JP2006186880A - 円偏波アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 円偏波アンテナの筐体形状の制約条件を抑制できるようにする。
【解決手段】 一方のアンテナ３がダイポールアンテナにより形成されており、他方のアンテナ４がスロットアンテナにより形成されており、一方のアンテナ３のエレメントの延設方向が、他方のアンテナ４の隙間部４ａの長手方向に一致するように構成されている。一方および他方のアンテナ３および４が表裏方向に対して同一面上に形成されているため、一方および他方のアンテナ３および４に対して互いに９０度位相の異なる信号が与えられることにより円偏波の電波を表面側方向（Ｚ軸方向）に伝播させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一方および他方のアンテナに対して互いに９０度の位相差で給電することにより円偏波の電波を輻射可能に構成された円偏波アンテナに関する。

この種の円偏波アンテナとして、例えば特許文献１に開示されている技術がある。この特許文献１に開示されている構成によれば、２つの同形の表面実装型アンテナを搭載面の法線方向の偏波面が互いに直交するように実装基板に実装し、これらの表面実装型アンテナに同振幅９０度の位相差で給電している。この構成によれば、円偏波アンテナを実現することができ、円偏波アンテナの薄型化と部品の実装コストの低下を図ることができる。
特開平１１−２３９０２０号公報

特許文献１に開示されている円偏波アンテナでは、２つの同形のアンテナを偏波面が互いに直交するように設置し同振幅９０度の位相差で給電しているが、２つの同形のアンテナの寸法を縦横同程度とする必要があるため、搭載面の寸法も縦横同程度の寸法が最低限必要である。したがって、筐体を薄型化したとしても筐体の縦横比を約１：１とする必要があり、筐体形状の制約を生じる。特に、例えば、ある所定方向に長い筐体内に円偏波アンテナを収納したい場合には不都合を生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、筐体形状の制約条件を抑制することができる円偏波アンテナを提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、一方のアンテナが所定方向に延設されたアンテナエレメントを備えているため、一方のアンテナからは所定方向に沿う電界方向の直線偏波の電波が主として伝播する。また、他方のアンテナが枠状に導体が配設されてなる開口アンテナにより構成されているため、他方のアンテナからは所定方向とは９０度異なる電界方向の直線偏波の電波が主として開口アンテナの開口面の法線方向に対して伝播する。そこで、これらの一方および他方のアンテナに対して互いに９０度の位相差で給電すると円偏波の電波を伝播するアンテナを実現できる。すなわち、開口アンテナの開口面の法線方向には、一方および他方のアンテナから９０度位相の異なる電波を伝搬させることができ、円偏波の電波を伝播させることができる。これにより、筐体形状の制約条件を抑制できるようになる。

請求項２記載の発明によれば、他方のアンテナは、開口アンテナの開口部の長手方向が一方のアンテナの延設された所定方向に沿って形成されているため、所定方向に対して長いエレメントを有するアンテナを２つ形成することで円偏波アンテナを実現することができ、所定方向に直交した方向に対して小型化することができる。

請求項３，９もしくは１０記載の発明のように、一方のアンテナとして、ダイポールアンテナやモノポールアンテナ、スリーブアンテナもしくはコーリニアアンテナを適用することが望ましい。

請求項４記載の発明によれば、一方のアンテナとしてモノポールアンテナを適用し他方のアンテナとして開口アンテナを適用した場合、開口アンテナの導体部をモノポールアンテナの地板として適用するため、別途モノポールアンテナの地板面を必要とすることなく構成することができる。

請求項５記載の発明によれば、一方のアンテナとしてモノポールアンテナを適用し他方のアンテナとして開口アンテナを適用した場合、開口アンテナの開口部の中心から当該開口部の長手方向に沿う延長線上の導体面位置にモノポールアンテナの地板の接地点が設定されているため、開口アンテナに対して給電されたときの電界分布に係る悪影響を極力抑制することができる。

請求項６記載の発明のように、他方のアンテナとして、所定方向に長細い隙間部を有する開口面アンテナを適用することが望ましい。また、請求項７記載の発明のように、他方のアンテナとして、枠状に形成されたループアンテナを適用することも望ましい。また、請求項８記載の発明のように、ループアンテナを矩形枠状に方形ループアンテナとして形成することが特に望ましい。

また、請求項９記載の発明に示すように、一方のアンテナとして、ダイポールアンテナを適用すると良い。さらに、請求項１０記載の発明に示すように、スリーブアンテナもしくはコーリニアアンテナを適用すると良い。さらに、請求項１１記載の発明に示すように、電波の輻射方向の後側に反射板を設けても良い。

請求項１２記載の発明に示すように、ＥＴＣ車載器本体に付属したアンテナとして適用すると良い。特に、車両運転者の運転環境を良化するため、当該アンテナを車両内に設置するときには設置場所の制限が生じる。したがって、前述発明に係る円偏波アンテナのように形状の制約を抑制したアンテナを適用することが望ましい。

（第１の実施形態）
以下、本発明の円偏波アンテナを、ＥＴＣシステム（Electronic Toll Collection System）におけるＥＴＣ車載器用アンテナに適用した第１の実施形態について、図１ないし図２を参照しながら説明する。

ＥＴＣシステムは、車両（例えば自動車やバイク等）に設置されるＥＴＣ車載器１と有料道路の料金所などに設置されたＥＴＣ路側機（図示せず）との間で通信を行い、利用者が自動車を停車させることなく有料道路の料金支払いなどを行うことができるシステムである。

図２（ａ）ないし図２（ｃ）に示すように、ＥＴＣ車載器Ａは、その本体に利用者のＩＤカード等が差し込まれ、ＩＤカードに記録されたＩＤ情報に基づいて課金されるようになっている。ＥＴＣシステムでは、ＥＴＣ車載器ＡとＥＴＣ路側機（図示せず）との間で通信を行うときには、例えば５．８ＧＨｚ帯の所定周波数領域の電波信号を使用する。この周波数帯の電波信号は直進性が強いため、ＥＴＣ路側機との通信特性を良化するためＥＴＣ車載器Ａを運転席の前（例えばダッシュボードやフロントガラス）に設置する必要がある。しかし、ＥＴＣ車載器Ａの本体が大きく、運転者の視界が遮られたり見栄えが悪くなるため、ＥＴＣ車載器本体Ａ１とＥＴＣ車載器用アンテナＡ２（円偏波アンテナに相当）とを別体に設けているものが発売されている。

ＥＴＣ車載器本体Ａ１を運転席横に設置し、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２を運転席の前方（例えばダッシュボードやフロントガラス）に設置し、同軸ケーブルＡ３により両機器Ａ１およびＡ２を電気的に接続することにより運転者の視界を極力遮ることなく見栄えも悪化させることなく設置できる。

他方、ＥＴＣシステムでは、ＥＴＣ路側機およびＥＴＣ車載器Ａ１間の通信規格上、各機器間の通信には円偏波の電波信号が使用されている。この円偏波の電波信号により効率的に通信できるようにＥＴＣ車載器用アンテナＡ２を構成する必要がある。

従来、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２の内部アンテナ構造として、例えばパッチアンテナを適用したものが発売されている。パッチアンテナは、電波の伝播方向に対する垂直面に対して平面的に略正方形形状に構成することによりアンテナ特性が良化する。ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２の収納用筐体は、その平面サイズがパッチアンテナの平面サイズに依存するが、このパッチアンテナをＥＴＣシステムに適するものにするためには、送受信特性の設計上、収納用筐体の平面サイズを所定大（例えば３０ｍｍ×３０ｍｍ）以上とする必要がある。

他方、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２の収納用筐体を自動車ＣのフロントガラスＦに貼付して設置する場合、ルームミラーＲの影に隠れるように自動車Ｃ内に設置するか、もしくは、フロントガラスＦの周縁部Ｆａ，Ｆｂの所定幅ｄ（例えば２５ｍｍ）内に設置する必要があることが規定されている。これは、運転者の視界を遮らないようにするためである。

したがって、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２としてパッチアンテナを用いるときには、その収納用筐体をフロントガラスＦの周縁部の所定幅ｄ（２５ｍｍ）未満の領域に設置することが難しくなる。そこで、フロントガラスＦに対する貼付用途として使用するためには、図２（ｃ）に示すように、ルームミラーＲの影に隠れるように設置することが望ましいこととされてきた。

しかしこの部分に設置すると、図２（ｃ）に示すように、同軸ケーブルＡ３を、運転席横に設置されたＥＴＣ車載器本体Ａ１から運転席下やＡピラー部の内装カバーＺ内側を通じてルームミラーＲ周辺まで延設する必要があるため、同軸ケーブルＡ３のケーブル長が長くなり５．８ＧＨｚ帯信号のケーブルロスが大きくなる。また、ケーブル長が長いためコストも増加し、また、同軸ケーブルＡ３を見栄え良く設置するためには、自動車Ｃ内のＡピラー部の内装カバーＺを脱着する必要があるため好ましくない。

そこで、図２（ａ）もしくは図２（ｂ）に示すように、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２を長さ方向に比較して幅方向に短く構成し、図２（ａ）に示すように、フロントガラスＦの横周縁部Ｆａに沿うように配設するか、もしくは、図２（ｂ）に示すように、フロントガラスＦの下周縁部Ｆｂに沿うようにＥＴＣ車載器用アンテナＡ２を配設することが望ましい。このように、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２の収納用筐体の幅方向の長さを所定幅ｄ未満としながら所望のアンテナ特性を得ることができれば、ＥＴＣ車載器本体Ａ１およびＥＴＣ車載器用アンテナＡ２間の同軸ケーブルＡ３のケーブル長が短くなり、ケーブルロスも少なくなる。また、Ａピラー部の内装カバーＺを脱着することなく配設できるようになる。

そこで、本実施形態では、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２の長さ方向（縦方向：Ｙ軸方向）に対する幅方向（横方向：Ｘ軸方向）の長さの比を極力小さくできる実施形態について説明を行う。図１（ａ）および図１（ｂ）は、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２の構造を模式的な斜視図により示している。尚、図１（ａ）は、回路の実装面側（裏面側）から見た斜視図、フロントガラスに貼付する場合には自動車内側から見た斜視図を示している。また、図１（ｂ）は、電波の伝播方向側（表面側）から見た斜視図、フロントガラスに貼付する場合にはフロントガラスの貼付側から見た斜視図を示している。

この図１（ａ）に示すように、ＥＴＣ車載器用アンテナＡ２は、両面の基板１と、この基板１の裏面側に構成された回路２と、一方および他方のアンテナ３および４とを備えている。

基板１には、その裏面側の導体板に線路５および６が形成されている。同軸ケーブルＡ３の芯線およびシールド線は、それぞれ線路５および６に半田付けされている。線路５および６は、例えばマイクロストリップラインもしくはストリップラインにより構成されている。回路２は、所謂バラン（平衡−不平衡変換器）および整合回路（インピーダンス変換器）としての機能をなすように構成されている。

この回路２の出力側には、ランドを通じて一方のアンテナ３が接続されている。この一方のアンテナ３は、所謂ダイポールアンテナにより構成されている。このアンテナ３は、縦方向（Ｙ軸方向：フロントガラスＦ面に貼付する場合にはフロントガラスＦの周縁部に沿う方向）に長く設けられている。

回路２の出力側は、線路７を通じて他方のアンテナ４に対して電気的に接続されている。線路７は、所謂９０度位相器として構成されている。回路２の出力側からは、この線路７を通じて他方のアンテナ４に通電されるようになっている。他方のアンテナ４は、例えば横方向（Ｘ軸方向）に対して縦方向（Ｙ軸方向）に長い枠状に導体が配設された開口アンテナにより形成されている。より具体的に詳述すると、他方のアンテナ４は、平板状の導体に対してその中央縦方向に延設された狭幅の隙間部４ａを備えてなる開口面アンテナにより構成されており、所謂スロットアンテナとして形成されている。

このアンテナ４は、その隙間部４ａの長手方向が縦方向に一致するようになっており、一方のアンテナ３の延設方向と一致するように形成されている。尚、これらのアンテナ３および４の配設位置は、表裏方向に対して同一面上に形成されている。尚、図１（ｂ）に示すように、他方のアンテナ４に対する給電点４ｂは、隙間部４ａの長手方向の略中央に位置するようになっている。基板１は、その表面側の導体板が反射板１ａとして機能するように構成されている。

上記構成の作用について説明する。
ＥＴＣ車載器本体Ａ１から同軸ケーブルＡ３を通じて基板１に形成された線路５および６に５．８ＧＨｚ帯信号が通電されると、この信号は、回路２を介して一方のアンテナ３に供給されると共に、さらに線路７を通じて他方のアンテナ４に給電される。このとき、線路７の作用により、一方および他方のアンテナ３および４には、互いに９０度の位相差で給電されることになる。

一方および他方のアンテナ３および４に給電されると、アンテナ３および４は電波を輻射する。このとき、電波は、主に表面側に伝播するようになる。裏面側にも電波が放射されるが、反射板１ａに反射し、表面側に伝播するようになる。したがって、より指向性の強い電波を表面側に輻射することができる。

一方のアンテナ３は、縦方向に電界の強い電波を輻射し、逆に他方のアンテナ４は、縦方向に磁界の強い電波を放射する。具体的には、一方のアンテナ３からは、縦方向に沿う電界方向の直線偏波の電波が表面側に主として伝播する。また、他方のアンテナ４からは、横方向に電界の強い直線偏波の電波が主として表面側に伝播する。このとき、これらの一方および他方のアンテナ３および４に対して９０度の位相差で給電されると、表面側には円偏波の電波を伝播させることができる。

すなわち、他方のアンテナ４の開口面の法線方向となる表面側方向（Ｚ軸方向）には、一方および他方のアンテナ３および４から９０度位相の異なる電波が伝播し、円偏波の電波を伝播させることができる。このとき、他方のアンテナ４は、設計上、その導体面の横幅を例えば従来例のパッチアンテナに比較して必要としなくなるため、横方向に対して縦方向に長いエレメントを有するアンテナを２つ形成することで円偏波アンテナを実現することができ、特に縦方向に長尺な筐体にアンテナを収納しなければならない場合には都合が良い。すなわち、筐体形状の制約を受けることも少なくなる。さらに、横方向に小型化することができ、筐体形状寸法の縦横比を１：１に形成する必要もなく、縦長の筐体に収納することができる。

具体的には、５．８ＧＨｚ帯の周波数帯域で送受信を行うＥＴＣシステムの場合には、波長λ＝５１［ｍｍ］程度の電波を送受信することになるが、収納用筐体の横幅を少なくとも波長λの半分未満（ｄ未満：例えば、およそ２５ｍｍ未満）に形成することができる。したがって、フロントガラスＦの周縁部ＦａもしくはＦｂに対して、規定に違反することなく設置できる。また、前述したように、Ａピラー部の内装カバーＺを脱着することなく設置できるようになるため、取付費用を含めたコストダウンを実現できる。

このような第１の実施形態によれば、一方のアンテナ３がダイポールアンテナにより形成されており、他方のアンテナ４がスロットアンテナにより形成されており、一方のアンテナ３のエレメントの延設方向が、他方のアンテナ４の隙間部４ａの長手方向に一致するように構成され、一方および他方のアンテナ３および４が表裏方向に対して同一面上に形成されているため、一方および他方のアンテナ３および４に対して互いに９０度位相の異なる信号が与えられることにより円偏波の電波を表面側方向（Ｚ軸方向）に伝播させることができる。これにより、横軸方向に対して小型化を図ることができる。
基板１の表面側に反射板１ａを設けているため、表面側に対してより指向性の強い電波を輻射できる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態の説明を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、一方のアンテナにモノポールアンテナを適用したところにある。第１の実施形態と同一部分については同一符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分についてのみ説明する。

同軸ケーブルＡ３の芯線およびシールド線は、線路５および６を介して整合回路８が接続されている。整合回路８の出力側には、一方のアンテナ９が接続されている。この一方のアンテナ９は、所謂モノポールアンテナにより構成されているが、当該モノポールアンテナの地板面を設ける必要がある。他方のアンテナ４は、スロットアンテナとして機能し、その電界はＸ軸方向となりモノポールアンテナの電界方向（Ｙ軸方向）と直交しているため、モノポールアンテナの地板面（グランド面）として適用することができる。すなわち、別途地板面を設けることなくモノポールアンテナを構成できる。

このとき、他方のアンテナ４の給電点４ｂが隙間部４ａ（開口部に相当）の長手方向の中央部に設定されている。このため、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、一方のアンテナ９の地板面として他方のアンテナ４の導体面を適用するための接地点９ａを、隙間部４ａの長手方向に沿う延長線上の導体面位置に設定することが好ましい。このとき、他方のアンテナ４に給電して当該他方のアンテナ４をスロットアンテナとして機能させるときに、スロットアンテナの導体面（エレメント）に生じる電界分布に対する悪影響を極力抑制することができる。

整合回路８および一方のアンテナ９の出力側には、バラン１０が接続されている。このバラン１０は、所謂平衡−不平衡変換器であり、同時にインピーダンス変換器としても機能している。このバラン１０の出力側には、９０度位相器７が接続されており、その後他方のアンテナ４が接続されている。他方のアンテナ４については同一構造であるため、その説明を省略する。このような第２の実施形態においても、第１の実施形態と略同様の作用効果を奏する。また、一方のアンテナにダイポールアンテナを適用したものと比較して、縦方向の長さを縮小することができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態の説明を示すもので、第２の実施形態と異なるところは、他方のアンテナとして、枠状に形成されたループアンテナを適用したところにある。第１もしくは第２の実施形態と同一部分について同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。

他方のアンテナ４に代わる他方のアンテナ１１（開口アンテナに相当）は、例えば横幅寸法λ／６、縦幅寸法λ／３の１λループアンテナにより構成されており、その導体が狭幅線路（ポール）により構成されている。この他方のアンテナ１１は、円形もしくは正方形のループアンテナとは異なり、例えば縦長長方形（方形）の矩形枠形状をなしている。この他方のアンテナ１１の線路長の中央付近に一方のアンテナ９の接地点９ａを設定すると良い。このような第３の実施形態においても、第２の実施形態と略同様の作用効果を奏する。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形もしくは拡張が可能である。
一方のアンテナ３，９として、ダイポールアンテナやモノポールアンテナを適用したが、これに限定されるものではなく、スリーブアンテナやコーリニアアンテナを適用しても良い。この場合、上述実施形態と略同様の作用効果を得ることができる。
他方のアンテナ４，１２として、スロットアンテナやループアンテナを適用した実施形態を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、スロットアンテナでもスケルトンスロットアンテナに適用しても良いし、ヘンテナ等を適用しても良い。すなわち、開口アンテナであればどのようなアンテナを適用しても良い。

本発明の第１の実施形態を示す構造の斜視図（（ａ）は裏面側から見た図、（ｂ）は表面側から見た図） （ａ）および（ｂ）はＥＴＣ車載器の設置例を示す図、（ｃ）は従来より行われている設置例を示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 本発明の第３の実施形態を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は基板、３は一方のアンテナ、４は他方のアンテナ、ＡはＥＴＣ車載器、Ａ１はＥＴＣ車載器本体、Ａ２はＥＴＣ車載器用アンテナ（円偏波アンテナ）、Ａ３は同軸ケーブルを示す。

Claims (12)

1. 一方および他方のアンテナに対して互いに９０度の位相差で給電することにより円偏波の電波を輻射可能に構成された円偏波アンテナにおいて、
   前記一方のアンテナは、所定方向に延設されたアンテナエレメントを備えていると共に、
   前記他方のアンテナは、枠状に導体が配設されてなる開口アンテナにより構成されていることを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 前記他方のアンテナは、開口アンテナの開口部の長手方向が前記一方のアンテナの延設された所定方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１記載の円偏波アンテナ。
3. 前記一方のアンテナとして、モノポールアンテナを適用したことを特徴とする請求項１または２記載の円偏波アンテナ。
4. 前記一方のアンテナとしてモノポールアンテナを適用し前記他方のアンテナとして開口アンテナを適用した場合、
   前記開口アンテナの導体部を前記モノポールアンテナの地板として適用することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の円偏波アンテナ。
5. 前記一方のアンテナとしてモノポールアンテナを適用し前記他方のアンテナとして開口アンテナを適用した場合、
   前記開口アンテナの開口部の中心から当該開口部の長手方向に沿う延長線上の導体面位置に前記モノポールアンテナの地板の接地点が設定されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の円偏波アンテナ。
6. 前記他方のアンテナとして、前記所定方向に長細い隙間部を有する開口面アンテナを適用したことを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の円偏波アンテナ。
7. 前記他方のアンテナとして、枠状に形成されたループアンテナを適用したことを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の円偏波アンテナ。
8. 前記ループアンテナとして、矩形枠状に形成された方形ループアンテナを適用したことを特徴とする請求項７記載の円偏波アンテナ。
9. 前記一方のアンテナとして、ダイポールアンテナを適用したことを特徴とする請求項１または２並びに６ないし８の何れかに記載の円偏波アンテナ。
10. 前記一方のアンテナとして、スリーブアンテナもしくはコーリニアアンテナを適用したことを特徴とする請求項１または２並びに６ないし８の何れかに記載の円偏波アンテナ。
11. 電波の輻射方向の後側に反射板を設けたことを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載の円偏波アンテナ。
12. ＥＴＣ車載器本体に付属したアンテナとして適用することを特徴とする請求項１ないし１１の何れかに記載の円偏波アンテナ。
    
    

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