導体２Ａ、２Ｂには、平衡給電線４を通じて、高周波信号源５からの高周波信号を印加する。また、反射素子は、導波器の導体１Ａ、１Ｂと同サイズの楕円形の導体３Ａ、３Ｂを一端で短絡するように同一平面上に配置したものである。上記の導波器と給電素子と反射器とは、重なるように、０.０４９λの距離をおいて順に配置する。この広帯域単指向性アンテナの指向方向は、反射器から導波器に向かう方向である。

図２は、ＵＨＦ帯における地上デジタルテレビ放送受信用の広帯域単指向性アンテナの構成例を示す図である。地上デジタルの中心周波数である５９０ＭＨｚの０．１波長である約５ｃｍの奥行きのアンテナにより、周波数４７０−７１０ＭＨｚの比帯域約４１％の帯域で約５ｄＢｉ以上の動作利得を実現する構成が可能である。この場合、アンテナの長さは約４１ｃｍ、幅は２６ｃｍである。

上記の導波器と給電素子と反射器においては、楕円形の導体を用いたが、円形の導体でもよく、また一部が楕円型または円形の導体であってもよい。また、導波器、給電素子、反射器の大きさは全て同じとしたが、異なっても良い。

図３の例では、導波器は、１１４ｍｍの長径と９０ｍｍの短径をもつ楕円状の導体１Ａと１Ｂをキャパシタで結合したものである。また、給電素子は、導波器の導体１Ａ、１Ｂと同サイズの楕円形の導体２Ａ、２Ｂを約０．００１λの距離を置いて同一平面上に配置し、導体２Ａ、２Ｂには、平衡型給電線４を通じて、高周波信号源５からの高周波信号を印加する。導体２Ａ、２Ｂ間の距離は、波長λに比べて十分に小さい値とすることが望ましい。また、反射素子は、導波器の導体１Ａ、１Ｂと同サイズの楕円形の導体３Ａ、３Ｂを一端で短絡するように同一平面上に配置したものである。上記の導波器と給電素子と反射器とは、重なるように、１０．５ｍｍの距離をおいて順に配置する。

図４に、図３の例において電気容量が（ａ）６．９ｐＦの場合と、（ｂ）０ｐＦ（開放）の場合の動作利得Ｇｗ、絶対利得Ｇａ、不整合損（１／Ｍ）の周波数特性を示す。（ａ）電気容量が６．９ｐＦの場合、０．７２ＧＨｚ付近でビームが得られ、動作利得低下が１ｄＢの比帯域が約３．８％になる。特許文献１の構造の場合は約１．５％であるが、これに比べれば広帯域になっている。また、０．７２ＧＨｚでなく、一般の周波数に対する寸法で表した寸法図を図５に示す。導波器に装荷するリアクタ６のリアクタンス値は−３１Ωとなる。一方、（ｂ）の開放した場合は実施例１の図１の構成となり、ビームができる周波数が約１．３５ＧＨｚに高周波数化するが、比帯域は約２９％に広帯域化される。

また、図４（ａ）と（ｂ）との比較から、図３におけるキャパシタ容量を変えて調整することによって、利得の高くなる周波数とその帯域幅を調整することができることが分かる。

上記導波素子と給電素子と反射素子におけるそれぞれの面状導体は、それぞれ同一の平面状導体から形成したものである。これらは、例えば、印刷基板を用いてよく知られた方法で容易に形成することができる。

図６に本発明の広帯域単指向性アンテナと、マイクロストリップアンテナ等の他のアンテナとの利得や帯域の比較を示す。マイクロストリップアンテナは、広帯域となるように、パッチと地板の間に誘電体がなく、間隔を０．０３波長と通常に比べて大きい場合の特性を示している。本発明の広帯域単指向性アンテナは、他のアンテナに比べて、帯域幅が格別に広いことが分かる。

本発明は、上記の様に、広い周波数帯域において単指向性の要求されるアンテナとして利用可能である。比較的低姿勢なので、筐体面に貼り付けるように設置することが可能であり、その場合、単指向性なので、特性の劣化が少ない。例えば、地上デジタル受信用の薄型アンテナとしての利用が考えられる。

１Ａ、１Ｂ導波器用導体
２Ａ、２Ｂ給電素子用導体
３Ａ、３Ｂ反射器用導体
４給電線
５高周波信号源
６リアクタ

Claims

互いに離れて順に並行するそれぞれの面上にある導波素子と給電素子と反射素子とを含み、
上記導波素子は、２枚の面状導体を同一面上に所定の距離をおいて配置したものであり、
上記給電素子は、２枚の面状導体を同一面上に所定の距離をおいて配置し、該２枚の面状導体に平衡給電するものであり、
上記反射素子は、２枚の面状導体を同一面上に該面状導体の相対する点を短絡したものであり、
上記導波素子と反射素子との距離は、上記給電素子に給電する高周波信号波長の１０分の１以下であることを特徴とする広帯域単指向性アンテナ。
上記導波素子の２枚の面状導体間は、キャパシタで結合されていることを特徴とする請求項１に記載の広帯域単指向性アンテナ。
上記面状導体の形状は、すくなくとも一部の形状が円形または楕円形であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の広帯域単指向性アンテナ。
上記導波素子と給電素子と反射素子におけるそれぞれの面状導体は、それぞれ同一の平面状導体から形成したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の広帯域単指向性アンテナ。