JP3677559B2

JP3677559B2 - 偏給電ダイポ−ルアンテナ

Info

Publication number: JP3677559B2
Application number: JP19717296A
Authority: JP
Inventors: 上裕一村; 出英詞小; 田明正吉
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: JPH1041734A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同軸ケ−ブルを直結した偏給電ダイポ−ルアンテナに関する。この偏給電ダイポ−ルアンテナは、例えばＰＨＳ等移動体通信のアンテナとして利用される。
【０００２】
【従来の技術】
ダイポ−ルアンテナ等の線状アンテナは、それに同軸ケ−ブルを直接に接続して給電する場合が多い。
【０００３】
図７の（ａ）に、ダイポ−ルアンテナ６に同軸ケ−ブル１を直結した一例を示す。図に示す様に、アンテナエレメント６１の一端は同軸ケ−ブル１の外導体２に、アンテナエレメント６２の一端は同軸ケ−ブル１の中心導体（芯線）３に接続されている。この様に最も簡単な構造であるが、該ダイポ−ルアンテナ６の給電点インピ−ダンスと、該同軸ケ−ブル１の特性インピ−ダンスが一致していても、平衡系であるダイポ−ルアンテナ６と不平衡系である同軸ケ−ブル１を接続することにより、同軸ケ−ブル１の外導体２に漏洩電流が流れ、これが不要な電波放射となり、またアンテナ利得を低下させる欠点を有している。
【０００４】
このためダイポ−ルアンテナに直接同軸ケ−ブルを接続して使用する場合、従来は阻止套管，分枝導体，半波長迂回線路，分割同軸線路等の「バラン」を併用して給電し、同軸ケ−ブル１の外導体２に流れる漏洩電流を実質上零にすることにより、不要放射を抑制して利用されている。
【０００５】
図７の（ｂ）は、図７の（ａ）に示すダイポ−ルアンテナ６の同軸ケ−ブル１の外導体２に流れる漏洩電流を阻止するために、阻止套管７を使用した一例である。図に示す様に阻止套管７は、使用波長λの１／４の長さを持つ金属製円筒状パイプであり、同軸ケ−ブル１に同心円状にはめ込み、アンテナエレメント接続点側よりλ／４の位置で同軸ケ−ブル外導体２に電気的に接続した構造である。
アンテナエレメント接続点より阻止套管７側を見たインピ−ダンスは無限大となるので、同軸ケ−ブル外導体２には漏洩電流が流れず、平衡−不平衡変換回路として作動する。
【０００６】
不平衡回路であるマイクロストリップ線路と、平衡回路であるアンテナを接続する変換回路（バラン）を回路基板上に形成したものとして特公昭52-19062号公報がある。これに開示されたストリップ線路用平衡−不平衡変換回路は、誘電体基板上に蒸着して形成された、一対の線路導体からなる平衡線路と、この平衡線路に接続された分枝導体(スタブ)と、該接続点の一方に接続された不平衡線路から構成されている。
【０００７】
該平衡線路の他端には、平衡回路であるアンテナが接続される。該スタブは不平衡系の電波波長λgaに対しλga／２長の短絡スタブを形成し、この途中、すなわち平衡系の電波波長λgbに対しλgb／４に相当する位置を短絡している。従って平衡電流に対しては、スタブ長がλgb／４で先端短絡のスタブを形成するのでインピ−ダンスは無限大となり、平衡電流はスタブ側には流れない。一方、不平衡電流に対してはスタブ長がλga／２で先端短絡であるのでインピ−ダンスは零となり不平衡電流は全てスタブ側に流れ、アンテナ側には流れない。
【０００８】
またバランを板状に形成した一例として、特公昭63-66442号公報がある。これに開示されたバラン回路は、分割同軸線路バランを基本としたもので、三枚の平板状導体（トリプレ−ト）構造のストリップ線路を設け、その一端を同軸ケ−ブル先端に接続する。すなわち上下のプレ−トを同軸ケ−ブル外導体に、中央プレ−トを同軸ケ−ブルの中心導体に接続し、トリプレ−ト他端では中央プレ−トと上下プレ−トの何れか一方とを導体で短絡し、負荷は上下のプレ−ト端に接続する。
【０００９】
この構成により不平衡−平衡変換を行なう。また上下のプレ−トを、負荷給電点から約１／４管内波長の位置において導体等で短絡して、バランを形成している。したがって、負荷給電点からストリップ線路を見たインピ−ダンスは無限大となるので、漏洩電流は零となり、また三枚の平板状導体幅の選択によって負荷インピ−ダンスとの整合がとられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
これらのバランは、平衡−不平衡変換回路であり、平衡系の中央給電ダイポ−ルアンテナに、不平衡系の同軸ケ−ブルを接続する際には有効である。
【００１１】
ところが偏給電ダイポ−ルアンテナ、すなわちダイポ−ルアンテナの左右エレメント長が相違し、従って中央給電でなく、偏給電となる型式のダイポ−ルアンテナがある。該偏給電ダイポ−ルアンテナは、左右のエレメント長さを調整することにより給電点インピ−ダンスを変化させることが出来る利点と、同様に左右のエレメント長さを調整することにより、放射指向性のチィルト角を調整出来る利点を有している。
【００１２】
図６の（ａ）は、中央給電ダイポ−ルアンテナのチィルト角零の放射指向特性の一例であり、（ｂ）は、偏給電ダイポ−ルアンテナでチィルト角αを持つ放射指向性の一例を示す。例えば、鉄塔上に設けたＰＨＳ基地局用アンテナに、水平より下方にチィルト角を持つ偏給電ダイポ−ルアンテナを使用すれば、不要な上空への電波放射が少く、必要な地上への電波放射が強く、有効である。
【００１３】
しかしながら偏給電ダイポ−ルアンテナにおいても、同軸ケ−ブルの外導体に漏洩電流が流れる。偏給電ダイポ−ルアンテナにおいては、アンテナエレメントと同軸ケ−ブルが共に不平衡系であるため、該漏洩電流は前述のバランを使用しても阻止することは出来ない。従って偏給電ダイポ−ルアンテナにおいては、同軸ケ−ブルからの不要な電波放射を抑制することが出来ず、今迄実用化されていなかった。
【００１４】
本発明は、偏給電ダイポ−ルアンテナに同軸ケ−ブルを直結して給電するに際し、同軸ケ−ブルの外導体に流れる漏洩電流を抑制し、同軸ケ−ブルからの不要な電波放射を抑制することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の同軸ケ−ブルを直結した偏給電ダイポ−ルアンテナは、
（１）地板(5)から距離ｈに設置した偏給電ダイポ−ルアンテナ(4)において、
距離ｈが使用する波長λに比較して十分に小さく、かつ同軸ケ−ブル(1)の外導体(2)に直結接続したアンテナエレメント(41)の、接続点より見たインピ−ダンスＺa1の虚部が実質上零であることを、第１の特徴とする。
【００１６】
（２）地板(5)から距離ｈに設置した偏給電ダイポ−ルアンテナ(4)において、
距離ｈが使用する波長λに比較して十分に小さく、かつ同軸ケ−ブル(1)の中心導体(3)に接続されるアンテナエレメント(42)の、接続点より見たインピ−ダンスＺa2の虚部が実質上無限大であることを、第２の特徴とする。
【００１７】
（３）本発明の好ましい実施例の偏給電ダイポ−ルアンテナ(4)は、上記第１の特徴と第２の特徴を有する。すなわち、距離ｈが使用する波長λに比較して十分に小さく、かつ同軸ケ−ブル(1)の外導体(2)に直結接続したアンテナエレメント(41)の、接続点より見たインピ−ダンスＺa1の虚部が実質上零で、同軸ケ−ブル(1)の中心導体(3)に接続されるアンテナエレメント(42)の、接続点より見たインピ−ダンスＺa2の虚部が実質上無限大である。
【００１８】
（４）本発明の好ましい実施例では、前記インピ−ダンスＺa1を実質上零とするために、アンテナエレメント(41)の長さｌ1を実質上λ／４の奇数倍とした。
【００１９】
（５）本発明の好ましい実施例では、前記インピ−ダンスＺa2を実質上無限大とするために、アンテナエレメント(42)の長さｌ2を実質上λ／２の整数倍とした。
【００２０】
なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、参照までに付記した。
【００２１】
次に本発明の、同軸ケ−ブルを直結した偏給電ダイポ−ルアンテナの動作原理を以下に図面を参照して説明する。
【００２２】
図１の（ａ）に、地板５の上部に設置した、同軸ケ−ブル１を直結した偏給電ダイポ−ルアンテナ４の一例を示す。該アンテナ４は、長さｌ1の第１アンテナエレメント４１，長さｌ2の第２アンテナエレメント４２、及び、地板５から構成されており、アンテナエレメントの全長はｌである。
【００２３】
給電点は、第１アンテナエレメント４１左端からｌ1、また第２アンテナエレメント４２右端からｌ2に位置しており、ｌ1≠ｌ2であるので偏給電ダイポ−ルアンテナである。第１アンテナエレメント４１および第２アンテナエレメント４２は、地板５より距離ｈの位置に配置されている。この距離ｈは、使用波長λに対して１／４、好ましくは１／１０以下と十分に小さいので、本アンテナは反射板上の伝送線路的な取扱いが出来る構造である。
【００２４】
同軸ケ−ブル１は、地板５の中心位置を、地板に対し垂直に貫通しており、同軸ケ−ブル１の外導体２に第１アンテナエレメント４１のアンテナ端子Ａが、同軸ケ−ブル１の中心導体３に第２アンテナエレメント４２のアンテナ端子Ｂが、接続されている。同軸ケ−ブル１の外導体２は、地板５とは分離している（地板５に接続されていない）。
【００２５】
図１の（ｂ）には、偏給電ダイポ−ルアンテナ４の給電点を原点とする３次元座標上の、アンテナ４の放射電界Ｅを示す。φはｘ軸ｙ軸間の角度を示し、θはｚ軸ｙ軸間の角度を示し、図中のＥφは放射電界Ｅの水平偏波成分（所望する成分）を表わし、Ｅθは放射電界Ｅの、同軸ケ−ブル１の漏洩電流による垂直偏波成分（不要成分）を表わす。
【００２６】
図２の（ａ）は、図１の（ａ）に示すアンテナ端子Ａとアンテナ端子Ｂ間の給電電圧Ｖを分解して表わしたものである。アンテナ端子Ａとアンテナ端子Ｃは、図１の（ａ）に示す様に、端子Ａと端子Ｂの間の中間電位点Ｏの電位よりそれぞれＶ／２低いので、同電位である。
【００２７】
図２の（ｂ）に、図２の（ａ）に表わした給電電圧の内、平衡系成分のみ摘出して示し、図２の（ｃ）には、不平衡系成分のみ摘出して示す。このように分解すると、図１に示すアンテナ端子Ａとアンテナ端子Ｂ間の給電電圧Ｖ（図２の（ａ）は、平衡系成分（図２の（ｂ））と不平衡系成分（図２の（ｃ））に分けて、各々独立に検討することが出来る。
【００２８】
図２の（ｂ）に示す平衡系成分は、通常の水平偏波ダイポ−ルアンテナの成分と同一であり、電流Ｉｂ1とＩｂ2により水平偏波が放射される。またこのアンテナは、左アンテナエレメント長ｌ1、右アンテナエレメント長ｌ2が、ｌ1≠ｌ2である偏給電ダイポ−ルであるので、同軸ケ−ブル１の外導体２に漏洩電流Ｉcbが流れる。図２の（ｃ）に示す不平衡系成分は、給電点Ｏの位置によらず、漏洩電流Ｉcuが生ずる。これらの漏洩電流Ｉcb及び漏洩電流Ｉcuにより、不要な垂直偏波が放射される。
【００２９】
図２の（ｂ）に示す平衡系成分と、（ｃ）に示す不平衡系成分は、アンテナ４が地板５に近い位置（ｈ≦λ／１０）に配置されているために、前述の様に伝送線路的に取扱うことが出来るので、図３に示す様に、各端子Ａ〜Ｃのインピ−ダンスを集中定数的に表現した３個の成分Ｚa1，Ｚa2，Ｚcに分解することが出来る。
【００３０】
図３の（ａ）のＺa1は、図２の（ａ）において端子Ａから左側のインピ−ダンスを、図３の（ｂ）のＺa2は、図２の（ａ）において端子Ｂから右側のインピ−ダンスを、図３の（ｃ）のＺcは、図２の（ａ）において端子Ｃから下側のインピ−ダンスを集中定数的に表したものである。
【００３１】
このように表現したとき、偏給電ダイポ−ルアンテナ４の等価回路は、最終的に第４図の（ａ）（平衡系）及び（ｂ）（不平衡系）に分解して表わすことが出来る。このように分解すると、平衡系の漏洩電流Ｉcbと、不平衡系の漏洩電流Ｉcuは、次式となる。
Ｉcb＝(Ｚa1−Ｚa2)(Ｖ／２)[Ｚa1・Ｚa2＋Ｚc(Ｚa1＋Ｚa2)] ・・・(1)
Ｉcu＝(Ｚa1＋Ｚa2)(Ｖ／２)[Ｚa1・Ｚa2＋Ｚc(Ｚa1＋Ｚa2)] ・・・(2)。
【００３２】
よって、端子Ｃにおける漏洩電流Ｉcは、ＩcbとＩcuの和として次式となる。
Ｉｃ＝Ｉcb＋Ｉcu
＝Ｚa1・Ｖ／[Ｚa1・Ｚa2＋Ｚc(Ｚa1＋Ｚa2）］・・・(3)
式(3)で示す漏洩電流Ｉｃに着目して、不要な垂直偏波成分の放射電界Ｅθを求める。放射電界Ｅθは、漏洩電流Ｉｃの分布Ｉｃ(z)から求めることが出来る。
【００３３】
【数４】

【００３４】
ここで位相定数ｋは、自由空間２π／λに等しいとした。印加電流Ｉｏは、Ｉｏ＝Ｉｃ(h)として次式となる。
【００３５】
【数５】

【００３６】
またＰＬは、ｚ＝０における反射係数であり、次式で表される。
ＰＬ＝（ＺＬ−Ｚｏ）／（ＺＬ＋Ｚｏ）・・・(6)
ここにＺＬは、図３の（ｃ）に示す地板５から下方のインピ−ダンスを集中定数的に表したものである。
【００３７】
また特性インピ−ダンスＺｏは、次式の値を用いる。
Ｚｏ＝６０［（ｌｎ・２ｈ／ａ）−１］・・・(7)
式(4)から、漏洩電流による不要な垂直偏波成分の放射電界Ｅθ、は次式の様になる。
【００３８】
【数８】

【００３９】
上式は、地板５に対してアンテナの高さｈが低い（ｈ≦1/4）ため、ｋｚ≪１となり、結果的に次式で表わすことが出来る。
【００４０】
【数９】

【００４１】
上式からＩｏ＝０の時に、漏洩電流による不要な垂直偏波成分の放射電界Ｅθを零とすることが出来る。Ｉｏ＝０の条件は、式(5)からＩｃ＝０である。
【００４２】
従って式(3)から、次のインピ−ダンスが条件となる。
Ｚa1＝０・・・(10)
Ｚa2＝∞ ・・・(11)
Ｚa1は、図３の（ａ）に示す様に、端子Ａから左側を見たインピ−ダンスであり、Ｚａ２は図３の（ｂ）に示す様に、端子Ｂから右側を見たインピ−ダンスである。
【００４３】
これらは近似的に長さｌ1とｌ2を持つ終端開放線路として、インピーダンスの主成分（実部＜＜虚部）となる虚部に着目すると、次に様に表現できる。
Ｚa1≒−ｊＺｏ・ｃｏｔ（ｋｌ1）・・・(12)
Ｚa2≒−ｊＺｏ・ｃｏｔ（ｋｌ2）・・・(13)。
【００４４】
従って、インピ−ダンスの条件式(10)と(11)は、偏給電ダイポ−ルアンテナのエレメント長ｌ1とｌ2で表わすことが出来る。
ｌ1≒（２ｎ−１）λ／４（ｎ＝１，２，・・・）・・・(14)
ｌ2≒ｎλ／２（ｎ＝１，２，・・・）・・・(15)。
【００４５】
上式から、エレメントｌ1および／またはｌ2の長さを選ぶことにより、不要な放射を抑制できることが判る。
【００４６】
すなわち一つは同軸ケ−ブル１の外導体２に接続されるエレメント４１の長さｌ1を、λ／４の奇数倍として、インピ−ダンスＺa1を小さくする方法であり、他の一つは同軸ケ−ブル１の中心導体３に接続されるエレメント４２の長さｌ2を、λ／２の整数倍として、インピ−ダンスＺa2を高くする方法である。これらの条件を満足すれば、漏洩電流による不要な放射のない、同軸ケ−ブルを直結した偏給電ダイポ−ルアンテナが実現する。
【００４７】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明ら
かになろう。
【００４８】
【発明の実施の形態】
【００４９】
【実施例】
本実施例では、周波数ｆ＝1500ＭHz，波長λ＝20cmにおいて、ｌ／λ＝0.8のダイポ−ルアンテナを使用して、給電点位置を変化させて垂直偏波放射電界Ｅθ(不要成分)を測定した。上記において、アンテナエレメント総長ｌ＝0.8λ＝16cmであり、
アンテナエレメント半径ａ＝５・λ／１０００＝１ｍｍ
地板５の大きさ＝２ｍ×５０ｃｍ
の条件により実施したものである。
【００５０】
図５の（ａ）および（ｂ）は、上述した理論を確認した結果を示すグラフである。図５の（ａ）には、地板５に対するアンテナエレメント４１，４２の距離ｈ＝0.25λ＝5cm（すなわちｈ＝(1/4)λ）として実施した場合の結果を示す。横軸Ｆｐ／λは給電点位置を示し、0.0は給電点が左端（エレメント４１長さｌ1＝０，エレメント４２長さｌ2＝16cm）であり、0.5は給電点が中間（エレメント４１長さｌ１＝8cm，エレメント４２長さｌ2＝8cm）であり、1.0は給電点が右端（エレメント４１長さｌ1＝16cm，エレメント４２長さｌ2＝０）である。縦軸Ｅθは垂直偏波放射電界の絶対値レベルをデジベルで表わしたものである。実線は計算で求めた値を示し、黒丸印は、実測による値を示す。尚、本実施例では計算値（理論値）を得るために、図１の（ａ）に示す同軸ケ−ブル１の外導体２をＺ＝0で地板５と短絡して行った。
【００５１】
図５の（ｂ）は、地板５に対するアンテナエレメント４１，４２の距離ｈ＝0.1λ＝2cm（すなわちｈ＝(1/10)λ）として実施した場合の結果である。
【００５２】
一般的に、Ｅθ＜−１０ｄＢであれば、不要な放射が抑制されていると言えるが、本実施例においては、図５の（ａ）及び図５の（ｂ）に示す様に、Ｚa1＝０，Ｚa2＝∞の時に、垂直偏波放射電界Ｅθが１０ｄＢ以上抑制されていることがわかる。図５の（ａ）の場合（ｈ＝(1/4)λ)よりも、図５の（ｂ）の場合（ｈ＝(1/10)λ)の方が、垂直偏波放射電界Ｅθの減衰量が大きい。このように、地板５に対するアンテナエレメント４１，４２の距離ｈを波長λに対してｈ＝(1/10)λと、より小さくする方が、垂直偏波放射電界Ｅθの抑制効果が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の偏給電ダイポ−ルアンテナの構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、該アンテナの放射電界Ｅの方向を示すベクトル図である。
【図２】（ａ）は、図１の（ａ）に示す端子Ａ，Ｂ間の電圧Ｖを平衡系と不平衡系とに分解して表わしたブロック図であり、（ｂ）はその内平衡系分のみを示し、（ｃ）は不平衡系分のみを示す。
【図３】（ａ）は、図２の（ａ）の端子１から左側を見たインピ−ダンスを示す模式図であり、（ｂ）は、図２の（ａ）の端子２から右側を見たインピ−ダンスを示し、（ｃ）は、図２の（ａ）の端子３から下側を見たインピ−ダンスを示す。
【図４】（ａ）は、偏給電ダイポ−ルアンテナの平衡成分を表わす等価回路図であり、（ｂ）は、偏給電ダイポ−ルアンテナの不平衡成分を表わす等価回路図である。
【図５】（ａ）は、本発明の一実施例の、ｈ＝0.25λの場合の垂直偏波放射電界Ｅθの減衰量を示すグラフであり、（ｂ）は、ｈ＝0.1λの場合の減衰量を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、従来の中央給電ダイポ−ルの放射指向性の一例を示すグラフであり（ｂ）は、本発明の偏給電ダイポ−ルアンテナの放射指向性の一例を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、従来の中央給電ダイポ−ルアンテナの構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に阻止套管を装着したアンテナの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１：同軸ケ−ブル
２：同軸ケ−ブルの外導体
３：同軸ケ−ブルの中心導体（芯線）
４：偏給電ダイポ−ルアンテナ
４１：偏給電ダイポ−ルアンテナの第１エレメント
４２：偏給電ダイポ−ルアンテナの第２エレメント
５：地板
６：中央給電ダイポ−ルアンテナ
６１：中央給電ダイポ−ルアンテナの第１エレメント
６２：中央給電ダイポ−ルアンテナの第２エレメント
７：阻止套管
Ｅθ：垂直偏波放射電界
Ｅφ：水平偏波放射電界

Claims

地板から距離ｈに設置した偏給電ダイポ−ルアンテナにおいて、
距離ｈが使用する波長λに比較して十分に小さく、かつ同軸ケ−ブルの外導体に直結接続したアンテナエレメントの、接続点より見たインピ−ダンスＺa1の虚部が実質上零であることを特徴とする、同軸ケ−ブルを直結した偏給電ダイポ−ルアンテナ。
地板から距離ｈに設置した偏給電ダイポ−ルアンテナにおいて、
距離ｈが使用する波長λに比較して十分に小さく、かつ同軸ケ−ブルの中心導体に直結接続したアンテナエレメントの、接続点より見たインピ−ダンスＺa2の虚部が実質上無限大であることを特徴とする、同軸ケ−ブルを直結した偏給電ダイポ−ルアンテナ。
地板から距離ｈに設置した偏給電ダイポ−ルアンテナにおいて、
距離ｈが使用する波長λに比較して十分に小さく、かつ同軸ケ−ブルの外導体に直結接続したアンテナエレメントの、接続点より見たインピ−ダンスＺa1の虚部が実質上零で、前記同軸ケ−ブルの中心導体に直結接続したアンテナエレメントの、接続点より見たインピ−ダンスＺa2の虚部が実質上無限大であることを特徴とする、同軸ケ−ブルを直結した偏給電ダイポ−ルアンテナ。
前記同軸ケ−ブルの外導体に接続したアンテナエレメントの長さｌ1は実質上λ／４の奇数倍である、請求項１又は請求項３記載の偏給電ダイポ−ルアンテナ。
同軸ケ−ブルの中心導体に接続したアンテナエレメントの長さｌ2は実質上λ／２の整数倍である、請求項２又は請求項３記載の偏給電ダイポ−ルアンテナ。