低姿勢モノポールアンテナ
【課題】アンテナ高を短縮して小型化を図りながら放射効率を改善できる低姿勢モノポールアンテナを提供する。
【解決手段】円板状に形成したグラウンド板２１の上面中央にＣＲＬＨ線路を用いたアンテナ素子部２２を設ける。アンテナ素子部２２は、有底円筒状の容器２３内に収納した柱状の内導体２４及び容器２３の外側に接するようにグラウンド板２１上に立設した柱状の外導体２５を備える。内導体２４は複数の内導体素子２４ａ〜２４ｅに分割して容器２３内に所定の間隔で収納し、グラウンド板２１の下側に設けたインピーダンス整合回路２６から金属柱３１を介して給電する。そして、内導体素子２４ａ〜２４ｅと外導体２５との間を容器２３の外周壁２３ａを間に介して接続ピン２９ａ〜２９ｄにより接続し、左手系素子によるはしご型構造のモノポールアンテナを構成する。
【解決手段】円板状に形成したグラウンド板２１の上面中央にＣＲＬＨ線路を用いたアンテナ素子部２２を設ける。アンテナ素子部２２は、有底円筒状の容器２３内に収納した柱状の内導体２４及び容器２３の外側に接するようにグラウンド板２１上に立設した柱状の外導体２５を備える。内導体２４は複数の内導体素子２４ａ〜２４ｅに分割して容器２３内に所定の間隔で収納し、グラウンド板２１の下側に設けたインピーダンス整合回路２６から金属柱３１を介して給電する。そして、内導体素子２４ａ〜２４ｅと外導体２５との間を容器２３の外周壁２３ａを間に介して接続ピン２９ａ〜２９ｄにより接続し、左手系素子によるはしご型構造のモノポールアンテナを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載アンテナや屋内放送用送信等に使用する低姿勢モノポールアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の右手系素子を用いた一般的なモノポールアンテナは、アンテナ高が約１／４λ（λは使用周波数の波長）、例えば４８０ＭＨｚの周波数でおよそ１５６ｍｍと高姿勢であり、電車上部や屋内など、高さが限られた空間での使用が困難であった。
このため近年では、メタマテリアルと呼ばれる左手系素子を用いて小型化を図ったモノポールアンテナあるいはダイポールアンテナが考えられている（例えば、特許文献１、２、３参照。）。上記メタマテリアル（左手系素子）は、人工媒質を伝わる電磁波に対する有効的な誘電率と透磁率の値が共に負で、屈折率も負となる材料のことであり、理想的な左手系伝送路の等価回路は直列にキャパシタンス、並列にインダクタンスが接続された構造となっている。なお、通常の伝送路（電信方程式で表される）では、直列にインダクタンス、並列にキャパシタンスが接続された構造になる。
【０００３】
従来の同軸構造による右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ線路：Composite Right/Left Handed線路）を用いたモノポールアンテナは、図１５及び図１６に示すように構成されている。図１５は従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナの構成例を示す斜視図、図１６は図１５におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【０００４】
図１５において、１０はモノポールアンテナで、水平に置いた接地板１１と、この接地板１１の上面中央に垂直に設けられるＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）線路１２及び給電線路１３を備えている。
ＣＲＬＨ線路１２は、全長ｈ、半径Ｒの円筒状の外導体１４と、この外導体１４内の中心軸に沿って設けられる半径ｒの円柱状の内導体１５により構成される。ＣＲＬＨ線路１２は、上端が開放され、外導体１４の下端部が接地板１１に接続される。
【０００５】
内導体１５は、図１６に示すように複数例えば５つの内導体素子１５ａ〜１５ｅに等分割され、所定の間隔ｇを保って直列的に配置される。上記各内導体素子１５ａ〜１５ｅは、所定の高さＬを有し、それぞれ導体の接続ピン１６ａ〜１６ｅにより外導体１４に接続される。また、内導体１５は、最下部の内導体１５ｅに対して接地板１１の下側から給電線路１３により給電される。上記各内導体素子１５ａ〜１５ｅは、それぞれ接続ピン１６ａ〜１６ｅ、外導体１４の一部及び内導体素子１５ａ〜１５ｅの間隔ｇ等によってセル１７を構成する。
【０００６】
上記ＣＲＬＨ線路１２の特性は、全長ｈ、外導体１４の半径Ｒ、内導体１５の半径ｒ、各内導体素子１５ａ〜１５ｅの高さＬ及び間隔ｇ等の各パラメータを調節することで決定される。
図１７は、上記各セル１７の等価回路例を示す図である。各セル１７の等価回路は、直列に設けられる左手系キャパシタンスＣＬ 及び右手系インダクタンスＬＲ、並列に設けられる右手系キャパシタンスＣＲ及び左手系インダクタンスＬＬによって構成される。内導体素子１５ａ〜１５ｅの各間隔ｇは左手系キャパシタンスＣＬに相当し、内導体１５は右手系インダクタンスＬＲに相当する。また、接続ピン１６ａ〜１６ｅは左手系インダクタンスＬＬに相当し、外導体１４と内導体１５との間隔は右手系キャパシタンスＣＲに相当する。
【０００７】
上記ＣＲＬＨ線路１２は、上記各パラメータを調節し、使用周波数において、負の等価比誘電率を持つように設計する。このようにＣＲＬＨ線路１２の等価比誘電率を負の値に設定することで波長が短くなり、アンテナ高を約λ／２５まで短縮して小型化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２１１５４７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９５８７３号公報
【特許文献３】特開２０１０−２１２９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように右手／左手系複合伝送線路を用いてモノポールアンテナを構成することにより、アンテナ高を著しく短縮することができる。しかし、従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナは、同軸線路を素子として使用しているので、素子が外導体１４により覆われるため、放射効率が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、アンテナ高を短縮して小型化を図りながら放射効率を改善することができる低姿勢モノポールアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る低姿勢モノポールアンテナは、グラウンド板と、前記グラウンド板上に設けられる絶縁部材からなる有底筒状の容器と、前記容器内に順次所定の間隔で絶縁した状態で収納される複数の内導体素子からなる柱状の内導体と、前記容器の外側に位置するように前記グラウンド板上に立設される柱状の外導体と、前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電する給電手段と、前記給電手段により給電された前記内導体素子を除く他の各内導体素子と前記外導体との間を接続する接続ピンとを具備することを特徴とする。
【００１２】
第２の発明は、前記第１の発明に係る低姿勢モノポールアンテナにおいて、前記容器内に所定の間隔で収納した前記複数の内導体素子により左手系キャパシタンスを直列に形成すると共に、前記内導体素子と前記外導体との間を接続する前記接続ピンにより左手系インダクタンスを並列に形成してはしご型構造の左手系線路を構築したことを特徴とする。
【００１３】
第３の発明は、前記第１の発明又は第２の発明に係る低姿勢モノポールアンテナにおいて、前記給電手段は、前記グラウンド板の下面に整合基板を設け、該整合基板に形成されたインピーダンス整合回路を介して前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電することを特徴とする請求項１に記載の低姿勢モノポールアンテナ。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アンテナ高を非常に低くでき、例えば電車上部や屋内など、高さが制限された空間においても容易に使用することができる。また、本発明は、内導体の外側に柱状の外導体を配置した「はしご型」構造とすることにより、同軸線路を素子として使用した従来のＣＲＬＨモノポールアンテナのように内導体が外導体により覆われるという問題を解決でき、アンテナ放射効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの全体の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同実施例１におけるアンテナ素子部を１部切欠して示す斜視図である。
【図３】同実施例１におけるアンテナ素子部の断面図である。
【図４】同実施例１における内導体とインピーダンス整合回路との接続部を拡大して示す断面図である。
【図５】同実施例１におけるインピーダンス整合回路及び給電回路を取出して示す斜視図である。
【図６】（ａ）は同実施例１におけるインピーダンス整合回路のライン構成を示す図、（ｂ）は給電回路のライン構成を示す図である。
【図７】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの等価回路図である。
【図８】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおいて、内導体の半径Ｒ１を変化させたときのＶＳＷＲ（電圧定在波比）特性を示す図である。
【図９】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおいて、外導体の半径Ｒ２を変化させたときのＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１０】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおいて、接続ピンの長さｗを変化させたときのＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１１】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナのＶＳＷＲ特性（共振周波数４７３ＭＨｚ）を示す図である。
【図１２】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおける水平面垂直偏波指向性を示す図である。
【図１３】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおける垂直面垂直偏波指向性を示す図である。
【図１４】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの各種設定寸法におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１５】従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナの構成例を示す斜視図である。
【図１６】図１５におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図１７】従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナにおける各セルの等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの全体の概略構成を示す斜視図、図２は図１におけるアンテナ素子部を１部切欠して示す斜視図、図３は同アンテナ素子部の断面図である。
本発明の実施例１に係るＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）モノポールアンテナ２０は、図１に示すようにグラウンド板２１の上面中央にＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）線路を用いたアンテナ素子部２２を設けている。上記グラウンド板２１は、厚さが１ｍｍ程度の金属板を例えば円板状に形成したもので、その直径は例えば約０．８λ以上の大きさに設定する。上記λは使用周波数における波長を示している。
【００１８】
上記アンテナ素子部２２は、有底円筒状の容器２３内に収納した内導体２４及び容器２３の外周縁に接するように配置した円柱状の外導体２５により構成される。上記外導体２５の直径は、内導体２４の直径の約１／１０程度に設定される。上記容器２３は、絶縁部材例えば合成樹脂を用いて有底円筒状に形成したもので、内導体２４を収納し、アンテナ素子部２２の機械的強度を保つ働きもする。
【００１９】
上記内導体２４には、詳細を後述するインピーダンス整合回路２６及び給電回路２７を介して給電される。インピーダンス整合回路２６は、グラウンド板２１の下側に設けられ、一方の端部がグラウンド板２１の中央に設けられた透孔より金属柱を介して内導体２４に接続される。また、給電回路２７は、グラウンド板２１の上側において、一方の端部がインピーダンス整合回路２６の他方の端部に対応するように設けられ、該端部間がグラウンド板２１に設けられた透孔を介して接続ピンにより接続される。そして、給電回路２７の他方の端部に対して給電が行われる。
【００２０】
上記内導体２４は、図２及び図３に示すように導電部材を用いて半径Ｒ１の円柱状に形成され、所定の高さｈ１で複数例えば５つの内導体素子２４ａ〜２４ｅに分割され、上記容器２３内に順次スペーサ２８ａ〜２８ｄを介して一定の間隔ｇで収納される。上記内導体２４の半径Ｒ１は約２１ｍｍ、内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１は約４．２ｍｍ、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔（スペーサ２８の厚さ）ｇは約０．８ｍｍに設定される。スペーサ２８ａ〜２８ｄには、フッ素樹脂やセラミック等の高誘電率材料を用いるとよい。
【００２１】
また、上記グラウンド板２１の上面には、容器２３の外周縁に接するように外導体２５が垂直に設けられる。この外導体２５は、導電部材により柱状例えば半径Ｒ２が約２ｍｍ、高さｈ２が約２５ｍｍ（容器２３と略同一）の円柱状に形成され、図示しないが下端部がボルト及びナットによりグラウンド板２１に固定される。例えば外導体２５の底面にボルトを突設して設け、このボルトをグラウンド板２１に設けられた透孔を介してグラウンド板２１の下側に導出し、その先端にナットを螺着して固定する。これにより外導体２５は、中心軸が内導体の中心軸よりＲ１＋Ｗ＋Ｒ２離れた位置でグラウンド板２１に接続されて接地される。
【００２２】
上記外導体２５は、内導体２４の外周、すなわち容器２３の外周縁に沿う任意の位置に設けることが可能である。また、外導体２５は、円柱状に限らず垂直方向に延びる棒状、板状の部材を用いてもよい。
そして、最下部の内導体２４ｅを除く他の内導体素子２４ａ〜２４ｄは、接続ピン（ビア：via）２９ａ〜２９ｄにより容器２３の外周壁２３ａを間に介して外導体２５に接続される。この場合、内導体素子２４ａ〜２４ｄ、外導体２５及び容器２３の外周壁２３ａには、接続ピン２９ａ〜２９ｄを装着する部分に該接続ピン２９ａ〜２９ｄを挿入できる大きさの透孔を予め設けておき、この透孔を利用して内導体素子２４ａ〜２４ｄと外導体２５との間を接続ピン２９ａ〜２９ｄにより電気的に接続する。上記各内導体素子２４ａ〜２４ｄは、例えば側面の下部近傍において、接続ピン２９ａ〜２９ｄにより外導体２５に接続する。上記内導体２４と外導体２５との間における接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗは、約３．２ｍｍに設定される。この様に本例では上記内導体２４と外導体２５との間における接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを容器２３の外周壁２３ａの厚さに等しくしたが、外導体２５が接する部分のみ外周壁２３ａの厚さを薄くしてもよく、反対に外周壁２３ａの厚さよりｗを大きくしてもよい。
【００２３】
下記［表１］は、上記アンテナ素子部２２の各部、すなわち内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、内導体２４の各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖ等の基本的な設定寸法例をまとめて示したものである。
【００２４】
【表１】
そして、上記内導体２４には、図４に示すように最下部に位置する内導体素子２４ｅの下側中心部に透孔が設けられ、この透孔内に金属柱３１の上端が圧入されて固定される。図４は、内導体２４とインピーダンス整合回路２６との接続部を拡大して示す断面図である。
【００２５】
上記金属柱３１は、下部先端が容器２３、グラウンド板２１、更にインピーダンス整合回路２６の整合回路基板３２を介して外部に突出され、その突出先端部がインピーダンス整合回路２６に半田付け３３等により接続される。上記グラウンド板２１の中心部には、上記金属柱３１を挿通させる穴３４が設けられ、この穴３３内に絶縁材が介在されて金属柱３１とグラウンド板２１との間が絶縁される。
【００２６】
上記インピーダンス整合回路２６及び給電回路２７は、図５及び図６に示すように構成される。図５はインピーダンス整合回路２６及び給電回路２７部分を取出して示す斜視図である。図６（ａ）はインピーダンス整合回路２６のライン構成を示す図、図６（ｂ）は給電回路２７のライン構成を示す図である。
【００２７】
グラウンド板２１の下側に配設されるインピーダンス整合回路２６は、整合回路基板３２の下面に信号ライン３５が設けられると共に、上面の略全体にグラウンド面（図示せず）が設けられ、このグラウンド面がグラウンド板２１に接触して電気的に接続される。インピーダンス整合回路２６の信号ライン３５は、インピーダンスを整合するため３つの信号ライン３５ａ、３５ｂ、３５ｃが直列に設けられ、信号ライン３５ａの長さＩ１は約０．０１λ、信号ライン３５ｂの長さＩ２は約０．１２λ、信号ライン３５ｃの長さＩ３は約０．０３λ、信号ライン３５の全体の長さＩ０ は０．１６λに設定される。また、信号ライン３５ａの幅ｄ１は０．００４λ、信号ライン３５ｂの幅ｄ２は０．０１λ、信号ライン３５ｃの幅ｄ３は０．００３λに設定される。
【００２８】
また、グラウンド板２１の上側に配設される給電回路２７は、給電回路基板３６の上面に長さＩ４が約１５ｍｍの給電ライン３７が設けられると共に、下面の略全体にグラウンド面（図示せず）が設けられ、このグラウンド面がグラウンド板２１に接触して電気的に接続される。上記給電回路２７は、インピーダンス整合を行っていないので、給電ライン３７の長さＩ４は任意に設定することが可能である。
【００２９】
給電回路２７は、インピーダンス整合回路２６の信号ライン３５ｃの先端に給電ライン３７の一方の端部がグラウンド板２１を間に介して対向するように設けられ、信号ライン３５ｃと給電ライン３７の端部間が接続ピンにより接続される。上記給電ライン３７の他方の端部は、図示しないが接続ピンによりグラウンド板２１の下側に設けられた給電用コネクタに接続される。グラウンド板２１には、上記信号ライン３５ｃと給電ライン３７の端部間、及び給電ライン３７と給電用コネクタとの間の接続ピンを挿通させるための透孔がそれぞれ設けられ、この透孔内において接続ピンの外周に絶縁材が介在される。
【００３０】
上記のように構成されたＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、アンテナ素子部２２のインピーダンスが約１５〜１６Ωであり、インピーダンス整合回路２６によりＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の約１５〜１６Ωのインピーダンスを例えば約５０Ωの給電線路のインピーダンスに整合させる。給電回路２７は、インピーダンス整合回路２６をグラウンド板２１の下側面に設けられる給電用コネクタに接続するための回路であり、特にインピーダンス変換は行っていない。
【００３１】
上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、左手系素子による「はしご型構造」のモノポールアンテナであり、その等価回路は図７に示すように線状導体である外導体２５に対し、主線路側の線状導体に左手系キャパシタンスＣＬが直列に配置され、主線路と外導体２５を接続した線状導体に左手系インダクタンスＬＬが並列に配置された構成となっている。
【００３２】
すなわち、内導体２４を複数の内導体素子２４ａ〜２４ｅに分割し、各内導体素子２４ａ〜２４ｅをそれぞれ所定の間隔ｇで対向配置することにより、各内導体素子２４ａ〜２４ｅ間に左手系キャパシタンスＣＬが形成されて直列に接続される。そして、各内導体素子２４ａ〜２４ｄは、接続ピン２９ａ〜２９ｄにより線状導体である外導体２５に接続されるので、上記左手系キャパシタンスＣＬと外導体２５との間に接続ピン２９ａ〜２９ｄによる左手系インダクタンスＬＬが並列に接続された構成となる。
【００３３】
次に、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０における各部のパラメータによる反射特性への影響について説明する。
図８は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の各部の寸法を上記［表１］に示すように設定した状態において、内導体２４の半径Ｒ１のみを変化させたときのＶＳＷＲ特性の変化、すなわち共振周波数の変化を示したもので、横軸に周波数［ＭＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。なお、インピーダンス整合回路２６の調整は行っていない。図８において、破線Ａ１１、Ａ１２は内導体２４の半径Ｒ１を［１９ｍｍ］としたときの特性を示し、約５２０ＭＨｚ及び約４０８ＭＨｚの周波数で共振している。実線Ｂ１１、Ｂ１２は内導体２４の半径Ｒ１を［２１ｍｍ］としたときの特性を示し、周波数約４７３ＭＨｚ、及び約４２２ＭＨｚで共振している。一点鎖線Ｃ１１は内導体２４の半径Ｒ１を［２３ｍｍ］としたときの特性を示し、周波数約４３４ＭＨｚで共振している。
【００３４】
なお、内導体２４の半径Ｒ１を変化させると、それぞれの半径において複数の共振周波数が測定される場合があるが、実際に電波が出力されるのは一番高い周波数に対するもので、それより低い共振周波数はスプリアスである。例えば内導体２４の半径Ｒ１を［１９ｍｍ］としたとき、破線Ａ１１、Ａ１２で示す２つの周波数位置で共振しているが、実際に電波が出力されるのは破線Ａ１１に示す周波数が一番高い約５２０ＭＨｚに対するもので、破線Ａ１２に示す約４０８ＭＨｚの周波数で測定される共振はスプリアスである。また、上記スプリアスは本来の共振周波数よりも低い周波数で発生し、ＶＳＷＲの値も非常に悪くなっている。
【００３５】
上記のように内導体２４の半径Ｒ１を大きくした場合、アンテナの共振周波数が低くなる方向に変化する。
図９は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の各部の寸法を上記［表１］に示すように設定した状態において、外導体２５の半径Ｒ２のみを変化させたときのＶＳＷＲ特性の変化（共振周波数の変化）を示したもので、インピーダンス整合回路２６の調整は行っていない。図９において、破線Ａ２１は外導体２５の半径Ｒ２を［１．５ｍｍ］としたときの特性を示し、約４５３ＭＨｚの周波数で共振している。実線Ｂ２１は外導体２５の半径Ｒ２を［２．０ｍｍ］としたときの特性を示し、約４７３ＭＨｚの周波数で共振している。一点鎖線Ｃ２１は外導体２５の半径Ｒ２を［２．５ｍｍ］としたときの特性を示し、約４８７ＭＨｚの周波数で共振している。
【００３６】
上記のように外導体２５の半径Ｒ２を大きくした場合、アンテナの共振周波数が高くなる方向に変化する。
図１０は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の各部の寸法を上記［表１］に示すように設定した状態において、内導体２４と外導体２５との間における接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗのみを変化させたときのＶＳＷＲ特性の変化（共振周波数の変化）を示したもので、インピーダンス整合回路２６の調整は行っていない。図１０において、破線Ａ３１は接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを［２．７ｍｍ］としたときの特性を示し、約４９１ＭＨｚの周波数で共振している。実線Ｂ３１は接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを［３．２ｍｍ］としたときの特性を示し、約４７３ＭＨｚの周波数で共振している。一点鎖線Ｃ３１は接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを［３．７ｍｍ］としたときの特性を示し、約４５７ＭＨｚの周波数で共振している。
【００３７】
上記のように接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを長くした場合、アンテナの共振周波数が低くなる方向に変化する。
以上の結果から明らかなように上記実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０では、内導体２４の半径Ｒ１を大きくした場合、及び接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを長くした場合にアンテナの共振周波数が低くなり、また、外導体２５の半径Ｒ２を大きくした場合はアンテナの共振周波数が高くなる。これは、各パラメータを変化させたことによりアンテナの左手系キャパシタンスＣＬと左手系インダクタンスＬＬが変化したためと考えられる。
【００３８】
更に、本来の共振周波数よりも低い周波数でスプリアスが発生するが、スプリアスにおける放射効率は非常に小さく、アンテナとして作用していないことが確認された。
上記のように内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを変化させると、それに伴ってアンテナの共振周波数が変化するので、最適の特性が得られるように内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗ等を設定する。
【００３９】
図１１は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の寸法を上記［表１］に示した値に設定し、且つ、インピーダンス整合回路２６を調整して共振周波数を４７３ＭＨｚに設定した場合のＶＳＷＲ特性を示したもので、横軸に周波数［ＭＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。
【００４０】
上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、狭帯域ではあるが、共振周波数４７３ＭＨｚにおけるＶＳＷＲは約１．５以下であり、良好な値が得られている。なお、上記実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０と同一アンテナ高の従来の右手系モノポールアンテナは、４５０〜５００ＭＨｚの帯域ではＶＳＷＲが１００以上となって共振せず、アンテナとして作用しない。
【００４１】
図１２は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の水平面垂直偏波指向性を示したもので、良好な無指向性が得られている。
図１３は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の垂直面垂直偏波指向性を示したもので、０度及び１８０度方向にヌルを持つ８の字指向性となっている。
【００４２】
上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の水平面垂直偏波指向性及び垂直面垂直偏波指向性は、従来の右手系モノポールアンテナの指向性と略同じである。
従来の右手系ダイポールアンテナは、λ／４のアンテナ高（４８０ＭＨｚの周波数で約１５６ｍｍ）で共振するが、本発明の実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、高さが約２５ｍｍであり、λ／２５以下のアンテナ高で共振する。従って、本発明に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、アンテナ高を非常に低くでき、例えば電車上部や屋内など、高さが制限された空間においても容易に使用することができる。
【００４３】
また、ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０にインピーダンス整合回路２６を組み込むことにより、右手系／左手系領域変換時の損失を低減することができる。
更に本発明では、内導体２４の外側に柱状の外導体２５を配置した「はしご型」構造とすることにより、同軸線路を素子として使用した従来のＣＲＬＨモノポールアンテナのように内導体が外導体により覆われるという問題を解決でき、アンテナ放射効率を８０％以上に高めることができる。
【００４４】
上記実施例１では、各部の設定寸法の一例について示したが、次の［表２］に示すようにその他の値に設定することも可能である。
【００４５】
【表２】
上記［表２］は、内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、内導体２４の各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖについての各種設定例を示したもので、設定例１は前記実施例１における寸法例、設定例２、３はその他の寸法例を示している。
【００４６】
設定例２は、アンテナの共振周波数が低くなるように、内導体２４の半径Ｒ１を「２７ｍｍ」、外導体２５の半径Ｒ２を「１ｍｍ」、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを「５．２ｍｍ」に設定し、各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖについては上記実施例１と同じ値に設定している。
【００４７】
設定例３は、アンテナの共振周波数が高くなるように、内導体２４の半径Ｒ１を「１９ｍｍ」、外導体２５の半径Ｒ２を「２．５ｍｍ」、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを「２．７ｍｍ」に設定し、各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖについては上記実施例１と同じ値に設定している。
【００４８】
図１４は、上記実施例１に示したＣＲＬＨモノポールアンテナ２０において、各部の寸法を上記［表２］の設定例１〜３の値に設定し、更にインピーダンス整合回路２６を調整した場合のＶＳＷＲ特性を示している。
図１４において、実線Ｄ１１は上記設定例１におけるＶＳＷＲ特性を示し、約４７３ＭＨｚの周波数で共振している。
破線Ｅ１１の特性は上記設定例２におけるＶＳＷＲ特性を示し、約３１４ＭＨｚの周波数で共振している。
一点鎖線Ｆ１１は上記設定例３におけるＶＳＷＲ特性を示し、約５５４ＭＨｚの周波数で共振している。なお、図１４において、実線Ｄ１２は設定例１におけるスプリアスであり、一点鎖線Ｆ１２、Ｆ１３は設定例３におけるスプリアスである。
【００４９】
上記のように共振周波数が変化するパラメータを組み合わせ、更にインピーダンス整合回路２６を調整することにより、上記図１４に示したようにアンテナの共振周波数を約３００〜６００ＭＨｚまで変化させることが可能である。
なお、上記実施例では、グラウンド板２１を円形に形成した場合について示したが、その他の形状、例えば四角形や多角形等の形状に形成しても良い。
【００５０】
また、上記実施例では、内導体素子２４ａ〜２４ｄと外導体２５との間を接続する接続ピン２９ａ〜２９ｄは、各内導体素子２４ａ〜２４ｄの側面の下部近傍に設けた場合について説明したが、接続ピン２９ａ〜２９ｄの位置はアンテナの周波数特性に大きく影響しないので、内導体素子２４ａ〜２４ｅ間のスペーサ２８ａ〜２８ｄに浸食しない範囲内であれば他の位置であってもよい。
【００５１】
また、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。
【符号の説明】
【００５２】
２０…ＣＲＬＨモノポールアンテナ、２１…グラウンド板、２２…アンテナ素子部、２３…容器、２３ａ…容器の外周壁、２４…内導体、２４ａ〜２４ｅ…内導体素子、２５…外導体、２６…インピーダンス整合回路、２７…給電回路、２８ａ〜２８ｄ…スペーサ、２９ａ〜２９ｄ…接続ピン、３１…金属柱、３２…整合回路基板、３３、３４…穴、３５、３５ａ〜３５ｃ…信号ライン、３６…給電回路基板、３７…給電ライン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載アンテナや屋内放送用送信等に使用する低姿勢モノポールアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の右手系素子を用いた一般的なモノポールアンテナは、アンテナ高が約１／４λ（λは使用周波数の波長）、例えば４８０ＭＨｚの周波数でおよそ１５６ｍｍと高姿勢であり、電車上部や屋内など、高さが限られた空間での使用が困難であった。
このため近年では、メタマテリアルと呼ばれる左手系素子を用いて小型化を図ったモノポールアンテナあるいはダイポールアンテナが考えられている（例えば、特許文献１、２、３参照。）。上記メタマテリアル（左手系素子）は、人工媒質を伝わる電磁波に対する有効的な誘電率と透磁率の値が共に負で、屈折率も負となる材料のことであり、理想的な左手系伝送路の等価回路は直列にキャパシタンス、並列にインダクタンスが接続された構造となっている。なお、通常の伝送路（電信方程式で表される）では、直列にインダクタンス、並列にキャパシタンスが接続された構造になる。
【０００３】
従来の同軸構造による右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ線路：Composite Right/Left Handed線路）を用いたモノポールアンテナは、図１５及び図１６に示すように構成されている。図１５は従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナの構成例を示す斜視図、図１６は図１５におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【０００４】
図１５において、１０はモノポールアンテナで、水平に置いた接地板１１と、この接地板１１の上面中央に垂直に設けられるＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）線路１２及び給電線路１３を備えている。
ＣＲＬＨ線路１２は、全長ｈ、半径Ｒの円筒状の外導体１４と、この外導体１４内の中心軸に沿って設けられる半径ｒの円柱状の内導体１５により構成される。ＣＲＬＨ線路１２は、上端が開放され、外導体１４の下端部が接地板１１に接続される。
【０００５】
内導体１５は、図１６に示すように複数例えば５つの内導体素子１５ａ〜１５ｅに等分割され、所定の間隔ｇを保って直列的に配置される。上記各内導体素子１５ａ〜１５ｅは、所定の高さＬを有し、それぞれ導体の接続ピン１６ａ〜１６ｅにより外導体１４に接続される。また、内導体１５は、最下部の内導体１５ｅに対して接地板１１の下側から給電線路１３により給電される。上記各内導体素子１５ａ〜１５ｅは、それぞれ接続ピン１６ａ〜１６ｅ、外導体１４の一部及び内導体素子１５ａ〜１５ｅの間隔ｇ等によってセル１７を構成する。
【０００６】
上記ＣＲＬＨ線路１２の特性は、全長ｈ、外導体１４の半径Ｒ、内導体１５の半径ｒ、各内導体素子１５ａ〜１５ｅの高さＬ及び間隔ｇ等の各パラメータを調節することで決定される。
図１７は、上記各セル１７の等価回路例を示す図である。各セル１７の等価回路は、直列に設けられる左手系キャパシタンスＣＬ 及び右手系インダクタンスＬＲ、並列に設けられる右手系キャパシタンスＣＲ及び左手系インダクタンスＬＬによって構成される。内導体素子１５ａ〜１５ｅの各間隔ｇは左手系キャパシタンスＣＬに相当し、内導体１５は右手系インダクタンスＬＲに相当する。また、接続ピン１６ａ〜１６ｅは左手系インダクタンスＬＬに相当し、外導体１４と内導体１５との間隔は右手系キャパシタンスＣＲに相当する。
【０００７】
上記ＣＲＬＨ線路１２は、上記各パラメータを調節し、使用周波数において、負の等価比誘電率を持つように設計する。このようにＣＲＬＨ線路１２の等価比誘電率を負の値に設定することで波長が短くなり、アンテナ高を約λ／２５まで短縮して小型化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２１１５４７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９５８７３号公報
【特許文献３】特開２０１０−２１２９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように右手／左手系複合伝送線路を用いてモノポールアンテナを構成することにより、アンテナ高を著しく短縮することができる。しかし、従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナは、同軸線路を素子として使用しているので、素子が外導体１４により覆われるため、放射効率が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、アンテナ高を短縮して小型化を図りながら放射効率を改善することができる低姿勢モノポールアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る低姿勢モノポールアンテナは、グラウンド板と、前記グラウンド板上に設けられる絶縁部材からなる有底筒状の容器と、前記容器内に順次所定の間隔で絶縁した状態で収納される複数の内導体素子からなる柱状の内導体と、前記容器の外側に位置するように前記グラウンド板上に立設される柱状の外導体と、前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電する給電手段と、前記給電手段により給電された前記内導体素子を除く他の各内導体素子と前記外導体との間を接続する接続ピンとを具備することを特徴とする。
【００１２】
第２の発明は、前記第１の発明に係る低姿勢モノポールアンテナにおいて、前記容器内に所定の間隔で収納した前記複数の内導体素子により左手系キャパシタンスを直列に形成すると共に、前記内導体素子と前記外導体との間を接続する前記接続ピンにより左手系インダクタンスを並列に形成してはしご型構造の左手系線路を構築したことを特徴とする。
【００１３】
第３の発明は、前記第１の発明又は第２の発明に係る低姿勢モノポールアンテナにおいて、前記給電手段は、前記グラウンド板の下面に整合基板を設け、該整合基板に形成されたインピーダンス整合回路を介して前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電することを特徴とする請求項１に記載の低姿勢モノポールアンテナ。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アンテナ高を非常に低くでき、例えば電車上部や屋内など、高さが制限された空間においても容易に使用することができる。また、本発明は、内導体の外側に柱状の外導体を配置した「はしご型」構造とすることにより、同軸線路を素子として使用した従来のＣＲＬＨモノポールアンテナのように内導体が外導体により覆われるという問題を解決でき、アンテナ放射効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの全体の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同実施例１におけるアンテナ素子部を１部切欠して示す斜視図である。
【図３】同実施例１におけるアンテナ素子部の断面図である。
【図４】同実施例１における内導体とインピーダンス整合回路との接続部を拡大して示す断面図である。
【図５】同実施例１におけるインピーダンス整合回路及び給電回路を取出して示す斜視図である。
【図６】（ａ）は同実施例１におけるインピーダンス整合回路のライン構成を示す図、（ｂ）は給電回路のライン構成を示す図である。
【図７】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの等価回路図である。
【図８】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおいて、内導体の半径Ｒ１を変化させたときのＶＳＷＲ（電圧定在波比）特性を示す図である。
【図９】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおいて、外導体の半径Ｒ２を変化させたときのＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１０】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおいて、接続ピンの長さｗを変化させたときのＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１１】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナのＶＳＷＲ特性（共振周波数４７３ＭＨｚ）を示す図である。
【図１２】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおける水平面垂直偏波指向性を示す図である。
【図１３】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナにおける垂直面垂直偏波指向性を示す図である。
【図１４】同実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの各種設定寸法におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１５】従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナの構成例を示す斜視図である。
【図１６】図１５におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図１７】従来の右手／左手系複合伝送線路を用いたモノポールアンテナにおける各セルの等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナの全体の概略構成を示す斜視図、図２は図１におけるアンテナ素子部を１部切欠して示す斜視図、図３は同アンテナ素子部の断面図である。
本発明の実施例１に係るＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）モノポールアンテナ２０は、図１に示すようにグラウンド板２１の上面中央にＣＲＬＨ（Composite Right/Left Handed）線路を用いたアンテナ素子部２２を設けている。上記グラウンド板２１は、厚さが１ｍｍ程度の金属板を例えば円板状に形成したもので、その直径は例えば約０．８λ以上の大きさに設定する。上記λは使用周波数における波長を示している。
【００１８】
上記アンテナ素子部２２は、有底円筒状の容器２３内に収納した内導体２４及び容器２３の外周縁に接するように配置した円柱状の外導体２５により構成される。上記外導体２５の直径は、内導体２４の直径の約１／１０程度に設定される。上記容器２３は、絶縁部材例えば合成樹脂を用いて有底円筒状に形成したもので、内導体２４を収納し、アンテナ素子部２２の機械的強度を保つ働きもする。
【００１９】
上記内導体２４には、詳細を後述するインピーダンス整合回路２６及び給電回路２７を介して給電される。インピーダンス整合回路２６は、グラウンド板２１の下側に設けられ、一方の端部がグラウンド板２１の中央に設けられた透孔より金属柱を介して内導体２４に接続される。また、給電回路２７は、グラウンド板２１の上側において、一方の端部がインピーダンス整合回路２６の他方の端部に対応するように設けられ、該端部間がグラウンド板２１に設けられた透孔を介して接続ピンにより接続される。そして、給電回路２７の他方の端部に対して給電が行われる。
【００２０】
上記内導体２４は、図２及び図３に示すように導電部材を用いて半径Ｒ１の円柱状に形成され、所定の高さｈ１で複数例えば５つの内導体素子２４ａ〜２４ｅに分割され、上記容器２３内に順次スペーサ２８ａ〜２８ｄを介して一定の間隔ｇで収納される。上記内導体２４の半径Ｒ１は約２１ｍｍ、内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１は約４．２ｍｍ、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔（スペーサ２８の厚さ）ｇは約０．８ｍｍに設定される。スペーサ２８ａ〜２８ｄには、フッ素樹脂やセラミック等の高誘電率材料を用いるとよい。
【００２１】
また、上記グラウンド板２１の上面には、容器２３の外周縁に接するように外導体２５が垂直に設けられる。この外導体２５は、導電部材により柱状例えば半径Ｒ２が約２ｍｍ、高さｈ２が約２５ｍｍ（容器２３と略同一）の円柱状に形成され、図示しないが下端部がボルト及びナットによりグラウンド板２１に固定される。例えば外導体２５の底面にボルトを突設して設け、このボルトをグラウンド板２１に設けられた透孔を介してグラウンド板２１の下側に導出し、その先端にナットを螺着して固定する。これにより外導体２５は、中心軸が内導体の中心軸よりＲ１＋Ｗ＋Ｒ２離れた位置でグラウンド板２１に接続されて接地される。
【００２２】
上記外導体２５は、内導体２４の外周、すなわち容器２３の外周縁に沿う任意の位置に設けることが可能である。また、外導体２５は、円柱状に限らず垂直方向に延びる棒状、板状の部材を用いてもよい。
そして、最下部の内導体２４ｅを除く他の内導体素子２４ａ〜２４ｄは、接続ピン（ビア：via）２９ａ〜２９ｄにより容器２３の外周壁２３ａを間に介して外導体２５に接続される。この場合、内導体素子２４ａ〜２４ｄ、外導体２５及び容器２３の外周壁２３ａには、接続ピン２９ａ〜２９ｄを装着する部分に該接続ピン２９ａ〜２９ｄを挿入できる大きさの透孔を予め設けておき、この透孔を利用して内導体素子２４ａ〜２４ｄと外導体２５との間を接続ピン２９ａ〜２９ｄにより電気的に接続する。上記各内導体素子２４ａ〜２４ｄは、例えば側面の下部近傍において、接続ピン２９ａ〜２９ｄにより外導体２５に接続する。上記内導体２４と外導体２５との間における接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗは、約３．２ｍｍに設定される。この様に本例では上記内導体２４と外導体２５との間における接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを容器２３の外周壁２３ａの厚さに等しくしたが、外導体２５が接する部分のみ外周壁２３ａの厚さを薄くしてもよく、反対に外周壁２３ａの厚さよりｗを大きくしてもよい。
【００２３】
下記［表１］は、上記アンテナ素子部２２の各部、すなわち内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、内導体２４の各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖ等の基本的な設定寸法例をまとめて示したものである。
【００２４】
【表１】
そして、上記内導体２４には、図４に示すように最下部に位置する内導体素子２４ｅの下側中心部に透孔が設けられ、この透孔内に金属柱３１の上端が圧入されて固定される。図４は、内導体２４とインピーダンス整合回路２６との接続部を拡大して示す断面図である。
【００２５】
上記金属柱３１は、下部先端が容器２３、グラウンド板２１、更にインピーダンス整合回路２６の整合回路基板３２を介して外部に突出され、その突出先端部がインピーダンス整合回路２６に半田付け３３等により接続される。上記グラウンド板２１の中心部には、上記金属柱３１を挿通させる穴３４が設けられ、この穴３３内に絶縁材が介在されて金属柱３１とグラウンド板２１との間が絶縁される。
【００２６】
上記インピーダンス整合回路２６及び給電回路２７は、図５及び図６に示すように構成される。図５はインピーダンス整合回路２６及び給電回路２７部分を取出して示す斜視図である。図６（ａ）はインピーダンス整合回路２６のライン構成を示す図、図６（ｂ）は給電回路２７のライン構成を示す図である。
【００２７】
グラウンド板２１の下側に配設されるインピーダンス整合回路２６は、整合回路基板３２の下面に信号ライン３５が設けられると共に、上面の略全体にグラウンド面（図示せず）が設けられ、このグラウンド面がグラウンド板２１に接触して電気的に接続される。インピーダンス整合回路２６の信号ライン３５は、インピーダンスを整合するため３つの信号ライン３５ａ、３５ｂ、３５ｃが直列に設けられ、信号ライン３５ａの長さＩ１は約０．０１λ、信号ライン３５ｂの長さＩ２は約０．１２λ、信号ライン３５ｃの長さＩ３は約０．０３λ、信号ライン３５の全体の長さＩ０ は０．１６λに設定される。また、信号ライン３５ａの幅ｄ１は０．００４λ、信号ライン３５ｂの幅ｄ２は０．０１λ、信号ライン３５ｃの幅ｄ３は０．００３λに設定される。
【００２８】
また、グラウンド板２１の上側に配設される給電回路２７は、給電回路基板３６の上面に長さＩ４が約１５ｍｍの給電ライン３７が設けられると共に、下面の略全体にグラウンド面（図示せず）が設けられ、このグラウンド面がグラウンド板２１に接触して電気的に接続される。上記給電回路２７は、インピーダンス整合を行っていないので、給電ライン３７の長さＩ４は任意に設定することが可能である。
【００２９】
給電回路２７は、インピーダンス整合回路２６の信号ライン３５ｃの先端に給電ライン３７の一方の端部がグラウンド板２１を間に介して対向するように設けられ、信号ライン３５ｃと給電ライン３７の端部間が接続ピンにより接続される。上記給電ライン３７の他方の端部は、図示しないが接続ピンによりグラウンド板２１の下側に設けられた給電用コネクタに接続される。グラウンド板２１には、上記信号ライン３５ｃと給電ライン３７の端部間、及び給電ライン３７と給電用コネクタとの間の接続ピンを挿通させるための透孔がそれぞれ設けられ、この透孔内において接続ピンの外周に絶縁材が介在される。
【００３０】
上記のように構成されたＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、アンテナ素子部２２のインピーダンスが約１５〜１６Ωであり、インピーダンス整合回路２６によりＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の約１５〜１６Ωのインピーダンスを例えば約５０Ωの給電線路のインピーダンスに整合させる。給電回路２７は、インピーダンス整合回路２６をグラウンド板２１の下側面に設けられる給電用コネクタに接続するための回路であり、特にインピーダンス変換は行っていない。
【００３１】
上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、左手系素子による「はしご型構造」のモノポールアンテナであり、その等価回路は図７に示すように線状導体である外導体２５に対し、主線路側の線状導体に左手系キャパシタンスＣＬが直列に配置され、主線路と外導体２５を接続した線状導体に左手系インダクタンスＬＬが並列に配置された構成となっている。
【００３２】
すなわち、内導体２４を複数の内導体素子２４ａ〜２４ｅに分割し、各内導体素子２４ａ〜２４ｅをそれぞれ所定の間隔ｇで対向配置することにより、各内導体素子２４ａ〜２４ｅ間に左手系キャパシタンスＣＬが形成されて直列に接続される。そして、各内導体素子２４ａ〜２４ｄは、接続ピン２９ａ〜２９ｄにより線状導体である外導体２５に接続されるので、上記左手系キャパシタンスＣＬと外導体２５との間に接続ピン２９ａ〜２９ｄによる左手系インダクタンスＬＬが並列に接続された構成となる。
【００３３】
次に、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０における各部のパラメータによる反射特性への影響について説明する。
図８は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の各部の寸法を上記［表１］に示すように設定した状態において、内導体２４の半径Ｒ１のみを変化させたときのＶＳＷＲ特性の変化、すなわち共振周波数の変化を示したもので、横軸に周波数［ＭＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。なお、インピーダンス整合回路２６の調整は行っていない。図８において、破線Ａ１１、Ａ１２は内導体２４の半径Ｒ１を［１９ｍｍ］としたときの特性を示し、約５２０ＭＨｚ及び約４０８ＭＨｚの周波数で共振している。実線Ｂ１１、Ｂ１２は内導体２４の半径Ｒ１を［２１ｍｍ］としたときの特性を示し、周波数約４７３ＭＨｚ、及び約４２２ＭＨｚで共振している。一点鎖線Ｃ１１は内導体２４の半径Ｒ１を［２３ｍｍ］としたときの特性を示し、周波数約４３４ＭＨｚで共振している。
【００３４】
なお、内導体２４の半径Ｒ１を変化させると、それぞれの半径において複数の共振周波数が測定される場合があるが、実際に電波が出力されるのは一番高い周波数に対するもので、それより低い共振周波数はスプリアスである。例えば内導体２４の半径Ｒ１を［１９ｍｍ］としたとき、破線Ａ１１、Ａ１２で示す２つの周波数位置で共振しているが、実際に電波が出力されるのは破線Ａ１１に示す周波数が一番高い約５２０ＭＨｚに対するもので、破線Ａ１２に示す約４０８ＭＨｚの周波数で測定される共振はスプリアスである。また、上記スプリアスは本来の共振周波数よりも低い周波数で発生し、ＶＳＷＲの値も非常に悪くなっている。
【００３５】
上記のように内導体２４の半径Ｒ１を大きくした場合、アンテナの共振周波数が低くなる方向に変化する。
図９は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の各部の寸法を上記［表１］に示すように設定した状態において、外導体２５の半径Ｒ２のみを変化させたときのＶＳＷＲ特性の変化（共振周波数の変化）を示したもので、インピーダンス整合回路２６の調整は行っていない。図９において、破線Ａ２１は外導体２５の半径Ｒ２を［１．５ｍｍ］としたときの特性を示し、約４５３ＭＨｚの周波数で共振している。実線Ｂ２１は外導体２５の半径Ｒ２を［２．０ｍｍ］としたときの特性を示し、約４７３ＭＨｚの周波数で共振している。一点鎖線Ｃ２１は外導体２５の半径Ｒ２を［２．５ｍｍ］としたときの特性を示し、約４８７ＭＨｚの周波数で共振している。
【００３６】
上記のように外導体２５の半径Ｒ２を大きくした場合、アンテナの共振周波数が高くなる方向に変化する。
図１０は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の各部の寸法を上記［表１］に示すように設定した状態において、内導体２４と外導体２５との間における接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗのみを変化させたときのＶＳＷＲ特性の変化（共振周波数の変化）を示したもので、インピーダンス整合回路２６の調整は行っていない。図１０において、破線Ａ３１は接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを［２．７ｍｍ］としたときの特性を示し、約４９１ＭＨｚの周波数で共振している。実線Ｂ３１は接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを［３．２ｍｍ］としたときの特性を示し、約４７３ＭＨｚの周波数で共振している。一点鎖線Ｃ３１は接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを［３．７ｍｍ］としたときの特性を示し、約４５７ＭＨｚの周波数で共振している。
【００３７】
上記のように接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを長くした場合、アンテナの共振周波数が低くなる方向に変化する。
以上の結果から明らかなように上記実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０では、内導体２４の半径Ｒ１を大きくした場合、及び接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを長くした場合にアンテナの共振周波数が低くなり、また、外導体２５の半径Ｒ２を大きくした場合はアンテナの共振周波数が高くなる。これは、各パラメータを変化させたことによりアンテナの左手系キャパシタンスＣＬと左手系インダクタンスＬＬが変化したためと考えられる。
【００３８】
更に、本来の共振周波数よりも低い周波数でスプリアスが発生するが、スプリアスにおける放射効率は非常に小さく、アンテナとして作用していないことが確認された。
上記のように内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを変化させると、それに伴ってアンテナの共振周波数が変化するので、最適の特性が得られるように内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗ等を設定する。
【００３９】
図１１は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０におけるアンテナ素子部２２の寸法を上記［表１］に示した値に設定し、且つ、インピーダンス整合回路２６を調整して共振周波数を４７３ＭＨｚに設定した場合のＶＳＷＲ特性を示したもので、横軸に周波数［ＭＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。
【００４０】
上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、狭帯域ではあるが、共振周波数４７３ＭＨｚにおけるＶＳＷＲは約１．５以下であり、良好な値が得られている。なお、上記実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０と同一アンテナ高の従来の右手系モノポールアンテナは、４５０〜５００ＭＨｚの帯域ではＶＳＷＲが１００以上となって共振せず、アンテナとして作用しない。
【００４１】
図１２は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の水平面垂直偏波指向性を示したもので、良好な無指向性が得られている。
図１３は、上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の垂直面垂直偏波指向性を示したもので、０度及び１８０度方向にヌルを持つ８の字指向性となっている。
【００４２】
上記ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０の水平面垂直偏波指向性及び垂直面垂直偏波指向性は、従来の右手系モノポールアンテナの指向性と略同じである。
従来の右手系ダイポールアンテナは、λ／４のアンテナ高（４８０ＭＨｚの周波数で約１５６ｍｍ）で共振するが、本発明の実施例１に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、高さが約２５ｍｍであり、λ／２５以下のアンテナ高で共振する。従って、本発明に係るＣＲＬＨモノポールアンテナ２０は、アンテナ高を非常に低くでき、例えば電車上部や屋内など、高さが制限された空間においても容易に使用することができる。
【００４３】
また、ＣＲＬＨモノポールアンテナ２０にインピーダンス整合回路２６を組み込むことにより、右手系／左手系領域変換時の損失を低減することができる。
更に本発明では、内導体２４の外側に柱状の外導体２５を配置した「はしご型」構造とすることにより、同軸線路を素子として使用した従来のＣＲＬＨモノポールアンテナのように内導体が外導体により覆われるという問題を解決でき、アンテナ放射効率を８０％以上に高めることができる。
【００４４】
上記実施例１では、各部の設定寸法の一例について示したが、次の［表２］に示すようにその他の値に設定することも可能である。
【００４５】
【表２】
上記［表２］は、内導体２４の半径Ｒ１、外導体２５の半径Ｒ２、内導体２４の各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖについての各種設定例を示したもので、設定例１は前記実施例１における寸法例、設定例２、３はその他の寸法例を示している。
【００４６】
設定例２は、アンテナの共振周波数が低くなるように、内導体２４の半径Ｒ１を「２７ｍｍ」、外導体２５の半径Ｒ２を「１ｍｍ」、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを「５．２ｍｍ」に設定し、各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖについては上記実施例１と同じ値に設定している。
【００４７】
設定例３は、アンテナの共振周波数が高くなるように、内導体２４の半径Ｒ１を「１９ｍｍ」、外導体２５の半径Ｒ２を「２．５ｍｍ」、接続ピン２９ａ〜２９ｄの長さｗを「２．７ｍｍ」に設定し、各内導体素子２４ａ〜２４ｅの高さｈ１、外導体２５の高さｈ２、内導体素子２４ａ〜２４ｅの間隔ｇ、接続ピン２９ａ〜２９ｄの半径ｖについては上記実施例１と同じ値に設定している。
【００４８】
図１４は、上記実施例１に示したＣＲＬＨモノポールアンテナ２０において、各部の寸法を上記［表２］の設定例１〜３の値に設定し、更にインピーダンス整合回路２６を調整した場合のＶＳＷＲ特性を示している。
図１４において、実線Ｄ１１は上記設定例１におけるＶＳＷＲ特性を示し、約４７３ＭＨｚの周波数で共振している。
破線Ｅ１１の特性は上記設定例２におけるＶＳＷＲ特性を示し、約３１４ＭＨｚの周波数で共振している。
一点鎖線Ｆ１１は上記設定例３におけるＶＳＷＲ特性を示し、約５５４ＭＨｚの周波数で共振している。なお、図１４において、実線Ｄ１２は設定例１におけるスプリアスであり、一点鎖線Ｆ１２、Ｆ１３は設定例３におけるスプリアスである。
【００４９】
上記のように共振周波数が変化するパラメータを組み合わせ、更にインピーダンス整合回路２６を調整することにより、上記図１４に示したようにアンテナの共振周波数を約３００〜６００ＭＨｚまで変化させることが可能である。
なお、上記実施例では、グラウンド板２１を円形に形成した場合について示したが、その他の形状、例えば四角形や多角形等の形状に形成しても良い。
【００５０】
また、上記実施例では、内導体素子２４ａ〜２４ｄと外導体２５との間を接続する接続ピン２９ａ〜２９ｄは、各内導体素子２４ａ〜２４ｄの側面の下部近傍に設けた場合について説明したが、接続ピン２９ａ〜２９ｄの位置はアンテナの周波数特性に大きく影響しないので、内導体素子２４ａ〜２４ｅ間のスペーサ２８ａ〜２８ｄに浸食しない範囲内であれば他の位置であってもよい。
【００５１】
また、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。
【符号の説明】
【００５２】
２０…ＣＲＬＨモノポールアンテナ、２１…グラウンド板、２２…アンテナ素子部、２３…容器、２３ａ…容器の外周壁、２４…内導体、２４ａ〜２４ｅ…内導体素子、２５…外導体、２６…インピーダンス整合回路、２７…給電回路、２８ａ〜２８ｄ…スペーサ、２９ａ〜２９ｄ…接続ピン、３１…金属柱、３２…整合回路基板、３３、３４…穴、３５、３５ａ〜３５ｃ…信号ライン、３６…給電回路基板、３７…給電ライン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラウンド板と、前記グラウンド板上に設けられる絶縁部材からなる有底筒状の容器と、前記容器内に順次所定の間隔で絶縁した状態で収納される複数の内導体素子からなる柱状の内導体と、前記容器の外側に位置するように前記グラウンド板上に立設される柱状の外導体と、前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電する給電手段と、前記給電手段により給電された前記内導体素子を除く他の各内導体素子と前記外導体との間を接続する接続ピンとを具備することを特徴とする低姿勢モノポールアンテナ。
【請求項２】
前記容器内に所定の間隔で収納した前記複数の内導体素子により左手系キャパシタンスを直列に形成すると共に、前記内導体素子と前記外導体との間を接続する前記接続ピンにより左手系インダクタンスを並列に形成してはしご型構造の左手系線路を構築したことを特徴とする請求項１に記載の低姿勢モノポールアンテナ。
【請求項３】
前記給電手段は、前記グラウンド板の下面に整合基板を設け、該整合基板に形成されたインピーダンス整合回路を介して前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電することを特徴とする請求項１又は２に記載の低姿勢モノポールアンテナ。
【請求項１】
グラウンド板と、前記グラウンド板上に設けられる絶縁部材からなる有底筒状の容器と、前記容器内に順次所定の間隔で絶縁した状態で収納される複数の内導体素子からなる柱状の内導体と、前記容器の外側に位置するように前記グラウンド板上に立設される柱状の外導体と、前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電する給電手段と、前記給電手段により給電された前記内導体素子を除く他の各内導体素子と前記外導体との間を接続する接続ピンとを具備することを特徴とする低姿勢モノポールアンテナ。
【請求項２】
前記容器内に所定の間隔で収納した前記複数の内導体素子により左手系キャパシタンスを直列に形成すると共に、前記内導体素子と前記外導体との間を接続する前記接続ピンにより左手系インダクタンスを並列に形成してはしご型構造の左手系線路を構築したことを特徴とする請求項１に記載の低姿勢モノポールアンテナ。
【請求項３】
前記給電手段は、前記グラウンド板の下面に整合基板を設け、該整合基板に形成されたインピーダンス整合回路を介して前記容器内に収納された最下部の内導体素子に給電することを特徴とする請求項１又は２に記載の低姿勢モノポールアンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−５１５８０（Ｐ２０１３−５１５８０Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８９０８７（Ｐ２０１１−１８９０８７）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（５０４３７８８１４）八木アンテナ株式会社 (190)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（５０４３７８８１４）八木アンテナ株式会社 (190)
【Ｆターム（参考）】
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