JP4198699B2 - 八木・宇田式アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は，テレビ放送受信用の八木・宇田式アンテナ装置に関する。

従来，八木・宇田式アンテナ装置は放射器，導波器および反射器が備えられており，放射器，導波器，反射器は受信周波数および受信周波数帯域幅に応じて，それぞれ寸法が決定される。一般に高利得と所定の帯域幅を得るために同一寸法の導波器が複数本用いられる。（例えば，特許文献１参照）。

また，ＵＨＦ用アンテナはローバンド用（ｃｈ１３−４４），ハイバンド用（ｃｈ３０−６２），オールバンド用（ｃｈ１３−６２）というように，それぞれの受信帯域において最大の受信動作利得を得られるように設計されている。（例えば，非特許文献１参照）。

実開昭５９−１６４３０５号公報 マスプロ電工株式会社発行，ゼネラルカタログ２００２．３，Ｐ．４３−５６

しかし，上記特許文献１提案の技術では所定の帯域幅で均一な受信感度を得られるものの，所定の高感度を得るためには導波器の数を増やす必要があり，アンテナ装置が大型化するという問題があった。また，アンテナの大型化に伴い，美観も問題になっている。

また，上記非特許文献１提案の技術では，新たに地上波ディジタル放送が開始されると，受信アンテナを追加・交換しなければならないという問題があった。なぜなら，地上波ディジタル放送は３大都市圏でサービスが開始されたが，地上波ディジタル放送はＵＨＦ帯で放送され，しかもその大半はｃｈ１３〜Ｃｈ２８の低い周波数帯に集中していることから，ローバンド用のアンテナを使用している場合は問題ないが，ローバンド以外のアンテナを使用している場合は，この帯域が受信できるアンテナを追加するか，または交換する必要がある。また，地上波ディジタル放送開始時には既存の地上波アナログ放送に対する妨害を考慮して，定常時出力の１００分の１程度の低い送信電力で送信されている。このため，地上波ディジタル放送を安定受信するためにはアンテナの動作利得が重要になってくる。したがって，地上ディジタル放送の周波数帯域の動作利得が高いアンテナに交換しなければならないのである。
また，従来，アンテナを選択する場合，将来放送局が追加される可能性を見込んで，全帯域（オールバンド）用のアンテナが選択されることが多かった。ところが，オールバンドのアンテナを使用している場合，受信帯域は合致するものの，広帯域であるために動作利得が低く，所要の受信レベルを得るためには素子数（特に導波器の数）の多い高利得なアンテナに交換しなければならず，アンテナが大型化してしまうという問題があった。

そこで本願においては，こうした問題点を解決するためになされたものであり，その目的は，小型なアンテナであっても，第１の所定帯域の受信感度が高くかつ，第２の所定帯域の受信感度が所定値以上得られる八木・宇田式アンテナ装置を提供することである。
他の目的は共通部品が使用でき，製造コストの低減が図れる八木・宇田式アンテナ装置を提供することである。
他の目的は３大都市圏で放送される地上ディジタル放送信号および，地上アナログ放送信号を効率よく受信できる八木・宇田式アンテナ装置を提供することである。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は，放射器と反射器と導波器を備えた八木・宇田式アンテナであって，
前記導波器として，
受信帯域の中心周波数の波長をλとしたとき，長さが略０．２８λとなる４本の導波素子からなり，各導波素子がアンテナ支持杆を挟んで２列２段のスタックに配列され，しかも，各導波素子の間の寸法が，各導波素子の軸線方向に略０．４λ，軸線に直交する方向に略０．０９λとなるように設定されたスタック式導波素子を複数備え，この複数のスタック式導波素子を前記アンテナ支持杆上に間隔を空けて配置してなる第１組の導波器と，
長さが略０．２９λとなる４本の導波素子からなり，各導波素子がアンテナ支持杆を挟んで２列２段のスタックに配列され，しかも，各導波素子の間の寸法が，各導波素子の軸線方向に略０．４１λ，軸線に直交する方向に略０．０９λとなるように設定されたスタック式導波素子を複数備え，この複数のスタック式導波素子を前記アンテナ支持杆上に間隔を空けて配置してなる第２組の導波器と，
を備え，前記各組の導波器を構成するスタック式導波素子の数は略等しい数に設定され，しかも，前記各組の導波器は，導波素子の長さが第１組の導波器よりも長い第２組の導波器が放射器側に位置し，第１組の導波器が放射器とは反対側の電波到来方向に位置するように，前記アンテナ支持杆上に配置されていることを特徴とする。

本発明の八木・宇田式アンテナ装置によれば，導波器として，複数のスタック式導波素子からなり，スタック式導波素子を構成する導波素子の長さが異なる２組の導波器を備える。そして，その２組の導波器のうち，導波素子の長さが第１組の導波器に比べて長い第２組の導波器が放射器側に位置し，第１組の導波器が放射器とは反対側の電波到来方向に位置するように配置されている。このため，小型なアンテナであっても，第１の所定帯域の受信感度が高くかつ，第２の所定帯域の受信感度が所定値以上得られる，高性能な八木・宇田式アンテナ装置を提供することができる。

また，本発明の八木・宇田式アンテナ装置によれば，各組の導波器を構成するスタック式導波素子の数が略等しい数に設定するように構成したので，共通部品が使用できることにより生産効率が向上し，延いては製造コストの低減が図れる八木・宇田式アンテナ装置を提供することができる。

また更に，本発明の八木・宇田式アンテナ装置において，第１組の導波器は，受信帯域の中心周波数の波長をλとしたとき，長さが略０．２８λとなる４本の導波素子からなり，各導波素子がアンテナ支持杆を挟んで２列２段のスタックに配列され，しかも，各導波素子の間の寸法が，各導波素子の軸線方向に略０．４λ，軸線に直交する方向に略０．０９λとなるように設定されたスタック式導波素子を複数備え，この複数のスタック式導波素子をアンテナ支持杆上に間隔を空けて配置することにより構成される。
また，第２組の導波器は，長さが略０．２９λとなる４本の導波素子からなり，各導波素子がアンテナ支持杆を挟んで２列２段のスタックに配列され，しかも，各導波素子の間の寸法が，各導波素子の軸線方向に略０．４１λ，軸線に直交する方向に略０．０９λとなるように設定されたスタック式導波素子を複数備え，この複数のスタック式導波素子を前記アンテナ支持杆上に間隔を空けて配置することにより構成される。
このため，本発明によれば，例えばＵＨＦ帯を受信するようにアンテナ装置を構成すれば，特に，３大都市圏で放送される地上ディジタル放送信号を効率よく受信するために好適なアンテナ装置を提供できるばかりでなく，合わせて，地上アナログ放送信号を効率よく受信するための，優れた特性の八木・宇田式アンテナ装置を提供することができる。

以下に，本発明を具体化した実施形態の例を，図面を基に詳細に説明する。
尚，本願の実施例において方向を示す場合，特に明示しない限り，水平偏波の電波を受信するときにアンテナ装置をマストに取付けた状態における方向を示しており，例えば前記マストの軸線方向に対しては上下方向であり，アンテナ支持杆６の軸線方向に対して前後方向（つまり，電波到来方向が前）である。また電波到来方向から見たときの各エレメントの軸線方向は左右方向とする。

図１は本発明を適用したＵＨＦ帯のテレビ放送を受信する八木・宇田式アンテナ装置の説明図を示しており，図１（ａ）は正面図，図１（ｂ）は側面図である。
１は八木・宇田式アンテナ装置であり，反射器４，放射器３，導波器２がそれぞれ所定の間隔でアンテナ支持杆６に固定されている。また，アンテナ支持杆６には八木・宇田式アンテナ装置１をマスト等に固定するためのアンテナ支持金具５が備えられている。７は給電部，２０・２１は導波素子２０ａ，２１ａをそれぞれスタックに配列した，導波器２を構成するスタック式導波素子である。

本願の実施例における導波器２は，導波器２Ａ，２Ｂの２組で構成されている。
導波器２Ａは，前記導波素子２０ａを２列２段のスタックに配列したスタック式導波素子２０を６つ，所定の間隔になるようにアンテナ支持杆６上に配置して構成されている。導波器２Ｂも前記導波器Ａと同様な構成で，６つのスタック式導波素子２１から構成されている。
本願においては，前方（電波到来方向）側に位置する導波器２Ａより，後方側（言い換えれば，放射器側）に位置する導波器２Ｂの長さが僅かに長くなるように構成されている。

スタック式導波素子２０，２１の詳しい構成を図２に示す。スタック式導波素子は，例えば直径６ｍｍ，肉厚０．５ｍｍ程度のアルミパイプから成る４本の導波素子（前記導波素子２１ａは前記導波素子２０ａより僅かに長く形成されている。）と，例えば合成樹脂材で成形され，アンテナ支持杆６を挟んで対向配置され，例えば周知のネジ１２，ナット１３などの固着手段を使ってアンテナ支持杆６を上下方向から挟持することで固着できるように構成された支持台１０ａ，１０ｂとからなる。
該支持台１０ａ，１０ｂは，前記スタック式導波素子２０，２１にそれぞれ同じものを使用することによって生産性の向上を図っている。
前記導波素子は一方の前記支持台１０ａに２本，他方の支持台１０ｂに２本，それぞれ導波素子の端部を圧入固着等の手段で取付けられることによって，相互に所定寸法の間隔を有してスタック配列されている。
尚，前記導波素子２０ａ，２１ａは，合成樹脂材料の表面に導電性材料をメッキまたは蒸着して使用しても良いなど，実施例に限定されるものではない。

尚，本実施例では，導波器２は，長さの異なる導波素子２０ａと導波素子２１ａを，それぞれアンテナ支持杆６を挟んで２列２段のスタックにしたスタック式導波素子２０，２１を，それぞれ６つ備えたものを１組として導波器２Ａ及び２Ｂの２組から成るように構成したが，これに限定されることはなく，所定の利得が得られるように各本数や導波器を適宜に決定すればよい。

放射器３は図１に示すように，給電部７を備えており，同軸ケーブル（図示せず）が接続されている。本願の実施例では放射器３はビームダイポールアンテナとして形成され，放射器３のみで単一指向特性を有するようになっている。そして，その長さは受信する電波の波長の約２分の１に設定してある。尚，給電部７は合成樹脂材料で成形されたケース内に整合回路が備えられており，前記ビームダイポールアンテナで受信した受信信号を効率よく伝送線である同軸ケーブルに供給している。
また，給電部７はアンテナ支持杆６への固定部材としても機能しており，周知の固定手段でもって，アンテナ支持杆６に固定されている。
放射器３の素材としては，導波素子の素材と同様にアルミパイプが好適に使用され，本願の実施例では直径９．５ｍｍ，肉厚０．５ｍｍ程度のアルミパイプを使用しているが，例えば，合成樹脂材料の表面に導電性材料をメッキまたは蒸着して使用しても良い。

反射器４は，細径の鋼材を溶接等によって所定間隔に網状に配列したものに，焼き付け塗装を施した大きな反射器である。この反射器４はアンテナ支持杆６の後端部に，周知の金属材料を折り曲げ形成した固定金具やビス等から成る固定手段でもって上下方向に反射器を対向配設して固定されている。また，反射器４の長さは，前記導波器２，前記放射器３の長さより長くなるように設定されている。

次に，図1に示した八木・宇田式アンテナ装置１の導波器２，放射器３および反射器４の具体的な寸法と周波数特性について図２，図３，図４を用いて説明する。
放射器３の第１エレメントの長さＬ３１は２３０ｍｍで，例えばＵＨＦ帯の５２０ＭＨｚにおける自由空間の波長をλとすると略０．４λに設定してある。第２エレメントの長さＬ３２は前記第１エレメントの長さＬ３１よりも長い値である３８０ｍｍに設定してある。

次に導波器２について説明する。導波器２０Ａのスタック式導波素子２０は，４本の導波素子２０ａの長さがＬ２０ａ＝１６０ｍｍ（略０．２７７λ）であり，この導波素子２０ａの先端を結ぶ導波素子２０ａの軸線方向の寸法がＬ２０＝３９０ｍｍ（略０．６７６λ），導波素子２０ａの中心を結ぶ軸線方向の寸法がＬ２＝２３０ｍｍ（略０．３９８λ），軸線に直交する方向の寸法がＬ１＝５２ｍｍ（略０．０９λ）である２段２列のスタックとなるように支持台１０ａ，１０ｂに取付けられており，このスタック式導波素子２０を６つで，一組の導波器２０Ａが構成されている。
導波器２１Ｂのスタック式導波素子２１は，４本の導波素子２１ａの長さがＬ２１ａ＝１６５ｍｍ（略０．２８６λ）であり，この導波素子２１ａの先端を結ぶ導波素子２０ａの軸線方向の寸法がＬ２１＝４００ｍｍ（略０．６９３λ），導波素子２１ａの中心を結ぶ軸線方向の寸法がＬ２＝２３５ｍｍ（略０．４０７λ），軸線に直交する方向の寸法がＬ１＝５２ｍｍ（略０．０９λ）である２段２列のスタックとなるように支持台１０ａ，１０ｂに取付けられており，このスタック式導波素子２１を６つで，一組の導波器２１Ｂが構成されており，各導波器の寸法は前記放射器３のエレメントの長さよりも長い値となるように設定してある。
尚，本実施例ではＬ２０＝３９０ｍｍ，Ｌ２１＝４００ｍｍとなるように設定したが，この値に限定されるものではなく，それぞれプラス１０％・マイナス１０％の範囲内であれば同様の効果が得られる。また，他の寸法に対しても同様な寸法公差を設けてもよい。

次に，反射器４の長さＬ４は４９５ｍｍ（略０．８５８λ）であり，前記導波器２，前記放射器３のエレメントの長さよりも長い値に設定してある。

また，各エレメントは次の寸法でブーム上に配置されている。図３に示すＤ１〜Ｄ１２は，例えばＵＨＦ帯である５２０ＭＨｚにおける波長λの２５分の１〜３．５分の１に設定してある。具体的には，Ｄ１＝１５０ｍｍ，Ｄ２＝１２０ｍｍ，Ｄ３＝１１０ｍｍ，Ｄ４＝１１０ｍｍ，Ｄ５＝９０ｍｍ，Ｄ６＝８０ｍｍ，Ｄ７＝７５ｍｍ，Ｄ８＝６５ｍｍ，Ｄ９＝５０ｍｍ，Ｄ１０＝３０ｍｍ，Ｄ１１＝２５ｍｍ，Ｄ１２＝６２ｍｍに設定されている。Ｄ１３はＵＨＦ帯の５２０ＭＨｚにおける波長λの略３．３分の１に設定してあり，具体的にはＤ１３＝１７５ｍｍに設定されている。

次に，本発明のＵＨＦアンテナと従来のオールバンドのＵＨＦアンテナにおける動作利得の各周波数特性について図４を用いて詳細に説明する。図４に示すとおり，本発明のアンテナにおいては３大都市圏での地上ディジタル放送帯域（第１の所定帯域）であるｃｈ１３〜ｃｈ２８では１１ｄＢを越える動作利得が得られており，従来のオールバンドアンテナより１．５〜３．７ｄＢ向上していることがわかる。また，３大都市圏での地上アナログ放送帯域（第２の所定帯域）であるｃｈ１３〜ｃｈ３６においても従来のオールバンドアンテナと同等以上の動作利得が得られていることがわかる。

このように，本願の実施形態に示すアンテナ装置は，特に地上ディジタル放送帯域の動作利得が改善されているため，このアンテナ装置を用いれば，従来のオールバンドアンテナを使用している地域より，サービスエリアを広げることができる。また，地上ディジタル放送の送信出力が段階的に上昇する過程で，定格出力より低い場合であっても安定した受信が可能になる。

次に，八木・宇田式アンテナ装置の動作について説明する。
八木・宇田式アンテナ装置１の給電部７には八木・宇田式アンテナ装置１で受信したテレビ信号を端末機器としてのテレビ受像機まで伝送するための伝送線（本実施例では同軸ケーブル）が接続されている。

地上ディジタル放送及び地上アナログ放送の電波は，２組の導波器２Ａ，２Ｂで放射器３に導波されると共に，放射器３を通過した放送電波は，反射器４で放射器３側に反射され，その合成波が放射器３で受信される。放射器３で受信された上記放送信号は給電部７に内蔵された整合回路を介して，同軸ケーブルに出力され，前記同軸ケーブルの他端に接続されたテレビ受信機に供給され，画像や音声を楽しむことができる。

尚，本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく，以下に例示するように，本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部を適宜に変更して実施することも可能である。
例えば，上記実施例では導波器を２組使用して，それぞれスタック式導波素子２０及び２１を各６本使用した例を示したが，これに限定されるものではなく，要求仕様を満足すれば，これよりも多くても少なくても良い。
また，本実施例では放射器３としてビームダイポールアンテナを使用したが，特にこれに限定されるものでなく，通常の半波長ダイポールアンテナであっても良い。また，本実施例では細径の鋼材から成る網状の反射器４を用いたが，上述のような中空のアルミパイプからなる複数本の反射素子を備えた反射器を使用しても良い。

本発明を適用した八木・宇田式アンテナ装置の説明図であり，（ａ）は正面図，（ｂ）は側面図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線から見たスタック式導波素子の図であり，（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線から見たスタック式導波素子の図である。 図１に示した八木・宇田式アンテナ装置の寸法図である。 図１に示した八木・宇田式アンテナ装置の周波数特性を示した説明図である。

符号の説明

１…八木・宇田式アンテナ装置，２…導波器，３…放射器，４…反射器，５…アンテナ支持金具，６…アンテナ支持杆，７…給電部，１０ａ，１０ｂ…支持台，１２…ビス，１３…ナット，２０・２１…スタック式導波素子，２０ａ・２１ｂ…導波素子。

Claims (1)

1. 放射器と反射器と導波器を備えた八木・宇田式アンテナであって，
   前記導波器として，
   受信帯域の中心周波数の波長をλとしたとき，長さが略０．２８λとなる４本の導波素子からなり，各導波素子がアンテナ支持杆を挟んで２列２段のスタックに配列され，しかも，各導波素子の間の寸法が，各導波素子の軸線方向に略０．４λ，軸線に直交する方向に略０．０９λとなるように設定されたスタック式導波素子を複数備え，この複数のスタック式導波素子を前記アンテナ支持杆上に間隔を空けて配置してなる第１組の導波器と，
   長さが略０．２９λとなる４本の導波素子からなり，各導波素子がアンテナ支持杆を挟んで２列２段のスタックに配列され，しかも，各導波素子の間の寸法が，各導波素子の軸線方向に略０．４１λ，軸線に直交する方向に略０．０９λとなるように設定されたスタック式導波素子を複数備え，この複数のスタック式導波素子を前記アンテナ支持杆上に間隔を空けて配置してなる第２組の導波器と，
   を備え，前記各組の導波器を構成するスタック式導波素子の数は略等しい数に設定され，しかも，前記各組の導波器は，導波素子の長さが第１組の導波器よりも長い第２組の導波器が放射器側に位置し，第１組の導波器が放射器とは反対側の電波到来方向に位置するように，前記アンテナ支持杆上に配置されていることを特徴とする放送受信システム。

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