JPH10173431A - モノポールアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射パターンを変化させることなく、平面導
体地板を小形する。 【解決手段】 モノポールアンテナ１０には、平面導体
地板２と、モノポールの線状放射素子１ａ，１ｂと、給
電部３ａ，３ｂとが設けられる。この発明では特に、線
状放射素子１ａ，１ｂは、ほぼ等しい共振周波数を有
し、同相、同振幅で給電される。また平面導体地板２の
大きさが、線状放射素子の共振波長よりも十分小さく、
例えば１／３〜１／４程度或いはそれより多少小さく設
定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は使用波長に比較して
小型なモノポールアンテナに関し、平面導体地板の小型
化による放射パターンの劣化を補正する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４に従来のモノポールアンテナの例
を示す。モノポールアンテナ１０は対称構造のダイポー
ルアンテナを鏡像の原理により平面導体地板を用いてア
ンテナ高を半分に抑えたものである。モノポールアンテ
ナ１０をダイポールアンテナと等価に動作させるために
用いる導体地板２は無限の大きさを必要とするが、実際
には有限平面の円形もしくは矩形の導体板が用いられ
る。この平面導体地板１の大きさが使用周波数における
波長と同程度もしくはそれ以下の大きさになると、地板
の縁（ふち）効果が現れ放射パターンのピークが地板よ
り上方に傾く。その傾きかたは地板の大きさが小さくな
るほど大きくなる（参考文献：オーム社、電子情報通信
学会編”アンテナ工学ハンドブック、第３章基本アンテ
ナ、２節モノポール（ユニポール）アンテナ、２項有限
地板上のモノポールアンテナ、ｐ．５１）。そのため平
面導体板と同一平面上（水平面）での利得が低下し、か
つ元となったダイポールアンテナの放射パターンから大
きく変化する。

【０００３】このような事は、たとえば共通の平面地板
を有し、モノポール系アンテナを多共振化するためさら
にモノポールを付加して用いる場合に問題となってく
る。付加するモノポールアンテナの共振周波数が元のモ
ノポールアンテナの共振周波数と比較して十分に低い場
合、新たに付加するモノポールアンテナに対しては地板
が小さいため、前述した放射パターンの変化が起こり、
その結果として周波数の変化による放射パターンのばら
つきが問題となってくる。

【０００４】このように波長に対して小形の地板を有す
るモノポールアンテナにおいては、放射パターンのピー
ク方向を平面導体板と同じ方向に向け、水平面での利得
を低下させないことは困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のモノ
ポールアンテナ１０においては放射パターンを変化させ
ることなく、平面導体地板２の大きさを小形化するのは
困難であった。この発明はこのような課題を解決し、従
来よりも小型な平面導体地板を用いながら放射パターン
の変化を抑える手法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

（１）請求項１の発明は、平面導体地板と、その平面導
体地板上に設けられ、モノポール構造の一対の線状放射
素子と、それら一対の線状放射素子と平面導体地板との
間にそれぞれ設けられた給電部とを有するモノポールア
ンテナに関する。請求項１では特に、一対の線状放射素
子は、ほぼ等しい共振周波数を有し、同相、同振幅で給
電され、平面導体地板の大きさが、線状放射素子の共振
波長よりも十分小さく設定される。

【０００７】（２）請求項２の発明では、前記（１）に
おいて、平面導体地板が矩形であるときはその短辺、楕
円であるときはその短径、円形であるときはその直径
が、それぞれ線状放射素子の共振波長のほぼ１／３〜１
／４程度或いはそれ以下に設定される。 （３）請求項３の発明では、前記（１）において、一対
の線状放射素子が、同一構造・寸法をもつように構成さ
れる。

【０００８】（４）請求項４の発明では、前記（１）に
おいて、一対の線状放射素子が、平面導体地板の対向な
端縁の近傍にそれぞれ設置されている。 （５）請求項５の発明では、前記（４）において、一対
の線状放射素子の共振波長より小さく、かつ平面導体地
板の寸法（短辺、短径または直径）の１．０〜１．２倍
程度かまたはそれ以下の大きさの共振波長を有するモノ
ポール構造の線状放射素子が、前記平面導体地板上に単
数または複数個設けられている。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（実施例１）図１はこの発明の第一の実施形態を示す図
であり、アンテナ装置の構造を斜視図により示す。この
アンテナ装置は２本の線状放射素子１ａ，１ｂと矩形の
平面導体地板２及び放射素子１ａ，１ｂそれぞれに給電
するための給電部３ａ，３ｂを備えている。

【００１０】用いる放射素子は図１では通常のモノポー
ル素子であるが、モノポール構造の線状アンテナであれ
ばこれに限らない。例えばアンテナの高さを抑えるため
に図２、図３に示すような抵抗装荷モノポールアンテナ
や逆Ｆアンテナを用いてもよい。平面導体板上に配置さ
れる２つの線状放射素子１ａ，１ｂ間の距離はある程度
離して配置した方が良いが、線状素子の共振周波数にお
ける波長λの０．１倍程度まで近づけて配置しても良
い。また平面導体板２上に配置される２つの線状放射素
子１ａ，１ｂの位置は前述のようにある程度の間隔をと
れば任意の位置で良いが、２つの放射素子の特性をそろ
える意味で平面導体地板２に対し対称または点対称に配
置することが望ましい。しかし、２つの線状アンテナ１
ａ，１ｂの共振周波数、放射パターンがほぼ同一のも
の、例えば同一構造・寸法のものであればこの限りでは
ない。

【００１１】また、この実施例では平面導体地板２の形
状は矩形としているが、形状はこれに限らず例えば円形
またはそれに類似した形状の物であっても良く、大きさ
については矩形の短辺、楕円の短径あるいは円形導体板
の直径が使用波長λより十分小さく、λの１／３〜１／
４程度或いはそれより多少小さくとも良い。２つの線状
アンテナ１ａ，１ｂへの給電は同相、同振幅とし、その
ための給電方法は同相、同振幅励振が実現できるのなら
ば、同軸線路、マイクロストリップ線路などの形式には
よらず、どのような方法でも良い。

【００１２】このようなモノポールの２素子アレーとし
個々の素子を同相、同振幅で励振すると、２素子アレー
アンテナの合成放射パターンは地板の天頂方向にヌル点
を形成することが出来る。その結果、平面導体板から上
方に向いた放射パターンのピーク方向が水平面方向に向
き、このアンテナの元となるダイポールアンテナ単体で
の放射パターンと同等の特性が得られる。

【００１３】この特性は平面導体地板の大きさに依存し
ないので、地板の大きさを使用波長よりも小さくできる
という特徴を有する。そのためこの方法を採用すれば放
射特性を劣化させずに、従来のモノポールアンテナより
も小形化が可能になる。これらの事が実現できるか確か
めるために実験を行った。図４に実験を行ったアンテナ
の寸法を示す。このアンテナの設計周波数は２８０ＭＨ
ｚであり、地板の大きさは２８０ＭＨｚでの波長の約１
／３程度と小形な物を用いている。さらに２つの放射素
子は地板の対向する縁近くにそれぞれ設置してあり、単
体の放射素子が有効に使える面積は更に小さく、非常に
小さな平面地板を用いたモノポールアンテナアレーとな
っている。

【００１４】用いたモノポール素子は高さを抑えるため
逆Ｆ型のアンテナを用いており、さらにアンテナ長を短
縮する目的で先端部をコイル状に巻いてある。逆Ｆアン
テナでは地板から垂直に立ち上がっている部分に電流が
集中し、地板と平行となるアンテナ先端部には電流はほ
とんど流れない。そのためアンテナ先端部をコイル状に
巻いてもアンテナ動作に影響を与えることは無い。

【００１５】最初に逆Ｆアンテナ単体の水平面（図４中
のｘｙ面）及び垂直面（ｚｘ面）の放射パターンを図
５、図６に示す。図６の垂直面放射パターンからわかる
ように、波長に比べて小さな平面地板を用いた場合、放
射パターンのピーク方向が地板上部方向にシフトし、完
全に天頂方向にシフトしていることがわかる。その結果
水平面での利得が低下し、かつ十分大きな地板を用いた
場合に形成される天頂方向のヌル点が完全になくなって
いる。

【００１６】次に２つの逆Ｆアンテナを同相、同振幅で
給電した場合のアレー合成水平面及び垂直面パターンを
図７、図８に示す。垂直面での放射パターンからわかる
ように最大ピーク方向が地板と平行方向に向いており、
かつ地板の天頂方向にきちんとヌル点が形成されてい
る。このように波長と比較して小さな平面導体板を用い
たモノポールアンテナでも２素子のアレー構造とし、２
つのアンテナを同相、同振幅励振すれば放射パターンの
変化を抑制できるため、アンテナの小型化が可能とな
る。 （実施例２）図９はこの発明の第２の実施形態を示す図
であり、斜視図によりその構造を示す。このアンテナ装
置は第一の実施例で述べたモノポールアレーアンテナ
と、さらに第二のモノポールアンテナとの組み合わせで
構成されている。すなわち同相、同振幅で励振する２本
の線状放射素子１ａ，１ｂと、放射素子１ａ，１ｂとは
異なる周波数で共振し、動作する線状モノポール放射素
子６、矩形の平面導体地板２、放射素子１ａ，１ｂおよ
び６に給電するための給電部３ａ，３ｂ，３ｃを備えて
いる。

【００１７】放射素子６はその共振周波数が線状放射素
子１ａ，１ｂの共振周波数ｆ１と異なっていれば逆Ｆア
ンテナなどの形状の異なる線状放射素子、あるいはスロ
ットアンテナなどその形状、種類は特に問わない。また
この例では放射素子６の数は１つであるがこの数に制限
はなく複数あってもよい。同相、同振幅で励振する放射
素子１ａ，１ｂの共振周波数をｆ１とし、線状放射素子
６の共振周波数をｆ２とする。共振周波数ｆ１，ｆ２を
たとえば、ｆ２＝２×ｆ１となるように設計し、さらに
地板の大きさはその矩形の短辺の長さが線状放射素子６
の共振周波数ｆ２における波長程度の大きさとする。こ
のような構成とした場合、線状放射素子６に対しては平
面導体地板は十分大きいものとみなせ、事実上無限平面
の地板と等価と考えてよい。そのため、線状モノポール
放射素子６の放射パターンはダイポールアンテナと同じ
特性となる。一方実施例１で述べたように、放射素子１
ａ，１ｂの放射パターンは同相、同振幅で励振すること
により、共振周波数の波長に対して小さい地板を用いて
も、ダイポールと同等の放射パターンが得られる。

【００１８】このように、複数の共振周波数ｆ１，ｆ２
を持つアンテナを同一の平面導体地板上に構成する場
合、平面導体地板の大きさを共振周波数の高いアンテナ
に合せて構成しても、一対の素子１ａ，１ｂをもつ第１
のアンテナと放射素子６をもつ第２のアンテナとは、そ
れぞれ周波数ｆ１またはｆ２においてダイポールアンテ
ナとほぼ同一の放射パターンが得られる。

【００１９】この事が実現できるか確かめるために実験
を行った。図１０に実験を行ったアンテナの斜視図およ
び寸法を示す。第一のアンテナ、すなわちモノポールの
２素子アレーアンテナ１ａ，１ｂには図４の実施例の５
ａ，５ｂと同じ物を用いてある。第二のアンテナ６には
広帯域モノポールアンテナ７ａ，７ｂ（特願平７−３２
１９０６）を用い、その設計帯域は８００ＭＨｚ以上と
している。またこの例ではこの広帯域アンテナを送信用
と受信用に２つ用いた構成としてある。この広帯域アン
テナの放射パターンは８００ＭＨｚからそのおよそ２倍
の周波数帯までほぼモノポールアンテナと同一である。
平面導体地板の大きさは３００×３００ｍｍで、８００
ＭＨｚでの波長のほぼ０．８波長となり、広帯域モノポ
ールアンテナに対しては十分に大きい寸法となってい
る。

【００２０】図１１，１２，１３にこのアンテナの２８
０ＭＨｚ、９００ＭＨｚおよび１５００ＨＭｚの水平面
及び垂直面の放射パターンを示す。このようにいずれの
周波数に対してもダイポールアンテナと同様の放射パタ
ーンが得られており、同一地板上に複数のモノポールア
ンテナを構成し、平面導体地板の大きさを共振周波数の
高いアンテナに合せて設計することができアンテナの小
型化に有効である。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、この発明ではモノポ
ールアンテナにおいて、２素子のアレーとしそれぞれを
同相、同振幅で給電することにより平面導体地板を使用
波長と比較して小さくしても放射パターンの変化を抑制
することができ、その結果従来のモノポールアンテナと
比較してスペース効率の高いアンテナが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明の実施例を示す斜視図。

【図２】請求項１の発明の他の実施例を示す斜視図。

【図３】請求項１の発明の更に他の実施例を示す斜視
図。

【図４】請求項１の発明の実施例であって、実験に用い
たアンテナの斜視図。

【図５】図４の逆Ｆアンテナ素子５ａまたは５ｂ単体の
水平面（図４中のｘｙ面）放射パターンを示す図。

【図６】図４の逆Ｆアンテナ素子５ａまたは５ｂ単体の
垂直面（図４中のｚｘ面）放射パターンを示す図。

【図７】図４のモノポールアンテナの水平面（図４中の
ｘｙ面）放射パターンを示す図。

【図８】図４のモノポールアンテナの垂直面（図５中の
ｚｘ面）放射パターンを示す図。

【図９】請求項５の発明の実施例を示す斜視図。

【図１０】請求項５の実施例であって、実験に用いたモ
ノポールアンテナの斜視図。

【図１１】図１０の逆Ｆ素子５ａ，５ｂを有する第１の
モノポールアンテナの水平面及び垂直面の放射パターン
を示す図。

【図１２】図１０の広帯域アンテナ７ａまたは７ｂの水
平面及び垂直面の放射パターンを示す図（測定周波数９
００ＭＨｚ）。

【図１３】図１１の広帯域アンテナ７ａまたは７ｂの水
平面及び垂直面の放射パターンを示す図（測定周波数１
５００ＭＨｚ）。

【図１４】従来のモノポールアンテナの構造を示す斜視
図。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面導体地板と、その平面導体地板上に
   設けられ、モノポール構造の一対の線状放射素子と、そ
   れら一対の線状放射素子と前記平面導体地板との間にそ
   れぞれ設けられた給電部とを有するモノポールアンテナ
   において、 前記一対の線状放射素子は、ほぼ等しい共振周波数を有
   し、同相、同振幅で給電され、 前記平面導体地板の大きさが、前記線状放射素子の共振
   波長よりも十分小さいことを特徴とするモノポールアン
   テナ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記平面導体地板が
   矩形であるときはその短辺、楕円であるときはその短
   径、円形であるときはその直径が、それぞれ前記線状放
   射素子の共振波長のほぼ１／３〜１／４程度或いはそれ
   以下であることを特徴とするモノポールアンテナ。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記一対の線状放射
   素子が、同一構造・寸法をもつことを特徴とするモノポ
   ールアンテナ。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記一対の線状放射
   素子が、前記平面導体地板の対向する端縁の近傍にそれ
   ぞれ設置されていることを特徴とするモノポールアンテ
   ナ。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記一対の線状放射
   素子の共振波長より小さく、かつ前記平面導体地板の寸
   法（短辺、短径または直径）の１．０〜１．２倍程度か
   またはそれ以下の大きさの共振波長を有するモノポール
   構造の線状放射素子が、前記平面導体地板上に単数また
   は複数個設けられていることを特徴とするモノポールア
   ンテナ。