地上放送波受信用アンテナ装置及びその構成部品
【課題】ＦＭ帯以下の周波数帯域において、アンテナ素子長を55[mm］程度まで短縮しても、従来と同等以上の性能を有する地上放送波受信用アンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ素子１０の受信波のうち当該アンテナ素子１０の共振点以下の周波数の受信波を増幅する、受信周波数に対して等価雑音抵抗が２Ω以下となる化合物半導体ＨＥＭＴとを含んで増幅器１２−Ａを構成し、雑音指数（ＮＦ）をＦＭ帯以下の広い周波数帯域にわたってほぼ一定になるようにした。
【解決手段】アンテナ素子１０の受信波のうち当該アンテナ素子１０の共振点以下の周波数の受信波を増幅する、受信周波数に対して等価雑音抵抗が２Ω以下となる化合物半導体ＨＥＭＴとを含んで増幅器１２−Ａを構成し、雑音指数（ＮＦ）をＦＭ帯以下の広い周波数帯域にわたってほぼ一定になるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両用に用いられるＡＭ帯及びＦＭ帯の地上放送波受信用アンテナ装置及びその構成部品に関する。特に、ごく短いアンテナ素子を用いた場合であっても充分な性能が得られる仕組みに関する。ここでＡＭ帯とは、0.522〜1.629［ＭＨｚ］、ＦＭ帯とは76〜90［ＭＨｚ］である。
【背景技術】
【０００２】
地上放送波受信用のアンテナ素子として、古くから高さ1000［mm］程度の伸縮式棒状アンテナ素子が多く用いられてきた。伸縮式棒状アンテナ素子は、伸展時に、ＦＭ帯では、ほぼ0.25λ（「λ」は使用周波数の波長。以下同じ。）の共振型モノポールアンテナとして動作する。また、ＡＭ帯では、出力インピーダンスが10［ｋΩ］程度の非共振モノポールアンテナとして動作する。そのため、受信機に対して低い反射係数を実現し、100［％］近い高効率で動作することが知られている。伸縮式棒状アンテナ素子のＡＭ帯及びＦＭ帯における性能は、長い間、事実上、車両に用いられる地上放送波受信用アンテナの基準として用いられている。
【０００３】
車両に伸縮式棒状アンテナ素子を用いる場合、物理的な高さから折損事故が絶えない。そのために市場には、アンテナ素子の短縮化への要求が潜在的に存在する。しかし、アンテナ素子の高さを短くすると、それに伴うアンテナ素子のインピーダンス変化やこれに起因するケーブル及び受信装置との不整合損失が増加する。
【０００４】
アンテナ素子の短縮化の要請に応え、1990年代半ばには、高さ200［mm］程度（ＦＭ波長λの0.05）の棒状ヘリカルアンテナ素子を採用した棒状アンテナ装置が実用化された。特許文献１は、このような棒状アンテナ装置の一例を提案している。
特許文献１の棒状アンテナ装置は、モノポールアンテナ素子に、ＡＭ／ＦＭ分波回路、ＦＭ整合回路、ＦＭ用増幅器、ＡＭ用増幅器、ＡＭ／ＦＭ合成回路を有する増幅部が接続される。この増幅部により、アンテナ素子におけるインピーダンスの変化分をアクティブにインピーダンス変換して、アンテナ素子と受信機との間の不整合損失を低減することでアンテナ素子を短縮化したことによる性能劣化を補償している。このように、アンテナ素子の短縮化による性能劣化を増幅部で補償するようにしたことで、現在、この種のアンテナ装置は、世界的に広く普及している。
【０００５】
2000年代以降に入ると、車両に限らず、移動体端末に搭載される無線メディア用のアンテナ素子の種類と数とが急増した。これに伴い、個々のアンテナ素子の短縮化に対する市場要求は更に強まった。その結果、車両用のアンテナ市場では、アンテナ素子の高さが55[mm］（例えばＦＭ帯波長λの約0.0125倍）程度まで短縮することが強く望まれるようになった。
しかしながら、アンテナ素子長をこのように短縮したときのアンテナ素子の性能劣化は著しいものがあり、特許文献１のような技術では、性能劣化分を増幅部で充分に補償しきれなくなってきた。特に、従前の技術では、ＦＭ帯におけるＳ（信号）／Ｎ（雑音）の大幅な劣化が生じる。そのために、現在、アンテナ素子の高さが55[mm］程度のアンテナ装置で世界的に普及しているものはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２１５１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術の問題点を理論的に分析すると、以下のようになる。
まず、モノポールアンテナ素子の長さとアンテナのインピーダンスとの関係を明らかにする。一般に、高さＨのモノポールアンテナ素子の給電点でのインピーダンスの実部Ｒは、（アンテナ）放射抵抗Ｒｒと（アンテナ）内部損失抵抗Ｒｉとの和（＝Ｒｒ＋Ｒi）として与えられる。このうち、放射抵抗Ｒｒは、モノポールアンテナ素子の高さをＨとすると、下式により理論的に求めることができる。
【０００８】
【数１】
【０００９】
但し、λは波長（内部損失抵抗を十分無視できる場合）である。
Ｉバーは、モノポールアンテナ素子上の平均電流を給電電流で規格化した平均電流であり、分布形態の相違に従い、理論的には0.5〜1.0の範囲内の値をとる。Ｉバーは、非共振アンテナで0.5、0.25λ共振アンテナで≒0.64で、殆どのモノポールアンテナ素子で0.5〜0.64の範囲内であり、平均電流の違いによって生じる性能差は限定的なものである。
0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子について上式からＦＭ帯における特性を計算すると、放射抵抗Ｒｒは各々40、1.6、0.1となり、短縮の度合いが高まるにつれて大幅に減少することがわかる（Ｉバー≒0.64として計算）。
【００１０】
内部損失抵抗Ｒｉは、モノポールアンテナ素子の材質・構造・製作条件等により決まる。最適化設計により一定程度小さな値を実現することは可能であるが、現状、常温でゼロにする方法は知られていない。そのため、特にモノポールアンテナ素子が短くなることは、アンテナ入出力電力比を表すアンテナ効率η（実質的に、Ｒｒ／（Ｒｒ＋Ｒｉ）の低下要因となる。仮に、内部損失抵抗Ｒｉを約1.5［Ω］とし、0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子についてＦＭ帯におけるアンテナ効率ηを計算すると、各々0、-3、-12［ｄＢ］の程度となる。
【００１１】
一方、ＦＭ帯に共振させた高さＨのモノポールアンテナ素子のインピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊＸ）の所望の受信帯域Δｆに対する虚部の変化幅ΔＸは、使用周波数をｆ、その波長をλとすると、近似的に下式で与えられる。
【００１２】
【数２】
【００１３】
0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子について上式からＦＭ帯における特性を計算すると、ΔＸは、各々24、38、142となり、短縮の度合いが高まるにつれて大幅に増加することがわかる。
また、インピーダンスをＲｒに選んだ場合（帯域中心に完全整合）を想定して、ΔＸのＲｒ比でみると、各々0.6、24、1400となり、更に変化が増大して、短縮化すると所望の帯域両端において著しい不整合損失を生じることがわかる。
さらに、本発明者らの実測によれば、反射係数（ＶＳＷＲ）についても、0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子について、2以下、10以上、100以上となり、モノポールアンテナ素子の短縮化に伴い、受信機へ到達する信号電力が大幅な不整合損失を免れないことがわかった。このように、モノポールアンテナ素子を短縮化すると、アンテナ効率の低下、狭帯域化、不整合損失が避けられないという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記の問題点に鑑み、ＦＭ帯以下の周波数帯域において、アンテナ素子長を55[mm］程度まで短縮しても、従来と同等以上の性能を有する地上放送波受信用アンテナ装置及びその構成部品を提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上のような課題を解決するため、本発明は、地上放送波受信用増幅器と、地上放送波受信用アンテナ装置とを提供する。
本発明の地上放送波受信用増幅器は、ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子の給電点に接続するための給電端子と、前記給電端子を通じて入力される前記アンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する、受信周波数に対して等価雑音抵抗が２Ω以下となる化合物半導体ＨＥＭＴと、を含んで構成される。
【００１６】
このように構成される地上放送波受信用増幅器は、例えばアンテナ素子の高さ（長さ）が短くなることによってその性能（信号対雑音比や受信系の利得等）が劣化しても、その劣化分を、等価雑音抵抗が2［Ω］以下となる化合物半導体ＨＥＭＴが補償することができるので、例えば、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつモノポールアンテナ素子を用いた場合であっても、実用的な性能を実現することができる。
【００１７】
前記化合物半導体ＨＥＭＴは、好ましくは、スミス図上において、前記モノポールアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成するように構成する。これにより、所望の周波数帯域全体にわたって等雑音を維持することができる。
【００１８】
ある実施態様では、前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートには、所定のインピーダンスの線路を介して前記モノポールアンテナ素子で受信した受信波と、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力とが供給される。
他の実施態様では、前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートと前記給電端子とを接続する線路は前記モノポールアンテナ素子の出力インピーダンスよりも小さく２００［Ω］以上のインピーダンスの線路であり、当該ゲートへは、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力が供給される。
他の実施態様では、前記ＨＥＭＴのドレインには、ＡＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第１回路と、ＦＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第２回路との少なくとも一方の回路が接続されている。これにより、一つの増幅器で、ＡＭ帯とＦＭ帯の地上波放送を受信することができる。
【００１９】
本発明の地上放送波受信用アンテナ装置は、ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子と、このアンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する増幅器と、前記増幅器の接地ラインを外部の接地導体面に導通させるための接地端子とを備えており、前記増幅器は、その初段に、前記共振点以下の周波数の受信波を増幅する、等価雑音抵抗が２Ω以下の化合物半導体ＨＥＭＴを配備している装置である。
【００２０】
前記増幅器は、スミス図上において、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成するように構成される。
【００２１】
ある実施態様では、地上放送波受信用アンテナ装置の増幅器は、すべての電気部品が配線基板の片面に搭載されて構成されており、当該配線基板の部品非搭載面に前記グランド板が配設されている。これにより、低い姿態のアンテナ装置を実現することができ、車両等の移動体への搭載促進が期待される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アンテナ素子を短縮することによって生じる性能劣化，特に雑音に関する劣化分を増幅器のＨＥＭＴが補償するので、従前は考えられなかった高さ（長さ）に短縮化されたアンテナ素子であっても、所望の周波数帯域全体で一定な信号対雑音特性が得られるという、特有の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を適用したアンテナ装置の全体構成図。
【図２】上記アンテナ装置に含まれる増幅器の構成例を示した図。
【図３】上記アンテナ装置に含まれる増幅器の他の構成例を示した図。
【図４】上記アンテナ装置に含まれる増幅器の他の構成例を示した図。
【図５】スミス図におけるＦＭ帯の放射インピーダンス曲率円の説明図。
【図６】（ａ）はスミス図における増幅器の等ＮＦ（雑音指数）円と等ＮＦ円の中心の軌跡の説明図、（ｂ）はアンテナ素子の放射インピーダンスと増幅器の等ＮＦ円との関係を示した図。
【図７】スミス図におけるアンテナ素子と増幅器の利得との関係を示した図。
【図８】本実施形態のアンテナ装置の評価例を示した実測図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明をＡＭ帯（0.522〜1.629［ＭＨｚ］）やＦＭ帯（76〜90［ＭＨｚ］）の地上波放送を受信して増幅する地上放送波受信用アンテナ装置、特に、車両に取付可能なアンテナ装置に適用した場合の実施の形態を説明する。
【００２５】
［構成］
図１は、本実施形態におけるアンテナ装置の全体構成図である。
このアンテナ装置は、アンテナ素子１０と、このアンテナ素子１０と接続するための給電端子１１と、増幅器１２と、この増幅器１２の出力を外部の受信機等へ伝達するための出力端子１３と、増幅器１２の接地ラインをグランド板１５に接続するための接地端子１４とを備えて構成される。グランド板１５は、車両導体面３０に貼り付けられており、アンテナ素子１０に対してグランド板１５及び車両導体面３０が地板面となる。
【００２６】
アンテナ素子１０は、例えば線経0.4［mm］の銅線を、巻径6［mm］で略100ターン巻回した棒状ヘリカルコイルである。アンテナ素子１０は、その先端が、車両導体面３０から55[mm］前後、すなわちＦＭ帯（75［ＭＨｚ］）の使用周波数に対して0.0125λとなる高さに設計されている。但し、アンテナ素子１０は、上記の例に限るものではない。例えば、厚さ0.1［mm］、幅10［mm］、長さ55[mm］の銅箔から成る高さが0.0125λ（55[mm］前後）の板状電極を車両導体面３０に対して略平行に配設し、この板状電極と給電端子１１との間に、例えば線径0.3〜0.8［mm］の銅線を、適宜の巻径で10〜20ターン巻回したコイルを装荷した構造のものであってもよい。
【００２７】
このように構成されるアンテナ素子１０は、例えばＡＭ帯やＦＭ帯の地上波放送を受信し、一定のアンテナ効率のもとで受信波を給電端子１１へ出力するが、その給電端子１１に増幅器１２が接続されたときには、所望の受信帯域より若干高い周波数、例えばＦＭ帯域の上端から０〜１［％］高い周波数に共振点を生じるように構成される。これにより、増幅器１２は、給電端子１１を通じて入力されるアンテナ素子１０の受信波のうち当該アンテナ素子１０の共振点以下の周波数の受信波を増幅することになる。
【００２８】
増幅器１２は、例えば図２〜図４のように構成することができる。各図において共通するのは、初段の増幅素子として、GaAs系、InP系、GaN系、SiGe系などの化合物半導体で作製されたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ)、すなわち半導体ヘテロ接合に誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとしたＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いたことである。ＨＥＭＴは、その等価雑音抵抗が、2［Ω］以下のものである。
【００２９】
ＨＥＭＴは、一般的には、地上波デジタル放送（470［ＭＨｚ］〜710［ＭＨｚ］）の受信機やマイクロ波帯の信号を増幅する高周波機器用増幅器において使用されるもので、これまで、ＡＭ帯やＦＭ帯において使用されることがなかった。これは、ＡＭ帯やＦＭ帯でＨＥＭＴを採用することの性能対効果が低いこと、及び、このように低い周波数帯域では、ＨＥＭＴの扱いが難しいことが、その理由になっていると考えられる。
すなわち、もともと熱雑音が信号電力に重畳しているのが当たり前のＡＭ帯やＦＭ帯の受信波では、ＨＥＭＴを採用したとしても、顕著な性能改善に結びつかないので、ＨＥＭＴをＡＭ帯やＦＭ帯で使用するには、100倍程度の増幅能力が過剰となり、100倍もの広範な周波数にわたる回路・部品の動作、放射器１の指向性等を考慮した設計・製造技術が余分な負担となる。また、シリコンバイポーラトランジスタに比べ、化合物半導体素材が高価で、基板に形成する際のパターンルールが微細となるので、製造コストも相対的に高くなるばかりでなく、主たる動作周波数がＡＭ帯やＦＭ帯のように、マイクロ波に比べて低い周波数で動作するように設計された素子と比較すれば、パターンルールが過剰に微細となって、電気的ストレスに対して脆弱となる。
【００３０】
図２に示す増幅器１２−Ａでは、ソース接地されたエンハンスメント型のＨＥＭＴ１２０のゲートＧに、アンテナ素子１０で受信され、給電端子１１，増幅器入力端子Ｒｉを通じて入力された受信波と、電源端子Ｐｉから直流阻止回路１２１及びバイアス回路１２２を経て供給された正のバイアス電力とを重畳して入力する。
給電端子１１及び増幅器入力端子ＲｉからＨＥＭＴ１２０のゲートＧまでを接続する配線線路は、アンテナ素子１０のインピーダンスが非常に高いことから、200［Ω］以上（好ましくは１[ｋΩ］以上）の高インピーダンスとなるように線路幅が制限されている。
【００３１】
なお、ＨＥＭＴ１２０のゲートＧから増幅器入力端子Ｒｉまでをグランド板１５から離間できるように、グランド板１５に逃げを設けるか、ＨＥＭＴ１２０等の電子部品と別の基板で構成して、グランド板１５と略垂直に配設するように構成してもよい。
【００３２】
ＨＥＭＴ１２０のソースＳは接地端子１４と導通する増幅器側接地端子Ｇｒに接続される。ＨＥＭＴ１２０のドレイン（負荷側）Ｄには、ＦＭ並列共振回路１２３の一方端と出力整合回路１２５とが接続されている。ＦＭ並列共振回路１２３の他方端は、電源端子Ｐｉに接続される。出力整合回路１２５は、増幅器出力端子Ｒoを通じて出力端子１３に接続される外部の受信機等との間で出力整合をとるためのものである。
【００３３】
図３に示す増幅器１２−Ｂは、図２に示した増幅器１２−Ａにおいて、ＨＥＭＴ１２０のドレイン（負荷側）Ｄに、ＦＭ並列共振回路１２３のほかに、ＡＭ並列共振回路１２４を付加したものである。これにより、増幅器１２−Ｂは、ＡＭ帯及びＦＭ帯の受信波の増幅が同時に可能となる。
【００３４】
図４に示す増幅器１２−Ｃは、ＡＭ帯とＦＭ帯とを分離して増幅するようにしたものである。すなわち、給電端子１１から取り込んだ受信波を分波回路２１で二分岐し、一方の分岐路に図２に示した増幅器１２−Ａを挿入し、他方の分岐路にＡＭ整合回路２２とＡＭ帯増幅器２３とを挿入し、両増幅器１２−Ａ，２３の出力を合成回路２４で合成して出力端子１３へ出力するようにしたものである。
ＡＭ帯増幅器２３の初段には、図２及び図３に示したものと同様、ソース接地されたエンハンスメント型のＨＥＭＴを初段の増幅素子として設け、そのゲートに、ＡＭ帯の受信波を入力するようにしている。
【００３５】
増幅器１２−Ａ，１２−Ｂ，１２−Ｃは、それを構成するすべての電子部品が、所定サイズの基板の片面（アンテナ素子１０の高さ方向の面）に搭載されており、基板の部品非搭載面はグランド板１５に密着して低背に配設されている。
【００３６】
このように構成される増幅器１２−Ａ，１２−Ｂ，１２−Ｃは、アンテナ素子１０との利得整合の追求という視点ではなく、アンテナ素子１０に接続したときの雑音指数（Noise Figure：以下、「ＮＦ」という）をＡＭ帯及びＦＭ帯の所望の周波数帯域全体でほぼ一定になるように動作する。以下、その理由を説明する。
ここでは、約55［mm］の高さのアンテナ素子１０と増幅器１２−Ａとを接続してＦＭ帯の放送波を受信する場合について説明する。また、便宜上、50［Ω］で規格したスミス図（Smith chart）を用いて説明する。スミス図の水平軸は複素反射係数の実数部、垂直軸は虚数部である。最外周は全反射に対応している。
【００３７】
（１）アンテナ素子１０に対する考察
アンテナ素子１０のインピーダンスは、使用周波数帯域で広範囲に拡散して分布している。そのため、アンテナ素子１０のインピーダンスを、増幅器１２−Ａのほぼ定まったＮＦ最小点のインピーダンスに所望の全帯域で整合させることは、事実上不可能であって、例えば、帯域中央で整合をとるなどの一般的な方法を用いた場合には、帯域両端の不整合が急激に増加し、ＮＦの大幅な劣化を避けることができない。
本発明者らは、図５に示すスミス図（模式図）上において、ある状態での複素インピーダンスをＺｐ、その点Ｚｐからのインピーダンス距離の半径がｑとなる曲率円（便宜上「インピーダンス円」という）を想定すると、Ｚｐとｑとの組み合わせによって、放射器として動作するアンテナ素子１０のインピーダンス（便宜上「放射インピーダンス」という）と重なるインピーダンス円が唯一つ存在することを見出し、このことを本発明の出発点とした。この複素インピーダンスＺｐが、放射インピーダンス上の至る点から等しいインピーダンス距離を有することは言うまでもない。本明細書では、このような条件を満足するインピーダンス円を便宜上「放射インピーダンス曲率円」、その中心を「放射インピーダンス曲率円中心」と表現して説明する。
【００３８】
なお、インピーダンス距離は、インピーダンスの整合度と同義と考えればよい。
例えばインピーダンスＺａ（＝Ｒａ＋ｊＸａ）のＡ点と、インピーダンスＺｂ（＝Ｒｂ＋ｊＸｂ）のＢ点とのインピーダンス距離は｜Ｚａ−Ｚｂ｜となる。この距離が大きいほどスミス図上でＢ点はＡ点から遠ざかり、Ｂ点はＡ点に対しより不整合ということになる。ここでＡ点からのインピーダンス距離がｑ（＝｜Ｒａ＋ｊＸａ−Ｒｂ−ｊＸｂ｜＝√（（Ｒａ−Ｒｂ）２＋（Ｘａ−Ｘｂ）２））となる点の集合を想定すると、この集合は、Ａ点を中心とする半径ｑの円になる。この円は、Ａ点に対して等しい不整合度（反射係数）を持つ点の集合ということができる。
【００３９】
（２）増幅器におけるインピーダンスとその関連量
ここで、増幅器の属性として格別な意味を持つインピーダンスとその関連量を以下のように定義しておく。
Ｚｏ ：測定系の基準インピーダンス（本例では50［Ω]）
Ｇｏｐｔ：増幅器入力インピーダンスの複素共役点であって利得最適点
Γｏｐｔ：ＮＦ最適点
Ｆｍｉｎ：ΓｏｐｔにおけるＮＦ
ΓＮ ：等ＮＦ円
ΩＮ ：ΓＮの中心
ＲＮ ：ΓＮの半径
ＦＮ ：ΓＮにおけるＮＦ
Ｎ ：ΓＮを指定するパラメータ
Ｒｎ ：増幅器の入力等価雑音抵抗
ｒｎ ：規格化した増幅器の入力等価雑音抵抗
【００４０】
上記関連量の間には、理論的に以下の関係がある。
増幅器１２−Ａの入力側のＳ（信号）対Ｎ（雑音）比を（Ｓ／Ｎ）ｉｎ、増幅器１２−Ａの出力側の信号対雑音比を（Ｓ／Ｎ）ｏｕｔとすると、増幅器１２−ＡのＮＦは、（Ｓ／Ｎ）ｉｎ／（Ｓ／Ｎ）ｏｕｔとなる。
【００４１】
増幅器の特性値として、Ｇｏｐｔ、Γｏｐｔ、Γｍｉｎ、Ｒｎが（その製造メーカより）与えられると、ΩＮ、ＲＮ、ＦＮ、ｒｎは、それぞれ、以下のようにして算出される。
ΩＮ ＝Γｏｐｔ／（１＋Ｎ）
ＲＮ ＝√［Ｎ２＋Ｎ（１−｜Γｏｐｔ｜２］）]／（１＋Ｎ）
ＦＮ ＝Ｆｍｉｎ＋４ｒｎ Ｎ／（｜１＋Γｏｐｔ｜２）
ｒｎ＝Ｒｎ／ＺＯ
【００４２】
これらの算出結果から、スミス図上で等ＮＦ円ΓＮを描くことができる。パラメータＮはスミス図上のいわゆる等高線を指定する正の実数であって、０のときＦｍｉｎとなり、無限大のときにＮＦ最大円（全反射円）となる。Ｎは、以下のようにして求めることができる。
ΩＮ ＝Γｏｐｔ／（１＋Ｎ）＝Ｚｐ
Ｎ＝（Γｏｐｔ／Ｚｐ）−１
なお、Ｎ＝０のときの等ＮＦ円の中心がＮＦ最適点Γｏｐｔであり、その半径、ＲＮも０となる。
【００４３】
（３）放射インピーダンスと等ＮＦ円との関係
増幅器１２−Ａにおける等ＮＦ円の中心は、パラメータＮの変化に従い、図６（ａ）に示されるように、ＮＦ最適点Γｏｐｔ と、ＮＦ最大円（スミス図最外周）中心とを結ぶ直線上を移動する。この等ＮＦ円の中心の軌跡を示したのが図６（ｂ）である。
図６（ｂ）に示されるように、放射インピーダンス曲率円の中心がＮＦ最大円中心となす角度と等ＮＦ円の中心との直線状軌跡の角度が所望の周波数帯域で一致するような増幅器１２−Ａとすることにより、あるいは、所望の周波数帯域において等ＮＦ円中心の描く軌跡が、アンテナ素子１０の放射インピーダンス曲率円中心のインピーダンスＺoを含むＮＦ最適点Γｏｐｔをもつ増幅器１２−Ａとすることにより、アンテナ素子１０の放射インピーダンス曲率円と重なる等ＮＦ円が必ず存在し、このとき増幅器１２−Ａは、所望の周波数帯域の至るところで等ＮＦとなる。
放射インピーダンス曲率円と重なる等ＮＦ円のＮＦは、増幅器１２−Ａにおける増幅素子、すなわちＨＥＭＴ１２０の入力における等価雑音抵抗Ｒｎにより定まる。
例えば、等価雑音抵抗が2［Ω］で、基準インピーダンスＺo＝50［Ω］、Ｒｎ＝2［Ω］、Ｆmin＝0.08［ｄＢ]、Γopt＝0.68-0.16jのＨＥＭＴ１２０を使用し、パラメータＮを５に選ぶと、等ＮＦ円のＮＦは約1.1[ｄＢ]となる（図６（ａ）参照）。このことから、実用上、ＨＥＭＴ１２０の入力における等価雑音抵抗Ｒｎ は、2［Ω］以下であることが好ましいことがわかる。
【００４４】
（４）ＨＥＭＴの効用
注目すべきは、図７に示すごとく、増幅器１２−Ａの入力インピーダンス及び利得整合点は、アンテナ素子１０の放射インピーダンスと著しく離間しており、動作状態における利得不整合損失は最大−２５［ｄＢ］にも及ぶ。つまり、本実施形態のように、その高さが55［mm］まで短縮されたアンテナ素子１０は、アンテナ実効高を損なう配置となっており、基本的に増幅器１２−Ａの利得を劣化させる方向に作用する。また、増幅器１２−Ａは、アンテナ素子１０の共振点以下の周波数の受信波を増幅するため、共振点が周波数帯域の中心近くにある場合よりも利得が劣化する。
しかし、このような状態であっても、本実施形態のアンテナ装置１０では、ＦＭ帯の全体にわたって実用的なＮＦを維持できるようにしている。その理由の一つは、従前、一般的に行われているインピーダンスと利得整合の追求をやめ、アンテナ素子１０と増幅器１２−Ａとを接続したときに、ＦＭ帯全体で一定の雑音特性が得られるようにするとともに、アンテナ素子１０を短縮化したことによって生じる利得等の劣化分については、増幅器１２−ＡのＨＥＭＴ１２０で（低雑音に）補償したことにある。
【００４５】
（５）検証
本実施形態のアンテナ装置が、同じ周波数領域で使用される従前のアンテナ装置との関係で、どの程度の特性が得られるかを検証する。
検証は、電波暗室において、適切な受信範囲となるように設定した一定の送信電力を評価対象アンテナ装置に供給した。評価対象アンテナ装置は、200[mm]のアンテナ素子とＨＥＭＴ１２０を含まない従来型の増幅器とを含む第１のアンテナ装置、アンテナ素子だけを55［mm］に短縮した第２のアンテナ装置、及び、本実施形態のアンテナ装置（第３のアンテナ装置）である。
これらの装置で受信し、増幅した受信波をスペクトラムアナライザに入力し、信号電力（Ｓ）と雑音電力（Ｎ）とをそれぞれ計測した。雑音電力は、送信を停波した状態で測定した。その後、信号電力（Ｓ）を雑音電力（Ｎ）電力で割ってＳ／Ｎを求めた。この結果を図８に示す。
【００４６】
図８において、第１データは、第１のアンテナ装置における典型的な性能例を示している。この数値は性能達成水準の目標値（業界標準性能）であり、多くのアンテナ装置メーカは、この性能をキャッチアップすることを目標に開発が行なわれている。
第２データは、第２のアンテナ装置によるデータである。第３データは、本実施形態のアンテナ装置によるデータである。第３データは、第２データに比べて、帯域の両端が顕著に改善されており、第１データに近いものとなっている。
すなわち、ＦＭ帯の地上波放送用のアンテナ装置として、従来技術では実現し得なかった0.0125λ程度のアンテナ素子１０で、業界標準性能に近いＳ／Ｎを実現できていることが裏付けられている。
【００４７】
なお、以上の説明は、図２の増幅器１２−Ａを用いたアンテナ装置についての例であるが、図３及び図４の増幅器１２−Ｂ，１２−Ｃを用いたアンテナ装置にも、本発明を適用することができる。特に、図３の増幅器１２−Ｂを用いた場合は、ＡＭ帯及びＦＭ帯の地上放送波を一つのアンテナ装置で受信できる利点があるし、図４の増幅器１２−Ｃは、従前のアンテナ装置の一部を増幅器１２−Ａに置き換えるだけで実現できる利点がある。
また、本実施形態では、ＦＭ帯の放送波を受信した場合の例を説明したが、ＡＭ帯においても充分実用的な性能を発揮できることが，本発明者らの検証によって裏付けられている。
また、以上の説明は、車両への搭載を考慮したものとなっているが、本発明のアンテナ装置は、二輪車、鉄道、航空機、船舶その他の移動体や携帯端末など、アンテナ素子の短縮が要請されているすべての分野において、広く利用できるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１０・・・アンテナ素子、１１・・・給電端子、１２，１２−Ａ，１２−Ｂ，１２−Ｃ・・・増幅器、１３・・・出力端子、１４・・・接地端子、１５・・・グランド板、３０・・・車両導体面、１２０・・・ＨＥＭＴ、Ｐｉ・・・電源端子、Ｒｉ・・・増幅器入力端子、Ｒo・・・増幅器出力端子、Ｇｒ・・・増幅器接地端子、１２１・・・直流阻止回路、１２２・・・バイアス回路、１２３・・・ＦＭ並列共振回路、１２４・・・ＡＭ並列共振回路、１２５・・・出力整合回路、２１・・・分波回路、２２・・・ＡＭ整合回路、２３・・・ＡＭ帯増幅器、２４・・・合成回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両用に用いられるＡＭ帯及びＦＭ帯の地上放送波受信用アンテナ装置及びその構成部品に関する。特に、ごく短いアンテナ素子を用いた場合であっても充分な性能が得られる仕組みに関する。ここでＡＭ帯とは、0.522〜1.629［ＭＨｚ］、ＦＭ帯とは76〜90［ＭＨｚ］である。
【背景技術】
【０００２】
地上放送波受信用のアンテナ素子として、古くから高さ1000［mm］程度の伸縮式棒状アンテナ素子が多く用いられてきた。伸縮式棒状アンテナ素子は、伸展時に、ＦＭ帯では、ほぼ0.25λ（「λ」は使用周波数の波長。以下同じ。）の共振型モノポールアンテナとして動作する。また、ＡＭ帯では、出力インピーダンスが10［ｋΩ］程度の非共振モノポールアンテナとして動作する。そのため、受信機に対して低い反射係数を実現し、100［％］近い高効率で動作することが知られている。伸縮式棒状アンテナ素子のＡＭ帯及びＦＭ帯における性能は、長い間、事実上、車両に用いられる地上放送波受信用アンテナの基準として用いられている。
【０００３】
車両に伸縮式棒状アンテナ素子を用いる場合、物理的な高さから折損事故が絶えない。そのために市場には、アンテナ素子の短縮化への要求が潜在的に存在する。しかし、アンテナ素子の高さを短くすると、それに伴うアンテナ素子のインピーダンス変化やこれに起因するケーブル及び受信装置との不整合損失が増加する。
【０００４】
アンテナ素子の短縮化の要請に応え、1990年代半ばには、高さ200［mm］程度（ＦＭ波長λの0.05）の棒状ヘリカルアンテナ素子を採用した棒状アンテナ装置が実用化された。特許文献１は、このような棒状アンテナ装置の一例を提案している。
特許文献１の棒状アンテナ装置は、モノポールアンテナ素子に、ＡＭ／ＦＭ分波回路、ＦＭ整合回路、ＦＭ用増幅器、ＡＭ用増幅器、ＡＭ／ＦＭ合成回路を有する増幅部が接続される。この増幅部により、アンテナ素子におけるインピーダンスの変化分をアクティブにインピーダンス変換して、アンテナ素子と受信機との間の不整合損失を低減することでアンテナ素子を短縮化したことによる性能劣化を補償している。このように、アンテナ素子の短縮化による性能劣化を増幅部で補償するようにしたことで、現在、この種のアンテナ装置は、世界的に広く普及している。
【０００５】
2000年代以降に入ると、車両に限らず、移動体端末に搭載される無線メディア用のアンテナ素子の種類と数とが急増した。これに伴い、個々のアンテナ素子の短縮化に対する市場要求は更に強まった。その結果、車両用のアンテナ市場では、アンテナ素子の高さが55[mm］（例えばＦＭ帯波長λの約0.0125倍）程度まで短縮することが強く望まれるようになった。
しかしながら、アンテナ素子長をこのように短縮したときのアンテナ素子の性能劣化は著しいものがあり、特許文献１のような技術では、性能劣化分を増幅部で充分に補償しきれなくなってきた。特に、従前の技術では、ＦＭ帯におけるＳ（信号）／Ｎ（雑音）の大幅な劣化が生じる。そのために、現在、アンテナ素子の高さが55[mm］程度のアンテナ装置で世界的に普及しているものはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２１５１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術の問題点を理論的に分析すると、以下のようになる。
まず、モノポールアンテナ素子の長さとアンテナのインピーダンスとの関係を明らかにする。一般に、高さＨのモノポールアンテナ素子の給電点でのインピーダンスの実部Ｒは、（アンテナ）放射抵抗Ｒｒと（アンテナ）内部損失抵抗Ｒｉとの和（＝Ｒｒ＋Ｒi）として与えられる。このうち、放射抵抗Ｒｒは、モノポールアンテナ素子の高さをＨとすると、下式により理論的に求めることができる。
【０００８】
【数１】
【０００９】
但し、λは波長（内部損失抵抗を十分無視できる場合）である。
Ｉバーは、モノポールアンテナ素子上の平均電流を給電電流で規格化した平均電流であり、分布形態の相違に従い、理論的には0.5〜1.0の範囲内の値をとる。Ｉバーは、非共振アンテナで0.5、0.25λ共振アンテナで≒0.64で、殆どのモノポールアンテナ素子で0.5〜0.64の範囲内であり、平均電流の違いによって生じる性能差は限定的なものである。
0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子について上式からＦＭ帯における特性を計算すると、放射抵抗Ｒｒは各々40、1.6、0.1となり、短縮の度合いが高まるにつれて大幅に減少することがわかる（Ｉバー≒0.64として計算）。
【００１０】
内部損失抵抗Ｒｉは、モノポールアンテナ素子の材質・構造・製作条件等により決まる。最適化設計により一定程度小さな値を実現することは可能であるが、現状、常温でゼロにする方法は知られていない。そのため、特にモノポールアンテナ素子が短くなることは、アンテナ入出力電力比を表すアンテナ効率η（実質的に、Ｒｒ／（Ｒｒ＋Ｒｉ）の低下要因となる。仮に、内部損失抵抗Ｒｉを約1.5［Ω］とし、0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子についてＦＭ帯におけるアンテナ効率ηを計算すると、各々0、-3、-12［ｄＢ］の程度となる。
【００１１】
一方、ＦＭ帯に共振させた高さＨのモノポールアンテナ素子のインピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊＸ）の所望の受信帯域Δｆに対する虚部の変化幅ΔＸは、使用周波数をｆ、その波長をλとすると、近似的に下式で与えられる。
【００１２】
【数２】
【００１３】
0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子について上式からＦＭ帯における特性を計算すると、ΔＸは、各々24、38、142となり、短縮の度合いが高まるにつれて大幅に増加することがわかる。
また、インピーダンスをＲｒに選んだ場合（帯域中心に完全整合）を想定して、ΔＸのＲｒ比でみると、各々0.6、24、1400となり、更に変化が増大して、短縮化すると所望の帯域両端において著しい不整合損失を生じることがわかる。
さらに、本発明者らの実測によれば、反射係数（ＶＳＷＲ）についても、0.25λ、0.05λ、0.0125λの三種類の高さのモノポールアンテナ素子について、2以下、10以上、100以上となり、モノポールアンテナ素子の短縮化に伴い、受信機へ到達する信号電力が大幅な不整合損失を免れないことがわかった。このように、モノポールアンテナ素子を短縮化すると、アンテナ効率の低下、狭帯域化、不整合損失が避けられないという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記の問題点に鑑み、ＦＭ帯以下の周波数帯域において、アンテナ素子長を55[mm］程度まで短縮しても、従来と同等以上の性能を有する地上放送波受信用アンテナ装置及びその構成部品を提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上のような課題を解決するため、本発明は、地上放送波受信用増幅器と、地上放送波受信用アンテナ装置とを提供する。
本発明の地上放送波受信用増幅器は、ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子の給電点に接続するための給電端子と、前記給電端子を通じて入力される前記アンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する、受信周波数に対して等価雑音抵抗が２Ω以下となる化合物半導体ＨＥＭＴと、を含んで構成される。
【００１６】
このように構成される地上放送波受信用増幅器は、例えばアンテナ素子の高さ（長さ）が短くなることによってその性能（信号対雑音比や受信系の利得等）が劣化しても、その劣化分を、等価雑音抵抗が2［Ω］以下となる化合物半導体ＨＥＭＴが補償することができるので、例えば、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつモノポールアンテナ素子を用いた場合であっても、実用的な性能を実現することができる。
【００１７】
前記化合物半導体ＨＥＭＴは、好ましくは、スミス図上において、前記モノポールアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成するように構成する。これにより、所望の周波数帯域全体にわたって等雑音を維持することができる。
【００１８】
ある実施態様では、前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートには、所定のインピーダンスの線路を介して前記モノポールアンテナ素子で受信した受信波と、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力とが供給される。
他の実施態様では、前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートと前記給電端子とを接続する線路は前記モノポールアンテナ素子の出力インピーダンスよりも小さく２００［Ω］以上のインピーダンスの線路であり、当該ゲートへは、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力が供給される。
他の実施態様では、前記ＨＥＭＴのドレインには、ＡＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第１回路と、ＦＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第２回路との少なくとも一方の回路が接続されている。これにより、一つの増幅器で、ＡＭ帯とＦＭ帯の地上波放送を受信することができる。
【００１９】
本発明の地上放送波受信用アンテナ装置は、ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子と、このアンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する増幅器と、前記増幅器の接地ラインを外部の接地導体面に導通させるための接地端子とを備えており、前記増幅器は、その初段に、前記共振点以下の周波数の受信波を増幅する、等価雑音抵抗が２Ω以下の化合物半導体ＨＥＭＴを配備している装置である。
【００２０】
前記増幅器は、スミス図上において、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成するように構成される。
【００２１】
ある実施態様では、地上放送波受信用アンテナ装置の増幅器は、すべての電気部品が配線基板の片面に搭載されて構成されており、当該配線基板の部品非搭載面に前記グランド板が配設されている。これにより、低い姿態のアンテナ装置を実現することができ、車両等の移動体への搭載促進が期待される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アンテナ素子を短縮することによって生じる性能劣化，特に雑音に関する劣化分を増幅器のＨＥＭＴが補償するので、従前は考えられなかった高さ（長さ）に短縮化されたアンテナ素子であっても、所望の周波数帯域全体で一定な信号対雑音特性が得られるという、特有の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を適用したアンテナ装置の全体構成図。
【図２】上記アンテナ装置に含まれる増幅器の構成例を示した図。
【図３】上記アンテナ装置に含まれる増幅器の他の構成例を示した図。
【図４】上記アンテナ装置に含まれる増幅器の他の構成例を示した図。
【図５】スミス図におけるＦＭ帯の放射インピーダンス曲率円の説明図。
【図６】（ａ）はスミス図における増幅器の等ＮＦ（雑音指数）円と等ＮＦ円の中心の軌跡の説明図、（ｂ）はアンテナ素子の放射インピーダンスと増幅器の等ＮＦ円との関係を示した図。
【図７】スミス図におけるアンテナ素子と増幅器の利得との関係を示した図。
【図８】本実施形態のアンテナ装置の評価例を示した実測図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明をＡＭ帯（0.522〜1.629［ＭＨｚ］）やＦＭ帯（76〜90［ＭＨｚ］）の地上波放送を受信して増幅する地上放送波受信用アンテナ装置、特に、車両に取付可能なアンテナ装置に適用した場合の実施の形態を説明する。
【００２５】
［構成］
図１は、本実施形態におけるアンテナ装置の全体構成図である。
このアンテナ装置は、アンテナ素子１０と、このアンテナ素子１０と接続するための給電端子１１と、増幅器１２と、この増幅器１２の出力を外部の受信機等へ伝達するための出力端子１３と、増幅器１２の接地ラインをグランド板１５に接続するための接地端子１４とを備えて構成される。グランド板１５は、車両導体面３０に貼り付けられており、アンテナ素子１０に対してグランド板１５及び車両導体面３０が地板面となる。
【００２６】
アンテナ素子１０は、例えば線経0.4［mm］の銅線を、巻径6［mm］で略100ターン巻回した棒状ヘリカルコイルである。アンテナ素子１０は、その先端が、車両導体面３０から55[mm］前後、すなわちＦＭ帯（75［ＭＨｚ］）の使用周波数に対して0.0125λとなる高さに設計されている。但し、アンテナ素子１０は、上記の例に限るものではない。例えば、厚さ0.1［mm］、幅10［mm］、長さ55[mm］の銅箔から成る高さが0.0125λ（55[mm］前後）の板状電極を車両導体面３０に対して略平行に配設し、この板状電極と給電端子１１との間に、例えば線径0.3〜0.8［mm］の銅線を、適宜の巻径で10〜20ターン巻回したコイルを装荷した構造のものであってもよい。
【００２７】
このように構成されるアンテナ素子１０は、例えばＡＭ帯やＦＭ帯の地上波放送を受信し、一定のアンテナ効率のもとで受信波を給電端子１１へ出力するが、その給電端子１１に増幅器１２が接続されたときには、所望の受信帯域より若干高い周波数、例えばＦＭ帯域の上端から０〜１［％］高い周波数に共振点を生じるように構成される。これにより、増幅器１２は、給電端子１１を通じて入力されるアンテナ素子１０の受信波のうち当該アンテナ素子１０の共振点以下の周波数の受信波を増幅することになる。
【００２８】
増幅器１２は、例えば図２〜図４のように構成することができる。各図において共通するのは、初段の増幅素子として、GaAs系、InP系、GaN系、SiGe系などの化合物半導体で作製されたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ)、すなわち半導体ヘテロ接合に誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとしたＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いたことである。ＨＥＭＴは、その等価雑音抵抗が、2［Ω］以下のものである。
【００２９】
ＨＥＭＴは、一般的には、地上波デジタル放送（470［ＭＨｚ］〜710［ＭＨｚ］）の受信機やマイクロ波帯の信号を増幅する高周波機器用増幅器において使用されるもので、これまで、ＡＭ帯やＦＭ帯において使用されることがなかった。これは、ＡＭ帯やＦＭ帯でＨＥＭＴを採用することの性能対効果が低いこと、及び、このように低い周波数帯域では、ＨＥＭＴの扱いが難しいことが、その理由になっていると考えられる。
すなわち、もともと熱雑音が信号電力に重畳しているのが当たり前のＡＭ帯やＦＭ帯の受信波では、ＨＥＭＴを採用したとしても、顕著な性能改善に結びつかないので、ＨＥＭＴをＡＭ帯やＦＭ帯で使用するには、100倍程度の増幅能力が過剰となり、100倍もの広範な周波数にわたる回路・部品の動作、放射器１の指向性等を考慮した設計・製造技術が余分な負担となる。また、シリコンバイポーラトランジスタに比べ、化合物半導体素材が高価で、基板に形成する際のパターンルールが微細となるので、製造コストも相対的に高くなるばかりでなく、主たる動作周波数がＡＭ帯やＦＭ帯のように、マイクロ波に比べて低い周波数で動作するように設計された素子と比較すれば、パターンルールが過剰に微細となって、電気的ストレスに対して脆弱となる。
【００３０】
図２に示す増幅器１２−Ａでは、ソース接地されたエンハンスメント型のＨＥＭＴ１２０のゲートＧに、アンテナ素子１０で受信され、給電端子１１，増幅器入力端子Ｒｉを通じて入力された受信波と、電源端子Ｐｉから直流阻止回路１２１及びバイアス回路１２２を経て供給された正のバイアス電力とを重畳して入力する。
給電端子１１及び増幅器入力端子ＲｉからＨＥＭＴ１２０のゲートＧまでを接続する配線線路は、アンテナ素子１０のインピーダンスが非常に高いことから、200［Ω］以上（好ましくは１[ｋΩ］以上）の高インピーダンスとなるように線路幅が制限されている。
【００３１】
なお、ＨＥＭＴ１２０のゲートＧから増幅器入力端子Ｒｉまでをグランド板１５から離間できるように、グランド板１５に逃げを設けるか、ＨＥＭＴ１２０等の電子部品と別の基板で構成して、グランド板１５と略垂直に配設するように構成してもよい。
【００３２】
ＨＥＭＴ１２０のソースＳは接地端子１４と導通する増幅器側接地端子Ｇｒに接続される。ＨＥＭＴ１２０のドレイン（負荷側）Ｄには、ＦＭ並列共振回路１２３の一方端と出力整合回路１２５とが接続されている。ＦＭ並列共振回路１２３の他方端は、電源端子Ｐｉに接続される。出力整合回路１２５は、増幅器出力端子Ｒoを通じて出力端子１３に接続される外部の受信機等との間で出力整合をとるためのものである。
【００３３】
図３に示す増幅器１２−Ｂは、図２に示した増幅器１２−Ａにおいて、ＨＥＭＴ１２０のドレイン（負荷側）Ｄに、ＦＭ並列共振回路１２３のほかに、ＡＭ並列共振回路１２４を付加したものである。これにより、増幅器１２−Ｂは、ＡＭ帯及びＦＭ帯の受信波の増幅が同時に可能となる。
【００３４】
図４に示す増幅器１２−Ｃは、ＡＭ帯とＦＭ帯とを分離して増幅するようにしたものである。すなわち、給電端子１１から取り込んだ受信波を分波回路２１で二分岐し、一方の分岐路に図２に示した増幅器１２−Ａを挿入し、他方の分岐路にＡＭ整合回路２２とＡＭ帯増幅器２３とを挿入し、両増幅器１２−Ａ，２３の出力を合成回路２４で合成して出力端子１３へ出力するようにしたものである。
ＡＭ帯増幅器２３の初段には、図２及び図３に示したものと同様、ソース接地されたエンハンスメント型のＨＥＭＴを初段の増幅素子として設け、そのゲートに、ＡＭ帯の受信波を入力するようにしている。
【００３５】
増幅器１２−Ａ，１２−Ｂ，１２−Ｃは、それを構成するすべての電子部品が、所定サイズの基板の片面（アンテナ素子１０の高さ方向の面）に搭載されており、基板の部品非搭載面はグランド板１５に密着して低背に配設されている。
【００３６】
このように構成される増幅器１２−Ａ，１２−Ｂ，１２−Ｃは、アンテナ素子１０との利得整合の追求という視点ではなく、アンテナ素子１０に接続したときの雑音指数（Noise Figure：以下、「ＮＦ」という）をＡＭ帯及びＦＭ帯の所望の周波数帯域全体でほぼ一定になるように動作する。以下、その理由を説明する。
ここでは、約55［mm］の高さのアンテナ素子１０と増幅器１２−Ａとを接続してＦＭ帯の放送波を受信する場合について説明する。また、便宜上、50［Ω］で規格したスミス図（Smith chart）を用いて説明する。スミス図の水平軸は複素反射係数の実数部、垂直軸は虚数部である。最外周は全反射に対応している。
【００３７】
（１）アンテナ素子１０に対する考察
アンテナ素子１０のインピーダンスは、使用周波数帯域で広範囲に拡散して分布している。そのため、アンテナ素子１０のインピーダンスを、増幅器１２−Ａのほぼ定まったＮＦ最小点のインピーダンスに所望の全帯域で整合させることは、事実上不可能であって、例えば、帯域中央で整合をとるなどの一般的な方法を用いた場合には、帯域両端の不整合が急激に増加し、ＮＦの大幅な劣化を避けることができない。
本発明者らは、図５に示すスミス図（模式図）上において、ある状態での複素インピーダンスをＺｐ、その点Ｚｐからのインピーダンス距離の半径がｑとなる曲率円（便宜上「インピーダンス円」という）を想定すると、Ｚｐとｑとの組み合わせによって、放射器として動作するアンテナ素子１０のインピーダンス（便宜上「放射インピーダンス」という）と重なるインピーダンス円が唯一つ存在することを見出し、このことを本発明の出発点とした。この複素インピーダンスＺｐが、放射インピーダンス上の至る点から等しいインピーダンス距離を有することは言うまでもない。本明細書では、このような条件を満足するインピーダンス円を便宜上「放射インピーダンス曲率円」、その中心を「放射インピーダンス曲率円中心」と表現して説明する。
【００３８】
なお、インピーダンス距離は、インピーダンスの整合度と同義と考えればよい。
例えばインピーダンスＺａ（＝Ｒａ＋ｊＸａ）のＡ点と、インピーダンスＺｂ（＝Ｒｂ＋ｊＸｂ）のＢ点とのインピーダンス距離は｜Ｚａ−Ｚｂ｜となる。この距離が大きいほどスミス図上でＢ点はＡ点から遠ざかり、Ｂ点はＡ点に対しより不整合ということになる。ここでＡ点からのインピーダンス距離がｑ（＝｜Ｒａ＋ｊＸａ−Ｒｂ−ｊＸｂ｜＝√（（Ｒａ−Ｒｂ）２＋（Ｘａ−Ｘｂ）２））となる点の集合を想定すると、この集合は、Ａ点を中心とする半径ｑの円になる。この円は、Ａ点に対して等しい不整合度（反射係数）を持つ点の集合ということができる。
【００３９】
（２）増幅器におけるインピーダンスとその関連量
ここで、増幅器の属性として格別な意味を持つインピーダンスとその関連量を以下のように定義しておく。
Ｚｏ ：測定系の基準インピーダンス（本例では50［Ω]）
Ｇｏｐｔ：増幅器入力インピーダンスの複素共役点であって利得最適点
Γｏｐｔ：ＮＦ最適点
Ｆｍｉｎ：ΓｏｐｔにおけるＮＦ
ΓＮ ：等ＮＦ円
ΩＮ ：ΓＮの中心
ＲＮ ：ΓＮの半径
ＦＮ ：ΓＮにおけるＮＦ
Ｎ ：ΓＮを指定するパラメータ
Ｒｎ ：増幅器の入力等価雑音抵抗
ｒｎ ：規格化した増幅器の入力等価雑音抵抗
【００４０】
上記関連量の間には、理論的に以下の関係がある。
増幅器１２−Ａの入力側のＳ（信号）対Ｎ（雑音）比を（Ｓ／Ｎ）ｉｎ、増幅器１２−Ａの出力側の信号対雑音比を（Ｓ／Ｎ）ｏｕｔとすると、増幅器１２−ＡのＮＦは、（Ｓ／Ｎ）ｉｎ／（Ｓ／Ｎ）ｏｕｔとなる。
【００４１】
増幅器の特性値として、Ｇｏｐｔ、Γｏｐｔ、Γｍｉｎ、Ｒｎが（その製造メーカより）与えられると、ΩＮ、ＲＮ、ＦＮ、ｒｎは、それぞれ、以下のようにして算出される。
ΩＮ ＝Γｏｐｔ／（１＋Ｎ）
ＲＮ ＝√［Ｎ２＋Ｎ（１−｜Γｏｐｔ｜２］）]／（１＋Ｎ）
ＦＮ ＝Ｆｍｉｎ＋４ｒｎ Ｎ／（｜１＋Γｏｐｔ｜２）
ｒｎ＝Ｒｎ／ＺＯ
【００４２】
これらの算出結果から、スミス図上で等ＮＦ円ΓＮを描くことができる。パラメータＮはスミス図上のいわゆる等高線を指定する正の実数であって、０のときＦｍｉｎとなり、無限大のときにＮＦ最大円（全反射円）となる。Ｎは、以下のようにして求めることができる。
ΩＮ ＝Γｏｐｔ／（１＋Ｎ）＝Ｚｐ
Ｎ＝（Γｏｐｔ／Ｚｐ）−１
なお、Ｎ＝０のときの等ＮＦ円の中心がＮＦ最適点Γｏｐｔであり、その半径、ＲＮも０となる。
【００４３】
（３）放射インピーダンスと等ＮＦ円との関係
増幅器１２−Ａにおける等ＮＦ円の中心は、パラメータＮの変化に従い、図６（ａ）に示されるように、ＮＦ最適点Γｏｐｔ と、ＮＦ最大円（スミス図最外周）中心とを結ぶ直線上を移動する。この等ＮＦ円の中心の軌跡を示したのが図６（ｂ）である。
図６（ｂ）に示されるように、放射インピーダンス曲率円の中心がＮＦ最大円中心となす角度と等ＮＦ円の中心との直線状軌跡の角度が所望の周波数帯域で一致するような増幅器１２−Ａとすることにより、あるいは、所望の周波数帯域において等ＮＦ円中心の描く軌跡が、アンテナ素子１０の放射インピーダンス曲率円中心のインピーダンスＺoを含むＮＦ最適点Γｏｐｔをもつ増幅器１２−Ａとすることにより、アンテナ素子１０の放射インピーダンス曲率円と重なる等ＮＦ円が必ず存在し、このとき増幅器１２−Ａは、所望の周波数帯域の至るところで等ＮＦとなる。
放射インピーダンス曲率円と重なる等ＮＦ円のＮＦは、増幅器１２−Ａにおける増幅素子、すなわちＨＥＭＴ１２０の入力における等価雑音抵抗Ｒｎにより定まる。
例えば、等価雑音抵抗が2［Ω］で、基準インピーダンスＺo＝50［Ω］、Ｒｎ＝2［Ω］、Ｆmin＝0.08［ｄＢ]、Γopt＝0.68-0.16jのＨＥＭＴ１２０を使用し、パラメータＮを５に選ぶと、等ＮＦ円のＮＦは約1.1[ｄＢ]となる（図６（ａ）参照）。このことから、実用上、ＨＥＭＴ１２０の入力における等価雑音抵抗Ｒｎ は、2［Ω］以下であることが好ましいことがわかる。
【００４４】
（４）ＨＥＭＴの効用
注目すべきは、図７に示すごとく、増幅器１２−Ａの入力インピーダンス及び利得整合点は、アンテナ素子１０の放射インピーダンスと著しく離間しており、動作状態における利得不整合損失は最大−２５［ｄＢ］にも及ぶ。つまり、本実施形態のように、その高さが55［mm］まで短縮されたアンテナ素子１０は、アンテナ実効高を損なう配置となっており、基本的に増幅器１２−Ａの利得を劣化させる方向に作用する。また、増幅器１２−Ａは、アンテナ素子１０の共振点以下の周波数の受信波を増幅するため、共振点が周波数帯域の中心近くにある場合よりも利得が劣化する。
しかし、このような状態であっても、本実施形態のアンテナ装置１０では、ＦＭ帯の全体にわたって実用的なＮＦを維持できるようにしている。その理由の一つは、従前、一般的に行われているインピーダンスと利得整合の追求をやめ、アンテナ素子１０と増幅器１２−Ａとを接続したときに、ＦＭ帯全体で一定の雑音特性が得られるようにするとともに、アンテナ素子１０を短縮化したことによって生じる利得等の劣化分については、増幅器１２−ＡのＨＥＭＴ１２０で（低雑音に）補償したことにある。
【００４５】
（５）検証
本実施形態のアンテナ装置が、同じ周波数領域で使用される従前のアンテナ装置との関係で、どの程度の特性が得られるかを検証する。
検証は、電波暗室において、適切な受信範囲となるように設定した一定の送信電力を評価対象アンテナ装置に供給した。評価対象アンテナ装置は、200[mm]のアンテナ素子とＨＥＭＴ１２０を含まない従来型の増幅器とを含む第１のアンテナ装置、アンテナ素子だけを55［mm］に短縮した第２のアンテナ装置、及び、本実施形態のアンテナ装置（第３のアンテナ装置）である。
これらの装置で受信し、増幅した受信波をスペクトラムアナライザに入力し、信号電力（Ｓ）と雑音電力（Ｎ）とをそれぞれ計測した。雑音電力は、送信を停波した状態で測定した。その後、信号電力（Ｓ）を雑音電力（Ｎ）電力で割ってＳ／Ｎを求めた。この結果を図８に示す。
【００４６】
図８において、第１データは、第１のアンテナ装置における典型的な性能例を示している。この数値は性能達成水準の目標値（業界標準性能）であり、多くのアンテナ装置メーカは、この性能をキャッチアップすることを目標に開発が行なわれている。
第２データは、第２のアンテナ装置によるデータである。第３データは、本実施形態のアンテナ装置によるデータである。第３データは、第２データに比べて、帯域の両端が顕著に改善されており、第１データに近いものとなっている。
すなわち、ＦＭ帯の地上波放送用のアンテナ装置として、従来技術では実現し得なかった0.0125λ程度のアンテナ素子１０で、業界標準性能に近いＳ／Ｎを実現できていることが裏付けられている。
【００４７】
なお、以上の説明は、図２の増幅器１２−Ａを用いたアンテナ装置についての例であるが、図３及び図４の増幅器１２−Ｂ，１２−Ｃを用いたアンテナ装置にも、本発明を適用することができる。特に、図３の増幅器１２−Ｂを用いた場合は、ＡＭ帯及びＦＭ帯の地上放送波を一つのアンテナ装置で受信できる利点があるし、図４の増幅器１２−Ｃは、従前のアンテナ装置の一部を増幅器１２−Ａに置き換えるだけで実現できる利点がある。
また、本実施形態では、ＦＭ帯の放送波を受信した場合の例を説明したが、ＡＭ帯においても充分実用的な性能を発揮できることが，本発明者らの検証によって裏付けられている。
また、以上の説明は、車両への搭載を考慮したものとなっているが、本発明のアンテナ装置は、二輪車、鉄道、航空機、船舶その他の移動体や携帯端末など、アンテナ素子の短縮が要請されているすべての分野において、広く利用できるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１０・・・アンテナ素子、１１・・・給電端子、１２，１２−Ａ，１２−Ｂ，１２−Ｃ・・・増幅器、１３・・・出力端子、１４・・・接地端子、１５・・・グランド板、３０・・・車両導体面、１２０・・・ＨＥＭＴ、Ｐｉ・・・電源端子、Ｒｉ・・・増幅器入力端子、Ｒo・・・増幅器出力端子、Ｇｒ・・・増幅器接地端子、１２１・・・直流阻止回路、１２２・・・バイアス回路、１２３・・・ＦＭ並列共振回路、１２４・・・ＡＭ並列共振回路、１２５・・・出力整合回路、２１・・・分波回路、２２・・・ＡＭ整合回路、２３・・・ＡＭ帯増幅器、２４・・・合成回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子の給電点に接続するための給電端子と、
前記給電端子を通じて入力される前記アンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する、受信周波数に対して等価雑音抵抗が２Ω以下となる化合物半導体ＨＥＭＴと、を含んで成る、
地上放送波受信用増幅器。
【請求項２】
前記アンテナ素子は、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつモノポールアンテナ素子である、
請求項１記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項３】
前記化合物半導体ＨＥＭＴは、スミス図上において、前記モノポールアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成する、
請求項２記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項４】
前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートには、所定のインピーダンスの線路を介して前記モノポールアンテナ素子で受信した受信波と、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力とが供給される、
請求項３記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項５】
前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートと前記給電端子とを接続する線路は前記モノポールアンテナ素子の出力インピーダンスよりも小さく２００［Ω］以上のインピーダンスの線路であり、当該ゲートへは、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力が供給される、
請求項３又は４記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項６】
前記ＨＥＭＴのドレインには、ＡＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第１回路と、ＦＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第２回路との少なくとも一方の回路が接続されている、
請求項５記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項７】
ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子と、
このアンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する増幅器と、
前記増幅器の接地ラインを外部の接地導体面に導通させるための接地端子とを備えており、
前記増幅器は、その初段に、前記共振点以下の周波数の受信波を増幅する、等価雑音抵抗が２Ω以下の化合物半導体ＨＥＭＴを配備している、
地上放送波受信用アンテナ装置。
【請求項８】
前記増幅器は、スミス図上において、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成する、
請求項７記載の地上放送波受信用アンテナ装置。
【請求項９】
前記増幅器は、すべての電気部品が配線基板の片面に搭載されて構成されており、
当該配線基板の部品非搭載面に前記グランド板が配設されている、
請求項７又は８記載の地上放送波受信用アンテナ装置。
【請求項１】
ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子の給電点に接続するための給電端子と、
前記給電端子を通じて入力される前記アンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する、受信周波数に対して等価雑音抵抗が２Ω以下となる化合物半導体ＨＥＭＴと、を含んで成る、
地上放送波受信用増幅器。
【請求項２】
前記アンテナ素子は、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつモノポールアンテナ素子である、
請求項１記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項３】
前記化合物半導体ＨＥＭＴは、スミス図上において、前記モノポールアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成する、
請求項２記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項４】
前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートには、所定のインピーダンスの線路を介して前記モノポールアンテナ素子で受信した受信波と、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力とが供給される、
請求項３記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項５】
前記化合物半導体ＨＥＭＴはソース接地されており、そのゲートと前記給電端子とを接続する線路は前記モノポールアンテナ素子の出力インピーダンスよりも小さく２００［Ω］以上のインピーダンスの線路であり、当該ゲートへは、直流阻止回路及びバイアス回路を経てバイアス電力が供給される、
請求項３又は４記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項６】
前記ＨＥＭＴのドレインには、ＡＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第１回路と、ＦＭ帯の周波数の受信波を当該ＨＥＭＴに増幅させるための第２回路との少なくとも一方の回路が接続されている、
請求項５記載の地上放送波受信用増幅器。
【請求項７】
ＦＭ放送帯以下の周波数を用いた地上放送波を受信するアンテナ素子と、
このアンテナ素子の受信波のうち当該アンテナ素子の共振点以下の周波数の受信波を増幅する増幅器と、
前記増幅器の接地ラインを外部の接地導体面に導通させるための接地端子とを備えており、
前記増幅器は、その初段に、前記共振点以下の周波数の受信波を増幅する、等価雑音抵抗が２Ω以下の化合物半導体ＨＥＭＴを配備している、
地上放送波受信用アンテナ装置。
【請求項８】
前記増幅器は、スミス図上において、ＦＭ放送帯の地上放送波の0.0125波長以下の長さをもつアンテナ素子で受信可能な周波数帯域内の複素インピーダンスの描く曲率円の中心をなすインピーダンスと一致する、少なくとも一つの等雑音指数円の中心を形成する、
請求項７記載の地上放送波受信用アンテナ装置。
【請求項９】
前記増幅器は、すべての電気部品が配線基板の片面に搭載されて構成されており、
当該配線基板の部品非搭載面に前記グランド板が配設されている、
請求項７又は８記載の地上放送波受信用アンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１６０８７８（Ｐ２０１２−１６０８７８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６７９（Ｐ２０１１−１８６７９）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００６７５８）株式会社ヨコオ (158)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００６７５８）株式会社ヨコオ (158)
【Ｆターム（参考）】
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