JPH0779205B2

JPH0779205B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JPH0779205B2
Application number: JP59246817A
Authority: JP
Inventors: 進中林; 徳喜大場; 明久森
Original assignee: 東洋通信機株式会社; アンテナ技研株式会社
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1984-11-21
Publication date: 1995-08-23
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: JPS61125206A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は線状アンテナ、特に外部環境によって特性が劣
化することを防止したアンテナ装置に関する。

［従来の技術］従来、無線通信用アンテナとしては各種のものがある
が、特に移動通信用、例えば携帯無線機又は車載無線機
等に供するアンテナとしては、第６図（ａ）に示す如き
λ/4ホイップアンテナ或いは第６図（ｂ）に示したｈ型
アンテナ又は図示を省略したブラウンアンテナ、スリー
ブアンテナ等が一般的である。

これらアンテナの長さは各種様々のものがあるが、原理
的には使用する波長λのλ/4又はその整数倍とするのが
通常である。

これらアンテナに誘起する高周波電流及び電圧分布は、
第６図（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ点線及び実線で示し
た如く生じ、給電部からみたこれらアンテナのインピー
ダンスZ₀は、電圧Ｖと電流Ｉとの比、即ちZ₀＝V/I
（Ω）となる。

そこで、使用する同軸ケーブルの特性インピーダンスが
例えば50（Ω）或いは75（Ω）の場合、上述のアンテナ
インピーダンスZ₀＝V/Iがほぼこれらの値になるような
点を選んで両者の整合をはかるよう作られるのが一般的
である。

従って、第６図（ａ）及び（ｂ）から明らかな如く、ア
ンテナエレメントの先端部においては、電流Ｉが零かつ
電圧Ｖが最大となるから、その比V/Iは極めて大きな値
（理論的には無限大）となる。これは、使用周波数にお
いて共振するようにアンテナエレメント長を決定するか
ら当然のことであって、上述の例のみならず、従来の線
状アンテナにおいては全て同様である。

従来、このことは当然のこととして受けとめられてきた
が、後述する如く、アンテナの先端或いは下端が高イン
ピーダンスである場合は、幾多の問題を生じていた。

［発明が解決しようとする問題点］上述したように、アンテナの先端或いは下端部に極めて
大きいインピーダンスをもつ点が存在すると外部環境の
影響を受け、その利得及び特性等の劣化を生ずるという
重大な問題があった。

即ち、高インピーダンスとなるアンテナ先端部が人体或
いは大地若しくは車両のボディ等の如き導電体或いは誘
電体物質に接近してこれらと前記アンテナ先端部との間
にわずかながら静電容量を生じると、アンテナ先端部が
高インピーダンスなるが故に、この静電容量を介して高
周波電流が流れ、その結果アンテナ効率の低下、放射パ
ターンの変動及びVSWRの劣化等種々の問題を生ずる。

これらの問題を更に具体的に示せば、以下の通りであ
る。

第７図は洞道20内に携帯無線機TRXが位置する状況を示
す断面図である。

上述の如く、従来のホイップアンテナ先端部は極めて高
いインピーダンスを呈するから、ホイップアンテナ１の
先端部と洞道20の内壁、特に洞道20の天井部との間にわ
ずかでも浮遊容量C₂₁,C₂₂,C₂₃が存在すれば、アンテナ
先端部が高インピーダンスであるが故に、これに誘起す
る高周波定在波が乱され、該アンテナ先端部の高周波電
流の一部が浮遊容量C₂₁〜C₂₃を介して洞道20に流れるこ
ととなる。

このため、アンテナの電流及び電圧分布が前記第６図に
示したものとは異なったものになり、本来のホイップア
ンテナの特性を維持できなくなる。

つまり、このような状況におけるアンテナは給電点のイ
ンピーダンス整合が乱れるから、その指向特性及び利得
が悪化するということは容易に理解できる。

従来は、一般にこのような洞道内において、無線による
通信可能距離が極端に短くなる理由は、洞道の如く特殊
な地形を電波が伝播する際のエネルギー減衰量が大きい
ことが原因と考えられていたが、この理由のみならず、
上述した如くこれに用いるアンテナの特性劣化もその一
因であると考えられる。

このように、アンテナが外部環境に影響を受けて、その
特性が悪化する現象は上述した洞道内における携帯無線
機運用の場合に限らず、広く一般にみられるものであっ
て、前述の携帯無線機を人が手に持って或いは肩にかけ
て運用する場合のこれに装着したホイップアンテナにつ
いても同様の特性悪化が伴ふものであった。

即ち、第８図（ａ）及び（ｂ）は、従来のλ/4ホイップ
アンテナ１を装着した携帯無線機２と大地30との関係を
示した模式図であって、このうち第８図（ａ）は、携帯
無線機２を大地30からＨなる高さを保った状態を示す図
であり、これに装着したアンテナ１の先端部はもちろ
ん、アンテナ１の負極エレメントとみなせる携帯無線機
２の筐体の下端部も高いインピーダンスを呈する。

この状態におけるアンテナ特性は、正極エレメントとし
てのホイップアンテナと負極エレメントとしての携帯無
線機に分布する電流及び電圧分布が一般にアンバランス
となるから、その水平方向指向特性及び給電点インピー
ダンスは、正規のダイポールアンテナに比してかなり変
形したものとなる。更に、この携帯無線機を人が手で持
ったり、肩から下げたりすれば、この変形は大きくな
り、アンテナ特性が悪化することは容易に理解される。

又、このような携帯無線機２は、第８図（ｂ）に示す如
く、これを大地30に置き、負極側アンテナとして大地30
にイメージを形成し得る状態で、はじめて本来のアンテ
ナ特性を得ることができるが、このような状態で使用す
ることは稀である。

次に、第９図（ａ）及び（ｂ）に、λ/2垂直ダイポール
アンテナの場合を示す。

第９図（ａ）の如く、λ/2ダイポールの中間点に給電点
を設けると、λ/4長エレメント４及び５の両端は、前述
の如く高いインピーダンスとなるから、これを第９図
（ｂ）に示すようにエレメント５の先端を大地30に近づ
けると、前述と同様にアンテナ特性が悪化することは明
らかである。

このように、従来のアンテナは、エレメントの先端が極
めて高いインピーダンス状態にあるから、これを大地或
いはその他の誘電体物質に近接すると、アンテナ本来の
性能を維持することができず、極めて不安定でかつ効率
の悪いアンテナとなっていた。

又、従来、一般に比較的安定なものと思われていた車載
用アンテナにおいても、移動に伴って外部環境が変化す
ると、これに影響を受けてその特性が種々変化していた
が、この変動分は移動通信におけるフェージング現象と
して、本来のフェージングの原因である複数の伝搬路を
経て達する電波の合成による変動分とはっきり識別され
ぬまま論じられ、上述の外部の影響によるアンテナ特性
の変動分をも含めたものをもって移動通信に伴うフェー
ジングは極めて大きいものと認識されていた。

［問題点を解決するための手段］本発明は、以上説明したような従来のアンテナの問題点
に鑑みてなされたものであって、給電部からアンテナ先
端部方向に存在する外部環境の影響を少なくしたアンテ
ナを実現するため、以下の如き手段を講ずる。

即ち、従来のアンテナの先端部又は下端部或いはその両
方の極めてインピーダンスが高い部分に後述する如き原
理に基づいた整合回路を付加せしめることによって、ア
ンテナの先端部又は下端部或いはその両端部の高インピ
ーダンスを低インピーダンス（実質的に零に近い値）に
変換したアンテナ装置を提供する。

このアンテナ先端部の高インピーダンスを低インピーダ
ンスに変換する手段は、アンテナ先端部に一端を短絡し
た（2n−１）λ/4長の平行２線路又は同長の同軸線路の
線路と実質的に同等の回路を集中定数回路又は分布定数
回路或いはこれらの混合回路で実現したものをアンテナ
先端部に付加したアンテナ装置とする。

更には、同様の考え方に基づいて、線状アンテナに対す
る給電が電圧給電、すなわち電圧の腹点から給電する場
合、アンテナの給電部に上述した整合回路を挿入するこ
とによって、アンテナの給電点と無線機の入出力端或い
は筐体を含む無線機と給電部とのインピーダンス整合を
図るとともに、両者を電気的に分離独立させたアンテナ
とするものである。

但し、この場合、無線機の入出力端は低インピーダンス
（例えば、50Ω或いは75Ω）で終端する必要があるた
め、アンテナの給電点と無線機の入出力端との間は（2n
−１）λ/4長に近似した電気的等価回路でインピーダン
ス整合を行うことになる。

［作用］以下、本発明において付加した整合回路の作用を説明す
る。

周知の通り、（2n−１）λ/4長、例えばλ/4,3/4λ,5/4
λ…の平行２線路又は同長の同軸線路の一方端を短絡し
たものの他方端（開放端）からみたインピーダンスは極
めて大（理論的には無限大）である。

又、このような線路の一方端を短絡する代わりに所定の
値Z₁で終端した他方開放端からみたインピーダンスZ₂の
両インピーダンスの関係は、次式で示される。

Z₀ ²＝Z₁・Z₂ ……（１）但し、Z₀は前記平行線路又は同軸線路の特性インピーダ
ンスである。

そこで、このZ₁とZ₂との比を Z₂/Z₁＝ｍ ……（２）とし、このｍの値をｍ＝０〜１のうち、所要のものにす
ることによって、所望のインピースの整合をとることが
できる。

即ち、例えばλ/4の同軸線路の中心導体を線状アンテナ
の先端（高インピーダンスの点）に接続し、かつ該線路
の他方端において外導体と内導体とを短絡すると、もと
のアンテナ先端部の接続点からみた該同軸線路のインピ
ーダンスは前記（１）式のZ₁を零と置いたものとなり、
Z₂＝Z₀ ²/Z₁から、Z₂は無限大となる。従って、同軸線路
を付加した新しいアンテナ先端部のインピーダンスは零
になる。

このようにして新たに構成したアンテナ先端部はインピ
ーダンスが零であるから、給電部からアンテナ先端方向
に存在する外部環境の影響は受けない。

又、同様にして、電圧給電を行う場合に、（2n−１）λ
/4長の線路を、該電圧給電を行う線状アンテナの給電点
と無線機等の入出力端との間に挿入してインピーダンス
整合をとれば、線状アンテナが単一アンテナである場合
は、このアンテナと筐体を含めた無線機等とを電気的に
分離することができる。

即ち、例えば電圧給電によるλ/2長単一アンテナの給電
点と無線機の入出力端とを整合する場合、λ/2長単一ア
ンテナの下端部は、該λ/2長単一アンテナの先端部と同
様に極めて高いインピーダンスとなることから、前述し
た（2n−１）λ/4長の同軸線路の中心導体を該アンテナ
下端部に接続するとともに、該同軸線路の他方端を無線
機の入出力端に接続する。この場合も前記（１）式を満
足するように、該アンテナの給電点と該同軸線路及び無
線機の入出力端と該同軸線路のインピーダンス整合をと
る。

このとき、給電点と無線機の入出力端との間に挿入され
る（2n−１）λ/4長の同軸線路の、無線機の入出力端側
は、無線機の入出力インピーダンス、例えば50Ω又は75
Ω等の値で終端されるが、これはλ/2長単一アンテナの
下端部のインピーダンスに比して、極めて小さいことか
ら、ほぼ零とみなされ、前記アンテナ先端部に対する
（2n−１）λ/4長の同軸線路の付加と同様にインピーダ
ンス整合をとることができ、この結果、無線機とアンテ
ナとを電気的に分離する作用を呈する。

［実施例］以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明す
る。

第１図は、本発明をダイポールアンテナに適用する場合
の原理を示す構造図である。

第１図において、１及び２は、それぞれの長さがほぼλ
/4長アンテナエレメントであって、それぞれの先端部1
a,2aに、点線で囲った整合回路3,4を接続する。整合回
路3,4は、λ/4長平行線路5,5′をその先端部６で接続し
た短絡したものである。又、アンテナの給電部は、従来
のアンテナと同様にエレメント１及びエレメント２との
中間に設ける。

アンテナのエレメント1,2の動作は、従来のものと何等
変わるところはないが、新たに整合回路3,4を付加する
ことによって、新たなアンテナの先端部は、短絡された
先端部６となる。従って、整合回路3,4を付加する前の
アンテナ先端部1a,2aのインピーダンスは高インピーダ
ンスであったが、整合回路3,4により、新たなアンテナ
の先端部６は低インピーダンスとなり、給電部からアン
テナの先端部６方向に対しては、外部からの影響を受け
ず、安定したものとなる。即ち、極端な場合、整合回路
3,4の先端部６を大地に接触させるか、又は人が手で触
ってもアンテナの特性は変化しないことになる。なお、
整合回路3,4の作用動作については前記に詳述した通り
であるので説明を省略する。

第２図は、上述した原理に基づく整合回路の具体例を説
明するための構造断面図である。

第２図において、７は、第１図の平行線路５、５′の代
わりに用いた同軸線路であって、その長さはλ/4とし、
その中心導体８をアンテナのエレメント１の先端部1aに
接続するとともに、同軸線路７の他方端において中心導
体８と外被導体９を短絡接続する。

このようにしてアンテナのエレメント１の先端部1aに接
続された整合回路３に対する、先端部1aからみたインピ
ーダンスは無限大であり、新たに形成されたアンテナの
先端部６はインピーダンスが零になる。なお、第１図の
整合回路４についても第２図と同様な整合回路とするこ
とができる。

しかしながら、第１図或いは第２図に示した整合回路の
ように、λ/4長の平行線路或いは同軸線路を用いる場
合、アンテナの全長は、整合回路を付加することにより
２倍の長さとなって、不都合を生じることになる。

そこで、本発明の実施例においては、第１図或いは第２
図に示した整合回路と同等の特性をもった整合回路を集
中定数回路素子等で構成し、アンテナの寸法を小型にす
るものである。

第３図（ａ）は、平行線路長l₀がλ/4の線路の等価回路
図を示すものであり、第３図（ｂ）は、平行線路長l₀が
３λ/4の線路の等価回路図を示すものである。第３図
（ａ），（ｂ）において、インダクタンスL₁,L₂及び容
量C₁,C₂は、式（１）及び式（２）から求められる値と
し、この値をもつ集中定数回路素子で実現すればよい。
なお、平行線路長l₀について、λ/4と３λ/4とは、第３
図（ｃ）に示すようにλ/2毎にサイクリックに繰り返さ
れるから、λ/4及び３λ/4の平行線路長について考察す
れば、平行線路長l₀の（2n−１）λ/4の全てについて適
用できる。

第４図は、本発明の一実施例である整合回路の構成を示
す図である。

第４図（ａ）における整合回路において、10は中空導電
キャップであり、その低部内壁部とアンテナのエレメン
ト１の先端部との間にコイル11を接続し、コイル11の両
端と中空導電キャップ10の側面内壁との間にそれぞれ、
所定値のコンデンサ41,42を接続するとともに、中空導
電キャップ10の開口部とアンテナのエレメント１の先端
部との間を絶縁材スペース12で支持されて構成される。
但し、中空導電キャップ10とコイル11との間に浮遊容量
が存在する場合には、この浮遊容量を加味してコンデン
サ41,42の容量及びコイル11のインダクタンスを決定す
る。

第４図（ｂ）における整合回路は、第４図（ａ）におけ
る中空導電キャップ10とコイル11との間の浮遊容量を積
極的に利用して、所望の整合回路とするものである。即
ち、この整合回路は、中空導電キャップ10の内部形状に
凹凸を形成した中空導電キャップ13を用い、この中空導
電キャップ13の凸部とコイル11のリード部との間の所望
のキャパシタンスを形成することにより、第３図（ａ）
に示すコンデンサ41,42を省略する構成とする。

このようにして、分布定数回路で構成される平行線路又
は同軸線路をその長さを考慮して、集中定数回路化する
ことにより、所望の大きさの整合回路にまで小型化する
ことができる。

次に、アンテナの先端部ではなくアンテナの給電部が高
インピーダンスになる場合での本発明の実施例について
説明する。即ち、アンテナの給電方式を電圧給電とする
場合における整合回路について説明する。

第５図は、本発明の他の実施例を示す構造図であって、
電圧給電によるｎλ/2長の線状アンテナ14の給電部と無
線機TRXの入出力端15との間に第４図（ａ）に示す整合
回路を挿入させたものである。この整合回路の構造は、
中空導電パイプ16の上端部において、ｎλ/2長の線状ア
ンテナ14の下端部を絶縁材支持部17で固定し、線状アン
テナ14の下端部と無線機TRXの入出力端15との間にコイ
ル11を介して接続し、さらにコイル11の両端と中空導電
パイプ16との間にコンデンサC₃,C₄を挿入接続した構造
とし、中空導電パイプ16の下端部は、無線機TRXの外部
筐体18に電気的に接続したものである。なお、コイル1
1、コンデンサC₃,C₄等の集中定数回路素子の値は、第４
図と同様にして求める。この場合、上述したように、無
線機の入出力端15のインピーダンスは低インピーダンス
（50Ω或いは75Ω等）であり、整合回路はこの低インピ
ーダンスと整合する必要があり、第４図のような短絡に
よってインピーダンスが零になることはないため、整合
回路の電気長も、（2n−１）λ/4長に対してわずかなが
ら長いか短いかのどちらかの長さとなる。しかし、この
電気長は集中定数回路素子の値によって変化することが
できるため、整合回路の物理的な大きさにはほとんど影
響しない。もちろん、第４図（ｂ）に示す整合回路を適
用するようにしてもよい。

なお、アンテナ長については、上述したλ/4長、λ/2長
に限らず、その整数倍のアンテナ長を有するアンテナに
も広く適用可能なことは明らかである。

［発明の効果］本発明は以上説明したように、従来の線状アンテナ先端
部或いはアンテナ下端部における高インピーダンスを上
述した整合回路を用いて低インピーダンス化することに
よって、新たに形成されたアンテナ先端部或いはアンテ
ナ下端部のインピーダンスが零又は極めて低いものとす
ることによって、給電部からアンテナ先端部方向或いは
アンテナ下端部方向に対する外部環境の影響がない極め
て安定した性能をもった線状アンテナをもたらすうえ
で、顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明をダイポールアンテナに適用する場合
の原理を示す構造図。第２図は、第１図が示す原理に基づく整合回路の具体例
を説明するための構造断面図。第３図は、整合回路の等価回路図を示す図。第４図は、本発明の一実施例である整合回路の構成を示
す図。第５図は、本発明を線状アンテナと無線機との間に適用
する場合の他の実施例の構成を示す図。第６図は、従来のアンテナを示す図。第７図、第８図、第９図は、従来のアンテナの欠陥を説
明するための状態図。 1,2,14……線状アンテナ、3,4……整合回路、5,5′……
平行２線路６……先端部、７……同軸線路、８……同軸線路の中心
導体、９……誘電体 10,13……中空導電キャップ、11……コイル、12……支
持物 15……無線機入出力端、16……中空導電パイプ、30……
大地、TRX……無線機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大場徳喜埼玉県浦和市上木崎４−１―37 アンテナ技研株式会社内 (72)発明者森明久神奈川県高座郡寒川町小谷753番地東洋通信機株式会社内 (56)参考文献特公昭23−870（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が電気的に閉じた導電キャップの中心
軸に沿ってコイルを配置するとともに、該コイルの両端
部と導電キャップの内壁間にコンデンサを挿入した構造
物をユニポールアンテナの先端部に接続し、前記構造物
の電気的等価回路が、一端を短絡した（2n−１）λ/4長
（λは該アンテナが共振する波長、ｎは整数）の平行線
路又は同軸線路と実質的に同等になるようにしたことを
特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】ユニポールアンテナの一端を給電部とする
請求項１記載のアンテナ装置において、該ユニポールア
ンテナのアンテナ長がｎλ/2長（λは該アンテナが共振
する波長、ｎは整数）である場合、該給電部に、コイル
と該コイルを包囲する導電パイプと該コイルの両端と導
電パイプの内壁との間に挿入したコンデンサとからなる
構造物を接続し、該構造物の電気的等価回路が、（2n−
１）λ/4長の平行線路又は同軸線路と実質的に同等にな
るようにすることによって、該アンテナの給電部のイン
ピーダンスと当該アンテナを接続する通信機又は給電線
のインピーダンスとを整合させるようにしたことを特徴
とするアンテナ装置。
【請求項３】前記構造物のコンデンサに代えて、前記コ
イルと導電キャップ又は導電パイプ間の浮遊容量を利用
したことを特徴とする請求項（１）又は（２）記載のア
ンテナ装置。
【請求項４】前記構造物のコンデンサに代えて、前記導
電パイプ又は導電キャップの内壁に凹凸を設け、該凹凸
と前記コイルとの間の浮遊容量を利用したことを特徴と
する請求項（１）又は（２）記載のアンテナ装置。