JP2011082951A - 逆l型アンテナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面又は裏面の接地電位の接地導体面10と、その接地導体面10の所定箇所に基端部21が接続された外導体と、その外導体で囲まれ外導体とは隙間を開けて配置され外導体よりも先端が伸びた内導体24とを備える。そして、外導体及び内導体24を、接地導体面10に接続した箇所から所定距離離れた箇所22で折り曲げ、接地導体面10と近接して平行に配置し、内導体24に給電する構成とした逆L型アンテナとした。
【選択図】図1
Description
図22に示したアンテナ構成について説明すると、導体板4に2本の同軸ケーブル5,6を近接して接続し、その接続点から若干離れた箇所で、導体板4の面方向と平行になるように90°折り曲げてある。この折り曲げる際には、それぞれの同軸ケーブル5,6の先端が反対側を向くように離れた状態で配置し、先端間の長さが送受信する信号の波長の約半波長となるようにする。導体板4から折り曲げる位置までの高さは、例えば約1/30波長の距離とする。
このようにして得た0°信号を、同軸ケーブル5の中心導体に供給し、−180°の信号を、同軸ケーブル6の中心導体に供給し、2本の同軸ケーブルに逆相給電する。
そして、外導体及び内導体を、有限導体板に接続した箇所から所定距離離れた箇所で折り曲げ、有限導体板と近接して平行に配置し、内導体に給電する構成とした逆L型アンテナとしたものである。
1.第1の実施の形態の例(図1〜図7)
2.第2の実施の形態の例(図8)
3.第3の実施の形態の例(図9)
4.第4の実施の形態の例(図10〜図11)
5.第5の実施の形態の例(図12)
6.第6の実施の形態の例(図13,図14)
7.第7の実施の形態の例(図15,図16)
8.第8の実施の形態の例(図17〜図19)
9. 各実施の形態のアンテナの適用例(図20,図21)
図1は、第1の実施の形態の例のアンテナ構成を示した図である。本実施の形態においては、超低姿勢逆L型アンテナとして構成したものである。図1に基づいて構成を説明すると、四角形の所定サイズとされた有限導体としての導体板10を使って、アンテナとして構成してある。導体板10は、少なくとも表面を接地電位部としてある。導体板10のサイズについては後述する。
曲折箇所22から中心導体端部24aまでの長さL0については、例えばこのアンテナで送受信する信号の1波長の約1/4とする。このように伸ばされた中心導体24と長さL1の外導体26が、本例の逆L型アンテナのアンテナ素子として機能する。外導体26の長さL1については、アンテナのインピーダンスが所望の値(ここでは50Ω)になるように設定する。これらの値の具体的な例については後述する。
この導体板10の裏面側に引き出された外導体26と中心導体24を使って給電する。図1に示した導体板10の裏面側から同軸ケーブル接続部21に向かう破線の矢印は、この裏面側から給電している状態を示しており、送信する場合に送信信号を供給し、受信する場合に受信信号を取り出す。
図3は、本例の導体板10と同軸ケーブル20を流れる電流の方向を示している。各部の電流位相が一定であれば、導体板10の表面上のアンテナ素子の長手方向と平行な水平
方向(図3中のy軸方向)の電流I2と、中心導体24と外導体26で構成される水平素子の表面の電流I1は逆向きとなり打ち消し合って、放射が小さくなる。
その上で、導体板10のy軸方向の長さpym,pypの設定で、導体板上のy軸方向の電流が+y軸方向に流れるように調整する。ここでの+y軸方向とは、同軸ケーブル接続部21から中心導体端部24aに向かう方向である。y軸方向の長さpypは、接続点21からアンテナ素子(中心導体24)が伸びた方向の導体板10の端部までの長さであり、y軸方向の長さpymは、接続点21からx軸方向の反対方向の端部までの長さである。
一方、外導体端部23から中心導体24を外部に延ばすことで、そこから電流が流れ出る。それと等量の電流が外導体26の表面から同軸ケーブル20内部に流れ込む。もし、外導体端部23から中心導体24が延長されていなければ、外導体端部23から放射される電磁界はほぼ零となる。
アンテナで受信する場合には、外導体端部23から延長された中心導体24と同軸ケーブル20の外導体26の表面に電流が誘起する。両者によって、外導体端部23での中心導体24と外導体26の間に電位差(電圧)が生じ、それによって、同軸ケーブル20内部に電流が流れ込み、受信が行われる。
アンテナの形状パラメータとして、以下のように設定した。
アンテナ素子を構成する同軸ケーブルの半径として、接続点21から外導体端部23(給電点)までの半径を1.095mmとし、給電点から先端までの中心導体24の半径を0.255mmとする。
また、図1に示したx軸方向の長さとして、pxm=pxp=15mmとし、y軸方向の長さとして、pym=10mm,pyp=50mmとする。
さらに、アンテナ素子の長さ及び高さとして、L0=31.6mm,L1=22.8mm,h=4.0mmとする。
得られたアンテナ特性は、リターンロス10dB以上となる周波数帯域幅の計算値、測定値は2.71%,指向性利得の計算値は4.14dBiとなった。
この給電点の位置の調整により、入力インピーダンスを調整できる点について説明する。
図4に、一般的な逆L型アンテナの電流・電圧分布を示す。図4に示すように導体板10上に素子24を配置した逆L型アンテナを動作させるためには、アンテナ上に大きい電流を流さなければならない。逆L型アンテナの水平素子長がほぼ4分の1波長のとき、電流は最大となる。アンテナ上のある点で給電するとき、給電点の両端の電圧差電位差は両端の長さが異なれば大きくなる。給電点をアンテナ先端にとれば、電圧は最大となる。給電点での入力インピーダンスは、次式で定義される。
給電点での入力インピーダンス=給電点での電圧/電流
従って、逆L型アンテナの基部で給電すれば、入力抵抗は小さく、先端にいくほど大きくなる。
ここでのそれぞれのアンテナの形状パラメータは、次の通りである。
x軸方向の長さpxm=pxp=15mm、y軸方向の接続点からの一方の端部までの長さpym=10mm、y軸方向の接続点からの他方の端部までの長さpyp=50.0mm、アンテナ素子の曲折位置から先端までの長さL0=31.6mm、不平衡給電逆L型アンテナでの外導体の長さL1=22.8mm、高さh=4.0mmである。
また、本実施の形態の例の不平衡給電逆L型アンテナの素子を構成する同軸ケーブルの半径として、外導体を有する給電点までを1.095mmとし、中心導体だけの給電点から先端までを0.255mmとする。さらに、比較例である従来の逆L型アンテナの放射素子の半径は1.095mmとする。
図5(a)及び(b)において、特性aは本実施の形態の例の不平衡給電逆L型アンテナの特性であり、特性bは比較例の逆L型アンテナの特性である。
図5から判るように、通常の逆L型アンテナの入力抵抗は数Ωであるのに対し、不平衡給電逆L型アンテナの入力抵抗は、設計周波数2.45GHzで50Ωとなっている。
両者の放射電界指向性パターンは、ほぼ同じである。しかしながら、逆L型アンテナでは、給電点での入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンスと整合がとれていないため、送信の場合には、アンテナへの供給電力が小さくなり、アンテナからの電磁波の放射が小さくなる。受信の場合には、アンテナから受信電力を取り出せにくくなる。
一方、本実施の形態の例の不平衡給電逆L型アンテナの場合には、給電点での入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンスと整合した50Ωであるため、送信時にアンテ
ナへの供給電力が小さくなることがなく、受信時にアンテナから受信電力を効率よく取り出すことができる。
そして、利得についても高利得であり、インピーダンスについても接続されるケーブルに合わせた50Ωなどとすることが可能であり、従来、アンテナを回路に接続させる際に必要であったインピーダンスの整合回路が必要なくなり、それだけ簡単な構成で効率のよいアンテナが得られる。
この表1から判るように、アンテナ素子と接地電位導体との高さhを小さくして両者の間隔を狭くすることで、アンテナ素子と接地電位導体との結合が強くなり、無線通信可能な帯域が狭くなるが、利得が高くなる。一方、高さhを大きくして間隔を開けることで結合が弱くなり、無線通信可能な帯域が広くなるが、利得が低くなる。この表1に示したように、1波長λの1/30である4.0mmとした場合には、リターンロス−10dBで、2.71%の帯域幅(Bandwidth)が確保され、指向性利得(Gain)4.14dBiが確
保され、比較的広い帯域と良好な利得が確保されていることが判る。なお、アンテナ素子全体の長さL0と接地素子の長さL1とは、それぞれの値とした場合にインピーダンスが50Ωとなる値を示したものである。
この表2から判るように、pxp及びpxmの値が最も小さい5.0mmのとき、帯域幅が最も広く、利得が低くなり、値が大きくなるに従って、帯域幅が狭くなり、利得が上がっていることが判る。表2においても、アンテナ素子全体の長さL0と接地素子の長さL1とは、それぞれの値とした場合にインピーダンスが50Ωとなる値を示したものである。
図16に示した従来の低姿勢逆L型アンテナの場合には、アンテナへの供給電力が小さくなるために、結果として、アンテナから放射される電力が小さくなってしまう。アンテナを効率よく使うためには、アンテナを共振させること、つまり電流を大きくすることと、アンテナへの供給電力を大きくすることが重要である。アンテナへの供給電力を大きくするためには、まず、アンテナ給電点での入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンス(本例の場合には50Ω)に近づけることが必要である。入力インピーダンスは、「給電点での線間電圧/給電点電流」で定義される。電流は先端で零、アンテナ素子の中央で最大となるので、入力抵抗(入力インピーダンスの実部)は中央で数オームと低く、給電位置を中央から先端方向に移動すれば、入力抵抗が高くなり、給電線の特性インピーダンスに一致する点で電力を最大供給することができる。
従って、本実施の形態のアンテナのように、給電位置を任意に変えることができれば、インピーダンスを調整することができ、結果として、アンテナに供給する電力を大きくすることができ、高効率のアンテナとすることができる。また従来のインピーダンス整合が必要なアンテナに比べて構成を簡単にすることができる。
次に、本発明の超低姿勢逆L型アンテナの第2の実施の形態の例について、図8を参照して説明する。
図1〜図3に示した第1の実施の形態の例では、アンテナ素子を構成する同軸ケーブルの中心導体を、導体板10の表面上に、その表面と平行に配置したが、図8の例では、導体板10の端面と平行に、同軸ケーブルの中心導体を配置し、アンテナ素子を構成する導体を導体板と同一面内に配置した例とした。
この場合の同軸ケーブル20についても、図8に示したように、先端側では中心導体24だけを露出させて、外導体26については途中で切断させてある。同軸ケーブル20の外導体26については、接地電位部である導体板10′の端面11と電気的に接続させてあり、その端面や表面と同様に同軸ケーブル20の外導体を接地電位部としてある。
図8では給電点から中心導体24が引き出される構成については省略してある。
この図8に示した場合の導体板10′のy軸方向の長さpy及びx軸方向の長さpxと、折り曲げ箇所22から中心導体24の先端までの長さpy2についても、図3に示したアンテナの電流特性と同様の特性になるようなサイズで構成する。
次に、本発明の超低姿勢逆L型アンテナの第3の実施の形態の例について、図9を参照して説明する。
図9に示した第3の実施の形態の例の超低姿勢逆L型アンテナは、誘電体である基板30の表面31に、接地導体板とアンテナ素子とを平面的に形成し、アンテナ素子として同軸ケーブルを使う代りに、コプレーナ線路を使った例としたものである。
即ち、図9に示すように、基板30の表面31に、比較的大きな面積の接地電位部40を設け、その接地電位部40の一方の端(図9では右端側)に、接地電位部40がない箇所を表面31に設ける。その接地電位部40がない箇所に、接地電位部40と接続箇所40a,40bで接続された導電パターン41,42を平行に配置すると共に、その2本の接地電位の導電パターン41,42の間に、アンテナ素子を構成する導電パターン51を配置する。
アンテナ素子を構成する導電パターン51は、接地電位部40と近接した接続箇所51cで、図示しないアンテナ接続回路と接続させてある。例えば、基板30の表面31や裏面に、アンテナ接続回路部を配置し、その回路部と接続箇所51cで導電パターン51と接続させる。
なお、導電パターン51の接続箇所51cと接地電位部40の一方の端までの長さpym及び他方の端までの長さpypについても、第1の実施の形態で説明した長さと同様の関係になるようにするのが好ましい。
次に、本発明の超低姿勢逆L型アンテナの第4の実施の形態の例について、図10及び図11を参照して説明する。図10は斜視図で示し、図11は上側から見た平面図で示したものである。
図10及び図11に示した第4の実施の形態の例の超低姿勢逆L型アンテナは、基本的に第3の実施の形態と同様に、基板上の接地導部の脇にアンテナ素子を配置したものであるが、接地電位部を基板の裏面側とし、アンテナ素子側を基板の表面側に配置したものである。
即ち、図10に示すように、基板60の表面61に、所定パターンのマイクロストリップライン70を配置し、そのマイクロストリップライン70を、基板60の端まで伸ばして、アンテナ素子部71としたものである。アンテナ素子部71は、途中に曲折部71aを設けてあり、その曲折部71aで90°曲折させてある。
そして、図11に平面的に示されるように、接地電位の導電パターン81,82の間に、アンテナ素子を構成する導電パターン71が配置されるようにする。曲折部71aから導電パターン71の先端部71bまでの長さL0は、導電パターン81,82の先端部81b,82bまでの長さL1よりも長くし、その長さの調整でインピーダンスを50Ωなどの決められた値とする。また長さL0は、例えば送受信する信号の1波長の約1/4とする。
接地電位部80の端の面と、導電パターン71との間隔hを、第3の実施の形態での間隔hと同様の値とし、導電パターン71の曲折部71aと接地電位部80の一方の端までの長さpym及び他方の端までの長さpypについても、第1の実施の形態で説明した長さと同様の関係になるようにするのが好ましい。
この第4の実施の形態の構成の場合にも、第3の実施の形態のアンテナとほぼ同様の良好な特性が得られると共に、整合回路を必要としない簡単な構成が実現できる。なお、図10に示した導電パターン71に接続されるマイクロストリップライン70の配置状態は一例であり、接続させる回路部品の配置状態に対応して、様々の配置状態が考えられる。
次に、本発明の超低姿勢逆L型アンテナの第5の実施の形態の例について、図12を参照して説明する。
図12に示した第5の実施の形態の例の超低姿勢逆L型アンテナは、誘電体である基板90の表面31に、接地導体板を配置し、その接地導体板から高さhだけ基板の厚さ方向に離れた位置に、導電パターンを配置した例としたものである。
即ち、図12に示すように、基板90の表面91のほぼ全面に比較的大きな面積の接地電位部92を設け、その接地電位部92の所定箇所に、接地電位部92に導通した2本の導電パターン94,95を直立した状態で平行に配置すると共に、その2本の接地電位の導電パターン94,95の間に、アンテナ素子を構成する導電パターン93を直立した状態で配置する。
そして、各導電パターン93,94,95は、曲折部93a,94a,95aで、接地電位部92の面方向と高さhで平行になるように曲折させてある。さらに、導電パターン94,95の先端部94b,95bは、導電パターン93の先端部93bよりも短くしてある。
次に、本発明の超低姿勢逆L型アンテナの第6の実施の形態の例について、図13及び図14を参照して説明する。第6の実施の形態では、接地電位部を平板状とせず、導体棒を組み立てた構造としたものであり、同軸ケーブルの構成は図1の例と同様である。
なお、図13例のアンテナは、同軸ケーブル320の中心導体322と接地導体棒311との間隔(高さ)hや、各長さL0,L1,pyp,pym,pxp,pxmについては、図1と同様の条件で設定する。2aは、各導体棒311〜314の直径(aは半径)である。
この図13例のアンテナのように、接地電位部を平板状とせず、導体棒を組み立てた構造とすることでも、良好な特性とすることができる。
次に、本発明の超低姿勢逆L型アンテナの第7の実施の形態の例について、図15及び図16を参照して説明する。第7の実施の形態では、第6の実施の形態のアンテナを、さらに地上デジタルテレビジョン放送受信用のアンテナとして発展させた例である。
即ち、図15に示したように、3本平行に配置された接地導体棒411,412,413と直交する接地導体棒414とで、平行導線フレーム410を構成する。3本の接地導体棒411,412,413は、同じ長さとしてある。そして、その平行導体フレーム410の接地導体棒411と接地導体棒414との交点を接続箇所415として、同軸ケーブル420の一端を接続してある。この接続箇所415で、同軸ケーブル420の外導体424を接地導体棒411側と接続させて、接地電位としてある。中心導体422は、受信回路(図示せず)の給電部と接続してある。
ここまでは、図13に示したアンテナと同様の構成であるが、さらに本実施の形態においては、導波器431と反射器432を前後に配置してある。即ち、図15に示したz軸方向に、接地導体棒411と間隔Dzで導波器431を配置し、z軸方向の反対方向に、接地導体棒411と間隔Rzで反射器432を配置してある。導波器431と反射器432は、図示しない支持体により平行導線フレーム410側と固定させる。接地導体棒411を配置した位置から見て、導波器431を配置した側が、地上デジタルテレビジョン放送の送信局側である。
図15では、導波器431の長さをDy、反射器432の長さをRyとしてある。
これらの図16の特性から判るように、地上デジタルテレビジョン放送の送信周波数帯域である470MHz〜710MHzで、十分な利得が得られている。
なお、図15の例では、導波器431と反射器432とを、それぞれ1本ずつ配置した例としたが、例えば導波器431を、一定の間隔を開けて複数本配置してもよい。あるいは反射器432を複数本配置してもよい。
次に、本発明の超低姿勢逆L型アンテナの第8の実施の形態の例について、図17〜図19を参照して説明する。第8の実施の形態では、RFID(Radio Frequency IDentification)用の円偏波アンテナとした例で、例えば2.4GHz帯の円偏波信号を扱うアンテナとした例である。
表面が接地電位部の導体板510を用意し、導体板510の表面の所定箇所に、同軸ケーブル520の一方の端部を接続した接続点521を設けてある。この同軸ケーブル520は、中心導体524と外導体527とを備え、外導体527を接地電位部と電気的に接続させてある。
この導体棒530は、曲折箇所532で水平に90°曲折させてあり、曲折箇所532より先を平行部533として、中心導体524の先端部526と平行になるようにしてある。導体棒530を曲折箇所532で曲折させる高さは、例えば同軸ケーブル520の高さhと等しくする。曲折箇所532から平行部533の先端までの長さをL2とし、平行部533と、中心導体524の先端部526との間隔をC1とする。
図19は、2.45GHzでの放射電界指向性パターン計算値を示す。RHCPは右旋円偏波を、LHCPは左旋円偏波を表す。これらの特性から判るように、円偏波アンテナとして良好な特性のものが得られる。
図20及び図21は、本実施の形態の各例の低姿勢逆L型アンテナの配置状態を示した図である。
図20は、無線LAN用基地局が備えるアンテナ装置に適用した例である。
この図20の例の場合には、無線LAN用基地局アンテナ100として、円筒部110と、その円筒部110の周囲に配置した複数の突起状板部120とで構成されるとする。このとき、円筒部110の周囲に、同軸ケーブル111を図1などに示した状態で配置して、中心導体112を露出させて、円筒部110の周囲と平行に配置させる。この配置状態は、例えば図1に示した配置状態である。
また、突起状板部120の端面に、同軸ケーブル121を配置し、中心導体122を露出させて、突起状板部120の端面と平行に配置させる。この配置状態は、例えば図4に示した配置状態である。
このように構成して、無線LAN用基地局アンテナ100の周囲に複数のアンテナを配置することが可能である。なお、図20の例の場合にも、それぞれの同軸ケーブルの代りに、コプナール線路やマイクロストリップラインで同様の構成としてもよい。
図21に示した例では、飛行機200の胴体の上部や下部のアンテナ取り付け位置201、202や、主翼又は尾翼の先端のアンテナ取り付け位置203,204としてもよい。或いは、その他の位置に設置してもよい。
図20や図21は、適用例の好適な例を示したものであり、その他の各種無線通信用アンテナに、本実施の形態の例のアンテナを適用できることは勿論である。
Claims (9)
- 表面又は裏面に設けた接地導体面と、
前記接地導体面の所定箇所に基端部が接続された外導体と、前記外導体で挟まれ前記外導体とは隙間を開けて配置され前記外導体よりも先端が伸びた内導体とを備え、
前記外導体及び内導体を、前記接地導体面の所定箇所から所定距離離れた箇所で折り曲げて、前記接地導体面と近接して平行に配置し、
前記内導体に給電する構成とした逆L型アンテナ。 - 請求項1記載の逆L型アンテナにおいて、
前記外導体と前記内導体は、内導体と外導体とを所定の間隔を開けて配置したコプレーナ線路あるいはマイクロストリップラインで構成した逆L型アンテナ。 - 請求項1記載の逆L型アンテナにおいて、
前記外導体と前記内導体は、同軸ケーブルの外導体及び内導体で構成した逆L型アンテナ。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の逆L型アンテナにおいて、
前記接地導体面と前記外導体とを接続する所定箇所は、前記接地導体面の端面とした逆L型アンテナ。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の逆L型アンテナにおいて、
前記内導体の折り曲げ位置から先端までの長さは、送信又は受信する信号の1波長の約1/4の長さとし、
前記接地導体面は、前記内導体の長手方向と平行な方向の長さとして、前記所定箇所から前記内導体の先端側に向かう一方の端部までの長さと、前記所定箇所から前記内導体の先端側に向かう側と反対側の他方の端部までの長さを、前記内導体の折り曲げた箇所から先端に向かう方向に電流が流れるように設定した逆L型アンテナ。 - 請求項5記載の逆L型アンテナにおいて、
前記内導体の長手方向と直交する方向の前記接地導体面の長さとして、前記所定箇所から一方の端部及び他方の端部までの長さを等しくした逆L型アンテナ。 - 請求項1記載の逆L型アンテナにおいて、
前記接地導体面として、複数の導体棒を組み合わせて構成した逆L型アンテナ。 - 請求項7記載の逆L型アンテナにおいて、
複数の導体棒を組み合わせて構成した接地導体面に対して前後となる位置に導波器及び反射器を配置した逆L型アンテナ。 - 請求項1記載の逆L型アンテナにおいて、
前記内導体の先端を水平に曲折させ、その曲折した内導体と平行に、前記外導体及び前記内導体とは別の導体を配置した逆L型アンテナ。
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