JP6276568B2 - 無指向性アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、高感度で無指向性に優れたアンテナに関するものである。

非常災害時における情報伝達手段として、電話網やインターネットに依存しないラジオ放送等の公共放送が見直されている。そして、近年発生した東日本大震災を教訓として、将来発生が予想されている大地震に確実に備えるために、公共放送の電波受信状況について迅速かつ効率的で見落としのない把握が必要となっている。

現在、公共放送の電波受信状況を把握するために、車で電波受信エリアを走行しながらポイントを選定し電波受信状況を調査する方法が用いられている。しかし、短時間で詳細かつ広範囲の中波ラジオエリアの受信状況を調査しようとすると、車の車高および車幅制限内に簡単に設置でき、高感度、高レベル出力、広帯域等の条件に加えて無指向性を同時に満足する中波帯受信アンテナが求められる。

無指向性アンテナを実現するための手法としては、例えば特許文献１のように２枚のバットウィング素子を支持柱の周囲に９０°の角度間隔で、そのアンテナ面が互いに直交するように配列して構築したスーパーターンスタイルアンテナが提案されている。

しかし、従来のスーパーターンスタイルアンテナにおいては、バットウィング素子と４５°の角度をなす方向の指向性利得が４ｄＢ程度落ち込むという問題があった。

このような問題に対し、特許文献２では、バットウィング素子の指向性の落ち込む方向に金属板を配置し、これらの金属板が二次輻射を生じさせて指向性の落ち込みを持ち上げ、無指向性に近づけることが可能なスーパーターンスタイルアンテナが提案されている。

特開２００６−５００８０号公報 特開２００２−１５１９４６号公報

しかし、特許文献２に記載の発明の構成においても、指向性が落ち込む方向の利得が２．５ｄＢ程度低下するという問題があった。同様に中波帯受信アンテナの分野においても図７（ａ）に示すようなループアンテナ素子７１，７２を直交させて無指向性を改善した、中波用９０°配置ループアンテナが開発されているが、シミュレーション結果によれば図７（ｂ）に示すように４５度方向の利得が３ｄＢ程度低下する水平指向性パターンを有している。このように無指向性の仕様を十分に満足する受信アンテナがないため、車で電波受信エリアを走行しながら電波受信状況を調査する際に、方向による受信利得の低下や周辺状況の影響を受ける等の問題が生じていた。

かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、自動車等への取り付けおよび収納容易性を備え、無指向性に優れたアンテナを提供することである。

上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る無指向性アンテナは、
設置面が伸縮可能な台座と、
前記台座の設置面に垂直に固定された基準ポールと、
前記台座に対して固定された２ｎ個（ｎは２以上の整数）のアンテナ素子とを備え、
前記２ｎ個のアンテナ素子は、前記各アンテナ素子が前記台座の使用状態において、前記基準ポールに関して線対称の形状を有し、前記基準ポールを回転軸線として（９０／ｎ）度おきに等角度間隔で配置され、連続して隣り合うｎ個のアンテナ素子からなるアンテナ素子セットを２組構成し、２組のアンテナ素子セットの各アンテナ素子セットごとにアンテナ素子同士を電気的に接続し、
前記２ｎ個のアンテナ素子は、前記各アンテナ素子の複数個所を前記台座の設置面と固定することにより、前記台座の伸縮に合わせて折り畳みが可能であることを特徴とする。

また、前記２組のアンテナ素子セットのうちの第１アンテナ素子セットの出力に対し、第２アンテナ素子セットの出力に９０度の位相差をもたせて両者を合成することによりアンテナ出力を得るように構成することが好ましい。

また、前記２ｎ個のアンテナ素子の前記各アンテナ素子はループアンテナ素子であることが好ましい。

また、前記台座の使用状態において、前記台座の設置面上における前記基準ポールを中心とする正４ｎ角形の頂点位置において前記台座の設置面に垂直に固定される４ｎ本のアンテナポールを備え、
前記２ｎ個のアンテナ素子の前記各アンテナ素子は、前記基準ポールに関して対向する前記４ｎ本のアンテナポールの中の一対のアンテナポールの上下端部において固定されることにより、前記一対のアンテナポールの上下端部をそれぞれ頂点とする長方形形状のループ面を有するループアンテナ素子であることが好ましい。

また、前記台座はアコーディオン状の網目構造を有することが好ましい。

上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る無指向性アンテナは、
基準ポールと、
２ｎ個（ｎは２以上の整数）のアンテナ素子とを備え、
前記２ｎ個のアンテナ素子は、前記各アンテナ素子が、前記基準ポールに関して線対称の形状を有し、前記基準ポールを回転軸線として（９０／ｎ）度おきに等角度間隔で配置され、連続して隣り合うｎ個のアンテナ素子からなるアンテナ素子セットを２組構成し、２組のアンテナ素子セットの各アンテナ素子セットごとにアンテナ素子同士を電気的に接続することを特徴とする。

本発明によれば、水平指向性パターンにおける利得の落ち込みが少ない無指向性アンテナが実現でき、車を利用した電波受信状況調査において車体の方向に依存しない正確な受信品質データの取得が可能となる。また、台座ごと折り畳みが可能な構造を採用することにより、少人数でも車への取り付けが容易となる他、未使用時の収納性にも優れたアンテナの提供が可能となる。

（ａ）は本発明の実施形態による無指向性アンテナを展開した状態の斜視図を示す。（ｂ）は本発明の実施形態による無指向性アンテナを構成するループアンテナ素子の上面図を示す。 （ａ）は本発明の実施形態による無指向性アンテナにおける、基準ポール及びアンテナポールの固定部の拡大図を示す。（ｂ）は本発明の実施形態による無指向性アンテナにおける、ループアンテナ素子を基準ポール及びアンテナポールに固定するためにポール上下端に設けた固定フックを示す。（ｃ）は本発明の実施形態による無指向性アンテナを構成する、基準ポール及びアンテナポールにより支持されるループアンテナ素子を示す。 本発明の実施形態による無指向性アンテナを折り畳んだ状態を示す。 本発明の実施形態による無指向性アンテナを展開して自動車の屋根に取り付けた状態を示す。 本発明の実施形態による無指向性アンテナの信号処理回路ブロック図を示す。 本発明の実施形態による無指向性アンテナの水平指向性パターンを示す。 （ａ）は従来の９０°配置ループアンテナの構成を示す。（ｂ）は従来の９０°配置ループアンテナの水平指向性パターンを示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態による無指向性アンテナ１００の斜視図を、図１（ｂ）は無指向性アンテナ１００を構成するループアンテナ素子１乃至４の平面図を示す。図１（ａ）に示すように、無指向性アンテナ１００は、特定方向に伸縮可能でありアンテナ素子を車の屋根等に固定するためのアコーディオン状台座７と、台座７のほぼ中央位置において設置面に垂直に配置された基準ポール５と、ループアンテナ素子をそのループ形状を保持した状態で支持するための８本のアンテナポール６と、基準ポール５及び対向する対のアンテナポール６により長方形形状を維持して電波の受信を行う４つのループアンテナ素子１乃至４と、ループアンテナ素子のインピーダンス整合等を行うための回路を収納する回路ボックス８とを備える。

アコーディオン状台座７は、図１（ａ）に示す網目構造を有する木製の台座であり、図１（ａ）の奥行き方向に伸縮可能に構成されている。その伸縮方向両端には台座取り付け部１０が設けられ、台座取り付け部１０の間隔を大きくすると網目の縦横比が変化し、台座７の網目構造部分は、図１（ａ）の奥行き方向に長く、横方向に短い形状へと変化する。この台座取り付け部１０を用いて、例えば車の屋根に設けられたベースキャリア等に無指向性アンテナ１００を固定することができる。

アコーディオン状台座７の材質には例えば木材を用いることが好ましい。このような非導電材料を用いることによりアンテナ素子に必要な電気的特性に影響を与えないようにすることができる。

基準ポール５は、アコーディオン状台座７の網目構造を有するエリアのほぼ中央において台座の設置面に垂直に延びた状態で配置される。また、同じく８本のアンテナポール６が台座の設置面に垂直に基準ポールを取り囲んで配置される。なお、本実施形態において、アコーディオン状台座７の「使用状態」とは、８本のアンテナポール６が基準ポール５を中心とする正八角形の各頂点位置となるように台座７を展開した状態を指す。基準ポール５及びアンテナポール６は、図２（ａ）に示すようなコーナー金具２１を使って台座７の設置面に固定される。基準ポール５及びアンテナポール６は、図２（ｂ）に示すように上下２箇所においてねじ締結により固定された固定フック２２内にループアンテナ素子の被覆電線２３を通すことにより、ループアンテナ素子を支持する役割を果たす。この基準ポール５及びアンテナポール６による支持により、ループアンテナ素子１乃至４を構成する被覆電線２３は、図２（ｃ）に示すように基準ポール５に関して線対称な長方形形状を維持することができる。

なお、基準ポール５及びアンテナポール６には例えばビニール製のパイプを用いることが好ましい。アコーディオン状台座７と同様に非導電材料を用いることにより、アンテナ素子に必要な電気的特性に影響を与えないようにすることができる。

ループアンテナ素子１乃至４は、基準ポール５に関して線対称な長方形形状のループを構成する。各ループアンテナ素子は、ループの各頂点位置において、アンテナポール６の上下２箇所に設けられた固定フック２２により支持され、各ループ面が台座７の設置面と垂直になるように配置される。アンテナポール６はアコーディオン状台座７の使用状態において基準ポール５を中心とする正八角形の頂点位置に配置されており、隣り合うループアンテナ素子は、基準ポール５を回転軸線として４５度おきに等角度間隔で配置される。そして、図１（ｂ）に示すように、周方向４５度の角度をなして隣り合うループアンテナ素子１及び２を電気的に接続して第１アンテナ素子セット９（ａ）を構成し、やはり４５度の角度をなして隣り合うループアンテナ素子３及び４を電気的に接続して第２アンテナ素子セット９（ｂ）を構成する。なお、アンテナ素子間の電気的な接続については、後述する。

ループアンテナ素子１乃至４は、銅線に絶縁被覆を施した被覆電線２３をあらかじめ所定のターン数だけ巻いておき、基準ポール５及び各アンテナポール６の上下２箇所に配置された固定フック２２に順に通していくことにより長方形形状のループアンテナ素子を構成する。各ループアンテナ素子は、素子を構成する被覆電線２３を非導電性材料の結束バンドにより適宜束ねることにより、全体としてまとまりよく配置される。なお、本実施形態においては、被覆電線２３をあらかじめ１周２．４メートルで４ターン巻いておき、固定フック２２に通すことにより水平方向０．８メートル、垂直方向０．４メートルのループアンテナ素子を構成している。

本実施形態においては、隣り合うループアンテナ素子を１セットとして電気的に接続して用いる。すなわち、ループアンテナ素子１及び２を直列に接続し、第１アンテナ素子セット９（ａ）として使用する。同様にループアンテナ素子３及び４を直列に接続し、第２アンテナ素子セット９（ｂ）として使用する。

回路ボックス８は、ループアンテナ素子のインピーダンス整合等を行うための回路を収納するボックスであり、無指向性アンテナ１００が屋外で使用されることを想定して、防水構造を備える。なお、内部に収納する回路の構成については後ほど詳述する。

図３は、台座取り付け部１０の間隔を最小にして畳んだ状態を示す。このように台座７を畳むことによりアンテナポール６の間隔も狭くなり、各ループアンテナ素子１乃至４を含めた全体寸法を所定の幅に収めることができる。この構造の採用により、少人数でも車への無指向性アンテナ１００の着脱が容易となり、また、未使用時にアンテナ１００を車内その他の場所へ容易に収納することが出来る。

図４は、無指向性アンテナ１００を使用状態まで展開した状態で受信電波観測用自動車４２の屋根部に搭載した様子を示す。自動車４２の屋根部の周囲には、ベースキャリア４１があらかじめ設置されている。作業者は、アコーディオン状台座７の伸縮方向が自動車４２の車幅方向になるようにして無指向性アンテナ１００の台座７を左右に所定の幅で開き、左右の台座取り付け部１０と車幅方向のベースキャリア４１とを、頑強なロープ等を用いてしっかりと固定する。なお、無指向性アンテナ１００は、アコーディオン状台座７の台座取り付け部１０を自動車４２の車幅方向のベースキャリア４１に固定したときに台座７が使用状態まで展開するように設計されている。このように自動車４２の左右において作業を行うことにより、作業者が一人であっても無指向性アンテナ１００の取り付け及び取り外しを容易に行うことが可能である。

図５は、無指向性アンテナ１００が受信した電波から結合アンテナ出力５４を得るための回路ブロック図であり、整合回路５１（ａ），５１（ｂ）及び９０°ハイブリッド結合器５３から構成されている。

整合回路５１（ａ）は、共振コイルや変成器等から構成され、ループアンテナ素子１及び２を直列接続した第１アンテナ素子セット９（ａ）の出力インピーダンスを配線ケーブルの特性インピーダンス及び９０°ハイブリッド結合器５３の入力インピーダンス（５０Ω）に整合させるための回路である。整合回路５１（ｂ）は、ループアンテナ素子３及び４を直列接続した第２アンテナ素子セット９（ｂ）の出力インピーダンスを５０Ωに整合させるための回路である。

９０°ハイブリッド結合器５３は、整合回路５１（ａ）から出力された第１アンテナ出力５２（ａ）に対して、整合回路５１（ｂ）から出力された第２アンテナ出力５２（ｂ）に９０度の位相差をもたせてから両者を合成するための回路である。ループアンテナ素子１及び２からなる第１アンテナ素子セット９（ａ）と、ループアンテナ素子３及び４からなる第２アンテナ素子セット９（ｂ）とは、基準ポール５周りに９０度ずれて配置されているため、第１アンテナ素子セット９（ａ）からの第１アンテナ出力５２（ａ）と第２アンテナ素子セット９（ｂ）からの第２アンテナ出力５２（ｂ）との間に９０度の位相差が発生する。従って、９０°ハイブリッド結合器５３においてその位相差をキャンセルさせることにより、無指向性の結合アンテナ出力５４を得ることができる。なお、整合回路５１（ａ），５１（ｂ）及び９０°ハイブリッド結合器５３は、図１（ａ）に示す回路ボックス８内に収納される。

図６は、本発明の実施形態による無指向性アンテナ１００により得られる水平指向性パターンのシミュレーション結果である。従来の９０°配置ループアンテナから得られるアンテナ出力の水平指向性パターンのシミュレーション結果（図７（ｂ））と比較すると、４５度方向の利得の落ち込みが３ｄＢから１ｄＢへと大幅に改善されることが分かる。

以上、本発明の実施形態によれば、従来の無指向性アンテナに対して付加的な結合器を設けることなくアンテナ素子のみを２つ追加することにより、水平指向性パターンにおける利得の落ち込みを低減させ、良好な無指向性アンテナを実現することができる。

また、本実施形態によれば、アンテナ素子をループアンテナ素子とすることにより、主に長中波帯の受信に適した無指向性アンテナを実現することができる。

また、本実施形態によれば、無指向性アンテナ１００を伸縮可能な台座上に固定することにより、作業者が一人の場合にも容易にアンテナ１００の取り付け及び取り外し作業を行うことができる。また、取り外し後のアンテナ１００の収納にも適した構造である。

なお、本実施形態において、ループアンテナ素子１とループアンテナ素子２とを直列に接続し、ループアンテナ素子３とループアンテナ素子４とを直列に接続するように構成したが、本発明はこの形態に限定されない。ループアンテナ素子１とループアンテナ素子２とを並列に接続し、同じくループアンテナ素子３とループアンテナ素子４とを並列に接続するように構成しても同様の効果が得られる。

また、本発明の実施形態において、ループアンテナ素子のループ面形状を長方形としたが、本発明はこの形態に限定されない。円形や楕円形などの他の形状を用いることが可能である。

また、本発明の実施形態において、隣り合うループアンテナ素子の角度を４５度として配置したが、本発明はこの形態に限定されず、９０の約数である任意の角度ごとに配置することができる。例えば、隣り合うループアンテナ素子の角度を３０度として、３枚のループアンテナ素子を直列接続してアンテナ出力を得るように構成しても良い。

本実施形態において、アコーディオン状台座７の材質として木材を使用し、基準ポール５及びアンテナポール６の材質としてビニールを使用したが、本発明はこれに限定されず他の様々な非導電性材料を用いることができる。

本実施形態において、４５度の角度で隣り合うループアンテナ素子同士を直列に接続して第１アンテナ出力５２（ａ）及び第２アンテナ出力５２（ｂ）としてまとめたが、本発明はこの形態には限定されない。４５度の角度で隣り合うループアンテナ素子１及び２をそれぞれ個別の整合回路によりインピーダンス整合をとった後に４５°合成回路に入力し、一方のループアンテナ素子の出力に４５度の位相差をもたせてから合成することにより第１アンテナ出力としてもよい。この場合、ループアンテナ素子３及び４から同様の手法により第２アンテナ出力を得るものとする。なお、第１アンテナ出力に対して第２アンテナ出力に９０度の位相差をもたせてから両出力を合成して結合アンテナ出力を得る点については、上述の実施形態と同様である。

また、前段落の変形例として、９０度の角度をなすループアンテナ素子１及び３をそれぞれ個別の整合回路によりインピーダンス整合をとった後に９０°ハイブリッド結合器に入力し、一方のループアンテナ素子の出力に９０度の位相差をもたせてから合成することにより第１アンテナ出力とすることができる。この場合、ループアンテナ素子２及び４から同様の手法により第２アンテナ出力を得るものとする。更に、第１アンテナ出力に対して第２アンテナ出力に４５度の位相差をもたせてから合成して結合アンテナ出力を得るものとする。

また、本実施形態において、４５度の角度で隣り合うループアンテナ素子同士を直列に接続して第１アンテナ出力及び第２アンテナ出力としてまとめたが、他の実施形態として、４５度の角度で隣り合うバットウィング素子を備えたスーパーターンスタイルアンテナを構成することが可能である。すなわち、アンテナ入力を９０°ハイブリッド結合器に入力することにより、第１アンテナ入力及びそれに９０度の位相差をもたせた第２アンテナ入力を生成する。その後、４５度の角度をなして隣り合い、直列接続された第１バットウィング素子及び第２バットウィング素子に対して、第１アンテナ入力を整合回路経由で供給する。同様に、４５度の角度をなして隣り合い、直列接続された第３バットウィング素子及び第４バットウィング素子に対して、第２アンテナ入力を整合回路経由で供給する。これにより特許文献１及び２よりも更に無指向性に優れたスーパーターンスタイルアンテナを実現することができる。

以上、本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１〜４ ループアンテナ素子
５ 基準ポール
６ アンテナポール
７ アコーディオン状台座
８ 回路ボックス
９（ａ） 第１アンテナ素子セット
９（ｂ） 第２アンテナ素子セット
１０ 台座取り付け部
２１ コーナー金具
２２ 固定フック
２３ 被覆電線
４１ ベースキャリア
４２ 受信電波観測用自動車
５１（ａ），５１（ｂ） 整合回路
５２（ａ） 第１アンテナ出力
５２（ｂ） 第２アンテナ出力
５３ ９０°ハイブリッド結合器
５４ 結合アンテナ出力
７１，７２ ループアンテナ素子
１００ 無指向性アンテナ

Claims (8)

1. 設置面が伸縮可能な台座と、
   前記台座の設置面に垂直に固定された基準ポールと、
   前記台座に対して固定された２ｎ個（ｎは２以上の整数）のアンテナ素子とを備え、
   前記２ｎ個のアンテナ素子は、前記各アンテナ素子が前記台座の使用状態において、前記基準ポールに関して線対称の形状を有し、前記基準ポールを回転軸線として（９０／ｎ）度おきに等角度間隔で配置され、連続して隣り合うｎ個のアンテナ素子からなるアンテナ素子セットを２組構成し、２組のアンテナ素子セットの各アンテナ素子セットごとにアンテナ素子同士を電気的に接続し、
   前記２ｎ個のアンテナ素子は、前記各アンテナ素子の複数個所を前記台座の設置面に対して固定することにより、前記台座の伸縮に合わせて折り畳みが可能であることを特徴とする無指向性アンテナ。
2. 前記２組のアンテナ素子セットのうちの第１アンテナ素子セットの出力に対し、第２アンテナ素子セットの出力に９０度の位相差をもたせて両者を合成することによりアンテナ出力を得るように構成した、請求項１に記載の無指向性アンテナ。
3. 前記２ｎ個のアンテナ素子の前記各アンテナ素子はループアンテナ素子である、請求項１又は２に記載の無指向性アンテナ。
4. 前記台座の使用状態において、前記台座の設置面上における前記基準ポールを中心とする正４ｎ角形の頂点位置において前記台座の設置面に垂直に固定される４ｎ本のアンテナポールを備え、
   前記２ｎ個のアンテナ素子の前記各アンテナ素子は、前記基準ポールに関して対向する前記４ｎ本のアンテナポールの中の一対のアンテナポールの上下端部において固定されることにより、前記一対のアンテナポールの上下端部をそれぞれ頂点とする長方形形状のループ面を有するループアンテナ素子である、請求項３に記載の無指向性アンテナ。
5. 前記台座はアコーディオン状の網目構造を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の無指向性アンテナ。
6. 基準ポールと、
   ２ｎ個（ｎは２以上の整数）のアンテナ素子とを備え、
   前記２ｎ個のアンテナ素子は、前記各アンテナ素子が、前記基準ポールに関して線対称の形状を有し、前記基準ポールを回転軸線として（９０／ｎ）度おきに等角度間隔で配置され、連続して隣り合うｎ個のアンテナ素子からなるアンテナ素子セットを２組構成し、２組のアンテナ素子セットの各アンテナ素子セットごとにアンテナ素子同士を電気的に接続することを特徴とする無指向性アンテナ。
7. 前記２組のアンテナ素子セットのうちの第１アンテナ素子セットの出力に対し、第２アンテナ素子セットの出力に９０度の位相差をもたせて両者を合成することによりアンテナ出力を得るように構成した、請求項６に記載の無指向性アンテナ。
8. 前記２ｎ個のアンテナ素子の前記各アンテナ素子はループアンテナ素子である、請求項６又は７に記載の無指向性アンテナ。