JP4224864B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ装置であって、さらに詳しくは基本的な長さを要するアンテナ長の短縮を図った或いは無線運用の出来る周波数帯域の広いダイポール形アンテナに関するものである。

ダイポール形アンテナはヘルツが初めて電波を発生させるために用いたアンテナで、以来形状は変わらず現在も無線通信に於ける基本形のアンテナとして使用されている。構造は長さ１／２λの放射器（ラジエーター）を中央で分割し、その位置から給電させる。いたってシンプルなアンテナである。このダイポール形アンテナは一般的に短波帯から超短波帯の送信及び受信用のアンテナとして使用されている。

無線通信でのアマチュア無線の運用は比較的波長の長い波長域においても運用されている。実用的な周波数の下限はアマチュア無線では１．９ＭＨｚであり、これは波長およそ１６０ｍであり、従来の１／２λダイポール・アンテナは約８０ｍ、１／４λ垂直形アンテナでも約４０ｍとなり、アンテナの架設は物理的に困難であった。これを解決するため従来は短縮コイルや頂冠キャパシティを使用していたが、短縮させるが故に運用出来る周波数帯域も狭くなってしまった。

同軸ケーブルを使用して素材の絶縁物の持つ速度係数（短縮率）を利用したアンテナを発明することが出来れば短縮コイルや頂冠キャパシティを省略した短縮されたアンテナが実現出来るという考え方は過去多くの無線に関わった人たちが実験・可能性について挑戦したが成し得ることが出来なかった。最近もその可能性について詳細に理論立てて実験されたにも拘らず完成には至っていない。（非特許文献１を参照）

従来のアンテナ技術に同様な給電方法が見出されてはいたが、周波数帯域幅を確保するためのスタブとして使用されており、アンテナ自体は短縮されては作動していなかった。この様な規格化されて市販されている素材だけを給電し、短縮されたアンテナを実現するには至らなかった。（非特許文献１、非特許文献２、特許文献１を参照）

ＣＱ出版株式会社 ＨＡＭ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏ．１１３ ２００５年４月１日発行ｐ１１４「同軸ケーブル特性の把握と短縮率の実験」

（特許紹介参考文献１）
ＣＱ出版株式会社 別冊ＣＱ ｈａｍ ｒａｄｉｏ ３月号１９９３年３月１日発行ダイナミック・ハムシリーズ１６「ワイヤーアンテナ」ｐ２０５「６．１０ ７ＭＨｚダブル・バズーカ」

米国特許第４４７９１３０号 前項（［０００７］）の原典

アンテナ装置は小形化すると給電インピーダンスが下がり効率が低下し、また運用出来る周波数帯域が狭くなる性質があって短縮された小形のアンテナは使い難いアンテナ装置であった。

本発明はアンテナの長さを短縮し、運用周波数帯域幅を十分確保出来る広帯域なダイポール形アンテナ装置を作り出すことを目的とするものである。

このアンテナの給電インピーダンスを把握することが出来たことにより、最適な給電方法を考案し課題を解決出来るに至った。

同軸ケーブルにて構成するダイポール形アンテナについて図１に示す。このまま給電することは出来るが強度的に限られた条件の下にしか架設することが出来ないので、これを図２のように金属管（パイプ）内に配し、アンテナとしての強度を高め構成する。

本発明に従った短縮されたダイポール形のアンテナ装置は放射器（ラジエーター）の素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を活かして波長が短縮されるので、短縮コイルや頂冠キャパシティが不要で構造がシンプルであり、コストパフォーマンスに優れ応用性が高い。また周波数帯域幅も十分確保できる状態で作動する。実験で架設した５０ＭＨｚ用アンテナでは内装する同軸ケーブルにより２〜３ＭＨｚの周波数帯域幅を確保出来る。

本発明に従った原理は従来の基本的なダイポール形アンテナ及び、より複雑なアンテナ構成の反射器もしくは導波器を伴う通常の多素子の形式のダイポール形アンテナのすべてに適用可能である。

基本的に一定のインピーダンスを持つ同軸ケーブルを使用し、それぞれを１／４λの電気的な長さの一対の放射器（ラジエーター）として使用し、その先端を短絡し、中央部を交差させて接続し、中央部の接続点を給電部とし、それぞれを金属管（パイプ）内に配し、先端部と中央部は金属管（パイプ）に接合してインピーダンス変換バランを介して給電することにより素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を利用した波長の短縮された広帯域ダイポール形のアンテナ装置として作動させることが出来る。

このアンテナは給電インピーダンスが通常よりやや高く、このままでは給電出来ないので、インピーダンスの変換を行わねばならない。一時側は送信機の出力形態によるが現在では５０Ω不平衡出力がほとんどである。故に不平衡５０Ω：平衡ｎｎΩに変換しなくてはならない。この値は放射器（ラジエーター）に使用する同軸ケーブルの種類によって値が異なる。これにより素材の絶縁物固有の速度係数（短縮率）を活かした短縮されたダイポール形のアンテナ装置が実現出来る。

実験で求めた給電インピーダンス値は金属管（パイプ）内に５０Ω系同軸ケーブルを配した場合は２５０Ω。金属管（パイプ）内に７５Ω系同軸ケーブルを配した場合は２７０Ω。インピーダンス及び不平衡・平衡の変換は一般的なトロイダルコア及びフェライトビーズを使用したバランで実現出来る。

ＶＨＦ帯では給電インピーダンスが低くなる傾向があり、これより低い周波数帯にては若干高いインピーダンスで給電出来る。

図７の同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配したダイポール形アンテナは構造的にも強固となり多素子化の実現が容易となる。

５０Ω系同軸ケーブル又は７５Ω系同軸ケーブルでの実施方法を示した斜視図。 同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配したダイポール形アンテナの斜視図。 請求項１、図２同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配しそれぞれ片側の放射器（ラジエーター）を９１０ｍｍ、７５Ω系は図４のＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２７０Ω平衡バランを使用、５０Ω系は図５のＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２５０Ω平衡バランを使用しての５０ＭＨｚ帯（給電点高さ＝７ｍ）での実測で図の左側は７５Ω系同軸ケーブルを実装、右側は５０Ω系同軸ケーブルを実装した実測結果 請求項１の７５Ω系同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配し放射器（ラジエーター）として給電させるＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２７０Ω平衡バラン 請求項１の５０Ω系同軸ケーブルを金属管（パイプ）内に配し放射器（ラジエーター）として給電させるＶＨＦに特化した５０Ω不平衡：２５０Ω平衡バラン

符号の説明

１ 電気的長さが１／４λの同軸ケーブル
２ 電気的長さが１／４λの同軸ケーブルに相当した長さの金属管（パイプ）
３ 給電ポイント、インピーダンス及び不平衡・平衡の変換をバランにて行い送信機へ

Claims (1)

1. アンテナの放射器（ラジエーター）として速度系数（短縮率）を乗じた長さの１／４λの同軸ケーブル二本を直線上に配し両端の内部導体（芯線）と外部導体（外被線）を短絡し、中央部はそれぞれの向かい合う内部導体（芯線）と外部導体（外被線）を交差させて接続し、中央部の接続点を給電部とし、それぞれを金属管（パイプ）内に配し、先端部と中央部は金属管（パイプ）に接合してインピーダンス変換バランを介して給電する通常の必要とする放射器（ラジエーター）長を同軸ケーブルの速度系数（短縮率）を乗じた長さの放射器（ラジエーター）長で実現した短縮型のダイポール型アンテナ装置。

Images