JP5684764B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、漏洩同軸ケーブルを用いたアンテナに関する。

漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）は、通常の同軸ケーブルの外部導体に複数のスロットが設けられたものである。このようなスロットを通じて、ケーブル内部の電磁波信号を外部に放射し、また、ケーブル外部の電磁波信号をケーブル内部に取り込むことができる。即ち、ＬＣＸはケーブル型アンテナであり、特殊な細長い送受信アンテナと言える。

ジグザグ配列のスロットを有するＬＣＸからの電磁波の放射モードには、電界が円周方向及び軸方向のＥφ偏波及びＥｚ偏波がある。Ｅφ偏波及びＥｚ偏波の放射角度は、使用周波数、スロットのピッチ、及び内部導体と外部導体間の絶縁体の比誘電率から定められる（非特許文献１参照）。

従来のＬＣＸでは、放射電磁波の強度の安定性を確保するため、Ｅφ偏波単一となる放射モードが採用される。この場合、Ｅφ偏波の放射角度がＬＣＸの終端部に向かう方向に対して負、即ち給電側に向くバックファイア型アンテナとして使用されることが多い。ＬＣＸは複数のスロットの各スロットから電磁波が放射されるので、ＬＣＸに沿って安定な通信領域を実現できる。しかも、ＬＣＸへの入力電力を適当に弱くすれば、ＬＣＸ近傍だけに安定な通信領域が得られる。そのため、ＬＣＸ本体周辺のみに通信対象領域を限定でき、情報漏洩を防止して通信セキュリティを確保するためのアンテナとして使用されている。

岸本俊彦、佐々木伸著「ＬＣＸ通信システム」 電子通信学会、昭和５７年８月２０日出版

しかし、ＬＣＸの終端部近傍を詳細に調査すると、実際にはＥｚ偏波の放射が存在していることが判明した。このようなＬＣＸ終端部近傍での意図していないＥｚ偏波の放射は不要であり、通信セキュリティ確保のためには抑制する必要がある。

上記問題点を鑑み、本発明の目的は、終端部での通信セキュリティを確保することが可能なアンテナを提供することにある。

本発明の一態様によれば、線状の中心導体、中心導体を覆う絶縁体、絶縁体を挟んで中心導体を覆い、中心導体の軸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体、及び、外部導体の外周を覆う厚さが０．０１ｍｍ以上、１．５ｍｍ未満の範囲のシースを有し、信号が供給される一端から他端に向かう軸方向に延伸する漏洩同軸ケーブルと、他端に接続され、漏洩同軸ケーブルの特性インピーダンスで終端する終端器を含み、外部導体に接続された外装導体を有する終端部材とを備えるアンテナが提供される。

本発明の他の態様によれば、線状の中心導体、中心導体を覆う絶縁体、及び絶縁体を挟んで中心導体を覆い、中心導体の軸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体を有し、外部導体の外周を露出させた、信号が供給される一端から他端に向かう軸方向に延伸する漏洩同軸ケーブルと、他端に接続され、漏洩同軸ケーブルの特性インピーダンスで終端する終端器を含み、外部導体に接続された外装導体を有する終端部材とを備えるアンテナが提供される。

本発明によれば、終端部での通信セキュリティを確保することが可能なアンテナ及び通信システムを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るアンテナの一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナに用いるＬＣＸの一例を示す概略図である。 図２に示したＬＣＸの終端部材の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナの結合損失分布の測定系の一例を示す概略図である。 図４に示した測定系の受信アンテナの配置の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナから得られたＥφ偏波及びＥｚ偏波の結合損失分布の一例を示す図である。 シース厚さに対するＥφ偏波及びＥｚ偏波の結合損失の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナから得られたＥφ偏波及びＥｚ偏波の結合損失分布の他の例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係るアンテナは、図１に示すように、ＬＣＸ１及び終端部材３を備える。アンテナを送信アンテナとして用いる場合、ＬＣＸ１の一端には、同軸ケーブル等のアプローチケーブル９を介して給電部７が接続される。ＬＣＸ１の他端には、終端部材３が接続される。

ＬＣＸ１の軸方向に平行な面において、ＬＣＸ１の法線ＮＬに対してＬＣＸ１からの放射波Ｒの放射角をθとする。放射角θが正のとき、放射波Ｒは、ＬＣＸ１の法線ＮＬに対して終端部材３側に放射される。放射角θが負のとき、放射波Ｒは、ＬＣＸ１の法線ＮＬに対して終端部材３の反対側に放射される。

ＬＣＸ１は、図２に示すように、中心導体１０、絶縁体１２、外部導体１４、及びシース１６を有する。中心導体１０は、給電部７から高周波信号が供給される一端から他端に向かう軸方向に線状に延伸する。絶縁体１２は、中心導体１０を覆うように設けられる。外部導体１４は、絶縁体１２を挟んで中心導体１０を覆うように設けられる。シース１６は、外部導体１４の外周を覆うように設けられる。

また、図２に示すように、外部導体１４には、ＬＣＸ１の軸（ｚ軸）方向に沿って複数の第１スロット１８ａ及び複数の第２スロット１８ｂがジグザグ状に設けられる。第１及び第２スロット１８ａ、１８ｂは、それぞれ所定のピッチで設けられる。第２スロット１８ｂは、第１スロット１８ａに対してピッチの１／２の間隔で設けられる。第１及び第２スロット１８ａ、１８ｂはｚ軸方向に対して、それぞれ異なる傾斜角で傾けて配置される。第１及び第２スロット１８ａ、１８ｂそれぞれのｚ軸方向に対する傾斜角は互いに補角をなす。

図３に示すように、終端部材３は、ＬＣＸ１の他端部に取り付けられたコネクタ４４、及びコネクタ４４に接続された終端器４０を含む。終端器４０は、不要な反射が発生しないように、ＬＣＸ１の特性インピーダンスと同じ抵抗値の終端抵抗である。終端器４０の外装導体４２は、コネクタ４４の外装導体４６を通して、図２に示した外部導体１４に接続される。

例えば、ＬＣＸ１には、直径２ｍｍの銅製の中心導体１０、直径５ｍｍで比誘電率εｒが約１．５の発泡ポリエチレン製の絶縁体１２、銅製の外部導体１４、及びポリエチレンなどの樹脂製のシース１６が用いられる。ＬＣＸ１の特性インピーダンスは５０Ωである。ＬＣＸ１の他端に５０Ωの終端抵抗を有する終端部材３を接続してアンテナとする。アンテナの長さは、約２ｍとする。

第１及び第２スロット１８ａ、１８ｂのピッチは４０ｍｍである。図１に示した給電部７から周波数が２．４ＧＨｚの高周波信号を供給すると、ＬＣＸ１に設けた第１及び第２スロット１８ａ、１８ｂから、放射角θが−２０度で、電界が円周方向のＥφ偏波が放射波Ｒとして放射される。即ち、アンテナは、バックファイア型アンテナとして動作する。なお、ＬＣＸ１からは、電界がｚ軸方向のＥｚ偏波は放射されない。また、アンテナから約１．５ｍ離れた位置での放射波Ｒの結合損失が約６０ｄＢとなるように第１及び第２スロット１８ａ、１８ｂの長さ、幅、及び傾斜角を設定する。

図４に示すように、長さが約２ｍのアンテナを電波暗室３０の床面に設置して、結合損失分布の測定を実施した。電波暗室３０内において、ＬＣＸ１の軸方向をｚ、ＬＣＸ１の高さ方向をｘとする。アンテナの一端〜他端がｚ＝１ｍ〜３ｍに位置するように配置する。電波暗室３０の外に設けた給電部７が、アプローチケーブル９を介してアンテナの一端に接続される。受信アンテナ２０として、例えば半波長標準ダイポールアンテナをアンテナの真上に配置する。受信アンテナ２０はアプローチケーブル２２を介して、電波暗室３０の外に設けた受信部２４に接続される。

給電部７から、アンテナの一端に周波数が２．４ＧＨｚで入力電力Ｐｔの信号が供給され、アンテナからの放射波が受信アンテナ２０で受信される。受信部２４で放射波の受信電力Ｐｒが検出される。結合損失Ｌｃは、次式で計算される。

Ｌｃ ＝ −１０ｌｏｇ（Ｐｒ／Ｐｔ） （ｄＢ） ・・・（１）

上述のように、図４に示したアンテナは、Ｅφ偏波の放射角θが−２０度のバックファイア型アンテナである。例えば、図５に示すように、ＬＣＸ１の円周方向に合わせ、Ｅφ偏波が受信可能な受信アンテナ２０ａ、及び軸方向に合わせ、Ｅｚ偏波が受信可能な受信アンテナ２０ｂを用いて、結合損失の測定を実施した。

図６に、シース１６の厚さが１．５ｍｍのＬＣＸ１を用いて、受信アンテナ２０ａ、２０ｂの高さｘを０．２５ｍ〜１．５ｍの範囲、位置ｚを０〜５ｍの範囲で変化させて結合損失Ｌｃの分布を測定した結果を示す。Ｅφ偏波に対して測定した結合損失Ｌｃφは、図６に示すように、ＬＣＸ１側に放射波Ｒφの放射角θで傾いた分布となり、終端部材３の上方ではＥφ偏波の放射は弱い。一方、Ｅｚ偏波に対して測定した結合損失Ｌｃｚは、図６に示すように、終端部材３の上方に偏在した分布となる。即ち、ＬＣＸ１側の領域ＣａではＥφ偏波が優勢であり、終端部材３側の領域ＣｂではＥｚ偏波が優勢である。

結合損失ＬｃφとＬｃｚは、ほぼ同じ強度である。例えば、高さｘが１．５ｍｍで比較すると、結合損失Ｌｃφは領域Ｃａで約６０ｄＢ、結合損失Ｌｃｚは領域Ｃｂで約６１ｄＢとほぼ同じ強度であった。

ＬＣＸ１を終端部材３で終端した従来のアンテナでは、通信領域としては不要な領域ＣｂにもＥｚ偏波が放射され、情報漏洩が発生していることになる。したがって、通信セキュリティの確保が困難となる。

そこで、ポリエチレン製のシースの厚さを、０．５ｍｍから３ｍｍまで０．５ｍｍずつ増加して変化させたＬＣＸを用いて、図４に示した測定形で結合損失Ｌｃの測定を行った。図７に、高さｘが１．５ｍで測定した、領域ＣａにおけるＥφ偏波の結合損失Ｌｃφ、及び領域ＣｂにおけるＥｚ偏波の結合損失Ｌｃｚのシース厚さとの関係を示す。シース厚さが「０ｍｍ」は、シースがなく外部導体の外周を露出させたＬＣＸを用いた場合である。図７に示すように、結合損失Ｌｃφはシース厚さに関係なく、約６０ｄＢである。一方、シース厚さが減少すると結合損失Ｌｃｚは大きくなることが判る。

図８に、シース１６の厚さが０．５ｍｍのＬＣＸ１を用いて、図５に示した受信アンテナ２０ａ、２０ｂの高さｘを０．２５ｍ〜１．５ｍの範囲、位置ｚを０〜５ｍの範囲で変化させて結合損失分布を測定した結果を示す。図８に示すように、Ｅφ偏波に対して測定した結合損失Ｌｃφは、図６と同様にＬＣＸ１側に放射波Ｒφの放射角θで傾いた分布となり、終端部材３の上方ではＥφ偏波の放射は弱い。一方、Ｅｚ偏波に対して測定した結合損失Ｌｃｚは、終端部材３の上方に偏在した分布となる。即ち、ＬＣＸ１側の領域ＣａではＥφ偏波が優勢であり、終端部材３側の領域ＣｂではＥｚ偏波が優勢である。

しかし、図８に示すように、領域ＣｂのＥｚ偏波の結合損失Ｌｃｚは、図６とは異なり、領域ＣａのＥφ偏波の結合損失Ｌｃφよりも大きい。高さｘが１．５ｍにおける結合損失Ｌｃを比較すると、領域Ｃａでの結合損失Ｌｃφが約６０ｄＢであるのに対し、領域Ｃｂでの結合損失Ｌｃｚは約６９ｄＢである。

このように、シース１６の厚さを０．５ｍｍと薄くすることにより、Ｅｚ偏波の結合損失ＬｃｚがＥφ偏波の結合損失Ｌｃφに比べて約９ｄＢ増加する、即ち受信電力が１／８程度に減少することが確認された。シース厚さが１．５ｍｍでは、Ｌｃｚは約６１ｄＢであり、Ｌｃφと同程度となる。シース厚さが１．５ｍｍより厚くなると、Ｌｃｚは６０ｄＢ以下となり、Ｌｃφに比べて損失が小さくなる。

ＬＣＸ１の終端部材３側の領域Ｃｂにおける結合損失Ｌｃｚは、シース１６の厚さに依存する。領域ＣｂにおけるＥｚ偏波の結合損失を増加させ、情報漏洩を防止するためには、シース１６の厚さを、１．５ｍｍ未満の範囲、好ましくは１ｍｍ以下の範囲、より好ましくは０．７ｍｍ以下にすればよい。シース１６の厚さを１．５ｍｍ未満にすれば、Ｅｚ偏波の結合損失はＥφ偏波に比べて増加する。シース１６の厚さを１ｍｍ以下にすれば、Ｅｚ偏波の結合損失はＥφ偏波に比べて約３ｄＢ増加する、即ち受信電力が約１／２以下に減少する。また、シース１６の厚さを０．７ｍｍ以下にすれば、Ｅｚ偏波の結合損失はＥφ偏波に比べて約６ｄＢ増加する、即ち受信電力が約１／４以下に減少する。なお、図７に示すように、シース厚さが０ｍｍ、即ちシースがないＬＣＸを用いれば、Ｅｚ偏波の結合損失はＥφ偏波に比べて約１０ｄＢ増加する、即ち受信電力が約１／１０に減少する。また、シースは押し出し機で押し出し成形する事が多く、押し出し成形の場合はシースの厚さは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍが限界である。しかし、テープを巻き付けたり、収縮チューブを被せてシースを形成する場合はシースの厚さが０．０１ｍｍとすることも可能であるため、シース厚さは０．０１ｍｍ以上とすることが望ましい。

上記のように、実施の形態に係るアンテナでは、シース１６の厚さを１．５ｍｍ未満とする。その結果、図７及び図８に示したように、終端部材３の近傍でのＥｚ偏波の結合損失Ｌｃｚを増加させることができる。なお、Ｅφ偏波の結合損失Ｌｃφに対しては、シース１６の厚さは影響がないことが確認されている。このように、実施の形態に係るアンテナでは、ＬＣＸ１の終端部での情報漏洩を防止して通信セキュリティを確保することができる。

なお、上述の説明においては、シース１６としてポリエチレンを用いている。しかし、シース１６に用いる樹脂は、ポリエチレンに限定されない。例えば、シース１６として、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を用いてもよい。ポリエチレンの比誘電率が約２．３であるのに対し、ＰＶＣの比誘電率は約６である。比誘電率の相違に起因して、Ｅｚ偏波の結合損失Ｌｃｚの若干の減少があるものの、ほぼ同様の結合損失となることが確認されている。したがって、シース１６として６以下の範囲の比誘電率を有する樹脂を用いれば、ＬＣＸ１の終端部でのＥｚ偏波の放射を抑制でき、通信セキュリティを確保することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）
３…終端部材
１０…中心導体
１２…絶縁体
１４…外部導体
１６…シース
１８ａ…第１スロット
１８ｂ…第２スロット
４０…終端器
４２、４６…外装導体
４４…コネクタ

Claims (3)

1. 線状の中心導体、前記中心導体を覆う絶縁体、前記絶縁体を挟んで前記中心導体を覆い、前記中心導体の軸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体、及び、前記外部導体の外周を覆うシースを有し、信号が供給される一端から他端に向かう前記軸方向に延伸する漏洩同軸ケーブルと、
   前記他端に接続され、前記漏洩同軸ケーブルの特性インピーダンスで終端する終端器を含み、前記外部導体に接続された外装導体を有する終端部材と、を備えたアンテナであり、
   Ｅｚ偏波の結合損失を、前記アンテナから前記軸方向に対し垂直な方向に０．２５ｍ〜１．５ｍの範囲においてＥφ偏波の結合損失よりも大きくするために、前記シースの厚さを０．０１ｍｍ以上、１．５ｍｍ未満の範囲としたことを特徴とするアンテナ。
2. 前記シースの比誘電率が、６以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 線状の中心導体、前記中心導体を覆う絶縁体、及び前記絶縁体を挟んで前記中心導体を覆い、前記中心導体の軸方向に沿って所定のピッチで複数のスロットが設けられた外部導体を有し、信号が供給される一端から他端に向かう前記軸方向に延伸する漏洩同軸ケーブルと、
   前記他端に接続され、前記漏洩同軸ケーブルの特性インピーダンスで終端する終端器を含み、前記外部導体に接続された外装導体を有する終端部材と、を備えたアンテナであり、
   Ｅｚ偏波の結合損失を、前記アンテナから前記軸方向に対し垂直な方向に０．２５ｍ〜１．５ｍの範囲においてＥφ偏波の結合損失よりも大きくするために、前記外部導体の外周を露出させたことを特徴とするアンテナ。

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