JP2013197987A - 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、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２を有する第１の導電素子１と、第１の導電素子１と同一面上に形成され、所定の間隔を隔てて第１の導電素子１を囲むように配置された第２の導体素子５と、第１の導体素子１上に配置された第１給電端子３と、第２の導体素子５上に配置されたグラウンド端子４と、第２の導体素子５の一部を切断し、切断した両端部に配置された第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、および第２の導体素子５をループアンテナとする第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の導体素子の一部を切断し、切断した両端部に配置された２つの第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、および前記第２の導体素子をループアンテナとする第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

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、車両窓ガラス搭載アンテナ装置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上の第１導電素子１および第２の導電素子５を備える。第１の導電素子１は、その上に第１給電端子３を備える。第２の導電素子５は、その上に第１の導電素子１のグラウンド端子４と、第２の導電素子５の第２給電端子６および７とを備える。
なお、本実施形態では、第１の導電素子１はＧＰＳ用アンテナとして動作し、第２の導電素子５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の導電素子１および第２の導電素子５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の導電素子１を備えている。第１の導電素子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の導電素子１から所定の間隔Ｇをあけて、かつ、第１の導電素子１を囲むように、第２の導電素子５が配置される。
第１の導電素子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、一つの角とその対角に長さ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の導電素子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の導電素子１のＸ軸と平行な２辺のうち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Ｙ軸に平行な中心線ＣＹからわずかにずらして配置される。

第１のアンテナのグラウンド端子４は、第１の導電素子１において第１給電端子３が配されている位置のＹ軸正方向にある第２の導電素子５の一部を切断し、その切断した端部の角に備えられる。この第１の導電素子のグラウンド端子４から、第１のアンテナの第１給電端子３に給電する。

第２アンテナは、第２の導電素子により構成されている。この第２の導電素子は、透明導電材で形成され、第１の導電素子１を囲むように、間隔Ｇを保持して配置されている。ただし、第２の導電素子５の一部が幅Ｗで切断されている。そして、この切断された両方の端辺に第２アンテナの第２給電端子６および７を配置し、これら給電端子６と７の間に給電する。上記の構成により、第２の導電素子がループアンテナとして動作する。

第２の導電素子５の外周Ｌ１は、地デジ周波数帯の波長に対して、略１波長に設定する。ここで、外周Ｌ１は、第２の導電素子５の外側の辺の長さの合計をいう。
アンテナ装置１０は、例えば誘電率７のフロントガラス２０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、Ｌ１の長さは略４００ｍｍ、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の導電素子１の端辺と第２の導電素子５との間隔Ｇの電界により第１の導電素子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＋Ｙ方向の最上辺（すなわち、Ｘ軸に平行な辺のうち、最もＹ軸正方向（＋Ｙ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＋Ｘ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。

また、グラウンドとして使用する第２アンテナ素子５の一部を削除した形状で、ＧＰＳ用の平面パッチアンテナのアンテナ利得を保持するために、第１アンテナの第１給電端子３を、そのＹ軸と平行な中心線Ｃが第１の導電素子１の仮想正方形のＹ軸と平行な中心線ＣＹ（図１参照）からずれるようにして設ける。すなわち、その中心線Ｃが仮想正方形の中心線ＣＹと摂動部２のとの間に位置するように、第１アンテナの第１給電端子３を設ける。第１アンテナの第１給電端子３の中心線Ｃと仮想正方形の中心線ＣＹとのずれの大きさは、ＧＰＳ帯域の波長λＧ／１００以上、仮想正方形の一辺の長さの１／２から、摂動長Ｔおよび第１アンテナの第１給電端子３のＸ軸方向の幅の１／２を減じた長さ以下とする。例えば、その中心線Ｃを仮想正方形の中心線ＣＹより略５ｍｍ、摂動部２側にずらして、第１アンテナの第１給電端子３を配置する。

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４．５ｄＢｉ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、１ｄＢ以下となり良好な円偏波特性が得られていることになる。

すなわち、図２に示すアンテナ装置１０を車両１１の内側からフロントガラス２０に貼付する場合は、フロントガラス２０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、図１に示したように、第２の導電素子５は、第１の導電素子１を囲むように配置し、その一部を幅Ｗで切断し、切断した両方の端辺に第２給電端子６および７を配置している。そして、これら第２給電端子６および７間に給電する。第２の導電素子５の外周Ｌは地デジ周波数帯の波長に対して、略１波長に設定する。このため、第２の導電素子５は、１波長のループアンテナとして動作する。

第２の導電素子５は透明導電材で構成されている。このために、第２の導電素子５が視界をさえぎることがないから、第２アンテナ素子５の幅（図１ではＹ軸方向の両端の距離）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の導電素子５上の第１アンテナ素子１のグラウンド端子４および第２アンテナの第２給電端子６をＹ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。

すなわち、本実施の形態では、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すると共に、第２の導体素子５の一部を切断し、第２の導体素子５のグラウンド導体を第２周波数帯の地デジ用のループアンテナ（第２アンテナ）として動作させる。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、１つのアンテナで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、本実施形態では、第１の導電素子１をＧＰＳ帯の右旋円偏波アンテナ、第２の導電素子５を地デジアンテナとして説明したが、これによらず、第１の導電素子１が円偏波特性を有し、かつ、第１の導電素子１に対して第２の導電素子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。

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
１０ アンテナ装置
１１ フロント窓ガラス
２０ 車両

Claims (5)

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の導体素子の一部を切断し、切断した両端部に配置された２つの第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の導体素子をループアンテナとする第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２記載のアンテナ装置。
4. 前記第１給電端子の中心が、略正方形の前記第１の導体素子の中止線と前記第１給電端子に最も近い摂動部との間に位置することを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１給電端子と、前記グラウンド端子と、前記第２給電端子のうちの一つとが、直線状に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。