JP2013197986A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の無線通信方式に対応した統合アンテナを同一アンテナ構成で実現し、省スペースで製造コストが安価であり、高い受信感度性能を発揮することができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】 アンテナ装置１０は、対向する２つの角を切り欠いた摂動部２を有する第１の導体素子１と、これと同一面上に、所定の間隔Ｇを隔てて第１の導体素子１を囲むように配置された第２の導体素子５と、これらと同一面上に形成され、第２の導体素子５と所定の間隔Ｗを隔て配置された第３の導体素子８と、第１給電端子３と、グラウンド端子４と、第２給電端子６、７とを備え、第１の導体素子１をその放射素子、第２の導体素子５をそのグラウンド導体とする第１アンテナとして動作し、かつ第２の導体素子５および第３の導体素子８をダイポール素子とする第２アンテナとして動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の通信方式に対応し、車両の窓ガラスに搭載されるアンテナ装置に関する。

近年、車両には、様々な通信システム（例えば、ＡＭ／ＦＭ放送、地上デジタル放送（地デジ）、ＧＰＳ、ＶＩＣＳ（登録商標）、ＥＴＣなど）が搭載され、それらの通信に対応した数多くのアンテナが必要となっている。従来、車両のダッシュボードに配置されていたＧＰＳやＥＴＣなどの円偏波用のマイクロストリップアンテナは、近年、平面アンテナとして、フロントの窓ガラスに貼付して配置され、加えて、地デジ用アンテナと統合されて配置されている場合がある。

このようなフロント窓ガラスに搭載される平面アンテナの具体例として、正方形の導体素子の１つの角と対角とにそれぞれに切り込み部（摂動）を備えた放射素子と、それと所定の間隔を隔て、放射素子を囲むアース導体とを備え、ＧＰＳ用円偏波アンテナとして動作するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
また、パッチ素子として、正方形のパッチ導体の１つの角と対角とのそれぞれに突出部を備え、ＧＰＳ用円偏波アンテナとして動作するものが知られている（例えば特許文献２参照）。
また、ループアンテナからなる第１アンテナ（地デジ用）と、第１アンテナに重ならないように配置された第２アンテナ（ＧＰＳ用）とを備え、第１、第２アンテナは各２つの給電端子を有しており、第１アンテナの一方の給電端子と第２アンテナの一方の給電端子とが１つの共通給電端子として構成されており、第２アンテナがループアンテナとその一辺に隣接して設けられた無給素子を備えている、ＧＰＳアンテナと地デジアンテナとが統合されているものが知られている(例えば特許文献３参照)。

ＷＯ０３／１０５２７８号公報 特開２００４−３２０３５６号公報 特開２０１０−２８３８５５号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載の構成では、ＧＰＳまたはＥＴＣなどの円偏波用のアンテナのみに対応するものである。このため、複数の通信用アンテナに対応するためには別にアンテナが必要となりコストが増大する。また、面積が限られた車両用のフロントガラスでは、多数のアンテナを設けることにより視界の妨げとなる可能性がある。

また、特許文献３に記載の構成では、ループ素子を線状素子で構成するために、地デジの広帯域（１３ｃｈ〜５２ｃｈ：４７３ＭＨｚ帯〜７０７ＭＨｚ帯）をカバーするのが困難である。このため、周波数帯によっては利得が低い場合がある。また、２重のループ素子に加え、無給電素子を備えるために構成要素が多く、コストが増大する。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、円偏波用の平面アンテナと広帯域な地デジ用アンテナとを統合させたアンテナ構成にすることで、低コスト化および省スペース化が図れ、さらに、アンテナ素子を透明導電材で実現することで、窓ガラスに搭載されたときに目立たない、統合アンテナとして高い受信感度性能を確保したアンテナ装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は、車両の窓ガラス上に設けられるアンテナ装置であって、略正方形の一方の対角方向において対向する２つの角を切り欠いた摂動部を有する第１の導体素子と、前記第１の導体素子と同一面上に形成され、前記第１の導体素子と所定の間隔を隔て、前記第１の導体素子を囲むように配置された第２の導体素子と、前記第１の導体素子および前記第２の導体素子と同一面上に形成され、前記第２の導体素子の一辺と所定の間隔を隔て配置された第３の導体素子と、前記第１の導体素子上に配置された第１給電端子と、前記第２の導体素子上に配置されたグラウンド端子と、前記第２の導体素子上に配置された第２給電端子と、前記第３の導体素子上に配置された第２給電端子とを備え、前記第１の導体素子をその放射素子、前記第２の導体素子をそのグラウンド導体とする第１アンテナとして動作し、かつ前記第２の導体素子および前記第３の導体素子をダイポール素子とする第２アンテナとして動作する構成を有している。

本発明のアンテナ装置によれば、複数の無線通信方式に対応する統合アンテナ構成であるため、製造コストが安価であり、高利得および広帯域が実現できるため、高い受信感度性能を発揮することができる。

本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置を示す図 本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置を搭載する車両を示す図 本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置の第１アンテナ素子の右旋円偏波指向性を示すグラフ 本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置の第１アンテナ素子の軸比を示すグラフ 本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置の第２アンテナ素子のＶＳＷＲ特性を示すグラフ 本発明の第２の実施形態におけるアンテナ装置を示す図

以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明のアンテナ装置としての第１の実施形態に係る車両の窓ガラスに搭載されるアンテナ装置１０を示すものであり、図２は、車両の窓ガラスに搭載されるアンテナ装置１０をフロント窓ガラス１１に備えた車両２０を示す。

図１に示すアンテナ装置１０は、図２に示すように車両２０のフロント窓ガラス１１に設けられるものである。そして、アンテナ装置１０は、フロント窓ガラス１１上に第１の導体素子１、第２の導体素子５および第３の導体素子８を備える。第１の導体素子１は、その上に第１アンテナの第１給電端子３を備える。第２の導体素子５は、その上に第１アンテナのグラウンド端子４と、第２アンテナの第２給電端子６を備える。第３の導体素子８は、その上に第２アンテナの第２給電端子７を備える。
なお、本実施形態では、第１アンテナはＧＰＳ用アンテナとして動作し、第２アンテナは地デジ用アンテナとして動作するものとして説明する。

第１の導体素子１、第２の導体素子５および第３の導体素子８は、導電性の材料で形成し、例えば光透過率８０％以上の透明導電材として説明する。なお光透過率は、ヘイズメータを用いて、ＪＩＳ−Ｋ−７１０５、ＪＩＳ−Ｋ−７３６１に準じた方法により測定した全光線透過率をいう。
透明導電材は、例えば、メッシュ状に構成され、線幅が２０ｕｍ、線間隔が９００ｕｍで形成され、シート抵抗は０．１Ω／□以下で設定する。

第１アンテナは、略正方形の透明導電材で形成された第１の導体素子１を備えている。第１の導体素子１は、略正方形の一つの角と対角とに切り欠きよりなる摂動部２を備えている。第１の導体素子１から所定の間隔Ｇをあけて、かつ、第１の導体素子１を囲むように、第２の導体素子５が配置される。
第１の導体素子１の対角の長さＡおよびＢは、ＧＰＳ周波数帯で適正な右旋円偏波となるように調整される。本実施形態では、摂動部２が設けられないことを仮定した場合の第１の導電素子１の形状である正方形を、図１に破線で示している。この破線で示した正方形を以下、適宜「仮想正方形」という。仮想正方形の四隅の角のうち、一つの角の対角に長さＴの切り欠きよりなる摂動部２を設定して上記調整を行う。同図に示すように、摂動部２は直角二等辺三角形であり、その長さＴを仮想正方形の辺の一部にあたる、直角を挟む二つの等しい辺の長さにより特定する。対角の長さＡとＢの長さはＧＰＳ帯域の波長λＧに対して、λＧ／４〜λＧの範囲内となる。

第１の導体素子１上の第１給電端子３は矩形に形成されている。そして、第１給電端子３は、その一辺が、第１の導体素子１のＹ軸と平行な２辺のうちの一方の一部と重なり、かつ摂動部２と重ならない位置に設けられる。また、第１給電端子３は、ＧＰＳ周波数帯で適正な右旋円偏波となるように、仮想正方形のＸ軸と平行な中心線ＣＸの上に略その中心が位置するように配置される。

第１アンテナのグラウンド端子４は、第１の導電素子において第１給電端子３が配されている位置のＸ軸正方向にある第２の導体素子５上に備えられる。この第１アンテナのグラウンド端子４から、第１アンテナの給電端子３に給電する。

第２アンテナは、第２の導体素子５および第３の導体素子８を備えている。第２の導体素子５は、透明導電材で形成され、第１の導体素子１を囲むように、間隔Ｇを保持して配置されている。この第２の導体素子５上に第２アンテナの給電端子６が配置される。
第３の導体素子８は、透明導電材で形成され、第２の導電素子５に近接し、間隔Ｗを保持して配置されている。また、第３の導体素子８は、等しい幅でＹ軸方向に平行に伸びる部分と、等しい幅でＸ軸方向に平行に伸びる部分が一体に形成されてなるＬ字型として構成されている。第３の導体素子８は、その上に第２アンテナの第２給電端子７を配置している。第２アンテナの給電端子６と給電端子７間に給電する。

第２アンテナにおいて、第３の導体素子８のＬ字の長辺（Ｘ軸と平行な方向、長手方向）の長さＬと、第２の導体素子５の第３の導体素子８のＬ字の長辺と略同一直線上に位置する一辺の長さをＬとを等しい長さとする。このため、前記２つの辺は、両者の中間のＹ軸に平行な線に対して対称に配置されている。それぞれの長さＬを地デジ周波数帯の波長に対して、略１／４波長に設定する。

また、第１アンテナの第１給電端子３、第１アンテナのグラウンド端子４、第２アンテナの第２給電端子６および７は、Ｘ軸方向に略一直線上に並べて配置している。

アンテナ装置１０は、例えば誘電率７のフロント窓ガラス１１上に配置されているために波長短縮される。このため、例えば、対角線Ａの長さは略５１ｍｍ、対角線Ｂの長さは略３２ｍｍ、摂動部２の長さＴは略１３ｍｍ、第１の導電素子１と第２の導電素子５の間隔Ｇは３ｍｍ、Ｌの長さは略８０ｍｍ、間隔Ｗは３ｍｍに設定する（図１参照）。
上記の長さで構成されたアンテナ装置１０の特性は図３〜図５に示した通りである。各特性については、各図を参酌しつつ後に説明する。

次に、本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置１０の動作について、図３の指向性パターン、図４の軸比特性および図５の電圧定在波比特性（ＶＳＷＲ特性、Voltage Standing Wave Ratio）を用いて説明する。
まず、ＧＰＳ用の第１アンテナは平面パッチアンテナとして、第１の導体素子１の端辺と第２の導体素子５との間隔Ｇの電界により第１の導体素子１の端部に磁流が生じ、その磁流によって電波を放射する。さらに、円偏波を実現するためには、仮想正方形の１つの角とその対角とに摂動部２を設け、その配置条件で右旋もしくは左旋円偏波を放射することができる。本実施形態では、第１アンテナの第１給電端子３を＋Ｘ方向の端辺（すなわち、Ｙ軸に平行な辺のうち、最もＸ軸正方向（＋Ｘ方向）側に位置している辺）に配置するために、第１アンテナの第１給電端子３から最も近い−Ｙ方向の仮想正方形の角とその対角とに摂動部２を設けることで、右旋円偏波を実現できる。

上記構成により、ＧＰＳ帯のアンテナ特性は図３に示すような指向性パターンとなり、仰角０度方向に最大利得４．０ｄＢｉが得られる。また、図４に示したように、円偏波を評価する指標とする軸比すなわち電界の最大と最小の比（この比が小さいほど円偏波に近くなり、大きいほど長軸と短軸との比が大きい楕円偏波となる。）も、仰角０度方向において、２ｄＢ以下となり良好な円偏波特性が得られている。

すなわち、図２に示すアンテナ装置１０を車両２０の内側からフロント窓ガラス１１に貼付する場合は、フロント窓ガラス１１に対して直交した方向に右旋円偏波、かつ、最大利得となることから、アンテナ指向性を衛星方向に向けることができる。

次に、地デジ用の第２アンテナは、第１の導体素子１を囲むように配置した第２の導体素子５の幅方向の長さと、第２の導体素子５とＷの間隔を隔てて配置したＬ字型の第３の導体素子８の長辺の長さをいずれも長さＬとしている。第２の導体素子５の幅方向の長さおよび、第３の導体素子８の長辺の長さは、いずれも、車両２０に配置された場合に窓枠から離れる位置、図２では下端となる一辺の長さＬである。このＬの長さを１／４波長とし、第２の導体素子５の第２アンテナの第２給電端子６と、第３の導体素子８の第２アンテナの第２給電端子７との間に給電する。この構成により、第２の導体素子５および第３の導体素子８が、半波長ダイポールアンテナとして動作する。車両２０に第２アンテナを搭載した場合の指向性は前方、後方方向に高い指向性となる。

第２アンテナは透明導電材で構成されている。このために、第２の導体素子５および第３の導体素子８が視界をさえぎることがないから、上述したこれらの長さＬの辺を備えた部分（図１ではＹ軸方向の距離）を例えば１５ｍｍ以上に太くすることが可能である。したがって、図５に示すように地デジの帯域内においてＶＳＷＲ＜３とすることができ、地デジ帯域で高い放射特性を確保できる。

なお、本実施形態のアンテナ装置１０は、図１に示すように、第１アンテナの第１給電端子３、第２の導体素子５上の第１アンテナのグラウンド端子４、第２アンテナの第２給電端子６および第３の導体素子８上の第２アンテナの第２給電端子７をＸ軸方向に直線状に並べて配置している。この構成を用いることで、これら各端子と接続する図示しない無線部のコネクタを１列に並べることができるから、無線部を小さく実現でき、コストダウンが実現できる。各端子を直線状に並べた配置は、無線部のコネクタを１列に並べることができるようなものであればよい。具体的には、各端子のＹ軸方向の中心線上に他の端子が位置する構成や、図１に示した各端子の中心線が相互に一致する構成が挙げられる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明のアンテナ装置としての第２の実施形態に係る車両の窓ガラスに搭載されるアンテナ装置１２を示すものである。アンテナ装置１２は、Ｌ字形の第３の導体素子８に代えて、その長手方向の辺がＹ軸と平行となる矩形の第３の導体素子９を第２の導体素子５の長辺に対して直角に配置した構成において、上述したアンテナ装置１０と異なっている。この他の構成については、アンテナ装置１０と同じであるから、同じ部材番号を付して説明を省略する。

第２の導体素子５の長辺に対して直角に配置した第３の導体素子９の動作原理は、水平に配置した第３の導体素子８の場合と同じであるが、指向性が異なる。例えば、車両の角に配置すれば、正面および後方方向の利得は水平ダイポールと比較して低下するが、窓枠を反射板として横方向の利得を高くできるという優位性がある。

第１および第２の実施の形態として説明したアンテナ装置１０、１２はいずれも、第１周波数帯であるＧＰＳ用右旋円偏波アンテナ（第１アンテナ）を第１の導体素子１の放射素子と第２の導体素子５のグラウンド導体とで実現し、第２周波数帯の地デジ用のダイポールアンテナ（第２アンテナ）を第２の導体素子と第３の導体素子とで実現する。このように、第２の導体素子５を異なる周波数帯で、動作状態を変えて用いることにより、３つの導体素子で２つの周波数帯に対応する統合アンテナを実現でき、省スペースによるコストダウン、高利得なＧＰＳアンテナ、広帯域高利得な地デジアンテナを実現できる。

なお、上述した各実施形態では、第１アンテナをＧＰＳ用の右旋円偏波アンテナ、第２アンテナを地デジ用アンテナとして説明したが、これによらず、第１アンテナが円偏波特性を有し、かつ、第１アンテナに対して第２アンテナの動作周波数帯が低い場合であれば、同様な効果が得られる。

また、本実施形態では、円偏波を実現するための放射素子として、正方形の対向する２つの角を切り欠いた摂動部を備えた素子として説明したが、これによらず、パッチアンテナ構造で円偏波を実現する手段を備えていれば、同様な効果が得られる。

また、本実施形態では、透明導電材をメッシュ構成として説明したが、これによらず、シート抵抗０．１Ω／□以下であり、光透過率が８０％以上の透明導電材であれば、同様な効果が得られる。

また、本実施形態では、第２の導体素子５上に第１アンテナのグラウンド端子と第２アンテナの給電端子を別々に示したが、同一端子としても同様な動作となる。
また、本実施形態では、第２の導体素子５と第３の導体素子８の素子長Ｌの長さを１／４波長として説明したが、略半波長としても同様な動作となる。

本発明のアンテナ装置は、複数のシステムに対応したアンテナを同一アンテナ構成で実現し、省スペースでかつ高い感度性能を発揮することができる効果を有し、例えば車両用フロント窓ガラスに搭載するアンテナ装置などに有用である。

１ 第１の導体素子
２ 摂動部
３ 第１給電端子
４ グラウンド端子
５ 第２の導体素子
６、７ 第２給電端子
８、９ 第３の導体素子
１０、１２ アンテナ装置
１１ フロント窓ガラス
２０ 車両

Claims (4)

1. 車両の窓ガラス上に設けられるアンテナ装置であって、
   略正方形の一方の対角方向において対向する２つの角を切り欠いた摂動部を有する第１の導体素子と、
   前記第１の導体素子と同一面上に形成され、前記第１の導体素子と所定の間隔を隔て、前記第１の導体素子を囲むように配置された第２の導体素子と、
   前記第１の導体素子および前記第２の導体素子と同一面上に形成され、前記第２の導体素子の一辺と所定の間隔を隔て配置された第３の導体素子と、
   前記第１の導体素子上に配置された第１給電端子と、
   前記第２の導体素子上に配置されたグラウンド端子と、
   前記第２の導体素子上に配置された第２給電端子と、
   前記第３の導体素子上に配置された第２給電端子とを備え、
   前記第１の導体素子をその放射素子、前記第２の導体素子をそのグラウンド導体とする第１アンテナとして動作し、かつ
   前記第２の導体素子および前記第３の導体素子をダイポール素子とする第２アンテナとして動作することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１アンテナは円偏波用アンテナとし、かつ、前記第１アンテナの動作周波数は前記第２アンテナの動作周波数より高いことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第１給電端子と、前記グラウンド端子、前記第２の導体素子上の前記第２給電端子と、前記第３の導体素子上の前記第２給電端子とを直線状に配置することを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記第１の導体素子および前記第２の導体素子を光透過率８０％以上の透明導電材を用いることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。