JP5628879B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、漏洩同軸ケーブルを用いたアンテナに関する。

漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）は、通常の同軸ケーブルの外部導体に複数のスロットが設けられたものである。このようなスロットを通じて、ケーブル内部の電磁波信号を外部に放射したり、ケーブル外部の電磁波信号をケーブル内部に取り込むことができる。即ち、ＬＣＸはケーブル型アンテナであり、特殊な細長い送受信アンテナと言える。

ジグザグ配列のスロットを有するＬＣＸでは、放射波として、電界が円周方向（φ方向）の偏波であるＥφ偏波が用いられる。また、φ方向に平行に形成された周方向スロットを有するＬＣＸでは、放射波として、電界が軸方向（ｚ方向）の偏波であるＥｚ偏波が用いられる。放射波の放射角度は、使用周波数、スロットのピッチ、及び内部導体と外部導体間の絶縁体の比誘電率から定められる（非特許文献１参照）。

ＬＣＸの放射モードは、多数存在する。例えば、ＬＣＸの放射電磁波の強度の安定性を確保するため、ジグザグ配列のスロットを有するＬＣＸではＥφ偏波単一となる放射モードが採用される。また、φ方向に平行に形成された周方向スロットを有するＬＣＸでは、Ｅｚ偏波単一となる放射モードが採用される。これらの場合、ＥφやＥｚ偏波の放射角θは、入射端側に向かう負方向と、終端側に向かう正方向とが存在する。放射角θがＬＣＸの半径方向であるθ＝０°では、スロットによる共振が発生し、ＬＣＸはアンテナとして使用できない。

一般に、ＬＣＸは、使用周波数帯域が広く、放射角θが負方向に向くバックファイア型アンテナとして使用されることが多い。そのため、ＬＣＸの終端近傍はＥφやＥｚ偏波に対して死角となる。ＬＣＸを通信対象領域に合わせて設置すると、ＬＣＸ終端部に通信不可能領域が形成されてしまう。

必要な箇所に配置したＬＣＸを同軸ケーブルで接続することにより、通信対象領域内での通信不可能領域の発生を防止する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、提案された方法でも、バックファイア型アンテナでは、終端部において通信不可能領域が発生してしまう。

また、１対のＬＣＸのそれぞれの給電側の部分を重ね合わせることにより、通信対象領域内での通信不可能領域の発生を防止する方法が提案されている（特許文献２参照）。提案された方法は、Ｅφ偏波の放射角度がＬＣＸの終端部に向かう方向に対して正、即ち終端部に向くエンドファイア型アンテナには有効である。しかし、バックファイア型アンテナでは、終端部において通信不可能領域が発生してしまう。

特開平５−８３２５８号公報 特開２０１１−１８２１３９号公報

岸本俊彦、佐々木伸著「ＬＣＸ通信システム」 電子通信学会、昭和５７年８月２０日出版

上述のように、バックファイア型ＬＣＸでは、終端部において通信不可能領域が発生してしまう。通信不可能領域発生に対する対策として、通信対象領域を越えてＬＣＸを軸方向に延長すること、あるいは、通信対象領域内でＬＣＸの延長した部分を曲げることにより、通信可能領域を確保することが可能である。しかし、余分な長さのＬＣＸや、ＬＣＸを曲げる工程等が必要となり、コストの増加を招いてしまう。

上記問題点を鑑み、本発明の目的は、通信対象領域内での通信不可能領域の発生を防止することが可能なアンテナを提供することにある。

本発明の一態様によれば、線状の中心導体、中心導体を覆う絶縁体、絶縁体を挟んで中心導体を覆い、中心導体の軸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体、及び、外部導体の外周を覆うシースを有し、信号が供給される一端から他端に向かう軸方向に延伸する漏洩同軸ケーブルからなる第１アンテナ部と、終端部において、一端が中心導体に接続され、他端が外部導体に接続された第２アンテナ部とを備え、複数のスロットから、漏洩同軸ケーブルの法線に対して始端部側に傾いた方向に放射波が放射され、第２アンテナ部から、放射波と同じ偏波が法線方向に放射されるアンテナが提供される。

本発明の一態様において、放射波は、電界が前記漏洩同軸ケーブルの円周方向の成分の偏波としてもよい。この場合、第２アンテナ部は、ループアンテナが望ましい。また、放射波は、電界が前記軸方向の成分の偏波としてもよい。この場合、第２アンテナ部は、ディスコーンアンテナが望ましい。

本発明によれば、通信対象領域内での通信不可能領域の発生を防止することが可能なアンテナを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るアンテナの一例を示す概略図である。 放射波の放射角を説明する図である。 実施例１に係るアンテナに用いる第１アンテナ部の一例を示す概略図である。 実施例１に係るアンテナの構成の一例を示す概略図である。 実施例１に係るアンテナの放射強度分布の測定系の一例を示す概略図である。 実施例１に係るアンテナより得られたＥφ偏波の放射強度分布の一例を示す図である。 実施例２に係るアンテナに用いる第１アンテナ部の一例を示す概略図である。 実施例２に係るアンテナの構成の一例を示す概略図である。 図８に示したアンテナより得られたＥｚ偏波の放射強度分布の一例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係るアンテナは、図１に示すように、第１アンテナ部３及び第２アンテナ部５を備える。第２アンテナ部５は、第１アンテナ部の終端側に設けられる。第１アンテナ部３には、ＬＣＸが用いられる。第２アンテナ部５には、第１アンテナ部３からの放射波と同じ偏波を放射するアンテナが用いられる。

例えば、アンテナを送信アンテナとして用いる場合、第１アンテナ部３の始端部には、同軸ケーブル等のアプローチケーブル９を介して給電部７が接続される。第１アンテナ部３の軸方向に平行な面において、第１アンテナ部３の法線ＮＬに対して第１アンテナ部３からの放射波Ｒの放射角をθとする。放射角θが正のとき、放射波Ｒは、第１アンテナ部３の法線ＮＬに対して第２アンテナ部５側に放射される。放射角θが負のとき、放射波Ｒは、第１アンテナ部３の法線ＮＬに対して始端部側に放射される。

第１アンテナ部３は放射角θが負のバックファイア型アンテナとして用いる。そのため、図２に示すように、アンテナの真上の通信対象領域に対して、第１アンテナ部３からの放射波Ｒが伝搬する通信領域Ｃａは、第１アンテナ部３の法線ＮＬに対して略放射角θでアンテナの始端部側にずれる。従来のように、ＬＣＸを終端器で終端すると、終端器の真上の近傍の通信領域Ｃｂは、放射波Ｒが伝搬しない通信不可能領域となる。

実施の形態では、第２アンテナ部５として、第１アンテナ部３と同じ偏波の放射波Ｒを放射するアンテナが用いられる。第１アンテナ部３の終端部においては、法線ＮＬ方向に放射波Ｒが放射される。その結果、通信領域Ｃｂにおいても通信が可能となり、通信対象領域内での通信不可能領域の発生を防止することができる。

（実施例１）
実施例１に係る第１アンテナ部３に用いるＬＣＸは、図３に示すように、中心導体１０、絶縁体１２、外部導体１４、及びシース１６を有する。中心導体１０は、給電部７から高周波信号が供給される始端部から終端部に向かう軸方向に延伸する。絶縁体１２は、中心導体１０を覆うように設けられる。外部導体１４は、絶縁体１２を挟んで中心導体１０を覆うように設けられる。シース１６は、外部導体１４の外周を覆うように設けられる。

図３に示すように、外部導体１４には、ＬＣＸの軸（ｚ軸）方向に沿って複数のスロット１８が所定のピッチでジグザグ状に設けられる。例えば、複数のスロット１８の互いに隣接するスロットの一方を第１スロット、他方を第２スロットとする。第１スロットは、ｚ軸方向に対して鋭角の角度αで傾けてピッチＰで配置される。第２スロットは、ｚ軸方向に対して鈍角の角度βで傾けて、第１スロットに対してピッチＰの１／２の間隔で設けられる。角度α、βは互いに補角をなす。

例えば、第１アンテナ部３であるＬＣＸには、直径２ｍｍの銅線製の中心導体１０、直径５ｍｍの発泡ポリエチレン製の絶縁体１２、厚さ０．０１ｍｍの銅箔製の外部導体１４、及び外径７ｍｍのシース１６が用いられる。第１アンテナ部３の長さは、約１ｍとする。ＬＣＸはバックファイア型アンテナであり、ＬＣＸからの放射強度は、スロットの形状などで決まる。放射強度は通常レベルとし、ＬＣＸから１．５ｍ離れた位置での結合損失Ｌｃが略６０ｄＢになるようにスロット形状を決めている。

実施例１に係る第２アンテナ部５には、図４に示すように、ループアンテナが用いられる。ループアンテナは、コネクタ４を介してループアンテナの一端が中心導体１０と接続され、他端が外部導体１４と接続される。ループアンテナの周長は、使用する高周波信号の１波長分とする。例えば、周波数が２．４ＧＨｚの高周波信号を用いる場合、ループアンテナの周長は約１２５ｍｍである。したがって、ループアンテナの直径Ｄｌは、約４０ｍｍとなる。このようなループアンテナから放射される放射波Ｒは、ループ面の直交方向への指向性が強いので、ループ面をＬＣＸのスロット面の向きに一致させている。また、ループアンテナからの放射波は、円周方向の偏波となる。したがって、ループアンテナから、ＬＣＸの法線方向に強いＥφ偏波が放射されることになる（例えば、「アンテナ光学ハンドブック」 電子情報通信学会、オーム社、平成２０年７月２５日出版、参照）。

図１に示した給電部７から周波数が２．４ＧＨｚの高周波信号を供給すると、第１アンテナ部３に設けた複数のスロット１８から放射角θが約−２０度で、電界が円周方向のＥφ偏波が放射波Ｒとして放射される。即ち、第１アンテナ部３は、バックファイア型アンテナとして動作する。上述のように、第１アンテナ部３から約１．５ｍ離れた位置での放射波Ｒの結合損失Ｌｃが約６０ｄＢとなるようにスロット１８の長さ、幅、及び角度α、βが設定されている。

図５に示すように、長さが約１ｍのアンテナを電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。電波暗室３０内において、第１アンテナ部３の軸方向をｚ、第１アンテナ部３の円周方向をφ、高さ方向をｘとする。第１アンテナ部３の始端部〜終端部がｚ＝１ｍ〜２ｍに位置するように配置する。電波暗室３０の外に設けた給電部７が、アプローチケーブル９を介してアンテナの始端部に接続される。受信アンテナ２０として、例えば半波長標準ダイポールアンテナをアンテナの真上に配置する。受信アンテナ２０はアプローチケーブル２２を介して、電波暗室３０の外に設けた受信部２４に接続される。

給電部７から、アンテナの始端部に周波数が２．４ＧＨｚで入力電力Ｐｔの信号が供給され、アンテナからの放射波が受信アンテナ２０で受信される。受信部２４で放射波の受信電力Ｐｒが検出される。結合損失Ｌｃは、次式で計算される。

Ｌｃ ＝ １０ｌｏｇ（Ｐｔ／Ｐｒ） （ｄＢ） ・・・（１）

上述のように、第１アンテナ部３は、放射角θが−２０度のバックファイア型アンテナである。そのため、図２に示したように、アンテナの真上の通信対象領域に対して、Ｅφ偏波の放射波Ｒが伝搬する通信領域Ｃａは、アンテナの始端部側にずれる。終端部を終端器で終端した従来のアンテナでは、終端部の真上の通信領域Ｃｂの近傍には、放射波Ｒが伝搬しない通信不可能領域となる。

図６に、受信アンテナ２０の高さ（ｘ）を０．２５ｍ〜１．５ｍの範囲、位置（ｚ）を０〜４ｍの範囲で変化させて、放射強度Ｌｃの分布を測定した結果を示す。Ｅφ偏波に対して測定した結合損失Ｌｃφは、図６に示すように、第１アンテナ部３では始端部側に放射角θで傾いた分布となり、第２アンテナ部５では上方に偏在した分布となる。例えば、通信領域Ｃａ、Ｃｂにおいて、高さｘが１．５ｍでの結合損失Ｌｃφは、共に約６０ｄＢである。

このように、実施例１に係るアンテナでは、第１及び第２アンテナ部３、５から共にＥφ偏波が放射され、結合損失Ｌｃφは、ほぼ同じ強度である。したがって、Ｅφ偏波を用いる従来のアンテナでは通信不可能となる終端側の領域でも、終端部に配置したループアンテナによってＥφ偏波の放射波が強く分布する。その結果、通信対象領域内での通信不可能領域の発生を防止することができる。

（実施例２）
実施例２に係る第１アンテナ部３に用いるＬＣＸは、図７に示すように、複数のスロット１８ａが設けられた外部導体１４を有する。複数のスロット１８ａは、ＬＣＸの円周方向に平行に形成される。第１アンテナ部３からの放射波は、Ｅｚ偏波である。また、第１アンテナ部３は、バックファイア型アンテナである。

実施例２に係る第２アンテナ部５には、図８に示すように、ディスコーンアンテナが用いられる。コネクタ４を介して、ディスコーンアンテナのディスク５０が中心導体１０に接続され、円錐状のコーン５２が外部導体１４に接続される。例えば、周波数が２．４ＧＨｚの高周波信号を用いる場合、ディスク５０の直径Ｄｄは約２０ｍｍ、コーン５２の高さＬｄ、及び底辺直径Ｄｃはそれぞれ、約２５ｍｍ、約３０ｍｍである。ディスコーンアンテナからの放射波はＥｚ偏波となる（例えば、「アンテナ光学ハンドブック」 電子情報通信学会、オーム社、平成２０年７月２５日出版、参照）。

実施例２では、第１アンテナ部３の外部導体１４にスロット１８ａが円周方向に形成され、第２アンテナ部５にディスコーンアンテナが用いられる点が実施例１と異なる。他の構成は、実施例１と同様であるので、重複する記載は省略する。

実施例２に係るアンテナでは、図１に示した給電部７から周波数が２．４ＧＨｚの高周波信号を供給すると、第１アンテナ部３に設けた複数のスロット１８ａから放射角θが、例えば約−２０度で、電界が軸方向のＥｚ偏波が放射波として放射される。このとき、第２アンテナ部５のディスコーンアンテナからもＥｚ偏波がＬＣＸの法線方向に放射される。

図９に、長さ１ｍのアンテナを用いて、図５に示した電波暗室３０で結合損失Ｌｃｚの分布を測定した結果を示す。Ｅｚ偏波に対して測定した結合損失Ｌｃｚは、図９に示すように、第１アンテナ部３では始端部側に放射角θで傾いた分布となり、第２アンテナ部５では上方に偏在した分布となる。例えば、通信領域Ｃａ、Ｃｂにおいて、高さｘが１．５ｍでの結合損失Ｌｃｚは、共に約６０ｄＢである。

このように、実施例２に係るアンテナでは、第１及び第２アンテナ部３、５から共にＥｚ偏波が放射され、結合損失Ｌｃｚは、ほぼ同じ強度である。したがって、従来のアンテナでは通信不可能となる終端側の領域でも、終端部に配置したディスコーンアンテナによってＥｚ偏波の放射波が分布する。その結果、通信対象領域内での通信不可能領域の発生を防止することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

３…第１アンテナ部
５…第２アンテナ部
７…給電部
１０…中心導体
１２…絶縁体
１４…外部導体
１６…シース
１８、１８ａ…スロット
２０…受信アンテナ

Claims (2)

1. 線状の中心導体、前記中心導体を覆う絶縁体、前記絶縁体を挟んで前記中心導体を覆い、前記中心導体の軸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体、及び、前記外部導体の外周を覆うシースを有し、信号が供給される一端から他端に向かう前記軸方向に延伸する漏洩同軸ケーブルからなる第１アンテナ部と、
   前記終端部において、ループアンテナの一端が前記中心導体に接続され、他端が前記外部導体に接続された第２アンテナ部とを備え、
   前記複数のスロットから、前記漏洩同軸ケーブルの法線に対して前記始端部側に傾いた方向に、電界が前記漏洩同軸ケーブルの円周方向の成分の偏波である放射波が放射され、前記第２アンテナ部から、前記放射波と同じ偏波が前記法線方向に放射されることを特徴とするアンテナ。
2. 線状の中心導体、前記中心導体を覆う絶縁体、前記絶縁体を挟んで前記中心導体を覆い 、前記中心導体の軸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体、及び、前記外部導体の外周を覆うシースを有し、信号が供給される一端から他端に向かう前記軸方向に延伸する漏洩同軸ケーブルからなる第１アンテナ部と、
   前記終端部において、ディスコーンアンテナのディスクが前記中心導体に接続され、コーンが前記外部導体に接続された第２アンテナ部とを備え、
   前記複数のスロットから、前記漏洩同軸ケーブルの法線に対して前記始端部側に傾いた方向に、電界が前記軸方向の成分の偏波である放射波が放射され、
   前記第２アンテナ部から、前記放射波と同じ偏波が前記法線方向に放射されることを特徴とするアンテナ。

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