JP2005318229A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はアンテナ装置に関し、簡易な構成で３つ以上の周波数で動作するアンテナ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】トップロード型モノポール・アンテナ１０を備え、両面銅張り配線基板の一方の銅箔で接地導体１を、他方の銅箔で２つのＬ字状に配置した平面電極６ａ，６ｂでパッチアンテナ１１ａを形成し、このパッチアンテナ１１ａにより形成されたスペースにパッチアンテナ１１ｂを配置して、これら接地導体１、トップロード型モノポール・アンテナ１０、複数のパッチアンテナ１１ａ，１１ｂ及び増幅回路９からアンテナ装置１５を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車などの移動体通信に用いられるアンテナ装置に関するものである。

近年、自動車などの移動体は、自動車電話、ＧＰＳと呼ばれる衛星利用測位システム［Global Positioning System］、ＶＩＣＳと呼ばれる道路交通情報システム［Vehicle Information and Communication System］、ＥＴＣと呼ばれる有料道路自動料金収受［Electronic Toll Collection］システムなどのサービスが実用化されている。

そして、これらサービスに対応するため、車載用などの移動体通信のアンテナ装置としては、これらシステムを対象とし複数の周波数で動作するアンテナ装置の要求が高まっている。

このような従来のアンテナ装置の一例として、２つの動作周波数に対応したアンテナ装置について図４を用いて説明する。

図４は従来のアンテナ装置の断面図であり、同図において、５１は金属導体からなる接地導体で、５２は接地導体５１の略中央で、かつ接地導体５１に所定の間隔を空けて対向配置された金属導体による装荷電極である。

そして、この装荷電極５２の略中央には、高周波信号を給電する軸線導体柱５４と、接地導体５１と短絡し軸線導体柱５４に並立させた短絡導体柱５５とが接続されている。

このようにして、接地導体５１と装荷電極５２とから、所定の周波数ｆ１で動作するアンテナ６０（以後、トップロード型モノポール・アンテナと記載する）を構成している。

また、５６は接地導体５１と装荷電極５２との間に配置された金属導体による平面電極で、この平面電極５６の中央部は開口され、上記軸線導体柱５４及び短絡導体柱５５が貫通している。

さらに、平面電極５６は、その中央部を接地導体５１の中央部に接地板５７で接続されると共に、所定の位置に接地導体５１を貫通して、接地導体５１の下面に配置された増幅回路５９に接続する給電端子５８を備えている。

このようにして、接地導体５１と平面電極５６とから、所定の周波数ｆ２で動作するアンテナ６１（以後、パッチアンテナと記載する）を構成している。

ここで、パッチアンテナ６１を構成する平面電極５６は、一辺がａの長さで略正方形の矩形形状を有し、地球を周回する衛星からの電波を使うＧＰＳシステム用のアンテナなどに用いるが、衛星からの電波は微弱であり、この電波をすぐに増幅する必要から増幅回路５９をすぐ近くに備えている。

このように、トップロード型モノポール・アンテナ６０とパッチアンテナ６１とからアンテナ装置６５は構成されているものであった。

なお、６２はアンテナ装置６５からの信号を入出力するケーブルである。

以上の構成において、アンテナ装置６５は、トップロード型モノポール・アンテナ６０が自動車電話用などの第１の周波数ｆ１で、パッチアンテナ６１がＧＰＳ用などの第２の周波数ｆ２で動作する、いわゆる２つの動作周波数に対応したものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０００−１８３６４３号公報

しかしながら上記従来のアンテナ装置６５においては、３つ以上の動作周波数に対応したものを一体に構成しようとする場合、新たな構成部材はトップロード型モノポール・アンテナ６０の装荷電極５２の上面やパッチアンテナ６１の平面電極５６の上面に載置する必要があるため、新たな構成の別部材が必要という問題があった。

この問題解決のために、パッチアンテナ６１の平面電極５６を、接地導体５１の中央部から移動して、新たな構成の別部材を必要とせずに平面電極５６と同一平面にアンテナを実現しようとする場合は、その移動した分だけ接地導体５１を大きくする必要があるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、従来の外形寸法を変えることなく３つ以上の動作周波数に対応できるアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のアンテナ装置は、以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、接地導体と装荷電極との間に、前記接地導体に所定の間隔を空けて対向配置された平板状の複数の平面電極をＬ字状に配置して構成したものであり、この複数の平面電極をＬ字状に配置することによって、平面電極と同一平面にスペースを確保できるため、このスペースに３つ目以上のアンテナ構成部材を配置できるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、複数の平面電極を、軸線導体柱と短絡導体柱の各々の中心を結ぶ軸線（以後、Ｙ軸と記載する）に対して、一方は直角に、他方は平行に互いに直交して配置したものであり、Ｙ軸に対して、両方を平行に配置するなどの他の配置に比較して、平面電極と同一平面に確保できるスペースが大きくできて有効活用できるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において、複数の平面電極の各々の短絡部を隣接、または接続して配置したものであり、所望のアンテナ特性を得ることができるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明において、誘電体層を設け、この誘電体層を、少なくとも両面に導体を有する配線基板の基材部としたものであり、配線基板の両面導体で接地導体と複数の平面電極を容易に形成できるという作用を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項４記載の発明において、高周波信号を増幅する増幅回路を誘電体層の上面に設けたものであり、低背化が図れるという作用を有する。

以上のように本発明によれば、外形寸法を大きくすることなく３つ以上の動作周波数に対応したアンテナ装置を得ることができるという有利な効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を用いて説明する。

図１は本発明の一実施の形態によるアンテナ装置の概略斜視図であり、同図において、１は接地導体、２は装荷電極で、装荷電極２は銅板単体や銅箔などから形成され、矩形の接地導体１に所定の間隔を空けて対向配置されている。

そして、３は両面に導体である銅箔を有する配線基板の基材部からなる誘電体層である。

更に、装荷電極２の略中央には、接地導体１を貫通して装荷電極２に給電する銅などの金属棒状の軸線導体柱４と、接地導体１に接続された同じく金属棒状の短絡導体柱５が並立して接続されている。

このようにして、接地導体１と装荷電極２とから、所定の周波数ｆ１で動作するトップロード型モノポール・アンテナ１０を構成している。

次に、誘電体層３の上面には銅板単体や銅箔などからなる矩形形状で一対のＬ字状に配置された第１、第２の平面電極６ａ，６ｂと、第１、第２の平面電極６ａ，６ｂによりできたスペースに矩形形状で単体の第３の平面電極６ｃが配置されている。

ここで、第１、第２、第３の平面電極６ａ，６ｂ，６ｃは、夫々一辺を接地導体１と短絡させる短絡部６ｄと、所定の位置に給電するための給電手段８ａ，８ｂ，８ｃを誘電体層３の上面銅箔などからブリッジして各平面電極の略中央部に接続している。

そして、第１、第２の平面電極６ａ，６ｂは、それぞれの給電手段８ａ，８ｂが誘電体層３の上面の銅箔などにより形成された配線パターン（図示せず）を介して結合されて、誘電体層３の上面に配置された増幅回路９に接続されている。

このようにして、接地導体１と、一対の第１、第２の平面電極６ａ，６ｂとから所定の周波数ｆ２で動作する第１のパッチアンテナ１１ａを、及び接地導体１と、単体の第３の平面電極６ｃとから所定の周波数ｆ３で動作する第２のパッチアンテナ１１ｂを形成している。

ここで、本発明の要旨である第１のパッチアンテナ１１ａは、軸線導体柱４と短絡導体柱５の各々の中心を結ぶＹ軸に対して、第１の平面電極６ａが直角に、第２の平面電極６ｂが平行に、互いに直交するようにＬ字状に配置して形成されている。

更に特筆すべきは、従来の図４において、パッチアンテナ６１の平面電極５６は、一辺がａの長さで略正方形の矩形形状で形成したが、本発明の第１のパッチアンテナ１１ａの第１、第２の平面電極６ａ，６ｂは、いずれも二辺がａで、もう二辺がａ／２より短いｂの長さの矩形形状で形成している。

これは、いずれのパッチアンテナも動作周波数がｆ２の場合、動作周波数ｆ２の略１／４波長となるａの長さで平面電極を励振させるように形成するが、従来のパッチアンテナ６１は平面電極５６の四辺を同時に励振させるように１枚で形成するのに対し、第１のパッチアンテナ１１ａは第１の平面電極６ａと、第２の平面電極６ｂとを位相差（時間差）を持たせて励振させるように２枚で形成するものである。

このようにして、第１のパッチアンテナ１１ａを形成するため、その中央部に大きなスペースが確保できて、このスペースに増幅回路９などが配置できる。

また本実施の例では、両面に銅箔層を有する配線基板を用いて、下面の銅箔で接地導体１を形成すると共に、絶縁層である基材部で誘電体層３を、上面の銅箔で第１、第２の平面電極６ａ，６ｂなどを一体に形成している。

このようにして、トップロード型モノポール・アンテナ１０とパッチアンテナ１１ａ，１１ｂとからアンテナ装置１５は構成されている。

なお、１２はアンテナ装置１５からの信号を入出力する複数のケーブルで、各ケーブル１２は誘電体層３の上面に固定され、軸線導体柱４、増幅回路９の出力端子、第３の平面電極６ｃの給電手段８ｃなどと夫々電気的に接続されている。

以上の構成において、アンテナ装置１５は、トップロード型モノポール・アンテナ１０が自動車電話用などの第１の周波数ｆ１、パッチアンテナ１１ａがＧＰＳ用などの第２の周波数ｆ２、パッチアンテナ１１ｂがＶＩＣＳ用などの第３の周波数ｆ３で動作する、いわゆる３つの動作周波数に対応したものである。

ここで、パッチアンテナ１１ａが受信するＧＰＳの電波の波は螺旋形状の、いわゆる円偏波であるが、本発明のアンテナ装置１５では、トップロード型モノポール・アンテナ１０の装荷電極２がパッチアンテナ１１ａに対して無給電素子として励振する影響で第１、第２の平面電極６ａ，６ｂを互いに直交配置して９０°の位相差を持たせて駆動するだけでは円偏波特性とはならず楕円偏波特性となる。

本実施の形態のパッチアンテナ１１ａで、円偏波特性を得る方法と評価結果について説明する。

図２は、第１、第２の平面電極６ａ，６ｂを互いに直交配置する種々の配置形態として、第１、第２の平面電極６ａ，６ｂのそれぞれの短絡部６ｄを太線で表して配置形態を示し、その配置形態の違いにより得られる円偏波特性の度合いを軸比（ｄＢ単位で小さいほど良い）で評価した結果を（表１）に示している。

図２（Ａ）〜図２（Ｄ）の各配置形態は、いずれの場合も第１の平面電極６ａをＹ軸に直角で、第２の平面電極６ｂがＹ軸を中心に反時計回りの位置に平行に、Ｌ字状に配置している。

そして、図２（Ｂ）、（Ｃ）の場合は第１、第２の平面電極６ａ，６ｂの各短絡部がＹ軸を中心に同一回転方向に配置し、図２（Ａ），（Ｄ）の場合は反対回転方向に配置している。

このようにして、各場合において最も軸比が小さくなる駆動条件（位相差のこと）を求めるが、軸比は０ｄＢが最良値であり、そのときの軸比での評価結果から、（Ａ）の配置、即ち第１の平面電極６ａの短絡部６ｄと第２の平面電極６ｂの短絡部６ｄが隣接している場合が一番良い。

このとき、（Ａ）の配置形態による位相差は（表１）に示すように、第１の平面電極６ａを第２の平面電極６ｂに対し１３５°遅らせている。

なお、この位相差は、第１の平面電極６ａの給電手段８ｃから増幅回路９までの図示しない配線パターンの長さを、第２の平面電極６ｂの給電手段８ｃから増幅回路９までの配線パターンの長さより位相差分だけ長くすることで実現できる。

以上、図２（Ａ）の配置でのパッチアンテナ１０ａの偏波特性は円偏波特性となり、ＧＰＳ用の右旋（右に旋回する）円偏波を受信できると共に、（Ａ）の配置からＹ軸に対して対称の配置にすることで左旋（左に旋回する）円偏波を受信できる。

なお、他の配置形態は、図２（Ｂ）、（Ｃ）の配置が次に良く（Ｄ）の配置が最も劣っており、いずれの軸比も略１ｄＢ以上であり、良好な円偏波特性を得るには（Ａ）の配置より劣っていた。

ここで、図２（Ａ）の配置形態と他の配置形態（Ｂ〜Ｄ）を比べてみると、（Ａ）の配置形態は、第１、第２の平面電極６ａ，６ｂのそれぞれの短絡部が隣合うように直交しているのに対し、他の配置形態は、いずれもそれぞれの短絡部が離間している。

つまり、２つの平面電極は、一方の短絡部と他方の短絡部との距離を小さく、隣接して配置すると良い。

図３は、上記実施の形態において、第１、第２の平面電極６ａ，６ｂのそれぞれの短絡部６ｄを接続して第１のパッチアンテナ１１ａを形成したことと、更に第１のパッチアンテナ１１ａと同一平面に第４の平面電極６ｅを配置したものである。

そして、第４の平面電極６ｅへの給電手段８ｄは、第４の平面電極６ｅの２辺に接続するように銅箔により形成すると共に、必要な位相差は、この２辺からの銅箔の長さを変えることで自由に設定している。

つまり、接地導体１と第４の平面電極６ｅとから、いわゆる位相差給電パッチアンテナ１１ｃを構成し、第４の平面電極６ｅをＸ−、Ｙ＋方向のコーナーに４５°の角度を設けて配置することで、車両の前進方向に対し電波方向が仰角を有することができるためＥＴＣ用などの送受信を行うのに有用である。

このように本実施の形態によれば、２つの第１、第２の平面電極を直交配置してパッチアンテナを形成することによって、２つの平面電極と同一平面にスペースを確保できるため、容易に同一平面に新たなアンテナ構成部材を配置できて、３つ以上の周波数で動作するアンテナ装置を得ることができるものである。

また、２つの平面電極を、Ｙ軸に対して互いに直交配置することによって、２つの平面電極と同一平面に確保できるスペースが大きくできる。

更に、２つの平面電極を、一方の短絡部と他方の短絡部を隣接、または接続して配置することで、アンテナ特性を良好にできる。

更に、誘電体層を配線基板の基材部とすることで、簡易な構成により安価にできる。

更に、増幅回路を配線基板の上面に設けることで、低背化が図れる。

なお、本実施の形態において、給電手段８ｃは、第１、第２、第３の平面電極６ａ，６ｂ，６ｃと同一平面の銅箔からブリッジを設けて形成するとして説明したが、配線基板を多層配線基板にして層間銅箔を用いて形成しても実施は可能である。

また、２つの平面電極を、Ｙ軸に対して一方を直角に、他方を平行に互いに直交配置するとして説明したが、２つの平面電極の一方をＹ軸に対して所定の角度を有して配置し、他方をこの一方に直交して配置しても実施は可能である。

本発明によるアンテナ装置は、外形寸法を大きくすることなく３つ以上の動作周波数に対応できる効果を有し、車載用などの移動体通信等に有用である。

本発明の一実施の形態によるアンテナ装置の概略斜視図 同特性比較図 同別形態によるアンテナ装置の平面図 従来のアンテナ装置の縦断面図

符号の説明

１ 接地導体
２ 装荷電極
３ 誘電体層（基材部）
４ 軸線導体柱
５ 短絡導体柱
６ａ，６ｂ，６ｃ 平面電極
６ｄ 短絡部
８ａ，８ｂ，８ｃ 給電手段
９ 増幅回路
１０ トップロード型モノポール・アンテナ
１１ａ，１１ｂ パッチアンテナ
１２ ケーブル
１５ アンテナ装置

Claims (5)

1. 接地導体と、この接地導体に所定の間隔を空けて対向配置された平板状の装荷電極と、この装荷電極に給電する軸線導体柱と、この軸線導体柱に並立させ前記接地導体と装荷電極とを短絡する短絡導体柱とからなり、
   前記接地導体と装荷電極との間に、前記接地導体に所定の間隔を空けて対向配置された平板状の複数の平面電極を略Ｌ字状に配置して構成したアンテナ装置。
2. 複数の平面電極を、軸線導体柱と短絡導体柱の各々の中心を結ぶ軸線に対して、一方は直角に、他方は平行に配置した請求項１記載のアンテナ装置。
3. 複数の平面電極は、一辺が接地導体に短絡される短絡部を有し、この各々の短絡部を隣接、または接続して配置した請求項１記載のアンテナ装置。
4. 接地導体と複数の平面電極との間に誘電体層を設け、この誘電体層を、少なくとも両面に導体を有する配線基板の基材部とした請求項１記載のアンテナ装置。
5. 複数の平面電極からの高周波信号を増幅する増幅回路を誘電体層の上面に更に設けた請求項４記載のアンテナ装置。

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