JP2006135764A - Antenna device - Google Patents

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Hiroyuki Hayakawa
宏之 早川
Shoichi Takeuchi
彰一 竹内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a planar antenna which is applicable to the window glass plate of a vehicle, has high reliability in a power feeding circuit, can be made thin, has excellent designing property and can obtain sufficient performance. <P>SOLUTION: This planar antenna is provided with the window glass plate 1 that is provided with a patch conductor 2 to be a radiation conductor and installed in a vehicle, a dielectric substrate 5 provided facing a face to which the patch conductor 2 of the window glass plate 2 is provided and separated at a predetermined interval by air or other dielectric, a ground conductor 4 provided on a face facing the window glass plate 1 of the dielectric substrate 5 and having a slot 7 corresponding to the position of the patch conductor 2, and a microstripline 6 provided to a face opposite to the ground conductor 4 of the dielectric substrate 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、自動車等の車両の窓ガラス板に設けられるアンテナ装置に関する。   The present invention relates to an antenna device provided on a window glass plate of a vehicle such as an automobile.

今日、高速道路等の有料道路の料金徴収を無人で行うETC(自動料金収受システム:Electric Toll Collection System )が実施されている。このシステムでは、料金所のゲートに設置されたアンテナと自動車等の車両に搭載された車載器との間で無線データ通信を行い、料金の決済処理を行っている。このシステムにおいて、車載器用のアンテナとしては、取付け、収納の便宜のために、平面アンテナが良く用いられている。   Today, an ETC (Electric Toll Collection System) that performs unattended toll collection on toll roads such as expressways is being implemented. In this system, wireless data communication is performed between an antenna installed at a gate of a toll gate and an in-vehicle device mounted on a vehicle such as an automobile, and a fee settlement process is performed. In this system, a planar antenna is often used as an onboard device antenna for convenience of installation and storage.

マイクロ波の通信では、電波の干渉による通信障害が生じやすいため、電波の干渉による影響が生じにくい円偏波を通信電波として用いることが一般的であり、マイクロストリップアンテナは円偏波に対して通信特性に優れる。ここで、マイクロストリップアンテナとは、接地導体が設けられている誘電体基板に、矩形状、円形状、楕円形状等のパッチ導体(ストリップ)が放射導体として設けられており、パッチ導体が設けられている誘電体基板面に対して略垂直方向に指向性を有するアンテナをいう(非特許文献1参照)。   In microwave communication, communication failure due to radio wave interference is likely to occur, so it is common to use circularly polarized waves that are unlikely to be affected by radio wave interference as communication radio waves. Excellent communication characteristics. Here, the microstrip antenna is a patch substrate (strip) having a rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape or the like provided as a radiating conductor on a dielectric substrate provided with a ground conductor. An antenna having directivity in a direction substantially perpendicular to the surface of the dielectric substrate (see Non-Patent Document 1).

現在用いられている車載器用の平面アンテナは、車載器本体と一体かまたは別の筐体に収められ、車両のダッシュボード等に設置されて用いられることが多い。このため、設置場所の制約を受け、デザイン上あまり好ましくない。   The planar antenna for onboard equipment currently used is often used by being installed in a vehicle dashboard or the like, which is integrated with the onboard equipment main body or in a separate housing. For this reason, it is not preferable in terms of design due to restrictions on installation location.

そこで、車両の窓ガラス板にマイクロストリップアンテナを設置する構造とした場合、給電回路の構成が問題となる。例えば、窓ガラス板に放射導体となるパッチ導体を設け、ピンで給電するような構成とした場合、導電体のピンがパッチ導体のプリントされたガラス板と直接接触するため、ピン接触の信頼性を確保する必要があり、また、ピン自体の長さによりアンテナ薄型化が困難である等の課題がある。   Therefore, when the structure is such that the microstrip antenna is installed on the window glass plate of the vehicle, the configuration of the feeding circuit becomes a problem. For example, when a patch conductor serving as a radiation conductor is provided on a window glass plate and power is supplied by a pin, the pin of the conductor is in direct contact with the glass plate on which the patch conductor is printed. In addition, there is a problem that it is difficult to reduce the thickness of the antenna due to the length of the pin itself.

マイクロストリップアンテナの給電回路として、スロットを設けた接地導体に対向させて、この接地導体に電磁的に結合するストリップ線路を配置した構成のものが開示されている(特許文献1、2参照)。また、接地導体にH型もしくは十字型のスロットを設けて電波の一部を通過させることにより、非接触で放射導体と伝送線路間の給電を可能とした構成のものもある(非特許文献2、3参照)。   As a power supply circuit for a microstrip antenna, a configuration is disclosed in which a strip line that is electromagnetically coupled to a ground conductor provided with a slot is disposed (see Patent Documents 1 and 2). In addition, there is a configuration in which an H-shaped or cross-shaped slot is provided in the ground conductor to allow a part of the radio wave to pass therethrough so that power can be supplied between the radiation conductor and the transmission line in a non-contact manner (Non-Patent Document 2). 3).

しかし、このようなマイクロストリップアンテナを車両の窓ガラス板に実装したものは無かった。すなわち、信頼性が高く、かつ薄型化が可能であり、さらにデザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナは実現されていない。
特開平4−122105号公報 特開平5−55820号公報 羽石,平澤,鈴木、「小形・平面アンテナ」、社団法人電子情報通信学会編、1996年 H.S. Shin and N. Kim, "Wideband and high-gain one-patch microstrip antenna coupled with H-shaped aperture", Electron.Lett., vol.38, No.19, pp1072-1073, Sep. 2002 Y. Murakami, S. Sekine and H. Shoki, "Analysis of cross-slot-coupled circular microstrip antenna", Electron.Lett., vol.38, No.25, pp1619-1621, Dec. 2002
However, none of such a microstrip antenna is mounted on a window glass plate of a vehicle. That is, a planar antenna that has high reliability, can be thinned, has good design characteristics, and has sufficient performance has not been realized.
JP-A-4-122105 Japanese Patent Laid-Open No. 5-55820 Haneishi, Hirasawa, Suzuki, “Small / Plane Antenna”, edited by the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1996 HS Shin and N. Kim, "Wideband and high-gain one-patch microstrip antenna coupled with H-shaped aperture", Electron.Lett., Vol.38, No.19, pp1072-1073, Sep. 2002 Y. Murakami, S. Sekine and H. Shoki, "Analysis of cross-slot-coupled circular microstrip antenna", Electron.Lett., Vol.38, No.25, pp1619-1621, Dec. 2002

本発明の目的は、車両の窓ガラス板に適用可能で、給電回路の信頼性が高く、薄型化を図れるアンテナ装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide an antenna device that can be applied to a window glass plate of a vehicle, has a highly reliable power supply circuit, and can be thinned.

また、本発明の目的は、デザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナを実現できるアンテナ装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an antenna device capable of realizing a planar antenna with good design and sufficient performance.

本発明は、放射導体となるパッチ導体が設けられ、車両に設置される窓ガラス板と、前記窓ガラス板の前記パッチ導体が設けられる面に対向して設けられた誘電体基板又は誘電体シートからなる誘電体層であって、前記窓ガラス板に対して空気又は他の誘電体により所定間隔で離間されて配置された誘電体層と、前記誘電体層の前記窓ガラス板と対向する面に設けられ、前記パッチ導体の位置と対応する位置にスロットを有する接地導体と、前記誘電体層の、前記接地導体が設けられた面と反対側の面に設けられた給電線路とを備えたアンテナ装置を提供する。   The present invention is provided with a patch conductor serving as a radiation conductor, a window glass plate installed in a vehicle, and a dielectric substrate or a dielectric sheet provided facing a surface of the window glass plate on which the patch conductor is provided. A dielectric layer disposed at a predetermined interval from the window glass plate by air or other dielectric material, and a surface of the dielectric layer facing the window glass plate A ground conductor having a slot at a position corresponding to the position of the patch conductor, and a feed line provided on a surface of the dielectric layer opposite to the surface on which the ground conductor is provided. An antenna device is provided.

また、前記接地導体に設けられるスロットが、H型、又は前記パッチ導体の天地方向に対して斜めに傾いた十字型に形成されたアンテナ装置を提供する。   In addition, an antenna device is provided in which a slot provided in the ground conductor is formed in an H shape or a cross shape inclined obliquely with respect to the vertical direction of the patch conductor.

また、前記窓ガラス板の周縁部から前記パッチ導体の中心までの距離をE、通信に用いる電波の自由空間における波長をλ0 とするとき、E/λ0 ≦2.51であり、前記パッチ導体と前記窓ガラス板を設置する車体開口縁との最短距離をDとするとき、0.2≦D/λ0 であるアンテナ装置を提供する。 Further, when the distance from the peripheral edge of the window glass plate to the center of the patch conductor is E and the wavelength in the free space of the radio wave used for communication is λ 0 , E / λ 0 ≦ 2.51 and the patch Provided is an antenna device in which 0.2 ≦ D / λ 0, where D is the shortest distance between a conductor and a vehicle body opening edge on which the window glass plate is installed.

本発明によれば、車両の窓ガラス板に適用可能で、給電回路の信頼性が高く、薄型化を図れるアンテナ装置を提供できる。また、デザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナを実現できる。   According to the present invention, it is possible to provide an antenna device that can be applied to a window glass plate of a vehicle, has high reliability of a power feeding circuit, and can be thinned. In addition, it is possible to realize a planar antenna with good design and sufficient performance.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は本発明の実施形態に係るアンテナ装置の全体構成を示す分解斜視図、図2は図1のアンテナ装置をA−A平面で切断した場合の断面図である。本実施形態のアンテナ装置は、自動車等の車両に取り付けられる窓ガラス板1において設けられる平面アンテナであり、窓ガラス板1、パッチ導体2、間隙3、接地導体4、誘電体基板5、マイクロストリップ線路6が積層された構造となっている。本実施形態では、アンテナ装置が窓ガラス板1の片側の面(車内側)に配置される場合を想定する。   FIG. 1 is an exploded perspective view showing an overall configuration of an antenna device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the antenna device of FIG. 1 cut along an AA plane. The antenna device of this embodiment is a planar antenna provided in a window glass plate 1 attached to a vehicle such as an automobile, and includes a window glass plate 1, a patch conductor 2, a gap 3, a ground conductor 4, a dielectric substrate 5, and a microstrip. The line 6 is laminated. In this embodiment, the case where an antenna device is arrange | positioned at the surface (vehicle inside) of the one side of the window glass plate 1 is assumed.

このアンテナ装置は、特に、マイクロ波通信やミリ波通信に好適な平面アンテナであって、車両と車両外部との間で無線通信を行う通信機器に接続されるものである。無線通信システムとしては、ETC(Electric Toll Collection System 、5.8GHz)、SDARS(Satellite Digital Audio Radio System、2.3〜2.7GHz)などに適用可能である。   This antenna device is a planar antenna particularly suitable for microwave communication and millimeter wave communication, and is connected to a communication device that performs wireless communication between the vehicle and the outside of the vehicle. The radio communication system can be applied to ETC (Electric Toll Collection System, 5.8 GHz), SDARS (Satellite Digital Audio Radio System, 2.3 to 2.7 GHz), and the like.

窓ガラス板1の一方の面(車両に取り付けた状態で内側の面)にはパッチ導体2が設けられ、この窓ガラス板1と対向して誘電体層となる誘電体基板5が設けられる。窓ガラス板1と誘電体基板5との間の間隙3は、空気層又は他の誘電体層が充填され、所定間隔で離間されている。誘電体基板5においてパッチ導体2と対向する一方の面には、電磁結合用のスロット7を有する接地導体4が設けられる。誘電体基板5における接地導体4と反対側の他方の面には、給電用のマイクロストリップ線路6が設けられる。   A patch conductor 2 is provided on one surface of the window glass plate 1 (an inner surface when attached to the vehicle), and a dielectric substrate 5 serving as a dielectric layer is provided facing the window glass plate 1. The gap 3 between the window glass plate 1 and the dielectric substrate 5 is filled with an air layer or another dielectric layer, and is separated at a predetermined interval. A ground conductor 4 having a slot 7 for electromagnetic coupling is provided on one surface of the dielectric substrate 5 facing the patch conductor 2. On the other surface of the dielectric substrate 5 opposite to the ground conductor 4, a power supply microstrip line 6 is provided.

図3はパッチ導体2の詳細構成を示す平面図である。パッチ導体2は、送信用の電波を放射、又は到来した電波を受信する機能を持つ放射導体である。このパッチ導体2は、銀ペーストをガラス板に焼成することによって窓ガラス板1の一方の面にプリントされている。また、パッチ導体2は、円偏波の送信、受信を行うために、正方形形状の4つの角のうち対角位置にある一対の角部分が切り欠かれた切欠き部2aを有する形状となっている。ここで、パッチ導体2の一辺の長さをa、切り落とした角の辺の長さをbとする。円偏波には右旋と左旋の2種類あり、正方形のパッチ導体における2本の対角線のうち、どちらの対角線上にある角を切り落とすかによって、右旋円偏波又は左旋円偏波のいずれに対応するかが決定される。   FIG. 3 is a plan view showing a detailed configuration of the patch conductor 2. The patch conductor 2 is a radiation conductor having a function of radiating a transmission radio wave or receiving an incoming radio wave. The patch conductor 2 is printed on one surface of the window glass plate 1 by baking a silver paste on the glass plate. Further, the patch conductor 2 has a shape having a notch portion 2a in which a pair of corner portions at the diagonal positions among the four corners of the square shape are notched in order to transmit and receive circularly polarized waves. ing. Here, the length of one side of the patch conductor 2 is a, and the length of the cut corner is b. There are two types of circularly polarized waves, right-handed and left-handed, and either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly-polarized light depending on which one of the two diagonal lines in the square patch conductor is cut off. Is determined.

なお、パッチ導体2は、図3の例では正方形の角を切り落とした形状を示したが、角を切り落とす代わりに角を突起状とすることで、円偏波の送受信動作をさせることも可能である。また、パッチ導体2は、四角形に限らず、円形状としてもよい。パッチ導体を円形とする場合は、円偏波に対応させるために円周上の対向する2点において切り欠いた形状となる。また、パッチ導体2は、図示した右旋円偏波用の形状に制限されるものではなく、右旋円偏波用の他に、右旋円偏波用に対して90°ずれた角又は円周上に切り欠き又は突起を設けて左旋円偏波用としたり、切り欠き又は突起を設けずに直線偏波用とすることもできる。   Although the patch conductor 2 has a shape in which square corners are cut off in the example of FIG. 3, circularly polarized waves can be transmitted and received by making the corners projecting instead of cutting off the corners. is there. Further, the patch conductor 2 is not limited to a quadrangle, and may be circular. When the patch conductor is circular, the patch conductor is cut out at two opposing points on the circumference in order to correspond to circular polarization. Further, the patch conductor 2 is not limited to the shape for right-handed circular polarization shown in the figure, and in addition to right-handed circular polarization, A notch or protrusion can be provided on the circumference for left-handed circularly polarized waves, or a linearly polarized wave can be used without providing a notch or protrusion.

また、パッチ導体2の角を切り落とす長さbによって、アンテナの軸比が決定される。軸比は、右旋円偏波と左旋円偏波の分離度を示し、この軸比が低いほど右旋円偏波と左旋円偏波の混信が少なく好ましい。そして、パッチ導体2の一辺の長さaによって、アンテナの動作周波数が決定される。一般的なパッチアンテナの大きさは、一辺の長さがk・(λ0 /2)となる。ここで、kはアンテナの放射導体と接地導体間の誘電体(比誘電率ε)による波長短縮率であり、k=(ε-1/2で表される。λ0 は通信に用いる電波の自由空間における波長である。ただし、本実施形態の構成では、パッチ導体がガラス板にプリントされていることによる波長短縮効果により、一辺の長さaが上記よりもさらに短くなる。 Further, the axial ratio of the antenna is determined by the length b by which the corner of the patch conductor 2 is cut off. The axial ratio indicates the degree of separation between right-handed circularly polarized waves and left-handed circularly polarized waves, and the lower the axial ratio, the less the interference between right-handed circularly polarized waves and left-handed circularly polarized waves. The operating frequency of the antenna is determined by the length a of one side of the patch conductor 2. The size of a typical patch antenna is k · (λ 0/2) length of one side. Here, k is a wavelength shortening rate due to a dielectric (relative permittivity ε r ) between the radiation conductor and the ground conductor of the antenna, and is represented by k = (ε r ) −1/2 . λ 0 is a wavelength in free space of radio waves used for communication. However, in the configuration of the present embodiment, the length a of one side is further shorter than the above due to the wavelength shortening effect due to the patch conductor being printed on the glass plate.

図4は接地導体4及びスロット7の詳細構成を示す平面図、図5はマイクロストリップ線路6の詳細構成を示す平面図、図6はスロット7の形状の構成例を示す図である。誘電体基板5の一方の面には、ほぼ全面に渡って面状の導電パターンによる接地導体4が形成されている。この接地導体4のほぼ中央には、一部の導体を除去して形成された結合用のスロット7が設けられている。すなわち、接地導体4とマイクロストリップ線路6の縁との間の誘電体基板5の上に導体が設けられていない細長い領域がスロット7である。スロット7は、通常、誘電体基板5の材質が剥き出しになって露出している。誘電体基板5の他方の面には、中心付近から周縁の一つの辺にかけて1本の線状の導電パターンによるマイクロストリップ線路6が形成されている。なお、誘電体基板の代わりに、誘電体層としてゴム等からなる誘電体シートを用いてもよい。   4 is a plan view showing a detailed configuration of the ground conductor 4 and the slot 7, FIG. 5 is a plan view showing a detailed configuration of the microstrip line 6, and FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the shape of the slot 7. On one surface of the dielectric substrate 5, a ground conductor 4 having a planar conductive pattern is formed over almost the entire surface. A coupling slot 7 formed by removing a part of the conductor is provided at substantially the center of the ground conductor 4. That is, the slot 7 is an elongated region where no conductor is provided on the dielectric substrate 5 between the ground conductor 4 and the edge of the microstrip line 6. The slot 7 is usually exposed by exposing the material of the dielectric substrate 5. On the other surface of the dielectric substrate 5, a microstrip line 6 having a single linear conductive pattern is formed from the vicinity of the center to one side of the periphery. In place of the dielectric substrate, a dielectric sheet made of rubber or the like may be used as the dielectric layer.

誘電体基板5は、接地導体4がパッチ導体2に対して向かい合うように配置される。接地導体4のスロット7は、電界を調整する機能を有するものである。スロット7を設けることによって、パッチ導体2と給電用のマイクロストリップ線路6との間が導通していなくても、スロット7を通じて両者を電磁的に結合させることが可能となる。ここで、スロット7の外形の一辺の大きさをc、切り欠かれた隙間の幅をd、接地導体4(誘電体基板5)の一辺の長さをeとする。なお、スロット7の形状は、図6(a)に示すようなH型だけでなく、図6(b)に示すような斜めに傾いた十字型(×型)などとしてもよい。スロットをH型にすることによって、より小型化を図れる。   The dielectric substrate 5 is disposed so that the ground conductor 4 faces the patch conductor 2. The slot 7 of the ground conductor 4 has a function of adjusting the electric field. By providing the slot 7, it is possible to electromagnetically couple the patch conductor 2 and the feeding microstrip line 6 through the slot 7 even when there is no conduction. Here, the size of one side of the outer shape of the slot 7 is c, the width of the notched gap is d, and the length of one side of the ground conductor 4 (dielectric substrate 5) is e. The shape of the slot 7 is not limited to the H shape as shown in FIG. 6A, but may be a cross shape (X shape) inclined obliquely as shown in FIG. 6B. By making the slot H-shaped, the size can be further reduced.

マイクロストリップ線路6とパッチ導体2との電磁的結合により、パッチ導体2とマイクロストリップ線路6との間で電波が伝播され、信号の送受信が可能となる。すなわち、パッチ導体2で受信された電波は、接地導体4のスロット7を介してマイクロストリップ線路6に伝播され、このマイクロストリップ線路6に接続された通信機器(不図示)へ受信電力として入力される。また、通信機器(不図示)から出力されマイクロストリップ線路6に供給される送信電力は、接地導体4のスロット7を介してパッチ導体2に伝播され、パッチ導体2より送信電波として放射される。ここで、マイクロストリップ線路6の幅をW、マイクロストリップ線路6の長手方向における、接地導体4の中心から周縁までの長さをL、接地導体4の中心からマイクロストリップ線路6の先端までの長さをLsとする。   Due to the electromagnetic coupling between the microstrip line 6 and the patch conductor 2, radio waves are propagated between the patch conductor 2 and the microstrip line 6, so that signals can be transmitted and received. That is, the radio wave received by the patch conductor 2 is propagated to the microstrip line 6 through the slot 7 of the ground conductor 4 and input as received power to a communication device (not shown) connected to the microstrip line 6. The In addition, transmission power output from a communication device (not shown) and supplied to the microstrip line 6 is propagated to the patch conductor 2 through the slot 7 of the ground conductor 4 and is radiated from the patch conductor 2 as a transmission radio wave. Here, the width of the microstrip line 6 is W, the length from the center of the ground conductor 4 to the periphery in the longitudinal direction of the microstrip line 6 is L, and the length from the center of the ground conductor 4 to the tip of the microstrip line 6 is Let Ls be the same.

マイクロストリップ線路6の幅Wは、使用している誘電体基板5の比誘電率と使用周波数において特性インピーダンスが50Ωになるように決定される。マイクロストリップ線路6の長さについては、接地導体4の中心からマイクロストリップ線路6の先端までの長さLsが、本平面アンテナのインピーダンス決定において重要な役割を持つ。この長さLsが長ければアンテナインピーダンスの誘導性が大きくなり、短ければ容量性が大きくなる。マイクロストリップ線路6の基端部(基板周縁の一辺)には、コネクタ又はケーブル(不図示)が取り付けられ、通信機器(送信機又は受信機)に接続される。   The width W of the microstrip line 6 is determined so that the characteristic impedance becomes 50Ω at the relative dielectric constant of the dielectric substrate 5 being used and the frequency used. Regarding the length of the microstrip line 6, the length Ls from the center of the ground conductor 4 to the tip of the microstrip line 6 has an important role in determining the impedance of the planar antenna. If this length Ls is long, the inductive property of the antenna impedance is large, and if it is short, the capacitive property is large. A connector or a cable (not shown) is attached to the base end portion (one side of the peripheral edge of the substrate) of the microstrip line 6 and connected to a communication device (transmitter or receiver).

上記のように、本実施形態のアンテナ装置は、車両の窓ガラス板にパッチ導体をプリントしたマイクロストリップアンテナのガラスアンテナにおいて、接地導体4に形成したスロット7による電磁結合方式を用いて、パッチ導体2とマイクロストリップ線路6とを結合した構造となっている。   As described above, the antenna device according to the present embodiment uses the electromagnetic coupling method by the slot 7 formed in the ground conductor 4 in the glass antenna of the microstrip antenna in which the patch conductor is printed on the window glass plate of the vehicle. 2 and the microstrip line 6 are combined.

図7は窓ガラス板1におけるパッチ導体2の配置構成を示す図である。窓ガラス板1は金属等の導電性の車体8に取り付けられている。ここで、窓ガラス板1の幅方向の長さをg、天地方向の長さをhとする。窓ガラス板1上のパッチ導体2の位置は、アンテナの受信方向特性を考慮すると、窓ガラス板1の周縁部に近い方が好ましい。すなわち、窓ガラス板1の周縁部9からパッチ導体2の中心までの距離をEとすると、Eは小さい方が好ましい。具体的には、E/λ0 ≦2.51が好ましく、E/λ0 ≦1.55がより好ましい。ただし、パッチ導体2が窓ガラス板1の周縁部に接する車体8に近づきすぎると、アンテナ利得が減衰する。したがって、パッチ導体2と車体開口縁10との最短距離をDとすると、Dはある程度の距離は必要である。具体的には、0.2≦D/λ0 が好ましい。本発明において、車体開口縁とは、窓ガラス板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。 FIG. 7 is a diagram showing an arrangement configuration of the patch conductors 2 in the window glass plate 1. The window glass plate 1 is attached to a conductive vehicle body 8 such as metal. Here, the length in the width direction of the window glass plate 1 is g, and the length in the vertical direction is h. The position of the patch conductor 2 on the window glass plate 1 is preferably closer to the peripheral edge of the window glass plate 1 in consideration of the reception direction characteristics of the antenna. That is, when the distance from the peripheral edge 9 of the window glass plate 1 to the center of the patch conductor 2 is E, it is preferable that E is smaller. Specifically, E / λ 0 ≦ 2.51 is preferable, and E / λ 0 ≦ 1.55 is more preferable. However, if the patch conductor 2 is too close to the vehicle body 8 in contact with the peripheral edge of the window glass plate 1, the antenna gain is attenuated. Therefore, if the shortest distance between the patch conductor 2 and the vehicle body opening edge 10 is D, D needs a certain distance. Specifically, 0.2 ≦ D / λ 0 is preferable. In the present invention, the vehicle body opening edge is the periphery of the opening of the vehicle body into which the window glass plate is fitted, and should be the vehicle body ground, and is made of, for example, a conductive material such as metal.

パッチ導体2を設ける窓ガラス板1として自動車フロントガラス用のガラス板を使用し、図1ないし図5に示すような平面アンテナを設計した。この平面アンテナは、周波数5.8GHz帯で動作する円偏波アンテナである。   A glass plate for an automobile windshield was used as the window glass plate 1 on which the patch conductor 2 was provided, and a planar antenna as shown in FIGS. 1 to 5 was designed. This planar antenna is a circularly polarized antenna that operates at a frequency of 5.8 GHz.

窓ガラス板1には、2枚のガラス板の間に中間膜を挟んで重ね合わせた合わせガラス板を用いた。窓ガラス板1の寸法は、幅方向の長さg=200mm、天地方向の長さh=200mm、厚さ4.5mmである。ここで、厚さ4.5mm合わせガラス板とは、厚さ2mmのガラス板(比誘電率7)、厚さ0.7mmの中間膜(比誘電率2.7)、厚さ1.8mmのガラス板(比誘電率7)を重ね合わせたものである。この合わせガラス板を1枚板のバルクとして考えると、窓ガラス板1の比誘電率は6.2となる。表1は、平面アンテナの各部の寸法及び比誘電率を示したものであり、寸法の単位は[mm]である。   As the window glass plate 1, a laminated glass plate was used in which an intermediate film was sandwiched between two glass plates. The dimensions of the window glass plate 1 are a length g in the width direction of 200 mm, a length h in the vertical direction of 200 mm, and a thickness of 4.5 mm. Here, a laminated glass plate having a thickness of 4.5 mm is a glass plate having a thickness of 2 mm (relative dielectric constant 7), an intermediate film having a thickness of 0.7 mm (relative dielectric constant 2.7), and a thickness of 1.8 mm. A glass plate (dielectric constant 7) is overlaid. When this laminated glass plate is considered as a bulk of a single plate, the relative permittivity of the window glass plate 1 is 6.2. Table 1 shows the dimensions and relative permittivity of each part of the planar antenna, and the unit of dimension is [mm].

Figure 2006135764
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パッチ導体2は、銀ペーストを窓ガラス板1に印刷、焼成してなるものである。窓ガラス板1と誘電体基板5との間の間隙3には、ガラス板に誘電体基板を固着するための両面テープが貼り付けられている。本実施例では、3M社製のアクリルフォームテープを用いた。この両面テープにより形成された誘電体層の間隙の比誘電率は2.0である。なお、パッチ導体2は、銀ペーストを印刷、焼成したものの代わりに、銅箔や導電層を有するフレキシブル基板を窓ガラス板1に貼付ける等して形成したものでもよい。また、間隙3には、両面テープによる接着の代わりに、接着剤等の他の誘電体物質を設けてもよい。誘電体基板5は、一般的に電子回路基板に用いられるガラスエポキシ基板であり、比誘電率は4.7である。この誘電体基板5の一方の面にはアンテナの接地導体4が、他方の面には給電用のマイクロストリップ線路6が、それぞれ銅箔によって形成される。   The patch conductor 2 is formed by printing and baking a silver paste on the window glass plate 1. In the gap 3 between the window glass plate 1 and the dielectric substrate 5, a double-sided tape for adhering the dielectric substrate to the glass plate is attached. In this example, an acrylic foam tape manufactured by 3M was used. The relative dielectric constant of the gap between the dielectric layers formed by this double-sided tape is 2.0. The patch conductor 2 may be formed by pasting a flexible substrate having a copper foil or a conductive layer on the window glass plate 1 instead of printing and baking a silver paste. The gap 3 may be provided with another dielectric material such as an adhesive instead of the double-sided tape. The dielectric substrate 5 is a glass epoxy substrate generally used for an electronic circuit substrate, and has a relative dielectric constant of 4.7. The grounding conductor 4 of the antenna is formed on one surface of the dielectric substrate 5, and the microstrip line 6 for feeding is formed on the other surface by copper foil.

図8に本実施例の平面アンテナの4GHzから7GHzにおける反射損失の周波数特性の電磁界シミュレータによる計算結果を示す。また、図9に本実施例の平面アンテナの反射損失の周波数特性実測値を、図10に本実施例の平面アンテナの放射方向特性(方向対放射電力)の実測値をそれぞれ示す。図10において、上側の実線は右旋円偏波での電力を、下側の破線は左旋円偏波での電力を表す。この測定結果より、アンテナ正面方向(角度0°)において、右旋円偏波と左旋円偏波とで、電力にして約15dB分離していることが確認できる。なお、図10の放射パターンでは、アンテナ正面方向から±約60°においてレベルが低下している。この理由については、電波が測定したサンプルのガラス板の端部で反射し、その反射波が放射パターンに影響を与えるものと考えられる。本実施例では、200mm角のガラス板の小サンプルで実験を行ったので、実際の自動車用フロントガラスを用いて評価を行った場合、この傾向は変化した。   FIG. 8 shows the calculation result by the electromagnetic field simulator of the frequency characteristic of the reflection loss at 4 GHz to 7 GHz of the planar antenna of this embodiment. Further, FIG. 9 shows the measured frequency characteristic value of the reflection loss of the planar antenna of this embodiment, and FIG. 10 shows the measured value of the radiation direction characteristic (direction vs. radiated power) of the planar antenna of this embodiment. In FIG. 10, the upper solid line represents the power in the right-handed circularly polarized wave, and the lower broken line represents the power in the left-handed circularly polarized wave. From this measurement result, it can be confirmed that in the antenna front direction (angle 0 °), the right-handed circularly polarized wave and the left-handed circularly polarized wave are separated by about 15 dB in terms of power. In the radiation pattern of FIG. 10, the level decreases at ± about 60 ° from the antenna front direction. Regarding this reason, it is considered that the radio wave is reflected at the end of the measured glass plate of the sample, and the reflected wave affects the radiation pattern. In this example, since an experiment was performed using a small sample of a 200 mm square glass plate, this tendency changed when the evaluation was performed using an actual automotive windshield.

また、図11ないし図14に、窓ガラス板1に設けたパッチ導体2と誘電体基板5との重ね合わせが組み立て時においてずれた場合、すなわち給電位置のずれ量に対するアンテナ特性の計算結果を示す。図11ないし図14において、パッチ導体2のずれ量(パッチシフト量)は、5.8GHzにおける波長λ0 =51.7mmで正規化している。 FIG. 11 to FIG. 14 show calculation results of antenna characteristics when the superposition of the patch conductor 2 provided on the window glass plate 1 and the dielectric substrate 5 is deviated during assembly, that is, the amount of deviation of the feeding position. . 11 to 14, the shift amount (patch shift amount) of the patch conductor 2 is normalized at a wavelength λ 0 = 51.7 mm at 5.8 GHz.

図11はパッチ導体2のスロット7に対する縦方向のずれをパラメータとしたアンテナ利得の変化を示した図である。図12はパッチ導体2のスロット7に対する縦方向のずれをパラメータとした軸比の変化を示した図である。ここで、縦方向とは、図3のパッチ導体2においてY軸方向、すなわちH型スロットの縦方向に対応する方向を表す。また、図11及び図12において、パッチシフト量がマイナスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のY軸の下側にずれたことを意味する。パッチシフト量がプラスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のY軸の上側にずれたことを意味する。   FIG. 11 is a diagram showing a change in antenna gain using the vertical shift of the patch conductor 2 with respect to the slot 7 as a parameter. FIG. 12 is a diagram showing changes in the axial ratio using the vertical displacement of the patch conductor 2 with respect to the slot 7 as a parameter. Here, the vertical direction represents the direction corresponding to the Y-axis direction, that is, the vertical direction of the H-type slot in the patch conductor 2 of FIG. 11 and 12, when the patch shift amount is negative, it means that the patch conductor 2 is shifted to the lower side of the Y axis in FIG. 3 when it is superimposed on the dielectric substrate 5. When the patch shift amount is positive, it means that the patch conductor 2 is shifted to the upper side of the Y axis in FIG.

Y軸方向のパッチシフト量をSyとしたとき、図11の結果より、アンテナ利得の向上のためには、Sy/λ0 ≦0.020、すなわちSy≦1.034mmが好ましい。また、図12の結果より、軸比特性の向上のためには、軸比が小さい−0.023≦Sy/λ0 ≦0.027、すなわち−1.189≦Sy≦1.396mmが好ましい。 When the patch shift amount in the Y-axis direction is Sy, from the result shown in FIG. 11, Sy / λ 0 ≦ 0.020, that is, Sy ≦ 1.034 mm is preferable in order to improve the antenna gain. From the results shown in FIG. 12, it is preferable that the axial ratio is small, −0.023 ≦ Sy / λ 0 ≦ 0.027, that is, −1.189 ≦ Sy ≦ 1.396 mm, in order to improve the axial ratio characteristics.

図13はパッチ導体2のスロット7に対する横方向のずれをパラメータとしたアンテナ利得の変化を示した図である。図14はパッチ導体2のスロット7に対する横方向のずれをパラメータとした軸比の変化を示した図である。ここで、横方向とは、図3のパッチ導体2においてX軸方向、すなわちH型スロットの横方向に対応する方向を表す。また、図13及び図14において、パッチシフト量がマイナスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のX軸の左側にずれたことを意味する。パッチシフト量がプラスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のX軸の右側にずれたことを意味する。   FIG. 13 is a diagram showing a change in antenna gain using the lateral displacement of the patch conductor 2 with respect to the slot 7 as a parameter. FIG. 14 is a diagram showing changes in the axial ratio using the lateral displacement of the patch conductor 2 with respect to the slot 7 as a parameter. Here, the lateral direction represents the direction corresponding to the X-axis direction, that is, the lateral direction of the H-type slot in the patch conductor 2 of FIG. 13 and 14, when the patch shift amount is negative, it means that the patch conductor 2 is shifted to the left side of the X axis in FIG. When the patch shift amount is positive, it means that the patch conductor 2 is shifted to the right side of the X axis in FIG.

X軸方向のパッチシフト量をSxとしたとき、図13の結果より、アンテナ利得の向上のためには、−0.023≦Sx/λ0 ≦0.028、すなわち−1.189≦Sx≦1.448mmが好ましい。また、図14の結果より、軸比特性の向上のためには、軸比が小さいSx/λ0 ≦−0.016又はSx/λ0 ≧0.024、すなわちSx≦−0.827又はSx≧1.241が好ましい。 Assuming that the amount of patch shift in the X-axis direction is Sx, from the result of FIG. 13, in order to improve the antenna gain, −0.023 ≦ Sx / λ 0 ≦ 0.028, that is, −1.189 ≦ Sx ≦ 1.448 mm is preferred. Further, from the result of FIG. 14, in order to improve the axial ratio characteristics, the small axial ratio is Sx / λ 0 ≦ −0.016 or Sx / λ 0 ≧ 0.024, that is, Sx ≦ −0.827 or Sx. ≧ 1.241 is preferable.

また、図15及び図16に、窓ガラス板1上のパッチ導体2の位置に対するアンテナの受信方向特性の実測結果を示す。図15は窓ガラス板1に設けたパッチ導体2の位置の変化を示す図、図16は図15のパッチ導体2のそれぞれの位置におけるアンテナの受信方向特性(方向対受信電力)を示す図である。本実施例の平面アンテナでは、電波の放射パターン(受信パターン)において、アンテナ正面方向から±40〜60°付近にリップルが発生する。本発明者らの実験により、このリップルの位置が窓ガラス板の面積によって変わり、窓ガラス板の面積が大きいほどリップルがアンテナ正面方向から遠ざかることが確認できた。また、窓ガラス板上でのパッチ導体の位置によってリップルの大きさが変わり、パッチ導体の設置位置が窓ガラス板の周縁部に近いほど放射パターンの凸凹が小さくなることがわかった。   15 and 16 show actual measurement results of the receiving direction characteristics of the antenna with respect to the position of the patch conductor 2 on the window glass plate 1. FIG. 15 is a diagram showing a change in the position of the patch conductor 2 provided on the window glass plate 1, and FIG. 16 is a diagram showing a reception direction characteristic (direction vs. received power) of the antenna at each position of the patch conductor 2 in FIG. is there. In the planar antenna of this embodiment, a ripple occurs in the vicinity of ± 40 to 60 ° from the antenna front direction in the radio wave radiation pattern (reception pattern). The experiment by the present inventors confirmed that the position of the ripple changes depending on the area of the window glass plate, and that the ripple is farther from the antenna front direction as the area of the window glass plate is larger. In addition, it was found that the magnitude of the ripple changes depending on the position of the patch conductor on the window glass plate, and the unevenness of the radiation pattern becomes smaller as the installation position of the patch conductor is closer to the peripheral edge of the window glass plate.

ここでは、窓ガラス板1の寸法を、幅方向の長さg=460mm、天地方向の長さh=460mmとし、窓ガラス板1の中心の座標を(0,0)とした。そして、図15のように、パッチ導体2の位置を、窓ガラス板1の中心から天地方向の上側に向かって、P1(0,0)、P2(0,100)、P3(0,200)と移動させた。図16の結果より、窓ガラス板1の上側周縁部に近づくほど放射パターンのリップルが小さくなり、アンテナの受信方向特性は周縁部に一番近いP3の場合がより好ましいことが確認できた。図7に示したように、窓ガラス板1の周縁部9からパッチ導体2の中心までの距離をEとすると、Eは小さい方が好ましい。具体的には、E/λ0 ≦2.51、すなわち5.8GHz(λ0 =51.7mm)の場合にはE≦129.767mmが好ましく、E/λ0 ≦1.55、すなわち5.8GHzの場合にはE≦80.135mmがより好ましい。ただし、パッチ導体2が窓ガラス板1の周縁部に接する車体8に近づきすぎると、アンテナ利得が減衰するため、パッチ導体2と車体開口縁10との最短距離をDとすると、0.2≦D/λ0 、すなわち5.8GHzの場合にはD≧10.34mmが好ましい。 Here, the dimensions of the window glass plate 1 are the width direction length g = 460 mm, the vertical direction length h = 460 mm, and the center coordinates of the window glass plate 1 are (0, 0). And as shown in FIG. 15, the position of the patch conductor 2 is P1 (0, 0), P2 (0, 100), P3 (0, 200) from the center of the window glass plate 1 toward the top in the vertical direction. And moved. From the result of FIG. 16, it was confirmed that the ripple of the radiation pattern becomes smaller as it approaches the upper peripheral edge of the window glass plate 1, and the reception direction characteristic of the antenna is more preferably P3 closest to the peripheral edge. As shown in FIG. 7, when E is the distance from the peripheral edge 9 of the window glass plate 1 to the center of the patch conductor 2, E is preferably smaller. Specifically, when E / λ 0 ≦ 2.51, that is, 5.8 GHz (λ 0 = 51.7 mm), E ≦ 129.767 mm is preferable, and E / λ 0 ≦ 1.55, that is, 5. In the case of 8 GHz, E ≦ 80.135 mm is more preferable. However, if the patch conductor 2 is too close to the vehicle body 8 in contact with the peripheral edge of the window glass plate 1, the antenna gain is attenuated. Therefore, if the shortest distance between the patch conductor 2 and the vehicle body opening edge 10 is D, 0.2 ≦ In the case of D / λ 0 , that is, 5.8 GHz, D ≧ 10.34 mm is preferable.

上述したように、本実施例によれば、窓ガラス板にパッチ導体を設け、このパッチ導体に対して電磁結合方式を用いて給電することにより、ピン給電方式のパッチアンテナと比較して、ピン接触の信頼性確保の課題が無く、製作も容易であり、作業性も良く、かつ、薄型化が可能となる。また、接地導体に設けるスロットをH型にすることにより、スロットの長さを小さくすることができる。このため、パッチ導体の大きさが小さくてもスロットがパッチ導体からはみ出て電波の結合量が小さくなる恐れが減少し、アンテナ性能を確保しつつ小型化を図れる。したがって、本実施例によれば、車両の窓ガラス板に適用可能で、給電回路の信頼性が高く、さらに薄型化を図れるアンテナ装置を提供できる。また、デザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナを実現できる。   As described above, according to the present embodiment, the patch conductor is provided on the window glass plate, and the patch conductor is fed using the electromagnetic coupling method, so that the pin antenna can be compared with the pin feeding patch antenna. There is no problem of ensuring contact reliability, manufacturing is easy, workability is good, and thinning is possible. In addition, by making the slot provided in the ground conductor H-shaped, the length of the slot can be reduced. For this reason, even if the size of the patch conductor is small, the possibility that the slot protrudes from the patch conductor and the amount of radio wave coupling is reduced is reduced, and it is possible to reduce the size while ensuring the antenna performance. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide an antenna device that can be applied to a window glass plate of a vehicle, has a high reliability of a power feeding circuit, and can be made thinner. In addition, it is possible to realize a planar antenna with good design and sufficient performance.

なお、本発明は上記した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。上記実施例では、自動車用フロントガラスの片側の面(車内側)に適用した場合を想定して記載したが、反対側の面(車外側)でも、中間膜を挟んだフロントガラスの内側の面でも同様に適用可能である。   In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various improvement and change are also included in this invention, unless the summary of this invention is impaired. In the above-described embodiment, it is described on the assumption that it is applied to one surface (inside the vehicle) of the windshield for automobiles. However, the surface on the inside of the windshield with the intermediate film sandwiched between the opposite surface (outside) But it is equally applicable.

本発明の実施形態に係るアンテナ装置の全体構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the whole structure of the antenna device which concerns on embodiment of this invention. 図1のアンテナ装置をA−A平面で切断した場合の断面図。Sectional drawing at the time of cut | disconnecting the antenna apparatus of FIG. 1 in an AA plane. パッチ導体の詳細構成を示す平面図。The top view which shows the detailed structure of a patch conductor. 接地導体及びスロットの詳細構成を示す平面図。The top view which shows the detailed structure of a grounding conductor and a slot. マイクロストリップ線路の詳細構成を示す平面図。The top view which shows the detailed structure of a microstrip line. スロットの形状の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the shape of a slot. 窓ガラス板におけるパッチ導体の配置構成を示す図。The figure which shows the arrangement configuration of the patch conductor in a window glass board. 本発明の実施例の平面アンテナにおける反射損失の周波数特性の計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result of the frequency characteristic of the reflection loss in the planar antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例の平面アンテナにおける反射損失の周波数特性実測値を示す図。The figure which shows the frequency characteristic actual value of the reflection loss in the planar antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例の平面アンテナにおける放射方向特性実測値を示す図。The figure which shows the radiation direction characteristic actual value in the planar antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例の平面アンテナにおける給電位置の縦方向ずれによるアンテナ利得特性の変化を示す図。The figure which shows the change of the antenna gain characteristic by the vertical shift | offset | difference of the feed position in the planar antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例の平面アンテナにおける給電位置の縦方向ずれによる軸比特性の変化を示す図。The figure which shows the change of the axial ratio characteristic by the vertical shift | offset | difference of the feed position in the planar antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例の平面アンテナにおける給電位置の横方向ずれによるアンテナ利得特性の変化を示す図。The figure which shows the change of the antenna gain characteristic by the horizontal shift | offset | difference of the feeding position in the planar antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例の平面アンテナにおける給電位置の横方向ずれによる軸比特性の変化を示す図。The figure which shows the change of the axial ratio characteristic by the horizontal shift | offset | difference of the feeding position in the planar antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例における窓ガラス板に設けたパッチ導体の位置の変化を示す図。The figure which shows the change of the position of the patch conductor provided in the window glass board in the Example of this invention. 図15のパッチ導体のそれぞれの位置におけるアンテナの受信方向特性を示す図。The figure which shows the receiving direction characteristic of the antenna in each position of the patch conductor of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:窓ガラス板
2:パッチ導体
3:間隙
4:接地導体
5:誘電体基板
6:マイクロストリップ線路
7:スロット
8:車体
9:窓ガラス板の周縁部
10:車体開口縁
1: window glass plate 2: patch conductor 3: gap 4: ground conductor 5: dielectric substrate 6: microstrip line 7: slot 8: vehicle body 9: peripheral edge portion 10 of window glass plate: vehicle body opening edge

Claims (3)

放射導体となるパッチ導体が設けられ、車両に設置される窓ガラス板と、
前記窓ガラス板の前記パッチ導体が設けられる面に対向して設けられた誘電体基板又は誘電体シートからなる誘電体層であって、前記窓ガラス板に対して空気又は他の誘電体により所定間隔で離間されて配置された誘電体層と、
前記誘電体層の前記窓ガラス板と対向する面に設けられ、前記パッチ導体の位置と対応する位置にスロットを有する接地導体と、
前記誘電体層の、前記接地導体が設けられた面と反対側の面に設けられた給電線路とを備えたアンテナ装置。
A patch conductor serving as a radiation conductor is provided, and a window glass plate installed in the vehicle;
A dielectric layer made of a dielectric substrate or a dielectric sheet provided to face a surface of the window glass plate on which the patch conductor is provided, and is predetermined by air or another dielectric with respect to the window glass plate Dielectric layers spaced apart, and
A ground conductor provided on a surface of the dielectric layer facing the window glass plate and having a slot at a position corresponding to the position of the patch conductor;
An antenna device comprising: a feed line provided on a surface of the dielectric layer opposite to a surface on which the ground conductor is provided.
前記接地導体に設けられるスロットは、H型、又は前記パッチ導体の天地方向に対して斜めに傾いた十字型に形成されたものである請求項1に記載のアンテナ装置。   The antenna device according to claim 1, wherein the slot provided in the ground conductor is formed in an H shape or a cross shape inclined obliquely with respect to a vertical direction of the patch conductor. 前記窓ガラス板の周縁部から前記パッチ導体の中心までの距離をE、通信に用いる電波の自由空間における波長をλ0 とするとき、
E/λ0 ≦2.51であり、
前記パッチ導体と前記窓ガラス板を設置する車体開口縁との最短距離をDとするとき、
0.2≦D/λ0 である請求項1又は2に記載のアンテナ装置。
When the distance from the peripheral edge of the window glass plate to the center of the patch conductor is E, and the wavelength in free space of radio waves used for communication is λ 0 ,
E / λ 0 ≦ 2.51;
When the shortest distance between the patch conductor and the vehicle body opening edge where the window glass plate is installed is D,
The antenna device according to claim 1, wherein 0.2 ≦ D / λ 0 .
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