(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線機に空間アンテナを接続するとともに、整合器を介してこの無線機に接続されたアース電極を接地面内に設け、この整合器を含むアース電極に共振回路を形成し、空間アンテナと、アース電極を含む共振回路とを整合させることにより、アース電極を含む接地面を反射器として利用することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
整合器がインピ−ダンス可変チューニングを行う単数又は複数の整合器からなる請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
整合器が無線機側よりＣ・Ｌの順で形成されている直列共振回路である請求項１〜２の何れか記載のアンテナ装置。
【請求項４】
アース電極が面状である請求項１〜３の何れか記載のアンテナ装置。
【請求項５】
接地面が地面から離れた空間に設けられた仮想接地面である請求項１〜４の何れか記載のアンテナ装置。
【請求項６】
打ち上げ角パターンが接地面に対して、垂直方向の指向性を持つ請求項１〜５の何れか記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信に使用するアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のとおりアンテナの大きさは電波の周波数によって決定され、例えばフルサイズのダイポールアンテナを1/2波長の高さに設置する場合、アマチュア無線用の7ＭＨｚ帯であると地上20ｍの高さに長さ20ｍのアンテナを設置することとなり、3.5ＭＨｚ帯であると地上40ｍの高さに長さ40ｍのアンテナを設置することとなる。このように無線通信のためには巨大なアンテナを使用することが好ましいのであるが、敷地や設置コストの問題がある。そこで実際には、1/4波長のモノポールアンテナの下端を接地した接地アンテナが用いられる場合が多いが、それでもなおかなりの高さが必要となっている。
【０００３】
一般に地表面付近に設置されたアンテナ（空間アンテナ）では、アンテナと地表面との間にキャパシティが形成され、アンテナから発射された電波がこのキャパシティを介して地面に誘導電流を生起させ、この誘導電流により地面から電波が発生することにより反射波が発生する。この結果、電波はアンテナからの放射波と反射波との合成波となり、アンテナの利得を低下させる。そこでアンテナの高さを十分に高くして上記のキャパシティを小さくし、誘電電流を抑制することにより地表面からの反射波を防止している。このような理由により、アンテナはかなりの高さが必要とされており、波長λによっては非常に大型化して建設費や維持費が高くなるという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような従来の問題点を解決し、アンテナの設置高さを低くすることができ、しかも優れた利得を得ることができる新規なアンテナ装置を提供するためになされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた本発明は、無線機に空間アンテナを接続するとともに、整合器を介してこの無線機に接続されたアース電極を接地面内に設け、この整合器を含むアース電極に共振回路を形成し、空間アンテナと、アース電極を含む共振回路とを整合させることにより、アース電極を含む接地面を反射器として利用することを特徴とするものである。
【０００６】
本発明においては、整合器がインピ−ダンス可変チューニングを行う単数又は複数の整合器からなるものであることが好ましく、また整合器が無線機側よりＣ・Ｌの順で形成されている直列共振回路であることが好ましい。さらに、アース電極が面状であることが好ましい。接地面は通常は地表面であるが、地面から離れた空間内に設けられた仮想接地面とすることもできる。本発明のアンテナ装置は、打ち上げ角パターンが接地面に対して、垂直方向の指向性を持つものとなる。
【０００７】
本発明によれば、無線機に整合器を介してアース電極を接続し、この整合器を含むアース電極に共振回路を形成したことにより、地表面からの電波の反射を低減させることができる。したがって空間アンテナの高さを従来より低くしても、反射波による悪影響が緩和され、空間アンテナの性能を向上させることができる。
【０００８】
また本発明によれば、空間アンテナの高さの調整を行うなどの方法により、無線機に接続された空間アンテナと、同一の無線機に接続されたアース電極を含む共振回路とを整合させる。これによりアース電極を含む接地面をグランドアンテナとして利用し、空間アンテナから放射される電波の反射器として積極的に機能させることができる。
【０００９】
このように、本発明では地表面からの好ましからざる反射波を抑制するのみならず、アース電極を含む接地面をグランドアンテナとして積極的に利用し、空間アンテナから放射される電波の反射器として機能させることができるので、空間アンテナの高さを従来のように高くする必要はなくなる。特に請求項２の発明のアンテナ装置によれば、垂直方向に指向性を持つ電波を強く発射することができる。なお本発明においてアース電極を水分が含まれる誘電体(地面)に埋設する場合には、損失の少ない短波、長波、超長波等が適している。しかし、接地面を地面から離した空中にあるようにした場合には、超短波や極超短波にも適用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明をその実施形態とともに詳細に説明する。
図１は本発明のアンテナ装置の説明図であり、１は励振源となる無線機、２は無線機１のアンテナ入出力端子に接続された空間アンテナである。無線機1の種類は特に限定されるものではなく、周波数についても特に限定されるものではない。空間アンテナ２の種類も特に限定されるものではなく、中間部負荷型、逆Ｌ型、Ｔ型、傾斜型、八木型、同調形ビーム型、ダイポール型、コーリニア型、ヘリカル型、ループ型など各種の種類のものを用いることができる。
【００１１】
無線機１から送り出された高周波電流は、必要に応じて設けられる空間アンテナ用の整合器３で整合されたうえ、給電線４を通じて空間アンテナ2に供給される。整合器３はインピ−ダンス可変チューニングを行うことができるものであり、無線機１と空間アンテナ２とのインピーダンスの整合を取り、無線機１からの高周波エネルギーを効率よく空間アンテナ２に送るためのものである。なお、整合器内蔵型の無線機１を用いてもよいことは言うまでもない。
【００１２】
本発明では、空間アンテナ２の下方の接地面内にアース電極７を設け、その周辺の土壌を含むグランドアンテナ９を形成している。このアース電極７と無線機１との間には、グランド用の整合器６が設置されている。アース電極７としては、図示のように多数枚の金属板を平行に打ち込んだもの、金属棒を放射状に埋設したもの、金属ネットを埋設したものなど各種のものを用いることができるが、アース電極７を広い面積にわたり埋設し、グランドアンテナ９を面状アンテナとして機能させることが好ましい。接地面内にあるアース電極７はその近傍の土砂、水等の誘電材料とともに固有インピーダンスを持ち、整合器６によってあたかもアンテナと同じようにチューニングすることができる。なお図１では無線機１を接地線１０により保安接地１１と接続してある。
【００１３】
整合器６は無線機１の接地電位端子に接続され、接地電位端子が高周波電圧最大になるよう同調させる。整合器６の出力端子とアース電極７とは接地線８を介して接続されている。整合器６も整合器３と同様にインピ−ダンス可変チューニングを行うことができるものである。なお整合器６は単数であっても、複数の整合器からなるものであってもよい。請求項１の発明では、このように無線機１とアース電極７の間に接地用の整合器６を介在させて共振回路を形成する。この結果、グランドアンテナ９の性能を最大に発揮させ、地表面からの電波の反射を低減させることができる。
【００１４】
また本発明においては、空間アンテナ２の高さを変えるなどの方法により、空間アンテナ２とアース電極７を含む共振回路とを整合させる。その結果、アース電極７とその近傍の誘電体を含む接地面をグランドアンテナ９とし、空間アンテナ２の反射器として積極的に使用することが可能となり、大きな利得を得ることができる。換言すれば、本発明のアンテナ装置は、従来は好ましくない反射波を発生していた接地面(地表面)をグランドアンテナ９として空間アンテナ２との整合を取った反射器とし、積極的にアンテナの一部として機能させたものである。すなわち、空間アンテナ２は放射器として機能し、グランドアンテナ９は反射器として機能するため、空間アンテナ２を接地面に接近させても支障がないばかりか、むしろ両者を接近させることによって上方に強い電波を放射することができる。このためアンテナ装置全体を、小さな設備で済ませることが可能となる。
【００１５】
なお、従来のグランドチューナーとして用いられている整合器は、無線機側よりＬ・Ｃの順に接続された直列共振回路構成である。従来のグランド用整合器の主たる目的は、無線機より結線したリード線で接地電極を取り付けたとき、無線機の送信時に高周波電圧が高くなる点とリード線との間に整合器のＬ・Ｃで高周波電圧の位相を変化させることにより電圧を下げ、高周波電圧を低くする目的のものである。このように、グランドチューナーは無線機と整合器間の高周波電圧を下げることが主な目的である。
【００１６】
これに対して本発明の整合器６は、無線機側よりＣ・Ｌの順で形成されている直列共振回路構成となっている。従って、無線機接地側高周波電圧はそのままで、整合器６によりキャパシタンス、インダクタンスを合わせ、目的周波数に同調させることができる。このとき、接地電位側端子整合器Ｃ・Ｌで直列共振回路で同調させるため、高周波電圧は従来より更に高くなるように、整合し同調させる。
【００１７】
図２から図８に、様々な整合器６の構成を示す。図２はキャパシタンスＣを与えるコンデンサとインダクタンスＬを与えるコイルとを直列接続したものであり、図３はコンデンサとコイルとの間にスイッチ１２を介在させたものである。図４は可変コンデンサ１３とコイルとからなるものである。図５はコイルよりタップ１４を取り、ロータリースイッチ１５によりインダクタンスを可変としたものである。図６はこのロータリースイッチ１５を切り替え用スイッチ１６に置き換えたものである。図７はローラーインダクター１７をコイル上で動かしてインダクタンスを可変としたものである。更に図８は方向性結合型高周波検出メーター回路１８を組み込み、整合器６の整合状態を検出できるようにしたものである。メーター回路１８は高周波電圧検出メーターでも高周波電流検出メーターでもよいが、後者の方が合わせやすい利点がある。
【００１８】
前記したように、本発明におけるアース電極７はその周辺の通常地盤等を含む面状のグランドアンテナ９を構成する。一般に面状アンテナは開口面アンテナやパラボラアンテナにおいて反射器として使用されており、放射器から発射された電波を反射して大きな高周波利得を得ることができる。これと同様に本発明ではグランドアンテナ９を反射器とすることにより、指向性の強い高利得のアンテナ装置が得られる。
【００１９】
このように本発明では接地面９をアンテナの一部として利用し、空間アンテナ２から発射される電波と干渉するような反射波を発生させない。したがって空間アンテナ２を地表面に近接させて設置することができ、アンテナ装置全体を小型化できる。前記したように、従来のアンテナは非常に高い地上高を必要としていたのであるが、本発明では地表面等の接地面をアンテナ装置の一部として利用することから、むしろ空間アンテナ２を地表面に近接させる方が好ましいとも言える。具体的には、長波や中波の場合、空間アンテナの地上高を0.5〜6ｍとすることができる。
【００２０】
なお、空間アンテナ２が水平アンテナである場合、グランドアンテナ９を構成するアース電極７の形状はアンテナ面に平行な平面であることが好ましい。反射面９が平面であっても空間アンテナ２のアンテナ面に平行になっていないと、空間アンテナ２からの電波と反射波との有効な合成が得られないからである。空間アンテナ２が垂直アンテナである場合には、アース電極７の中央に設置することが好ましい。アース電極７は、空間アンテナ２から見た投影面積が最大になるように設置することが望ましい。
【００２１】
本発明のアンテナ装置の基本構成は図１に示すとおりであるが、図９から図１２にその変形例を示す。図９では整合器３の接地線５が無線機１の接地線２２Ｒに接続されている。図１のように、この接地線５は省略できることはいうまでもない。図１０では、整合器６の接地端子がスイッチ２０を介して接地電極２１に接続されている。図１１では整合器３の接地端子と整合器６の接地端子とが結合ケーブル２２で結合され、スイッチ２０を介して接地電極２１に接続されている。図１２は無線機１を整合器内蔵型とするとともに、スイッチ２０を整合器６に内蔵させた例を示す。これらのスイッチ２０は、受信時にノイズが発生することがある場合、入投することにより接地側の電位の安定を図り、受信ノイズを軽減するためのものである。なお、整合器３の接地は、空間アンテナ2から給電線４に戻ってくる反射波を大地に逃がしてノイズを防止する目的と、安全確保の目的で行われる。
【００２２】
以上に説明した実施形態では、接地面は地表面であったが、携帯電話などの移動体通信機においては図１３に示すように無線機の筐体や基板等を接地面として利用することができる。この場合にはアース電極７と接地面とが一体化されてグランドアンテナ９となり、地面から離れた位置に設けられて仮想接地面を構成しているが、人体を介して接地されている。この場合にも空間アンテナ２とアース電極７を含む共振回路とを整合させることにより、アンテナの利得を高め、強い電波をグランドアンテナ９の垂直方向に放射することが可能となる。またアンテナの小型化と高性能化とを同時に達成することができるので、無線機の小型化が可能になる。
【００２３】
以上の説明から明らかなように、本発明のアンテナ装置は小型高性能の垂直指向性アンテナとなる。本発明のアンテナ装置から垂直方向に発射された高出力の電波は図１４に示すように電離層で乱反射され、大気の影響を受けることが少なく長距離まで伝送させることができる。遠距離への伝送を目的とした場合、従来は図１５に示すようにできるだけ高い位置にアンテナを設置して水平方向に電波を発射し、電離層での反射回数を減らすようにしていた。しかし、水平方向に発射された電波は大気中を長距離にわたり進行するため、空気中の浮遊物や水分による散乱・吸収による損失が大きくなる。垂直方向へ高出力の電波を発射するアンテナは非常に大型となるため軍事用や衛星通信用などの特殊な分野を除き現実的ではなかったが、本発明によれば、大型のアンテナ装置を用いることなく高品質の長距離通信が可能となる。
【００２４】
また本発明のアンテナ装置は垂直指向性アンテナである特徴により、移動体通信機においても望ましいものと言える。すなわち、従来の移動体通信機付属のアンテナ装置から放射される電磁波の打ち上げ角パターンは、図１６に示すように接地面に対して平行に左右、円形であった。しかし、本発明のグランドアンテナの打ち上げ角パターンは図１７に示すように、接地面に対して、上方、垂直方向となる。近年、携帯電話等の移動体通信機から放射される電磁波により、体温上昇、神経系の刺激等人体への悪影響が指摘されている。本発明によれば、携帯電話等移動体通信機から放射された電磁波は、人体への影響の少ないアンテナ上方に打ち上げられ、使用者の健康への悪影響を軽減することが可能となる。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を示す。
図９に示した本発明のアンテナ装置を用いて、世界各国のアマチュア無線局との交信を行い、交信リポートにより相手方と当方の了解度Ｒ及び信号強度Ｓを確認した。使用した空間アンテナは整合器を備えた短縮ダイポールアンテナであり、その全長は10.8ｍ、地上高は3ｍである。無線機の出力は50Ｗ、V.S.W.R（定在波比）は1.1、使用周波数は表中に記したとおりである。またアース電極は図９に示すとおりのものを深掘り設置し，整合器により共振させた。交信結果を表１に示す。２桁の数字はＲ(５段階）とＳ(９段階）であり、５９がベストである。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
上記のように、本発明のアンテナ装置を用いれば無線機の出力が５０Ｗであり、かつアンテナの地上高を３ｍとした場合にも、世界各国との間で良好な通信が可能であった。これに対して従来のように空間アンテナのみを使用する場合には、同時刻に、無線機出力を１００Ｗとし、かつ２〜５エレメントのアンテナを高さ１０ｍ、１５ｍ、２０ｍに設置したが交信が不可能であった。また５エレメントのアンテナを３０ｍの高さに設置することによりようやく交信が可能となったが、ＲＳは４１あるいは５１であり、信号強度はかろうじて受信できるレベルに過ぎなかった。
【００２８】
なお、パラオ共和国との交信記録によれば、従来型のアンテナを用い送信出力を５００Ｗとした場合と、本発明のアンテナを用い送信出力を５０Ｗとした場合とで、信号強度が同等であった。
【００２９】
本発明のアンテナは従来と電波伝搬通路が異なるため、大多数の無線局が通信できない時間帯に於いても通信可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のアンテナ装置は無線機とアース電極との間に整合器を介在させて共振回路を形成したものであり、反射波の影響を抑制できるので、従来よりもアンテナ高さを低くすることができる。また本発明のアンテナ装置は空間アンテナとアース電極を含む共振回路とを整合させることにより、接地面をアンテナの一部である反射器として使用したものであり、小型高性能の垂直指向性アンテナとして機能するものである。このため、従来よりもアンテナ高さを低くすることができるとともに、アンテナの大幅な利得向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ装置の基本構成を示す回路図である。
【図２】整合器を示す回路図である。
【図３】整合器を示す回路図である。
【図４】整合器を示す回路図である。
【図５】整合器を示す回路図である。
【図６】整合器を示す回路図である。
【図７】整合器を示す回路図である。
【図８】整合器を示す回路図である。
【図９】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路図である。
【図１０】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路図である。
【図１１】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路図である。
【図１２】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路図である。
【図１３】本発明のアンテナ装置の実施形態を示す回路図である。
【図１４】本発明のアンテナ装置から発射される電波を示す説明図である。
【図１５】従来の遠距離通信用のアンテナ装置から発射される電波を示す説明図である。
【図１６】従来の移動体無線機のアンテナ装置から発射される電波の指向性を示す説明図である。
【図１７】本発明のアンテナ装置から発射される電波の指向性を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 無線機
２ 空間アンテナ
３ 整合器
４ 給電線
５ 結合ケーブル
６ 整合器
７ アース電極
８ 接地線
９ 接地面
１０ 接地線
１１  保安接地
１２  スイッチ
１３  可変コンデンサ
１４  タップ
１５  ロータリースイッチ
１６  切り替え用スイッチ
１７  ローラーインダクター
１８  方向性結合型高周波検出メーター回路
２０  スイッチ
２１  接地電極
２２  結合ケーブル
２３  接地線
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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