JP5004187B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明はアンテナ装置に関し、特に、アルホードループアンテナを備えたアンテナ装置に関する。

従来より、水平偏波を受信または送信するための無指向性のアンテナ装置としてアルホードループアンテナが知られている。このアルホードループアンテナは、複数（たとえば８つ）の円弧状のアンテナ素子を円形に配置し、隣接する各１対のアンテナ素子によってダイポールアンテナを構成したものである（たとえば、非特許文献１参照）。
アンテナ工学ハンドブック、６４頁、電子情報通信学会編、オーム社発行

しかし、従来のアルホードループアンテナでは、周波数帯域が狭いという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、無指向性で周波数帯域が広いアンテナ装置を提供することである。

この発明に係るアンテナ装置は、円形または多角形状に配置された複数のダイポールアンテナを含み、各ダイポールアンテナは１対のアンテナ素子を有するアルホードループアンテナと、各ダイポールアンテナの各アンテナ素子に沿って設けられ、そのダイポールアンテナの周波数帯域を広げるための共振素子と、上下に平行に設けられた２枚の基板とを備えたものである。各ダイポールアンテナに含まれる１対のアンテナ素子のうちの一方のアンテナ素子は２枚の基板のうちの一方の基板に形成され、他方のアンテナ素子は他方の基板に形成され、共振素子は２枚の基板の間に設けられている。

また、この発明に係る他のアンテナ装置は、円形または多角形状に配置された複数のダイポールアンテナを含み、各ダイポールアンテナは１対のアンテナ素子を有するアルホードループアンテナと、各ダイポールアンテナの各アンテナ素子に沿って設けられ、そのダイポールアンテナの周波数帯域を広げるための共振素子と、１枚の基板とを備えたものである。各ダイポールアンテナに含まれる１対のアンテナ素子のうちの一方のアンテナ素子は基板の表面に形成され、他方のアンテナ素子は基板の裏面に形成され、共振素子はアンテナ素子の外側に設けられている。

また、この発明に係る他のアンテナ装置は、円形または多角形状に配置された複数のダイポールアンテナを含み、各ダイポールアンテナは１対のアンテナ素子を有するアルホードループアンテナと、各ダイポールアンテナの各アンテナ素子に沿って設けられ、そのダイポールアンテナの周波数帯域を広げるための共振素子と、１枚の基板とを備えたものである。各ダイポールアンテナに含まれる１対のアンテナ素子のうちの一方のアンテナ素子は基板の表面に形成され、他方のアンテナ素子は基板の裏面に形成され、共振素子はアンテナ素子の内側に設けられている。

この発明に係るアンテナ装置では、アルホードループアンテナの各ダイポールアンテナの各アンテナ素子に沿って、そのダイポールアンテナの周波数帯域を広げるための共振素子が設けられる。したがって、無指向性で周波数帯域が広いアンテナ装置を実現できる。

図１（ａ）は、この発明の一実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したアンテナ装置の構成を示す正面図である。

図１（ａ）（ｂ）において、このアンテナ装置は、水平に配置された円形のプリント基板１と、プリント基板１の上方に水平に配置された円形のプリント基板２と、２枚のプリント基板１，２の間に配置された４つの共振素子３とを備える。プリント基板１，２と共振素子３は、図示しない絶縁部材を介して固定されている。プリント基板１，２の直径はたとえば２５０ｍｍであり、プリント基板１，２の表面の導電層１ａ，２ａの間隔はたとえば２５ｍｍである。

また、このアンテナ装置は、図２（ａ）に示すように、プリント基板１の表面の導電層１ａによって形成された４つのアンテナ素子４、４本の配線５、および給電点Ｐ１を備える。プリント基板１の外周である円６は８つの円弧に等分割されており、アンテナ素子４は、各奇数番の円弧の内側に沿って円弧状に形成されている。アンテナ素子４の幅は、たとえば５ｍｍである。

給電点Ｐ１は、プリント基板１の表面の中心点に形成されている。配線５は、給電点Ｐ１と、各アンテナ素子４の一方側端部（給電点Ｐ１から見て左側端部）との間に接続されている。配線５の長さは、たとえば１２５ｍｍである。

換言すると、円６において、時計の１２時の位置を０度とすると、４つのアンテナ素子４は、それぞれ０〜４５度、９０〜１３５度、１８０〜２２５度、２７０〜３１５度の円弧の内側に沿って形成され、４つの配線５は、それぞれ０度、９０度、１８０度、および２７０度の位置に形成されている。

また、このアンテナ装置は、図２（ｂ）に示すように、プリント基板２の表面の導電層２ａによって形成された４つのアンテナ素子７、４本の配線８、および給電点Ｐ２を備える。プリント基板２の外周である円９は８つの円弧に等分割されており、アンテナ素子７は、各偶数番の円弧の内側に沿って円弧状に形成されている。アンテナ素子７の幅は、たとえば５ｍｍである。

給電点Ｐ２は、プリント基板２の表面の中心点に形成されている。配線８は、給電点Ｐ２と、各アンテナ素子７の他方側端部（給電点Ｐ２から見て右側端部）との間に接続されている。配線８の長さは、たとえば１２５ｍｍである。

換言すると、円９において、時計の１２時の位置を０度とすると、４つのアンテナ素子７は、それぞれ４５〜９０度、１３５〜１８０度、２２５〜２７０度、３１５〜３６０度の円弧の内側に沿って形成され、４つの配線８は、それぞれ０度、９０度、１８０度、および２７０度の位置に形成されている。

また図２（ａ）に示すように、４つの共振素子３は、円６，９と同径で、円６，９の略中間に位置する円（図示せず）の内側に沿って、それぞれ０度、９０度、１８０度、および２７０度の位置に円弧状に形成されている。共振素子３の中心は、配線５，８の先端部（給電点Ｐ１，Ｐ２と反対側の端部）に対向して配置されている。共振素子３は、たとえば金属薄板で形成され、プリント基板１，２の導電層１ａ，２ａの中間に配置される。共振素子３の一方端から他方端までの直線距離は、たとえば１４２ｍｍである。したがって、共振素子３は、対応するアンテナ素子４の中央部と対応するアンテナ素子７の中央部との間の範囲で、対応するアンテナ素子４，７の各々に対向して設けられている。

図３は、アンテナ装置の要部の構成と、その使用方法を示す図である。図３において、アンテナ装置は、４組のアンテナ素子４，７と、４組の配線５，８と、２つの給電点Ｐ１，Ｐ２とを含み、これらはアルホードループアンテナを構成する。同じ位置に上下に配置された配線５，８に接続された１対のアンテナ素子４，７は、ダイポールアンテナ１０を構成する。したがって、このアンテナ装置は、４方向に向けられた４組のダイポールアンテナ１０を含む。

このアンテナ装置は、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）テレビ放送の電波の受信または再送信を行なうために使用される。したがって、アンテナ素子４，７の各々は、ＵＨＦテレビ放送の電波の略４分の１波長の長さに設定されている。なお、日本では、ＵＨＦテレビ放送の電波の周波数範囲は４７０〜７７０ＭＨｚ（１３〜６２チャンネル）であり、特に、地上波デジタルテレビ放送の場合、周波数範囲は４７０〜７１０ＭＨｚである。

アンテナ装置は、同軸線１１を介してテレビ受信機または再送信装置に接続される。この再送信装置は、たとえば地下街に設置され、地上で受信した電波を地下街に再送信する装置である。同軸線１１の外部導体（接地線）は給電点Ｐ１に接続され、同軸線１１の内部導体（信号線）はコンデンサ１２およびコイル１３の並列接続体を介して給電点Ｐ２に接続される。コンデンサ１２およびコイル１３の並列接続体は、所望の周波数帯域の信号のみを通過させるバンドパスフィルタを構成する。コンデンサ１２の容量値は、たとえば７ｐＦである。コイル１３は、たとえば、線径が０．９ｍｍの銅線を直径が６ｍｍになるように７回巻いたものである。

図４は、このアンテナ装置の利得およびＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）の周波数特性を示す図である。図４から、このアンテナ装置は、４７０〜７７０ＭＨｚにおいて十分に高い利得を有し、４７０〜７７０ＭＨｚにおいて十分に低いＶＳＷＲを有することが分かる。また、図５（ａ）（ｂ）は、このアンテナ装置の指向性の周波数特性を示す図である。図５（ａ）（ｂ）から、このアンテナ装置は４７０〜７７０ＭＨｚにおいて良好な無指向性を示すことが分かる。

この実施の形態では、アルホードループアンテナの各ダイポールアンテナ１０に含まれるアンテナ素子４，７に対向して共振素子３を設けたので、無指向性で広帯域のアンテナ装置を実現できる。

なお、この実施の形態では、アンテナ素子４、配線５、および給電点Ｐ１をプリント基板１の表面側に設けたが、それらをプリント基板１の裏面側に設けてもよい。また、アンテナ素子７、配線８、および給電点Ｐ２をプリント基板２の表面側に設けたが、それらをプリント基板２の裏面側に設けてもよい。また、アンテナ素子４，７、配線５，８、および給電点Ｐ１，Ｐ２をプリント基板１，２の導電層１ａ，２ａで形成したが、それらを板金で形成してもよい。

また、図６（ａ）（ｂ）は、この実施の形態の変更例を示す図であり、特に、図６(ａ）は図１（ｂ）と対比される図であり、図６（ｂ）は図２（ａ）と対比される図である。図６（ａ）（ｂ）において、この変更例では、１枚の円形の両面プリント基板１５が使用される。アンテナ素子４、配線５、および給電点Ｐ１はプリント基板１５の一方側導電層１５ａで形成され、アンテナ素子７、配線８、および給電点Ｐ２はプリント基板１５の他方側導電層１５ｂで形成され、共振素子３は、対応するアンテナ素子４，７に沿って、プリント基板１５の外側に配置される。なお、図６（ｂ）は、プリント基板１５から他方側導電層１５ｂおよび絶縁基板を除去してアンテナ装置の上方から見た図である。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。

また、図７（ａ）（ｂ）は、この実施の形態の他の変更例を示す図であり、特に、図７(ａ）は図１（ｂ）と対比される図であり、図７（ｂ）は図２（ａ）と対比される図である。図７（ａ）（ｂ）において、この変更例では、１枚の円形の両面プリント基板１５が使用される。共振素子３、アンテナ素子４、配線５、および給電点Ｐ１はプリント基板１５の一方側導電層１５ａで形成され、アンテナ素子７、配線８、および給電点Ｐ２はプリント基板１５の他方側導電層１５ｂで形成される。共振素子３は、対応するアンテナ素子４，７に沿って、アンテナ素子４，７の内側に配置される。なお、図７（ｂ）は、プリント基板１５から他方側導電層１５ｂおよび絶縁基板を除去してアンテナ装置の上方から見た図である。

ただし、実施の形態では、共振素子３はダイポールアンテナ１０を構成するアンテナ素子４，７に共通に設けられていたのに対し、この変更例では、共振素子３は隣接する２つのダイポールアンテナ１０のうちの一方のダイポールアンテナ１０のアンテナ素子４と他方のダイポールアンテナ１０のアンテナ素子７とに共通に設けられる。換言すると、プリント基板１５の外周である円１６において、時計の１２時の位置を０度とすると、４つの共振素子３は、それぞれ４５度、１３５度、２２５度、および３１５度の位置に形成されている。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。

また、図８（ａ）〜（ｃ）は、この実施の形態のさらに他の変更例を示す図であって、図２（ａ）（ｂ）と対比される図である。図８（ａ）〜（ｃ）において、この変更例では、円形のプリント基板１，２の代わりに正方形のプリント基板２０，２１が使用される。給電点Ｐ１は、プリント基板２０の表面の外形である正方形２２の中心点に設けられる。４本の配線５は、それぞれ正方形２２の４辺の中点と給電点Ｐ１との間を結ぶように形成される。４つのアンテナ素子４は、それぞれ正方形２２の４辺に沿って設けられ、各アンテナ素子４は対応する辺のうちの中点と一方側端部（給電点Ｐ１から見て右側端部）との間に形成されている。したがって、同じ辺に対応するアンテナ素子４と配線５はＬ字型に形成され、４本の配線５と４つのアンテナ素子４は逆の卍型に形成されている。

また、給電点Ｐ２は、プリント基板２１の表面の外形である正方形２３の中心点に設けられる。４本の配線８は、それぞれ正方形２３の４辺の中点と給電点Ｐ２との間を結ぶように形成される。４つのアンテナ素子７は、それぞれ正方形２３の４辺に沿って設けられ、各アンテナ素子７は対応する辺のうちの中点と他方側端部（給電点Ｐ２から見て左側端部）との間に形成されている。したがって、同じ辺に対応するアンテナ素子７と配線８はＬ字形に形成され、４本の配線８と４つのアンテナ素子７は卍型に形成されている。

正方形２２，２３は、上下に並行に配置される。上方から見て同じ辺に対応するアンテナ素子４と７は、１つのダイポールアンテナ１０を構成する。また、４つの共振器３は、正方形２２，２３の中間に位置する正方形２４の四隅に配置される。各共振器３は、Ｌ字型に形成されている。共振素子３は、隣接する２つのダイポールアンテナ１０のうちの一方のダイポールアンテナ１０のアンテナ素子４と他方のダイポールアンテナ１０のアンテナ素子７とに共通に設けられる。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。

また、図９（ａ）〜（ｃ）は、この実施の形態のさらに他の変更例を示す図であって、図２（ａ）（ｂ）と対比される図である。図９（ａ）〜（ｃ）において、この変更例では、円形のプリント基板１，２の代わりに正八角形のプリント基板２５，２６が使用される。給電点Ｐ１は、プリント基板２５の表面の外形である正八角形２７の中心点に設けられる。時計の１２時の位置に正八角形２７の１番目の角を配置すると、４本の配線５は、それぞれ正八角形２７の１番目、３番目、５番目、７番目の角と給電点Ｐ１との間を結ぶように形成されている。４つのアンテナ素子４は、それぞれ正八角形２７の１番目、３番目、５番目、７番目の角の一方側（給電点Ｐ１から見て右側）の辺に沿って設けられている。したがって、同じ角に対応するアンテナ素子４と配線５はＶ字型に形成される。

また、給電点Ｐ２は、プリント基板２６の表面の外形である正八角形２８の中心点に設けられる。時計の１２時の位置に正八角形２８の１番目の角を配置すると、４本の配線８は、それぞれ正八角形２８の１番目、３番目、５番目、７番目の角と給電点Ｐ２との間を結ぶように形成されている。４つのアンテナ素子７は、それぞれ正八角形２８の１番目、３番目、５番目、７番目の角の他方側（給電点Ｐ２から見て左側）の辺に沿って設けられている。したがって、同じ角に対応するアンテナ素子７と配線８はＶ字型に形成される。

正八角形２７，２８は、上下に並行に配置される。上方から見て同じ角に対応するアンテナ素子４と７は、１つのダイポールアンテナ１０を構成する。また、４つの共振器３は、正八角形２７，２８の中間に位置する正八角形２９の１番目、３番目、５番目、７番目の角に配置される。各共振器３は、Ｖ字型に形成されている。共振素子３は、対応するダイポールアンテナ１０の２つのアンテナ素子４，７に沿って配置される。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。

なお、上記変更例では、４つのダイポールアンテナ１０を正方形状または正八角形状に配置したが、４つのダイポールアンテナ１０を１２角形以上の４ｎ角形状（ただし、ｎは３以上の整数である）に配置してもよい。また、４よりも大きな偶数のダイポールアンテナ１０を円形または多角形状に配置してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す図である。 図１に示したプリント基板の表面および共振素子を示す図である。 図１に示したアンテナ装置の要部および使用方法を示す図である。 図１に示したアンテナ装置の利得およびＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。 図１に示したアンテナ装置の指向性の周波数特性を示す図である。 この実施の形態の変更例を示す図である。 この実施の形態の他の変更例を示す図である。 この実施の形態のさらに他の変更例を示す図である。 この実施の形態のさらに他の変更例を示す図である。

符号の説明

１，２，２０，２１，２５，２６ プリント基板、１ａ，２ａ 導電層、３ 共振素子、４，７ アンテナ素子、５，８ 配線、６，９，１６ 円、１０ ダイポールアンテナ、１１ 同軸線、１２ コンデンサ、１３ コイル、１５ 両面プリント基板、１５ａ 一方側導電層、１５ｂ 他方側導電層、２２〜２４ 正方形、２７〜２９ 正八角形、Ｐ１，Ｐ２ 給電点。

Claims (3)

1. 円形または多角形状に配置された複数のダイポールアンテナを含み、各ダイポールアンテナは１対のアンテナ素子を有するアルホードループアンテナと、
   各ダイポールアンテナの各アンテナ素子に沿って設けられ、そのダイポールアンテナの周波数帯域を広げるための共振素子と、
   上下に平行に設けられた２枚の基板とを備え、
   各ダイポールアンテナに含まれる１対のアンテナ素子のうちの一方のアンテナ素子は前記２枚の基板のうちの一方の基板に形成され、他方のアンテナ素子は他方の基板に形成され、前記共振素子は前記２枚の基板の間に設けられていることを特徴とする、アンテナ装置。
2. 円形または多角形状に配置された複数のダイポールアンテナを含み、各ダイポールアンテナは１対のアンテナ素子を有するアルホードループアンテナと、
   各ダイポールアンテナの各アンテナ素子に沿って設けられ、そのダイポールアンテナの周波数帯域を広げるための共振素子と、
   １枚の基板とを備え、
   各ダイポールアンテナに含まれる１対のアンテナ素子のうちの一方のアンテナ素子は前記基板の表面に形成され、他方のアンテナ素子は前記基板の裏面に形成され、前記共振素子は前記アンテナ素子の外側に設けられていることを特徴とする、アンテナ装置。
3. 円形または多角形状に配置された複数のダイポールアンテナを含み、各ダイポールアンテナは１対のアンテナ素子を有するアルホードループアンテナと、
   各ダイポールアンテナの各アンテナ素子に沿って設けられ、そのダイポールアンテナの周波数帯域を広げるための共振素子と、
   １枚の基板とを備え、
   各ダイポールアンテナに含まれる１対のアンテナ素子のうちの一方のアンテナ素子は前記基板の表面に形成され、他方のアンテナ素子は前記基板の裏面に形成され、前記共振素子は前記アンテナ素子の内側に設けられていることを特徴とする、アンテナ装置。

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