JPS5945284B2 - アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は導波器、放射器および反射器が炭素繊維強化樹
脂の外層を有するアンテナに関するものである。

従来、導波器、放射器および反射器が鉄、アルミニウム
等の棒状または筒状金属よりなるアンテナが、一般に使
われてきている。

しかしながら、屋外アンテナの場合、特に積雪の多い地
域においては、降雪時にアンテナに雪が付着し、ついに
は前記付雪の重量およびアンテナ自身の重量の和が、ア
ンテナ支持材の限界強度を越え、前記アンテナ支持材が
折損するという事故も少なくない。

また、時には導波器、放射器または反射器自身が、前記
付雪の重量により、ブーム取り付は部より折損するとい
う事故さえ生じている。

従来、この対策として、導波器、放射器、反射器および
アンテナ支持材の径を大きくして、強度を高める方法が
とられたが、かえって付言量の増大する結果となり、一
層の大型化・重量化という悪循環をもたらした。

支持材に取り付けられ、空中高く掲げられて恒常的に用
いられる屋外アンテナにとって、その必要以上の大型化
・重量化は、極めて不適当である。

また、別の対策として、導波器、放射器、反射器および
ブームに含フツ素塗料を塗布し、付着する雪との間の摩
擦係数を小さくして、付着した雪を滑り落させる方法も
とられてきた。

しかし、この方法では、前記各アンテナ素子の上面に付
着した雪が下面に回りこみ、結局前記各素子の全周に雪
が付着することから免れ得なかった。

そこで、根本的な対策として、アンテナに付着した雪を
熱で溶かす方法が考えられた。

具体的には、電熱ヒータを以て融雪しようとしたが、送
受信機能をもつアンテナの周囲に電熱ヒータを設ければ
、アンテナの送受信機能にたちまち障害をおこすことは
明らかであり、実施不可能であった。

本発明の目的は、上述のような従来アンテナの欠点を克
服し、送受信利得は実質的に同等であり、かつ、それ自
身降雪時にアンテナに付着する雪をｍかすことのできる
機能をも備えたアンテナを提供することにある。

この目的を達成するための本発明のアンテナは、導。

波器、放射器および反射器を互いに間隔をおいて、かつ
平行に配置し、前記導波器・放射器および反射器に直交
するブームに取り付けてなるアンテナであって、前記導
波器、放射器および反射器は棒状を有し、かつこの棒状
の少なくとも外層は炭素繊維強化樹脂で構成されている
とともにこの炭素繊維強化樹脂は棒状の軸方向に配列さ
れた炭素繊維を有している、ことを特徴とするものであ
る。

以下、図に従って本発明を具体的に説明する。

第１図は本発明の一実施例よりなる、円柱状炭素繊維強
化樹脂からなるアンテナ素子の一部切断縦断面図、第２
図はその横断面図である。

同図において、アンテナ素子１は炭素繊維２がその軸方
向にのみ配列され、樹脂３を含浸硬化させてなる円柱状
炭素繊維強化樹脂からななっている。

上記実施例では、アンテナ素子は円柱状であるが、後述
するように（第４図の説明の項参照）、円筒状であって
もかまわない。

また、角柱状あるいは角筒状であってもよい。

炭素繊維強化樹脂が円筒状または角筒状である場合、そ
の内部を他の材料、たとえばガラス繊維強化樹脂や有機
高弾性強化樹脂で満たし、全体として柱状を形成するよ
うにしてもよい。

要は、アンテナ素子の棒状の少なくとも外層にあたる部
分が炭素繊維強化樹脂で構成されておればよい。

放射器の形状に関しては、第１図に示すような環状の棒
状素子（後の第５図中の９を参照）とした方が放射効果
が上がるので、より好ましい。

前記炭素繊維は、体積含有率で６０％以上充填されるこ
とが望ましい。

６０係未満の体積含有率では、アンテナ素子の抵抗が大
きくなりすぎて、好ましくないからである。

また。横断面の分布において極端に偏って充填されるこ
とは好ましくなく実質的に均一に充填されることが望ま
しい。

なお、アンテナ素子の棒状の少なくとも外層を構成する
炭素繊維強化樹脂は、棒状の軸方向に配列された炭素繊
維を必ず有している必要があるが、軸方向と交差する方
向に配置された炭素繊維を含んでいてもよい。

樹脂としては熱硬化性樹脂を用いることができ、中でも
エポキシ樹脂が最も望ましい。

第３図は、本発明のアンテナに融雪用の熱を発生させる
ための高周波電力を供給する系のブロック図である。

同図において、高周波信号発振器４から、アンテナ７の
共振周波数に対応する非変調高周波信号を発生させ、電
力増振器５で前記信号を増幅し、給電線６を通じてアン
テナ７に高周波電力を供給する。

前記アンテナ７においては、給電対象素子の放射器のみ
ならず、他の無給電素子すなわち導波器、反射器にも誘
導作用によって高周波電流が流れ、前記放射器、導波器
および反射器をそれぞれ構成する要素である炭素繊維に
、ジュール熱が発生する。

このジュール熱は前記高周波電流によるものであり、前
記高周波電流は表皮効果により前記放射器、導波器およ
び反射器の各表面層にのみ発生するものであるから、高
周波電力は効率よく利用され得る。

第４図は、本発明の一実施例よりなるアンテナ素子の抵
抗（単位長さあたり）の高周波特性を示すグラフである
。

同図において、縦軸は炭素繊維がその軸方向にのみ配列
されてなる円柱状（直径５ ｍｙｎ ）炭素繊維強化樹
脂（炭素繊維の体積含有率６０係）の単位長さあたりの
抵抗値、横軸は周波数である。

表皮効果を考慮に入れた場合、半径ｒの円柱状導体の抵
抗（単位長さあたり）Ｒは、次式で与えられる。

ここで、πは円周率、ωは角周波数、μは導体の透磁率
、およびσは直流電気伝導度である。

上式にためしに第４図のグラフを得るときに用いた前記
円柱状素子（ｒ＝０．２５（Ｘ）の直流抵抗率ρ＝１／
σ二１．ＩＸ１伊２Ωα、μ＝１．２６Ｘ１０−８Ｈｒ
１、およびω＝２πＸ３０Ｘ１０６Ｈｚを代入して計算
すると、抵抗Ｒは７．３Ｘ１０−２Ωｃｒｎ−” とな
り、測定値とよく一致している。

（第４図参照） したがって、前記円柱状素子のような導体の高周波抵抗
は、表皮効果を考慮した上式によって計算して求めれば
よいことがわかる。

高周波では前記表皮効果が生ずるこにより、アンテナ素
子は円柱状のみならず、円筒状でも有効であることがわ
かる。

ところで、上述のようなジュール熱による発熱効果は、
金属のような良導体でも、またプラスチックのような絶
縁体でも生じず、炭素繊維のような上記二者の中間の電
気伝導度を有する材料にのみ生じる現象である。

また、３０ＭＨｚで７．３．Ｘ１０−２Ωｃｒ″１程度
の高周波抵抗値であるので、放射抵抗値より小さく、通
常の送受信には実質的になんら影響を及ぼさない。

さらに、アンテナ素子に炭素繊維強化樹脂を用いること
によるアンテナ全体のインピーダンスの増加は、わずか
に１００程度であり、従来用いられてきたバラン等の整
合システムは、若干調整を加えるだけで容易に再び整合
をとることができる。

一方、アンテナ素子の材料としては、上述のような小さ
な高周波抵抗値とともに、当然、機械的強度の大きなこ
とおよび軽量であることが要求される。

第４図のグラフを得るときに用いた前記円柱状炭素繊維
強化樹脂の比弾性率および比強度の値は、それぞれ８×
１０８ＣＩｒＬおよび８×１０６ｃｒｎであり既存のア
ンテナ素子の材料、たとえばアルミニウムに比べて、い
ずれも約４倍も太きい。

すなわち、機械的強度に関しては、炭素繊維強化樹脂の
方が既存のアンテナ素子材料より優れている。

また、軽量性に関しても同様に優れている。

さらに、アンテナ素子の材料には、温湿度に対する寸法
安定性、耐候性も必要である。

前記円柱状炭素繊維強化樹脂の軸方向線膨張率は−ＩＸ
ＩＯ−”Ｃ−”であり、極めて低い。

同様に湿度に対しても極めて安定しており、温湿度によ
る変形は実質上十分に無視できる程度でしかない。

既存の金属製アンテナ素子では、屋外で日光・風雨雪等
にさらされる間に、表面の塗料がはげ、金属自２身もさ
びたりして、送受信機能に障害を生じわすいが、炭素繊
維強化樹脂ではさびることなく、耐候性にも優れている
。

さて、給電線を通じて高周波電力を供給し、アンテナ素
子のちょうど適当な値の高周波抵抗を利用して発熱させ
るという点にだけ関していえば、炭素繊維に限らず、そ
れとほぼ同等の抵抗率を有する金属あるいは合金、たと
えばニクロムを用いた線でもよいはずである。

しかしながら、前記金属あるいは合金では、比弾性率、
比強度、密度、膨張率等の点で炭素繊維に劣り、アンテ
ナ素子の材料としては不適当である。

次に、本発明のアンテナの一実施例を示し、その製造法
および性能の一例を説明する。

実施例 平行に、かつ間隔をおいて配列した炭素繊維にエポキシ
樹脂を含浸してなるプリプレグを、前記炭素繊維の方向
が軸方向になるように円柱状に巻き、加熱硬化させて第
１図に示すような円柱状炭素繊維強化樹脂（直径５ ｍ
ｍ ）よりなるアンテナ素子を得た。

また、別に前記円柱状炭素繊維強化樹脂を四角環状に結
合し、これら円柱状および四角環状炭素繊維強化樹脂を
、第５図に示すように平行に、かつ間隔をおいて配列し
、硬質塩化ビニルよりなるブームに取り付けて、市販Ｕ
ＨＦアンテナ（素子材料はアルミニウム）と同型・同寸
法のＵＨＦアンテナを製作した。

第５図において、７はＵＨＦアンテナ、８は導波器、９
は放射器、１０は反射器、および１１はブームである。

前記導波器、放射器および反射器の高周波抵抗は、それ
ぞれ２０〜３０Ωであった。

すなわち、放射抵抗に比べて約１／１０の値であり、１
００Ｗの電力を供給したとき、約１０Ｗのエネルギが熱
となって発生した。

ＩＯＷ程度の発熱であれば、前記アンテナ各素子に付着
する雪をただちに溶かすことは、極めて容易に可能であ
る。

また、受信利得は前記市販ＵＨＦアルミニウムアンテナ
の９５幅であった。

すなわち、本考案のアンテナは既存の市販アンテナと実
質的に同等の送受信利得を有することが明らかになった
。

以上述べたように、本発明のアンテナは導波器、反射器
、および放射器の棒状の少なくとも外層が炭素繊維強化
樹脂で構成されているとともに、この炭素繊維強化樹脂
は棒状の軸方向に配列された炭素繊維を有しているため
、前記各素子自身いずれも軽量であり、機械的強度が極
めて高く、かつ温湿度に対する寸法安定性および耐候性
にも優れている。

しかも、通常一般に用いられる給電線を通じて高周波電
力を供給するだけで、給電対象素子の放射器のみならず
、他の無給電素子すなわち導波器、反射器にも誘導作用
（こよって高周波電流が流れ、前記各素子の炭素繊維に
ジュール熱を発生する。

この発熱により、降雪時に前記各素子に付着する雪をた
だちに溶かすことは極めて容易である。

したがって、付言によるアンテナ素子自身の折損事故、
あるいはアンテナ支持材の折損事故を防ぐことが可能で
あり、前記事故による送受信機能障害をおこすことがな
い。

また、前記各素子中の炭素繊維は、が各素子の軸方向に
のみ配列されている場合には、前記軸方向と垂直な方向
には熱伝導率が低く、かつ、高周波での表皮効果のため
前記ジュール熱が前記各素子のそれぞれ内層深くまで伝
導して、マトリクスの樹脂を熱分解させるという現象防
止することができる。

さらに、送受信利得は市販アンテナのそれと実質的に同
程度であり、炭素繊維強化樹脂を素子材料とすることに
よるデメリットはない。

ゆえに、本発明のアンテナを既存のアンテナに代えて用
いることは可能であり、特に積雪の多い地域において本
発明アンテナを用いることは極めて有効である。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の一実施例よりなる円柱状アンテナ素
子の一部切断縦断面図、第２図はその横断面図。 第３図は、本発明のアンテナに高周波電力を供給する系
の一実施例のブロック図。 第４図は、本発明の一実施例よりなるアンテナ素子の抵
抗の高周波特性を示すグラフ。 第５図は、本発明の一実施例よりなるＵＨＦアンテナの
斜視図。 符号、１：アンテナ素子、２：炭素繊維、３：樹脂、４
：高周波信号発振器、５：電力増幅器、６：給電源、７
：アンテナ、８：導波器、９：放射器、１０：反射器、
１１：ブーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 導波器、放射器および反射器を互いに間隔をおいて
   、かつ平行に配置し、前記導波器、放射器および反射器
   に直交するブームに取り付けてなるアンテナにおいて、
   前記導波器、放射器および反射器は棒状を有し、かつこ
   の棒状の少なくとも外層は炭素繊維強化樹脂で構成され
   ているとともにこの炭素繊維強化樹脂は棒状の軸方向に
   配列された炭素繊維を有していることを特徴とするアン
   テナ。