JP2011035519A

JP2011035519A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2011035519A
Application number: JP2009177681A
Authority: JP
Inventors: Soji Kunii; 壮志國井; Yasuo Hattori; 康夫服部; Koji Ejima; 浩司江島
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】異なる周波数を有する電波の受信に共用でき小型化が可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】略直線状の第１および第２のアンテナエレメントを有し、該第１のアンテナエレメントの中間部に該第２のアンテナエレメントの一端が接続され、該第２のアンテナエレメントの他端を給電点とし、該給電点から該第１のアンテナエレメントの一端までの電気長が所定の信号の略１／４波長である略Ｔ字型のアンテナ装置において、第１のアンテナエレメントの一端と中間部との間に第３のアンテナエレメントの一端が接続され、給電点から該第３のアンテナエレメントの他端までの電気長が所定の信号の略３／４波長であることを特徴とするアンテナ装置を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両アンテナに関し、特に車両用スポイラに内蔵されるラジオ受信アンテナ装置に関する。

車両ルーフの後方端に設置されるスポイラ（以下ルーフスポイラと呼ぶ）は、通常樹脂材からなり、図１に示すように車両と一体的に設置されるものである。

近年は、車両のデザインも重視されてきており、車両に搭載されるアンテナは極力車両本体の外形の美感を損ねないような設計が求められている。これを実現するべく、特許文献１に示すように、従来は車両のリアガラス内やサイドガラス内に設置または貼付するガラスアンテナが利用されている。また、ガラスアンテナを用いることができない車両や、ガラスアンテナではアンテナとしての性能が十分に得られない車両に対しては、アンテナを搭載したルーフスポイラを車両に設置することで車両アンテナを実現している。

図２に、従来技術におけるアンテナ構成の一例を示す。図２（ａ）は、図１に示す車両１のルーフのリア側端部に設置されたルーフスポイラ２を上方から見たときの透過図を示す。ルーフスポイラ２内部には、ＦＭアンテナエレメント３とＡＭアンテナエレメント４が設けられており、各エレメントが空間的に離間して、またはエレメント間に絶縁部材が挟まれて上下に配置されており、各エレメントは互いに電気的に絶縁されている。ここではＦＭアンテナとしてＬ型アンテナを示す。Ｌ型アンテナは、１／４波長モノポールアンテナを低背化のためエレメントの一部を横方向に曲げたものである。また、車両１の金属ボディがグランドの役割を果たしている。ＦＭアンテナエレメント３は、ＦＭアンテナ用給電点５を介して、受信した信号を増幅するアンテナアンプ（図示せず）に接続されている。このＦＭアンテナエレメント３は、一般的には金属ワイヤや打ち抜き加工した板金によって形成される。

また、ＡＭアンテナエレメント４については、ＡＭアンテナとして動作させるために、相応の面積を有する金属板が、グランドの役割を果たす車両１の金属ボディとの間で容量成分が得られるように設けられている。そして、ＡＭアンテナエレメント４は、ＡＭアンテナ用給電点６を介してアンテナアンプに接続されている。なお、このＡＭアンテナエレメント４は板金等の金属薄板によって形成される。

ところが、上記のＬ型アンテナでは、アンテナエレメントがグランドと平行に設置されるため、グランドとの間に容量成分が生じるため、所望の出力インピーダンスが得られない。この結果、この出力インピーダンスとアンテナアンプの入力インピーダンスとの関係から受信信号の反射が大きくなり（すなわち、反射係数が大きくなる）、インピーダンス不整合の状態となって不整合損失が生じ、所望のアンテナ利得が得られないという問題が生じる。

この問題に対する解決策として、従来では図２（ｂ）に示すアンテナ構成が挙げられる。図２（ａ）とは、ＦＭアンテナエレメント３の構造が異なっている。図２（ｂ）には、逆Ｆ型アンテナと呼ばれるアンテナを示す。このアンテナは、上記Ｌ型アンテナを応用したものであり、１／４波長モノポールアンテナがベースとなっている。これは、図２（ａ）のＬ型アンテナのエレメントにショートスタブ７を付加することで、グランドとアンテナエレメント間に生じる容量成分を打ち消す誘導成分を発生させるものである。ショートスタブ７は、一端がＦＭアンテナエレメント３の一部に接続され、他端がグランドに接続されている。このショートスタブ７の電気長（信号伝送経路長）は１／４波長より小さいためインダクタとして機能し、この電気長を調整することにより、所望の周波数帯において容量成分を誘導成分によって打ち消すことができ、アンテナの出力インピーダンスとアンテナアンプの入力インピーダンスとの間で良好な整合を達成することができる。

このインピーダンス整合に関して、アンテナの出力インピーダンスとアンテナアンプの入力インピーダンスとの間で発生する受信信号の反射の反射係数を図３に示す。波線８はＬ型アンテナの反射係数を、実線９は逆Ｆ型アンテナの反射係数をそれぞれ示す。反射係数は、大きいほど不整合損失が大きく、小さいほど良好な整合が得られることを表す。図３に示すように、Ｌ型アンテナでは、波線８に示すように、反射係数が大きくなるため不整合損失も大きくなるが、対応可能な帯域が広いため広帯域動作を期待することができる。一方、逆Ｆ型アンテナでは、実線９に示すように、非常に小さい反射係数が得られるため不整合損失を懸念する必要がなくなる反面、対応可能な帯域が非常に狭いため狭帯域動作しか実現することができない。

特開２００１−１０２８２６号公報

よって、上記の従来技術においては、次のような問題点が挙げられる。Ｌ型アンテナをＦＭアンテナエレメントとして用いた場合、グランドとエレメントとの間に容量成分が発生するため、アンテナとアンテナアンプのインピーダンス不整合によるアンテナ利得の低下が生じる。また、逆Ｆ型アンテナを用いた場合、短絡部が設けられているために良好なインピーダンス整合が得やすくなるが、グランドとエレメントとの間に発生する容量成分と誘導成分等のリアクタンス成分が原因で共振現象が発生するため、狭帯域動作しか達成できない。

また、Ｌ型アンテナをＦＭアンテナとして用いた場合、ＡＭアンテナとしても機能させるには金属面積が十分ではないため、別途ＡＭ放送用のアンテナエレメントを設ける必要がある。このため、給電点を２箇所設け、アンテナアンプも２入力対応としなければならなくなる。したがって、製造の工程が複雑になりコストも高くなる。一方、逆Ｆ型アンテナをＦＭアンテナとして用いた場合、ＦＭアンテナエレメントがショートスタブを介してグランドに導通しているため、ＦＭ放送に比べて低い周波数帯を利用するＡＭ放送においては、完全に接地された状態になるため、この場合も別途ＡＭ放送用のアンテナエレメントを設ける必要がある。よって、Ｌ型アンテナと同様の上記問題が生じる。

さらに、ＦＭ，ＡＭの各アンテナエレメントが互いに導通しないように、空間的に離間させたりエレメント間に絶縁部材を挿入したりする必要があるため、構造が複雑になりコストアップを招きかねない。

そこで本発明においては、上記の問題点を解決し、ＦＭアンテナにおいてインピーダンス整合を実現しながら広帯域動作が可能であり、かつＡＭアンテナとしても動作可能なアンテナを提供することを目的とする。また、アンテナ構造の簡素化や製造コストの削減を達成することができるアンテナ装置を提供することも目的とする。

本発明の一実施形態によれば、略直線状の第１および第２のアンテナエレメントを有し、該第１のアンテナエレメントの中間部に該第２のアンテナエレメントの一端が接続され、該第２のアンテナエレメントの他端を給電点とし、該給電点から該第１のアンテナエレメントの一端までの電気長が所定の信号の略１／４波長である略Ｔ字型のアンテナ装置において、第１のアンテナエレメントの一端と中間部との間に第３のアンテナエレメントの一端が接続され、給電点から該第３のアンテナエレメントの他端までの電気長が所定の信号の略３／４波長である。このため、広帯域動作を実現しながらアンテナ利得の高いアンテナを実現することができる。

好ましくは、第３のアンテナエレメントはミアンダ形状である。また、第１のアンテナエレメントの他端と中間部との間に、第４のアンテナエレメントの一端が接続され、給電点から該第４のアンテナエレメントの他端までの電気長が所定の信号の略３／４波長である。また、第４のアンテナエレメントはミアンダ形状である。さらに、第１から第４のアンテナエレメントは車両の外装部材に内蔵され、外装部材は車両のルーフに配置されるスポイラであってもよい。また、第１から第４のアンテナエレメントはプリント基板上に形成されたパターンである。そして、所定の信号はＦＭラジオ放送信号である。

本発明のアンテナによれば、異なった周波数を有する電波の共用アンテナとしての構造を単純化して製造コストを低減することができる。また、広帯域動作を実現しながら所望の出力インピーダンスを容易に調整することができるアンテナを提供することができる。さらに、本発明のアンテナは、高価な金型等を用いることなく一般的な安価な回路基板や回路パターン作成工程を用いて作成することができる。

従来のアンテナ内蔵のルーフスポイラを示す図である。（ａ）および（ｂ）は、従来のアンテナ構造を示す図である。従来のアンテナの反射特性を示すグラフである。本発明の一実施形態におけるアンテナの全体の構造を示す概略図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態におけるアンテナの一部の構造を実線で示す概略図である。本発明の一実施形態におけるアンテナの反射特性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるアンテナ装置について説明する。なお、複数の図にまたがって同じ部材を示す場合は同じ番号を付すこととする。

図４に概略を示すように、車両１のルーフ後端に設置されたルーフスポイラ２の内部にアンテナエレメント１０が設けられている。アンテナエレメント１０は、ルーフスポイラ２内に設けられた回路基板１１上に形成されており、ＦＭ／ＡＭ共用の給電点１２を介してアンテナアンプ（図示せず）と接続されている。回路基板１１は、通常のアンテナ用回路基板であり、一般的な回路パターン作成工程によって作成される。基板はエポキシ樹脂等の合成樹脂からなる誘電部材を用いて作成される。なお基板には、合成樹脂の他、テフロン（登録商標）、セラミック、フィルム等を用いてもよい。回路パターンは、蒸着、エッチング、メッキ等の手法により基板上に金属層が形成されてなるが、導電性物質からなる線状部材や箔状部材を基板表面に接着剤等にて設けてもよい。

以下に、図５を参照しながら、アンテナエレメント１０の動作をＦＭ、ＡＭ別に説明する。図５（ａ）では、アンテナエレメント１０のうちＦＭアンテナとして機能する構成部分を斜線で示している。この斜線部は、給電点１２がＦＭ／ＡＭ共用の給電点として動作するＴ型アンテナである。Ｔ型アンテナでは、一般に用いられるＬ型アンテナのアンテナエレメントとは異なり、作製時に縦方向に延伸するエレメント部と横方向に延伸するエレメント部との接続点を変える、すなわち横方向に延伸するエレメント部の左右のエレメント長さを変えることにより、所望の出力インピーダンスに合わせたアンテナを実現することができる。

ここで、Ｔ型アンテナのエレメント長について説明する。給電点１２から接続点１３を経由してアンテナエレメントの左端または右端に至るまでの電気長は、受信する電波の略１／４波長に設定される。例えば、ガラスエポキシ樹脂を基材として用いる回路基板により構成したＴ型アンテナをＦＭラジオ放送の受信に用いる場合を考える。誘電率をε_ｒ、受信する電波の波長をλ、伝搬速度をｃ、周波数をｆとすると、下記の式（１）が成り立つ。
λ＝（ｃ／ｆ）／（ε_ｒ）^１／２・・・（１）
そして、周波数帯域を７６．０ＭＨｚ〜９０．０ＭＨｚとすると、中心となる周波数は８３．０ＭＨｚであるから、波長は約１．７４ｍとなり、１／４波長は約０．４４ｍとなる。よって、給電点１２からアンテナエレメントの一端までの電気長は、約０．４４ｍに設定される。

図５（ｂ）では、アンテナエレメント１０のうちＡＭアンテナとして機能する部分を斜線で示している。この斜線部で示されるアンテナエレメントは、給電点１２から接続点１３を経由してアンテナエレメント端部までの電気長が３／４波長であり、３／４波長モノポールアンテナとして機能する。図（ａ）に示すＴ型アンテナにおいて横方向に延伸するアンテナエレメント部分の中間部にミアンダ形状のアンテナエレメントが接続されており、小さな面積でアンテナを形成することができる。なお、図ではミアンダ形状のアンテナエレメントにより３／４波長モノポールアンテナを形成しているが、アンテナエレメントの電気長を維持する限りにおいてはアンテナエレメントを、渦巻き形状等、ミアンダ以外の形状にしてもよいし、折り返しも任意の方向に任意の方法で可能である。３／４波長モノポールアンテナは、Ｌ型アンテナと同様にアンテナエレメントとグランドとの間で容量成分が発生しても、アンテナアンプの入力インピーダンスと比較的良好な整合状態が得られ、１／４波長モノポールアンテナと同様に広帯域動作が可能なアンテナである。

したがって、図４に示す本発明のアンテナは、図５（ａ）のＴ型アンテナにおいて左右のエレメント長を調整し、図５（ｂ）の３／４波長モノポールアンテナにおいて給電点１２から接続点１３を経由してミアンダ形状のアンテナエレメントの端部に至るまでの電気長を調整することにより、所望の周波数帯域において比較的良好なアンテナの出力インピーダンスを達成することができる。このように、Ｔ型アンテナのアンテナエレメントの端部ではなく中間部に左右のミアンダ形状のアンテナエレメントを接続することにより、さまざまな電気長のアンテナを実現することができる。

図４に示すアンテナにおいて、アンテナの出力インピーダンスを調整することによって反射係数が変化する様子を図６に示す。反射係数は、アンテナの出力インピーダンスと給電線の特性インピーダンスを用いて表現できるため、アンテナの出力インピーダンスを変えることは、反射係数を変化させることになる。ひいてはアンテナアンプの入力インピーダンスとの整合状態も変化するため、結果としてアンテナ利得を調整することができる。図６のグラフからわかるように、アンテナの出力インピーダンスを変える際に動作帯域を広帯域に維持したまま反射係数を変化させることができる。したがって、アンテナの出力インピーダンスを変化させてアンテナアンプの入力インピーダンスとのインピーダンス整合を行うと、インピーダンス整合が良好になるにつれて、反射係数は、波線１４に示すグラフから一点鎖線１５に示すグラフを経て実線１６に示すように、所望の周波数帯域において小さくなる。

以上が、本発明のアンテナに関する説明である。上記の説明では、本発明のアンテナはＦＭ放送（例えば、７６．０ＭＨｚ〜９０．０ＭＨｚ）およびＡＭ放送（例えば、５００ＭＨｚ〜１７００ＭＨｚ）の帯域の電波の受信を意図して構成されているが、アンテナエレメントの電気長を変えることで他の周波数帯の電波を受信するアンテナとして機能させることもできる。また、ミアンダ形状のアンテナエレメントは、Ｔ型アンテナの左右のアンテナエレメントにそれぞれ１つずつ接続されているが、左右いずれか一方のみにミアンダ形状のアンテナエレメントを接続するだけでも、本発明のアンテナを実現することができる。

さらに、本発明のアンテナをルーフスポイラに内蔵することは、本発明を実施する一態様にすぎない。上記説明の通り本発明によってアンテナ装置の小型化を達成できるため、本発明のアンテナをルーフスポイラに組み込むことは好適ではあるが、ルーフスポイラに限らず車両の適当な外装部材に内蔵することもでき、さらに車両以外の種々の態様においても本発明のアンテナを適用できることはいうまでもない。

２ルーフスポイラ
１０アンテナエレメント
５，６，１２給電点
１１回路基板
１３接続点

Claims

略直線状の第１および第２のアンテナエレメントを有し、該第１のアンテナエレメントの中間部に該第２のアンテナエレメントの一端が接続され、該第２のアンテナエレメントの他端を給電点とし、該給電点から該第１のアンテナエレメントの一端までの電気長が所定の信号の略１／４波長である略Ｔ字型のアンテナ装置において、
前記第１のアンテナエレメントの一端と前記中間部との間に第３のアンテナエレメントの一端が接続され、前記給電点から該第３のアンテナエレメントの他端までの電気長が前記所定の信号の略３／４波長である、
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記第３のアンテナエレメントはミアンダ形状であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１のアンテナエレメントの他端と前記中間部との間に、第４のアンテナエレメントの一端が接続され、前記給電点から該第４のアンテナエレメントの他端までの電気長が前記所定の信号の略３／４波長であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
前記第４のアンテナエレメントはミアンダ形状であることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
前記第１から第４のアンテナエレメントは車両の外装部材に内蔵されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のアンテナ装置。
前記外装部材は車両のルーフに配置されるスポイラであることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
前記第１から第４のアンテナエレメントはプリント基板上に形成されたパターンであることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
前記所定の信号はＦＭラジオ放送信号であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。