JP6151971B2 - Antenna device - Google Patents
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Description
本発明は、ＡＭ帯及びＦＭ帯の放送波を受信可能な低背型のアンテナ装置に関する。ＡＭ帯とは０．５２２［ＭＨｚ］〜１．６２９［ＭＨｚ］、ＦＭ帯とは７６［ＭＨｚ］〜１０８［ＭＨｚ］の周波数帯をいう。 The present invention relates to a low-profile antenna device capable of receiving AM-band and FM-band broadcast waves. The AM band refers to a frequency band of 0.522 [MHz] to 1.629 [MHz], and the FM band refers to a frequency band of 76 [MHz] to 108 [MHz].
ＡＭ帯及びＦＭ帯の放送波を受信可能な車両用の低背型アンテナ装置として、特許文献１、特許文献２に開示されたアンテナ装置が知られている。
特許文献１に開示されたアンテナ装置は、金属製のアンテナベース部上にアンテナ基板、すなわちアンテナエレメントの一部となるコイルが形成されたものを立設させ、さらに、アンテナ基板を跨ぐように、ハット状のトップ部が設けられている。アンテナ基板上のコイルの一端はトップ部に接続され、トップ部と共にＦＭ帯で共振するアンテナエレメントを構成している。コイルの他端は、アンプ基板に接続される。
このような構造のアンテナ装置は、高さが７０［ｍｍ］で、長手方向の長さが２００［ｍｍ］前後でありながら、その一部がヘリカルアンテナとなる１９５［ｍｍ］の高さのロッドアンテナと同等のアンテナ特性を得ることができるとされている。
As low-profile antenna devices for vehicles capable of receiving AM-band and FM-band broadcast waves, antenna devices disclosed in
In the antenna device disclosed in
The antenna device having such a structure has a height of 70 [mm] and a longitudinal length of about 200 [mm], and a rod having a height of 195 [mm], a part of which is a helical antenna. It is said that the antenna characteristics equivalent to the antenna can be obtained.
しかし、アンテナ装置の放射抵抗は、高さの２乗に比例する。そのため、アンテナ装置の高さを単純に低くすると性能が著しく劣化し、実用的に使用することが困難になるという問題がある。このような問題の解消を目的としたのが特許文献２に開示されたアンテナ装置である。特許文献２に開示されたアンテナ装置は、車両に固定されるベース部に支持された２種類のヘリカル部でアンテナエレメントを構成する。アンテナエレメントは、ベース部に近い側の第１ヘリカル部とベース部から遠い側の第２ヘリカル部とを有する。第２ヘリカル部は、第１ヘリカル部よりも単位長さ当たりの表面積が大きい。第１ヘリカル部は線路状パターンあるいは板状の導電性部材で構成される。他方、第２ヘリカル部は、線状、べた状パターン、べた状パターンとワイヤ、板状の導電性部材を略コ字状に折り曲げたもの（横長な螺旋形状のエレメント）で構成される。
However, the radiation resistance of the antenna device is proportional to the square of the height. Therefore, if the height of the antenna device is simply lowered, there is a problem that the performance is remarkably deteriorated and it is difficult to use it practically. The antenna device disclosed in
特許文献２に開示されたアンテナ装置は、シャークフィン形状のアンテナケース内に、２種類のヘリカル部（第１ヘリカル部、第２ヘリカル部）を効率よく配置することにより、アンテナ利得を大きくすることができる。しかしながら、このようなアンテナ装置では、２種類のヘリカル部が一定間隔をおいて高さ方向に設けられる。特に、第２ヘリカル部を板状の導電性部材あるいは板状の基板に形成されるパターンで構成する場合は、面部がベース部に対して立設する、いわゆる縦置きの構造となる。そのため、低背化には限界があり、アンテナケースの外観デザインの自由度も低いという課題が残る。
The antenna device disclosed in
本発明は、上記の問題点に鑑み、ＦＭ帯以下の周波数帯域において、低背化しても性能劣化が少なく、アンテナケースの外観デザインの自由度を高くすることができるアンテナ装置を提供することを主たる目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention provides an antenna device capable of increasing the degree of freedom in the appearance design of an antenna case with little performance degradation even in the frequency band below the FM band even if the height is lowered. Main purpose.
本発明のアンテナ装置は、接地電位の地板に対して垂直となる外側面を有する筒状の誘電体と、前記誘電体の外側面にヘリカル状に巻かれた線状導体と、前記線状導体のうち前記地板から離れている一方の端部と導通し、前記地板に対して略平行となる面部を有する面状導体と、前記誘電体の中空部に収容された状態で前記線状導体の他方の端部と接続され、当該線状導体及び前記面状導体により受信したＦＭ帯又はＡＭ帯の周波数の受信波を増幅する増幅器とを備えたものである。
「略平行」とは、完全に平行でなくとも、地板との間で対地容量を確保できる程度の平行度であれば良いことを意味する。また、「面部」は、必ずしも閉曲面に限定されず、使用周波数において面として扱うことができるものであれば、環状、網状、格子状その他の形状のものであっても良いことを意味する。
The antenna device according to the present invention includes a cylindrical dielectric having an outer surface perpendicular to a ground plane having a ground potential, a linear conductor helically wound around the outer surface of the dielectric, and the linear conductor. A planar conductor having a surface portion which is electrically connected to one end portion away from the ground plane and substantially parallel to the ground plane, and the linear conductor is accommodated in the hollow portion of the dielectric . And an amplifier that is connected to the other end and amplifies a received wave having a frequency in the FM band or AM band received by the linear conductor and the planar conductor.
The term “substantially parallel” means that the parallelism is sufficient to ensure a ground capacity with the ground plane, even if it is not completely parallel. In addition, the “surface portion” is not necessarily limited to a closed curved surface, and may be an annular shape, a net shape, a lattice shape, or any other shape as long as it can be handled as a surface at a use frequency.
ある実施の態様では、面部の面積がＦＭ帯の上限使用周波数の波長の０．０２倍の二乗以上である。また、前記地板の表面から前記面状導体の外周までの距離が使用周波数の波長の０．００８倍以下である。また、前記線状導体が前記面状導体の外周と同じ形状でヘリカル状に巻かれており、ヘリカル径が前記面状導体の外周よりも大きいサイズである。
前記増幅器は、その雑音指数が、ＦＭ帯のすべての帯域においてほぼ等しい。また、前記増幅器が、ＦＭ帯の受信波を増幅するための化合物半導体ＨＥＭＴを増幅素子として含むＦＭ増幅器である。
In one embodiment, the area of the surface portion is 0.02 times the square of the wavelength of the upper limit use frequency of the FM band or more. Moreover, the distance from the surface of the ground plane to the outer periphery of the planar conductor is 0.008 times or less of the wavelength of the operating frequency. Moreover, the said linear conductor is helically wound by the same shape as the outer periphery of the said planar conductor, and a helical diameter is a size larger than the outer periphery of the said planar conductor.
The amplifier has approximately the same noise figure in all bands of the FM band. The amplifier is an FM amplifier including a compound semiconductor HEMT for amplifying an FM band received wave as an amplifying element.
本発明のアンテナ装置は、アンテナ高さを低背化することにより減少する地板との間の容量（キャパシタンス）を、面状導体で増加させるとともに、この面状導体により増幅器との整合も容易になるので、アンテナ性能の低下を抑制することができる。
また、面状導体の面積が一定ならば特性はその形状には依存しないため、アンテナ装置全体の外観デザインの自由度を高めることができる。
The antenna device of the present invention increases the capacitance (capacitance) between the antenna and the ground plane, which is reduced by reducing the height of the antenna, with a planar conductor, and easily matches the amplifier with the planar conductor. As a result, a decrease in antenna performance can be suppressed.
If the area of the planar conductor is constant, the characteristics do not depend on the shape of the planar conductor, so that the degree of freedom in the external design of the entire antenna device can be increased.
以下、本発明を日本のＡＭ帯（０．５２２〜１．６２９［ＭＨｚ］）及びＦＭ帯（７６〜９０［ＭＨｚ］）の放送波を受信して増幅するアンテナ装置、特に、車両に取付可能な低背型アンテナ装置に適用した場合の実施の形態を説明する。 Hereinafter, the present invention can be attached to an antenna device for receiving and amplifying broadcast waves in the AM band (0.522 to 1.629 [MHz]) and FM band (76 to 90 [MHz]) in Japan, particularly a vehicle. An embodiment when applied to a low profile antenna device will be described.
本実施形態のアンテナ装置は、例えば車両のルーフ面のように、導電性を有するアンテナ設置面に取り付けて使用される。取り付けた際には、ルーフ面から略３０［ｍｍ］以下の高さでＡＭ帯及びＦＭ帯の放送波を受信する。 The antenna device of the present embodiment is used by being attached to a conductive antenna installation surface such as a roof surface of a vehicle, for example. When attached, the AM band and FM band broadcast waves are received at a height of approximately 30 [mm] or less from the roof surface.
図１は、本実施形態に係るアンテナ装置の構造例を示す外観分解斜視図である。このアンテナ装置１は、上記のアンテナ設置面に取り付けられるアンテナ本体部１０と、このアンテナ本体部１０を蓋するレドーム１１とを備えている。アンテナ設置面からアンテナ本体部１０までの高さは、略３０［ｍｍ］である。レドーム１１は、電波透過性の合成樹脂で構成される。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of the structure of the antenna device according to the present embodiment. The
アンテナ本体部１０は、図２の一部分解斜視図に示されるように、主として、上記のアンテナ設置面に適合する形状の底面を有する第１ベース部１０１と、この第１ベース部１０１に嵌合される第２ベース部１０２と、第１ベース部１０１及び第２ベース部１０２を上記のアンテナ設置面に取り付けるための取付機構１０３と、回路部１０４と、支持体１０７と、線状導体の一例となる給電線１０８及び面状導体の一例となる対地容量確保用導板（以下、「天頂容量板」という。）１０９とを備えている。給電線１０８は、例えば線径０．４［ｍｍ］の銅線で構成される。天頂容量板１０９は、例えば厚み０．２［ｍｍ］、面積が４９００［ｍｍ２］の銅板などで構成される。給電線１０８と天頂容量板１０９とで、アンテナエレメントが実現される。
As shown in the partially exploded perspective view of FIG. 2, the antenna
回路部１０４は、アンテナエレメントに接続される受信端子と、アンテナエレメントで受信した信号を増幅するための増幅器を含む電子回路と、増幅された信号を外部回路へ出力するためのアンテナインタフェースと、を搭載した回路基板１０４ｂを備える。
支持体１０７は、アンテナエレメントを支持するために用いられるもので、アンテナ設置面に対して垂直方向に突出する筒状の誘電体ブロックなどで構成される。回路部１０４は、支持体１０７の筒体の中空部に収容され、これにより、アンテナ本体部１０のサイズの節約を図っている。
The
The
第１ベース部１０１は、アンテナ設置面とアンテナ装置１との緩衝材となるもので、例えばゴム等の弾性部材で構成される。その略中央部には、取付機構１０３を貫通させるための孔部１０１ａが形成されている。第２ベース部１０２は、アンテナエレメント及び回路部１０４の接地ラインを車両のアンテナ設置面に電気的に接続するためのもので、使用時にアンテナ設置面と導通することにより、接地電位となる地板として機能するものである。そのため、導電性部材で構成され、その略中央部には、回路部１０４を装着するための窪み１０２ａと、孔部１０２ｂとが形成されている。
取付機構１０３は、第２ベース部１０２の地板をアンテナ設置面に導通させるとともに、アンテナ本体部１０を車両に固定するためのものである。そのため、取付機構１０３は、ボルト等の接合部材１０３ｂにより、アンテナ設置面、第１ベース部１０１及び第２ベース部１０２を挟むように構成される。
The
The
第１ベース部１０１の外底部からは、孔部１０１ａ及び第２ベース部１０２の孔部１０２ａを介して、電源ケーブル１０５ａと同軸ケーブル１０６ａとが取り出される。電源ケーブル１０５ａは、電源部インタフェース１０５ｂを介して回路基板１０４に実装される増幅回路に電力及び制御信号を供給する。また、同軸ケーブル１０６ａは、アンテナインタフェース１０６ｂを介してアンテナ出力を外部回路へ取り出す。
回路部１０４は、ネジ孔を有する導電性のフレーム１０４ａ上に、上記のアンテナ給電端子、電子回路、アンテナインタフェースを実装した回路基板１０４ｂを取り付け、さらに、ネジ１０４ｃで第２ベース部１０２に固定している。
From the outer bottom portion of the
The
支持体１０７は、地板と接触しない部位で、給電線１０８を当該地板から離れる方向にヘリカル状に巻き、さらに天頂容量板１０９を地板と略平行となるように取り付けるためのものである。すなわち、アンテナ設置面と平行となる支持体１０７の上底部１０７ａに、位置決め用の複数の突起体１０７ｂと、ネジ受け部１０７ｃとが形成されている。また、アンテナ設置面と垂直となる支持体１０７の外側面１０７ｄに、複数の溝１０７ｅとアンテナガイド１０７ｆとが形成されている。溝１０７ｅは、所定間隔（ピッチ）でヘリカル状に形成される。アンテナガイド１０７ｆは、回路部１０４に近くなる方向に形成される。この溝１０７ｅには、給電線１０８が装着され、これにより、ヘリカルコイルが実現される。支持体１０７は、ネジ孔１０７ｇを貫通するネジ１０７ｈにより、第２ベース部１０２に固定される。
The
支持体１０７の上底部１０７ａには、天頂容量板１０９が配設される。天頂容量板１０９のうち、突起体１０７ｂに対応する部位には、位置決め用の複数の孔部１０９ｂが形成されており、また、支持体１０７のネジ受け部１０７ｃに向けてネジ１０９ｄを差し込むためのネジ孔１０９ｃが形成されている。
上述した給電線１０８の一方の端部１０８ａは、天頂容量板１０９の縁に近いネジ孔１０９ｃ及びネジ１０９ｄを通じて、この天頂容量板１０９と電気的に接続される。給電線１０８の他方の端部１０８ｂは、アンテナガイド１０７ｆで案内されて、回路部１０４のアンテナ給電端子へ接続される。
A
One
レドーム１１は、第１ベース部１０１及び第２ベース部１０２のネジ孔を介して、複数のネジ１０３ｃにより固定される。
The
組み立てられたアンテナ本体１０の外観を図３に示す。図３（ａ）は上面図、（ｂ）は長辺方向の側面図、（ｃ）は短辺方向の側面図である。図３（ａ）に示されるように、天頂容量板１０９は、円弧状と略矩形状とを組み合わせた卵形状の平板で、第１ベース部１０１及び第２ベース部１０２から突出する支持体１０７の上底部１０７ａと同じ形状及びサイズに成形される。本実施形態のアンテナ本体１０は、アンテナ設置面から天頂容量板１０９までの高さが３０［ｍｍ］である。このように低背化できる理由については、後述する。
The external appearance of the assembled
なお、天頂容量板１０９は、図示の例では、平板であるが、必要な電気性能を確保する観点からは、必ずしも平板である必要はなく、環状、網状、環と格子との組み合わせ、その他の形状であっても良い。
また、給電線１０８は、支持体１０７の外側面に、所定間隔（ピッチ）で巻かれたヘリカルコイルになっており、ヘリカル径は、天頂容量板１０９の外径とほぼ同じである。つまり、コイルの巻線一周によって囲まれる平面の面積の大きさは、天頂容量板１０９の面積（外周で囲まれた部分の面積）と同等になっている。ヘリカル径及び給電線１０８のピッチは、このように調整された給電線１０８はＦＭ帯の周波数で共振するが、ＦＭ帯のほか、ＡＭ帯の周波数の受信も行うことができる。
Note that the
The
次に、図１〜図３のような構造のアンテナ装置１の各部の構成を詳細に説明する。
［回路部］
回路部１０４の基板に実装される電子回路の構成図を図４に示す。
アンテナ給電端子４１から取り込んだ受信波は、分岐回路４２でＡＭ帯のものとＦＭ帯のものとに分波される。一方の分岐路には、ＦＭ増幅器４３が挿入され、他方の分岐路には、ＡＭ整合回路４４とＡＭ増幅器４５とが挿入されている。合成回路４６は、両増幅器４３，４５の出力を合成して出力端子４７へ出力するものである。アンテナ給電端子４１は、アンテナガイド１０７ｆでガイドされた給電線１０８の他方の端部１０８ｂが接続され、出力端子４７は、アンテナインタフェース１０６ｂに接続される。
なお、この電子回路には、適宜、帯域通過フィルタ、ＡＧＣ（Automatic Gain Control：自動利得制御）回路などを付加しても良い。
Next, the configuration of each part of the
[Circuit part]
FIG. 4 shows a configuration diagram of an electronic circuit mounted on the substrate of the
The received wave taken from the antenna
Note that a band pass filter, an AGC (Automatic Gain Control) circuit, or the like may be added to the electronic circuit as appropriate.
図４に示すＦＭ増幅器４３は、初段の増幅素子として、GaAs系、InP系、GaN系、SiGe系などの化合物半導体で作製されたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ)を用いる。ＨＥＭＴは、半導体ヘテロ接合に誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとしたＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）である。
The
このＨＥＭＴを用いたＦＭ増幅器４３の構成例は、図５に示すものとなる。すなわち、ソース接地されたエンハンスメント型のＨＥＭＴ５０のゲートＧに、アンテナ給電端子４１，増幅器入力端子Ｒｉを通じて入力されたＦＭ受信波と、電源端子Ｐｉから直流阻止回路５１及びバイアス回路５２を経て供給された正のバイアス電力とを入力する。増幅器入力端子ＲｉからＨＥＭＴ５０のゲートＧまでを接続する配線線路は、アンテナエレメントのインピーダンスが非常に高いことから、２００［Ω］以上（好ましくは１[ｋΩ］以上）の高インピーダンスとなるように線路幅が制限されている。
ＨＥＭＴ５０のソースＳは、接地ラインと導通する増幅器側接地端子Ｇｒに接続される。ＨＥＭＴ５０のドレイン（負荷側）Ｄには、ＦＭ並列共振回路５３の一方端と出力整合回路５４とが接続されている。ＦＭ並列共振回路５３の他方端は、電源端子Ｐｉに接続される。出力整合回路５４は、増幅器出力端子Ｒoを通じて接続される他の電子回路との間で出力整合をとるためのものである。
A configuration example of the
The source S of the
ＨＥＭＴは、一般的には、地上波デジタル放送（４７０［ＭＨｚ］〜７１０［ＭＨｚ］）の受信機やマイクロ波帯の信号を増幅する高周波機器用の増幅器において使用される増幅素子である。ＦＭ帯の周波数でこれを使用するには、コスト的にも性能対効果の観点からも不利とされていた。
すなわち、もともと熱雑音が信号電力に重畳しているのが当たり前のＦＭ帯の周波数の受信波では、ＨＥＭＴを採用したとしても、顕著な性能改善に結びつかない。すなわち、ＨＥＭＴをＦＭ帯の周波数で使用しても増幅能力が過剰であり、地上波デジタル放送のような広範な周波数にわたる回路・部品の動作、アンテナエレメントの指向性等を考慮した設計・製造技術は余分な負担となる。また、シリコンバイポーラトランジスタに比べ、化合物半導体素材が高価で、基板に形成する際のパターンルールが微細となる。そのため、製造コストも相対的に高くなるばかりでなく、電気的ストレスに対して脆弱となる。
The HEMT is an amplifying element generally used in a receiver for terrestrial digital broadcasting (470 [MHz] to 710 [MHz]) or an amplifier for a high frequency device that amplifies a signal in a microwave band. The use of this at the frequency in the FM band is disadvantageous from the viewpoint of cost and performance.
That is, in the received wave of the frequency in the FM band where it is natural that the thermal noise is originally superimposed on the signal power, even if HEMT is adopted, it does not lead to a significant performance improvement. In other words, even if HEMT is used at frequencies in the FM band, the amplification capability is excessive, and design / manufacturing technology that takes into account the operation of circuits and components over a wide range of frequencies, such as terrestrial digital broadcasting, and the directivity of antenna elements Is an extra burden. In addition, compared to silicon bipolar transistors, compound semiconductor materials are expensive, and the pattern rules when formed on a substrate are fine. For this reason, the manufacturing cost is not only relatively high but also vulnerable to electrical stress.
しかし、ＨＥＭＴは、電子の移動度や飽和速度が高い、電子供給層のドーピング濃度が高いことなどから、以下のような特徴を持つ。
・相互コンダクタンスｇｍが大きい。
・利得が高い。
・スイッチング速度が速い。
・低雑音である。
そこで、本実施形態では、ＨＥＭＴのこの特徴を積極的に活用し、広帯域にわたって低雑音となるＦＭ増幅器４３を実現するものである。つまり、インピーダンス整合の追求よりも、アンテナエレメントに接続したときの雑音指数（Noise Figure：以下、「ＮＦ」という）を所望の周波数帯域全体でほぼ一定になるように動作させるという視点を重視したものである。
ＮＦは、分子が増幅器入力における信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）in、分母が増幅器入力における信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）outで表される指標である。
使用するＨＥＭＴは、最小雑音指数Ｆminが小さく、さらに等価雑音抵抗Ｒｎが小さいものが好ましい。
However, HEMT has the following characteristics because it has a high electron mobility and saturation rate, and a high doping concentration of the electron supply layer.
-The mutual conductance gm is large.
・ High gain.
-Fast switching speed.
・ Low noise.
Therefore, in this embodiment, this feature of the HEMT is positively utilized to realize the
NF is an index in which the numerator is a signal-to-noise ratio (S / N) in at the amplifier input and the denominator is the signal-to-noise ratio (S / N) out at the amplifier input.
The HEMT used preferably has a small minimum noise figure Fmin and a small equivalent noise resistance Rn.
ＡＭ増幅器４５で使用する増幅素子については、１／ｆ雑音、すなわち、低周波域の雑音である３ｄＢ／オクターブでその強度が減衰する雑音を考慮して、ＨＥＭＴではなく、一般的なＦＥＴもしくはバイポーラトランジスタを利用している。
The amplification element used in the
［アンテナエレメント］
アンテナ装置１は、給電線（ヘリカルコイル）１０８のインダクタンス成分と面積が４９００［ｍｍ２］の天頂容量板１０９で確保した容量成分との直列共振により、モノポールアンテナとして動作する。インダクタンス成分は、給電線１０８の巻数（ターン数）を増やしたり、間隔（ピッチ）を狭めることにより増加させることができる。
しかし、インダクタンス成分を単純に増加させるとＱ値が大きくなり、アンテナエレメントが狭帯域となってしまうため、広帯域にわたって良好な特性を維持することが困難となる。また、一般に、アンテナエレメントを低くしていくと、つまり、アンテナ取付面からの距離である対地距離を小さくしていくと、対地容量（キャパシタンス）が減少し、共振する周波数が限られたものとなる。
天頂容量板１０９は、このような問題を解消し、対地距離を３０［ｍｍ］(使用中心周波数の波長の０．００８倍)以下にしても、その分、必要な対地容量を確保するとともに、Ｑ値を低減させ、これにより、広帯域の周波数をカバーできるようにしたものである。
[Antenna element]
The
However, if the inductance component is simply increased, the Q value becomes large and the antenna element becomes a narrow band, so that it is difficult to maintain good characteristics over a wide band. In general, when the antenna element is lowered, that is, when the ground distance, which is the distance from the antenna mounting surface, is decreased, the ground capacitance (capacitance) decreases and the resonance frequency is limited. Become.
The
便宜上、本実施形態のアンテナ装置１との性能比較に用いる比較用アンテナ装置を設計し、所定の計器を用いて動作シュミレーションを行った。比較用アンテナ装置は、ＡＭ帯及びＦＭ帯の周波数の放送波を受信可能なものであり、給電線１０８をヘリカル状に巻回する点は、本実施形態のアンテナ装置１と共通である。相違点は、天頂容量板１０９に相当する部分を対地に略平行な平板ではなく、対地に対して垂直方向（高さ方向）に延設するように成形して、対地距離を７０［ｍｍ］にした点である。
For convenience, a comparative antenna device used for performance comparison with the
図６は、本実施形態のアンテナ装置１が有するアンテナエレメント（給電線１０８及び天頂容量板１０９）の信号対雑音（Ｓ／Ｎ）特性図であり、（ａ）はＡＭ帯でのＳ／Ｎ、（ｂ）はＦＭ帯でのＳ／Ｎである。縦軸は、比較用アンテナ装置のものを０［ｄB］としたときのＳ／Ｎ（ｄＢ）、横軸は、天頂容量板１０９の長径を９０［ｍｍ］に固定したときの、短辺方向の長さ、つまり天頂幅である。図示の例では、天頂幅を１０〜９０［ｍｍ］まで変化させて、Ｓ／Ｎを計測した。
FIG. 6 is a signal-to-noise (S / N) characteristic diagram of the antenna elements (
図６を参照すると、ＡＭ帯では、天頂幅が大きくなるに従ってＳ／Ｎが増大する。そして、天頂幅が３０［ｍｍ］（天頂容量板面積は９０［ｍｍ］×３０［ｍｍ］＝２７００［ｍｍ］２）以上で、比較用アンテナ装置が有するアンテナエレメント（ヘリカル状の給電線及びシャーク状の容量補償部）よりも高いＳ／Ｎを示している。
ＦＭ帯では、天頂幅が５０［ｍｍ］以上（天頂容量板面積は９０［ｍｍ］×５０［ｍｍ］＝４５００［ｍｍ］２）以上で、比較用アンテナ装置のものと同等のＳ／Ｎを示した。
このことは、アンテナエレメントの高さが７０［ｍｍ］から３０［ｍｍ］へとほぼ半減したにも関わらず、ＡＭ帯、ＦＭ帯ともに、比較用アンテナ装置のアンテナエレメントと同等のＳ／Ｎ特性が得られることを表している。
Referring to FIG. 6, in the AM band, the S / N increases as the zenith width increases. The zenith width is 30 [mm] (the zenith capacity plate area is 90 [mm] × 30 [mm] = 2700 [mm] 2 ) or more, and the antenna element (helical feed line and shark) included in the comparative antenna device. S / N higher than that of the capacitor-shaped compensation unit).
In the FM band, the zenith width is 50 [mm] or more (the zenith capacity plate area is 90 [mm] × 50 [mm] = 4500 [mm] 2 ) or more, and an S / N equivalent to that of the comparative antenna device is obtained. Indicated.
This means that the S / N characteristics equivalent to the antenna element of the comparative antenna device are used in both the AM band and the FM band, although the height of the antenna element is almost halved from 70 [mm] to 30 [mm]. Is obtained.
図７は、ＦＭ帯の放送波を受信する場合のアンテナエレメントの複素入力インピーダンスの軌跡を表すスミス図（Smith chart）である。このスミス図は、アンテナエレメントの基準インピーダンスＺoである５０［Ω］で規格化したもので、水平軸は複素入力インピーダンス（反射係数）の実数部、垂直軸は虚数部である。最外周は全反射に対応している。図７（ａ）は比較用アンテナ装置の複素入力インピーダンスの軌跡７１、同（ｂ）は、本実施形態のアンテナ装置１の複素入力インピーダンスの軌跡７２を表す。
FIG. 7 is a Smith chart showing the locus of the complex input impedance of the antenna element when receiving FM band broadcast waves. This Smith diagram is normalized by 50 [Ω], which is the reference impedance Zo of the antenna element. The horizontal axis is the real part of the complex input impedance (reflection coefficient), and the vertical axis is the imaginary part. The outermost periphery corresponds to total reflection. FIG. 7A shows a
図７を参照すると、軌跡７１，７２は、どちらのアンテナ装置もほぼ同じ円周上にある。つまり、両者が等雑音円上にある。そうであれば、アンテナエレメントから出力される信号のＳ／Ｎは等しいことになる。また、図７（ｂ）から明らかなように、本実施形態のアンテナ装置１の方が、同一帯域７６［ＭＨｚ］〜９０［ＭＨｚ］における軌跡７２が短い。つまり、複素入力インピーダンスの変化が小さい。これは、本実施形態において天頂容量板１０９を付加したことにより対地容量が増加した結果、アンテナエレメントのＱ値が低減し、広帯域にわたって良好な特性を維持することができることを表している。
Referring to FIG. 7, the
図８は、シミュレーションによりノイズパラメータ解析をしたときのアンテナエレメントのＮＦ（Noise Figure：雑音指数）を比較したグラフである。破線は比較用アンテナ装置、実線は本実施形態のアンテナ装置についてのものである。縦軸は、ＮＦ［ｄＢ］、横軸は周波数［ＭＨｚ］である。ＮＦが小さいほど、Ｓ／Ｎが良いことは周知である。
図８によれば、ＮＦの最低値はほぼ同じであるが、本実施形態のアンテナ装置１のアンテナエレメントの方が、やや広帯域特性を示している。
FIG. 8 is a graph comparing the NF (Noise Figure) of the antenna element when the noise parameter analysis is performed by simulation. A broken line is for the antenna device for comparison, and a solid line is for the antenna device of this embodiment. The vertical axis is NF [dB], and the horizontal axis is frequency [MHz]. It is well known that the smaller the NF, the better the S / N.
According to FIG. 8, although the minimum value of NF is substantially the same, the antenna element of the
図９は、図７（ｂ）に示したスミス図上に、さらに、最適雑音整合インピーダンスΓopt９１と等雑音円９２とを追記した図である。
最適雑音整合インピーダンスΓopt９１は、ＦＭ増幅器４３で使用するＨＥＭＴ５０のＮＦを最小にするインピーダンスである。等雑音円９２は、ＮＦが一定値になる複素入力インピーダンスの虚数部（複素反射係数）をプロットしたものである。
FIG. 9 is a diagram in which an optimum noise matching
The optimum noise matching impedance Γopt91 is an impedance that minimizes the NF of the
等雑音円９２上では、ＦＭ増幅器４３は、所望の周波数帯域の至るところで等ＮＦとなる。等雑音円９２上のＮＦは、複素入力インピーダンス（軌跡７１）と最適雑音整合インピーダンスΓopt９１との距離が近いほど低くなる。この距離を近づけるには、天頂容量板１０９の面積を大きくすれば良い。
シミュレーションによれば、この面積が使用周波数で定まる一定値以上であれば、その形状に関わらず、スミス図上における複素入力インピーダンス（軌跡７１）を最適雑音整合インピーダンスΓoptに近づけることができる。この「使用周波数で定まる一定値」は、アンテナ装置１の上限使用周波数の波長の０．０２倍の二乗である。
また、上記面積を大きくすることにより、Ｑ値が小さくなるので、使用周波数帯域における複素入力インピーダンスの変化が緩やかになり、広い周波数帯域にわたって等雑音円上に載るように調整することが容易になる。
On the
According to the simulation, if this area is not less than a certain value determined by the operating frequency, the complex input impedance (trajectory 71) on the Smith diagram can be brought close to the optimum noise matching impedance Γopt regardless of the shape. This “constant value determined by the use frequency” is a square of 0.02 times the wavelength of the upper limit use frequency of the
Further, since the Q value is reduced by increasing the area, the change of the complex input impedance in the used frequency band becomes gradual, and it is easy to make adjustment so as to be placed on an equal noise circle over a wide frequency band. .
なお、等雑音円上のＮＦは、主として、ＦＭ増幅器４３におけるＨＥＭＴ５０の入力における等価雑音抵抗Ｒｎにより定まる。例えば、特性インピーダンスＺoが５０［Ω］のアンテナエレメントからの受信波を増幅する際に、最適雑音整合インピーダンスΓopt９１が「０．６８−０．１６ｊ」のＨＥＭＴ５０を初段の増幅素子として使用し、等ＮＦ円のＮＦを約１．１[ｄＢ]以下にしようとすると、最小雑音指数Ｆminが０．１［ｄＢ］以下で、等価雑音抵抗Ｒｎは２［Ω］以下であることが望ましい。換言すれば、そのような最小雑音指数Ｆmin及び等価雑音抵抗ＲｎのＨＥＭＴを用いることが望ましい。
The NF on the equal noise circle is mainly determined by the equivalent noise resistance Rn at the input of the
アンテナエレメントのうち、給電線１０８のヘリカル径については、上記の面積を有する天頂容量板１０９の形状を決定した上で、その天頂容量板１０９の外周以上の大きさにすれば良い。
Among the antenna elements, the helical diameter of the
天頂容量板１０９の面積及び給電線１０８のヘリカル径を、上記のようにＦＭ帯の受信波に合わせて設計することにより、ＡＭ帯の受信波についても受信が可能である。しかも、図６（ａ）に示されるように、ＨＥＭＴ５０を増幅素子として用いていないＡＭ帯でも高いＳ／Ｎを維持するので、本実施形態のアンテナ装置１をＡＭ帯及びＦＭ帯の受信波として共用することができる。
By designing the area of the
［変形例］
上述した実施形態では、アンテナ装置１を３０［ｍｍ］まで低背化することに起因して生じる使用周波数帯の狭帯域化を、上限使用周波数の波長の０．０２倍の二乗以上の面積の天頂容量板１０９を設けることで抑制し、逆に広帯域化し、比較用アンテナ装置と同等のＳ／Ｎを得ることが可能となる例を説明した。
ここで、天頂容量板１０９の面積が一定であれば、確保できる対地容量（キャパシタンス）は、ほぼ一定値となる。つまり、アンテナ装置１のアンテナ特性、例えば、Ｓ／Ｎは、天頂容量板１０９の形状に依存しない。このことは、天頂容量板１０９の形状を、要求デザインに応じて変えられることを意味する。そのため、レドーム１１を含めたアンテナ装置１の外観デザインに対する自由度を高めることができる。
[Modification]
In the embodiment described above, the narrowing of the use frequency band caused by reducing the height of the
Here, if the area of the
例えば、図１０に示すように、天頂容量板の正面形状、支持体の上底部、ヘリカルコイルのヘリカル形状を舟型にしたアンテナ本体部２０とし、レドーム２１も、アンテナ本体部２０の形状に適合する形状にすることができる。このアンテナ装置２の天頂容量板の面積は、図１に示したアンテナ装置１のものと同じく４９００［ｍｍ］２であり、アンテナ設置面から天頂容量板の外周までの距離は、３０［ｍｍ］である。また、アンテナ装置２の分解組立構造は、図２に示した構造と同じものとなる。
このような構造のアンテナ装置２は、天頂幅（短径）が車両の進行方向と直交するように配置することにより、アンテナ装置１よりも進行時の空気抵抗を低減させることができる利点がある。
For example, as shown in FIG. 10, the
The
同様に、図１１に示すように、アンテナ本体部３０の天頂容量板の正面形状を正方形状とし、レドーム３１をその形状に適合する形状に成形したアンテナ装置３にしても良い。
あるいは、図１２に示すように、アンテナ本体部４０の天頂容量板の正面形状を長方状とし、レドーム４１をその形状に適合する形状に成形したアンテナ装置４にしても良い。いずれのアンテナ装置３，４も、天頂容量板の面積が同じであれば、図１あるいは図２に示したアンテナ装置１と同様の手順で組み立てることにより、アンテナ装置１，２と同様のアンテナ特性を得ることができる。
なお、図１１，図１２では、天頂容量板及びヘリカルコイル（給電線）を省略してあるが、実際には存在する。
Similarly, as illustrated in FIG. 11, the
Alternatively, as shown in FIG. 12, the
In FIG. 11 and FIG. 12, the zenith capacity plate and the helical coil (feed line) are omitted, but actually exist.
図１３は、比較用アンテナ装置との比較によるＡＭ帯における相対Ｓ／Ｎ[ｄＢ］特性図である。（ａ）は図１に示したアンテナ装置１、（ｂ）は図１０に示したアンテナ装置２、（ｃ）は図１１に示したアンテナ装置３、（ｄ）は図１２に示したアンテナ装置４の例である。それぞれ、縦軸が相対Ｓ／Ｎ［ｄＢ］、横軸が周波数である。
FIG. 13 is a relative S / N [dB] characteristic diagram in the AM band by comparison with the comparative antenna device. (A) is the
また、図１４は、比較用アンテナ装置との比較によるＦＭ帯における相対Ｓ／Ｎ[ｄＢ］特性図である。（ａ）は図１に示したアンテナ装置１、（ｂ）は図１０に示したアンテナ装置２、（ｃ）は図１１に示したアンテナ装置３、（ｄ）は図１２に示したアンテナ装置４の例である。それぞれ、縦軸が相対Ｓ／Ｎ［ｄＢ］、横軸が周波数である。
FIG. 14 is a relative S / N [dB] characteristic diagram in the FM band by comparison with the comparative antenna device. (A) is the
図１３（ａ）〜（ｄ）及び図１４（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、天頂容量板の面積が同じである限り、各アンテナ装置１，２，３，４の間では、相対Ｓ／Ｎに殆ど差が見られない。
As is clear from FIGS. 13A to 13D and FIGS. 14A to 14D, as long as the area of the zenith capacity plate is the same, between the
このように、本実施形態のアンテナ装置１では、低背化したことにより減少する対地容量（キャパシタンス）を、天頂容量板１０９で補い、さらに、給電線１０８のヘリカル径を天頂容量板の外周以上にしてＱ値を下げている。そのため、対地距離が３０［ｍｍ］のアンテナ本体部１０であっても、対地距離が７０［ｍｍ］以上のアンテナ装置と同等のアンテナ特性（Ｓ／Ｎ特性等）を広帯域にわたって実現することができる。
As described above, in the
また、天頂容量板１０９の面積を、使用する帯域の上限使用周波数（ＦＭ帯の上限周波数）の波長の０．０２倍の二乗以上とすることで、複素入力インピーダンスの軌跡を、ＦＭ増幅器、特に化合物半導体ＨＥＭＴの最適雑音整合インピーダンスの近傍に持ってくることが容易になる。そのため、所望の周波数帯域全体で一定のＳ／Ｎ特性を得ることができる。
Further, by setting the area of the
さらに、天頂容量板の面積が一定ならば特性はその形状には依存しないため、レドームを含めた外観デザインの自由度が高いアンテナ装置を容易に実現することができる。 Further, if the area of the zenith capacity plate is constant, the characteristics do not depend on the shape of the zenith capacity plate, so that an antenna device having a high degree of freedom in external design including the radome can be easily realized.
なお、本実施形態では、緩衝部材としての第１ベース部１０１と、地板を有する第２ベース部１０２とを別々に設ける例について説明したが、これらを一体に成形しても良いことは勿論である。
In the present embodiment, the example in which the
１，２，３，４・・・アンテナ装置、１０，２０，３０，４０・・・アンテナ本体部、１１，２１，３１，４１・・・レドーム、１０１・・・第１ベース部、１０２・・・第２ベース部、１０４・・・回路部、１０７・・・支持体、１０８・・・給電線、１０９・・・天頂容量板。
1, 2, 3, 4...
Claims (7)
前記誘電体の外側面にヘリカル状に巻かれた線状導体と、
前記線状導体のうち前記地板から離れている一方の端部と導通し、前記地板に対して略平行となる面部を有する面状導体と、
前記誘電体の中空部に収容された状態で前記線状導体の他方の端部と接続され、当該線状導体及び前記面状導体により受信したＦＭ帯又はＡＭ帯の周波数の受信波を増幅する増幅器とを備えて成る、
アンテナ装置。 A cylindrical dielectric having an outer surface perpendicular to the ground potential ground plane ;
A linear conductor helically wound around the outer surface of the dielectric;
A planar conductor having a surface portion that is electrically connected to one end portion of the linear conductor away from the ground plane and substantially parallel to the ground plane;
Connected to the other end of the linear conductor in a state of being accommodated in the hollow portion of the dielectric, and amplifies a received wave having an FM band or AM band frequency received by the linear conductor and the planar conductor. Comprising an amplifier,
Antenna device.
請求項１記載のアンテナ装置。 The area of the surface portion is not less than 0.02 times the square of the wavelength of the upper limit use frequency of the FM band,
The antenna device according to claim 1.
請求項２記載のアンテナ装置。 The distance from the surface of the ground plane to the outer periphery of the planar conductor is not more than 0.008 times the wavelength of the operating frequency,
The antenna device according to claim 2.
請求項１，２又は３記載のアンテナ装置。 The linear conductor is helically wound in the same shape as the outer periphery of the planar conductor,
The antenna device according to claim 1, 2 or 3.
請求項４記載のアンテナ装置。 The helical diameter of the linear conductor is larger than the outer periphery of the planar conductor.
The antenna device according to claim 4.
請求項１ないし５のいずれか一項記載のアンテナ装置。 The amplifier is an FM amplifier including a compound semiconductor HEMT for amplifying an FM band received wave as an amplifying element.
The antenna device according to any one of claims 1 to 5 .
請求項６記載のアンテナ装置。 The compound semiconductor HEMT is an element having a minimum noise figure of 0.1 [dB] or less and an equivalent noise resistance of 2 [Ω] or less at a use frequency.
The antenna device according to claim 6 .
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