JP2012165258A - 無線機器用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】近傍に導電物体が存在した場合であっても全周方向の電波を良好に送受信できる無線機器用アンテナを提供する。
【解決手段】板状に形成された導体であって、電位がＧＮＤレベルに保たれたＧＮＤ板１０に平行にプリント基板２０を配置する。プリント基板２０と導通するようにプリント基板２０上に短絡導体３２，４２を配置し、その先端に電波を放射するための放射板３４，４４を取り付ける。また、放射板３４，４４から放射する送信信号を供給する給電点を有する逆Ｆ型のアンテナエレメント３０，４０を、送受信する電波の２分の１波長の間隔で、導電物体７０の側面と略平行に２つ配置する。また、ＧＮＤ板１０とプリント基板２０との間で、かつ、２つのアンテナエレメント３０，４０それぞれの近傍に、プリント基板２０をＧＮＤ板１０から、送受信する電波の１６分の１波長以上の高さにかさ上げするための２つのかさ上げ用導体板５０，６０を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、全周方向の電波を良好に送受信できる無線機器用アンテナ、特に車載用として好適な無線機器用アンテナに関する。

従来、無線機器用の送受信回路をシールドするためのシールド板をＧＮＤ板とし、短絡導体を介してＧＮＤ板に平行な放射板を配置することにより、シールド板をＧＮＤ板とした逆Ｆ型アンテナを構成し、この逆Ｆ型アンテナを異なる向きに複数配置することによってダイバーシティアンテナを構成した無線機器用アンテナがある（例えば、特許文献１参照）。
この無線機器用アンテナによれば、複数のアンテナの指向性が合成されて得られる指向性によって、ほぼ無指向性のアンテナを実現することができた。

特開２００３−２９８３４０号公報

ところが、上記無線機器用アンテナでは、アンテナ近傍の特定の方向、例えば、複数のアンテナの配置方向に並行して金属構造物など金属物体が存在した場合には、その金属物体が反射器として作用し、無線機器用アンテナの指向性に偏りが発生することとなり、送受信性能が低下するという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、近傍に導電物体が存在した場合であっても全周方向の電波を良好に送受信できる無線機器用アンテナを提供することを目的とする。

この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。

上記「発明が解決しようとする課題」において述べた問題を解決するためになされた発明は、導電物体（７０）の近傍に設置される無線機器用アンテナ（１）であって、ＧＮＤ板（１０）、導体板（２０）、アンテナエレメント（３０，４０）及びかさ上げ用導体板（５０，６０）を備えている。

ＧＮＤ板（１０）は、板状に形成された導体であって、電位がＧＮＤレベルに保たれたものであり、導体板（２０）は、ＧＮＤ板（１０）に平行に配置された導体板である。
アンテナエレメント（３０，４０）は、導体板（２０）と導通するように導体板（２０）上に配置された短絡導体（３２，４２）及び短絡導体（３２，４２）の先端に電波を放射するための放射板（３４，４４）を配置してなり、送受信する電波の２分の１波長の間隔で、導電物体（７０）の側面と略平行に２つ配置されたモノポール型のアンテナである。

かさ上げ用導体板（５０，６０）は、ＧＮＤ板（１０）と導体板（２０）との間で、かつ、２つのアンテナエレメント（３０，４０）それぞれの近傍に配置され、導体板（２０）をＧＮＤ板（１０）から、所定の高さにかさ上げするための２つの導体の板である。

このような無線機器用アンテナ（１）は、近傍に導電物体（７０）が存在した場合であっても全周方向の電波を良好に送受信できるアンテナとなる。以下説明する。
請求項１に記載の無線機器用アンテナ（１）では、ＧＮＤ板（１０）に平行に導体板（２０）を配置し、その上に２分の１波長の間隔で２つのアンテナエレメント（３０，４０）を配置し、導体板（２０）をかさ上げ用導体板（５０，６０）でＧＮＤ板（１０）から所定の高さかさ上げしている。

さらに、２つのアンテナエレメント（３０，４０）が導電物体（７０）の側面と略平行になるように、無線機器用アンテナ（１）を導電物体（７０）の近傍に置くようにしている。

すると、給電点から供給される送信信号に対し、ＧＮＤ板（１０）、導体板（２０）及びかさ上げ用導体板（５０，６０）との間に電流ループが形成される。
つまり、２つのアンテナエレメント（３０，４０）間の導体板（２０）及び２つのかさ上げ用導体板（５０，６０）に形成される電流経路と、その電流経路に対してＧＮＤ板（１０）により形成される鏡像と、から成る電流ループが形成される。

この電流経路は、導体板（２０）に形成される２つのアンテナエレメント（３０，４０）間の２分の１波長の電流経路１及び２つのかさ上げ用導体板（５０，６０）により形成される電流経路２と、ＧＮＤ板（１０）により形成される鏡像により、電流経路１と電流経路２の和の２倍の波長となる。

この電流ループが新たな波源として作用するため、導電物体（７０）に誘起される電流の電流分布が変化する。それにより、２つのアンテナエレメント（３０，４０）と導電物体（７０）に流れる電流の位相関係が変化するため、２つのアンテナエレメント（３０，４０）から放射される電波の指向性の同一方向への偏りが変化し、無線機器用アンテナ（１）の指向性が補完されることとなる。

よって、近傍に導電物体（７０）が存在した場合であっても全周方向の電波を良好に送受信できるアンテナとなる。
ここで、「導電物体（７０）の近傍」とは、アンテナエレメント（３０，４０）に供給される送信信号が、導体板（２０）と導通できる範囲内であることを意味しており、
「２つのアンテナエレメント（３０，４０）それぞれの近傍」とは、２つのアンテナエレメント（３０，４０）と導体板（２０）の間の距離が、前述の電流ループが形成される程度の範囲内にあることを意味している。

以上のように、かさ上げ用導体板（５０，６０）によって導体板（２０）がＧＮＤ板（１０）からかさ上げされていると、電流ループが形成されるので、全周方向の電波を良好に送受信できる無線機器用アンテナ（１）となるが、特に、請求項２に記載のように、かさ上げ用導体板（５０，６０）の所定の高さを、送受信する電波の１６分の１波長以上にすると、全周方向の電波をより良好に送受信できるようになる。

また、請求項３に記載のように、２つのアンテナエレメント（３０，４０）間の距離を、導電物体（７０）の幅より大きくし、さらに、２つのアンテナエレメント（３０，４０）の給電点から導電物体（７０）までの距離が、送受信する電波の２分の１波長以内であるように配置するとよい。

このようにすると、前述のように形成される電流ループに電流がより流れやすくなるため、２つのアンテナエレメント（３０，４０）から放射される電波の指向性の同一方向への偏りが変化し、指向性が補完されやすくなる。

ところで、モノポール型のアンテナエレメント（３０，４０）には、モノポールアンテナやＬ型アンテナなど種々のアンテナがあるが、請求項３に記載のように、モノポール型のアンテナエレメント（３０，４０）は、逆Ｆ型アンテナであると、他のモノポール型アンテナに比べ、高さ方向が短い無線機器用アンテナ（１）とすることができる。したがって、特に車載用として適した無線機器用アンテナ（１）とすることができる。

また、請求項５に記載のように、導体板（２０）を、少なくとも、２つのアンテナエレメント（３０，４０）間を導通させる導体パターンが形成されたプリント基板であるようにすると、２つのアンテナエレメント（３０，４０）間を導通させる導体パターン以外に、他の導体パターンを形成することにより、導体板（２０）上に種々の回路素子を配置して、電子回路を形成することができるので、無線機器用アンテナ（１）を小型にすることができる。

無線機器用アンテナの概略の構成を示す構成図である。 アンテナエレメントと導電物体に流れる電流分布をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。 従来のアンテナと本実施形態における無線機器用アンテナの指向性を示す図である。 かさ上げ用導体板の間隔を変化させたとき無線機器用アンテナの指向性を示す図である。 かさ上げ用導体板の長さを変化させたとき無線機器用アンテナの指向性を示す図である。 かさ上げ用導体板の長さを変化させたとき無線機器用アンテナの指向性を示す図である。

以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
（無線機器用アンテナ１の構成）
図１は、本発明が適用された無線機器用アンテナ１の概略の構成を示す構成図である。無線機器用アンテナ１は、ＧＮＤ板１０、プリント基板２０、アンテナエレメント３０，４０及びかさ上げ用導体板５０，６０を備えており、導電物体７０の近傍に設置されている。

導電物体７０は、金属構造物などの導電体であり、例えば、車体の屋根上やボンネット上に設置されているテレマティクス用アンテナなどである。つまり、複数のアンテナを狭い空間内に集合させて、コンパクトな形状にしたときの、無線機器用アンテナ１以外の他のアンテナが導電物体７０の例となる。

ＧＮＤ板１０は、略長方形の板状に形成された銅板など金属等の導体板であって、電位がＧＮＤレベルに保たれているように接地されている。
プリント基板２０は、略長方形の板状に形成されており、長手方向が導電物体７０の側面に平行で、板面がＧＮＤ板１０に平行になるように配置されている。そして、２つのアンテナエレメント３０，４０間を導通させる導体パターンが形成されている。

なお、プリント基板２０には、２つのアンテナエレメント３０，４０間を導通させる導体パターン以外にも、半導体集積回路チップや電子部品を搭載して、無線機器用アンテナ１を作動させるための電子回路を構成するための導体パターンが形成されていてもよい。

アンテナエレメント３０，４０は、プリント基板２０上の導電物体７０から遠い側の両隅に配置されている。
２つのアンテナエレメント３０，４０は、モノポール型アンテナの一種である逆Ｆ型アンテナであり、図１に示すように、プリント基板２０の板面に対し略垂直になるように、短絡導体３２，４２がプリント基板２０上のアンテナエレメントの導体パターンに電気的に接続されている。また、短絡導体３２，４２の先端に、放射板３４，４４がプリント基板２０に平行となるように取り付けられている。

このとき、一枚の導体板を、プリント基板２０に垂直になるように装着し、その導体板を折り曲げてＬ字型を形成するようにすると、垂直部分が短絡導体３２，４２となり、ＧＮＤ板１０に平行な部分が放射板３４，４４となる。

そして、アンテナエレメント３０，４０の放射板３４，４４に、短絡導体３２に平行となるように板状の給電導体３６，４６を、その先端部分がＧＮＤ板１０と接触しないように取り付ける。

そして、アンテナエレメント３０，４０の給電導体３６，４６の先端を給電点とし、給電点とＧＮＤ板１０との間に５ＧＨｚの送信信号を給電する。
２つのアンテナエレメント３０，４０の給電点間の距離は、導電物体７０の幅より大きく、２つのアンテナエレメント３０，４０の給電点から導電物体７０までの距離が、送受信する電波の２分の１波長以内であるように配置されている。

かさ上げ用導体板５０，６０は、略長方形に形成された２つの導体板であり、プリント基板２０をＧＮＤ板１０から、送受信する電波の１６分の１波長以上の高さにかさ上げするための導体板である。２つのかさ上げ用導体板５０，６０は、ＧＮＤ板１０とプリント基板２０との間で、かつ、長手方向端がプリント基板２０の短手方向端に取り付けられている。
（無線機器用アンテナ１の特徴）
以上のように構成された無線機器用アンテナ１では、ＧＮＤ板１０に平行に、導体板としてのプリント基板２０を配置し、その上に２分の１波長の間隔で２つのアンテナエレメント３０，４０を配置し、プリント基板２０をかさ上げ用導体板５０，６０でＧＮＤ板１０から１６分の１波長以上かさ上げし、さらに、２つのアンテナエレメント３０，４０が導電物体７０の側面と略平行になるように、無線機器用アンテナ１を導電物体７０の近傍に置くようにしてある。

すると、給電点から供給される送信信号に対し、ＧＮＤ板１０、プリント基板２０及び２つのかさ上げ用導体板５０，６０との間に略１波長の電流ループが形成される。つまり、２つのアンテナエレメント３０，４０間のプリント基板２０に形成される電流経路と２つのかさ上げ用導体板５０，６０に形成される電流経路及びＧＮＤ板１０により形成される電流経路と、その電流経路の鏡像とから成る略１波長の電流ループが形成される。

この電流ループが新たな波源として作用するため、導電物体７０に誘起される電流の電流分布が変化する。それにより、２つのアンテナエレメント３０，４０と導電物体７０に流れる電流の位相関係が変化するため、２つのアンテナエレメント３０，４０から放射される電波の指向性の同一方向への偏りが変化し、指向性が補完されることとなる。

よって、近傍に導電物体７０が存在した場合であっても全周方向の電波を良好に送受信できるアンテナとなる。
２つのアンテナエレメント３０，４０間の距離を、導電物体７０の幅より大きくし、さらに、２つのアンテナエレメント３０，４０の給電点から導電物体７０までの距離が、送受信する電波の２分の１波長以内であるように配置してある。

したがって、電流ループに電流がより流れやすくなるため、２つのアンテナエレメント３０，４０から放射される電波の指向性の同一方向への偏りが変化し、指向性が補完されやすくなる。

この様子を、図２に示す。図２は、アンテナエレメント４０の給電点に５ＧＨｚの送信信号を印加した場合に、アンテナエレメント３０，４０と導電物体７０に流れる電流分布をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。

図２では、矢印によって電流の向きを示し、矢印の分布の疎／密によって電流分布の疎／密を示している。つまり、矢印の分布が疎の部分は電流分布が疎であり、矢印の分布が密の部分は電流分布が密である。

かさ上げ用導体板５０，６０がない従来のアンテナでは、図２（ａ）に示すように、導電物体７０の右下部分の矢印の分布が他の部分に比べて密になっている。つまり、導電物体７０の右下部分の電流分布が密になっており、導電物体７０における電流分布が均一ではないことが分かる。

これに対し、無線機器用アンテナ１では、導電物体７０の全体にほぼ均一に矢印が分布しており、導電物体７０において電流分布が均一であることを示している。
次に、図３に基づき、無線機器用アンテナ１によって指向性が改善された様子を説明する。図３は、放射する電波が５ＧＨｚで、かさ上げ用導体板５０，６０の高さをλ／１２とした場合に、シミュレーションによって求めた従来のアンテナと本実施形態における無線機器用アンテナ１の指向性を示す図である。なお、「λ」は、放射する電波の波長を示している。

なおシミュレーションにあたっては、模擬的に一方のアンテナエレメント３０に給電したときには、他方のアンテナエレメント４０の給電点を５０Ωの終端抵抗を介してプリント基板２０の導体パターンに接続している。

図３において、中心部分に無線機器用アンテナ１（アンテナエレメント３０，４０）及び導電物体７０が置かれており、図３中Ｐ１で示す破線の曲線は、アンテナエレメント３０の指向性を示し、Ｐ２で示す実線の曲線は、アンテナエレメント４０の指向性を示している。

図３（ａ）に従来のアンテナの指向性を示し、図３（ｂ）に無線機器用アンテナ１の指向性を示す。
図３（ａ）に示すように、従来のアンテナにおける指向性は、アンテナエレメント３０の指向性Ｐ１とアンテナエレメント４０の指向性Ｐ２とが補完し合っても、導電物体７０方向の指向性が低下している。

これに対し、無線機器用アンテナ１では、Ｐ１とＰ２とが補完し合う結果、導電物体７０の方向に対して、指向性が低下していない。つまり、従来アンテナに比べ、全周方向に良好な指向性を示していることが分かる。

次に、図４に基づき、かさ上げ用導体板５０，６０の高さと指向性の関係について説明する。図４は、かさ上げ用導体板５０，６０の高さと指向性の関係を示す図である。
図４（ａ）に、かさ上げ用導体板５０，６０がない場合のアンテナ（従来のアンテナ）の指向性を示す。また、図４（ｂ）〜図４（ｉ）にかさ上げ用導体板５０，６０の高さを、電波の波長λに対し、λ／５０、λ／２５、λ／１６、λ／１２、λ／１０、λ／８、λ／７、λ／６とした場合の無線機器用アンテナ１の指向性を示す。

図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す指向性は、図４（ａ）に示す指向性と余り差がなく、Ｐ１とＰ２が補完し合ったとしても、導電物体７０の方向に指向性が低下する部分がある。それに対し、図４（ｄ）〜図４（ｉ）に示す指向性は、Ｐ１とＰ２とが補完し合うことによって、導電物体７０方向に指向性が低下する部分がなく、図４（ａ）に示す指向性に比べ、全周方向に対して良好な指向性が得られていることが分かる。

つまり、かさ上げ用導体板５０，６０として、λ／１６以上の高さがあれば、全周方向に対する指向性が改善される。
次に、図５に基づき、かさ上げ用導体板５０，６０の間隔を変化させた場合の無線機器用アンテナ１の指向性について説明する。図５は、５ＧＨｚの電波を放射する場合に、かさ上げ用導体板５０，６０の間隔を変化させたとき無線機器用アンテナ１の指向性を示す図である。

図５（ａ）〜図５（ｈ）に、かさ上げ用導体板５０，６０の間隔をそれぞれ、λ／１、９、λ／２、λ／２．２、λ／２．４、λ／２．７、λ／３、λ／３．４、λ／３．９としたときの無線機器用アンテナ１の指向性を示している。なお、図５においては、かさ上げ用導体板５０，６０の高さは、λ／１２としてある。

図５（ａ）〜図５（ｈ）に示すように、かさ上げ用導体板５０，６０の間隔が、λ／２より小さくなるほど、Ｐ１とＰ２とにより補完される指向性には、導電物体７０の方向に指向性が低下する部分が現れるようになることが分かる。

次に、図６に基づき、かさ上げ用導体板５０，６０の長手方向の長さを変化させた場合の無線機器用アンテナ１の指向性について説明する。図６は、５ＧＨｚの電波を放射する場合に、かさ上げ用導体板５０，６０の長さを変化させたとき無線機器用アンテナ１の指向性を示す図である。

図６（ａ）〜図６（ｃ）に、かさ上げ用導体板５０，６０の長さをそれぞれ１５ｍｍ、１１．２５ｍｍ、７．５ｍｍとしたときの無線機器用アンテナ１の指向性を示している。
図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、放射周波数が５ＧＨｚの場合、かさ上げ用導体板５０，６０の長さが１１ｍｍ以上であれば、Ｐ１とＰ２とで補完される指向性には、導電物体７０の方向に指向性が低下する部分がなく、全周方向に良好な指向性が得られることが分かる。

また、モノポール型のアンテナエレメント３０，４０として、逆Ｆ型アンテナを用いているので、他のモノポール型アンテナに比べ、高さ方向が短い無線機器用アンテナ１とすることができる。したがって、特に車載用として適した無線機器用アンテナ１とすることができる。

さらに、２つのアンテナエレメント３０，４０間を導通させる導体パターンが形成されたプリント基板２０を用いて導通させているので、２つのアンテナエレメント３０，４０間を導通させる導体パターン以外に、他の導体パターンを形成することにより、プリント基板２０上に種々の回路素子を配置して、電子回路を形成することができるので、無線機器用アンテナ１を小型にすることができる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
（１）上記実施形態では、かさ上げ用導体板６０をプリント基板２０の短手方向の長さと同じにしたが、短手方向の長さの２分の１以上の長さであれば、同じ性能を得ることができる。
（２）上記実施形態では、アンテナエレメント３０，４０として、逆Ｆ型アンテナを用いたが、無線機器用アンテナ１の設置スペースに余裕があれば、逆Ｌ型アンテナなど他のモノポール型アンテナを用いてもよい。

１…無線機器用アンテナ、１０…ＧＮＤ板、２０…プリント基板、３０，４０…アンテナエレメント、３２，４２…短絡導体、３４，４４…放射板、３６，４６…給電導体、５０，６０…かさ上げ用導体板、７０…導電物体。

Claims (5)

1. 導電物体の近傍に設置される無線機器用アンテナであって、
   板状に形成された導体であって、電位がＧＮＤレベルに保たれたＧＮＤ板と、
   前記ＧＮＤ板に平行に配置された導体板と、
   前記導体板と導通するように該導体板上に配置された短絡導体及び該短絡導体の先端に電波を放射するための放射板を配置してなり、送受信する電波の２分の１波長の間隔で、前記導電物体の側面と略平行に２つ配置されたモノポール型のアンテナエレメントと、
   前記ＧＮＤ板と前記導体板との間で、かつ、前記２つのアンテナエレメントそれぞれの近傍に配置され、前記導体板を前記ＧＮＤ板から、所定の高さにかさ上げするための２つのかさ上げ用導体板と、
   を備えることを特徴とする無線機器用アンテナ。
2. 請求項１に記載の無線機器用アンテナにおいて、
   前記かさ上げ用導体板の所定の高さは、
   送受信する電波の１６分の１波長以上であることを特徴とする無線機器用アンテナ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の無線機器用アンテナにおいて、
   前記２つのアンテナエレメント間の距離は、前記導電物体の幅より大きく、
   前記２つのアンテナエレメントの給電点から前記導電物体までの距離が、送受信する電波の２分の１波長以内であるように配置されていることを特徴とする無線機器用アンテナ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の無線機器用アンテナにおいて、
   前記モノポール型のアンテナエレメントは、逆Ｆ型アンテナであることを特徴とする無線機器用アンテナ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の無線機器用アンテナにおいて、
   前記導体板は、
   少なくとも、前記２つのアンテナエレメント間を導通させる導体パターンが形成されたプリント基板であることを特徴とする無線機器用アンテナ。