JP2006238183A - 線状アンテナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 L1の素子長を有する線状放射素子1と、長さ方向の中心が線状放射素子1の長さ方向の中心と略一致するように、線状放射素子1と所定の間隔をもって平行に配置され、線状放射素子1より長い素子長L2を有する線状放射素子2とを備え、給電回路が線状放射素子1,2に給電する。これにより、整合回路を装荷することなく、広帯域化を図ることができる。
【選択図】 図1
Description
導体線に垂直な観測面では、その放射特性がほぼ無指向性になるため、電波の送受信が全方向で必要になるシステムに適している。
また、ダイポールアンテナは、構造が簡易であるため、通信、放送やレーダなどの無線システムにおいて、基本アンテナとして幅広く使用されている。
近年、これらの無線システムは、広帯域化の傾向にあり、アンテナにも広帯域な性能が求められている。
例えば、以下の特許文献1には、可変容量ダイオードやローディングコイルが装荷されたダイポールアンテナが開示されている。
可変容量ダイオードを調整することにより、所望周波数でインピーダンス整合を得ることができるようになり、ダイポールアンテナが単体で設置されている場合よりも広帯域な動作特性が得られる。
図1はこの発明の実施の形態1による線状アンテナを示す構成図であり、図において、第1の線状放射素子である線状放射素子1はL1の素子長を有している。
第2の線状放射素子である線状放射素子2は長さ方向の中心が線状放射素子1の長さ方向の中心と略一致するように、線状放射素子1と所定の間隔をもって平行に配置され、線状放射素子1より長いL2の素子長を有している。
給電回路3は線状放射素子1,2に給電する給電手段を構成しており、給電回路3は線状放射素子1の先端近傍に給電するとともに、線状放射素子2の先端から素子長L2の約4分の1の長さだけ中心寄りの位置に給電するように、線状放射素子1,2と接続されている。
図3はこの発明の実施の形態1による線状アンテナと通常のダイポールアンテナの反射特性を示すグラフ図である。
図4はこの発明の実施の形態1による線状アンテナと通常のダイポールアンテナの放射特性を示すグラフ図である。
この実施の形態1の線状アンテナは、L1の素子長を有する線状放射素子1と、L2の素子長を有する線状放射素子2が、所定の距離をおいて平行に配置されている。
また、線状放射素子1,2の長さ方向の中心を通る垂線がほぼ重なるように、線状放射素子1,2が配置されている。即ち、線状放射素子1の長さ方向の中心と、線状放射素子1の長さ方向の中心とを揃えて、線状放射素子1,2がセンター振り分け状態で配置されている。
このため、線状放射素子2の先端から給電点までの距離L3は、概ね、下記のように表される。
L3=(L2−L1)/2
一方、給電回路3は、電波の受信時においては、線状放射素子1,2が電波を受信することにより、線状放射素子1,2に励起された電流を線状アンテナに接続されている受信装置(図示せず)に供給するようにする。
なお、利得や放射特性やインピーダンスなどのアンテナ特性は、線状アンテナの可逆性より、送信時と受信時において同一である。
線状放射素子1と線状放射素子2の間隔が7.5mmである場合、線状放射素子1と線状放射素子2を平行2線線路と見立てると、その特性インピーダンスが200〜300Ω程度になる。
図2の例では、線状放射素子1の素子長L1が40mm,50mm,60mmであるときに、最も広帯域となる線状放射素子2の素子長L2を示している。
即ち、線状放射素子1の素子長L1が40mmである場合、最も広帯域となる線状放射素子2の素子長L2が90mmであり、線状放射素子1の素子長L1が50mmである場合、最も広帯域となる線状放射素子2の素子長L2が104mmであり、線状放射素子1の素子長L1が60mmである場合、最も広帯域となる線状放射素子2の素子長L2が130mmである。
つまり、L2/L1≒2.1になるとき、最も広帯域になる。したがって、線状放射素子2の先端から給電点までの距離L3は、概ね、線状放射素子2の素子長L2の1/4程度になる。
即ち、動作帯域の中心周波数の波長がλであるとすれば、L1≒λ/4、L2≒λ/2としたときに、最も広帯域な特性を得ることができる。
この場合、線状放射素子2の先端から給電点までの距離L3は、概ね、λ/8となる。
両者を比較すると明らかなように、整合がとれる帯域(VSWRが低い帯域)は、この実施の形態1の線状アンテナがダイポールアンテナより広いことが分かる。
図4から明らかなように、この実施の形態1の線状アンテナは、ダイポールアンテナとほぼ同じ放射特性を有していることが分かる。
全方向に通信目標があるような無線システムでは、無指向性の放射特性が望まれるが、この実施の形態1の線状アンテナは、ダイポールアンテナと同等なほぼ無指向性の放射特性を有していることが分かる(図4(b)を参照)。
なお、整合回路を装荷していないので、装置構造が簡易となり、線状アンテナの低コスト化を図ることができる。
図5はこの発明の実施の形態2による線状アンテナを示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
この実施の形態2では、図1の給電回路3の代わりに、同軸線路からなる給電線路が給電手段として用いられている。
同軸線路の外導体4は線状放射素子2の長さ方向の中心に垂直に接続され、その線状放射素子2の先端(図2の例では、左側の先端)に向かって、その線状放射素子2に沿って配置されている。
同軸線路の内導体5は線状放射素子1の先端に垂直に接続されている。
この実施の形態2の線状アンテナは、上記実施の形態1と同様に、L1の素子長を有する線状放射素子1と、L2の素子長を有する線状放射素子2が、所定の距離をおいて平行に配置されている。
また、線状放射素子1,2の長さ方向の中心を通る垂線がほぼ重なるように、線状放射素子1,2が配置されている。即ち、線状放射素子1の長さ方向の中心と、線状放射素子1の長さ方向の中心とを揃えて、線状放射素子1,2がセンター振り分け状態で配置されている。
同軸線路は、線状放射素子1の先端に対応する位置まで引き回され、その位置から同軸線路の内導体5が線状放射素子1の先端に垂直に接続されている。なお、言うまでもないが、同軸線路の外導体4が線状放射素子2の一部を構成していてもよい。即ち、同軸線路の外導体4に対して、2本の導体線を両側に接続することにより、線状放射素子2を構成してもよい。
線状放射素子2の先端から給電点までの距離L3は、上記実施の形態1と同様に、概ね、下記のように表される。
L3=(L2−L1)/2
これにより、電波の送信時においては、同軸線路の内導体5から線状放射素子1に給電されるとともに、同軸線路の外導体4から線状放射素子2に給電されるため、上記実施の形態1と同様に、その線状放射素子1,2が励振して、線状放射素子1,2から電波が放射される。
一方、電波の受信時においては、線状放射素子1,2が電波を受信することにより、線状放射素子1に励起された電流が同軸線路の内導体5を介して線状アンテナに接続されている受信装置(図示せず)に供給され、また、線状放射素子2に励起された電流が同軸線路の外導体4を介して線状アンテナに接続されている受信装置(図示せず)に供給されるようになる。
したがって、上記実施の形態1の線状アンテナと同様の原理で動作することになる。
しかし、この実施の形態2の線状アンテナの場合、給電構造が線状放射素子1,2と一体化されており、散乱源となる給電回路3が設けられていないので、所望の放射特性を得ることができる。
また、給電構造が線状放射素子1,2と一体化されているので、線状アンテナの大型化を抑制することができる。
図6はこの発明の実施の形態3による線状アンテナを示す構成図であり、図において、図5と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態2では、線状放射素子1と線状放射素子2が所定の間隔をもって平行に配置されているものについて示したが、この実施の形態3では、線状放射素子1が線状放射素子2に対して角度α(α=0°〜30°)だけ傾いて配置されているものについて説明する。
線状アンテナは体積が増えると、一般に広帯域になることが知られている。
図6のように、線状放射素子1を傾けて配置すると、等価的に線状アンテナ全体の体積が増加するため、広帯域化を図ることができる。
ここで、図7は角度αを変化させながら、線状アンテナの反射特性を測定した結果を示しており、図7から明らかなように、角度αが増加するほど、動作帯域(例えばVSWRが2より低い帯域)が増大することが分かる。
また、角度αが大きくなると、放射特性が無指向性にならなくなる。
したがって、無指向性を求める場合、角度αは、0°〜30°の範囲内で選択するのが望ましい。
図8はこの発明の実施の形態4による線状アンテナを示す構成図であり、図において、図5と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態2では、線状放射素子1,2の素子幅が同じであるものについて示したが、この実施の形態4では、線状放射素子1の素子幅が線状放射素子2の素子幅より太いものを示している。
図中、6a,6bは線状放射素子1を流れる電流の経路を示している。
この実施の形態4では、線状放射素子1の素子幅を線状放射素子2の素子幅より太くしている。
これにより、線状放射素子1には、長さが相互に異なる電流経路6a,6bが発生することになる。
一方、周波数(波長)が変化すると、最適な電流経路長も変化する。
したがって、図8のように、長さが相互に異なる電流経路6a,6bを取り得る構造では、より広い周波数帯域での動作が可能になる。
図9はこの発明の実施の形態5による線状アンテナを示す構成図であり、図において、図8と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態4では、線状放射素子1の素子幅が線状放射素子2の素子幅より太いものについて示したが、この実施の形態5では、線状放射素子1の素子幅がテーパ状に形成、即ち、線状放射素子1の素子幅が給電点より離れるほど太いものを示している。
この実施の形態5では、線状放射素子1の素子幅を給電点より離れるほど太くしている(線状放射素子1の素子幅を、図中、左側より右側を太くしている)。
このような構造では、上記実施の形態4と同様に、線状放射素子1には、長さが相互に異なる電流経路6a,6bが発生することになるので、より広い周波数帯域での動作が可能になる。
また、図11及び図12に示すように、線状放射素子1の素子幅を給電点より離れるほど細くしてもよく(線状放射素子1の素子幅を、図中、左側より右側を細くしている)、この場合も、線状放射素子1には、長さが相互に異なる電流経路6a,6bが発生することになるので、より広い周波数帯域での動作が可能になる。
図13はこの発明の実施の形態6による線状アンテナを示す構成図であり、図14は図13の線状アンテナにおけるA−A断面図である。図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
プリント基板である誘電体基板11の表面には、ストリップライン(金属薄膜導体)として線状放射素子1,2が形成されている。
給電手段である給電線路12は誘電体基板11の表面に形成され、線状放射素子2に接続されている。
給電手段である給電線路13は誘電体基板11の裏面に形成され、線状放射素子1の先端に形成されている接続点14(例えば、スルーホール)を介して線状放射素子1の先端と接続されている。
給電線路12と給電線路13は、誘電体基板11の表面と裏面の相対する位置に設けられた導体パターンであり、両者で平行二線線路を構成している。
線状放射素子1,2に対する給電をこの平行二線線路を用いて行うため、誘電体基板11の表面に給電線路12を形成して、その給電線路12を線状放射素子2に接続している。
一方、線状放射素子1の先端が存在する位置まで、誘電体基板11の裏面に給電線路13を形成し、線状放射素子1の先端と給電線路13を接続点11を介して接続している。
ただし、線状放射素子1,2の素子長L1,L2、距離L3の関係は、上記実施の形態1と同様である。
したがって、上記実施の形態1の線状アンテナと同様の原理で動作することになる。
図15はこの発明の実施の形態7による線状アンテナを示す構成図であり、図において、図5及び図13と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図15の例では、同軸線路の外導体4及び内導体5が誘電体基板11の表面に形成されている。
同軸線路の外導体4は誘電体基板11の表面に沿って配置され、上記実施の形態2と同様に、線状放射素子2の中央付近に接続されている。
また、同軸線路の外導体4は、線状放射素子2に沿って線状放射素子1の先端に相対する位置まで引き回され、その位置から同軸線路の内導体5が延伸して線状放射素子1の先端に接続されている。
したがって、上記実施の形態2の線状アンテナと同様の原理で動作することになる。これにより、上記実施の形態2と同様の効果を奏する他に、線状アンテナの全てを誘電体基板11上のパターンやスルーホールで構成することができるため、エッチングなどのプリント基板加工により、より低コストで製造できるという効果を奏する。
図16はこの発明の実施の形態8による線状アンテナを示す構成図であり、図17は図16の線状アンテナにおけるB−B断面図である。図において、図15と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態7では、線状放射素子1,2が誘電体基板11の表面に形成されているものについて示したが、この実施の形態8では、線状放射素子1が誘電体基板11の表面に形成され、線状放射素子2が誘電体基板11の裏面に形成されているものについて示している。なお、線状放射素子1が誘電体基板11の裏面に形成され、線状放射素子2が誘電体基板11の表面に形成されていてもよい。
同軸線路の外導体4は、誘電体基板11の外側(図17の例では、誘電体基板11の下側)から線状放射素子2に接続されている。
また、同軸線路の内導体5は、この位置から誘電体基板11を貫通して、線状放射素子1の先端の接続点14に接続されている。
この誘電体基板11を貫通する構造は、内導体5自体を利用することもできるし、スルーホールを使用することもできる。
したがって、上記実施の形態2の線状アンテナと同様の原理で動作することになる。これにより、上記実施の形態2と同様の効果を奏する他に、線状アンテナの全てを誘電体基板11上のパターンやスルーホールで構成することができるため、エッチングなどのプリント基板加工により、より低コストで製造できるという効果を奏する。
図18はこの発明の実施の形態9による線状アンテナを示す構成図であり、図19は図16の線状アンテナにおけるC−C断面図である。図において、図16及び図17と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
接続線路15は線状放射素子1の先端から延伸され、接続点14を介して線状放射素子2と接続されている。
このため、線状放射素子1の先端から、線状放射素子2に向かって、接続線路15が延伸されており、接続線路15は接続点14を介して線状放射素子2と接続されている。
同軸線路の外導体4は、誘電体基板11の外側(図19の例では、誘電体基板11の下側)から線状放射素子2に接続されている。
また、同軸線路の内導体5は、この位置から誘電体基板11を貫通して、接続線路15先端の接続点14に接続されている。
一般に流通している誘電体基板11の厚みは、数mm以下のものがほとんどである。そのため、上記実施の形態8のように、線状放射素子1と線状放射素子2が誘電体基板11を介して相対する位置にあると、線状アンテナを低い周波数(長い波長)に適用する場合、線状放射素子1と線状放射素子2の距離が近すぎて、電気的な結合が強くなり過ぎ、所望の性能が得られなくなる可能性がある。
一方、誘電体基板11の厚みを厚くすることは不可能ではないが、コストと重量が増加するという問題を生じる。また、上記実施の形態3における線状放射素子1の傾斜構造も、電気的な結合により効果が得難くなる問題がある。
そこで、この実施の形態9では、誘電体基板11の厚みを厚くすることなく、線状放射素子1と線状放射素子2の距離を長くするため、線状放射素子1と線状放射素子2を素子幅方向にずらしている。
図20はこの発明の実施の形態10による線状アンテナを示す構成図であり、図21は図20の線状アンテナにおけるD−D断面図である。図において、図18及び図19と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態9では、線状放射素子1と線状放射素子2が誘電体基板11を介して相対しないように、線状放射素子1と線状放射素子2が素子幅方向にずれて配置されているものについて示したが、この実施の形態10では、更に、上記実施の形態5と同様に、線状放射素子1の素子幅をテーパ状に形成している。即ち、線状放射素子1の素子幅を給電点より離れるほど太くしている。
また、この実施の形態10では、同軸線路の外導体4を誘電体基板11の外側(図21の例では、誘電体基板11の下側)から線状放射素子2のほぼ中央に接続し、その後、線状放射素子2に沿って接続点14に対応する位置まで引き回している。
同軸線路の内導体5は、この位置から誘電体基板11を貫通して接続点14に接続するようにしている。
この実施の形態10の線状アンテナの基本的な動作は、上記実施の形態9の線状アンテナと同じであるが、線状放射素子1の素子幅がテーパ状に形成されているため、上記実施の形態9の線状アンテナより広帯域に動作させることができる効果を奏する。
また、同軸線路を線状放射素子2の中央に接続しているため、線状アンテナの対称性が良くなり、放射パターンの対称性、特に線状放射素子2に垂直な観測面における無指向性パターンの対称性が改善される効果を奏する。
図22はこの発明の実施の形態11による線状アンテナを示す構成図であり、図において、図5と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
給電線路である同軸線路の外導体4の周囲にはバラン構造16が設置されている。
このバラン構造16は、シュッペルトッフ型と呼ばれるものであり、同軸線路と軸を同じくする導体円筒である。
バラン構造16である導体円筒は、線状放射素子2と離れている側の端において、同軸線路の外導体4と接続されており、導体円筒の長さL4は、所望周波数の波長の約1/4の長さに設定されている。
この同軸線路構造は、線状放射素子2と離れている側の終端が短絡されているため、1/4波長だけ線状放射素子2の方に戻った開放終端では、インピーダンスが極めて大きく見える。このため、同軸線路の外導体4の外側にはほとんど電流が流れなくなる。
Claims (11)
- 所定の長さを有する第1の線状放射素子と、長さ方向の中心が上記第1の線状放射素子の長さ方向の中心と略一致するように、上記第1の線状放射素子と所定の間隔をもって略平行に配置され、上記第1の線状放射素子より素子長が長い第2の線状放射素子と、上記第1及び第2の線状放射素子に給電する給電手段とを備えた線状アンテナ。
- 給電手段は、第1の線状放射素子の先端近傍に給電するとともに、第2の線状放射素子の先端から素子長の約4分の1の長さだけ中心寄りの位置に給電することを特徴とする請求項1記載の線状アンテナ。
- 素子長が略4分の1波長の第1の線状放射素子を使用するとともに、素子長が略2分の1波長の第2の線状放射素子を使用し、給電手段が上記第2の線状放射素子の先端から略8分の1波長だけ中心寄りの位置に給電することを特徴とする請求項2記載の線状アンテナ。
- 給電手段が同軸線路からなる給電線路であり、その同軸線路の内導体が第1の線状放射素子に接続され、その同軸線路の外導体が第2の線状放射素子に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の線状アンテナ。
- 第1の線状放射素子が第2の線状放射素子に対して0度から30度の範囲内で傾いて配置されていることを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の線状アンテナ。
- 第1の線状放射素子の素子幅が第2の線状放射素子の素子幅より太いことを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の線状アンテナ。
- 第1の線状放射素子の素子幅がテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の線状アンテナ。
- 第1及び第2の線状放射素子がプリント基板の片面に金属薄膜導体で形成されていることを特徴とする請求項1から請求項7のうちのいずれか1項記載の線状アンテナ。
- 第1の線状放射素子がプリント基板の表面又は裏面に金属薄膜導体で形成され、第2の線状放射素子が上記プリント基板における上記第1の線状放射素子の非形成面に金属薄膜導体で形成されていることを特徴とする請求項1から請求項7のうちのいずれか1項記載の線状アンテナ。
- 第1の線状放射素子と第2の線状放射素子がプリント基板を介して相対しないように、第1の線状放射素子と第2の線状放射素子が素子幅方向にずれて配置されていることを特徴とする請求項9記載の線状アンテナ。
- 給電線路の周囲にバラン構造が設置されていることを特徴とする請求項4から請求項10のうちのいずれか1項記載の線状アンテナ。
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