(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側の交差点が互いに電気的に接続され、下側の交差点が給電点とされた直交ループアンテナ素子と、
上記直交ループアンテナ素子の両ループ面の交差線上に位置され、上側が直交ループアンテナの一方の交点と電気的に接続され、下端が給電点とされた垂直アンテナ素子と、
使用周波数帯域に応じて切替制御信号により制御され、上記直交ループアンテナ素子の各給電点を、合成回路の入力端子と上記垂直アンテナ素子の給電点とに切替え接続すると共に上記合成回路の出力端子と上記垂直アンテナ素子の給電点とを受信機に切替え接続し、上記合成回路の出力端子を受信機に切替えると上記垂直アンテナ素子の給電点を接地するアンテナ切替え回路と、
上記入力端子の入力を平衡−不平衡変換すると共に合成して上記出力端子へ出力する上記合成回路と
を具備する方向探知用受信アンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載した方向探知用受信アンテナの複数個が円上に等間隔で配置され、
上記各方向探知用受信アンテナの上記受信機が上記円の中心部に設けられ、
これら受信機の受信出力が方向探知処理されて電波の到来方向を探知する方向探知用アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えばミュージック（ＭＵＳＩＣ）法による電波方向探知装置にように複数のアンテナを用いる場合に適し、かつ探知周波数帯域が広い装置に適する方向探知用受信アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
方向探知装置のアンテナ装置として、探知周波数帯域を広くするためには、例えば図９に示すように、複数の直径が大きい低域用の直交ループアンテナ１１と複数の直径が小さい高域用の直交ループアンテナ１２とを同一の円１３上に交互に等間隔で配置していた。高域用の直交ループアンテナ１２を、図中に内側の破線で示す円１４上に配置する場合もある。このように物理的に大きさの異なる２種類のアンテナを分離して用いていた。例えば受信周波数１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚには、直交ループアンテナ１１の直径を４ｍとし、１０ＭＨｚ〜３０ＭＨｚに対しては直交ループアンテナ１２の直径を１．６ｍとする。なお円１３の中心部に受信機局舎１５が設けられ、各アンテナの受信信号が受信機局舎１５内の受信機に供給され、方向探知処理がされる。各直交ループアンテナ１１，１２の２つのループ面の交差線に両ループを支持する支柱１６，１７がそれぞれ設けられている。
【０００３】
この発明のアンテナの特性と比較のために、直交ループの直径を４ｍ＝０．６ｈ、円管直径を０．００７６ｈとした場合の仰角をパラメータとした受信電力の１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚにおける周波数特性の例を図１０に示す。破線は各周波数についてインピーダンス整合をとった受信最大有能電力特性であり、実線はアンテナを周波数に依存しない回路（伝送路）を介して受信する場合の特性である。なお支柱の直径は０．００７６ｈであり、大地の比誘電率を１５、導電率を０．００５ｍｈｏｓ／ｍとした。この大地の特性は以下の全ての特性計算にもこれを用いた。
【０００４】
方向探知用受信アンテナとして一端を接地した垂直アンテナ（ホイップアンテナ）を用いる場合もある。この場合の仰角をパラメータとした受信電力の１ＭＨｚ〜３１ＭＨｚにおける周波数特性の例を図１１に示す。アンテナの長さｈを６．６ｍ、直径（太さ）を０．０１１ｈとした場合である。周波数が低くくなると受信電力が低下し、仰角が大き（電波の到来方向が大地に対し垂直に近い）くなると受信電力が低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
物理的寸法が固定されている単体の接地形垂直アンテナやループアンテナは狭帯域アンテナとしての受信特性を示し、一部の受信周波数以外は受信電力の低下を招いている。広帯域受信において受信電力を低下させないためにはこの帯域を分割し、各受信周波数領域に合わせた寸法の異なる別々の接地形垂直アンテナやループアンテナを設置しなければならなかった。よって設置場所を新たに確保する必要が生じている。設置場所の広さに制限がある場合は広大とはいえない敷地内に大きさの異なるアンテナを近接配置することになり、アンテナ間の相互干渉が生じ受信アンテナ単体としての受信特性を満足するものになっていない。さらに、接地形垂直アンテナでは高仰角からの到来電波に対して受信電力が低下しやすい問題が生じている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば直交ループアンテナ素子と垂直アンテナ素子とが一体化されている。垂直アンテナ素子は直交ループアンテナ素子の両ループの面の交差線上に位置し、下端部が給電点とされ、上側の部分で直交ループの両ループの上側交点と電気的に接続される。直交ループアンテナ素子の下側の交点が給電点とされ、この給電点は第１切替スイッチにより合成回路の入力端子と、垂直アンテナの給電点とに切替え接続される。また合成回路の出力端子と垂直アンテナの給電点とが第２切替スイッチにより受信機に切替え接続できるようになされている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２にこの発明の実施形態を示す。この発明では直交ループアンテナ素子２１と垂直アンテナ素子２２とが一体に設けられる。直交ループアンテナ素子２１は同一直径の円形ループ２１ａと２１ｂとがそのループ面を直交させ、かつその交差線は両ループ２１ａ及び２１ｂの直径が共通となるようにされ、この共通の直径が大地２３に対し垂直とされ、ループ２１ａ，２１ｂの上側の交点２４は互いに電気的に接続され、下側の交点は互いに接続されることなく給電点とされ、つまり給電端子２５ａ，２６ａと２５ｂ，２６ｂとされている。
【０００８】
垂直アンテナ素子２２はループ２１ａと２１ｂのループ面の交差線、つまり前記共通の直径上にこれに沿って配され、その下端は給電点２７とされ、上側の部分で直交ループアンテナ素子２１と電気的に接続される。この例では垂直アンテナ素子２２の長さは直交ループアンテナ素子２１の直径より長く、垂直アンテナ素子２２の下端は直交ループアンテナ素子２１の下側の交点とほぼ一致し、上端は直交ループアンテナ素子２１より上方に突出している。この例では垂直アンテナ素子２２は直交ループアンテナ素子２１の支柱も兼ねている。垂直アンテナ素子２２の長さは直交ループアンテナ素子２１の直径と等しくてもよい。
【０００９】
直交ループアンテナ素子２１の給電点２５ａ，２６ａ，２５ｂ，２６ｂは切替スイッチ２８ａ，２９ａ，２８ｂ，２９ｂにより合成回路３１の入力端子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと、垂直アンテナ素子２２の給電点２７とに切替え接続される。合成回路３１は直交ループアンテナ素子２１の２対の平衡給電点２５ａ，２６ａと２５ｂ，２６ｂを不平衡系に変換すると共に両ループ２１ａ，２１ｂの受信信号を合成して出力端子３１ｅに出力するものである。
垂直アンテナ素子２２の給電点２７は切替スイッチ３２により切替スイッチ３３の一方の固定接点３３ａと接地端子３４に切替え接続され、切替スイッチ３３により合成回路３１の出力端子３１ｅと固定接点３３ａとが受信機３５に切替え接続される。切替スイッチ２８ａ，２９ａ，２８ｂ，２９ｂ，３２，３３によりアンテナ切替回路３６が構成され、制御端子３７よりの切替制御信号により、これら切替スイッチが連動制御され、直交ループアンテナ素子２１が受信機３５に接続された状態と、垂直アンテナ素子２２が受信機３５に接続された状態とに切替えられる。またこのアンテナ切替回路３６により直交ループアンテナ素子２１が受信機３５に接続された状態で垂直アンテナ素子２２は接地され、垂直アンテナ素子２２が受信機に接続された状態で直交ループアンテナ素子２１の給電点２５ａ，２６ａ，２５ｂ，２６ｂは垂直アンテナ素子２２の給電点２７に接続される。
【００１０】
図１に示すように、直交ループアンテナ素子２１の下端及び垂直アンテナ素子２２の下端部は切替部収納筐体３８に固定され、切替部収納筐体３８は支持部材３９により大地２３上に固定された基礎台４１上に固定される。切替部収納筐体３８内には合成回路３１及びアンテナ切替回路３６が収納され、支持部材３９にアンテナ受信信号伝送用線路及びアンテナ切替回路３６に対する切替制御信号線路よりなるケーブル４２の一端が接続されている。筐体３８上で直交ループアンテナ素子２１の各給電点、垂直アンテナ素子２２，筐体３８が絶縁体４３により相互に電気的に絶縁される。この絶縁体４３が設けられた部分は防水処理が行われる。筐体３８自体は大地２３と電気的に接続されている。
【００１１】
切替スイッチ２８ａ，２９ａ，２８ｂ，２９ｂ，３２，３３としては、例えばピンダイオードを用いた電気的高速切替え可能なものが好ましい。必要に応じて垂直アンテナ素子２２と大地２３との間に絶縁された支線を張って自立アンテナとしてもよい。また合成回路３１の合成信号を必要に応じて帯域通過フィルタに通して不要帯域の成分を除去したり、高周波増幅器により増幅したりする場合に帯域通過フィルタ又は／及び高周波増幅器を筐体３８に収納してもよい。図２中に破線で示すように切替スイッチ３３と受信機３５との間には、インピーダンス整合回路４５が挿入されるとしても、目的とする探知周波数帯域においては周波数に依存しない特性のもので、受信周波数ごとにインピーダンス整合回路４５の調整は行わない。
【００１２】
次に電子計算機シミュレーションによる実験結果にもとづき、この発明のアンテナの特性を説明する。
受信波長が垂直アンテナ素子２２の高さｈの０．０２倍から０．６８倍までの範囲で、受信アンテナの入力インピーダンスに対し理想的な複素共役となるインピーダンスで整合回路を構成したときの受信電力（受信最大有能電力）と、５０Ωの負荷抵抗で整合した場合の受信電力を到来電波の仰角が２０度から２０度おきに８０度まで変化した場合について計算した。到来電波は理想的な垂直偏波面を持つと仮定し、また受信電力には直接波と大地より反射する反射波の影響が含まれている。電波の到来方位により、直交ループアンテナ素子２１に誘起される電流が異なってくるが、合成出力としてはほとんど変化しない。そのため直交ループアンテナ素子２１については一方のループ面に沿った固定された到来方向を想定して片側のループ出力のみ計算に用いた。計算はアンテナ素子を格子線網に置き換え（ワイヤグリッドモデル）、線状素子は線に沿って分割し、ループアンテナは概略１２角形の線状要素の集まりとみなしたうえでモーメント法を適用した。
【００１３】
受信電力は次のようにして計算した。それぞれのアンテナ形状に対して受信負荷インピーダンス（Ｚ1 ＝Ｒ1 ＋ｊＸ1 ）を（５０＋ｊ０）Ωとし、各受信周波数並びに各到来電波の仰角方向での負荷に生じる誘起電流（Ｉ＝Ｉ0 ＋ｊＸi ）をモーメント法により求める。次に同方法により各受信周波数に対する各アンテナ形状での入力インピーダンス（Ｚin＝Ｒin＋ｊＸin）を求める。これより受信開放電圧（Ｖ＝Ｖ0 ＋ｊＸv ）は次式で計算される。
0003887224.tif 000002
ある１つのアンテナ形状において、異なる受信負荷インピーダンスに対しては異なる誘起電流が算出されるが、受信開放電圧の値としては同一である。負荷に供給される受信電力Ｐは次式となる。
【００１４】
Ｐ＝Ｉ2 Ｚ1 ＝Ｖ2 Ｚ1 ／（Ｚin＋Ｚ1 ）2 ＝（Ｖ0 ＋ｊＸv ）2 Ｒ1 ／（（Ｒin＋Ｒ1 ）＋ｊ（Ｘin＋Ｘ1 ））2 
この式を変形すると次式となる。
Ｐ＝Ｖ2 ／（（Ｚin＋Ｚ1 ）2 ／Ｚ1 ）＝Ｖ2 ／（（（Ｚin−Ｚ1 ）2 ＋４Ｚin Ｚ1 ）／Ｚ1 ）＝Ｖ2 ／（（（Ｚin−Ｚ1 ）2 ／Ｚ1 ）＋４Ｚin）
よって電力を最大にする条件はＺin＝Ｚ1 であり、負荷インピーダンスＺ1 がアンテナ入力インピーダンスＺinの複素共役数（共役整合）のとき、すなわち、Ｒin＝Ｒ1 、Ｘin＝−Ｘ1 であるときアンテナから負荷に取り出し得る最大電力が得られる。従って受信最大有能電力Ｗa は、
Ｗa ＝Ｖ2 ／４Ｒin＝（Ｖ02＋Ｘv2）／４Ｒin
となる。受信（最大有能）電力を１ｍＷ＝０ｄＢｍとして対数に変換した。受信最大有能電力と受信電力の差が不整合損に相当する。
【００１５】
モーメント法での具体的な計算上の値はアンテナの高さｈを６．６ｍとし、受信周波数（ｈ／λに相当）は１ＭＨｚから３１ＭＨｚまでとし、到来電波の電界強度は各周波数とも１Ｖ／ｍで、垂直偏波を想定した。
図１及び図２に示したアンテナを垂直アンテナ素子２２による受信状態として、上述したようにして求め、受信最大有能電力と受信電力を図３に前者を破線で後者を実線で示す。垂直アンテナ素子２２の直径φを０．０１１ｈ、直交ループアンテナ素子２１の直径を０．６ｈ（円管直径を０．００７６ｈ）とした。図１１に示した受信電力特性は、従来の接地形垂直アンテナのもので、図３の計算に用いたアンテナから直交ループアンテナを除去した場合に相当する。直交ループアンテナを除いては図３に示した特性を求めた条件と全て同一である。
【００１６】
これら両図の比較を行うことにより、周波数が高い（波長がアンテナの高さｈの０．４倍以上）ほど、この発明のアンテナのほうが全ての到来電波の仰角方向で５〜１０ｄＢ程度受信電力が大きいことが明らかである。
次にこの発明によるアンテナを直交ループアンテナ素子２１による受信状態として、前述したようにして求めた受信最大有能電力と、受信電力を図４に示す。ループ直径、その円管直径は図１０に示した特性を求めたものと同一とし、その他の実験条件も同一とした。
図４と図１０の比較により中央の支柱を接地形垂直アンテナとして構成したこの発明のものと、垂直アンテナとしない従来のものとで、ほとんど受信電力に差がないことが判明する。ここでいう受信電力は直交する２つのループ出力の合成出力である。従って、中央支柱１６を、受信波長を考慮した長さを持つアンテナ素子２２として利用したとしても、ループアンテナ素子２１の受信電力が影響を受けることがないといえる。よって直交ループアンテナ素子２１と垂直アンテナ素子２２がそれぞれ独立に使用できる。すなわち、これらを受信領域を分割して、広帯域の方向探知に利用できる。
【００１７】
この発明のアンテナによれば到来電波の仰角情報により直交ループアンテナ素子２１と垂直アンテナ素子２２とを切り替えて大きな受信電力を得ることができることを以下に示す。
この発明のアンテナにおいて、垂直アンテナ素子２２の受信電力特性（図３）と、直交ループアンテナ素子２１の受信電力特性（図４）との比較により、各到来電波の仰角にかかわらず、低い周波数領域、例えば１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚでは直交ループアンテナ素子２１の受信電力が、垂直アンテナ素子２２の受信電力より大きく、高い周波数領域、例えば１０ＭＨｚ〜３０ＭＨｚでは逆に垂直アンテナ素子２２の受信電力が直交ループアンテナ素子２１の受信電力より大きい。よって、この両アンテナ素子２１と２２を切り替えて使用することで広帯域アンテナとして使用できる。
【００１８】
この発明のアンテナを例えば７本、あるいは５本用いたＭＵＳＩＣ方式の方向探知用受信アンテナに適用した場合に、一旦捕捉された受信電波の仰角情報に応じて大きな受信電力が得られるように垂直アンテナ素子２２又は直交ループアンテナ素子２１の何れかに切り替えることにより安定した電波の捕捉が可能となる。
広帯域受信が必要な方向探知用のアンテナにおいて、従来は受信周波数領域を２つに分割した場合、図９に示したように２種類のアンテナが必要であったが、この発明のアンテナにより、一方のアレーアンテナ群が不要になり、アンテナの配列用の直径が同一でもアンナテの間隔が拡がるため相互干渉が防げる。よって設置場所を拡げずに受信領域の広帯域化が可能となる。
【００１９】
図９に示すように受信周波数領域によって、直径の異なるループアンテナ１１と１２を７本づつ、計１４本を同一の円１３上に配置した方向探知用受信アンテナ装置において、低周波領域を受信する直径の大きなループアンテナ１１による測定方位誤差値と、この発明によるアンテナの７本を同一直径の円１３上に配置した方向探知用受信アンテナ装置における直交ループアンテナ素子２１による測定方位誤差値とを求めて、アンテナ間相互干渉の状況を比較する。方位誤差計算においてアンテナ配置円１３の直径を１０ｈ、受信周波数（ｈ／λ）を０．２６４、到来電波方向の方位を３０度おきとし、仰角は全て１０度とした。
【００２０】
その結果、この発明アンテナを用いたものに対し図５Ａに、図１０に示した従来のものに対し図５Ｂにそれぞれ示す。到来電波の方位方向の誤差は両者ほとんど同じであるが、同じ仰角の到来電波でも図５Ｂに示す従来装置のほうが大きな誤差となっている。すなわち、アンテナがアレー群として密集している従来装置においては、誤差の絶対値には大きな差がないが、その範囲が全体にわたって偏っていることが判明する。
次に、この発明のアンテナ７本を円周配列し、その１本の直交ループアンテナ素子２１において、配置円周の周方向に沿ったループの指向特性と、図１０に示したループアンテナ１４本の円周配列における同様のアンテナの指向特性とを求めた結果とを図６に示す。図中の０度はアンテナ配置円１３の中心方向である。図中の曲線６１はこの発明のアンテナを用いたもの、曲線６２は図１０に示した従来のものの各特性である。いずれも遠方界電界強度のうち仰角５度における全方位の指向特性であり周波数（ｈ／λ）を０．３０８とした。
【００２１】
図６に示した指向特性において２７０−０−９０度方向の指向特性曲線と、９０−１８０−２７０度方向の指向特性曲線とで状況が曲線６１と曲線６２の何れも異なっているのが判る。これはどちらのアンテナも０度（配列円の中心方向）には多くのアンテナが存在するために、外側（１８０度方向の曲線）に比べ、アンテナ間相互干渉の割合が大きいためと考えられる。相互干渉がなければ２つの円形を８字状に配した指向特性になるが、曲線６１のほうがその２つの円形８字状配置特性に近い。よってこの発明のアンテナを用いることにより同じ直径の配列円でも相互干渉が小さくなる。
【００２２】
なお図１及び図２に示した構成において、垂直アンテナ素子２２の受信信号を受信機３５へ供給する際に、直交ループアンテナ素子２１の給電点２５ａ，２６ａ，２５ｂ，２６ｂを互いに接続するが、垂直アンテナ素子２２の給電点２７に接続しない状態の受信電力特性を前述と同様に求めた。その結果は図７に示すようにｈ／λ＝０．２〜０．３の範囲で受信電力が著しく低下する。よってこのような接続状態では使用することはできない。
また直交ループアンテナ素子２１の各給電点２５ａ，２６ａ，２５ｂ，２６ｂの何れもどこにも接続することなく、開放状態として、垂直アンテナ素子２２の受信信号を受信機３５へ供給する場合の受信電力特性を前述と同様に求めた。その結果は図８に示すようにｈ／λ＝０．２５〜０．３５の範囲で受信電力が著しく低下する。よってこのような接続状態では使用することはできない。
【００２３】
直交ループアンテナ素子２１のループの直径は使用波長の１波長以下であればよく、かつ直径が大きい程利得が高いが、ループの径が余り大きいと、設置上不便である点から、通常は使用波長より可成り小さい直径のループとされる。垂直アンテナ素子２２の長さは高域側で使用されるが、その使用波長の１／４程度がよい。アンテナと受信機３５とを接続する受信信号伝送線として平衡形のものを用いる場合は、合成回路３１中の平衡不平衡変換回路は省略できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、直交ループアンテナ素子と垂直アンテナ素子とを切り替えて使用することにより広帯域の受信ができる。
垂直アンテナ素子を用いる場合に、アンテナを付加すると同じ高さの線状の接地アンテナに比べ、高仰角到来電波の受信電力が改善される。このアンテナを７本、あるいは５本用いるＭＵＳＩＣ方式の方向探知用受信アンテナ装置に用いる場合は、高仰角到来電波の受信電力の大きいアンテナ素子に切り替えて使うことができる。またこのように方向探知用受信アンテナ装置として用いる場合はアンテナ相互間の干渉を小さくすることができ、かつ設置場所やかかる諸費用（地価、施工、保全等）を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態の外観を示す斜視図。
【図２】この発明の実施形態の回路構成を示す図。
【図３】垂直アンテナ素子使用状態における仰角をパラメータとした受信電力の周波数特性の例を示す図。
【図４】直交ループアンテナ素子使用状態における仰角をパラメータとした受信電力の周波数特性の例を示す図。
【図５】ミュージック式方向探知装置に用いた場合の仰角誤差及び方位誤差を示す図。
【図６】ミュージック式方向探知装置に用いた場合の１つのアンテナの１つのループの指向特性を示す図。
【図７】直交ループアンテナ素子の給電点を垂直アンテナ素子の給電点に接続しない状態での垂直アンテナ素子による受信電力の周波数特性の例を示す図。
【図８】直交ループアンテナ素子の給電点を開放状態とした場合の垂直アンテナ素子による受信電力の周波数特性の例を示す図。
【図９】従来のミュージック式方向探知装置のアンテナ配置を示す図。
【図１０】従来の直交ループアンテナの仰角をパラメータとした受信電力周波数特性の例を示す図。
【図１１】従来の接地形垂直アンテナの仰角をパラメータとした受信電力周波数特性の例を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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