JPH0227841B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、小形ループアンテナに関する。 従来、第１図に示すようなループアンテナがあ
る。その構成は、同図のようにループ１の一端に
静電容量２を取付け、ループ上の点ａ，ｂを給電
端としたものである。 静電容量２とループ１とが設計周波数にて同調
するようにし、点ａ，ｂの位置は50Ω、75Ω等の
基準インピーダンスに整合する位置に選定され
る。要求仕様に基づく設計周波数において同調す
るようにループ１及び静電容量２が決定されれ
ば、整合する点ａ，ｂの位置はその周波数におい
て一意的に決定されるものである。しかしなが
ら、整合中心周波数を広帯域に変化させるための
ループ直径やループ導体径及び同調周波数との関
係等については未だ知られていない。 この第１図のアンテナは、我が国の初期のFM
送信アンテナに使用された。しかし、FM放送の
みならずテレビ放送や一般の無線周波放送の場合
それらの放送の受信用アンテナにおいては、前記
送信アンテナとは異なり、どの放送局からの電波
も一つのアンテナで受信できることが望ましい。
例えば、我が国のチヤンネルプランにおいては、
FM放送が76〜90MHz、VHFテレビ放送が90〜
108MHzと170〜222MHzにそれぞれ割当てられ、
多くの放送局から電波が発射されている。 それ故に、一つのアンテナでこれらの多くの放
送を受信できるようにするためには、小形アンテ
ナの比較的狭い整合帯域の中心周波数を非常に広
い周波数範囲にわたつて変えられる技術が必要と
される。 そのための手段として考えられることは、第１
図の給電点の位置ａ，ｂを共振周波数と共に変え
られる構造にし、静電容量又はループ直径をその
給電点の位置に連動させて共振周波数と共に変え
られる構成にすれば、狭い整合帯域の中心周波数
は広い帯域にわたつて変化させ得るであろうと予
測できる。しかしながら、点ａ，ｂの位置を共振
周波数の変化と共に変え得るアンテナの製作は、
非常に構造上複雑となる。電気的性能の面から考
察すると、点ａ又は点ｂを擢動させて各周波数に
整合させることは、接触抵抗の介在によりアンテ
ナ効率が低下して大きな欠点となる。又、周波数
の変化に連動した擢動機構あるいはスイツチング
機構は非常に複雑となるので、アンテナの耐久
性、信頼性をも低下させるという大きな欠点につ
ながる。 本発明の第１の目的は、上記のような欠点に鑑
みてなされたもので、給電点ａ，ｂの位置は動か
さないで静電容量を変化させるのみで広い周波数
範囲にわたり整合がとれたまま整合帯域の中心周
波数を変えられる小形ループアンテナを提供する
ことにある。 第２の目的は、一般に小形アンテナの放射効率
は著しく低いので、比較的放射効率の高い範囲で
上記目的に合致した小形ループアンテナを提供す
ることにある。 従来技術においては、静電容量を変化させるだ
けで整合帯域の中心周波数を１オクターブ以上の
広い周波数帯域にわたつて整合を維持したまま動
かす論文等は見当らない。ただし、同調周波数の
わずかなずれを規定の設計周波数に合せるために
可変容量を付加した例（Antennas and
Waves：Ａ Modern Approach、P.437〜438、
The M.I.T.Press、USA、1969年）はあつた。
しかし、本発明が目的とするように、非常に広帯
域にわたつて整合中心周波数を、整合のとれたま
ま簡単に移動させることのできる小形アンテナの
研究開発はなされていなかつた。しかし、前述の
ように、そのような小形アンテナの用途は広く存
在するので、上述の目的を有するアンテナの開発
はこの種の小形ループアンテナの新しい用途を拡
大するものであり、小形アンテナの分野において
極めて産業上有益である。 以下に、本発明の小形ループアンテナについ
て、上述の如く静電容量のみの変化で１オクター
ブ以上の広い周波数範囲にわたつて整合中心周波
数が変えられるという従来見出されていなかつた
特性の得られる構成条件及びその動作原理等につ
いて、図面を参照しながら理論的に説明する。 本発明は、ループ導体の一部に直列に接続し、
その共振周波数f₀と入力アドミタンス最小の共振
周波数fmとの比(f₀/fm)を0.5〜4.0の範囲内に入る
ように導体ループ面積及び導体等価半径を調節す
ることによつて、広い周波数範囲にわたり容量の
変化のみで整合がとれる小形アンテナが得られる
ものである。 先ず最初に、アンテナの構成について説明す
る。第２図及び第３図に、本発明に係る各実施例
の小形ループアンテナの構成を示す。１はループ
状の導体、２は可変容量素子、３ａ，３ｂは整合
入力片、４は増幅器である。 第２図は導体ループが半径ｂの円形断面の場合
であり、第３図は幅Ｗの板で導体ループを構成し
た場合である。可変容量素子２の具体例を第４図
Ａ，Ｂに示す。第４図Ａはエアーバリコンであ
る。第４図Ｂは可変容量ダイオードを用いた可変
容量回路であり、同図の逆バイアス直流印加電圧
を増大させるとダイオードの接合容量が減少する
ものである。増幅器４の具体例を第５図に示す。 本発明に係る第２図のアンテナの電気的な条件
及び動作原理を説明するためには、電気特性が決
定される導体ループ等の各部に記号を付けるのが
便利なので、同図中にこれを示す。ａは導体のル
ープ半径であり、ｂは導体の半径である。ループ
が第３図のように、幅Ｗの導体板の場合は、板を
円筒とみなしたときの半径、すなわち等価半径に
置き換えられ、その等価半径をｂとする。lsは、
整合入力片３ａ及び３ｂが導体ループに取付けら
れている点ａ及び点ｂ間の円弧の長さであり、lp
はその残りの円弧の長さである。ループ周囲長Ｓ
は Ｓ＝lp＋lsとなる。 このように記号を付けると、第２図に示した小
形ループアンテナの点ａ、点ｂからアンテナを見
込んだ入力アドミタンスYinfは、可変容量素子
２によつて周波数f₀で共振がとれているとき、次
式で表わされる。 Yinf₀≒Rr＋Rl／（Ls＋Msp）²・１／ω₀ ² 〔〕 (1) ここに、 ω₀＝2πf₀ f₀＝共振周波数 〔Hz〕 λ₀＝周波数f₀での自由空間波長〔ｍ〕 Ls＝区間長lsの自己インダクタンス(H) Lsp＝区間長ls及びlp間の相互インダクタンス(H) 又、Rrは放射抵抗であり、次式で与えられる。 Rf＝320π⁴A²／λ₀ ⁴ 〔Ω〕 (2) ここに、 Ａ＝ループ面積〔m²〕 ＝πa²〔m²〕（円形ループの場合） Rlは損失抵抗であり、次式で与えられる。 ここに、 Ｓ＝ループ周囲長〔ｍ〕 ＝2πa〔ｍ〕（円形ループの場合） ｂ＝ループ導体の半径又は等価半径〔ｍ〕 σ＝導電率(/m) μ＝透磁率(H/m) 式(1)より入力アドミタンスYinf₀は周波数f₀に
依存していることは明らかである。式(1)のYinf₀
はLsを調節することによつて、ある周波数で基
準アドミタンスY₀＝0.02に整合させることは可
能である。しかし、本発明においては、周波数の
変化に対して広い帯域にわたりYinf₀が基準アド
ミタンスY₀に近い値に設定できる条件、即ち、
整合できる条件を示さなければならない。 そこで、先ず、式(2)及び式(3)を書き換えて次の
ように表す。 式(4)及び式(5)を式(1)に代入して、本発明の動作
原理を説明するための形式に整理すると次式とな
る。 ここに、ｍは発明者が新しく導入した設計パラ
メータであり、次式で定義するものとする。 後での説明の都合上、式(6)を次のように簡潔な
形に書き換えておく。 Yinf₀＝Ｋ｛f₀ ²＋（7.24×10²⁹／ｍ）・f₀ ^-1.5｝ (8) ここに、 Ｋ＝10^-32π²A²／（Ls＋Msp）² (9) 式(8)から分かるように、Yinf₀は、発明者の導
入した設計パラメータｍと共振周波数f₀との関数
として表現される。このことは、本アンテナの新
しい効果を実現するアンテナ条件を定めるに当つ
て重要な意義をもつ。 Ｋは、アンテナのループ面積Ａがどのような値
であつても、Lsすなわち区間長lsを調節すること
によつて適当な値に設定できる。又、Mspは次式
で与えられ、構造によつて決る定数である。それ
故、Ｋは周波数に依存しない値である。 Msp ＝μa／8π∫〓¹ ₀∫²〓〓₁cos（θp−θs）／sin（θp
−θs／２）dθsdθp(10) ここに、μは透磁率、ａはループ半径、θsはル
ープの中心から区間長lsをはさむ角度でその変域
は０〜₁、θpは区間長lpをはさむ角度でその変
域は₁〜2πとしてある。 式(8)は、アンテナの構造寸法及び材質の導電率
が決定されている場合には周波数の関数であり、
その曲線は下に凸であることが同式より分かる。
従つて、式(8)には次式により求まる最小値が存在
する。 ∂Yinf₀／∂f₀＝０ (11) いま、その最小値の得られる周波数をfmで表
し、先に式(7)で導入した設計パラメータｍと上記
周波数fmとの関係を式(11)より求めると次式が得
られる。 fmは、入力アドミタンスYinf₀が最小値となる
周波数であるから、本アンテナの整合帯域中心周
波数が最も広い周波数範囲にわたつて整合のとれ
たまま動かせるようにするためには、可変周波数
範囲のほぼ中央にfmを設定でき、且つ、Yinf₀が
Y₀に近い値に設定可能であればよいと考えられ
よう。 Yinf₀の方は、Lsの調節でY₀に近い値に設計可
能であることが式(6)から分かる。その広帯域性に
ついては後で示す。次に設計周波数がどのような
周波数のときでも、fmを希望する周波数に設計
できることを示す。後で述べるようにfmの設定
は、アンテナ効率を考慮すると帯域の中央ではな
く帯域の下限側に設定するのが望ましい。希望す
るfmになるようにアンテナを設計する条件式は
式(7)と式(12)よりｍを消去して求まり、次の関係式
で表される。 上式の意味は、fmがどのような値であつても
導体ループの面積Ａの２乗と導体の等価半径ｂの
積A²・ｂをループ周囲長Ｓで割つた値A²・b/S
が上式を満足するように設計するならば目的の周
波数にfmがくるように設計できることを表して
いる。又、そのように、Ａ、ｂ及びｓは設計可能
であることが式（13）から分かる。 式（13）の条件を満足するように小形ループア
ンテナが設計されているとき、本発明の目的が達
成されることを以下に示す。式（13）を満足する
入力アドミタンスは次式にて表される。 Yinf₀＝Kfm²｛(f₀/fm)² ＋1.33(f₀/fm)^-1.5｝〔〕 （14） 最小値は、f₀＝fmのときに得られるから、次
式で与えられる。 Yinfm＝2.33Kfm² 〔〕 （15） 入力アドミタンスを表す式（14）は、非常に広
い周波数範囲にわたつて基準アドミタンスに近い
値を呈する式であり、従つて広い周波数範囲にわ
たつて整合することを表している。これを直観的
に分かるようにするには、式（14）をグラフ化し
て示せばよい。そこで、式（14）を式（15）で正
規化し、 yinf₀＝Yinf₀／Yinfm ＝0.429｛(f₀/fm)²＋1.33(f₀/fm)^-1.5｝ （）
……（16） としてグラフ表示すると、第６図となる。この第
６図は最小値が１の曲線である。Ｋは、Lsの調
節でどのような値にでも設計できるので、縦軸の
実際の入力アドミタンスは図の値の任意定数倍に
設計できる。横軸の周波数は、fmでf₀を正規化
して示してあり、fmは式（13）の関係により任
意の周波数に設計できるので、第６図は種々の設
計周波数に対しての入力アドミタンス値を示す曲
線といえる。 同図より、非常に広い周波数範囲にわたつて本
アンテナは整合可能であることが直ちに直観的に
分かるであろう。 整合の周波数範囲を数値で表すには、許容反射
係数をΓmax、許容定在波比をSmaxで表し、 〔Yinf₀／Y₀〕_nax＝１＋Γmax／１−Γmax＝Smax（17
） 〔Yinf₀／Y₀〕_nio＝１−Γmax／１＋Γmax＝１／Smax
（18） の関係を用いる。それ故、整合の周波数範囲は、
第６図の縦軸の目盛を1/Smax倍したときの縦軸
がSmax値以下となる周波数帯域幅でされる。す
なわち、 yinf₀／Smax≦Smax を満たす周波数範囲で表される。それ故、第６図
の正規化入力アドミタンスyinf₀が yinf₀≦S²max （19） を満すf₀/fmの範囲が許容定在波比Smax以下と
なる周波数範囲である。 今、本発明の効果を具体的に示すために、
Smax＝1.5及びSmax＝2.0の場合を求めてみる。 yinf₀≦S²max＝1.5²＝22.5 yinf₀≦S²max＝2.0²＝4.0 であるから、第６図の縦軸が上記の値以下となる
周波数範囲は、 Smax＝1.5のときf₀／fm＝0.4〜2.2 Smax＝2.0のときf₀／fm＝0.3〜3.0 である。従つて、Smax＝1.5のときは５オクター
ブ、Smax＝2.0のときは10オクターブの広い周波
数帯域にわたつて定在波比が1.5以下及び2.0以下
をそれぞれ満足する整合が得られることになる。 このように、本発明による小形ループアンテナ
は、そのループ面積Ａ、ループ周囲長Ｓ、導体の
半径または等価半径ｂを一定の関係になるように
設計すれば、可変容量素子２の容量値を変化させ
るだけで、上述のように極めて広い周波数範囲に
わたつて整合中心周波数を変化できるものであ
り、本発明の効果が十分得られる。 次に、本アンテナの放射効率について説明す
る。アンテナの放射効率ηは、小形アンテナでは
インピーダンス整合と並んで重要な特性であり、
効率は次式で定義される。 η＝Rr／Rr＋Rl×100（％） （20） ここに、Rrは放射抵抗、Rlは損失抵抗である。
式（20）に、式(4)及び式(5)を代入して、更に本ア
ンテナの設計条件を表す式（13）の関係を用いて
整理すると上式は次式となる。 η＝１／１＋1.35（f₀／f_n）^-3.5×100（％）（2
1） 式（21）をグラフ表示すると第７図となる。こ
の図からアンテナ効率を考慮して考えても非常に
広い周波数範囲にわたつて実用になることが明ら
かである。これを具体的に述べれば、Rr＝Rlの
ときの放射効率は50％であり、そのときの正規化
周波数は次式で与えられる。 f₀／fm＝1.09 （22） この効率50％以上の部分を使用すると考えるな
らば、 Smax＝1.5のときf₀／fm＝1.08〜2.2 Smax＝2.0のときf₀／fm＝1.08〜3.0 であり、それぞれSmax＝1.5のときは２オクター
ブ、Smax＝2.0のときは2.7オクターブの周波数
範囲にわたつて整合がとれる。 このように、本発明の条件を適用した小形ルー
プアンテナは極めて広範囲にわたつて整合がと
れ、放射効率を考慮した場合でも可変容量の変化
のみで整合中心周波数を広い周波数範囲にわたり
変えられるアンテナが得られる。又、容量素子の
容量を一定としても、上記0.5≦f₀/fm≦4.0の範
囲において小形アンテナの効率は非常に高い。し
たがつて、本発明において可変容量素子を用いる
ことは必ずしも必要でなく、固定容量の素子を用
いても、高効率の小形アンテナが得られる利点が
ある。 上の説明から分かるように、可変容量素子の容
量値を変えることによつて共振周波数f₀を変化さ
せたとき、入力アドミタンスの周波数特性は下に
凸であり、必ず入力アドミタンスの最小値があ
る。その点の共振周波数fmは、本小形ループア
ンテナの構造、すなわち、ループ周囲長Ｓとルー
プ面積Ａと導体等価半径ｂとによつて決まること
を明らかにした。アンテナ構造とこのfmとの関
係は、ループ面積Ａ及び導体半径ｂのどちらを大
きくしてもfmが下り、ループ周囲長Ｓを大きく
するとfmが上るという関係にある。従つて、こ
の関係を用い本アンテナの導体半径ｂとループ面
積Ａ及び周囲長Ｓを調整して、fmを希望周波数
に設定できることが上の説明で明確となつた。 次に、整合の程度を示す定在波比Smaxについ
ては従来からいくつかの基準があり、FM受信ア
ンテナやVHFテレビ受信アンテナの場合には、
3.0以下又は2.5以下を基準として多く使用されて
おり、UHFテレビ受信アンテナの場合には2.5以
下を通常使用されている。そこで、本アンテナの
整合基準としては、定在波比が上記の3.0よりも
小さく、2.5よりも大きい値2.7を考え、この値以
下であれば整合がとれているとみてよい。この
2.7以下は反射損が1.0dB以下となる定在波比であ
り、妥当な値と考えられる。他方、放射効率は６
％以上、すなわち、半波長ダイボール比の利得が
−12.5dB以上を基準とする。この値に上記の反
射損1.0dBを加え、−13.5dB以上を利得基準とす
る。小形アンテナにおいては−19.5dB程度が実
用に供されているので、上記の−13.5dB以上は
小形アンテナの利得基準として妥当な値であると
考えられる。 上記のようなアンテナ特性を満足させるには、
可変共振周波数f₀と入力アドミタンス最小点の周
波数fmとの比が 0.5≦f₀／fm≦4.0 （23） となるようにfmを選べばよい。f₀はアンテナへ
の要求仕様によつて与えられる周波数であり、
fmの方は式（13）あるいは実験によつてアンテ
ナ構造寸法を調節することにより設定できる周波
数である。すなわち、fmは、前述の如く、ルー
プ面積Ａ及び導体等価半径ｂを大きくすれば下
り、ループ周囲長Ｓを大きくすれば上る周波数で
あつて、アンテナ寸法を調節して式（23）を満足
するように出来る訳である。 次に、式（23）を満足するループ面積Ａ、ルー
プ周囲長Ｓ、導体等価半径ｂの選び方を具体的に
述べる。空気中の透磁率μは、 μ＝4π×10^-7〔H/m〕 であり、ループ導体の導電率σは、 アルミニウムAlで3.63×10⁷〔/m〕 金 Auで4.16×10⁷〔/m〕 銀 Agで6.17×10⁷〔/m〕 銅 Cuで5.81×10⁷〔/m〕 である。それ故、それぞれ となる。そこで式（13）より、 A²・ｂ／Ｓ＝（10〜８）×10²¹・fm^-3.5 （24） となるようにループ面積Ａ〔m²〕、ループ周囲長Ｓ
〔ｍ〕、導体等価半径ｂ〔ｍ〕を決定する。fmに対
応するA²b／Ｓ＝〔（ループ面積）²×（等価半径）／ル
ープ周囲長）〕の 値は表１のようになる。

【表】 ところで、本発明では、ループの形状は円形、
方形、楕円形等どのような形であつても差し支え
ない。第８図は方形ループの場合の一つの実施例
であり、このように形成すると、本アンテナを長
方形の筐体部分に装着するのに好適である。第９
図は、ループ導体を第３図と同様に板で構成した
方形ループの一実施例であり、このようにすると
アンテナが面状に形成できる利点がある。第１０
図は、ループ導体を立てて方形ループを構成した
例であり、このように構成すると１板の金属板を
折曲げて本アンテナが製作出来、金属板材料に廃
材が出来ないので材料が有効に活用できる利点が
ある。第１１図は、同様に導体ループ板を立てて
構成した円形ループの例を示したものであり、第
１０図の例と同様の利点がある。 第１２図は、FM受信用に、本発明のアンテナ
を設計した一例である。我が国の場合は、 f₀＝76MHz〜90MHz であるので、ここではfmを fm＝90MHz とした場合の例である。 f₀／fm＝0.84〜1.0 であり、又 A²・ｂ／Ｓ＝（πa²）²・ｂ／2πa＝πa³・ｂ／２＝7.8
5×10^-7 となるから、アンテナ寸法は Ａ＝√（×0.05²）＝√6.16×10^-5 ＝7.85×10^-2〔m²〕 Ｓ＝2π×0.05＝3.14×10^-1〔ｍ〕、 ｂ＝0.004〔ｍ〕 Ｗ＝4b＝0.016〔ｍ〕 としたものである。そのときの効率は、 η＝28.6％〜42.5％ である。VSWRは1.2以下に十分入つている。 第１２図はループ導体１の幅Ｗが、16mmであ
り、導体幅の中心までのループ直径２ａが50mmで
ある。この実施例は、プリント基板で製作したも
のであるため、導体１の裏側に絶縁基板５があ
る。このようにプリント基板で製作すると、基板
上に増幅器４や可変容量素子２を容易に取付けら
れる利点が生ずる。又、アンテナの強度が向上す
る利点も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の説明図、第２図、第３図は
本発明のアンテナの動作原理及び実施例を説明す
る図、第４図は本発明の構成要素の可変容量素子
の具体例を示す図、第５図は増幅回路例を示す
図、第６図は本発明によるアンテナの入力アドミ
タンスの周波数特性を示す図、第７図は本発明の
アンテナの効率を示す図、第８図、第９図、第１
０図、第１１図、第１２図は各々本発明の一実施
例を示す図である。 １…導体、２…可変容量素子、３ａ，３ｂ…整
合入力片、４…増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一部を切り離されたループ状の導体と、この
   導体の切り離された部分に接続された容量素子と
   を備えて成るループアンテナにおいて、前記容量
   素子の共振周波数f₀と、このアンテナの入力アド
   ミツタンスが最小となる共振周波数fmとの比(f₀/
   ｆｍ）が、下記の範囲に入るように前記導体のルー
   プ面積、周囲長及び等価半径を調整した小形ルー
   プアンテナ。 0.5≦f₀/fm≦4.0 ２ 容量素子は、広い帯域にわたつて共振周波数
   を変え得る可変容量素子である特許請求の範囲第
   １項記載の小形ループアンテナ。