JP2011066767A - 多周波共用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】一般的な逆Ｆアンテナに較べて専有体積の増加が抑えられるとともに整合回路などの付加的な要素を必要としない、低姿勢でかつ多周波を送受信可能な多周波共用アンテナを提供する。
【解決手段】接地導体部３と、接地導体部３と所定間隔をあけて対向している第一放射素子として機能する第一放射導体部１と、第一放射導体部１の端部と接地導体部３を接続する短絡部２と、一方の端部が前記第一放射導体部１と接続されるとともに他方の端部が給電手段に接続される、第一放射素子とは異なる周波数特性を有する第二放射素子として機能する面状の第二放射導体部５が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、低姿勢で多周波を送受信可能な多周波共用アンテナに関する。

上記のように構成された多周波共用アンテナとして、特許文献１には、従来の逆Ｆアンテナの垂直導電体（給電導体）に、先端部が開放端とされる１つ以上の追加導電体を接続し、この追加導電体と逆Ｆアンテナを構成するＬ字形導電体および垂直導電体の一部とで１つの励振素子を構成し、追加導電体とＬ字形導電体および垂直導電体の一部とでさらなる励振素子を構成し、垂直導電体の端部に接続された整合回路を介して給電されたものが開示されている。この特許文献１による多周波共用アンテナでは、給電に関してアンテナとの整合を取る為に接地導電体上に配置されたプリント基板上に整合回路を形成しており、この整合回路の形成により給電部の構造が複雑化するという問題点がある。

さらに、３周波以上に多周波化されたアンテナが、特許文献２に開示されている。この従来のアンテナでは、所定の間隔を介して対向する地導体板および放射導体板を短絡板で接続し、放射導体板に対して給電を行う同軸給電線を設け、放射導体板を長さの異なる３つの単位放射導体板から構成されている。つまり、逆Ｆアンテナの放射導体を地板に平衡になるように幅広としてさらにその開放端よりスリットを構成して残りのエレメント長を変えた構成を採用することにより３周波で動作することを意図している。しかしながら、この小型化された多周波アンテナは、その構造が立体的になっていることから、単一周波数の一般的な逆Ｆアンテナと比較して、実装面積、実装体積が大きくなる傾向があり、小型化が難しいという間題点がある。

特開２００１‐１４４５２４号公報（段落番号〔０００５〕−〔０００７〕、図１） 特開２０００‐６８７３６号公報（段落番号〔０００８〕−〔０００９〕、図１）

上記実情に鑑み、本発明の目的は、一般的な逆Ｆアンテナに較べて専有体積の増加が抑えられるとともに整合回路などの付加的な要素を必要としない、低姿勢でかつ多周波を送受信可能な多周波共用アンテナを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明による多周波共用アンテナは、接地導体部と、前記接地導体部と所定間隔あけて対向している第一放射素子として機能する第一放射導体部と、前記第一放射導体部の端部と前記接地導体部とを接続する短絡部と、一方の端部が前記第一放射導体部と接続されるとともに他方の端部が給電手段に接続される、前記第一放射素子とは異なる周波数特性を有する第二放射素子として機能する面状の第二放射導体部とからなる。

この構成によると、本発明のアンテナは、第一放射導体部が逆Fアンテナとして放射または受信する第１の周波数と、第二放射導体部が面状アンテナとして放射または受信する第２の周波数とを取り扱うことができる。また、第二放射導体部はその一端を前記第一放射導体部と接続しているとともにその他端を給電手段と接続しているので、１つの給電ポイントにより逆Fアンテナの構成要素としての第一放射導体部と面状アンテナの構成要素としての第二放射導体部との両者に給電される。さらに、整合回路が不要であり、不平衡給電が可能なため、簡単な構造の多周波共用アンテナを提供することができる。

本発明の好適な実施形態の１つとして、前記第二放射導体部が、本体部と、前記第一放射導体部との接続を行う接続線部とからなり、前記本体部が多角形断面をもつ板状体であり、前記第二放射素子として前記第一放射素子より高い周波数特性を有するように構成することができる。特に、適切な周波数特性を得やすい形状として、前記多角形断面が前記第一放射導体部の延び方向に対して傾斜している少なくとも１つの斜辺を有するようにすることも好適である。さらに具体的な実施形態の１つとして、前記多角形断面を、矩形断面における１つの角部の斜めカットによって前記斜辺を作り出している五角形断面とすることも好適である。

本体部の形状を適切に選択することにより、逆Fアンテナとしての第一放射導体部より、はるかに高い周波数特性を有する面状アンテナとしての第二放射導体部が安定した性能を有することができる。例えば、上記五角形断面を採用した場合、第一放射導体部による第一放射素子をＩＴＳ（Intelligent Transport Systems）等で採用されている７２０ＭＨｚ帯の電波を放射するように設定し、第二放射導体部による第二放射素子をＤＳＲＣ等で採用されている５．８ＧＨｚ帯の電波を放射するように設定することが可能となり、利便性のよい多周波共用アンテナが実現する。

さらに好ましい実施形態の１つでは、前記第二放射導体部が、前記第二放射素子よりも低く前記第一放射素子よりも高い周波数特性を有する第三放射素子として機能するように、前記本体部にスリットが形成される。

この構成により、第二放射導体部がそれぞれ周波数特性が異なる第二放射素子と第三放射素子として機能することになり、逆Fアンテナ構造に面状アンテナ構造を付加させただけの簡単な構造にもかかわらず３つの周波数を取り扱うことができる多周波共用アンテナが実現する。

第三放射素子に対して第二放射素子よりも低い周波数特性を持たせるためには、前記第二放射導体部が、前記第二放射素子よりも低く前記第一放射素子よりも高い周波数特性を有する第三放射素子として機能するように、前記本体部にスリットが形成されるとよい。

このスリットの形状を適切に選択することにより、第二放射導体部が、第二放射素子よりも低く第一放射素子よりも高い周波数特性を有する第三放射素子としても機能することができる。例えば、第三放射素子を無線ＬＡＮ等で採用されている２．４５ＧＨｚ帯の電波を放射するように設定することで、７２０ＭＨｚ帯と、２．４５ＧＨｚ帯と、５．８ＧＨｚ帯の３つの周波数を取り扱うことができる多周波共用アンテナが実現する。

上述したような３周波数共用アンテナを高い品質で提供するためには、第二放射導体部の構成が重要である。そのような第二放射導体部の具体的な構成として、本発明では、前記五角形断面をもつ前記本体部の傾斜縁辺部に対向する２つの辺部のうちの一方の辺部が前記第一放射導体部に対して平行で、他方の辺部が前記第一放射導体部に垂直であり、前記スリットが前記傾斜縁辺部から前記第一放射導体部に対して垂直に延びる第１スリット部と当該第１スリット部の奥側端部から前記第一放射導体部に対して平行に延びる第２スリット部とを有するものが提案される。

このような構成を採用することで、後述するように、優れた測定結果が得られる３周波数共用アンテナが実現する。その際、前記給電手段との給電ポイントが前記本体部の前記接地導体部に向き合う辺部の周辺に配置されると、給電手段を同軸ケーブル等で構成する場合においてもその配線レイアウトがスムーズとなる。

さらに、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記本体部と前記接続線部との移行領域に凹部が形成されている。この凹部の存在により、第二放射素子または第三放射素子あるいはその両方として機能する第二放射導体部から電波がより低い周波数を放射する逆Fアンテナとしての第一放射導体部に伝播することが抑制される。

前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とが同一平面上に配置されるような構成を採用すると、薄型でスペース効率が良い多周波共用アンテナが実現する。

さらに、第一放射導体部と短絡部と第二放射導体部との同一平面化は、前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とがプリント基板上に形成された導体層であるような製造法、または前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とが導体薄板からの一体的な打ち抜き加工品であるような製造法の採用を可能にする。前者の製造法、つまりプリント基板製造法では、低コストでの量産化が容易となる。また、後者の製造法、つまりプレス製造法では、低コストの製作が実現する。

本発明による多周波共用アンテナの好適な適用例の１つは車両用アンテナである。その際、この多周波共用アンテナがきわめて薄い構造体として形成可能であることから、前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とが車両ウインドウに沿うように装着可能に構成されることが好ましい。これにより、あまり目立つことがなく邪魔にならない配置にもかかわらず、周辺からの電波を受信しやすいという利点が得られる。

本発明による多周波共用アンテナの基本構想を説明する説明図である。 本発明による多周波共用アンテナの実施形態である３周波共用アンテナの概略構成図である。 多周波共用アンテナを自動車に装備した状態を示す斜視図である。 多周波共用アンテナにおける周波数−電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性の実測データを示す図である。 多周波共用アンテナの７２０ＭＨｚ帯域における実測での主偏波の放射パターンを示す図である。 多周波共用アンテナの２．４５ＧＨｚ帯域における実測での主偏波の放射パターンを示す図である。 多周波共用アンテナの５．８ＧＨｚ帯域における実測での主偏波の放射パターンを示す図である。 多周波共用アンテナのフロントガラス領域への取り付け方法を示す図である。 別実施形態での多周波共用アンテナを示す斜視図である。

まず、本発明による多周波共用アンテナの基本構想を、７２０ＭＨｚ帯と、２．４５ＧＨｚ帯と、５．８ＧＨｚ帯の３つの周波数を取り扱う３周波共用アンテナを例として、図１を用いて説明する。
この３周波共用アンテナの基本形態は逆Fアンテナ構造１０である。この逆Fアンテナ構造１０は、図１のほぼ中央に図示されているが、第一放射導体部１と、短絡部２と、接地導体部３と、接続線部４と、給電ポイントＦＰとを備えている。第一放射導体部１は大きな面積をもつ接地導体部３の直線状の一辺から所定間隔をあけて、つまり平行に延びている線状体である。短絡部２は、第一放射導体部１の一端から垂直に接地導体部３の方に延びて接地導体部３に接続している。接続線部４は、第一放射導体部１が７２０ＭＨｚ用の第一放射素子として機能するように設定された距離だけ短絡部２から離れて、第一放射導体部１から垂直に接地導体部３の方に延びている。接続線部４は、接地導体部３との間に隙間を残しており、この隙間領域に給電ポイントＦＰが設定されている。この給電ポイントＦＰにおいて、図１では示されていないが、同軸ケーブルの内部導体である芯線を接続線部４の端部に接続し、外部導体である編組線を接地導体部３に接続している。

このような逆Fアンテナ構造１０はよく知られているが、第一放射導体部１の長さを約９０ｍｍ、短絡部２の長さを約２２ｍｍ、短絡部２と接続線部４との間隔を約２５ｍｍと設定した場合での、周波数−電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性のシミュレーション結果が参考として図１に示されている。シミュレーション結果から、この逆Fアンテナ構造１０が７２０ＭＨｚ帯のアンテナとして機能することが理解できる。

本発明による多周波共用アンテナの１つは、図１に示すように、上述した逆Fアンテナ構造１０に面状アンテナ構造が組み合わされた、逆Fアンテナ＋面状アンテナ構造２０である。この面状アンテナ構造は、面状の第二放射導体部５を有する。この第二放射導体部５は、面状アンテナ本体部（以下単に本体部と称する）５ａと、この本体部５ａと第一放射導体部１とを接続する接続線部５ｂとを、一体構成の形で備えている。この接続線部５ｂは、第一放射導体部１の接続線部４と兼用されるもので、その端部と接地導体部３との間で給電ポイントＦＰが形成されることになる。本体部５ａは、正方体形状からその正方形の１直角部を含む直角三角形を切り落とした、五角形断面を有する。ここでは、第二放射導体部５の本体部５ａの１つの縁辺部が接続線部５ｂとなっており、逆Fアンテナ構造１０における接続線部４と兼用化されている。さらに、この五角形面状の第二放射導体部５が第一放射素子としての第一放射導体部１とは異なる周波数特性を有する第二放射素子として機能するように、本体部５ａは本体部５ａの一辺が第一放射導体部１と所定の隙間をあけて配置されている。ここでも、本体部５ａの形状寸法は、第二放射導体部５が５．８ＧＨｚ用の第二放射素子として機能するように設定されている。

上述した第二放射導体部５における、第一放射導体部１と平行及び垂直に延びる本体部５ａの２つの長辺の長さを約１８ｍｍ、カット斜辺によって短くなった短辺の長さを約４ｍｍと設定した場合での、周波数−電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性のシミュレーション結果が参考として図１に示されている。シミュレーション結果から、この第二放射導体部５が５．８ＧＨｚ帯のアンテナとして機能することが理解できる。

従って、第一放射導体部１と第二放射導体部５とが組み合わさって作り挙げられた逆Fアンテナ＋面状アンテナ構造２０は、７２０ＭＨｚ帯のアンテナ及び５．８ＧＨｚ帯のアンテナとして機能する多周波共用アンテナを作り出すことができる。

本発明による多周波共用アンテナの他の１つは、図１の下側に示されている、上述した逆Fアンテナ構造１０にスリット付き面状アンテナ構造が組み合わされた、逆Fアンテナ＋スリット付き面状アンテナ構造３０である。このスリット付き面状アンテナ構造も、上述した第二放射導体部５と同一の形状寸法の第三放射導体部６を有するが、その胴体部６ａには、縁辺部から内部に延びたスリット７が形成されている。この第三放射導体部６も、本体部６ａと接続線部６ｂとを、一体構成の形で備えている。つまり、第三放射導体部６は、本体部５ａにスリット７を形成した第二放射導体部５と同一である。このスリット７は、第二放射素子としての第二放射導体部５が放射する電波の周波数特性よりも低く、第一放射素子としての第一放射導体部１が放射する電波の周波数特性より高い周波数特性をもつ第三放射素子としても第三放射導体部６が機能するように形成される。具体例の１つとして、このスリット７は、傾斜縁辺部から第一放射導体部１に対して垂直に延びる第１スリット部７ａと、この奥側端部から前記第一放射導体部1に対して平行に延びる第２スリット部７ｂとからなる。

このように構成された逆Fアンテナ＋スリット付き面状アンテナ構造３０において、第１スリット部７ａの長さを約４ｍｍ、第２スリット部７ｂの長さを約８ｍｍと設定した場合での、周波数−電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性のシミュレーション結果が参考として図１に示されている。シミュレーション結果から、この第三放射導体部６、つまりスリット７を付加的に形成された第二放射導体部５は、５．８ＧＨｚ用の第二放射素子及び２．４５ＧＨｚ用の第三放射素子としても機能することが理解できる。従って、この逆Fアンテナ＋スリット付き面状アンテナ構造３０は、７２０ＭＨｚ帯のアンテナ、２．４５ＧＨｚ帯のアンテナ、及び５．８ＧＨｚ帯のアンテナとして機能する多周波共用アンテナを作り出すことができる。

次に、本発明による多周波共用アンテナの好適な実施形態を図２と図３を用いて説明する。図２は、この多周波共用アンテナ１００の概略構成図である。図３は、この多周波共用アンテナ１００を自動車のフロントまたはリヤウインド上部への装備した状態を示す斜視図である。

この多周波共用アンテナ１００は、図３に示すように、ガラスエポキシ基板９の上に銅箔パターンをプリント基板製造技術を利用して形成することで製作されている。３周波共用アンテナ１００は、図１で説明した逆Fアンテナ＋スリット付き面状アンテナ構造３０と実質的に同一であり、第一放射導体部１と、短絡部２と、接地導体部３と、接続線部４を介して第一放射導体部１と接続している第三放射導体部６と、給電ポイントＦＰとを備えている。なお第三放射導体部６は、その本体部５ａにスリットを形成された第二放射導体部５とみなすことができる。

この第三放射導体部６は、接続線部４につながっている接続線部６ｂとその接続線部６ｂの側方で面状に延びている本体部６ａとを備えている。接続線部６ｂは本体部６ａによって兼用されており、本体部５ａと接続線部５ｂとは一体化された部材である。さらにこの多周波共用アンテナ１００は、ガラスエポキシ基板上に銅箔パターンの形で形成されているので、第一放射導体部１と、短絡部２と、接地導体部３と、接続線部４、第三放射導体部６は、一体構成部材となっている。給電ポイントＦＰでは、給電手段としての同軸ケーブル１１の内部導体である芯線１１ａを接続線部４の端部に接続し、その外部導体である編組線１１ｂを接地導体部３に接続している。

接続線部６ｂを含む本体部６ａは、実質的に正方形から左下の直角部を含む二等辺直角三角形をカットした形状である。さらに、第一放射導体部１から延びてきている接続線部４と本体部６ａとの移行領域において凹部８が形成されている。この凹部８は、第一放射導体部１の下辺と向き合って互いに平行に延びている本体部６ａの上縁辺部と接続線部４とを境界付けるように下向きに延びている。この凹部８の存在により、第三放射導体部６によって励起される２．４５ＧＨｚと５．８ＧＨｚの波が第一放射導体部１に伝播することが抑制される。

この多周波共用アンテナ１００では、逆Fアンテナとしての周波数特性を決定する、第一放射導体部１の長さは約９０ｍｍ、短絡部２の長さは約２２ｍｍ、短絡部２と接続線部４との間隔は約２５ｍｍとされている。また、スリット付き面状アンテナの高周波側の周波数特性を決定する本体部６ａの形状寸法は、１８×１８ｍｍの正方形から二辺が１４ｍｍの直角三角形をカットした形状とされており、傾斜縁辺部の長さは約２０ｍｍ、カット斜辺によって短くなった短辺の長さを約４ｍｍとされている。また、スリット付き面状アンテナの高周波側の周波数特性を決定するスリット７の形状は、傾斜縁辺部のちょうど中間部から上方に直線状に、つまり第一放射導体部１の下辺に対して垂直に延びる第１スリット部７ａの長さは約４ｍｍ、さらに第１スリット部７ａから直角に折れて第一放射導体部１の下辺に対して平行に延びる第２スリット部７ｂの長さは約８ｍｍとされている。

なお、図３から明らかなように、この多周波共用アンテナ１００を自動車のフロントまたはリヤウインド上部にできるだけ乗員の視界の妨げにならないように配置するためには、比較的大きな面積を必要とする接地導体部３の領域を折り曲げて、その大部分をフロントまたはリヤウインド上部面に沿うようにするとよい。

このように構成された多周波共用アンテナ１００における周波数−電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性の実測データが図４に示されている。この多周波共用アンテナ１００が、実測データから、アンテナ機能として所望する周波数である７２０ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、５．８ＧＨｚに関してＶＳＷＲ２．０以下となっており、所望する周波数帯で利用可能な周波共用アンテナ１００が実現している。なお、図４での実測データから、５ＧＨｚ帯以上は広帯域特性を示していることも注記される。

図５から図７は、この多周波共用アンテナ１００における実測での主偏波の放射パターンを示す図である。図５は７２０ＭＨｚの放射パターン、図６は２．４５ＧＨｚの放射パターン、図１７は５．８ＧＨｚの放射パターンを示している。図５から図７において、それぞれ（ａ）はＸＹ面(水平面)の放射パターンを示し、（ｂ）はＸＺ面(垂直面)の放射パターンを示している。

〔実施例〕
図８は、上述した多周波共用アンテナ１００を自動車のフロントガラス１１領域に取り付けた例を示している。フロントガラス１１を接着剤１４を介在させてはめ込んでいるルーフ外板１２とルーフ室内側板１３との接合領域の内側面に多周波共用アンテナ１００が取り付けられている。上述した放射パターンを考慮すれば、このような取り付けによって、この多周波共用アンテナ１００が種々の方向に対しても良好に機能することは明らかである。

〔別実施の形態〕
上述した実施の形態の説明では、多周波共用アンテナ１００を構成する主要な要素である第一放射導体部１、短絡部２、接地導体部３、第二放射導体部５ないし第三放射導体部６がプリント基板上の銅箔パターンとして形成されていた。これに代えて、これらの要素を導体薄板からの打ち抜き加工のような機械成形によって作り出し、多周波共用アンテナ１００として組み上げることも可能である。この場合、各要素は金属板等で作製されるため、それ自体は自立構造品となる。従って、第一放射導体部１、短絡部２、第二放射導体部５ないし第三放射導体部６が同一面上ではなく、第二放射導体部５だけが、異なる面上に形成することも可能となる。例えば、図９では、第一放射導体部１と短絡部２とが形成される面と第二放射導体部５ないし第三放射導体部６が形成される面とが互いに直交している例が示されている。
また、上述した実施の形態では、第二放射導体部５ないし第三放射導体部６を特定形状の五角形としているが、その他の形状の五角形、あるいは、これに代えて三角形、四角形、六角形など、所望の周波数特性が得られる限りにおいて任意の多角形を採用してもよい。また、その際、採用した多角形状に応じて、スリット７の形状も任意に選択することができる。

１：第一放射導体部
２：短絡部
３：接地導体部
４：接続線部
５：第二放射導体部
６：第三放射導体部
７：スロット
７ａ：第１スロット
７ｂ：第２スロット
８：凹部
１１：同軸ケーブル（給電手段）
ＦＰ：給電ポイント
５ａ：本体部
５ｂ：接続線部
１００：多周波共用アンテナ

Claims (12)

1. 接地導体部と、
   前記接地導体部と所定間隔あけて対向している第一放射素子として機能する第一放射導体部と、
   前記第一放射導体部の端部と前記接地導体部とを接続する短絡部と、
   一方の端部が前記第一放射導体部と接続されるとともに他方の端部が給電手段に接続される、前記第一放射素子とは異なる周波数特性を有する第二放射素子として機能する面状の第二放射導体部とからなる多周波共用アンテナ。
2. 前記第二放射導体部が、本体部と、前記第一放射導体部との接続を行う接続線部とからなり、前記本体部が多角形断面をもつ板状体であり、前記第二放射素子として前記第一放射素子より高い周波数特性を有する請求項１に記載の多周波共用アンテナ。
3. 前記多角形断面が前記第一放射導体部の延び方向に対して傾斜している少なくとも１つの斜辺を有する請求項２に記載の多周波共用アンテナ。
4. 前記多角形断面が、矩形断面における１つの角部の斜めカットによって前記斜辺を作り出している五角形断面である請求項３に記載の多周波共用アンテナ。
5. 前記第二放射導体部が、前記第二放射素子よりも低く前記第一放射素子よりも高い周波数特性を有する第三放射素子として機能するように、前記本体部にスリットが形成されている請求項２から４のいずれか一項に記載の多周波共用アンテナ。
6. 前記五角形断面をもつ前記本体部の傾斜縁辺部に対向する２つの辺部のうちの一方の辺部が前記第一放射導体部に対して平行で、他方の辺部が前記第一放射導体部に垂直であり、前記スリットが前記傾斜縁辺部から前記第一放射導体部に対して垂直に延びる第１スリット部と当該第１スリット部の奥側端部から前記第一放射導体部に対して平行に延びる第２スリット部とを有する請求項４に記載の多周波共用アンテナ。
7. 前記給電手段との給電ポイントが前記本体部の前記接地導体部に向き合う縁辺部の周辺に配置されている請求項２から６のいずれか一項に記載の多周波共用アンテナ。
8. 前記本体部と前記接続線部との移行領域に凹部が形成されている請求項２から７のいずれか一項に記載の多周波共用アンテナ。
9. 前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とが同一平面上に配置されている請求項１から８のいずれか一項に記載の多周波共用アンテナ。
10. 前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とがプリント基板上に形成された導体層である請求項９に記載の多周波共用アンテナ。
11. 前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とが導体薄板からの一体的な打ち抜き加工品である請求項９に記載の多周波共用アンテナ。
12. 前記第一放射導体部と前記短絡部と前記第二放射導体部とが車両ウインドウに沿うように装着可能に構成されている請求項１から１１のいずれか一項に記載の多周波共用アンテナ。

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