JP5600987B2 - コブラアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ＦＭ帯からＵＨＦ帯の幅広い周波数帯のアンテナとして用いることができ、簡易な構成で実現可能なコブラアンテナに関する。

従来、テレビジョン放送やＦＭ放送等の様々な放送波を受信するアンテナとして、様々な形態のアンテナが用いられている。例えば、テレビジョン放送やＦＭ放送の受信用には、ダイポールアンテナや八木・宇田アンテナ等がよく用いられる。
一方で、これらの様々な放送波を室内や車内、あるいは徒歩での移動中に受信する機会も増えてきており、このような場合に使用するアンテナとしては、組み立てや取り付け等の取り扱いが容易なアンテナが求められている。

このような組み立てや取り扱いが簡単なアンテナの代表としては、アンテナエレメントを単純な構造で実現したダイポールアンテナがある。このダイポールアンテナの一形態として、同軸線をフェライトコアに数回巻きつけて使うコブラアンテナが知られている（例えば非特許文献１）。

図５は、ダイポールアンテナを変形して作製したコブラアンテナの一例を示した図である。図５に示すように、コブラアンテナ１００は、受信される電波の波長をλとして、給電点２００から上側にλ／４の長さの中心導体（芯線）３００が上側エレメントとして接続されている。また、給電点２００から下側に同じくλ／４離れたところに設けたフェライトコア４００が設けられている。そして、このフェライトコア４００に同軸ケーブル（同軸線）５００を巻回している。図５では、同軸ケーブル５００の巻き付け回数（巻回数）は３回であるが、この巻回数は、３回である必要はなく、１回でも２回でも構わない。

このフェライトコア４００への同軸線の巻回数が３回以上になると、フェライトの大きさに拘わらず、１００ＭＨｚ付近からインピーダンスが急激に低下する傾向がある。例えば、巻回数１回の場合、１００ＭＨｚを超えてもアンテナのインピーダンスは増加する傾向にあるが、巻回数が３回の場合は、急激に低下することが報告されている。

図５に示すコブラアンテナでは、フェライトコア３００とこれに巻回する同軸ケーブル５００によりチョークコイルが形成され、フェライトコア４００から下のフィーダ部分が切り離されるため、簡単にλ／４のダイポールアンテナができる。このダイポールアンテナの上側の芯線３００の部分に玉子硝子などを取り付けて絶縁し、これを木の枝や木の枠に吊るすことで、簡単にアンテナの設置をすることが可能となる。また、このように構成したコブラアンテナは、自動車などのモバイル機器のアンテナとすることもできる。

CQ ham radio編集部 編「ワイヤーアンテナ」第１章：アンテナの基礎 84頁

しかしながら、図５に示したコブラアンテナをＦＭ帯からＵＨＦ帯まで幅広い周波数帯のアンテナとして使う場合には、フェライトコア４００から受信機までの同軸ケーブル５００の長さにより、電波の干渉が起こる場合がある。つまり、フェライトコア４００から給電点２００に延びた上側の部分の同軸ケーブル５００で受信する高周波電流が、フェライトコア４００から受信機に接続される下側の同軸ケーブル５００に漏れるという電波干渉の問題が発生する。この高周波電流の漏洩は、フェライトコア４００の上側と下側のインピーダンス不整合によって発生するものと考えられるが、この漏洩により、アンテナとしてのゲイン特性が悪くなってしまうという不都合が起こる。

この高周波電流の漏洩の発生は、フェライトコア４００から受信機につなぐ同軸ケーブル５００の長さに依存するため、この間の同軸ケーブル５００の長さを決める上で、大きな制約になっていた。すなわち、従来のコブラアンテナ１００では、フェライト４００から受信機までの同軸ケーブル５００の長さを自由に決めることができなかった。
この高周波電流の干渉は、コブラアンテナ１００が同軸ケーブル５００の外皮をアンテナとして利用するために起こると考えられる。このため、コブラアンテナ１００を受信機のコネクタにそのまま接続しても、要求される性能が得られないという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ＦＭ帯からＵＨＦ帯の幅広い周波数帯のアンテナとして用いることができるとともに、小型でアンテナの性能が優れ、かつ同軸線の長さの制約を最小限にしたコブラアンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のコブラアンテナは、給電点を構成する中継部が設けられ、この中継部の一の端子に、受信する放送波の周波数に応じた長さを持つアンテナエレメントが電気的に接続される。そして、中継部の他の端子には同軸線が接続され、同軸線が接続された中継部の他の端子からアンテナエレメントと同じ長さだけ離れた位置に、同軸線が１〜３回程度巻回された第１のフェライトコアが配置されている。また、同軸線の他端が接続される受信機器のコネクタの前側に、高周波的に高いインピーダンスを持ち、内部に前記同軸線が貫通または巻回される、前記同軸線からの高周波電流を遮断するための第２のフェライトコアが設けられている。
そして、アンテナエレメントの長さ及び同軸線の中継部からフェライトコアまでの長さは、受信する周波数の波長をλとしたとき、λ／４の長さに構成されている。

また、本発明の好ましい形態としては、中継部の一の端子に接続されるアンテナエレメントは、同軸線の外皮とシールド線を除いた、芯線を含むコア部分から形成されており、この中継部において、アンテナエレメントの芯線が同軸線の芯線と電気的に接続されている。なお、本発明のコブラアンテナは、車に搭載して用いることが好ましい。

本発明のコブラアンテナでは、受信機器のコネクタの前に高周波に対して高いインピーダンスを有する第２のフェライトコアを設けたことにより、同軸線が拾う高周波が受信機器に侵入するのを防ぐことができる。

本発明によれば、アンテナ線以外の部分の同軸線の長さを自由に決めることができるので、アンテナを配置する場合の制約を少なくすることができる。したがって、本発明のコブラアンテナは、繋げる機器とは無関係に、かつ、アンテナの同軸線の長さに関係なく、アンテナとしての性能を十分に発揮することが可能となる。

本発明のコブラアンテナの実施の形態例（Ｂ）を、従来のコブラアンテナ（Ａ）と比較して示した模式図である。 本発明の実施の形態例のコブラアンテナ（Ｂ）と従来のコブラアンテナ（Ａ）の周波数−ゲイン特性を比較して示した図である。 本発明の実施の形態例のコブラアンテナを車載用のアンテナとして取り付けた例を示す図である。 本発明の実施の形態例のコブラアンテナを搭載した車でテストしたフィールドテストルートを示す図である。 従来のコブラアンテナを説明するための図である。

以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施の形態例（以下、「本例」ということもある。）を説明するが、説明は以下の順に行うこととする。
１． コブラアンテナの基本構成及び基本原理の説明
２． 本発明の実施形態例のコブラアンテナの構造とその特性
３． 本発明の実施の形態例のコブラアンテナを用いたフィールドテスト

＜コブラアンテナの基本構成及び基本原理の説明＞
図１Ａは、図５で説明した従来のコブラアンテナと同じものであり、図１Ｂは本例のコブラアンテナを示したものである。まず、図１Ａと図１Ｂの共通部分について説明する。
図１Ａ、Ｂに示したコブラアンテナ１０は、受信する電波の波長をλとして、長さがλ／４のアンテナエレメント２と、給電点としての中継部３と、同軸線５と、フェライトコア４を備える。中継部３からフェライトコア４までの同軸線の長さはアンテナエレメント２と同じλ／４である。

同軸線５の一端は、中継部３でアンテナエレメント２に接続されている。また、同軸線５はフェライトコア４に１〜３回程度巻きつけられ、その他端は受信機８のコネクタ６に接続される。ここでコネクタ６としては、高周波信号の損失が少ないものを選択することが望ましい。アンテナエレメント２は、同軸線５の外皮（保護被覆）５ａ及びシールド線（外部導体）５ｂを取り除いたものである。

中継部３では、同軸線５の外皮５ａ及びシールド線５ｂが取り除かれて、コア材２ｃ（誘導体）が露出した状態となっている。そして、同軸線５の芯線５ｄはアンテナエレメント２の芯線とはんだ付け等で接続され、中継部３は基板７上にモールド成形されている。この中継部３がコブラアンテナ１０の給電点Ｆｐとなる。

このように構成したことにより、中継部３（給電点）からフェライトコア４までの同軸線５（長さλ／４）とアンテナエレメント２（長さλ／４）とでλ／２のダイポールアンテナが構成されることになる。

＜本発明の実施形態例のアンテナ構造とその特性＞
以上、図１Ａと図１Ｂのコブラアンテナの共通部分について説明したが、図１Ｂに示す本例のコブラアンテナは、受信機８のコネクタ６の前に第２のフェライトコア４ａを設けた点で、図１Ａに示す従来のケーブルアンテナと異なっている。

以下、図１Ａに示す従来型のコブラアンテナをコブラアンテナ（コア１個品）と呼び、本発明のコブラアンテナをコブラアンテナ（コア２個品）と呼ぶことにする。
従来型のコブラアンテナ（コア１個品）では、既に説明したように、フェライトコア４から中継部３までの同軸線５とフェライトコア４からコネクタ６までの同軸線５との高周波結合が起こり、アンテナの性能が劣化する。これはフェライトコア４からコネクタ６までの同軸線５までの長さに依存するため、この種のコブラアンテナを車載アンテナとして利用する場合には、この部分の長さの制約を受けることになる。

図１Ｂに示す本例のコブラアンテナ（コア２個品）では、受信機８に近い位置に第２のフェライトコア４ａが設けられており、このフェライトコア４ａが高周波に対して高いインピーダンスを示すため、アンテナから漏れてくる高周波電流が受信機側に伝搬しなくなる。

図２Ａと表１は、図１Ａに示した従来型コブラアンテナ（コア１個品）の垂直偏波（Ｖ）及び水平偏波（Ｈ）におけるピークゲインを示したグラフである。図２Ａの横軸は周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸はピークゲイン（ｄＢｄ）を示す。
測定対象の周波数帯は、ＦＭ／ＶＨＦ帯（７０ＭＨｚ〜２２０ＭＨｚ）とし、垂直偏波（Ｖ）は破線で示し、水平偏波（Ｈ）は実線で示してある。

表１は、図２Ａに示したグラフ中の各測定点における垂直偏波（Ｖ）でのピークゲインの値と、水平偏波（Ｈ）でのピークゲインの値を示している。なお、表１では、図２Ａの横軸に示した周波数のうち、７６ＭＨｚ〜１０７ＭＨｚまでの間の周波数における測定値のみを示している。

図２Ａと表１に示すように、垂直偏波（Ｖ）でのピークゲインは８６ＭＨｚで-11.50dBdとなり、９５ＭＨｚでは-10.85dBdとなっている。水平偏波（Ｈ）でのピークゲインも、８６ＭＨｚで-16.70dBdとなり、９５ＭＨｚでは-14.85dBdとなっている。すなわち、従来型コブラアンテナ（コア１個品）でも、ＦＭ／ＶＨＦ帯において、垂直偏波と水平偏波の両方を受信できていることが分かる。

一方、本例のコブラアンテナ（コア２個品）の周波数ゲイン特性は、図２Ｂと表２に示すとおりである。この図２Ｂと表２から明らかなように、垂直偏波（Ｖ）、水平偏波（Ｈ）とも９５ＭＨｚ付近で極大値を示し、垂直偏波（Ｖ）で-8.25ｄBd、水平偏波（Ｈ）で-13.65ｄBdとなっている。図２Ａと表１に示した従来型（コア１個品）と比較すると、９５ＭＨｚでのピークゲインが高くなっており、明らかに周波数−ゲイン特性が改善している。すなわち、本例のコブラアンテナ（コア２個品）の方が、従来のコブラアンテナ（コア１個品）に比べて性能が良くなっていることがわかる。

この図２Ａ、Ｂにおいて、約１３０ＭＨｚ付近で極小値を示している。これは、共振周波数を１００MHｚに合わせているため、１３０ＭＨｚ付近ではアンテナのＱ値が高くなって反共振（不整合）となり、受信できていないことを示している。なお、共振周波数を１００MHｚに合わせると高調波に共振するので、特に奇数倍は、つまり、基本共振波長の３倍、５倍でも受信可能となる。本例のコブラアンテナ（コア２個品）は、２００MHｚでも共振するようになっている。

＜本例のコブラアンテナを用いたフィールドテスト＞
図３は、本例のコブラアンテナ（コア２個品）のフィールドテストをするために発明者所有の車にコブラアンテナ（コア２個品）を搭載した例を示す図である。言うまでもなく、比較のために従来型のコブラアンテナ（コア１個品）を搭載して同様な測定を行っている。

図３に示すように、コブラアンテナ１０の中継部３から先のアンテナエレメント２をバックミラーから水平にフロントガラスに取り付け、中継部３からフェライトコア４までの同軸線５を左サイドに縦方向に取り付けた。これにより、コブラアンテナ１０は給電点である中継部３を中心（起点）としてＶ字アンテナが構成されたことになる。

本例のコブラアンテナ（コア２個品）及び従来のコブラアンテナ（コア１個品）とも、ＦＭ帯の９０ＭＨｚの波長λは、3.33ｍなので、アンテナエレメント２の長さをλ/４の0.83ｍとし、中継部３からフェライトコア４までの同軸線５の長さを同じくλ/４の0.83ｍとして、アンテナの長さをλ/２（1.66ｍ）としている。

フェライトコア４から受信機８のコネクタ６までの同軸線５は、車のダッシュボード上を水平に這わせることになる。ただし、本例のコブラアンテナ（コア２個品）１０では、第２のフェライトコア４ａを受信機８のコネクタ６の前（近傍）に挿入している。
同軸線５は第２のフェライトコア４ａの穴を通過させるだけでも良いが、同軸線５を１回〜３回程度フェライトコア４ａに巻回してからコネクタ６に接続するようにしてもよい。このように、本例のコブラアンテナ（コア２個品）１０では、フェライトコア４ａをコネクタ６の前に配置することで、フェライトコア４とコネクタ６を結ぶ同軸線５が拾う高周波電流に対して受信機８側が高インピーダンスになるようにしている。このため、第１のフェライトコア４からコネクタ６に至る同軸線５が漏れた高周波電流を拾ったとしても、その漏れた高周波電流が受信機８側へ悪影響を及ぼすことがない。

図３に示したように、本例のコブラアンテナ（コア２個品）と従来のコブラアンテナ（コア１個品）を車に搭載してフィールドテストを行った。
図４は、実際に発明者が自家用車にコブラアンテナを搭載してその受信性能をテストしたコースを示したものである。使用車種はトヨタカローラ（登録商標）、受信機８として使用した機材は、三洋電機株式会社製のＰＮＤ（パーソナルナビゲーションデバイス）（GORILLA NV-SD750FT）（GORILLAは登録商標）である。受信した周波数はＶＩＣＳ横浜の８１．９ＭＨｚ、出力５ｋＷである。

コブラアンテナ１０のサンプルは、中継部３からアンテナエレメント２の先端部までの距離が８３ｃｍ、中継部３からフェライトコア４までの距離も８３ｃｍとした。また、このテストでは、第２のフェライトコア４ａを受信機８のコネクタ６にから差し込むプラグから５ｃｍ程度離れた位置に設けたが、この距離は適宜に決めることができるものである。

図４に示すように、フィールドテストは、最初に従来型のコブラアンテナ（コア１個品）を搭載して、図に示す中原街道を走行し、走行区間に５分ごとに更新されるＶＩＣＳ補足を行った。続いて、同じコースを本例のコブラアンテナ（コア２個品）を搭載して、同様に５分ごとに走行区間のＶＩＣＳ補足を行った。

テスト結果は、以下の通りであった。
従来のコブラアンテナ（コア１個品） ６／１１回 受信率５４％
本例のコブラアンテナ（コア２個品） １２／１４回 受信率７８％
この結果をみると明らかなように、本例のコブラアンテナ（コア２個品）によると、従来型（コア１個品）に比べて、５分おきにほぼ確実にデータが更新されることが確認できた。

以上、本発明の実施の形態例としてのコブラアンテナ（コア２個品）を従来型コブラアンテナ（コア１個品）と比較して説明した。以上の説明では、同軸線（線材）を用いたアンテナについて説明したが、アンテナエレメント部に、基板やフィルム、金属線で構成されたアンテナを用いても同様な効果を発揮できる。また、本例では、車に搭載した例で説明したが、車以外の室内用の機器でも使用可能であることは言うまでもない。

１０、１００・・・コブラアンテナ、２、３００・・・アンテナエレメント、３・・・中継部、４、４ａ、４００・・・フェライトコア、５、５００・・・同軸線、５ａ…保護被覆、５ｂ…シールド線、５ｃ…コア材、５ｄ…芯線、Ｆｐ、２００…給電点、６・・・コネクタ、７・・・基板、８・・・受信機

Claims (3)

1. 給電点を構成する中継部と、
   前記中継部の一の端子に電気的に接続され、受信する放送波の周波数に応じた長さを持つアンテナエレメントと、
   前記中継部の他の端子に一端が電気的に接続される同軸線と、
   前記同軸線の一端が接続される前記中継部の他の端子から前記アンテナエレメントと同じ長さだけ離れた位置に設けられ、前記同軸線が巻回される第１のフェライトコアと、
   前記同軸線の他端が接続される受信機器のコネクタの前段に、高周波的に高いインピーダンスを持ち、内部に前記同軸線が貫通または巻回される、前記同軸線からの高周波電流を遮断するための第２のフェライトコアと、を備え、
   前記アンテナエレメントの長さ及び前記同軸線の前記中継部から前記第１のフェライトコアまでの長さは、受信する周波数の波長をλとしたとき、λ／４の長さである
   コブラアンテナ。
2. 前記中継部の一の端子に接続されるアンテナエレメントは、同軸線の外皮とシールド線を除いた、芯線を含むコア部分から形成され、
   前記中継部において、前記アンテナエレメントの前記芯線が前記同軸線の芯線と電気的に接続されている、請求項１に記載のコブラアンテナ。
3. 前記中継部、前記アンテナエレメント、前記同軸線、前記第１のフェライトコア及び前記第２のフェライトコアは、車に搭載して用いられる請求項１または２に記載のコブラアンテナ。

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