JP5848287B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
短縮ダイポールアンテナの両端それぞれに、両端が開放されている回旋状導体A、導体Bを直接に又は導線により接続することで、共振周波数を低減させると共に、放射器に流れる電流を低減させずに効率よく電磁波を放射させ、アンテナの全長が短くとも放射効率を落とさず、住宅密集地域でも良好な通信環境を提供することができる。
図4から図6に導体A、導体Bが螺旋状または渦巻状の場合の本発明の実施例を示す。401、402、501、502、601、602は放射器(ラジエータおよびラジアルを含む電磁波を放射する導体をいう。以下同じ。)、403は導体A、404は導体Bであって円形の1重巻、503は導体A、504は導体Bであり、形状は螺旋状で3重巻、603は導体A、604は導体Bであって、形状は渦巻状で2重巻、それぞれ開口面が前記放射器の先端付近に位置している。407及び408、507及び508、607及び608はそれぞれ給電点の対である。
図18は図16におけるアンテナの導体Aである1603、導体Bである1604をそれぞれ板状導体A1803、板状導体B1804、導線1605、1606を板状導体1805、1806に置き換えた実施例を示している。図19は図18の正面図、右側面図、左側面図およびA−A断面図を示している。図19の1801〜1808は図18の1801〜1808と同一である。本実施例により導体の表面積を大きくして表皮効果による損失を低減することができる。
2.整合回路について
(式1)
Rf=(ωL)**2/Ra
LCω**2=1、ω=2πf(f:共振周波数)
図29にバランおよび整合回路の他の実施例を示す。2901はバラン機能を有するインピーダンス変換回路である。図29に示す2901はフェライトコアに1:2の巻線数の絶縁導線を巻いたもので、アンテナのインピーダンスを1:4で変換するインピーダンス機能を有するバランである。2902は送受信装置に接続ずる同軸フィーダである。
(式2)
L1C1ω**2=L2C2ω**2=1、ω=2πf(f:共振周波数)
図30(3)は第2のアンテナ3002から第1のアンテナ3001を見た場合、第1のアンテナは等価回路3004となることを示している。なぜなら、共振周波数においては、第1のアンテナのL1、C1は見えなくなり、放射抵抗Rf1がインピーダンス変換器3003により以下の関係式(式3)により変換されて3013のインピーダンスRf3となるからである。
(式3)
Rf3=(ωM)**2/Rf1
(式4)
Rf=Rf2+Rf3
(式3)(式4)により給電点から第2のアンテナを見込んだインピーダンスを50Ωとするように第1と第2のアンテナの距離等を調整することにより、アンテナと送受信機間のインピーダンス変換器による整合は不要となる。
(式5)
N=L2−M
により、図31(2)を、放射抵抗Rf、キャパシタンスC1および3108のインダクタンス(L1+L2)から構成されたアンテナの等価回路3110と、Nおよび−Nによるインピーダンス変換器3109と、インダクタンスL2である3111およびキャパシタンスC2に置き換えることができる。
(式6)
Rf=(ωN)**2/Rf1
C1(L1+L2)ω**2=1、ω=2πf(f:共振周波数)
給電点3106におけるインピーダンスZは
Z=Rf+j(ωL2−1/(ωC2))
となる。これにより、Rfを所定の値に設定しリアクタンス成分を除去するためには、
L2C2ω**2=1
となるL2、C2、Mを調整により追い込む必要がある。具体的には、導体2503、2504、2510の巻数および巻数比、給電点2507、2508の場所を変更することにより行う。
3.本発明の実施例
3.1 インピーダンス変換器で整合をとった場合
(条件1)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:自由空間
放射器1601、1602合計の長さ:60cm
放射器径:18mmφ
同心円数:5
同心円線径:3mmφ
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:放射器中心
とした時、非特許文献2のMMANAによるシミュレーションで、放射抵抗は1.68Ωとなる。上記と同じ形状で同心円の導体A、導体Bが2重の図17のアンテナの場合、放射抵抗は1.75Ωとなる。前記放射抵抗の値は全ての導線が無損失の場合であるが、導線の材質をアルミ線とすると、図16の形状の場合は3.14Ω、図17の形状の場合は2.59Ωとなる。シミュレーションにおけるアルミ線を使用した場合に図16の形状のアンテナの効率ηは、
(式7)
η=放射抵抗/(放射抵抗+アンテナ損失)=1.68/3.14=0.54
図17の場合の効率は、0.68となる。
L=0.071[μH]、C=805[PF]
となる。導線がアルミ線で上記整合回路を用いた場合のMMANAシミュレーションによるVSWR特性を図32(1)に示す。導線にアルミ線を用いた場合、放射抵抗2.59Ωを50Ωに変換する場合、インピーダンス変換器の素子定数は(式6)により、
L=0.086[μH]、C=666[PF]
となる。導線がアルミ線で上記整合回路を用いた場合のMMANAシミュレーションによるVSWR特性を図32(2)に示す。
(条件2)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:バルコニー手摺上3mかつ地上高8m(図33参照)
放射器2001、2002合計の長さ:60cm
放射器径:18mmφ
同心円状の板状導体幅:40mmφ
同心円数:5
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:放射器中心
の場合の損失を含むアンテナ共振点での放射抵抗の実測値は3.1Ωである。図33にシミュレーションに使用した環境条件を示す。3301は図16に示すアンテナ、3302はアンテナを設置したバルコニー上の手摺である。一方、(条件1)の図16の形状のアンテナに実環境の条件をいれ、MMANAシミュレーションで放射抵抗を求めると1.9Ωとなる。これによりアンテナの効率ηは、(式7)より0.61となる。アンテナ長が0.042λの場合に上記効率は極めて高効率といえる。インピーダンス変換器の素子定数をL=0.1[μH]、C=500[PF]とした場合のVSWR特性の実測値を図34に示す。
(条件3)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:バルコニー手摺上5mかつ地上高10m
放射器1401、1402(2201、2202)合計の長さ:150cm
放射器径:18mmφ
同心円状の導体A、導体B線径:10mmφ(アルミパイプ)
同心円数:2
最小同心円半径:240mm
同心円半径の増分:30mm
給電点位置:放射器中心
とし、インピーダンス変換器の素子定数L=0.185[μH]、C=300[PF]とした時のVSWR特性の実測値を図35に示す。なお、アンテナの共振周波数は、放射器と接続する導体A、または導体Bの内側の円形導体上の点の位置を調整することにより設定する。
3.2 2つのアンテナで整合をとった場合
(条件4)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:バルコニー手摺上5mかつ地上高10m
放射器2401、2402合計の長さ:200cm
放射器径:18mmφ
同心円状の導体A、導体B線径:10mmφ(アルミパイプ)
同心円数:2
最小同心円半径:400mm
同心円半径の増分:30mm
給電点位置:なし
であり、第2のアンテナは前記(条件3)と同様である。第1のアンテナと第2のアンテナの距離は800mmである。第1のアンテナおよび第2のアンテナの共振周波数は、放射器と接続する導体A、または導体Bの内側の円形導体上の点の位置を調整することにより設定する。本実施例によるアンテナのVSWR特性を図36に示す。
3.3 給電点位置を調整して整合をとった場合
(条件5)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:地上高10m
放射器1601、1602合計の長さ:60cm
放射器径:18mmφ
同心円状の導体A、導体B線径:3mmφ(銅線)
同心円数:5
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:同心円の最外円の端から0.5周内部に入った点
の場合のシミュレーションによるVSWR特性を図37に示す。
(条件6)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:バルコニー手摺上5mかつ地上高10m
放射器2001、2002合計の長さ:60cm
放射器径:18mmφ
同心円状の板状導体幅:40mmφ(0.1mm厚の銅板)
同心円数:5
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:同心円の最外円の端から0.5周内部に入った点
の場合のVSWR特性の実測値を図38に示す。
(条件7)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:バルコニー手摺上5mかつ地上高10m
放射器2001、2002合計の長さ:100cm
放射器径:18mmφ
同心円状の板状導体幅:40mmφ(0.1mm厚の銅板)
同心円数:5
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:同心円の最外円の端から1周内部に入った点
の場合のVSWR特性の実測値を図39に示す。
(条件8)
周波数:433.0MHz
アンテナ周囲環境:SMAオス−オスコネクタ(22.5mm長)を介してハンディートランシーバに直接接続
放射器2501の長さ:30mm
放射器径:3mmφ(銅線)
導体A、導体B径:3mmφ(銅線)
螺旋形状:直径30mmの円形
螺旋巻数(上):2回
螺旋巻数(下):1回
給電点位置:下側の螺旋状の導体A、導体Bの端から0.25周内部に入った点
の場合のVSWR特性の実測値を図40に示す。
(条件9)周波数:14.0MHz
アンテナ周囲環境:自由空間
放射器1601、1602合計の長さ:60cm
放射器径:18mmφ
導体A、導体B線径:3mmφ
同心円数:5
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:同心円の最外円の端から0.3周内部に入った点
ローディングインダクタンス(2601、2602)容量:6μH
ローディングインダクタンス(2601、2602)挿入位置:放射器両端点からセンター方向に10cm入った位置
の場合のシミュレーションによるVSWR特性を図41に示す。なお、全ての導線の損失はないものとして算出した。
(条件10)周波数:433MHz
アンテナ周囲環境:SMAオス−オスコネクタ(22.5mm長)を介してハンディートランシーバに直接接続
放射器4601の長さ:35mm
放射器形状:6mm×35mm×0.08mm
導体A、導体B厚さ:0.08mm(銅箔)
導体A、導体B幅:2mm
同心円状の導体A巻数:3.25回
同心円状の導体B巻数:2回
導体A、導体Bの階層間の半径の差:5mm
給電点位置:導体Bの外側端点から0.25周内部に入った点
基板の厚さ:1.4mm
基板の材質:紙
の場合のVSWR特性の実測値を図47に示す。
(条件11)周波数:436MHz
アンテナ周囲環境:SMAオス−オスコネクタ(22.5mm長)を介してハンディートランシーバに直接接続
放射器4601の長さ:35mm
放射器形状:35mm×5mmφ
導体A、導体B厚さ:0.08mm(銅箔)
導体A、導体B幅:2mm
同心円状の導体A巻数:2.7回
同心円状の導体B巻数:2回
同心円状の導体A最小半径:10mm
同心円状の導体B最小半径:15mm
導体A、導体Bの階層間の半径の差:5mm
給電点位置:導体Bの外側端点から0.25周内部に入った点
基板の厚さ:1.4mm
基板の材質:紙
の場合のVSWR特性の実測値を図48に示す。
3.4 放射器長がλ/40以下である場合
(条件12)
周波数:21.0MHz
アンテナ周囲環境:自由空間
放射器1601、1602合計の長さ:36cm
放射器径:18mmφ
同心円状の導体A、導体B線径:3mmφ
同心円数:5
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:放射器中心
の場合のシミュレーションによると、放射抵抗は約0.6Ωとなり、放射器および導体A、導体Bに流れる電流は極めて大きくなる。このため、放射器から変動電界による電磁波以外に導体A、導体Bから変動磁界により電磁波も放射される。磁界放射は微小ループに流れる電流により生成され、その場合の指向性は微小ループが作る面の方向に最大となる。本実施例においては、異なる2つのループからの磁界放射の合成となる。ループに流れる電流が逆方向である場合には互いに打ち消し合い磁界放射がゼロとなるため、ループに流れる電流の方向を同一方向とする必要がある。磁界放射によるアンテナの指向性は導体A、導体Bが作る面の方向に最大となり、放射器により放射される電磁波の方向とほぼ等しい方向で最大となる。図42に指向特性を示す。レイリーフェージング下においては、電界最小点で磁界最大点となるため、本アンテナはレイリーフェージングによる音質劣化を改善させる可能性を有している。
3.5 周波数調整を容易にしたアンテナの実施例
3.6
ヘアピンマッチによる整合回路を用いたアンテナの実施例
(条件13)
周波数:7.0MHz
アンテナ周囲環境:バルコニー手摺上1mかつ地上高6m
放射器5001、5002合計の長さ:100cm
放射器径:18mmφ
同心円状の板状導体幅:40mmφ(0.1mm厚の銅板)
同心円数:10
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:放射器中心
ヘアピンマッチ:外周長53cmである円形コイル(5005)を給電点5007、5008に接続し、リアクタンス成分除去コンデンサ(5006)330PFを接続
上記条件における端子5010から見込んだVSWRの実測値を図51に示す。図51の横軸は周波数、縦軸はVSWRである。
(条件14)
周波数:7.0MHz
アンテナ周囲環境:バルコニー手摺上5mかつ地上高10m
放射器5301、5302合計の長さ:100cm
放射器径:18mmφ
渦巻状の板状導体幅:40mmφ(0.1mm厚の銅板)
渦巻の巻数:9回
最小渦巻半径:56mm
渦巻の増分:28mm
給電点位置:放射器中心
ヘアピンマッチ:外周長53cmである円形コイル(5310)を給電点5307、5308に接続し、リアクタンス成分除去コンデンサ(5313)220PFを接続
板状導体と放射器間の距離:板状導体の開口面に並行な中心面と放射器間距離は10cm
本アンテナの上記条件における端子5314から見込んだVSWRの実測値を図54に示す。図54の横軸は周波数、縦軸はVSWRである。
以下の条件の場合の短縮ダイポールアンテナと本発明によるアンテナについて検討する。
(条件15)短縮ダイポールの形状
周波数:7.0MHz
アンテナ周囲環境:自由空間
放射器の長さ:50cm、1m、2m、4m、8m
放射器径:18mmφ
給電点位置:放射器中心
共振周波数調整用インダクタンス挿入位置:給電点に挿入
ラジエータ、ラジアルそれぞれの共振周波数調整用インダクタンス値:
放射器長 インダクタンス値
50cm 99.3μH
1m 63.9μH
2m 39.0μH
4m 22.5μH
8m 11.6μH
共振周波数調整用インダクタンスのQ:300、1200
(条件16)本発明によるアンテナの形状(図16)
周波数:7MHz付近
アンテナ周囲環境:自由空間
放射器1601、1602合計の長さ:50cm、1m、2m、4m、8m
放射器径:18mmφ
同心円状の導体A、導体B線径:10mmφ
同心円数:10
最小同心円半径:56mm
同心円半径の増分:28mm
給電点位置:放射器中心
導体A、導体Bの抵抗値(測定値を参考にして仮定):1.2Ω
202 ミドルローディングコイルによる短縮アンテナ
203 トップローディングのキャパシティーハットとベースローディングコイルを用いた短縮アンテナ
204 トップローディングのキャパシティーハットとミドルローディングコイルを用いた短縮アンテナ
205トップローディングのキャパシティーハットとトップローディングコイルを用いた短縮アンテナ
206 放射器
207 ローディングコイル
208 ホット側給電点
209 コールド側給電点
210 キャパシティーハット
401、501、601、701、801、901、1001、1101、1201、1301、1401、1501、1601、1701、1801、2001、2201、2401,2411、2501、402、502、602、702、802、902、1002、1102、1202、1302、1402、1502、1602、1702、1802、2002、2202、2402、2412、2501、5001、5002、5301、5302 放射器
403、404、1303、1304 円形の導体A、導体B
503、504、2503、2504、2510 螺旋状導体A、導体B
603、604 渦巻状導体A、導体B
703、704 四角形状の導体A、導体B
803、804 四角形かつ螺旋状の導体A、導体B
903、904 四角形かつ渦巻状の導体A、導体B
1003、1004 八角形状の導体A、導体B
1103、1104 八角形かつ螺旋状の導体A、導体B
1203、1204 八角形かつ渦巻状の導体A、導体B
1403、1404、1603、1604、2203、2204、2205、2206、2403、2404、2405、2406、2413、2414、2415、2416 同心円状の導体A、導体B
1503、1504 放射器に平行に配置された螺旋状導体A、導体B
1703、1704 内側に配置された同心円状の導体A、導体B
1709、1710 外側に配置された同心円状の導体A、導体B
1803、1804 同心円状の板状導体
2003、2010 内側に配置された同心円状の板状導体
2004、2009 外側に配置された同心円状の板状導体
405、406、505、506、605、606、705、706、805、806、905、906、1005、1006、1105、1106、1205、1206、1405、1406、1605、1606、1609、1610、1705、1706、1711、1712、2206、2207、2407、2408、2417、1418、5305、5306 導線
1805、1806、2005、2006 導体板
407、408、507、508、607、608、707、708、807、808、907、908、1007、1008、1107、1108、1207、1208、1307、1308、1407、1408、1507、1508、1607、1608、1707、1708、1807、1808、2007、2008、2507、2508、5007、5008、5307、5308 給電点
2209、2419 アンテナ支持マスト
2210 バラン兼インピーダンス変換器
2211、2410、2703、2802、2902 同軸フィーダ
2409、2701 バラン
2702 インピーダンス変換回路
2801 バラン兼インピーダンス変換回路
2901 バラン兼インピーダンス変換器
3001 第1のアンテナの等価回路
3002 第2のアンテナの等価回路
3003 L1とL2間の相互インダクタンスMの等価回路
3004 第1のアンテナの共振周波数における等価回路
3005 第1のアンテナの放射抵抗Rf1
3006 第1のアンテナのキャパシタンスC1
3007 第1のアンテナのインダクタンスL1
3008 第2のアンテナのキャパシタンスC2
3009 第2のアンテナの放射抵抗Rf2
3010 第2のアンテナのインダクタンスL2
3011 L1とL2間の相互インダクタンスM
3012 第2のアンテナの給電点
3013 インピーダンス変換後の第1のアンテナの放射抵抗
3101、5201 アンテナの放射抵抗Rf1
3102、5202 アンテナのキャパシタンスC1
3103、5203 給電点から放射器側のアンテナのインダクタンスL1
3104 給電点から放射器の逆側のアンテナのインダクタンスL2
3105、5205 L1とL2間の相互インダクタンスM
3106 給電点
3107、5207 L1、L2、Mの等価回路
3108、5208 アンテナのインダクタンス(L1+L2)
3109、5209 等価回路3107を(N=L2−M)で置き換えた場合のN成分のみのインピーダンス変換回路
3110、5210 アンテナの等価回路
3111 N成分のみのインピーダンス変換回路3109を構成した場合に出力側に得られたインダクタンスL2
3112 導体A、導体B間のキャパシタンスC2
3301 条件2、3、6、7の場合のアンテナ
3302 条件2、3、6、7の場合のバルコニーの手摺
4401 伸縮可能な導体
4601、4801 放射器
4603、4604、4803、4804 板状の導体
4605、4606、4805、4806 導線
4607、4608、4807、4808 給電点
4609、4809、4810 紙製のアンテナ支持基板
5003、5004 板状導体を内側、外側に交互に配置した同心円状の円形導体
5005、5204、5310 ヘアピンマッチのためのインダクタンス素子
5006、5313 ヘアピンマッチのリアクタンス成分をキャンセルするためのコンデンサ
5009、5312 バラン
5206、5314 送受信装置との接続端子
5211 N成分のみのインピーダンス変換回路3209を構成した場合に出力側に得られたインダクタンスL2
5212 L2をキャンセルするためのキャパシタンスC2
5213、5214 アンテナの給電点
5303、5304 開口面と平行な中心面を挟んで階層毎に交互に配置した渦巻状の板状導体
5309 放射器をアンテナ起立用マストに取付けるための絶縁性の固定具
5311 アンテナ起立用マスト
Claims (1)
- 線状、棒状、筒状、または板状の導体(以下、放射器という。)と、
両端が開放されている巻き数が1より大きい回旋状の、異なる2の導体(以下、導体A、導体Bという。)とから構成され、
前記導体Aの中心部分に近い側の端子と放射器の先端(以下、端点1という。)が直接に又は導線で接続され、
前記導体Bの中心部分に近い側の端子と放射器の先端(以下、端点2という。)が直接に又は導線で接続され、
放射器の中心点を給電点として、
上記給電点からアンテナを見込んだインピーダンスを特定の無線通信周波数に共振するように導体1および導体2の巻き数を設定したことを特徴とする無線通信用アンテナにおいて、
回旋状の導体Aおよび導体Bが同心形状の導体であって、
導体Aについては開口面の形状が円形、楕円形、多角形、またはそれらの合成、あるいはそれらをゆがめた形状の閉ループの導体の一カ所に、端点が端点APi、端点AQiである切込みをいれたi=2,・・・,nであるn個(nは2以上の整数)の大きさの異なる相似形状であって開口面および中心を概略一致させて配置した複数の導体(導体A1、・・・、導体Anという。以下同じ。)を、切込み部分を近接して配置し、端点AP(i−1)と端点AQiをi=2,・・・,nについて接続した導体であり、
導体Bについては開口面の形状が円形、楕円形、多角形、またはそれらの合成、あるいはそれらをゆがめた形状の閉ループの導体の一カ所に、端点が端点BPj、端点BQjである切込みをいれたj=2,・・・,mであるm個(mは2以上の整数)の大きさの異なる相似形状であって開口面および中心を概略一致させて配置した複数の導体(導体B1、・・・、導体Bmという。以下同じ。)を、切込み部分を近接して配置し、端点BP(j−1)と端点BQjをj=2,・・・,mについて接続した導体であることを特徴とする無線通信用アンテナ。
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