JP2011019038A

JP2011019038A - 平面アンテナ

Info

Publication number: JP2011019038A
Application number: JP2009161620A
Authority: JP
Inventors: Mikiya Hirabayashi; 幹也平林
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【目的】衛星からの円偏波の電波を高効率で受信でき、広帯域な軸比特性、優れた指向特性、安定化した受信特性を確保できるマイクロ波用ガラスアンテナの提供。
【構成】円偏波の電波を受信するための平面アンテナであって、水平方向を長辺とする長方形のループ線条を設け、両短辺の芯芯間で算出した距離を長辺として、該長辺の中心から片側方向にずれた開放端部を正と負の給電点として、夫々同軸ケーブルの内部導線、外部導線を接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、円偏波の電波を高効率で受信することができるマイクロ波用平面アンテナに関するものである。

近年、自動車用の無線通信に主としてＧＰＳ（Global Positioning System、全地球無線測位システム）、ＸＭＳＲ（XM Satellite Radio、衛星ラジオ局）等のＳＤＡＲＳ（Satelite Digital Audio Radio Service）の米国衛星デジタルラジオ放送サービス、ＶＩＣＳ（Vehicle Information Communication System、道路交通情報通信システム）、ＥＴＣ（electronic toll collection、電子料金徴収システム）等のマイクロ波帯の電波が積極的に使用されているが、マイクロ波帯の電波はマルチパスに弱く、また降雨による影響を受け易い等の欠点がある。

このため、衛星から電波を受信する衛星通信など、マイクロ波帯の電波を自動車のガラスアンテナで受信する場合、この降雨による影響を軽減させるために、円偏波を用いることが多いのが現状である。

従来、ＧＰＳ衛星等の円偏波の衛星電波を自動車等で受信する場合、自動車のボディ上に厚さ十数ミリ程度の肉厚で、直径数十ミリの大きさのマイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）を装着するのが一般的であったが、ボディから突起しているだけでなく、配線も露出するため、美観も損ねることとなるため、自動車の窓ガラスの室内側面に直接アンテナパターンを印刷したり、ガラス面にアンテナパターンを印刷したシートを貼り付ける等のアンテナが要望されるようになった。

円偏波を励振させる方法の一つにマイクロストリップアンテナを用いた縮退分離法と呼ばれる円偏波の励振方法がある。これは、例えば、長方形のパッチアンテナを考え、それぞれの辺の長さａ、ｂに対応する２つの共振周波数ｆ1、ｆ2の中央部付近の周波数ｆCでそれぞれの辺の共振が共に生じるように、パッチの対角線上で励振し、円偏波が放射されるものであり、辺の長さａ、ｂの決め方は、ｆC付近での２つの共振の様子を入力インピーダンスのリアクタンス成分で考えると、ｆCにおいてｆ1で共振するモードは誘導性であるが、ｆ2のモードは容量性となるので、両モードのｆCでの位相差を９０°となるようにΔｆ＝ｆ2−ｆ1を設定し、ｆCの共振が２つの共振の縮退であると考え、その２つを分離することで円偏波を得る励振方法である（非特許文献１）。

例えば、特開平１０―３０８６２０号公報には、樹脂フィルムからなるアンテナ素子保持シートと、このアンテナ素子保持シートに被着された細長い導線からなるＧＰＳ波受信用の円偏波アンテナ素子と、この円偏波アンテナ素子の給電部に一端が接続され、他端がフィーダと接続される低雑音増幅器と、この低雑音増幅器を収容保持するとともに、前記アンテナ素子保持シートの一端を支持する支持部および取付け対象物へ所定姿勢で取付け可能な取付け部を有する保持ケース部と、を備えたことを特徴とするＧＰＳ波用フィルムアンテナ装置が記載されている（特許文献１）。

また、テレビ受信用アンテナとして、両端を接続したレッヘル線の中央部から励磁する折返し構造のダイポールアンテナが良く知られ、折返し構造のアンテナとしては、例えば、特開２００７−２８２１３号公報には、第１の共振周波数及び第２の共振周波数を含む周波数帯において給電される始端から接地される終端まで前記第１の共振周波数の略１波長に相当する線路長を有すると共に、前記始端から前記第１の共振周波数の略４分の１波長に相当する線路長を経た第１の折り返し個所及び前記終端から前記第１の共振周波数の略４分の１波長に相当する線路長を経た第２の折り返し個所において前記第１の共振周波数の略５分の１波長以下の折り返し間隔をもってそれぞれ折り返されることにより折り返しアンテナとして構成され、かつ、前記始端と前記終端とが前記第１の共振周波数の略６分の１波長以下の間隔をおいて配設された第１のアンテナ素子と、
前記第１の折り返し個所と前記第２の折り返し個所の間の略中央に位置する分岐個所において前記第１のアンテナ素子から分岐すると共に開放端を有してなり、前記分岐個所から前記開放端までの線路長が前記第１のアンテナ素子の始端から前記分岐個所までの線路長と合計して前記第２の共振周波数の略４分の１波長又は略４分の３波長に相当する第２のアンテナ素子とを備えたことを特徴とするアンテナ装置が記載されている（特許文献２）。

この他さらに、円偏波を受信するアンテナとしては、特開平１０−１２６１５０号公報に示されるように、２つの直線状のアンテナ線条を直交するように配置し、片側の位相を９０°遅らせて給電し、円偏波を励振させる位相差給電法と呼ばれる円偏波の励振方法が良く知られている（特許文献３）。

特開平１０―３０８６２０号公報特開２００７−２８２１３号公報特開平１０−１２６１５０号公報

新井宏之著、新アンテナ工学、総合電子出版社発行、１９９８年７月１０日第２版発行（第１２２〜１２４頁、図４．２３）

しかしながら、前記非特許文献１に記載されたアンテナは、マイクロストリップアンテナを用いて円偏波を励振させる多層構造のアンテナであり、ガラスの表面に線条に設けた平面アンテナではない。

また、前記特許文献１に記載されたアンテナは、ループアンテナの短辺に平行に導体が配置されているため、ループアンテナのアスペクト比が小さくなり、アンテナを配置するエリアが大きくなってしまうという問題点があった。

さらにまた、前記特許文献２に記載されたアンテナは、両端を接続したレッヘル線の中央部から給電するため、円偏波の電波が発生しないという問題点があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、自動車や建物等の窓ガラスの表面に設けるマイクロ波を受信する平面アンテナであって、シンプルな構成で、衛星からの円偏波の電波を高効率で受信でき、安定した軸比特性、指向特性等の受信特性を得ることを目的とする。

すなわち、本発明は、円偏波の電波を受信するための平面アンテナであって、水平方向を長辺とする長方形のループ線条を設け、両短辺の芯芯間で算出した距離を長辺として、該長辺の中心から片側方向にずれた開放端部を正と負の給電点として、夫々同軸ケーブルの内部導線、外部導線を接続したことを特徴とする平面アンテナである。

あるいは、本発明は、前記開放端部を長辺の中心から片側方向に長辺の１０％だけずらした位置からコーナー位置までの間に設けることを特徴とする上述のガラスアンテナである。

あるいは、本発明は、前記長方形のアンテナの両短辺、両長辺の各芯芯間で算出した短辺ｘと長辺ｙの長さの比ｙ／ｘを４以上、８以下としたことを特徴とする上述の平面アンテナである。

あるいは、本発明は、前記長方形のアンテナの少なくとも一方の長辺の一部または全部の線条の線幅を短辺の線条の線幅の１．５〜３倍の広幅とすることを特徴とする上述の平面アンテナである。

あるいは、本発明は、前記長方形のアンテナの少なくとも一方の短辺の一部または全部の線幅を長辺の線幅の２〜６倍の広幅としたことを特徴とする上述の平面アンテナである。

あるいはまた、本発明は、前述のアンテナを自動車の前部窓ガラス、後部窓ガラス、あるいはサンルーフ窓ガラスのいずれかの窓ガラスに２ヶ所、あるいは別々の窓ガラスにそれぞれ設けて、ダイバーシティ受信させることを特徴とする平面アンテナである。

あるいはまた、本発明は、上述のいずれかに記載の各給電点及び各エレメントを透明絶縁フイルムシート上に導電性材料によりパターン印刷によって形成し、該シートを窓ガラス面に貼着させたことを特徴とする平面アンテナである。

本発明によれば、アンテナをガラス面上に平面的に設けたために、シンプルな構造となり、従来のマイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）のように、自動車のボディ上に突設させることによって美観が損なわれることもない。

また、ＧＰＳ衛星や衛星ラジオ等の放送衛星から送信されてくる円偏波の電波を効率良く受信でき、軸比特性を広帯域とすることができ、指向特性にも優れている。

さらにまた、フイルムシート上に前記パターンを印刷し、該シートをガラス面上に貼着するようにすれば、ユーザーやディーラーが自動車の窓ガラスの所定面や、一般建築物の窓ガラスの所定面に自由に容易に後付できる。

本発明の実施の形態１の平面アンテナを車内側から見た正面図。本発明の実施の形態２の平面アンテナを車内側から見た正面図。本発明の実施の形態３の平面アンテナを車内側から見た正面図。本発明の実施の形態１の平面アンテナの軸比の特性図。

本発明のアンテナは、通信衛星やＧＰＳ衛星から送られてくる円偏波の電波を受信する車両用窓ガラスや建築用の窓ガラス１に設ける平面アンテナ２であって、以下に示されるようなパターンで構成される。

すなわち、図１に示すように、円偏波の電波を受信するための平面アンテナ２であって、水平方向を長辺２ｂとする長方形のループ線条を設け、両短辺の各線条の芯芯間で算出した距離を長辺として、該長辺２ｂの中心から片側方向にずれた位置にある開放端部をそれぞれ正極と負極の給電点３、４として、夫々同軸ケーブルの内部導線、外部導線を接続した。

前記開放端部の位置は、長辺２ｂの中心から片側方向に長辺の１０％だけずらした位置からコーナー位置までの間に設けるのが望ましい。その理由は、給電点３、４の位置を片側にずらすことによって、導体の電流分布が２種類でき、それぞれの電流分布を直交させているので円偏波が発生する。

また、前記長方形のアンテナの両長辺の各線条の芯芯間で算出した短辺２ａの長さｘと両短辺の各線条の芯芯間で算出した長辺２ｂの長さｙの比ｙ／ｘを４以上、８以下とするのが望ましく、線幅は、受信しようとする電波の帯域の中心周波数の波長をλとしたとき、λ／１００〜λ／２０である。

また、図２に示したように、前記長方形のアンテナの少なくとも一方の長辺の一部または全部の線条に該長辺の線幅の０．５〜２倍の導体７を付加して広幅とし、該広幅部分の線条の総線幅を細幅部分である短辺の線条の線幅の１．５〜３倍とすると、軸比特性を改善することができ、円偏波特性を向上させることができる。尚、前記長辺２ｂに付加する導体７の幅を該長辺の線幅の２倍までとしたのは、２倍を超えるとアンテナ利得が低下し実用的でないためである。尚、導体の材質は、長方形線条の材質と同一である。

特に、給電点３、４の位置を、長辺２ｂの中心位置より長辺２ｂの長さの２０％以上離した位置からコーナー位置までの間に設けざるを得ない場合に、軸比特性の低下を改善し、円偏波特性を向上させるのに有用である。

また、図３に示したように、前記長方形のアンテナの少なくとも一方の短辺２ａの一部または全部の線条に該短辺２ａの線幅の１〜５倍の導体７を付加して広幅とする、すなわち該広幅部分の総線幅を細幅部分である長辺の線幅の２〜６倍の広幅とし、給電点位置は、両短辺の各線条の芯芯間で算出した長辺２ｂの中心からずらした位置とするが、ループ線条の長辺の内側の中心からずれた位置とするのが望ましい。また、短辺部分の広幅部分によって前記算出の長辺２ｂの中心から見て左右の線条の電流分布が異なり、軸比特性を改善することができ、円偏波を発生させることができる。

尚、前記短辺２ａに付加する導体７の幅を細幅の線条である短辺２ａの線幅の５倍までとしたのは、５倍を超えるとアンテナ利得が低下し実用的でないためである。

水平方向を長辺とする長方形のループ線条を設け、長辺の一部に設けた開放端部を正と負の給電点として、夫々同軸ケーブルの内部導線、外部導線を接続し、前記長方形のアンテナの少なくとも一方の短辺の一部または全部の線幅を長辺の線幅の２〜６倍の広幅としたことを特徴とする平面アンテナである。

特に、前記長方形のアンテナエレメント２の短辺２ａの長さｘと、長辺２ｂの長さｙの比ｙ／ｘが４〜５のように小さい場合には、軸比特性の低下を改善し、円偏波特性を向上させるのに有用である。

正極の給電点３、負極の給電点４の位置を図１〜３に示したように、アンテナエレメント２の長辺の中心線より左側に配置した場合、衛星からの円偏波の電波の偏波面は奥に向かって左旋円偏波となり、逆に図示はしていないが、アンテナエレメント２の長辺２ｂの中心線より右側に配置した場合、奥に向かって右旋円偏波となり、衛星からの電波の円偏波の偏波面は右旋円偏波となる。

また、本発明のアンテナ２は円偏波を受信するアンテナであるため、アンテナエレメント２のパターンを正極の給電点３又は負極の給電点４を中心として時計回り、半時計周りに回転させた形状としても良い。

このようにガラス板面上に平面的に設けたアンテナであっても、あたかも、多層構造のマイクロストリップアンテナであるかのようにアンテナ性能を持たすことが可能である。

前記アンテナエレメント２、および正極、負極の２つの給電点３、４は、車両用窓ガラス１の車内面上に導電ペーストによって印刷後、焼付け処理を行うようにしたものであるが、フイルムシート上に前記パターンを印刷し、該シートをガラス１面上に貼着するようにする場合には、ユーザーやディーラーが自動車の窓ガラス１の所定面に自由に後付できる。

ここで、車両とは、自動車、鉄道等の車両を示すが、飛行機、船舶等の窓ガラスにも応用でき、建築用の窓ガラスや、薄型テレビの上辺部や、ノート型パソコンの蓋の上部に設置することもでき、この場合、水平偏波の電磁波を受信する時に向きを変えなくても受信することができる。

さらに、本発明の平面アンテナ２を自動車の窓ガラス面に取り付ける場合には、前部窓ガラス、後部窓ガラス、及びサンルーフ窓ガラスのいずれに設けるようにしても良い。

さらにまた、本発明のアンテナを前記窓ガラスのいずれかのガラスに２ヶ所、あるいは別々のガラスにそれぞれ設けて、ダイバーシティ受信させるようにしても良い。

給電点３、４とチューナー（図示しない）間を配線するケーブルとしては、同軸ケーブルに限らず、マイクロストリップラインや並行二線ケーブルでも良い。

また、前記長方形のアンテナ２の少なくとも一辺の一部または全部の線幅を、導体７を付加させたり、線幅を広幅としたりすることによってその他の辺の線幅より広幅とし、長辺の中心線からみて左右の線条長さや線条幅をアンバランスにすることによって、電波の進む速度を変えることになり、円偏波が発生し易くなる。

［実施の形態１］
図１に示すアンテナ２は、周波数が２．３３ＧＨｚのＳＤＡＲＳ（Satelite Digital Audio Radio Service）の米国衛星デジタルラジオ放送サービス用で左旋回の偏波面をもつ平面アンテナ２であり、自動車の車内側から見たアンテナパターンを示す。

ＳＤＡＲＳの北米衛星デジタルラジオ帯は、周波数が２．３３ＧＨｚであるので、受信電波の波長λは、ガラスの短縮率を０．６５とすると、λ＝８４ｍｍ、λ／４は約２１ｍｍとなり、これをベースにアンテナエレメント２の縦横の寸法を設定した。

アンテナエレメント２の長方形の寸法は、短辺２ａの長さｘ（各長辺の線条の芯芯間で算出）＝５ｍｍ、長辺２ｂの長さｙ（各短辺の線条の芯芯間で算出）＝４０ｍｍであり、短辺２ａの長さｘと長辺２ｂの長さｙの比ｙ／ｘが８であって、線幅３ｍｍの閉ループ状の長方形状とし、正極、負極の給電点３、４は、下辺側の長辺２ｂの中心位置から４ｍｍずらした位置、すなわち長辺２ｂの長さの１０％の位置に設けた。

前記アンテナエレメント２、および正極、負極の２つの給電点３、４は、車両用窓ガラス１の車内面上に導電ペーストによって印刷後、焼付け処理を行い、前記正極の給電点３に同軸ケーブル５の内部導線を、負極の給電点４に同軸ケーブルの外部導線を接続した。

このようなアンテナパターンの最大放射方向に直線偏波送信アンテナを対向させ、送信アンテナを回転させ、本発明のアンテナ２の最大受信感度と最小受信感度を測定した結果を図４に示し、周波数２.３３ＧＨｚにおいて０．４９ｄＢと最も低くなり、本発明のアンテナが良好な利得を有していることがわかる。

［実施の形態２］
図２に示すアンテナ２も、実施の形態１と同様、周波数が２．３３ＧＨｚのＳＤＡＲＳ（Satelite Digital Audio Radio Service）の米国衛星デジタルラジオ放送サービス用で左旋回の偏波面をもつアンテナである。実施の形態２は、実施の形態１のパターンと比較して、正極の給電点３、負極の給電点４の位置が、下辺側の長辺の中心位置から８ｍｍ離れた位置、すなわち長辺長さの２１％に相当する分だけずれた位置に設けた点、およびループ状エレメントの上辺側の長辺２ｂに該長辺２ｂの線幅と同幅の導体を付加して広幅とした点が異なっている。

また、アンテナエレメント２が、縦辺５ｍｍ、横辺３８ｍｍの長方形状のループ状であり、前記長方形のアンテナエレメント２の短辺２ａの長さｘと、長辺２ｂの長さｙの比ｙ／ｘは実施の形態１とほぼ同じである。

ループ状エレメントの上辺側の長辺に該長辺の線幅と同幅の導体を付加して上辺側の長辺の線条を広幅としたのは、給電点位置を、長辺２ｂの中心位置より長辺２ｂの長さの２０％以上離した位置としたことによる軸比特性の低下を防ぎ、円偏波特性を向上させるためである。

図２に示したように長辺２ｂの中心位置から長辺２ｂの長さの２０％からコーナー位置までに給電点を設ける場合には、長辺２ｂの少なくとも一方、または両方に前記長方形のアンテナの少なくとも一方の長辺２ｂの一部または全部の線条に該長辺２ｂの線幅の１〜２倍の導体７を付加して上辺側の長辺の線条を広幅とすると、軸比特性を改善することができ、円偏波特性を向上させることができる。

前記アンテナエレメント２、および各給電点３、４を、車両用窓ガラス１の車内面上に導電ペーストによって印刷後、焼付け処理を行い、各給電点３、４に同軸ケーブル５の内部導線、外部導線を接続した。

このようなアンテナパターンにおいても、良好な軸比特性、および指向特性が得られた。

［実施の形態３］
図３に示すアンテナは、前記実施の形態１のアンテナエレメントの変形例であり、実施の形態１のパターンと比較して、長方形のアンテナエレメントの短辺２ａの長さｘ（ｘ＝１０ｍｍ）と長辺２ｂの長さｙ（ｙ＝４０．５ｍｍ）の比ｙ／ｘが４であり、実施の形態１の短辺の長さｘと長辺の長さｙの比ｙ／ｘが８であるのに比べて小さくなっている。

さらに、実施の形態３のアンテナの長方形のループ状エレメントの片側の短辺２ａに該短辺２ａの線幅の５倍の線幅の導体を付加して短辺の総線幅を広幅とした点が異なっている。

正極、負極の給電点３、４の位置は、実施の形態１と同様に、長方形状のアンテナエレメント２の長辺２ｂのループの内側の長辺の中心位置から６ｍｍ離れた位置に設けた。

このように、ループ状エレメントの左辺側の短辺２ａに該短辺２ａの線幅の５倍の線幅の導体を付加して短辺の総線幅を広幅としたのは、長方形のアンテナエレメントの短辺２ａの長さｘと長辺２ｂの長さｙの比ｙ／ｘが４と小さくなったことによる、軸比特性の低下を防ぎ、円偏波特性を向上させるためである。

このようなアンテナエレメント２を自動車の前部窓ガラス１の上辺中央部位置に設け、周波数を２．３３ＧＨｚとしたＳＤＡＲＳ（Satelite Digital Audio Radio Service）の米国衛星デジタルラジオ放送サービスにより左旋回の偏波面をもつ放送電波を受信したところ、良好な軸比特性等の円偏波特性が得られた。

１窓ガラス
２アンテナエレメント
２ａ短辺
２ｂ長辺
３正極の給電点
４負極の給電点
６中心線
７導体

Claims

円偏波の電波を受信するための平面アンテナであって、水平方向を長辺とする長方形のループ線条を設け、両短辺の各線条の芯芯間で算出した距離を長辺として、該長辺の中心から片側方向にずれた開放端部を正と負の給電点として、夫々同軸ケーブルの内部導線、外部導線を接続したことを特徴とする平面アンテナ。
前記開放端部を長辺の中心から片側方向に長辺の１０％だけずらした位置からコーナー位置までの間に設けることを特徴とする請求項１記載のガラスアンテナ。
前記長方形のアンテナの両短辺、両長辺の各線条の芯芯間で算出した短辺ｘと長辺ｙの長さの比ｙ／ｘを４以上、８以下としたことを特徴とする請求項１または２に記載の平面アンテナ。
前記長方形のアンテナの少なくとも一方の長辺の一部または全部の線条の線幅を短辺の線条の線幅の１．５〜３倍の広幅とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の平面アンテナ。
前記長方形のアンテナの少なくとも一方の短辺の一部または全部の線幅を長辺の線幅の２〜６倍の広幅としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の平面アンテナ。
請求項１乃至５に記載のアンテナを自動車の前部窓ガラス、後部窓ガラス、あるいはサンルーフ窓ガラスのいずれかの窓ガラスに２ヶ所、あるいは別々の窓ガラスにそれぞれ設けて、ダイバーシティ受信させることを特徴とする平面アンテナ。
請求項１乃至６のいずれかに記載の各給電点及び各エレメントを透明絶縁フイルムシート上に導電性材料によりパターン印刷によって形成し、該シートを窓ガラス面に貼着させたことを特徴とする平面アンテナ。