JP2005020183A - 車両用平面アンテナ - Google Patents
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Abstract
【課題】感度を向上させる車両用平面アンテナを提供する。
【解決手段】窓ガラス板２にパッチ導体４と接地導体６とが設けられており、パッチ導体４が離間して接地導体６により囲まれており、接地導体６の周縁と、該周縁に最短の車体開口縁１６ａとの間隔が３．０ｍｍ以上である。
【選択図】図１
【解決手段】窓ガラス板２にパッチ導体４と接地導体６とが設けられており、パッチ導体４が離間して接地導体６により囲まれており、接地導体６の周縁と、該周縁に最短の車体開口縁１６ａとの間隔が３．０ｍｍ以上である。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用平面アンテナに関し、特に、マイクロ波通信やミリ波通信に好適な車両用平面アンテナに関する。より具体的には、車両と車両外部の送信機及び／又は受信機に接続される車両用平面アンテナであって、例えば、車両の窓ガラス板に設けられるのに適する車両用平面アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、高速、大容量通信への要求から、マイクロ波やミリ波を用いて電波を送信又は受信する高周波の通信が急速に拡がっている。電波を送信又は受信するアンテナとして、例えば、円形又は方形のパッチ状の放射導体（以下、パッチ導体という）を有するマイクロストリップアンテナ（以下、ＭＳＡという）が好適に用いられている。
【０００３】
ＭＳＡはプリント基板で作製でき、平面構造であるので小型薄型アンテナとして広く普及している。ＭＳＡは、一般に、誘電体基板の両面に導体薄膜等の導体層を形成し、一方の面の導体層を接地導体（グランド板又は地板とも呼ぶ）とし、他方の面の導体層にエッチング処理を施すことによって円形又は方形の放射導体を形成したものである。
【０００４】
ＭＳＡの給電は、例えば、同軸ケーブルの内側導体を放射導体の所定の位置に接続し、同軸ケーブルの外側導体をＭＳＡの放射導体と反対側の面の接地導体に接続することによって行われる。このようにＭＳＡは、誘電体基板の両面に導体層があるため、ＭＳＡの両面の導体層への接続が給電のために必要である。
【０００５】
また、従来、上記ＭＳＡ以外の平面アンテナとして、誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられており、パッチ導体が離間して接地導体により囲まれている平面アンテナが報告されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この従来の平面アンテナを車両に設ける場合、どのように作用するかわかっていなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５２５２０号公報（７頁、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来知られていなかった車両用平面アンテナの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられ、該パッチ導体の一部又は全部が離間して該接地導体により囲まれており、該誘電体基板が車両に設けられている車両用平面アンテナであって、
該接地導体の周縁と、該周縁に最短の車体開口縁との間隔が３．０ｍｍ以上であることを特徴とする車両用平面アンテナを提供する。
【０００９】
また、本発明は、誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられ、該パッチ導体の一部又は全部が離間して該接地導体により囲まれており、該誘電体基板が車両に設けられている車両用平面アンテナであって、
該接地導体と車体との最短距離が３．０ｍｍ以上であることを特徴とする車両用平面アンテナを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の車両用平面アンテナについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図１、２には、本発明の車両用平面アンテナの一実施形態が示されており、図１は、車両用平面アンテナの構成図であり、図２は図１に示す車両用平面アンテナのＡ−Ａ’断面図である。以下の説明において、特記しない場合には、方向は図面上での方向をいうものとする。また、図１は車内から見た図面であり、図２では、上方が車内側である。
【００１１】
本発明の車両用平面アンテナの一実施形態は、図１、２に示すように、誘電体基板である窓ガラス板２の少なくとも一方の面に形成される車両用平面アンテナであり、窓ガラス板２にパッチ導体４と接地導体６とが設けられており、パッチ導体４が離間して接地導体６により囲まれている。図１に示すとおり、パッチ導体４は接地導体６と直流的に接続されてなく、島状の導体である。図１、２の例では、パッチ導体４と接地導体６とは窓ガラス板２の片面に形成されている。
【００１２】
なお、パッチ導体４を囲んでいる接地導体６の一部にスロット２ａ（接地導体６が設けられていない部分であって窓ガラス板２が露出している部分）があっても使用できる場合がある。図１、２において、１６は車体、１６ａは車体開口縁、ｄは接地導体６の周縁と車体開口縁１６ａとの間隔、１１は接着剤等の弾性体である。
【００１３】
本発明において、車体開口縁１６ａとは窓ガラス板２がはめ込まれる車体の開口部の周縁であって車体アースとなるべきものをいい、例えば、金属等の導電性材料で構成されている。
【００１４】
図１、２の例では、パッチ導体４の形状は長方形であるが、これに限定されず、パッチ導体４の形状は、使用できる程度の感度が得られる形状であればどのような形状であってもよい。パッチ導体４の形状としては、長方形の他に略長方形、正方形、略正方形、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円系又は略楕円形等が考えられる。
【００１５】
図１に示す例では、インピーダンス変成器の中心導体５がパッチ導体４に付設されており、パッチ導体４の上方に伸長されている。中心導体５の上端には給電部８が付設されている。図１に示す例では、パッチ導体４、中心導体５及び給電部８の全てが接地導体６により囲まれている。また、中心導体５側又は給電部８側の、接地導体６の縁辺と、中心導体５の周縁又は給電部８の周縁とは、所定間隔で離間し、平行又は略平行となっている。ここで、インピーダンス変成器は、中心導体５と、中心導体５の周縁近傍の接地導体６の縁辺とで構成されている。
【００１６】
図１に示す例では、窓ガラス板２の上側に本発明における平面アンテナが配設されている。電波の飛来する方向を考慮すると、このようにすることが好ましいが、これに限定されず、窓ガラス板２の下側に本発明の車両用平面アンテナが配設されていてもよい。窓ガラス板２の下側に本発明の車両用平面アンテナが配設される場合には、中心導体５及び給電部８はパッチ導体４の下側に設けられることが好ましい。
【００１７】
給電部８は表面実装型コネクタ（不図示）を介して、窓ガラス板２の、パッチ導体４側の面で同軸ケーブル（不図示）の内側導体と接続されることが好ましい。また、接地導体６はアース接続された同軸ケーブルの外側導体と接続されて常時アース接続されていることが好ましい。
【００１８】
図１に示す例において、接地導体６の上側の周縁６ａと、周縁６ａに最短の車体開口縁１６ａとの間隔ｄが３．０ｍｍ以上であることが必要である。間隔ｄが３．０ｍｍ以上であるときは、３．０ｍｍ未満であるときと比較して感度が向上する。この間隔ｄの好ましい範囲は５．０ｍｍ以上であり、より好ましい範囲は７．０ｍｍ以上であり、特に好ましい範囲は１０．０ｍｍ以上である。図１に示す例において、パッチ導体４から給電部８が伸長されている方向、又は中心導体５の長手方向と車体開口縁１６ａとのなす角は、直角（９０度）又は略直角（略９０度）である。間隔ｄの範囲は、この角が−１０度〜１９０度（この角の許容範囲）で適用される。視野の確保を考慮すると、間隔ｄは１００ｍｍ以下、特には５０ｍｍ以下が好ましい。
【００１９】
図１に示す例では、本発明における平面アンテナは窓ガラス板２に設けられているが、これに限定されず、本発明における平面アンテナを誘電体基板に設け、この誘電体基板を窓ガラス板２に取付けてもよい。この場合、接地導体６と車体１６との最短距離が３．０ｍｍ以上であることが必要である。この最短距離が３．０ｍｍ以上であるときは、３．０ｍｍ未満であるときと比較して感度が向上する。この最短距離の好ましい範囲は、５．０ｍｍ以上であり、より好ましい範囲は、７．０ｍｍ以上であり、特に好ましい範囲は、１０．０ｍｍ以上である。この最短距離の範囲は、給電部が伸長されている方向と車体開口縁１６ａとのなす角が−１０度〜１９０度で適用される。
【００２０】
図３は本発明の車両用平面アンテナの感度を計算で行うために想定した一実施形態のモデルの構成図である。図３において、Ｗ１はパッチ導体の幅、Ｗ２は中心導体５の幅、Ｗ３は給電部８の幅、Ｗ４は中心導体５側又は給電部８側の接地導体６の左縁辺と、中心導体５側又は給電部８側の接地導体６の右縁辺との間隔、Ｌ１はパッチ導体４の縦長、Ｌ２は中心導体５の長さ、Ｌ３は給電部８の長さ、Ｌ４は給電部８の上端部と接地導体６の上側周縁との距離、Ｌ１１は接地導体６の縦長、Ｌ１２は接地導体６の幅、Ｌ１３は想定された車体の縦長、Ｌ１４は想定された車体の幅、Ｇ１はパッチ導体４側の、接地導体６の縁辺と、パッチ導体４の周縁との間隔である。なお、図３に示す例では、給電部８の周辺の接地導体６の縁辺と給電部８の周縁との間隔は均一である。
【００２１】
図４は、図３に示す例における計算に用いる電波の飛来方向を示す。図４において、ｚ軸はパッチ導体４に垂直な軸、ｙ軸は車体開口縁１６ａに垂直な方向の軸、ｘ軸はｙ軸及びｚ軸に垂直な軸、φはｘ軸及びｙ軸を含む面上の任意の方向とｘ軸とのなす角、θはφが示す方向とｚ軸とを含む面上の任意の方向とｚ軸とのなす角である。図３において、窓ガラス板２は小さく示されており、通常の自動車では、−６０度≦θ≦６０度が電波の飛来方向であり、最も電波の強い方向である。
【００２２】
図７は、中心導体５の長手方向の軸が車体開口縁１６ａと平行である場合の実施例を示し、この例における計算に用いる電波の飛来方向を示す。図７において、窓ガラス板２は省略している。図７におけるｄは中心導体５の長手方向に平行な接地導体６の周縁と車体開口縁１６ａとの間隔である。
【００２３】
図５は図１に示す実施例とは別のタイプの実施例を示す構成図である。図１に示す例では、前述したとおり、通常、同軸ケーブルの内側導体を給電部８に接続して受信機及び／又は送信機と本発明の車両用平面アンテナとの信号の伝送を行うが、図４に示す例では、電磁結合により、受信機及び／又は送信機と本発明の車両用平面アンテナとの信号の伝送を行う。
【００２４】
図５に示す例では、中心導体５の終端部１２は接地導体６に接続されている。中心導体５の左側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する溝（中心導体５及び接地導体６が設けられてなく窓ガラス板２が露出している部分）が左上方向に伸長されており、この伸長されている溝１３が電磁結合に利用できる。中心導体５の右側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する扇状の溝１４は感度向上のために設けることが好ましい。
【００２５】
なお、図５に示す構成に限定されず、電磁結合に利用する溝は、中心導体５の左側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する溝から伸長されている溝、及び、中心導体５の右側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する溝から伸長されている溝、の少なくとも一方であればよい。また、伸長される方向も左上方に限定されず、感度が使用できるならばどの角度方向へ伸長されていてもよい。
【００２６】
図５に示すエアーブリッジ１７は終端部１２付近の両側の接地導体を導体線等で接続することをいい、必要に応じて設けられる。エアーブリッジ１７を設けることにより感度が向上する。
【００２７】
パッチ導体４が四角形である場合には、パッチ導体４の幅Ｗ１及び長さＬ１ は、車両用平面アンテナで送信又は受信する電波の波長によって電波が共振するように設定される。パッチ導体４の長さＬ１ は、送信又は受信を行う所望の周波数帯の中心周波数の波長をλＭ とした場合、アンテナの送信又は受信効率を向上させるために、ｋ・（λＭ ／４）〜ｋ・λＭ （ｋは窓ガラス板２における波長の短縮率）の範囲にあることが好ましい。この範囲に導体長さＬ１ を設定することで、この範囲外に設定する場合に比べて、利得が向上する。また、パッチ導体４の幅Ｗ１は、送信又は受信を行う所望の周波数帯の最高周波数の波長をλＨ とし、送信又は受信を行う所望の周波数帯の最低周波数の波長をλＬ とするとき、ｋ・（λＨ ／４）〜ｋ・λＬ の範囲にあることが好ましい。
【００２８】
ここで、短縮率ｋは、窓ガラス板２の比誘電率をεｒ とすると、ｋ＝εｒ （−１／２）で表すことができる。短縮率ｋとは、誘電体基板上を伝搬する電波の伝搬速度に関係するもので、所望の電波の周波数においてアンテナの入力インピーダンスのリアクタンス成分が０（ゼロ）となるようにする比率をいい、アンテナが共振するように、誘電体基板に設けられるアンテナの寸法を空気中に設けられるアンテナの寸法に比べて小さくする比率をいう。中心導体５の長さＬ２ は、通常、ｋ・λＭ ／４程度である。
【００２９】
接地導体６は、窓ガラス板２上の一定の領域に所定以上の面積を有するように形成される。すなわち、本発明の車両用平面アンテナは指向性が良好となるように接地導体６の面積が調整されている。このようにして、指向性を良好にすることができるのは、誘電体基板と空気界面での反射やガラス板を伝搬する表面波の指向性への影響が低減するためと考えられる。
【００３０】
接地導体６はパッチ導体４の周囲を一定の距離離間して囲んでいる。すなわち、パッチ導体４側の、接地導体６の縁辺はパッチ導体４の周縁より一定の間隔で離れている。この間隔 は、車両用平面アンテナの入力インピーダンス特性が良好となるように設定され、ほぼ窓ガラス板２の厚さ近傍が好ましい。
【００３１】
中心導体５と接地導体６との最短間隔、中心導体５の幅及び中心導体５の長手方向の長さは、パッチ導体４の入力インピーダンスと、高周波伝送線路で用いられる特性インピーダンス５０Ωとが整合するように窓ガラス板２の比誘電率、パッチ導体４の導電率等及び接地導体６の導電率等を考慮して設定されることが好ましい。
【００３２】
誘電体基板として窓ガラス板２を用い、パッチ導体４、中心導体５及び接地導体６として銀ペーストを窓ガラス板２の面上にプリントし焼付けて形成した場合には、窓ガラス板２の比誘電率や銀ペーストによる導体の導電率を考慮して各部分の形状及び寸法等の諸数値が設定される。なお、本発明においては、この形成方法に限定されず、銅等の導電性物質からなる、線状又は箔状の薄膜を、窓ガラス板２又は誘電体基板に形成してもよい。
【００３３】
次に、本発明の車両用平面アンテナの動作について説明する。パッチ導体４は電波を放射する放射導体として機能する。また、中心導体５は、その両側に一定の距離を隔てて接地導体が形成される公知の伝送線路であるコブレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を形成する。インピーダンス変成器はパッチ導体４の入力インピーダンスを通常、高周波伝送線路で用いられる特性インピーダンス５０Ωと整合させるように機能することが好ましい。
【００３４】
送信の際は、給電部８から電気信号を給電する。この電気信号は中心導体５を伝搬してパッチ導体４に到達しパッチ導体４が励振される。このときパッチ導体４の共振周波数で励振されれば、パッチ導体４より電波が放射される。
【００３５】
上述した公知のＭＳＡは、放射導体と地導体との間の電界により放射導体端部で磁流を生じ、その磁流を波源として電波を放射するアンテナである。これに対して、本発明の車両用平面アンテナは、パッチ導体４と、その周囲に間隔をおいて同一面に設けられた接地導体６との間の電界によりパッチ導体４の端部で磁流を生じ、その磁流を波源として、電波を放射するものと考えられる。本発明の車両用平面アンテナにおける共振周波数は、パッチ導体４の形状及び寸法、パッチ導体４と接地導体６との間隔等を用いて設定することができる。電波の受信は、送信と受信との可逆性により、上記説明と反対の動作となる。
【００３６】
このように、本発明の車両用平面アンテナは、パッチ導体４及び接地導体６が設けられた窓ガラス板２の面の反対の面に導体が設けられていなくてもよく、窓ガラス板２の一面にのみ、パッチ導体４、接地導体６及び中心導体５が設けられた、同一面又は共平面（コプレーナ）構造のアンテナにできるので、平面アンテナを窓ガラス板２の片面に形成することができる。したがって、誘電体基板の両面に導体を設けなければならないＭＳＡに比べて、生産性及び耐久性が向上する。特に本発明の車両用平面アンテナが車両用前部窓ガラス板等の窓ガラス板の車室内側に設けられた場合には、顕著に耐久性が向上する。さらに、給電部８もパッチ導体４等と同一の面側に設けることができるので、給電も容易になり、簡易でコンパクトな構成を実現することができる。
【００３７】
図１、２に示す例では、一枚の窓ガラス板２上に形成されている。しかし、本発明においては、例えば、合わせガラス板や複層ガラス板等の多層誘電体基板であってもよく、この場合、合わせガラス板や複層ガラス板を構成するガラス板のどの面側に設けられてもよい。例えば、合わせガラス板の合わせ面側に形成してもよいが、この場合、ガラス板を横断してアンテナに給電するための給電手段が必要とされる。
【００３８】
さらに、パッチ導体４及び接地導体６が設けられる誘電体基板は、ガラス板に限定されず、セラミック、ポリイミド樹脂、サファイア及びプリント配線基板等いずれであってもよい。また、アンテナの送信又は受信の効率を向上させるには低誘電損失の誘電体基板を用いるのが好ましい。また、誘電体基板は、表層に着色したプリント膜、例えば黒色プリント膜を形成したものを用いてもよい。
【００３９】
窓ガラス板２の面の表層には、黒色セラミック膜が形成されてもよい。また、本発明における誘電体基板を窓ガラス板２に設けてもよい。この場合、本発明の車両用平面アンテナは車両用前部窓ガラス板等の窓ガラス板の車室内側に設けられることが好ましい。
【００４０】
本発明の車両用平面アンテナが利用される周波数は通常０．８〜３０．０ＧＨｚであり、２．０〜１０．０ＧＨｚ、特には２．０〜６．０ＧＨｚが好ましい。
【００４１】
本発明の車両用平面アンテナは、例えば、車両用前部窓ガラス板等の窓ガラス板の面に形成してＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ：ノンストップ自動料金収受システム、路側無線装置の送信周波数：５．７９５ＧＨｚ又は５．８０５ＧＨｚ、路側無線装置の受信周波数：５．８３５ＧＨｚ又は５．８４５ＧＨｚ）におけるアンテナとして利用される。
すなわち、車両用前部窓ガラス板を窓ガラス板２として用いる。このような車両用平面アンテナは、狭域通信（ＤＳＲＣ：Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ Ｓｈｏｒｔ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ）制御回路等とともに一体化して窓ガラス板２上に設けられてもよい。
【００４２】
なお、本発明の車両用平面アンテナは、上述した５．８ＧＨｚの周波数帯を用いた無線通信を行うＥＴＣにおいて好適に用いられるが、ＥＴＣに限定されず、同様の周波数帯を用いる種々のデータ通信にも使用可能である。例えば、自動車電話用の８００ＭＨｚ帯（８１０〜９６０ＭＨｚ）、自動車電話用の１．５ＧＨｚ帯（１．４２９〜１．５０１ＧＨｚ）、ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）、ＧＰＳ人工衛星のＧＰＳ信号１５７５．４２ＭＨｚ等の電波の送信又は受信に用いることもできる。上記帯域以外にもマイクロ波の周波数の電波（１ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）やミリ波帯の電波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）の送信又は受信にも用いることができる。
【００４３】
【実施例】
以下に実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されず、本発明の要旨を損なわない限り、各種の改良や変更も本発明に含まれる。
【００４４】
「例１（実施例）」
図１に示す一実施形態において、車体開口縁１６ａと接地導体６の周縁６ａとが近接すると、接地導体６に誘起される電流分布に変化が生じ、本発明の車両用平面アンテナの感度が劣化する。このような電流分布の変化を図３、４に示すモデルでＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）によって計算を行った。各部の寸法、定数は以下のとおりである。寸法の単位はｍｍとする。
【００４５】
φを０．０度とし、θを−６０〜６０度で変化させた最小感度であって、ｄを０．０ｍｍ〜１２．５ｍｍの範囲で変化させた場合の感度とｄとの特性を図６に示した。ここで、感度のデータとして最小感度を用いたのは、通信できない程の感度の落ち込みをなくすことができるからである。
【００４６】
周波数 ５．８ＧＨｚ、
想定した窓ガラス板２（厚さ） ３．５、
想定した窓ガラス板２の比誘電率 ７．０、
Ｗ１×Ｌ１ ６．１×６．１、
Ｗ２ ０．５、
Ｗ３ １．３、
Ｗ４ ２．０、
Ｌ２ ６．５、
Ｌ３ ６．５、
Ｌ４ ２３、
Ｌ１１×Ｌ１２ ４５×３０、
Ｌ１３ １００、
Ｌ１４ １００、
想定した車体２の厚さ ２．０、
Ｇ１ ２．０。
【００４７】
「例２（実施例）」
図７に示すモデルにおいて、例１と同様に電流分布の変化をＦＤＴＤ法によって計算を行った。車両用平面アンテナの各部の形状及び寸法は例１と同様とした。φを９０度とし、θを−６０〜６０度で変化させた最小感度であって、ｄを０．０ｍｍ〜１２．５ｍｍの範囲で変化させた場合の感度とｄとの特性を図８に示した。
【００４８】
【発明の効果】
本発明では、接地導体の周縁と、該周縁に最短の車体開口縁との間隔が３．０ｍｍ以上であるために、良好に通信できる感度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用平面アンテナの一実施形態の構成図。
【図２】図１に示す車両用平面アンテナのＡ−Ａ’断面図。
【図３】本発明の車両用平面アンテナの感度を計算で行うために想定した一実施形態のモデルの構成図。
【図４】図３に示す例における計算に用いる電波の飛来方向を示す模式図。
【図５】図１に示す実施例とは別のタイプの実施例を示す構成図。
【図６】例１の感度とｄとの特性図。
【図７】図３に示す例とは別の実施例における計算に用いる電波の飛来方向を示す模式図。
【図８】例２の感度とｄとの特性図。
【符号の説明】
２：誘電体基板
４：パッチ導体
５：中心導体
６：接地導体
６ａ：接地導体６の周縁
８：給電部
１６：車体
１６ａ：車体開口縁
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用平面アンテナに関し、特に、マイクロ波通信やミリ波通信に好適な車両用平面アンテナに関する。より具体的には、車両と車両外部の送信機及び／又は受信機に接続される車両用平面アンテナであって、例えば、車両の窓ガラス板に設けられるのに適する車両用平面アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、高速、大容量通信への要求から、マイクロ波やミリ波を用いて電波を送信又は受信する高周波の通信が急速に拡がっている。電波を送信又は受信するアンテナとして、例えば、円形又は方形のパッチ状の放射導体（以下、パッチ導体という）を有するマイクロストリップアンテナ（以下、ＭＳＡという）が好適に用いられている。
【０００３】
ＭＳＡはプリント基板で作製でき、平面構造であるので小型薄型アンテナとして広く普及している。ＭＳＡは、一般に、誘電体基板の両面に導体薄膜等の導体層を形成し、一方の面の導体層を接地導体（グランド板又は地板とも呼ぶ）とし、他方の面の導体層にエッチング処理を施すことによって円形又は方形の放射導体を形成したものである。
【０００４】
ＭＳＡの給電は、例えば、同軸ケーブルの内側導体を放射導体の所定の位置に接続し、同軸ケーブルの外側導体をＭＳＡの放射導体と反対側の面の接地導体に接続することによって行われる。このようにＭＳＡは、誘電体基板の両面に導体層があるため、ＭＳＡの両面の導体層への接続が給電のために必要である。
【０００５】
また、従来、上記ＭＳＡ以外の平面アンテナとして、誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられており、パッチ導体が離間して接地導体により囲まれている平面アンテナが報告されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この従来の平面アンテナを車両に設ける場合、どのように作用するかわかっていなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５２５２０号公報（７頁、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来知られていなかった車両用平面アンテナの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられ、該パッチ導体の一部又は全部が離間して該接地導体により囲まれており、該誘電体基板が車両に設けられている車両用平面アンテナであって、
該接地導体の周縁と、該周縁に最短の車体開口縁との間隔が３．０ｍｍ以上であることを特徴とする車両用平面アンテナを提供する。
【０００９】
また、本発明は、誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられ、該パッチ導体の一部又は全部が離間して該接地導体により囲まれており、該誘電体基板が車両に設けられている車両用平面アンテナであって、
該接地導体と車体との最短距離が３．０ｍｍ以上であることを特徴とする車両用平面アンテナを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の車両用平面アンテナについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図１、２には、本発明の車両用平面アンテナの一実施形態が示されており、図１は、車両用平面アンテナの構成図であり、図２は図１に示す車両用平面アンテナのＡ−Ａ’断面図である。以下の説明において、特記しない場合には、方向は図面上での方向をいうものとする。また、図１は車内から見た図面であり、図２では、上方が車内側である。
【００１１】
本発明の車両用平面アンテナの一実施形態は、図１、２に示すように、誘電体基板である窓ガラス板２の少なくとも一方の面に形成される車両用平面アンテナであり、窓ガラス板２にパッチ導体４と接地導体６とが設けられており、パッチ導体４が離間して接地導体６により囲まれている。図１に示すとおり、パッチ導体４は接地導体６と直流的に接続されてなく、島状の導体である。図１、２の例では、パッチ導体４と接地導体６とは窓ガラス板２の片面に形成されている。
【００１２】
なお、パッチ導体４を囲んでいる接地導体６の一部にスロット２ａ（接地導体６が設けられていない部分であって窓ガラス板２が露出している部分）があっても使用できる場合がある。図１、２において、１６は車体、１６ａは車体開口縁、ｄは接地導体６の周縁と車体開口縁１６ａとの間隔、１１は接着剤等の弾性体である。
【００１３】
本発明において、車体開口縁１６ａとは窓ガラス板２がはめ込まれる車体の開口部の周縁であって車体アースとなるべきものをいい、例えば、金属等の導電性材料で構成されている。
【００１４】
図１、２の例では、パッチ導体４の形状は長方形であるが、これに限定されず、パッチ導体４の形状は、使用できる程度の感度が得られる形状であればどのような形状であってもよい。パッチ導体４の形状としては、長方形の他に略長方形、正方形、略正方形、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円系又は略楕円形等が考えられる。
【００１５】
図１に示す例では、インピーダンス変成器の中心導体５がパッチ導体４に付設されており、パッチ導体４の上方に伸長されている。中心導体５の上端には給電部８が付設されている。図１に示す例では、パッチ導体４、中心導体５及び給電部８の全てが接地導体６により囲まれている。また、中心導体５側又は給電部８側の、接地導体６の縁辺と、中心導体５の周縁又は給電部８の周縁とは、所定間隔で離間し、平行又は略平行となっている。ここで、インピーダンス変成器は、中心導体５と、中心導体５の周縁近傍の接地導体６の縁辺とで構成されている。
【００１６】
図１に示す例では、窓ガラス板２の上側に本発明における平面アンテナが配設されている。電波の飛来する方向を考慮すると、このようにすることが好ましいが、これに限定されず、窓ガラス板２の下側に本発明の車両用平面アンテナが配設されていてもよい。窓ガラス板２の下側に本発明の車両用平面アンテナが配設される場合には、中心導体５及び給電部８はパッチ導体４の下側に設けられることが好ましい。
【００１７】
給電部８は表面実装型コネクタ（不図示）を介して、窓ガラス板２の、パッチ導体４側の面で同軸ケーブル（不図示）の内側導体と接続されることが好ましい。また、接地導体６はアース接続された同軸ケーブルの外側導体と接続されて常時アース接続されていることが好ましい。
【００１８】
図１に示す例において、接地導体６の上側の周縁６ａと、周縁６ａに最短の車体開口縁１６ａとの間隔ｄが３．０ｍｍ以上であることが必要である。間隔ｄが３．０ｍｍ以上であるときは、３．０ｍｍ未満であるときと比較して感度が向上する。この間隔ｄの好ましい範囲は５．０ｍｍ以上であり、より好ましい範囲は７．０ｍｍ以上であり、特に好ましい範囲は１０．０ｍｍ以上である。図１に示す例において、パッチ導体４から給電部８が伸長されている方向、又は中心導体５の長手方向と車体開口縁１６ａとのなす角は、直角（９０度）又は略直角（略９０度）である。間隔ｄの範囲は、この角が−１０度〜１９０度（この角の許容範囲）で適用される。視野の確保を考慮すると、間隔ｄは１００ｍｍ以下、特には５０ｍｍ以下が好ましい。
【００１９】
図１に示す例では、本発明における平面アンテナは窓ガラス板２に設けられているが、これに限定されず、本発明における平面アンテナを誘電体基板に設け、この誘電体基板を窓ガラス板２に取付けてもよい。この場合、接地導体６と車体１６との最短距離が３．０ｍｍ以上であることが必要である。この最短距離が３．０ｍｍ以上であるときは、３．０ｍｍ未満であるときと比較して感度が向上する。この最短距離の好ましい範囲は、５．０ｍｍ以上であり、より好ましい範囲は、７．０ｍｍ以上であり、特に好ましい範囲は、１０．０ｍｍ以上である。この最短距離の範囲は、給電部が伸長されている方向と車体開口縁１６ａとのなす角が−１０度〜１９０度で適用される。
【００２０】
図３は本発明の車両用平面アンテナの感度を計算で行うために想定した一実施形態のモデルの構成図である。図３において、Ｗ１はパッチ導体の幅、Ｗ２は中心導体５の幅、Ｗ３は給電部８の幅、Ｗ４は中心導体５側又は給電部８側の接地導体６の左縁辺と、中心導体５側又は給電部８側の接地導体６の右縁辺との間隔、Ｌ１はパッチ導体４の縦長、Ｌ２は中心導体５の長さ、Ｌ３は給電部８の長さ、Ｌ４は給電部８の上端部と接地導体６の上側周縁との距離、Ｌ１１は接地導体６の縦長、Ｌ１２は接地導体６の幅、Ｌ１３は想定された車体の縦長、Ｌ１４は想定された車体の幅、Ｇ１はパッチ導体４側の、接地導体６の縁辺と、パッチ導体４の周縁との間隔である。なお、図３に示す例では、給電部８の周辺の接地導体６の縁辺と給電部８の周縁との間隔は均一である。
【００２１】
図４は、図３に示す例における計算に用いる電波の飛来方向を示す。図４において、ｚ軸はパッチ導体４に垂直な軸、ｙ軸は車体開口縁１６ａに垂直な方向の軸、ｘ軸はｙ軸及びｚ軸に垂直な軸、φはｘ軸及びｙ軸を含む面上の任意の方向とｘ軸とのなす角、θはφが示す方向とｚ軸とを含む面上の任意の方向とｚ軸とのなす角である。図３において、窓ガラス板２は小さく示されており、通常の自動車では、−６０度≦θ≦６０度が電波の飛来方向であり、最も電波の強い方向である。
【００２２】
図７は、中心導体５の長手方向の軸が車体開口縁１６ａと平行である場合の実施例を示し、この例における計算に用いる電波の飛来方向を示す。図７において、窓ガラス板２は省略している。図７におけるｄは中心導体５の長手方向に平行な接地導体６の周縁と車体開口縁１６ａとの間隔である。
【００２３】
図５は図１に示す実施例とは別のタイプの実施例を示す構成図である。図１に示す例では、前述したとおり、通常、同軸ケーブルの内側導体を給電部８に接続して受信機及び／又は送信機と本発明の車両用平面アンテナとの信号の伝送を行うが、図４に示す例では、電磁結合により、受信機及び／又は送信機と本発明の車両用平面アンテナとの信号の伝送を行う。
【００２４】
図５に示す例では、中心導体５の終端部１２は接地導体６に接続されている。中心導体５の左側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する溝（中心導体５及び接地導体６が設けられてなく窓ガラス板２が露出している部分）が左上方向に伸長されており、この伸長されている溝１３が電磁結合に利用できる。中心導体５の右側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する扇状の溝１４は感度向上のために設けることが好ましい。
【００２５】
なお、図５に示す構成に限定されず、電磁結合に利用する溝は、中心導体５の左側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する溝から伸長されている溝、及び、中心導体５の右側の周縁と、中心導体５側の接地導体６の縁辺との間に存在する溝から伸長されている溝、の少なくとも一方であればよい。また、伸長される方向も左上方に限定されず、感度が使用できるならばどの角度方向へ伸長されていてもよい。
【００２６】
図５に示すエアーブリッジ１７は終端部１２付近の両側の接地導体を導体線等で接続することをいい、必要に応じて設けられる。エアーブリッジ１７を設けることにより感度が向上する。
【００２７】
パッチ導体４が四角形である場合には、パッチ導体４の幅Ｗ１及び長さＬ１ は、車両用平面アンテナで送信又は受信する電波の波長によって電波が共振するように設定される。パッチ導体４の長さＬ１ は、送信又は受信を行う所望の周波数帯の中心周波数の波長をλＭ とした場合、アンテナの送信又は受信効率を向上させるために、ｋ・（λＭ ／４）〜ｋ・λＭ （ｋは窓ガラス板２における波長の短縮率）の範囲にあることが好ましい。この範囲に導体長さＬ１ を設定することで、この範囲外に設定する場合に比べて、利得が向上する。また、パッチ導体４の幅Ｗ１は、送信又は受信を行う所望の周波数帯の最高周波数の波長をλＨ とし、送信又は受信を行う所望の周波数帯の最低周波数の波長をλＬ とするとき、ｋ・（λＨ ／４）〜ｋ・λＬ の範囲にあることが好ましい。
【００２８】
ここで、短縮率ｋは、窓ガラス板２の比誘電率をεｒ とすると、ｋ＝εｒ （−１／２）で表すことができる。短縮率ｋとは、誘電体基板上を伝搬する電波の伝搬速度に関係するもので、所望の電波の周波数においてアンテナの入力インピーダンスのリアクタンス成分が０（ゼロ）となるようにする比率をいい、アンテナが共振するように、誘電体基板に設けられるアンテナの寸法を空気中に設けられるアンテナの寸法に比べて小さくする比率をいう。中心導体５の長さＬ２ は、通常、ｋ・λＭ ／４程度である。
【００２９】
接地導体６は、窓ガラス板２上の一定の領域に所定以上の面積を有するように形成される。すなわち、本発明の車両用平面アンテナは指向性が良好となるように接地導体６の面積が調整されている。このようにして、指向性を良好にすることができるのは、誘電体基板と空気界面での反射やガラス板を伝搬する表面波の指向性への影響が低減するためと考えられる。
【００３０】
接地導体６はパッチ導体４の周囲を一定の距離離間して囲んでいる。すなわち、パッチ導体４側の、接地導体６の縁辺はパッチ導体４の周縁より一定の間隔で離れている。この間隔 は、車両用平面アンテナの入力インピーダンス特性が良好となるように設定され、ほぼ窓ガラス板２の厚さ近傍が好ましい。
【００３１】
中心導体５と接地導体６との最短間隔、中心導体５の幅及び中心導体５の長手方向の長さは、パッチ導体４の入力インピーダンスと、高周波伝送線路で用いられる特性インピーダンス５０Ωとが整合するように窓ガラス板２の比誘電率、パッチ導体４の導電率等及び接地導体６の導電率等を考慮して設定されることが好ましい。
【００３２】
誘電体基板として窓ガラス板２を用い、パッチ導体４、中心導体５及び接地導体６として銀ペーストを窓ガラス板２の面上にプリントし焼付けて形成した場合には、窓ガラス板２の比誘電率や銀ペーストによる導体の導電率を考慮して各部分の形状及び寸法等の諸数値が設定される。なお、本発明においては、この形成方法に限定されず、銅等の導電性物質からなる、線状又は箔状の薄膜を、窓ガラス板２又は誘電体基板に形成してもよい。
【００３３】
次に、本発明の車両用平面アンテナの動作について説明する。パッチ導体４は電波を放射する放射導体として機能する。また、中心導体５は、その両側に一定の距離を隔てて接地導体が形成される公知の伝送線路であるコブレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を形成する。インピーダンス変成器はパッチ導体４の入力インピーダンスを通常、高周波伝送線路で用いられる特性インピーダンス５０Ωと整合させるように機能することが好ましい。
【００３４】
送信の際は、給電部８から電気信号を給電する。この電気信号は中心導体５を伝搬してパッチ導体４に到達しパッチ導体４が励振される。このときパッチ導体４の共振周波数で励振されれば、パッチ導体４より電波が放射される。
【００３５】
上述した公知のＭＳＡは、放射導体と地導体との間の電界により放射導体端部で磁流を生じ、その磁流を波源として電波を放射するアンテナである。これに対して、本発明の車両用平面アンテナは、パッチ導体４と、その周囲に間隔をおいて同一面に設けられた接地導体６との間の電界によりパッチ導体４の端部で磁流を生じ、その磁流を波源として、電波を放射するものと考えられる。本発明の車両用平面アンテナにおける共振周波数は、パッチ導体４の形状及び寸法、パッチ導体４と接地導体６との間隔等を用いて設定することができる。電波の受信は、送信と受信との可逆性により、上記説明と反対の動作となる。
【００３６】
このように、本発明の車両用平面アンテナは、パッチ導体４及び接地導体６が設けられた窓ガラス板２の面の反対の面に導体が設けられていなくてもよく、窓ガラス板２の一面にのみ、パッチ導体４、接地導体６及び中心導体５が設けられた、同一面又は共平面（コプレーナ）構造のアンテナにできるので、平面アンテナを窓ガラス板２の片面に形成することができる。したがって、誘電体基板の両面に導体を設けなければならないＭＳＡに比べて、生産性及び耐久性が向上する。特に本発明の車両用平面アンテナが車両用前部窓ガラス板等の窓ガラス板の車室内側に設けられた場合には、顕著に耐久性が向上する。さらに、給電部８もパッチ導体４等と同一の面側に設けることができるので、給電も容易になり、簡易でコンパクトな構成を実現することができる。
【００３７】
図１、２に示す例では、一枚の窓ガラス板２上に形成されている。しかし、本発明においては、例えば、合わせガラス板や複層ガラス板等の多層誘電体基板であってもよく、この場合、合わせガラス板や複層ガラス板を構成するガラス板のどの面側に設けられてもよい。例えば、合わせガラス板の合わせ面側に形成してもよいが、この場合、ガラス板を横断してアンテナに給電するための給電手段が必要とされる。
【００３８】
さらに、パッチ導体４及び接地導体６が設けられる誘電体基板は、ガラス板に限定されず、セラミック、ポリイミド樹脂、サファイア及びプリント配線基板等いずれであってもよい。また、アンテナの送信又は受信の効率を向上させるには低誘電損失の誘電体基板を用いるのが好ましい。また、誘電体基板は、表層に着色したプリント膜、例えば黒色プリント膜を形成したものを用いてもよい。
【００３９】
窓ガラス板２の面の表層には、黒色セラミック膜が形成されてもよい。また、本発明における誘電体基板を窓ガラス板２に設けてもよい。この場合、本発明の車両用平面アンテナは車両用前部窓ガラス板等の窓ガラス板の車室内側に設けられることが好ましい。
【００４０】
本発明の車両用平面アンテナが利用される周波数は通常０．８〜３０．０ＧＨｚであり、２．０〜１０．０ＧＨｚ、特には２．０〜６．０ＧＨｚが好ましい。
【００４１】
本発明の車両用平面アンテナは、例えば、車両用前部窓ガラス板等の窓ガラス板の面に形成してＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ：ノンストップ自動料金収受システム、路側無線装置の送信周波数：５．７９５ＧＨｚ又は５．８０５ＧＨｚ、路側無線装置の受信周波数：５．８３５ＧＨｚ又は５．８４５ＧＨｚ）におけるアンテナとして利用される。
すなわち、車両用前部窓ガラス板を窓ガラス板２として用いる。このような車両用平面アンテナは、狭域通信（ＤＳＲＣ：Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ Ｓｈｏｒｔ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ）制御回路等とともに一体化して窓ガラス板２上に設けられてもよい。
【００４２】
なお、本発明の車両用平面アンテナは、上述した５．８ＧＨｚの周波数帯を用いた無線通信を行うＥＴＣにおいて好適に用いられるが、ＥＴＣに限定されず、同様の周波数帯を用いる種々のデータ通信にも使用可能である。例えば、自動車電話用の８００ＭＨｚ帯（８１０〜９６０ＭＨｚ）、自動車電話用の１．５ＧＨｚ帯（１．４２９〜１．５０１ＧＨｚ）、ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）、ＧＰＳ人工衛星のＧＰＳ信号１５７５．４２ＭＨｚ等の電波の送信又は受信に用いることもできる。上記帯域以外にもマイクロ波の周波数の電波（１ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）やミリ波帯の電波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）の送信又は受信にも用いることができる。
【００４３】
【実施例】
以下に実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されず、本発明の要旨を損なわない限り、各種の改良や変更も本発明に含まれる。
【００４４】
「例１（実施例）」
図１に示す一実施形態において、車体開口縁１６ａと接地導体６の周縁６ａとが近接すると、接地導体６に誘起される電流分布に変化が生じ、本発明の車両用平面アンテナの感度が劣化する。このような電流分布の変化を図３、４に示すモデルでＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）によって計算を行った。各部の寸法、定数は以下のとおりである。寸法の単位はｍｍとする。
【００４５】
φを０．０度とし、θを−６０〜６０度で変化させた最小感度であって、ｄを０．０ｍｍ〜１２．５ｍｍの範囲で変化させた場合の感度とｄとの特性を図６に示した。ここで、感度のデータとして最小感度を用いたのは、通信できない程の感度の落ち込みをなくすことができるからである。
【００４６】
周波数 ５．８ＧＨｚ、
想定した窓ガラス板２（厚さ） ３．５、
想定した窓ガラス板２の比誘電率 ７．０、
Ｗ１×Ｌ１ ６．１×６．１、
Ｗ２ ０．５、
Ｗ３ １．３、
Ｗ４ ２．０、
Ｌ２ ６．５、
Ｌ３ ６．５、
Ｌ４ ２３、
Ｌ１１×Ｌ１２ ４５×３０、
Ｌ１３ １００、
Ｌ１４ １００、
想定した車体２の厚さ ２．０、
Ｇ１ ２．０。
【００４７】
「例２（実施例）」
図７に示すモデルにおいて、例１と同様に電流分布の変化をＦＤＴＤ法によって計算を行った。車両用平面アンテナの各部の形状及び寸法は例１と同様とした。φを９０度とし、θを−６０〜６０度で変化させた最小感度であって、ｄを０．０ｍｍ〜１２．５ｍｍの範囲で変化させた場合の感度とｄとの特性を図８に示した。
【００４８】
【発明の効果】
本発明では、接地導体の周縁と、該周縁に最短の車体開口縁との間隔が３．０ｍｍ以上であるために、良好に通信できる感度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用平面アンテナの一実施形態の構成図。
【図２】図１に示す車両用平面アンテナのＡ−Ａ’断面図。
【図３】本発明の車両用平面アンテナの感度を計算で行うために想定した一実施形態のモデルの構成図。
【図４】図３に示す例における計算に用いる電波の飛来方向を示す模式図。
【図５】図１に示す実施例とは別のタイプの実施例を示す構成図。
【図６】例１の感度とｄとの特性図。
【図７】図３に示す例とは別の実施例における計算に用いる電波の飛来方向を示す模式図。
【図８】例２の感度とｄとの特性図。
【符号の説明】
２：誘電体基板
４：パッチ導体
５：中心導体
６：接地導体
６ａ：接地導体６の周縁
８：給電部
１６：車体
１６ａ：車体開口縁
Claims (6)
- 誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられ、該パッチ導体の一部又は全部が離間して該接地導体により囲まれており、該誘電体基板が車両に設けられている車両用平面アンテナであって、
該接地導体の周縁と、該周縁に最短の車体開口縁との間隔が３．０ｍｍ以上であることを特徴とする車両用平面アンテナ。 - 誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられ、該パッチ導体の一部又は全部が離間して該接地導体により囲まれており、該誘電体基板が車両に設けられている車両用平面アンテナであって、
該接地導体と車体との最短距離が３．０ｍｍ以上であることを特徴とする車両用平面アンテナ。 - 前記パッチ導体と前記接地導体とが前記誘電体基板の同一面に設けられている請求項１又は２に記載の車両用平面アンテナ。
- 前記誘電体基板が車両の窓ガラス板である請求項１、２又は３に記載の車両用平面アンテナ。
- 前記誘電体基板が車両の窓ガラス板に取付けられている請求項１、２、３又は４に記載の車両用平面アンテナ。
- パッチ導体に給電部が設けられており、給電部が伸長されている方向と前記車体開口縁とのなす角が−１０度〜１９０度である請求項１に記載の車両用平面アンテナ。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2015064396A (ja) * | 2013-09-24 | 2015-04-09 | 日本精機株式会社 | 車両用表示装置 |
| JP2015077409A (ja) * | 2013-10-14 | 2015-04-23 | 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 人体センサ及びこれを含むセンシングシステム |
-
2003
- 2003-06-24 JP JP2003179782A patent/JP2005020183A/ja active Pending
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| JP2015077409A (ja) * | 2013-10-14 | 2015-04-23 | 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 人体センサ及びこれを含むセンシングシステム |
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