(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長に比して充分厚みの薄い空間または誘電体を介して構成した２枚の平行な外部平板導体と中心平板導体より成る給電線路の長さが線路内波長の１／４の奇数倍であり、その一方の端の両外部平板導体を互いに短絡し、この部分で同軸リセプタクルまたは同軸ケーブルで励振し、その給電線路の終端において中心平板導体を一方の外部平板導体に接続した給電線路を有し、この給電線路の両外部平板導体に、その開放端より順次線路内波長の１／２の間隔で、外部平板導体と直交して起立させた棒状または円形素子アンテナを平行配置することを特徴とするエンドファイアアレイアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のアンテナにおいて、給電点とこれと隣り合う素子アンテナとの間の給電線路中心平板導体に接続した２個所のフィンおよび線路内波長の１／４を有するインピーダンス変成器で構成した整合回路を有することを特徴とするエンドファイアアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はアンテナ構造体の前後方向または一方向に電磁波を放射する平板給電線路の外部平板導体に棒状または円形素子を平行配置するエンドファイアアレイアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンドファイアアレイアンテナは固定局間または直線上、前後方向に相手局が存在するとき、比較的占有空間が小さく、高利得を容易に得ることの出来るアンテナとして古くから良く知られている。また、このアンテナは素子間位相または素子間隔を制御することにより、より利得を高め得ること（ハンセン・ウッドヤード条件）ができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このアレイアンテナを実際に製作しようとすると、各素子アンテナを所望の振幅、位相で励振するには、通常、特別な給電回路を必要とする。また、この給電回路がアンテナ構造体とは別に空間を占有する。このため、非常に良く知られたアンテナであるにもかかわらず、実用になった例は少ない。今日実用になっているアンテナは、単方向性指向性を有するいわゆる八木・宇田アンテナであるが、このアンテナをエンドファイアアレイアンテナと同様前後に放射させるよう設計された例は見当たらない。したがって、空間占有体積の小さな、構造単純な給電回路を持つエンドファイアアレイアンテナの開発は、産業上に大きく貢献できる。
【０００４】
本発明は、かかる実情に鑑み創案されたもので、その目的とするところは、小型化でき且つ構造の単純化が図れ、しかも高利得化が達成でき、電力柱やビル壁面に設置して道路に沿ったサービスエリアを確保しやすい放射パターンを有するエンドファイアアレイアンテナを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のエンドファイアアレイアンテナは、上記の課題を解決するため、波長に比して充分厚みの薄い空間または誘電体を介して構成した２枚の平行な外部平板導体と中心平板導体より成る給電線路の長さが線路内波長の１／４の奇数倍であり、その一方の端の両外部平板導体を互いに短絡し、この部分で同軸リセプタクルまたは同軸ケーブルで励振し、その給電線路の終端において中心平板導体を一方の外部平板導体に接続した給電線路を有し、この給電線路の両外部平板導体に、その開放端より順次線路内波長の１／２の間隔で、外部平板導体と直交して起立させた棒状または円形素子アンテナを平行配置することを特徴としている。
また、本発明のエンドファイアアレイアンテナは、給電点とこれと隣り合う素子アンテナとの間の給電線路中心平板導体に接続した２個所のフィンおよび線路内波長の１／４を有するインピーダンス変成器で構成した整合回路を有することを特徴としている。
【０００６】
このように、本発明のエンドファイアアレイアンテナは、素子アンテナを励振する給電回路および整合回路をアンテナ構造と一体化することにより、アンテナの占有空間を小さくすることを可能とした非常に単純な構造を有する。またエンドファイアアレイアンテナの特長である素子間位相を、給電回路として構成した伝送線路内誘電体の誘電率を適当に選ぶことにより制御可能なため、より高利得化が計れる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の基本構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は側面図である。また、図２は円形素子アンテナを用いた構成図、図３は本発明の応用例を示す図である。
【０００８】
まず、図１に示すように、本発明の基本構成としては、同軸ケーブルまたは同軸リセプタクル１の先に、２枚の外部平板導体４，５を空間ギャップまたは誘電体基板２，３と接して配置し、誘電体基板２，３の中間かつ中心に幅ｂ，長さＬの中心平板導体６を配置する。この線路の特性インピーダンスＺ0は任意に設定出来るが、通常Ｚ0＝５０Ωとして何ら支障はない。
両外部平板導体４，５はその始端である同軸リセプタクル部で短絡片７により短絡され、中心平板導体６は同軸リセプタクル１の中心導体と接続され、他端は外部平板導体４と接続されている。
【０００９】
このようにして構成された給電線路は、その終端において中心平板導体６を外部平板導体４に接続することにより、不平衡・平衡変換器として動作し、外部平板導体上に電流を誘起する。このとき、外部平板導体４，５に何ら素子アンテナを接続しないときはそれらの上に定在波が生じ、相対する外部平板導体には位相の逆転した電流が分布する。
【００１０】
給電線路の長さＬは、その内部誘電体の比誘電率で定まる線路内波長λgの１／４の奇数倍を有することを条件とする。このとき給電線路長さＬはアレイを構成する素子数Ｎにより決定され、
【００１１】
【数１】
0003852798.tif 000002
【００１２】
により求まる。
Ｎ対の素子アンテナ（この例では棒状素子アンテナ）１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，………１（Ｎ−１）ａ，１（Ｎ−１）ｂ，１Ｎａ，１Ｎｂは，給電線路の開放端Ｓより順次線路内波長λgの１／２間隔で給電点Ｆ側に両外部平板導体４，５の平面と直交して、その給電線路幅Ｗの中心に平行に起立させる。素子アンテナ１Ｎａ，１Ｎｂは均一分布アレイにおいては原理的には全て同じ長さｌとし、目的の周波数で共振する長さに設定する。
【００１３】
このとき、隣り合う素子は互いに逆位相で励振され、目的とするエンドファイアアレイアンテナを構成することが出来る。また、その空間における素子間隔ｄはｄ＝λg／２（λg ＜λ0，λ0；自由空間での波長）となるため、伝送線路を構成する誘電体の比誘電率を適当に選ぶことにより、アレイの素子間隔を制御出来る。その結果、素子間隔ｄ＝０．５λ0の共相励振（伝送線路内比誘電率εr＝１．０）に比して利得向上が計れる。
【００１４】
図中同軸リセプタクル１と素子アンテナ１Ｎａ，１Ｎｂで挟まれたλg／４インピーダンス変成器８及びフィン９ａ，９ｂは整合用回路を構成しており、図中破線で示したＡ，Ａ’より右側を見たアンテナの入力インピーダンスを給電線インピーダンス（一般にはＺ0＝５０Ω）と整合させるためのものである。フィン９ａ，９ｂはＡ−Ａ’よりアンテナ側を見た合成アドミタンスＹａのサセプタンス分を無くすためのもので、合成アドミタンスＹａが誘導性であれば、フィン９ｂを切り取り、フィン９ａの長さを調整し、逆に容量性の場合はフィン９ａを切り取ってフィン９ｂの長さを調節することにより、サセプタンス分をゼロとすることが出来る。インピーダンス変成器８の特性インピーダンスＺtはアンテナ側を見たインピーダンスＺaに対して、この部分（長さｌｔ＝λg／４）の中心導体を
【００１５】
【数２】
0003852798.tif 000003
【００１６】
が成り立つ幅（整合線路幅）ｂｔに設定すれば良い。
【００１７】
また、このアンテナは図２に示すように、円形素子アンテナ（ループアンテナ）１３を用いることもできる。加えて、図３に示すように、導体平板１０の前面に素子アンテナ１Ｎａ，１Ｎｂと空間波長の約１／４の距離ｄｇで平板に対して直交起立して配置することにより、更に利得向上が計れるとともに単一指向性アンテナを実現出来る。
【００１８】
【実施例】
周波数ｆ＝１．８５ＧＨｚ、素子数Ｎ＝６のエンドファイアアレイアンテナの実施例の各部寸法は、例えば、各素子間位相δ＝１８０度とし、指向性利得向上のために素子間隔ｄ＝０．４５λ0として、使用した誘電体基板の実効比誘電率をεr＝１．２３に選んだ。給電線路長Ｌは数１よりＬ＝４０２ｍｍ、給電線路幅Ｗ＝２０ｍｍ、給電線路厚さＢ＝２．０ｍｍ、中心平板導体の幅ｂ＝２．３ｍｍとした。また、λ0＝１６２．２ｍｍ、素子アンテナ長ｌ＝３２．５ｍｍ（＃１，＃６；３５．５ｍｍ）、整合線路幅ｂｔ＝１．０５ｍｍ、フィン９ａ長＝９ｍｍ、フィン９ｂ長＝０である。
【００１９】
表１に、このように製作した実施例の給電線路上の電流腹の振幅、位相を示す。結果、振幅で０．５ｄＢ、位相で０．５度のバラツキに収まっている。
【００２０】
【表１】
0003852798.tif 000004
【００２１】
本発明のエンドファイアアレイアンテナを素子間隔ｄ＝０．５λ0で共相励振したときと、ｄ＝０．４５λ0で構成したときの磁界面内放射指向性を図４に示す。
図４より、間隔を挟めることによって指向性の先鋭化が計れることが分かる。このときの指向性利得は素子アンテナ（半波長ダイポールＧd＝２．１４ｄＢｉ）とアレイファクタによる利得の積で求まり、素子間隔ｄ＝０．５λ0のとき、半波長ダイポールＧ（０．５０λ0）＝９．９２ｄＢｉ、素子間隔ｄ＝０．４５λ0のとき、半波長ダイポールＧ（０．４５λ0）＝１１．６ｄＢｉと求まる。
【００２２】
採用した素子アンテナ長はｌ＝３２．５ｍｍ（全長；０．４３５λ0）、直径；２ｍｍである。製作した実施例のエンドファイアアレイアンテナの電流の振幅、位相分布を測定したところ振幅で±１．５ｄＢ、位相で±１５度の偏差を生じたため、＃１および＃６素子アンテナ長をｌ＝３５．５ｍｍに修正したのちの実測の素子アンテナ励振電流の振幅、位相分布を表２に示す。
【００２３】
【表２】
0003852798.tif 000005
【００２４】
結果、振幅において若干の差、位相では±８．５度の偏差が認められる。しかし、この結果を用いて求めた磁界面内指向性は図５に示すごとく満足し得るものである。なお、このときの指向性利得は１１．５５ｄＢｉであった。
【００２５】
この構成で図１中Ａ−Ａ’点よりアンテナ側をみたときの実測アドミタンスは合成アドミタンスＹａ＝８−ｊ１１Ｓであったことより、フィン９ａ（９ｍｍ）をそのままとし（サセプタンス；ｊ１１Ｓ）、フィン９ｂを全て切り取ってサセプタンス分をゼロとし（Ｚａ＝１２５Ω）、数２より以下に示す数３の特性インピーダンスを与える整合線路幅ｂｔ＝１．０５ｍｍとした場合の本実施例アンテナの入力インピーダンス周波数特性を図６に示す。
【００２６】
【数３】
0003852798.tif 000006
【００２７】
【発明の効果】
本発明のエンドファイアアレイアンテナは、上記のアンテナの問題点である素子アンテナを励振する給電回路および整合回路をアンテナ構造と一体化することにより、アンテナの占有空間を小さくすることを可能とした非常に単純な構造を有する（小型化及び単純化できる）。また、エンドファイアアレイアンテナの特長である素子間位相を、給電回路として構成した伝送線路内誘電体の誘電率を適当に選ぶことにより制御可能なため、より高利得化が計れる特長を有する。
そして本発明を、ＰＨＳ基地用に応用した場合には従来のロッドアンテナのような指向性アンテナに比べて道路に沿ってサービスエリアを能率よく確保し易く、地中化地域や地下街用アンテナとしても非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は側面図である。
【図２】本発明の円形素子アンテナを用いた構成図である。
【図３】本発明の応用例を示す図である。
【図４】本発明におけるアンテナの素子間隔を変化したときの磁界面内指向性計算結果である。
【図５】本発明の実施例における電流分布を用いて求めた磁界面内指向性である。
【図６】本発明の実施例における入力インピーダンス周波数特性である。
【符号の説明】
１  同軸リセプタクル
２，３  誘電体基板
４，５  外部平板導体
６  中心平板導体
７  短絡片
１（Ｎ−１）ａ，１（Ｎ−１）ｂ，１Ｎａ，１Ｎｂ………１１ａ，１１ｂ，
１２ａ，１２ｂ  素子アンテナ
８  インピーダンス変成器
９ａ，９ｂ  フィン
１３  円形素子アンテナ（ループアンテナ）
Ｌ  中心平板導体６（給電線路）の長さ
ｂ  中心平板導体６の幅
Ｗ  給電線路の幅
Ｂ  給電線路の厚さ
ｄ  素子間隔
ｂｔ  整合線路幅
Ｚａ  インピーダンス
Ｙａ  合成アドミタンス
ｌ  素子アンテナ長
λg 線路内波長
Ｆ  給電点
【図１】
0003852798.tif 000007
【図２】
0003852798.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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