【手続補正書】
【提出日】平成21年9月21日(2009.9.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】短縮アンテナ
【技術分野】
【０００１】
この発明は主に短縮されたアンテナの利得向上を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来短縮アンテナに於いて、如何に利得向上を計るかということが研究実施されてきた。多くの場合短縮のためにアンテナ・エレメントの途中にコイルを挿入するのが一般的手法であり相当研究されてきた。しかしながらアンテナ長を半波長の１０％程度まで短くすると極度に輻射抵抗が小さくなり短縮用コイル内での消費電力の割合が飛躍的に増大し実用的でなくなる。輻射効率が１０％以下になることも珍しくない。
【０００３】
すなわち、従来の上記短縮法では共振特性から言ってかなり大きな容量性を呈すために、これを相殺するための誘導性素子すなわちコイルを挿入する必要がある。大きな容量性であればある程、すなわち短縮すればする程大きなインダクタンスをもったコイルを挿入する必要がある。加えて大きいインダンタンスをもったコイルは一般的にＱを大きくすることは非常に困難になり電力ロスの原因である。その上アンテナ・エレメント上の電流とコイルに流れる電流は同じであるため本発明に比し不利である。また短縮すればする程共振電流は大きくなり電力ロスも増えるのである。
【０００４】
しかしながら短波帯及びそれより低い周波数を使用する通信では、依然アンテナの小型化に根強い要請がある。これらの周波数帯でのアンテナはやはり大型化しやすく持ち運びが困難か不可能な場合も珍しくない。その上設置さえ困難な場合も多々ある。
【０００５】
このような要請に応えるためには、小型にも拘わらず輻射抵抗を大きく出来るアンテナを開発し高効率化を図る必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
アンテナ設計法  ＣＱ出版社  ７９〜８６項
DETECH社ホームヘ゜ーシ゛Super Rad  アンテナ動作原理
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来より短縮アンテナ利得向上法が考案されているが特に短縮率が大きいと利得の低下が著しく実用的でなくなる。この問題が本発明で解決しようとする問題である。別な言い方をすれば小型にもかかわらず如何に輻射抵抗を大きくできるかが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の共振コイル１を導体２の近くに位置し、１より発せられた磁束に交錯するように設置してあると２には誘導電流又は二次電流に比し１に流れる電流は非常に小さく出来、１で消費される電力を少なく抑えることができる。すなわちコイルのＱはωL/Ｒで表され、コイル内で消費される電力はコイルに流れる電流をｉとすればｉの自乗とＲとの積で表される。よってｉを小さく抑えることは重要である。
【０００９】
導体２に高周波電流が流れると形状が小さい割には大きな輻射抵抗が伴いこれをアンテナに応用出来ることが発明者によって発見され、半波長の１０分の１以下に短縮された小型アンテナにもかかわらず非常に効率の良いアンテナとなる。
【発明の効果】
【００１０】
とりわけ短縮された小型アンテナの効率を向上させ短縮されていない大型アンテナと同等の性能に出来ること。理論的には微少ダイポールも短縮されていない半波長ダイポールもその性能差は僅少であることが証明されている。すなわち効率さえ１００％近くに出来ればどんなにアンテナを小型化しても性能を損ねることはない。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の第１実施の形態に係るアンテナ利得向上機構１を、図１及至３より説明する。図１は実施例の典型である。導体２、コイル１、導体３は共振回路を構成する。
【００１２】
短縮されたアンテナの輻射抵抗は短縮されていないアンテナに比し非常に小さく効率の低下をまねくものである。なぜなら一般的にアンテナを短縮するにコイルをアンテナ・エレメントの途中に挿入する手法を利用するが、そのＱに限りがあるために供給電力のうち多くがコイルに消費されてしまうからである。
【００１３】
本発明ではそのような手段はとらず、コイル１の近傍に導体２を設置し、さらに間隔を設けて導体３を設置する。２と３との間に形成される静電容量と１は共振回路を形成することになる。
【００１４】
２は１による磁界が十分に交錯する位置に設置されているため、共振周波数付近の高周波電力を同軸ケーブル５と結合コンデンサ４を等して供給すると２に大きな誘導電流又は二次電流を生じさせることになる。
【００１５】
この誘導電流又は二次電流は変圧器の二次側短絡によく似ており２の円周上には１に流れる電流よりも大きな電流が流れることになる。本発明の場合は高周波を対象としていることから漏れインダクタンスのために所謂変圧器程には大きな電流は流れないが、この効果は非常に大きく２に流れる誘導電流又は二次電流は大きな電流を供給出来ることになる。また相対的に１に流れる電流は小さくてすむ。このことは非常に重要で１で消費される電力は小さく効率が高いことを意味する。加えて誘導電流又は二次電流には以外に大きい輻射抵抗を伴うことが分かり大いに効率を上げている一つの理由である。
【００１６】
２に流れる誘導電流又は二次電流７は２の底部に多く発生するが、２の上方近傍との電位差が発生するために２の上方へと逐次的に分布するようになる。このように円周状の電流が２全体に渡り分布していることは、ある速度で移動していることを意味する。またシリンダに対して垂直方向の磁界を観測出来ることから、電流の輪が移動していることを意味している。この電流の輪の移動は非常に輻射抵抗を大きくする効果が絶大であることが゜発明者によって発見された。
【００１７】
一つの電流の輪当たりの輻射抵抗は非常に小さい。しかし、電流の輪と輪との間には相互インピーダンスが存在し互いに影響を及ぼし合う。この影響は電流の向きに反対方向に逆起電力という形で現れることになる。この逆起電力による電位差が電磁波の電界の源である。またこの逆起電力と電流との積が電磁波の輻射電力である。
【００１８】
電流の輪の間隔をｃ導体２の半径をａとすれば次式が成り立つ。第２式と第３式はそれぞれ第一種完全楕円積分、第二種完全楕円積分と呼ばれる式で解析的には解けないので専ら数表を使うか数値解析を利用することが多い。数式４は相互インダクタンスを表す。数式５は電流の輪が移動した時の等価的相互インダクタンスである。数式６は電流の輪の電流値がＩである時の他の電流の輪に生ずる逆起電力を表す。この式で電流Ｉを１とおき、この値とＲ１が同じになる条件から輻射抵抗を得ることが出来る。Ｒ１は損失抵抗、輻射抵抗を含めた電流路に存在する抵抗で、βは２π／λ・ｃである。
【００１９】
【数１】
2008042866.tif 000001
【００２０】
【数２】
2008042866.tif 000002
【００２１】
【数３】
2008042866.tif 000003
【００２２】
【数４】
2008042866.tif 000004
【００２３】
【数５】
2008042866.tif 000005
【００２４】
【数６】
2008042866.tif 000006
【００２５】
相互インピーダンスは数式５によって表されるが、他の電流の輪との相対速度に比例して大きくなることが分かる。さらに、１による変圧器の原理と同様インピーダンス変換機能、及び共振用キャパシタンスによって更に一次側から見たインピーダンスは大きくなる。このインピーダンス変換機能によって少なくとも１０倍にもなるために、１に流れる電流を小さく抑えることが出来、高効率なアンテナとなるのである。
【００２６】
従来のアンテナは長い導線上に共振電流を流しその電磁界によって動作するものであったが、本発明では共振コイルと共振容量と誘導電流又は二次電流発生機構によるもので本質的な相違がある。この誘導電流又は二次電流の輻射を発明者はアンテナに応用出来ることを発見した。
【００２７】
確かにアンテナとして動作しうる事の証拠が図２に示されている例である。この例ではコイル１と導体２とは磁気的結合が主である。若干の容量結合もあるが、このことが原因となる電磁波の輻射は考えられない。この例にのっとって制作したアンテナは非常によく動作し実際の通信にも十分に利用出来ることが実証されている。導体２に発生した誘導電流又は二次電流による電磁波の輻射に他ならない。
【００２８】
この動作について図４で更に詳しく説明する。給電用同軸ケーブル５に高周波電源を接続すると１に電流が流れ磁界８が発生する。次に導体２を１の近傍に設置すると２には７の誘導電流又は二次電流が流れる。この誘導電流又は二次電流による磁束を相殺するために１には負荷電流という形でより大きい電流が流れる。これが、２への電力の供給源である。これも変圧器の原理と同様である。
【００２９】
しかし、相殺と言っても励磁電流による磁束１１は依然存在しなければならない。変圧器の原理と同様である。また２に流れる電流７による磁束１２は実は１にも交錯するが、これを相殺するように１に電流が流れるために図示していない。この電流分が消費電力の源であり負荷電流となる。
【００３０】
２から垂直に磁界が発生しているように図示してあるのは、２の上の電流７が上方へと移動するために発生している様子を表している。このため２全体に７が分布することになり大きな輻射抵抗の:原因となっている。
【００３１】
この現象はあたかも長い距離高周波電流をながしたのと等価である。輻射抵抗が大きいとは、少ない電流を長い距離流した場合であり大型アンテナに相当する。逆に輻射抵抗が小さいとは、大電流を短い距離流すことであり短縮アンテナに相当する。
【００３２】
本考案によれば、小型アンテナにも拘わらず等価的に大型アンテナと同様の大きな輻射抵抗が得られ高効率なアンテナを実現出来ることが分かる。
【００３３】
例えば、２の厚さ０．１ｍｍ、直径９０ｍｍ、長さ００ｍｍ程度、動作周波数３．５ＭＨｚ、入力電力１００Ｗの条件で動作させた場合、２及び１の発熱は２と１の境界付近が僅かに温度上昇がある程度である。２と同様のものにヒータ等で加熱して同程度の発熱状態にした時のヒータの消費電力は１０Ｗも満たないものであった。精度の高い試験ではないが、最低でも８０％以上の効率が実現出来ていると言える。実際に半波長ダイポール・アンテナと比較すると前方利得−３ｄＢから−６ｄＢを観測できる。約１０°程度上方では０ｄＢと−３ｄＢを観測出来ることから、半波長ダイポール・アンテナとは輻射パターンが異なり若干上方向の輻射が多いが、大型アンテナに匹敵するほどの効率であることが分かる。
【００３４】
導体２及び３は円筒状のアルミニュームや銅を使用する。空隙を設けて静電容量を形成させることが目的である。１から３に至るまで直線上に配列させるのが作りやすい。これらの支持には１３の塩化ビニール製パイプ等の樹脂製をつかう。コンデンサ４は高周波電力用コンデンサを使う。マイカコンデンサやチタンコンデンサが適当である。４は必ずしも必要ではない。コイルは直径２ｍｍ程度の太さのエナメル線やホルマール線を捲いたものを使う。
【００３５】
図２は第２実施例である。２と３で形成される静電容量の代わりに固定コンデンサ６を付加したものである。３が無い分より小型化が可能である。またこの場合には１と２は電気的に接続する必要はない。物理的に接続しても構わない。１の捲き数が十分に多く線間容量による自己共振周波数を利用出来る場合は６を省くことが出来る。
【００３６】
図３は第３実施例である。中空状導体２の中に別の導体９を挿入したもので９は１に接続されている。９と２との間に静電容量が生成され、これが共振用容量として動作する。９を上下に動かせば静電容量が変化し共振周波数も変動する。このことを利用し共振周波数を調整出来るようにしたものである。
【００３７】
１５のナットは１４のささえ板によって９及び１０の導体製支柱が落下するのを防ぐと同時に、１５を回転させることにより９及び１０を上下させアンテナの中心周波数を調整出来るようにしたものである。１６は９が上下する際に中心からずれるのを防ぐためのガイドで絶縁体で作ってある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
図１  実施例１を示す構成図
図２  実施例２を示す構成図
図３  実施例３を示す構成図
図４  原理図
【符号の説明】
【００３９】
１  共振コイル
２  誘導電流又は二次電流発生用導体
３  共振容量形成導体
４  結合コンデンサ
５  給電用同軸ケーブル
６  共振用固定コンデンサ
７  二次電流の様子
８  コイル１により発生した磁界の様子
９  静電容量形成用導体
１０  導体製支柱
１１  コイルによる励磁電流分による磁束
１２  導体２に流れる電流７による磁束
１３  アンテナ形成用絶縁支柱
１４  周波数調整棒ささえ金具
１５  周波数調整用ナット
１６  周波数調整導体ガイド