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図面 (14)

課題

受信帯域を広くし、かつ高仰角方向電波探知可能にする。

解決手段

線状アンテナ本体21が大地に垂直に立てられ、アンテナ本体21の下端部に給電部20が設けられ、上端部に複数の線状導体27の一端が上下方向に回動自在に連結され、かつ電気的に接続され、かつ放射状に配され、角度調整機構28により線状導体27のアンテナ本体21に対する開き角θを調整できる。

概要

背景

中波用方位アンテナでは使用波長が長く、アンテナの物理的寸法が大きくなるため、送信用のアンテナとしては放射効率下げることなく、しかもなるべく小型にすることが望まれている。そのために公知の技術として、線状アンテナアース大地との間を給電点としてアンテナの高さを半波長ダイポール型アンテナの半分の長さ、つまり使用波長の4分の1以下にすると共に、線状アンテナの先端部分に頂冠(容量環):トップローディング)を取り付け、キャパシタンス負荷する頂冠付支線垂直アンテナが用いられている。線状アンテナとして鉄塔あるいは鉄柱自体を放射体として使い、その放射体に対し支線を張った自立アンテナ構造として広く実用化されている。頂部容量環の間に可変インダクタンス素子を挿入して放射効率等が最適条件となるように調整をすることができるようにしたものもある。

一方、図13に示すような型アンテナが知られている。これは垂直に配した線状アンテナ11の下端と大地12との間に給電点13が設けられ、線状アンテナ11の上端複数本導線14が傘の骨ように頂部負荷として取付けられ、つまり線状アンテナとの間に導線14の抵抗負荷が接続され、懸架式の垂直アンテナとして動作させている。各導線14の下端と大地12との間に碍子15を介した支線16が張られて線状アンテナ11が支持されている。このように頂部負荷(トップローディング)を設けることにより線状アンテナ11の高さを等価的に高くさせていた。

概要

受信帯域を広くし、かつ高仰角方向電波探知可能にする。

線状アンテナ本体21が大地に垂直に立てられ、アンテナ本体21の下端部に給電部20が設けられ、上端部に複数の線状導体27の一端が上下方向に回動自在に連結され、かつ電気的に接続され、かつ放射状に配され、角度調整機構28により線状導体27のアンテナ本体21に対する開き角θを調整できる。

目的

しかしながら、上記のいずれのアンテナも単一の波長で使うことを目的とした送信アンテナであって、放射効率の点で有効なものとして実用化されている。一般にアンテナの寸法は、使用波長と物理的な寸法で決まる電気的特性、つまり放射効率が最良になるように構成される。このため、使用波長以外の周波数帯ではアンナテの放射効率は悪い状態にある。アンテナの可逆性から、受信アンテナとしての作用も同様である。すなわち、受信アンテナにおいても、使用波長と物理的な寸法で決まる電気的特性(放射特性)が最良になるように構成された線状のアンテナでは使用波長以外の受信周波数帯域では、良好な電気的特性にならず、受信電力損失が増す。これは結果として受信アンテナの広帯域特性を狭める状況になっていた。また頂冠のない線状のアンテナでは高仰角から到来する電波に対して受信電力が低下し、方向探知用アンテナとして満足できるものではなかった。

また一般に線状アンテナを利用する場合、その受信周波数範囲を数倍の領域に広げようとするとその広げた領域において、アンテナの放射効率が低下するためアンテナと受信機間不整合損失をできるだけ小さく押さえるために、インダクタンス素子キャパシタンス素子などの集中定数によるインピーダンス整合回路を付加した上、受信周波数帯ごとにインピーダンス整合回路を調整する必要があった。方向探知装置においては、受信周波数ごとにインピーダンス整合は行わないので、受信周波数帯域は受信電力との兼ね合いで必然的に狭くなる。このような点から、従来においては目的とする周波数帯域カバーできるように、それぞれの周波数帯域に適した大きさ(長さ)の複数のアンテナを用いていた。このため複数本のアンテナを例えば円形配列してアンテナ装置とする場合はアンテナ装置の規模が大きくなるという問題があった。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

垂直に設けられ、下端アースとの間が給電点とされた線状アンテナ本体と、上記線状アンテナ本体の上端部に一端が、上下方向において回動自在に連結され、かつ電気的に接続され、放射状に配された複数の線状導体と、これら線状導体の上記線状アンテナ本体に対する角度を変更する角度調整機構とを具備する方向探知用アンテナ

請求項2

上記線状導体の長さは上記線状アンテナ本体の長さの0.17〜0.25倍であることを特徴とする請求項1記載の方向探知用アンテナ。

請求項3

上記線状アンテナ本体の長さは使用波長の0.13〜0.6倍程度とされていることを特徴とする請求項1又は2記載の方向探知用アンテナ。

請求項4

上記給電点に、受信機に接続するための、受信周波数帯周波数に依存しない接続体が接続されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の方向探知用アンテナ。

技術分野

0001

この発明は短波(HF)帯、超短波VHF)帯、極超短波UHF)帯においての電波到来方向探知するために用いられる広帯域方向探知用アンテナに関する。

背景技術

0002

中波用方位アンテナでは使用波長が長く、アンテナの物理的寸法が大きくなるため、送信用のアンテナとしては放射効率下げることなく、しかもなるべく小型にすることが望まれている。そのために公知の技術として、線状アンテナアース大地との間を給電点としてアンテナの高さを半波長ダイポール型アンテナの半分の長さ、つまり使用波長の4分の1以下にすると共に、線状アンテナの先端部分に頂冠(容量環):トップローディング)を取り付け、キャパシタンス負荷する頂冠付支線垂直アンテナが用いられている。線状アンテナとして鉄塔あるいは鉄柱自体を放射体として使い、その放射体に対し支線を張った自立アンテナ構造として広く実用化されている。頂部容量環の間に可変インダクタンス素子を挿入して放射効率等が最適条件となるように調整をすることができるようにしたものもある。

0003

一方、図13に示すような型アンテナが知られている。これは垂直に配した線状アンテナ11の下端と大地12との間に給電点13が設けられ、線状アンテナ11の上端複数本導線14が傘の骨ように頂部負荷として取付けられ、つまり線状アンテナとの間に導線14の抵抗負荷が接続され、懸架式の垂直アンテナとして動作させている。各導線14の下端と大地12との間に碍子15を介した支線16が張られて線状アンテナ11が支持されている。このように頂部負荷(トップローディング)を設けることにより線状アンテナ11の高さを等価的に高くさせていた。

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上記のいずれのアンテナも単一の波長で使うことを目的とした送信アンテナであって、放射効率の点で有効なものとして実用化されている。一般にアンテナの寸法は、使用波長と物理的な寸法で決まる電気的特性、つまり放射効率が最良になるように構成される。このため、使用波長以外の周波数帯ではアンナテの放射効率は悪い状態にある。アンテナの可逆性から、受信アンテナとしての作用も同様である。すなわち、受信アンテナにおいても、使用波長と物理的な寸法で決まる電気的特性(放射特性)が最良になるように構成された線状のアンテナでは使用波長以外の受信周波数帯域では、良好な電気的特性にならず、受信電力損失が増す。これは結果として受信アンテナの広帯域特性を狭める状況になっていた。また頂冠のない線状のアンテナでは高仰角から到来する電波に対して受信電力が低下し、方向探知用アンテナとして満足できるものではなかった。

0005

また一般に線状アンテナを利用する場合、その受信周波数範囲を数倍の領域に広げようとするとその広げた領域において、アンテナの放射効率が低下するためアンテナと受信機間不整合損失をできるだけ小さく押さえるために、インダクタンス素子キャパシタンス素子などの集中定数によるインピーダンス整合回路を付加した上、受信周波数帯ごとにインピーダンス整合回路を調整する必要があった。方向探知装置においては、受信周波数ごとにインピーダンス整合は行わないので、受信周波数帯域は受信電力との兼ね合いで必然的に狭くなる。このような点から、従来においては目的とする周波数帯域カバーできるように、それぞれの周波数帯域に適した大きさ(長さ)の複数のアンテナを用いていた。このため複数本のアンテナを例えば円形配列してアンテナ装置とする場合はアンテナ装置の規模が大きくなるという問題があった。

課題を解決するための手段

0006

この発明によれば、線状アンテナ本体が垂直に設けられ、その下端部と大地(アース)との間に給電点が設けられ、線状アンテナ本体の上端に複数の線状導体の一端が上下方向に回動自在に機械的かつ電気的に連結され、これら線状導体の線状アンテナ本体に対する角度が角度調整機構により変更できるようにされている。

発明を実施するための最良の形態

0007

図1にこの発明の第1実施形態を示す。線状アンテナ本体21が垂直に配される。この例では大地22上に基礎台23が固定され、その基礎台23上に碍子24を介して線状アンテナ本体21の下端が立てられ、線状アンテナ本体21は碍子25を介在した複数の支線26により、大地に対して支持されている。支線26は大地と電気的に絶縁されている。また線状アンテナ本体21は円形金属パイプよりなる支柱状のものが用いられた場合である。線状アンテナ本体21の下端、つまり碍子24と接近した個所給電線の一端が接続されて給電部20とされている。

0008

線状アンテナ本体21の上部、この例では上端に複数の線状導体27の一端が上下方向に回動自在に取付られると共に電気的に接続される。これら線状導体27の線状アンテナ本体21に対する角度を調整できる角度調整機構28が設けられる。例えば図2に示すように線状アンテナ本体21の上端面にアンテナ本体21の径より大きい取付板29が固定され、取付板29のアンテナ本体21側の面にヒンジ31により線状導体27の一端が回動自在に取付けられる。また各線状導体27と線状アンテナ本体21とに柔軟性のある接続ケーブル32の両端がそれぞれねじ止められて、線状導体27とアンテナ本体21とが電気的に接続される。線状導体27のアンテナ本体21に対する角度θ(以下開き角度θと呼ぶ)を変更できるように、開き角度θが90度の状態でも接続ケーブル32に多少たるみをもたせる。また接続ケーブル32の両端の接続部分は防水処理がなされる。

0009

角度調整機構28は、例えば図3に示すように線状アンテナ本体21の上部にこれと近接平行して、シリンダ33が取付けられ、シリンダ33内にその上端面より出入自在にピストン34が設けられる。ピストン34に、線状アンテナ本体21上に通された可動リング35が固定され、可動リング35と各線状導体27とに支持棒36の両端がそれぞれヒンジ37,38を介して連結される。シリンダ33内に対し、図に示していないが空気又は油の注入量を制御して、ピストン34を上下動させ、例えば、図中に実線に示す開き角θ1の状態から破線に示すようにピストン34を上昇させて、開き角θ2に大きくすることができる。可動リング35の内周面ボールベアリングを収容してそのボールベアリングがアンテナ本体21と接触して、可動リング35が円滑に上下できるようにするとよい。

0010

線状導体27をアンテナ本体21に回動自在に連結すると共に電気的に接続するための他の例を図4に示す。即ち取付板29のアンテナ本体21側の面に、筒状取付具41が固定され、導電性コイルばね42の両端が取付具41と線状導体27の一端に接続される。図に示していないが線状導体27のアンテナ本体21に対する開き角θの変更は図3に示した角度調整機構28と同様のものを用いることができる。可動リング35の上下動は油圧シリンダ空気シリンダの他にリニアモータなど他の手段によってもよい。

0011

線状導体27は2本以上を等角間隔でアンテナ本体21に取付けるとよい。線状導体27の本数は多い方がよいが、多くすると角度調整機構28が複雑になる点で4〜8本程度が好ましい。例えば図5に示すように同一円45上に、この方向探知用アンテナ46の複数、この例では7本が等間隔で設置され、各アンテナ46はケーブル47で、円45の中心部に設けた受信機局舎48内の受信機に接続され、これら受信機の受信信号に対し、例えばミュージック(MUSIC)法により処理されて、受信電波の到来方向が決定される。

0012

以下に上述したこの発明のアンテナを用いることにより、従来技術の問題を改善できることを、電子計算機シミュレーションによる実験結果を参照して説明する。図6は大地21(比誘電率ε=15、導電率σ=0.005mhos/m、以下各実験も同様とした)に立てた線状アンテナ本体21の高さをH(4m)、その直径φを0.0025Hとし、線状導体27の長さLを0.25H(1m)とした場合に、受信波長λが2.5Hから7.5Hの範囲での受信効率を示す。すなわち、この受信効率は各線状導体27の開き角θについての受信アンテナの入力インピーダンスZinに対し、300Ωの負荷抵抗RLで整合回路を構成した場合の不整合損反射損失)である。なおλ=7.5Hは10MHz、λ=2.5Hは30MHzの場合である。またここで負荷抵抗のインピーダンスをZ0 (Ω)とすると、反射係数
Γ=(Zin−Z0 )/(Zin+Z0 )
となり、VSWR(電圧定在波比)および不整合損は
VSWR=(1+|Γ|)/(1−|Γ|)
不整合損=20log10|Γ|(dB)
である。

0013

この図6より受信波長が短い場合、例えばλ=2.5Hは線状導体27の開き角θを小にした方が不整合損が少なく、また、λ=5.0H、λ=7.5Hのように受信波長が長い場合は開き角θを大にした方が不整合損が少ない。不整合損が少ないほど受信電力が大きくなる。図7は線状アンテナ本体21の直径φを0.0017Hとし、線状導体27の長さLを0.17H(1m)、つまり図6の場合よりもHを長く6mとし受信波長が1.7H(30MHz)から5.0H(10MHz)の周波数領域での不整合損を示す。

0014

この場合も、受信周波数が高い、λ=2.0Hの場合は開き角θを閉じておいた方の損失が少なく、また、受信周波数が低いλ=5.0Hの場合は開き角θを開いておいた方が損失が少ない。以上のように開き角θを調整することにより、広い周波数帯範囲で不整合損(反射損失)を軽減できる効果がある。直径が0.02H、長さHのアンテナ本体21に対し、線状導体27の長さLを0.20Hと直径を0.1Hとし、受信電波の波長λが6.0Hの場合と、2.0Hの場合における到来電波の仰角ごとに開き角θによる受信電力の変化を、垂直偏波到来波を想定しモーメント法により計算して図8図9にそれぞれに示す。

0015

受信電力はアンテナに到来する垂直偏波の電界強度が1V/mの時、負荷抵抗50Ωに誘起される値である。この値には各開き角θでのアンテナ入力インピーダンスに対する不整合損が含まれている。到来電波の仰角は10度(水平方向に近い)から10度ごとに80度(垂直方向に近い)までの8仰角方向を計算している。これらの条件は以降に掲げる図10図11についても当てはめられている。受信電力は次のようにして計算した。開き角θ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。

0016

V=I(Zin+Z1 )
V0 +jXv =(I0 +jXi )(Rin+jXin+R1 +jX1 )=(I0 (Rin+R1 )−Xi (Xin+X1 ))+j(I0 (Xin+X1 )+Xi (Rin+R1 ))
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、
P=I2 Z1 =V2 Z1 /(Zin+Z1 )2 =(V0 +jXv )2 R1 /
((Rin+R1 )+j(Xin+X1 ))2
となる。図8図11においては受信電力を1mW=0dBmとして対数に変換して表示している。

0017

この図8図9は到来電波の仰角と開き角θによるアンテナ本体21の高さHと受信波長λについて、一部のみ作図しているに過ぎないが、到来電波の仰角によっては開き角θを変えることで受信電力の向上が可能であることが判る。一般に到来電波の仰角が大きくなるに従って開き角θを大とすると受信電力が大となる場合が多い。次に受信波長λが2.0H(25MHz)の場合でアンテナ本体21の高さH(6m)を変更せず、線状導体27の長さLを変えた場合について、それぞれ到来電波の仰角と受信電力の変化を図10および図11に示す。これらは図9の状態と比較することができる。すなわち、線状導体27の長さLが0.17Hの場合が図10に、0.20Hの場合が図9に、0.25Hの場合が図11にとLを順次長くした状態を示している。線状導体27の長さLが長くなるほど到来電波の各仰角における受信電力が全体として上昇していることが判り、開き角θを変えることにより受信電力を向上させることが可能であるとも判明する。

0018

以上のように到来電波の仰角に応じて開き角θを調整することが好ましい。例えば図5に示した方向探知装置において、図12Aに簡略に示すように、各アンテナ46よりの受信信号は受信機51を通じて方位測定処理器52に入力され、方位測定処理が行われ、受信到来電波の方位と仰角φとが表示器53に表示される。この仰角を操作員が見て、予め用意した表に従って角度調整機構28を制御して、その仰角に応じた好ましい開き角θに設定することができる。この前述から明らかなように到来電波の仰角と好ましい開き角θは到来電波の周波数によっても変化する。従って、前記表は例えば図12Bに示すように受信周波数帯ごとに、到来電波仰角範囲と開き角θとの対応表を用意しておく。

0019

この表を記憶部54に格納しておき方位測定処理器52で得られた仰角と受信周波数とにより記憶部54から開き角θを読み出し、その読み出した開き角を制御部55に設定開き角として与えて、制御部55が各アンテナ46の角度調整機構28を制御して、開き角θが設定開き角になるようにすることもできる。以上のように開き角θを制御することにより、例えば1MHzから30MHzまでの広帯域の周波数範囲の到来電波の方向を1種類のアンテナ46を用いて探知することが可能となり、かつ探知可能な到来電波の仰角の範囲を広げることができる。

0020

また従来の一般の受信機においては図12Aに破線で示すようにアンナテ46と受信機51との間にインピーダンス整合回路56を挿入して、受信周波数帯に応じてインピーダンス整合回路56を調整して受信感度を向上させているが、方向探知機においては、そのようにすると受信周波数帯域が狭ま過ぎ、未知の周波数の電波の到来方向を探知することができない。従って方向探知機においてはこのインピーダンス整合回路56は受信周波数に依存しないものが用いられるか又は省略され、受信周波数帯域を少しでも広くしようとしている。受信周波数帯域を更に広げるには従来においては複数種類のアンテナを用いていたが、この発明によればアンテナ46を探知周波数帯域で周波数に依存しない伝送線抵抗整合回路などの接続体で受信機51と接続し、1種のアンテナ46により、広帯域の電波方向探知が可能となる。

0021

線状アンテナ本体21の長さHは図6から0.13λ〜0.4λ程度、図7からは、0.2λ〜0.6λ程度、全体として0.13λ〜0.6λ程度が好ましいことが理解される。また以上より線状導体27の長さLは線状アンテナ本体21の長さHに対して0.17H〜0.25H程度とすることが好ましい。線状導体27の太さは線状アンテナ本体21の太さより小、1/4倍程度がよい。なお必要に応じて、開き角θを90度より大にできるようにして、低い方の受信帯域を広げることができ、または不整合損失を大とすることができるようにすることもできる。

0022

またMUSIC方式方向探知用受信テンアナ装置では各アンテナより取り出される受信電波の位相差が重要な情報となる。従ってそれぞれアンテナ単体間の受信位相バラツキは小さい方が望ましい。受信電力の向上のために周波数に依存するインピーダンス整合回路を使用すると集中定数としてのコンデンサインダクタ素子のバラツキにより、周波数ごとに位相差が生じ、不具合となる。しかし、この発明のアンテナを用いることにより、周波数に依存する集中定数のインピーダンス整合回路を用いることなく、すなわちアンテナ単体間の受信位相のバラツキを押さえて、受信電力の向上を行うことができる。

発明の効果

0023

以上述べたように、この発明によれば線状導体27の開き角を調整することにより探知可能な周波数帯域を広くすることができ、また大きな仰角方向からの電波の方向も探知可能となる。

図面の簡単な説明

0024

図1この発明の実施形態を示す正面図。
図2図1中の線状アンテナ本体21と線状導体27との接続例を示し、Aは底面図、Bは図2Aの2B−2B線断面図である。
図3図1中の角度調整機構28の具体例を示す正面図。
図4図1中の線状アンテナ本体21と線状導体27との他の接続例を示し、Aは底面図、Bは図2Aの4B−4B線断面図である。
図5この発明によるアンテナを用いた方向アンテナ装置の例を示す斜視図。
図6受信波長をパラメータとした開き角θに対する不整合損特性の例を示す図。
図7受信波長をパラメータとした開き角に対する不整合損特性の他の例を示す図。
図8仰角をパラメータとした開き角に対する受信電力特性の例を示す図。
図9仰角をパラメータとした開き角に対する受信電力特性の他の例を示す図。
図10仰角をパラメータとした開き角に対する受信電力特性の更に他の例を示す図。
図11仰角をパラメータとした開き角に対する受信電力特性の更に他の例を示す図。
図12Aはこの発明のアンテナを方向探知装置に適用した一部の構成例を示す図、Bはその記憶部54の記憶内容の例を示す図である。
図13従来のアンテナを示す正面図。

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