JPH0736488B2 - 位相差給電形アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、位相差給電形アンテナに関するものである。

［背景技術］ 位相差給電形アンテナは、八木式アンテナと異なり、全
素子に強制給電してエンドファイヤアレイアンテナを構
成するものであるが、構造が複雑になるため、２〜３素
子型のものが実用化されている。特にテレビアンテナ用
として使用する場合は、ゴースト信号排除特性が重視さ
れ、アンテナ指向特性のうち、前後比が最大となる条件
で設計されることが多い。

今、３個の点波源，，が第４図（ａ）に示す座標
上でｚ軸に沿って等間隔ｄで配置された場合について考
える。各素子の給電電流の振幅をそれぞれI₁,I₂,I₃と
し、位相差が互いに隣合った素子間で順次δラジアン進
んでいるとし、 ψ＝（２π／λ）・d cosθ＋δ ……（１） とおく。ただし、λは使用周波数の波長、θはｚ軸から
の指向角である。

このような配列の波源からの輻射指向性をｇ（θ）とお
くと、（２）式のように表される。

ｇ（θ）＝|I₁＋I₂e^ｊψ＋I₃e^2jψ｜ ……（２） 今、（２）式のI₁,I₂,I₃の間に I₁:I₂:I₃＝1:−2:1 ……（３） の関係があるとすれば、ｇ（θ）は、 ｇ（θ）＝I₁×|1−2e^ｊψ＋ｅ^2jψ｜ ＝I₁×｜（１−ｅ^ｊψ）^２ ……（４） となり、この条件下で前後比最大、すなわちθ＝πにお
いて、ｇ（θ）がゼロになる条件を求めると、I₁≠０で
あるから、 １−ｅ^ｊψ＝０ ……（５） となる。すなわち、（１）式より ψ＝（２π／λ）・d cosπ＋δ＝０ ……（６） （６）式より、 δ＝（２π／λ）・ｄ ……（７） とすれば良いことがわかる。

点波源を２個とした場合も同様に、I₃＝０として、 I₁:I₂＝1:−１ ……（８） とおくと、ｇ′（θ）は、 ｇ′（θ）＝I₁×|1−ｅ^ｊψ｜ ……（９） となり、３個の場合と同様に前後比最大の条件は δ＝（２π／λ）・ｄ となる。

実際にこのようなアンテナを、ダイポール型アンテナ素
子を用いて実現する場合は、第４図（ｂ）に示すよう
に、最大輻射方向をｚ軸方向としてダイポール型アンテ
ナ素子（イ）（ロ）（ハ）を配列し、互いに隣接する素
子間の位相差を、素子間隔の波長距離に相当する位相差
とし、振幅比を３素子の場合は、1:−2:1、２素子の場
合は、1:−１の比率に選べば良い。

第５図はダイポールアンテナ素子を用いた位相差給電形
アンテナの実際の構成例を示したものである。第５図
（ａ）は３素子の場合の構成例で、ダイポールアンテナ
素子（以下アンテナ素子と記す）1,2,3の夫々に平衡・
不平衡変換トランス（以下バルントランスと記す）4,5,
6が接続されている。これらバルントランス4,5,6に、ア
ンテナ出力端子９からのアンテナ出力がハイブリッド２
分配器（以下分配器と記す）7,8にて分配されて入力さ
れている。アンテナ素子２への給電電流はアンテナ出力
端子９からの給電電流の半分となるが、アンテナ素子１
及び３に対しては、分配器７により更に２分の１の電流
が供給される。また、アンテナ素子２とバルントランス
５との接続点では図示したように反転接続されているの
で、結局、アンテナ素子1,2,3への給電電流比は1:−2:1
となり、（３）式を満足する。更に、分配器８からバル
ントランス５に至る給電線路の電気長l₂と、分配器８か
ら、分配器７を介してバルントランス４に至る給電線路
の電気長l₁と、分配器８から分配器７を介してバルント
ランス６に至る給電線路の電気長l₃との間に l₁−l₂＝ｄ ……（10） l₂−l₃＝ｄ ……（11） の関係が成り立つように給電線路の長さを選べば（７）
式の位相差給電条件が満足される。

この条件は、ｚ軸上で前後比が最大になる条件である
が、θ＝０すなわち正面方向から到来する信号振幅につ
いて考えると、（３）式の条件は広帯域に成立している
として（広帯域トランスを使用すれば容易に実現でき
る。）、（４）式でI₁＝１とすると、（４）式は次式と
なる。

ｇ（θ）＝｜（１−ｅ^ｊψ）²| ＝２（１−cosψ） ……（12） （１）式でθ＝０とおいて（７）式を代入すると、 ψ＝２×（２π／λ）・ｄ ……（13） となる。そして、（12）式に（13）式を代入すると、 ｇ（０）＝２｛１−cos（４πd/λ）｝ …（14） となる。（14）式中ｄは構造上一定値をとるから、λが
変化するとｇ（０）は変化する。ここで、比較しやすい
ように、ｇ（０）を正規化し、λの代わりに周波数ｆ
（MHz）を用いると、 Ｋ＝20log｛ｇ（０）/4｝ ＝20log［0.5｛１−cos（４πdf/300｝］ ……（15） ただし、単位は、Ｋ（dB）、ｆ（MHz）、ｄ（ｍ）であ
る。

このアンテナをテレビアンテナとして使用する場合を考
えて、90〜222MHz帯で（15）式を計算した例を第６図に
示す。第６図において、横軸は周波数（MHz）、縦軸は
信号振幅の相対値Ｋ（dB）を表す。図中上部に日本での
テレビ放送帯（VHF LOW、VHF HIGH）横線で示してあ
る。また、（15）式の計算値をｄをパラメータにして表
示している。実線はｄ＝0.48m、点線はｄ＝0.76m、一点
鎖線はｄ＝0.38mの場合を示す。

これから明らかなように、VHFハイチャネル用として設
計（ｄ＝0.38m）すれば、VHFローチャネルでは、−５〜
−8dBとなり、VHFローチャネル用として設計（ｄ＝0.76
m）すれば、VHFハイチャネルで、−10dB以下（−15〜−
17dB）となる。また、妥協設計（ｄ＝0.48m）すれば、V
HFハイチャネル、ローチャネル共に−4dB程度に低下す
る。

更に、ｄの値が大きくなるほど周波数帯域幅が狭くな
り、周波数の変化に対して受信レベルの低下が激しいこ
とがわかる。従って、従来この種のテレビ受信アンテナ
では、ｄ＝0.3〜0.5（ｍ）程度に選び、VHFローチャネ
ルの受信レベル低下は不可能であるとして妥協設計され
ていた。

次に、第５図（ｂ）に示した二素子の場合について考え
ると、（９）式でI₁＝１とおいて、（13）式を代入して
次式を得る。

（14）式の場合と同様にｇ′（０）を正規化し、更に波
長λの代わりに周波数ｆで表わすと次式のようになる。

（15）式の場合と同様に、テレビ受信用として計算する
と、第７図のようになる。第７図の表示は第６図と同様
である。VHFハイチャネル用として設計すれば、一点鎖
線で示したようにｄ＝0.38mで、このときローチャネル
では、−２〜−4dB、VHFローチャネル用として設計すれ
ば点線で示したように、ｄ＝0.76mで、このときハイチ
ャネルでは、−７〜−8dBとなる。また、妥協設計をす
れば実線で示したように、ｄ＝0.48mでハイチャネル、
ローチャネル共に、−１〜−2dBとなる。第６図と比較
すると、ｄが大きいと帯域幅が狭くなる傾向は同じであ
るから、ｄ＝0.3〜0.5（ｍ）としてローチャネルを犠牲
にした妥協設計が従来行なわれていた。尚、第５図
（ｂ）において、アンテナ出力端子11から電流が分配器
10を介して第５図（ａ）と同様にバルントランス4,5に
給電している。

以上説明したように、従来の位相差給電形アンテナで
は、VHFローチャネルでの利得低下が設計上避けられな
いものであった。

［発明の目的］ 本発明は、上述の点に鑑みて提供したものであって、低
周波数帯での利得の低下を防止し、特にテレビ受信に適
した位相差給電形アンテナを提供することを目的とした
ものである。

［発明の開示〕 （構成） 本発明は、複数本の長さの異なるダイポールアンテナ素
子を互いに近接して組み合わせた多周波型ダイポールア
ンテナを少なくとも二組設け、この多周波型ダイポール
アンテナを位相差給電する位相差給電回路を設け、上記
多周波型ダイポールアンテナの長さの短いダイポールア
ンテナ素子を互いに相近付けて配置すると共に、長いダ
イポールアンテナ素子を互いに相遠ざけて配置したこと
で、各多周波型ダイポールアンテナの長いダイポールア
ンテナ素子間の間隔を広げて広帯域における低周波数帯
の利得の低下を防止し、また、各多周波型ダイポールア
ンテナの短いダイポールアンテナ素子間の間隔を近付け
て、広帯域における高周波数帯の利得の低下を防止する
ようにしたことを特徴とするものである。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面により説明する。本発明
は、テレビ受信用アンテナとしては、VHF帯では、互い
に離れた二周波数帯を受信すれば良いことに着目し、多
周波型ダイポールアンテナを使用して、必要な受信帯域
を受信するとともに、その多線条構造を利用して、実効
的にアンテナ素子間隔を周波数帯に応じて変化させよう
とするものである。

以下、具体的に説明する。第１図は本発明に基づく二素
子位相差給電形アンテナの構成例を示すもので、２周波
型ダイポールアンテナを２組形成したものである。つま
り、二周波型のアンテナ素子12,14及び13,15を用い、そ
の給電点にバルントランス16,17を接続している。アン
テナ出力端子24から出力された電流は、２分配器22で分
配され、一方は同軸ケーブル23を介してバルントランス
16に入力し、他方は分波器21に入力している。また、分
波器21からは、長さの異なる同軸ケーブル19,20を介し
て分波器18に接続され、この分波器18はバルントランス
17に接続されいる。第１図に示すような複数のアンテナ
素子で構成したダイポール多周波型アンテナは、従来広
く用いられているが、この型のアンテナ素子では、例え
ば、高周波数帯では、長さの短いアンテナ素子14,15が
各々動作し、低周波数帯では長さの長いアンテナ素子1
2,13が主として動作すると考えて良い。従って、例えば
第１図で示した二周波型ダイポールアンテナの各素子間
隔D₁,D₂を D₁＝0.48m D₂＝0.38m に選べば、第７図に参照して、VHFローチャネル受信時
の利得が約1.5dB向上する。従って、従来改善できなか
ったVHFローチャネルの利得を向上させることが可能に
なる。第２図に示すように、三素子型位相差給電形アン
テナに、この二周波型アンテナ素子を用いた場合でも、
各素子間隔D₃,D₄をそれぞれD₁,D₂と同じ値に選ぶと、第
６図よりVHFローチャネルでの利得改善は約3dBとなるこ
とがわかる。

いま、第１図のように二組の二周波型ダイポールアンテ
ナの高周波数帯用のアンテナ素子14,15を互いに近付け
て配置し、低周波数帯用のアンテナ素子12,13を互いに
遠ざけて配置すれば、二素子を各々点波源として考えた
ときの利得が改善されることになるが、これに加えて、
二周波アンテナ素子12,13、14,15は、VHFローチャネル
及びVHFハイチャネルで各々最適の長さのダイポールア
ンテナとして動作するから、個別素子利得も改善され、
パターン乗積の原理により、単一のダイポールアンテナ
素子を用いた場合と比較して指向性利得が向上し総合利
得は一層改善される。また、各アンテナ素子のインピー
ダンス特性も良好になり、整合が容易となる利点もあ
る。

しかしながら、前後比に関して考えると、この二周波ア
ンテナ素子を用いた場合は、実効的に素子間隔ｄが変化
するから、これに応じて位相差給電回路の移相量を変化
させないと前後比が劣化することになる。

第１図では、最も簡単な周波数依存型移相器の実現例と
して、分波器18,21及び長さの異なる同軸ケーブル19,20
を用いた例を示している。分波回路手段を構成する分波
器18,21はVHFハイチャネルとローチャネルの分波を行な
うものであり、その対応する分波出力同士を異なった長
さの同軸ケーブル19,20で結ぶことにより、異なった移
相量の設定が可能である。従って、各周波数帯で位相条
件を満足させることができるものである。つまり、前後
比を最大にすることができる。尚、周波数依存型移相器
は、一般的には分散遅延線路・集中定数による移相回路
でも実現可能である。このように構成することで、位相
差給電形アンテナをテレビ受信アンテナとして使用した
場合、つまり、広帯域受信を行なう場合に問題となる低
周波数帯域（VHFのローチャネル）の利得の低下を前後
比を損なうことなく容易に防止することができるもので
ある。また、多周波型アンテナを使用することにより、
受信帯の間の不要周波数帯信号に対しては受信レベルを
低くすることができるので、帯域外妨害波の影響も減少
するものである。尚、上記長さの異なる同軸ケーブル1
9,20で移相回路手段を構成する。また、上記バルントラ
ンス16,17、分波器18,21、分配器22、同軸ケーブル19,2
0等で位相差給電回路を構成する。

第２図は、三素子位相差給電形アンテナに本発明を適用
した実施例を示している。第２図において、二周波型ア
ンテナ素子25,26,27に夫々バルントランス28,29,30が接
続され、アンテナ出力端子37から、分配器36,34、分波
器35、電気長の異なる同軸ケーブル32,33、分波器31を
介して上記バルントランス28,29,30に電流を供給するよ
うにしている。

この場合、第１図と異なるのは、中央のアンテナ素子26
が図中の座標軸ｙ−ｚ平面内に置かれていることで、こ
れはｘ−ｙ平面内に置かれたアンテナ素子25,26とｙ軸
に関して対称性を持たせることを目的としている。

第３図は、多周波型アンテナ素子を用いた例を示すもの
で、第３図（ａ）では、３周波用アンテナ素子38,39,40
を用いて二素子位相差給電形アンテナの構成例を示し、
第３図（ｂ）では、同図（ａ）と類似しているが、各周
波用アンテナ素子41,42,43が扇状に配列された例を示し
ている。第３図では給電系が示していないが、分波器が
３出力となり、移相用ケーブルが３組必要となる点のみ
異なり、他は第１図の場合と同様である。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、複数本の長さの異なるダイポー
ルアンテナ素子を互いに近接して組み合わせた多周波型
ダイポールアンテナを少なくとも二組設け、この多周波
型ダイポールアンテナを位相差給電する位相差給電回路
を設け、上記多周波型ダイポールアンテナの長さの短い
ダイポールアンテナ素子を互いに相近付けて配置すると
共に、長いダイポールアンテナ素子を互いに相遠ざけて
配置したことで、各多周波型ダイポールアンテナの長い
ダイポールアンテナ素子間の間隔を広げて広帯域におけ
る低周波数帯の利得の低下を防止し、また、各多周波型
ダイポールアンテナの短いダイポールアンテナ素子間の
間隔を近付けて、広帯域における高周波数帯の利得の低
下を防止することができる効果を奏するものである。従
って、特に、テレビ受信に適した位相差給電形アンテナ
を提供できるものである。また、多周波型アンテナを使
用することにより、受信帯の間の不要周波数帯信号に対
しては受信レベルを低くすることができるので、帯域外
妨害波の影響も減少するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の二素子型の位相差給電形アン
テナの構成図、第２図は同上の他の実施例の三素子型の
場合の構成図、第３図（ａ）（ｂ）は同上の夫々更に他
の実施例を示す図、第４図及び第５図は位相差給電形ア
ンテナの原理を示す説明図、第６図及び第７図は従来例
の位相差給電形アンテナの特性図である。 12,13,14,15はダイポールアンテナ素子である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本の長さの異なるダイポールアンテナ
   素子を互いに近接して組み合わせた多周波型ダイポール
   アンテナを少なくとも二組設け、この多周波型ダイポー
   ルアンテナを位相差給電する位相差給電回路を設け、上
   記多周波型ダイポールアンテナの長さの短いダイポール
   アンテナ素子を互いに相近付けて配置すると共に、長い
   ダイポールアンテナ素子を互いに相遠ざけて配置して成
   ることを特徴とする位相差給電形アンテナ。
2. 【請求項２】複数の周波数を分波する分波回路手段を少
   なくとも２組用いて、相対応する周波数帯出力端子間
   を、それぞれの周波数帯に応じて異なった量の移相を行
   なう移相回路手段を介して互いに接続した位相差給電回
   路を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の位相差給電形アンテナ。