JPH10126143A - ループアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】使用周波数がＵＨＦ帯の移動通信方式における
無線基地局用アンテナとして適する、特性が良好、製作
容易で経済的なアンテナを実現する。 【構成】使用波長程度の長さに切断された金属針金によ
り円、楕円、矩形等のループ形状の回路を作成し、前記
ループ形状の回路を同一平面上に互いに重ならない様、
かつ半波長程度以下離して、一列に設置し、隣り合う前
記のループ形状回路の一部を切断して給電線により相互
接続し、串団子状とし、先端の一方を給電線に接続して
いる。 【効果】アンテナを構成する材料として、励振素子は銅
線のみ、励振素子の保持、ならびに外部筐体用に若干の
誘電体材料を使用するだけで構成することが可能となっ
たので、小型で経済的なアンテナを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は無線通信システム用アン
テナ、特に移動通信システムの無線基地局アンテナとし
て使用するのに適するアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】移動通信システムの無線基地局アンテナ
としては各種のアンテナが使用されている。例えばわが
国の代表的な移動無線システムである携帯・自動車電話
システム用としては４角鉄塔の上に多数のダイポールア
ンテナを上下に多段に取り付けたアンテナ群４組を、鉄
塔各面に取り付け無指向性アンテナとした形式が使用さ
れている。或いは最近サービスが開始されたＰＨＳシス
テム用無線基地局用として、コリニアアンテナが使用さ
れている。その他、一般の移動無線システムでは上記の
外、ブラウンアンテナ、スリーブアンテナ等も使用され
ている。これらのアンテナは線状アンテナと呼ばれ、線
状に形成されたアンテナ素子から電磁波が送信される形
式で現在ほとんどがこの形式である。

【０００３】一方、ダイポールアンテナの先端を互いに
接続して、これらのダイポールのうちの一つを中央で給
電した「折り返しダイポールアンテナ」と呼ばれるアン
テナ形式がある。一般に給電部からみてアンテナ全体が
閉じた電気回路を形成しているもの−一般に励振素子と
呼ばれる電磁波を送受信可能な回路１個を含むアンテナ
−はループアンテナと呼ばれているが、「折り返しダイ
ポールアンテナ」もこの範疇にはいる。「折り返しダイ
ポールアンテナ」は上記の公衆用の移動通信システムと
しては使用された例はないが、アマチュア無線や、特殊
通信等で広く使用されている。一般にループアンテナの
利点の一つは小型に作成する事が可能な点である。次に
接続される給電線が同軸ケーブルの様に不平衡形であっ
ても、整合上も問題が少ない点があげられる。ただし、
アンテナの利得を向上させるため、複数のループ状の励
振素子を設けたアンテナ形式は給電線と複数のループ状
の励振素子とのインピーダンスの整合の問題があるた
め、余り使用されていない。

【０００４】しかしながら、ループ形状の回路（励振素
子）の一部を切断し、これに給電線を介して別の１個、
もしくは複数個のループ形状の回路（励振素子）を直列
接続する形式のループアンテナ（給電線から見れば『一
筆書き』の様に、一つの線路端から線路が伸びて複数の
ループ形を形成し、給電線へ帰る事になる。以下タンデ
ムループアンテナ、あるいは誤解のない場合はループア
ンテナ、もしくは単にアンテナと称する）は上記の公知
例に比較して、一層の小形化が可能となるほか、給電線
と複数のループ状の励振素子とのインピーダンスの整合
の問題も容易になるが、このようなタンデムループアン
テナが実用された例はなく、またその呈するアンテナ特
性も公知例はない様である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最近の移動通信システ
ムは周波数の有効利用度の向上をはかるため、多数の無
線基地局をサービスエリアに設置し、一つの無線基地局
から放射される無線電力を少なくして、同一無線周波数
を場所的に異なるエリアで再使用するといういわゆる小
ゾーン方式が使用されている。このような無線基地局で
はシステムコストの逓減のため基地局に設置されるアン
テナは可能な限り小型・軽量化・高性能でかつ安価なも
のが望まれている。本発明では今まで公知例になかった
新しい形のアンテナを考案して、従来にない小型・軽量
でかつ、アンテナの具備している特性が従来のアンテナ
に比較して遜色がなく、低コストを有するものが実現可
能となった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】使用波長程度の長さに切
断された金属針金により円、楕円、矩形等のループ形状
の回路を作成し、前記ループ形状の回路を同一平面上に
互いに重ならない様、かつ半波長程度以下離して、一列
に設置し、隣り合う前記ループ形状の回路間を給電線に
より相互接続し、串団子状とし、先端の一方を給電線に
接続させた。さらに、前記回路間を給電線により相互接
続する場合、前記給電線を前記回路と同一平面上に設置
させたり、あるいは、給電線を１回以上ねじれ（交差）
部分を有する平衡線路構成とすること（給電線から見れ
ば前述の様に銅線が『一筆書き』で帰線する事になる）
によりそれぞれ特徴を有するループアンテナを構成する
事が可能となった。また、複数の励振素子を有する場
合、励振素子間の干渉を軽減するため、ループ状回路間
を給電線により相互接続される部分長を使用波長の１／
２程度とする等の手段を講じる事にした。

【０００７】

【作用】本発明を適用したタンデムループアンテナは以
上述べた従来の公知のループアンテナ（折り返しダイポ
ールアンテナ等）と比較して次の様に全く異なる作用を
有している。まずループアンテナ（折り返しダイポール
アンテナ）と同様に給電部からみてアンテナ全体として
は閉じた電気回路（直流的には短絡回路）を形成してい
るが、給電線と接続された最初のループ状の励振素子回
路は１個で回路を構成するのではなく、回路の一部が切
断され、他のループ形状の回路にタンデムに接続されて
いる点が異なる。したがって、従来の定義に依るループ
アンテナではないが『拡張されたループアンテナ』であ
り、上述のようにタンデムループアンテナと称する事に
する。

【０００８】上記の様に複数の励振素子が存在する事と
なり、励振素子１個の場合と比べて指向特性がシャープ
になる利点を有する。これらの励振素子は給電線から見
た場合、電気的に直列に接続されていると思われ、した
がって、給電線との整合の問題は使用する励振素子の数
をＮとすると、単位の励振素子の呈するインピーダンス
（Ｘ）のＮＸが給電線の特性インピーダンスに等しくす
る事で可能となる。ただし、実際問題として励振素子間
に存在する給電線や、励振素子間の干渉により、必ずし
も上記の様に簡単には求められず、実験的に決定する事
が必要である。

【０００９】次に、本発明を適用したアンテナの特徴は
励振素子自体の長さが波長に比べて短い事、励振素子間
を接続する給電線の長さを使用波長に比較して半波長以
下に短縮する事が可能であり、この結果、給電線の有す
るインピーダンスとループアンテナの有するインピーダ
ンスとの整合問題を軽減する事が可能となる。極端な場
合、１つの励振素子を形成する回路と隣接する励振素子
を形成する回路とを給電線を介さないで接続が可能な場
合（励振素子２個の場合）があり、この場合には、給電
線の有するインピーダンスと励振素子との整合問題を全
く考慮する必要がなくなる。この事は、アンテナ全体を
小型化に寄与する事になる。上記の励振素子間の近接度
合いは励振素子２個のとき有力であるが、３個以上とな
ると励振素子間の干渉を軽減するため互いにこれらを若
干引き離す必要がある。ただし、励振素子が３個以上有
するタンデムループアンテナの場合でも、給電線からみ
て、最初の２個の回路の接続はほぼ給電線長０で、次の
３個目の回路の接続には使用波長の半波長程度の長さを
有する給電線を用いる事が可能であり、その結果、上述
の公知のＰＨＳシステム用無線基地局用アンテナとして
使用されている同一指向特性のアンテナに比較して小型
化が可能となる。

【００１０】

【実施例】図１〜図４は本発明の実施例、及びその呈す
る電気的特性を示す図面である。まず図１（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）に本発明の基本的なタン
デムループアンテナの外観図（平面図）を示し、左方は
給電線に接続されている。図１（ａ）は形状・寸法の同
一な２個の矩形状のループアンテナがタンデムに接続さ
れている場合である。この図では第一の矩形状のループ
の横の長さがＡ，縦の長さがＨであり、第二の矩形状の
ループはそれぞれＢ，Ｈである。これらが長さＤ、２線
間の距離Ｅの平衡給電線で接続されている場合を示して
いる。図１（ａ）の場合、２個の回路の接続はほぼ給電
線長は使用波長に比較して極めて短く、実質的に長さ０
で接続されていると考えても電気的特性上相違はほとん
どない。

【００１１】図１（ｂ）は図１（ａ）と大差ないが、た
だ２個のループ状回路を接続する給電線がねじれている
場合である。このような構成を取る目的は２個のループ
の共振周波数を安定化するためである。図１（ｃ）は図
１（ａ）と比較して明らかな様に、２個目のループ状回
路にさらに３個目のループ状の回路が長さＧを有し、２
線間の距離Ｆの平衡給電線を介して接続されている場合
である。図１（ｄ）は図１（ｃ）と大差ないが、ただ２
個目のループ状回路と３個目のループ状の回路を接続す
る平衡給電線においてねじれを有する場合である。以上
のタンデムループアンテナの特性を決める諸元は以下で
ある。すなわち、各ループ形状の回路の全長、ただし、
１部の回路が給電線により切断されている場合は切断さ
れない前の状態を想定して全長とする。ループ状回路の
縦、横比、回路を構成する金属針金の物理的諸元（断面
積、伝導率等）等である。加えて、各ループ状の回路を
接続する平衡給電線のインピーダンスも影響を与える。

【００１２】以下、本発明を適用して実際にタンデムル
ープアンテナを試作し、そのアンテナの電気的特性を測
定した結果を説明する。まず図１（ａ）〜（ｄ）に示さ
れる形式のアンテナで、基本となるループ状回路の諸元
は以下のとおりである。 Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝７０ｍｍ Ｈ＝１５ｍｍ Ｄ＝３ｍｍ Ｅ＝Ｆ＝０．５ｍｍ Ｇ＝５０ｍｍ また、図中で寸法の表示（省略）されていない部分、例
えば図１（ｂ）のループ状回路の諸元は、他の図の対応
する部分の値（図１（ａ）のＡ、Ｂ、Ｈ等）と同一であ
る。

【００１３】上記の形状の単独ループアンテナの示す共
振周波数は空間媒体中において約１．７６ＧＨｚであ
り、またそのインピーダンスは約２０オームである。使
用した金属針金は直径０．７ｍｍの銅線で、アンテナへ
の入力用の給電線の特性インピーダンスは５０オームで
ある。図１（ａ）〜（ｄ）に示すタンデムループアンテ
ナ（以下特に誤解を生じない場合はアンテナと略記）を
試作し、電磁気環境の良好な測定室において、アンテナ
の各種電気的特性を測定した。まず、アンテナの設置は
地表に対し、垂直偏波が放射される様に木製のアンテナ
設置台上に置き、ネットワークアナライザからの出力を
印加して、アンテナから放射された電磁波を約２．３メ
ートル離れたところに設置した受信アンテナ（垂直偏波
受信）で受信し、ネットワークアナライザに導き特性を
調べた。

【００１４】まず、図１（ａ）に示すアンテナの実測結
果を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）は周波数に
対する定在波比（ＶＳＷＲ）特性、図２（ｂ）は周波数
に対する受信強度（利得特性）を示す。この特性は受信
アンテナにおいて最大の受信電力（相対受信レベル値）
が得られる様にアンテナのループ面を調整した場合であ
る。これらの測定値から、周波数２．３ＧＨｚ付近（マ
ーカ４）で整合（共振）が取れ、また、利得特性が最大
（マーカ４で受信レベル値−３０．４ｄＢｍ）になって
いる事がわかる。一方、単独ループアンテナの形状は図
５に示されているが、このループアンテナの呈する特性
を図６（ａ）、（ｂ）に示す。ただし、図５に示しルー
プアンテナの有するインピーダンスは５０オームであ
る。

【００１５】図２（ｂ）と図６（ｂ）とを比較して、次
の事がわかる。図６（ｂ）に示す特性では周波数１．９
４ＧＨｚにおいて利得特性が最大（受信レベル値−３５
ｄＢｍ程度）であるので、図１（ａ）に示すアンテナの
利得は単独ループアンテナに比較して約４．５ｄＢ増加
している事がわかる。ただし、次の修正を加える必要が
ある。まず、単独ループアンテナにおいて、その有する
インピーダンスが低い場合、利得は最大のインピーダン
スである約３００オームの場合に比べて３ｄＢ程度増加
する。この影響を考慮すると、単独ループアンテナでイ
ンピーダンスが２０オームと５０オームとでは利得は約
１ｄＢ程度高くなる。次に、ループアンテナの作成の良
否により若干のバラツキがあり、良好に作成すると図６
（ｂ）より若干（１〜２ｄＢ程度）利得が向上する。上
記を考慮すると、２０オームを有する単独ループアンテ
ナの利得特性は−３２．５ｄＢ程度と想定されるので、
励振素子が２個に増加させた効果は約２〜３ｄＢ程度と
考えられる。

【００１６】また、図１（ａ）に示すアンテナの有する
共振周波数（正確には最低の共振周波数、以下省略）が
単独ループアンテナの示す周波数にくらべて大幅に上昇
しているが、これは２つの励振素子を結ぶ給電線の影響
と思われる。次に図１（ｂ）に示すアンテナの実測結果
を図３（ａ）、（ｂ）に示す。図３（ａ）から周波数
１．７６ＧＨｚ付近（マーカ４）で整合（共振）が取れ
ている事がわかり、これは、単独ループアンテナの示す
特性とよく一致している。また、周波数１．７６ＧＨｚ
付近での受信レベルは最大であり、−２９．３９ｄＢｍ
である。この値から、アンテナ利得は単独ループアンテ
ナに比較して約３ｄＢ増加しており、この場合も励振素
子が２個に増加した効果と考えられる。

【００１７】さらに図１（ｄ）に示すアンテナの実測結
果を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図１（ｄ）で励振素子
間を結合する給電線長Ｇの長さは５０ｍｍである。そし
て、この部分の給電線の有する特性インピーダンスは約
２０オームと推定される。図４（ａ）から周波数１．７
０ＧＨｚ付近（マーカ３）で整合（共振）が取れている
事がわかる。これは、単独ループアンテナの示す特性と
ほぼ一致している。また、周波数１．７０ＧＨｚ付近で
の受信レベルは−２７．６６ｄＢｍになっており、この
値から単独ループアンテナに比較して利得は約５ｄＢ増
加していると推定される。この場合は励振素子が３個に
増加した効果と考えられる。ただし、これより高い周波
数において、多数の副共振周波数が存在しており、３個
の励振素子の相互干渉と考えられる。なお、２個目のル
ープ状回路と３個目のループ状回路とを結合する給電線
の特性インピーダンスは約２０オームとした。

【００１８】最後に、図１（ｃ）に示すアンテナの実測
も実施したが、その結果は図２（ａ）、（ｂ）と類似で
あった。ただし、励振素子を３個に増加させた効果は認
められた。以上の測定は励振素子が２個または３個の場
合であるが、励振素子をさらに増加させた場合も同様に
作成可能である。そして、アンテナ利得をさらに増加さ
せる事が可能となる。ただし、次の諸点に留意する必要
がある。・使用するループ状回路（励振素子）の有する
インピーダンスを低下させる。例えば、６個の励振素子
を使用したい場合は１個の有するインピーダンスを入力
給電線の有する特性インピーダンスの１／５〜１／６程
度にする必要がある。・励振素子間の電磁的干渉を軽減
するため、励振素子間の距離を半波長程度設ける。ま
た、ループ形状はなにも矩形である必要はなく、円、楕
円形等任意の形状でよい。ただし、そのループの有する
インピーダンスには留意が必要である。さらに、複数の
励振素子を用いる場合、励振素子の形状は必ずしも同一
である必要はなく、楕円、矩形等の形状を混在させても
よい。ただし、これらのループ形状の有するそれぞれ単
独のインピーダンスは接続される給電線の特性インピー
ダンスと合わせる必要がある。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した本発明を適用したアンテナ
は従来の単独のループアンテナに比較して利得が大きく
向上しており、移動通信システムに使用すると高い効果
が得られるものと考えられる。また、アンテナの主要部
分である励振素子を構成する材料として、金属針金、例
えば銅線のみで構成が可能であり、高価な誘電体基盤等
の材料を必要としないから安価に作成が可能である。た
だし、励振素子の保持、ならびに外部筐体用に若干の誘
電体材料を使用する必要はあるものの、ごく少量の使用
で十分であり、総合的に電気的特性は同等品並で、かつ
経済的なアンテナを得ることができる。したがって、本
発明の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヘリカルループアンテナの実施例を示
す図である。

【図２】本発明によるヘリカルループアンテナの実施例
の特性を測定した結果を示す図である。

【図３】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図４】本発明によるヘリカルループアンテナの他の実
施例の特性を測定した結果を示す図である。

【図５】公知のループアンテナの形状例を示す図であ
る。

【図６】公知のループアンテナの有する特性を測定した
結果を示す図である。

【符号の説明】

１ ヘリカルアンテナ素子 ２ 給電線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 使用波長程度の長さに切断された金属針
   金により円、楕円、矩形等のループ形状の回路を作成
   し、前記ループ形状の回路を同一平面上に互いに重なら
   ない様、かつ半波長程度以下離して、一列に設置し、隣
   り合う前記ループ形状の回路の一部を切断し、給電線に
   より相互接続し、串団子状とし、先端の一方を給電線に
   接続した形状を有するループアンテナ。
2. 【請求項２】 前記隣り合うループ形状の回路の一部を
   切断し、給電線により相互接続する場合、前記給電線を
   前記ループ回路と同一平面上に設置された平衡線路によ
   り構成されるループアンテナ。
3. 【請求項３】 前記回路間を給電線により相互接続する
   場合、前記給電線を１回以上ねじれ部分を有する平衡線
   路構成としたループアンテナ。
4. 【請求項４】 前記回路間を給電線により相互接続され
   る部分が複数箇所存在する場合、前記部分の前記給電線
   長が異なる長さを有するループアンテナ。
5. 【請求項５】 前記回路間を給電線により相互接続され
   る部分が複数箇所存在する場合、前記給電線を前記回路
   と同一平面上に設置された平衡線路により構成される部
   分、前記給電線を１回以上ねじれ部分を有する平衡線路
   構成とされる部分等を含むループアンテナ。