JP2011228767A - 車両用のａｍ／ｆｍ受信用ヘリカルアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、ＡＭ／ＦＭの両方の受信特性を改善可能なＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナを提供する。
【解決手段】ＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナは、エレメント１０と給電部２０とからなる。エレメント１０は、車両ボディＧ側の基端部１１と車両ボディＧと離れる側の先端部１２とを有している。そして、エレメント１０は、基端部１１から先端部１２まで螺旋状に巻回される。さらに、エレメント１０は、基端部１１及び先端部１２がそれぞれ異なる一定の巻回径で巻回されると共に、エレメント１０の巻回径は、基端部１１に比べて先端部１２のほうが太いものである。
【選択図】図１

Description

本発明は車両用のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナに関し、特に、小型化したＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナに関する。

従来から車両用のＦＭアンテナとしてポールアンテナ等が用いられている。一般的にはアンテナ長が１／４波長のモノポールアンテナが知られている。また、アンテナを小型化（短縮化）するために、エレメントをコイル状に巻回したヘリカルアンテナが知られている。そして、アンテナ長はＡＭ帯域に対して遥かに短いが、ＦＭ帯域用のヘリカルアンテナをＡＭ受信用としても用い、フィルタ回路や増幅器を介してＡＭ信号を受信するＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナも知られている。

ヘリカルアンテナで構成されるＡＭアンテナは、波長に比べてアンテナ長が非常に短い微小モノポールアンテナである。ここで、ＡＭアンテナ利得は、アンテナ長に略比例して増加し、アンテナ容量（アンテナ有効容量）もアンテナ長に比例して増加することが知られている。

したがって、ヘリカルアンテナのアンテナ長を短くすることは、ＡＭ／ＦＭアンテナのアンテナ利得を低下させることになるため、これを如何にして小さくするかが課題となっている。例えば特許文献１に開示のものでは、利得低下の原因となる、アンテナと車両ボディ間の浮遊容量を抑制するために、アンテナ・車両ボディ間の距離を離したり、アンテナ基端部側を狭いテーパ状とすることで、アンテナ特性を改善したものが開示されている。

特開平１０−２１５１１３号公報

しかしながら、特許文献１に開示のものでは、ＡＭアンテナ特性については一部改善できているが、ＡＭ／ＦＭ受信アンテナとして考えた場合、ＦＭアンテナの特性の改善には至らないだけでなく、むしろ特性劣化につながっているものであった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、小型化が可能で、ＡＭ／ＦＭの両方の受信特性を改善可能なＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による車両用のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナは、車両ボディ側の基端部と車両ボディと離れる側の先端部とを有し、基端部から先端部まで螺旋状に巻回されるエレメントであって、該エレメントは、基端部及び先端部がそれぞれ異なる一定の巻回径で巻回されると共に、エレメントの巻回径は、基端部に比べて先端部のほうが太い、エレメントと、エレメントの基端部側に接続される給電部と、を具備するものである。

ここで、エレメントは、基端部から先端部への巻回径の変化部がテーパ形状であれば良い。

また、エレメントは、基端部のアンテナ長が先端部のアンテナ長の略半分の長さであれば良い。

また、エレメントは、その巻回ピッチ間隔が、先端部が粗で基端部が密であっても良い。

さらに、エレメントを覆う誘電体からなる外装カバーを具備し、該外装カバーは、基端部に比べて先端部の比誘電率が高いものであっても良い。

請求項５に記載のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナにおいて、エレメントは、外装カバーの比誘電率の違いにより、等価的に巻回径が変えられても良い。

本発明の車両用のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナには、小型化が可能で、ＡＭ／ＦＭの両方の受信特性を改善可能なＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナを提供可能であるという利点がある。

図１は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナを説明するための概略斜視図である。 図２は、巻回径に対する寄生容量の変化特性を表すグラフである。 図３は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナの他の例を説明するための概略斜視図である。 図４は、基端部の巻回ピッチ間隔を粗密にした場合のＶＳＷＲ特性を表すグラフである。 図５は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナが外装カバーに覆われた例を説明するための概略斜視図である。 図６は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナが外装カバーに覆われた他の例を説明するための概略斜視図である。

まず、ヘリカルアンテナに関し、そのアンテナ容量について説明する。ヘリカルアンテナで構成されるＡＭアンテナのアンテナ容量Ｃは、等価的に終端開放の伝送線路のインピーダンスとして表すことができ、次式で示される。

但し、ωは角周波数、Ｚｏはアンテナの等価特性インピーダンス、λは波長、Ｌはアンテナ長、ε_ｒｅは実効比誘電率である。

また、アンテナの等価特性インピーダンスＺｏは次式で示される。
但し、Ｄはヘリカルアンテナの外径（巻回径）である。

一方、ヘリカルアンテナで構成されるＦＭアンテナでは、アンテナ長を短くしても、巻回径や巻数を変えることで、ＦＭ帯で共振するように構成されており、アンテナ利得に相当する放射抵抗Ｒｒは次式で示される。
Ｒｒ＝（２５．３Ｌ／λ）^２
但し、これはアンテナ長Ｌが外径Ｄに比べて大きいときに適用される式であり、実際には外径によりアンテナ面積は増大するため、外径Ｄが増加するとＦＭアンテナ利得は僅かであるが増加する。

そして、与えられた所定のアンテナ長Ｌを一定とすると、ＡＭ／ＦＭアンテナ利得の低下を防止するためには、数１により、ＦＭアンテナの放射抵抗に寄与の少ない関数として、アンテナの等価特性インピーダンスＺｏを変えることにより、ＡＭアンテナ容量Ｃを増加させることが可能であることが分かる。即ち、数２により、ヘリカルアンテナの外径Ｄを大きくすることで、アンテナの特性インピーダンスＺｏが下がり、数１からＡＭアンテナ容量Ｃが増加することが分かる。

但し、巻回径が大きくなった場合、ヘリカルアンテナの構成要素である接地面との電界結合も大きくなり、ＡＭ受信に寄与しない寄生容量（アンテナの無効容量）が増大することになる。これにより利得低下を起こしてしまい、巻回径を大きくしたことによるアンテナ利得の向上が生きてこなくなる場合がある。

なお、ＦＭアンテナとして見た場合、アンテナの等価直径である巻回径を大きくしても、ＦＭアンテナ利得については特に変化はないが、アンテナと接地面との電界結合による結合容量により、共振周波数を下げる効果と広帯域化する効果が得られる。

以上の点を踏まえて、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナを説明するための概略斜視図である。図示の通り、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナは、エレメント１０と、給電部２０とから主に構成されるものである。なお、図中、線幅や巻き数、巻回ピッチ間隔等は何れも模式的に表しているもので、図示例のものに限定されるものではない。

エレメント１０は、車両ボディＧ側の基端部１１と車両ボディＧと離れる側の先端部１２とを有し、基端部１１から先端部１２まで螺旋状に巻回されるものである。そして、エレメント１０は、基端部１１及び先端部１２がそれぞれ異なる一定の巻回径で巻回されている。即ち、本発明の最も特徴的な点であるが、エレメント１０は、その巻回径が、基端部１１に比べて先端部１２のほうが太いものである。換言すると、基端部１１が一定の細い巻回径で巻回され、先端部１２が一定の太い巻回径で巻回されるものである。

そして、給電部２０が、エレメント１０の基端部１１側に接続されている。給電部２０には、車両内部に設けられる受信機等（図示せず）が接続される。

なお、エレメント１０は、中空状に巻回されても良いが、製造上、所定の支持体３０に巻回されれば良い。支持体３０は、例えば可撓性を有する円筒状の樹脂からなるものである。エレメント１０の基端部１１に比べて先端部１２のほうが巻回径が太くなるように、支持体３０も、基端部側が一定の細い径を有し、先端部側が一定の太い径を有するように構成されれば良い。

そして、上述の数１から分かるように、ＡＭアンテナとして見た場合、先端部１２の巻回径を太くすることで、ＡＭアンテナ容量Ｃを増加させることが可能となる。即ち、数２から分かるように、エレメント１０の先端部１２の巻回径Ｄを大きくする、即ち、巻回径Ｄに対するアンテナ長ＬであるＬ／Ｄを小さくするほど、アンテナ特性インピーダンスＺｏが下がり、ＡＭアンテナ容量Ｃが増加することになる。

一方、エレメント１０の全体の巻回径を太くしてしまうと、接地面である車両ボディＧとの電界結合が大きくなってしまい、ＡＭ受信に寄与しない寄生容量が増大することになり、アンテナ利得低下の原因ともなり得る。しかしながら、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナでは、エレメント１０を、基端部１１のほうを先端部１２と比べて細く巻回させることにより、車両ボディＧとの電界結合を低減させ、アンテナ利得の低下を抑制している。

また、図示例では、エレメント１０の基端部１１から先端部１２への巻回径の変化部１３がテーパ形状に構成されている。これは、支持体３０の機械的な強度やエレメント１０の巻回し易さ等を考慮してテーパ形状としたものである。しかしながら、本発明はこれに限定されず、変化部は、ヘリカル軸に対して垂直に立ち上げて一気に変化させるようにしても勿論良い。

ここで、エレメントと車両ボディとの間の電界結合による寄生容量の変化について、説明する。図２は、巻回径に対する寄生容量の変化特性を表すグラフである。なお、横軸は１ターンリングの場合のリング径である。図示の通り、リング径が１０ｍｍ程度までは寄生容量の変化の度合いは少ないが、１０ｍｍ程度からは急激に寄生容量が増加することが分かる。したがって、具体的には、エレメント１０の基端部１１の巻回径は、１０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、エレメント１０の先端部１２の巻回径は、所望のアンテナ容量Ｃを得ることが可能なＬ／Ｄの関係から求めることが可能である。例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度であれば良い。

ＦＭアンテナとして見た場合、太い巻回径である先端部１２が長いほどＦＭ帯の帯域特性を改善することが可能となるため、先端部１２のアンテナ長は長いほうが良い。一方、ＡＭアンテナとしてみた場合、基端部１１のアンテナ長が短いほどＡＭアンテナ容量を増加させることが可能である。したがって、アンテナ長が一定の場合には、ＦＭ帯の特性改善とＡＭ帯の特性改善の兼ね合いで、基端部と先端部の長さの比率を決定すれば良い。ここで、ＦＭアンテナとしてみた場合には、基端部１１のアンテナ長に依存してＦＭ共振周波数が急激に変化する変極点があるため、基端部１１のアンテナ長は、この変極点を越えた長さとすることで共振周波数の変動の大きい変極点を避けつつ、ＦＭアンテナの広帯域化を図ることが可能なアンテナ長となるように、適宜調整されれば良い。より具体的には、先端部１２のアンテナ長に対して基端部１１のアンテナ長が、約３０％〜５０％程度となるように調整されれば良い。

本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナでは、このようにエレメントを構成することにより、アンテナ長を短くすることができるため小型化が可能であり、さらにＦＭ帯の特性を劣化させることなく、ＡＭ帯の特性改善を行うことが可能となる。

次に、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナの他の例について説明する。図３は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナの他の例を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表わしている。図１と異なる点は、基端部と先端部で巻回ピッチ間隔を異ならせているところである。図示の通り、この例では、巻回ピッチ間隔を、エレメント１０の先端部１２が粗で基端部１１が密にしている。このように構成することで、ＦＭ帯の帯域を広くすることが可能となる。

図４に、基端部の巻回ピッチ間隔を粗密にした場合のＶＳＷＲ特性を示す。図示の通り、巻回ピッチ間隔が粗なほどＱ値が高くなり、密なほどＱ値が低くなる。即ち、巻回ピッチが密なほど帯域が広がっていることが分かる。したがって、巻回ピッチ間隔を、先端部を粗にし、基端部を密にすることで、ＦＭ帯の帯域を改善可能なことが分かる。

また、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナは、その外側部分が外装カバーにより覆われても良い。このとき、外装カバーとしては、誘電体からなるエラストマ等が使用可能である。アンテナを先端開放の伝送線路としてみると、外装カバーを被覆すると誘電体として見なせるため、特性インピーダンスや電気長（波長短縮率）を、外装カバーにより変化させることが可能である。

図５は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナが外装カバーに覆われた例を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表わしている。数１より、実効比誘電率ε_ｒｅを高くすることによりアンテナ容量Ｃが大きくなることが分かる。したがって、図５の例では、外装カバー４０の外装カバー基端部４１に比べて外装カバー先端部４２の比誘電率が高くなるように、先端部４２の部分を誘電率の高いものとしている。これにより、アンテナ容量をさらに改善することが可能となる。なお、誘電体を挿入することにより、ＦＭアンテナとしては共振周波数が変化するが、これについては、例えば先端部１２の巻回ピッチ間隔等により適宜調整されれば良い。

なお、図示例では外装カバー４０の材料を、基端部４１と先端部４２で変えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、エレメントの巻回径が基端部に比べて先端部が太くなるように構成されていれば、全体を均一な外装カバー４０で覆うことでも比誘電率が高くなるため、アンテナ容量の改善効果は得られる。

さらに、図６は、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナが外装カバーに覆われた他の例を説明するための概略斜視図である。図中、図５と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表わしている。これまでの例では、エレメントの巻回径を物理的に基端部と先端部で変えることで、ＡＭアンテナ特性の改善を行っていたが、図６の例では、外装カバーの比誘電率の違いを用いて、等価的に巻回径を変えている。即ち、図示の通り、エレメント１０の物理的な巻回径は、基端部１１及び先端部１２で同一とする。そして、外装カバー先端部４２を比誘電率が高くなるように太い径とし、外装カバー基端部４１の径を小さくすることにより、これまでの例と同様、エレメントの巻回径を、基端部に比べて先端部のほうが等価的に太くなるように構成する。

なお、図５と同様に図６の例でも外装カバー４０の材料を、基端部４１と先端部４２とで変えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、単に外装カバーの太さの違いにより比誘電率を異ならせても良い。また、外装カバー４０の基端部４１と先端部４２の誘電率が異なれば良いため、外装カバー４０の径は全長で変えず、先端部４２の部分に用いる誘電体の比誘電率を、基端部４１と比べて高いものを用いることにより、同様に等価的に巻回径を変えることも可能である。

このように、本発明のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナでは、外装カバーの比誘電率の違いにより、等価的に巻回径を変えることも可能である。さらに、物理的に巻回径を変えている場合には、外装カバーの先端部の比誘電率が高くなるように構成することで、ＡＭアンテナ容量をさらに増加させることも可能となる。

１０ エレメント
１１ 基端部
１２ 先端部
１３ 変化部
２０ 給電部
３０ 支持体
４０ 外装カバー
４１ 外装カバー基端部
４２ 外装カバー先端部

Claims (6)

1. 車両用のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナであって、該ＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナは、
   車両ボディ側の基端部と車両ボディと離れる側の先端部とを有し、基端部から先端部まで螺旋状に巻回されるエレメントであって、該エレメントは、基端部及び先端部がそれぞれ異なる一定の巻回径で巻回されると共に、エレメントの巻回径は、基端部に比べて先端部のほうが太い、エレメントと、
   前記エレメントの基端部側に接続される給電部と、
   を具備することを特徴とするＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナ。
2. 請求項１に記載のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナにおいて、前記エレメントは、基端部から先端部への巻回径の変化部がテーパ形状であることを特徴とするＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナにおいて、前記エレメントは、基端部のアンテナ長が先端部のアンテナ長の略半分の長さであることを特徴とするＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナ。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナにおいて、前記エレメントは、その巻回ピッチ間隔が、先端部が粗で基端部が密であることを特徴とするＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナであって、さらに、前記エレメントを覆う誘電体からなる外装カバーを具備し、該外装カバーは、基端部に比べて先端部の比誘電率が高いことを特徴とするＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナ。
6. 請求項５に記載のＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナにおいて、前記エレメントは、外装カバーの比誘電率の違いにより、等価的に巻回径が変えられることを特徴とするＡＭ／ＦＭ受信用ヘリカルアンテナ。