(57)【要約】      （修正有）【課題】小型・軽量にして高利得のバタフライ型ループアンテナを提供する。【解決手段】ステンレス板（厚さ１．２ｍｍ×巾３ｍｍ）をループ状とし、円を両側から圧力を加え変形させ楕円とする。周囲の長さはλ（波長）に等しい。このループを２個を対として動作させるとｐ＝ＥＨであるポインティングベクトルを有効に捕捉して集積、等価的実効面積を高める。更に水平偏波成分を圧縮、成分を強調するから水平偏波を強調、垂直にするホールデッドダイポールλ／２を通して集波すると、効果的に受信重力を高める事が出来、アンテナ利得が向上する。したがってエレメント素子の拡散性を抑圧して能率を高めることが出来る。これはλ／２単一ダイポールから、ループ状に変更することで対処している。又、重量を少なくするためには単一ダイポールの場合エレメント数を少なくする必要がある。ループは実効面積が広いので、エレメント数に依存しないので軽量化が図れる。【選択図】図１
0003166494.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ループアンテナの形状を楕円形としたことを特徴とするアンテナ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】ＵＨＦ帯テレビ受信用アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】現在ＵＨＦ帯テレビアンテナの利得は最大であっても３６素子、スタックシステムで１５〜１８ｄｂ、３．５〜４．０Ｋｇを有し大型化高重量である。更に素子数が増加すればアンテナ全体の風圧面積も増加し、風圧モーメントによるモーメント応力が増大することになる。このため強風の場合、支柱のせん断応力、支線の引張応力などが増大するため最悪の場合倒壊することもありうる。アンテナ利得もこれが限界であり高利得は望めない。【０００３】次に問題となるのはアンテナ高であって、出来るだけアンテナ高を高く維持するため、風圧モーメントを考慮しない傾向がある。このため風圧モーメントは支線で分散しているが、強風の場合は静風時の数１０倍の風圧が加わるので、倒壊の事故が懸念される。【０００４】更に送信所の設置位置の不適応などのためフレネルゾーン減衰が都市部で発生している。三重ナイフエッジ、山岳回折が更に加わり、多重路伝播となる。このための減衰は最大で１／１５０〜１／１００程度に達する。更に電波伝播上の地理的条件や見通し図の断面図を参照して受信アンテナの設置場所の選定を行う。重要項目はブースター（増幅器）を介在させず、アンテナの性能のみに依存させて開かれた自由空間において、入力電界レベルを５０ｄｂμ以上で確保する必要がある。地上波電界レベルは３０ｄｂμであるならば、アンテナ利得は２０〜２５ｄｂ程度は必要である。【０００５】弱電波地域は強風対策・対応などの他、フェージング、フレネルゾーンの減衰、多重路伝播、アンテナの倒壊の懸念など、数々の悪条件が重なる。したがってアンテナは常に設置条件として小型、軽量、高利得、経年変化や耐久性、風圧モーメントの減少に対応する必要がある。現状においては受信アンテナの背後にブースター（増幅器）を取り付け、利得をサポートして受信状態を維持する。
フレネルゾーンにおける減衰や多重路伝播などのため、フェージングの幅は−１０〜−１５ｄｂの深いフェージングが生じる。この電界レベル変動はレーリー分布に支配され、３００〜６００秒の周期において、ややゆっくりと推移し、入力電界レベル４０ｄｂμ以下になると、ブロックノイズが目立ち始め、約３８ｄｂμにおいて受信不能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２４９０９０号
【特許文献２】特開２００３−４６３３０
【０００７】
【非特許文献】
【非特許文献】無線工学ハンドブックオーム社星合正治  アンテナハンドブックオーム社情報通信学会（平成２０年７月２５日発行）
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】１）フレネルゾーン領域における損失に対応するため
ポインティグベクトルｐ＝ＥＨ（Ｗ／ｍ２）［Ｅ、Ｈ、電界、磁界のエネルギー］の捕捉面積を広げ、アンテナの実効面積を拡大することによって、アンテナ利得を高めること。
２）更にフェージング対策として、その補償効果を持たせるためｐ＝ＥＨの蓄積量を高めること
３）ｐ＝ＥＨの蓄積量を高めることによって、明確にアンテナ効率や利得を向上させることに効果がある。
又、ノイズ抑圧効果を生ずる。λ／２単一ダイポールは実効面積が小さいためｐ＝ＥＨの蓄積量がきわめて少ない。
４）耐久性を維持しながら、対風圧モーメントを、アンテナ総重量と共に、従来の１／１０程度に減少させること。
５）気象条件、風雪害に対して、耐久性を有すること
６）アンテナ高を著しく高くせず、開かれた自由空間において地上波電界強度が弱電界レベル（３０ｄｂ〜４０ｄｂ）であっても開かれた自由空間であれば、必要な電界出力レベル５０ｄｂμ以上を確保すること。
７）取付工事が容易で、支柱・支線など、大きな強度を必要としないこと。
８）増幅器（ブースター）を必要としないこと。
【課題を解決するための手段】
【０００９】送信所の設置場所の選定不良及び電波伝播上の地理的条件において、フレネルゾーン領域のナイフエッジ、山岳回折が３重、２重と存在すれば、都市部・山岳部にかかわらず、大きな減衰が発生する。その減衰量は直接波の１／５０〜１／１５０に達することがある。又フェージングの幅は−１０ｄｂ〜−１５ｄｂに及ぶ。フェージング現象はレーリー分布に支配され、時間間隔は多重路伝播において６００〜９００秒に及び、ゆっくりと推移して、電界出力レベルが変動する。特に１２月〜１月、３月〜４月にかけて、その変動は顕著である。したがってその状態を観測記録してフレネルゾーンやフェージングの状況について詳細に分析する。【００１０】この現象は自然現象であるから避けられず、アンテナの特性向上において補償効果をもたらす。ｐ＝ＥＨにおいて捕捉面積を拡大し、実効面積を高めるためにはｐ＝ＥＨの蓄積効果と伝送特性を高める必要がある。この方法はエレメント相互間において、電界・磁界のエネルギーを高めることによって行う事が出来る。本考案は水平偏波成分を抑圧、垂直偏派成分を強調する事により、前後のエレメントを励振し、電磁界のｐ＝ＥＨのエネルギーを高める方法において、処理している。この方法によって伝送と蓄積が同時に行われ、集波器において偏波成分を復元し出力電界レベルを送出する。【００１１】ｐ＝ＥＨの電磁場（電界・磁界の集合された面）は体積の形態を形成して、エネルギーを蓄積し伝送する。
このためこれを保持するエレメントは表皮効果が少なく、高周波抵抗が増加せず、励振電流が（振動電流とも言う）が流れやすい状況を必要とする。これには材質として特殊ステンレス鋼（耐不しゅう性を有し、弾性に富み、融雪効果のある材質）を使用、電気抵抗がきわめて少ない。長方形の断面（３．５ｍｍ×０．８ｍｍ、１ｍｍも可）構造を有している。又耐久性、経年変化も少なく、安定した材質であり、これをアンテナ、ループエレメント素子として動作させる。又この材質は軽量で、風圧面積も少なく、小型軽量化されたアンテナとしては有能な機能として性能を発揮する。【００１２】よってアンテナ全体の耐風圧モーメントが少なく、強風下であっても倒壊などの事故が少ない。更にこの現象を観測すると、強風下においてはエレメント素子の弾性に吸収され、破損などの事故は存在しない。又支柱などのせん断力も少なく、支線は強い強度は必要としない。したがって自然現象に対応しやすいと言える。【００１３】エレメント素子間の干渉対策
エレメント相互間にあっては、エレメント中心部（取付点付近）において、磁場の方向性のため干渉を生じやすい。このためエレメント相互間はλ／８（λは波長）７〜８ｃｍ程度、離間距離を必要とする。干渉を生ずれば、アンテナ利得は低下する。エレメント相互間の位相はπラジアンであって、干渉が発生しやすい条件の下で動作している。【００１４】ｐ＝ＥＨ（Ｗ／ｍ２）は、電磁場の面内において、エレメント素子の放射ビーム内に存在するから、その体積で表現された蓄積量を効果的に捕捉、実効面積を高める工夫を行う。
特に伝播しうる水平・垂直の偏波面の特性、ループの直径、円周の長さ、間隔を決定し、アンテナの実効面積と利得を高める対策を行う。【００１５】次に問題となるのは、ループエレメント数Ｎと利得Ｇとの関係である。これは実験的方法において測定されたものである。但し、エレメントを増加させると重量が増加するので、６素子程度が、重量・長さ・利得の適応状態である。λ／２単一ポールの実効面積は約π／２であって、部分的には応用するのは可能であるが、大きな利得は期待されず、部分的な適応と考えられる。反射器は、バタフライエレメント（楕円形エレメントで円を変形し、垂直偏波成分を強調）を使用して全体をバタフライエレメントで統一している。
λ／２単一ダイポールはフレネルゾーン領域、１ヶ所のナイフエッジが存在し、且つ５０〜１００ｍ程度の障害物が存在し、直接波の１／１０程度の減衰が発生する領域において使用する事を前提条件としている。３素子、４素子、５素子バタフライエレメント（２段、３段）を前提とすれば、充分に動作可能であって、電界出力レベルは５０ｄｂμ以上を確保する。この様に補助的手段としてλ／２ダイポールを利用する事は効果的である。しかし、デ−タ表としては記録していない。ここに記載するのは、バタフライエレメントで統一したものである。
エレメント数            Ｎ      利得Ｇ          約
バタフライエレメント    ３    約１５〜１８      ２５ｄｂ
垂直偏波強調            ４    約２０〜２２      ２７ｄｂ
５    約２２〜２４      ２８ｄｂ
６    約２４〜２６      ２９．５ｄｂ【００１６】利得は周囲の状況、取付位置、場所、電波伝播の状況で変化する。又フェージングも同様である。又このアンテナはエレメント数Ｎは４〜５素子が一番使いやすい。Ｎが増加すると、風圧モーメントが増加したり、重量が加算されるなど、マイナス面が多きくなる。【００１７】集波器においては、抑圧された水平偏波成分を復元するため、λ／２ホールデッドダイポールを使用して捕集すると効果的にｐ＝ＥＨのポインティングベクトルを電界出力レベルに変換して、同軸ケーブルを介して外部に出力される。出力インピーダンスはＺ＝７３．１３＋４２．５５（Ω）であって、励振された共振状態においてＺ＝７５オームである。
【考案の効果】
【００１８】バタフライアンテナの構造は、２つのループアンテナを一対として、円を変形し楕円として、垂直偏波成分を強調、水平偏波成分を抑圧する。このためループ面は垂直楕円体を形成し、周囲長は波長λに等しい。ｐ＝ＥＨの捕捉、蓄積方法はエレメント相互間及び放射ビームに存在する。放射ビーム幅はλ／８の領域であって、ドーナツ状に分布するλ／２単一ダイポールを補助的手段として応用可能であるが、実効面積はπ／２であって、高利得の目的には不適である。【００１９】このアンテナをフレネルゾーン領域ナイフエッジ３段である減衰量の多い受信地点で動作させると、次の様な事が知られる。伝播形態は多重路伝播であり深いフェージングを生じている。又減衰が多いため、ブロックノイズを伴いやすい。
この様な条件下において動作させると（５素子バタフライアンテナ）【００２０】１）フェージング変動幅が八木系列アンテナより約１０ｄｂ減少する。
２）出力電界レベルが向上する。５０〜６０ｄｂμを出力する。
３）ただし、地上波電界レベルは３０〜３８ｄｂμである。
同軸ケーブル損失は２０ｍにおいて、５〜６ｄｂ程度である。
４）よって弱電界地域において実用的である。
５）フェージングによるブロックノイズの受信障害はない。
６）ブースター（増幅器）をアンテナ出力部に接続しなくても受信可能な受信電界レベルを確保する。
７）周辺地域はブースターを接続することが通例は一般的である。
このブースターの増幅レベルは入力電界３０〜４０ｄｂμ、利得は２５〜３０ｄｂμである。【００２１】比較した八木系列アンテナ
３０素子スタック利得１５〜１８ｄｂ
尚、このアンテナはフェージングが発生した場合、ブロックノイズに支配され受信不能である。【００２２】特殊ステンレス鋼は弾力性に富み、雨、風、雪、水、強風など、アンテナに必要な耐自然条件に適応する。又融雪氷などの性質を有し、アンテナ・エレメント素子に対して付着しない材質がある。よって経年変化が少なく耐水性を有する。
この材質をアンテナに適用したことは、次の特有効果を有している。【００２３】すなわち
１）経年変化少なく耐久性に富む。
２）質量が軽く、小型、軽量を実現する。
３）表皮効果が少なく、高周波損失が少ない。
４）風圧面積が少なく、風圧モーメントが少ない。
５）アンテナエレメントの実効面積がλ／２ダイポールの４倍あり、利得を高めることが出来、且つ放射ビームの拡散や分散などの現象が見られず、アンテナの伝送効率がすぐれている。
６）エレメントの弾力性のため強風に対して耐風圧性を有する。
７）フレネルゾーン領域の電波の回折現象は偏波面の回転現象（反転現象とも言う）を起こし、水平偏波成分は垂直偏波成分を強調する。このためエレメントを垂直偏波を強調すると、ポインティングベクトルを捕捉しやすい条件を形成することになり、アンテナの蓄積、伝送といわれる網の観点からきわめて好条件と思われる。
これが第２の特有効果である。ｐ＝ＥＨはλ／８のビームを楕円体のループ面に対してドーナツ状に分布して拘束する。このためビームの分散、拡散を防止する。更にビーム幅の損失はきわめて少なく、最小限に抑圧される要因となる。
更に考案の特有効果として、取付工事や設置が容易で、頑強な支柱、支線、著しく高い地上高を有しないところから、風圧モーメントが少ない事が上げられる。
“開かれた自由空間を確保する条件”から４〜５ｍ程度と考慮してよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本考案の構成を示す平面図
【図２】取付台
【図３】ループアンテナ部
【考案を実施するための形態】
【００２５】アンテナの設置条件として、フレネルゾーン領域の電波伝播状況を知り、観察する必要がある。次に直接波の地上電界レベルを計算し、更にフレネルゾーンに障害物があれば減衰量を算定する。この様にすれば如何なる特性や利得のアンテナを設置すればよいのかが判定が可能である。現今は如何なる状態であっても、一番性能が高く、高価なアンテナを使用する物理的根拠のない使用法が利益を追求するための手段として実施されている。出力電界レベルはブースターなしであっても５０ｄｂμ〜６０ｄｂμがあれば充分で、６００秒〜９００秒間隔のフェージング特性を観察するだけで充分である。
【００２５】フェージングは１２月期〜１月期、２月下旬〜３月下旬の２期に分けて、多重路伝播の干渉により起こる。この要因は落葉とか、積雪、融雪など四季の変化に起因するもので、降雪があれば、山岳地域の反射が増加し、逆に融雪になると減少することで、深いフェージング（０〜−１０ｄｂ、−１５ｄｂ）や地上波電界レベルの減衰が現象として現れることになる。
特にＵＨＦ帯においては、この現象は６００秒〜９００秒間隔で明確に表われ、ゆっくりと推移し、最悪の場合ブロックノイズ（４０ｄｂμ前後）に支配されるが、次第に回復し現状に復帰する。
【実施例１】
【００２６】この様な問題からフレネルゾーン領域（２重・３重のナイフエッジ）を伴う都市部においては、この現象を見込み出力電界レベル５５〜６０ｄｂμを確保しておく事が必要である。
このため、バタフライアンテナは５素子エレメントを必要とし、２０〜２５ｄｂを確保する様心得て準備する。この様にしてフェージング対応を実施する。【００２７】この５素子バタフライアンテナの採用はアンテナ高を著しく高くしなくても“開かれた自由空間”（４〜５ｍ程度地上より高さ）があれば動作し、地上波電界３５〜４０ｄｂμにおいて電界出力レベル６０〜６５ｄｂμを出力し、同軸ケーブル２０ｍにおいて５ｄｂなので６０ｄｂμが受信電界レベルとなる。【００２８】次に、地上波電界レベルについての計算をする。
参考例として
▲１▼福島市渡地区をＡ
▲２▼福島県郡山市富田地区をＢとして、減衰量の計算をする。
Ａ：福島市
▲１▼送信所からの距離２５Ｋｍ
▲２▼見とおし内であって障害物は存在しない。よってフレネルゾーン領域の損失はない。
Ｂ：郡山市
▲１▼送信所からの距離３０Ｋｍ
▲２▼見とおし図からフレネルゾーン領域を計測すると三重ナイフエッジである。
送信所笹森山標高：６５０ｍ送信電力３ＫＷ
条件：いずれもデジタルＵＨＦテレビの受信チャンネル１３〜３０ＣＨである。
詳細な部分は省略し、概説として、実測値よりまとめたものである。よって、実測値ときわめて一致しており問題はない。
【実施例２】
【００２９】三素子バタフライアンテナの動作例について概説する。図１参照１
条件
１）アンテナの高さ４．５ｍ
２）開かれた自由空間において、障害物（電波伝播）がないこと。
３）アンテナの利得Ｇ＝１５．５Ｇ′＝２０〜２４ｄｂ
４）フレネルゾーン領域において、ナイフエッジ１段について対応。
５）ハイトパターン、フレゾン領域及び減衰において、理想的なアンテナ設定の選定位置を決定すること。
６）出力電界レベルは５０〜５５ｄｂμを確保する。
アンテナ利得、地上波電界レベル、同軸ケーブル損失（２０ｍにおいて４〜５ｄｂ）を含めて、最低限において５５ｄｂμは確保される。【００３０】１）送信所からの距離    ｄ＝１５Ｋｍ
２）送信電力    ２０Ｗ  λ＝０．６ｍ
３）ナイフエッジ１段  フレネルゾーン    １００ｍを越える
４）フレネルゾーン半径    ｈ＝４７ｍ
0003166494.tif 000003
損失は、ナイフエッジ１段として      地上波電界レベル＝６６ｄｂμ
0003166494.tif 000004
よって総合電界レベルは：Ｇ′
0003166494.tif 000005
アンテナ利得  Ｇ＝２１ｄｂとして  同軸ケーブル損失５ｄｂとして
Ｇｏ＝４８ｄｂμ＋２１−５＝６４
出力受信電界レベルは  Ｇ＝６４ｄｂμとして求められる。
付記：ナイフエッジは丘嶺地である。ナイフエッジ２段においては３６ｄｂμであるが、
Ｇｏ＝２１−５＋３６＝５２ｄｂμで、一応受信は可能である。しかし、ナイフエッジ１段が理想的である。
付記：フレネルゾーンは回転楕円体を形成する。このため、この高さｈは、フレネルゾーン半径と称される。【００３１】  Ａ：福島市渡利地区周辺の地上波電界レベル：ｅ
0003166494.tif 000006
見とおし内であるのでフレネルゾーン損失はない。
Ｂ：これに対して郡山市富田地区は見とおし内であるものとして地上波電界レベルは
地上波電界レベルは
0003166494.tif 000007
直接波としての電界レベル
で、両者はほぼ同一である。しかし郡山市は３重ナイフエッジが存在するから概算すると、【００３２】  そのフレネルゾーン領域の計算をすると、損失をＬとして
ナイフエッジの損失係数は
0003166494.tif 000008
となり、直接波の約１／１２８に減衰する。したがって、
0003166494.tif 000009
地上波電界レベルは、ｅ２Ｇ＝３９．６ｄｂμとなる。よって、ナイフエッジ３段の減衰は大幅に減少している事がわかる。したがって、アンテナ利得はこの場合“２０〜２５ｄｂ”必要と考えられる。地上波電界レベル約４０ｄｂμは実測して観測され、現状を示すデータである。【００３３】  上記のデータよりバタフライアンテナにおいて、
ナイフエッジ３段において  ５素子  ２０〜２５ｄｂを使用する。
0003166494.tif 000010
よってバタフライアンテナ３素子（１８〜２２ｄｂ程度）で充分である。尚この計算法は実験上の近似式であって詳細の理論的根拠に基づくものではない。しかし実測値と一致する。尚ナイフエッジ２段においても開かれた自由空間であれば、充分なる地上波電界レベル約５２ｄｂμを確保するので、バタフライ３素子アンテナで必要な電界出力レベルが得られ動作する。【００３４】  郡山市富田町地区“開かれた自由空間である”
郡山市の測定データ実測値                                      （山岳回折３段）
１）アンテナ地上高      ４．５ｍ    ５）フレネルゾーン領域    ３重ナイフエッジ
２）送信所からの距離    ３０Ｋｍ    ６）損失係数            １／１２８
３）送信電力            ３ＫＷ      ７）地上波電界レベル    ９５μＶ
４）直接波の電界レベル  １２ｍＶ    デシベル換算  （４０ｄｂμ）
デシベル換算  （８２ｄｂμ）
８）使用されたアンテナ    ５素子バタフライアンテナ（利得２０〜２５ｄｂ）
９）フレネルゾーン領域は１３４ｍである。半径は６７ｍである。
▲注▼尚フレネルゾーンの幅はその半径で表わされ、回転楕円体の半径と言われる。
0003166494.tif 000011
フレネルゾーン領域は半径の２倍で、全領域であり約１４０ｍである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】  考案の趣旨はフレネルゾーン領域の３重ナイフエッジ、山岳回折、多重路伝播の形態や減衰システム、これによる弱電界領域のアンテナシステムに対応する、アンテナ利得や特性について、その性能の向上について概説するものである。ｐ＝ＥＨの捕捉性、蓄積効果、アンテナの実効面積の向上は、アンテナ網システムの伝送を改善し、電力密度を出力電界レベルに交換する重要な要素である。よってこのアンテナの利用分野は主としてＵＨＦ帯の弱電界レベル（約３０ｄｂμ〜４０ｄｂμまで）に限定され、この領域において効果的特性を発揮する。【００３６】したがってその利用範囲はＵＨＦ帯の弱電界地域であって、応用分野は次の通りである。
１）ＴＶ受信アンテナ                    ６）気象テレメータ
２）ケイタイ電話用アンテナ              ７）業務用通信
３）衛星間の通信                        ８）公害監視用テレメーター
４）アマチュア無線                      ９）鉄道車両、駅間通信
５）無線ＬＡＮ
などが考えられる。
〔量産に対する適応性〕【００３７】  このアンテナ系システムは、小型、軽量、高利得、安価、耐久性、風圧モーメントに強固である。又、工作面から見ると、工作しやすい。部分品としてまとめやすい。組立しやすいなど、量産に適している。
特殊ステンレス鋼はプレス加工において生成され、量産しないと入手しにくい。
又λ／２単一ダイポールも補助的手段として応用可能であるが、実効面積がπ／２であり、放射ビームはドーナツ状に分布して分散しやすい傾向性を有するから、その特性を配慮して適応する場所に効果的に配置する。
【符号の説明】
【００３８】▲１▼導波器    Ｌ１〜Ｌ２
▲２▼放射器    λ／２
▲３▼反射器    Ｌ３〜Ｌ４
▲４▼取付台【００３９】
0003166494.tif 000012
0003166494.tif 000013
測定データ付記
１．アンテナ利得計算表
Ｇ＝４π＋π／２＝４．５π＝１４      Ｇ′＝２３ｄｂ
0003166494.tif 000014
３．図１において、導波器は容量性を含むので  Ｌ１＝Ｌ２＝０．９５×６０＝５７ｃｍ
とするのが一般的である。（５％短くする）
反射器は誘導性となるので  Ｌ３＝Ｌ４＝１．０５×６０＝６３〜６５ｃｍ
とするのが一般的である。（５％〜１０％長くする）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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