JP2013540406A - 広帯域のアンテナ - Google Patents

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Abstract

自動車両窓アセンブリ。窓アセンブリは、内側金属縁部を有する枠、及び枠に固定された窓ガラスを含む。窓ガラスは、内側ガラス・プライ、外側ガラス・プライ、内側ガラス・プライと外側ガラス・プライの間の中間層、及び外側ガラス・プライの表面上に位置付けられた導電性被覆を含み、導電性被覆は、枠の内側金属縁部から間隔をおいて配置された外側周縁部を有して、アンテナ・スロットを画定する。窓アセンブリは、導電性被覆の外側周縁部に電気的に接続されたアンテナ給電構造、及び内側ガラス・プライ上に位置付けられ、アンテナ給電構造に近接して導電性被覆の外側周縁部に重なる容量結合ストリップも含み、結合ストリップは、広帯域無線周波数信号をアンテナ・スロットに結合して出し入れするためのものである。

Description

標準のホイップアンテナ、及び屋根取付け式マスト・アンテナの代用として、後窓、及びウインドシールドの埋込式ワイヤ、若しくは銀プリントのアンテナを含む自動車両窓アンテナが、長年にわたり使用されてきた。最近では、金属被覆された赤外線反射薄膜が、車両用アンテナとして使用されている。他のアンテナ構成は、車両窓の金属枠と窓に接着された導電性透明膜パネルの間にスロット・アンテナを組み込み、窓枠の内縁から間隔をおいて配置された外側周縁部を有してスロット・アンテナを画定するものである。様々なこうした構成では、車両本体の窓枠に重なる導電性被覆の少なくとも1つの縁部を使用して、結合によって、高周波数での接地との短絡を形成し、無線周波の送信、及び受信を向上させる。
車両の電子機器の性能要求が急速に高まるに従って、ますます多くのアンテナが車両に一体化されるようになった。特に、FM、及びTV周波数では、アンテナ・システムは、多重通路、及びフェージングの影響を克服するため、ダイバーシティ動作に幾つかのアンテナを必要とする。現在のシステムでは、別個のアンテナ、及びアンテナ給電が、こうした要求を満たすために使用される。例えば、AM、FM/TVダイバーシティ、気象帯域(weather band)、Remote Keyless Entry、及びDAB Band IIIをカバーするために、大部分のアンテナが後窓ガラス内に一体化された状態で、別個の給電点、及び複数のモジュールを有するアンテナが11も使用されている。電気ネットワークを使用して、別個のアンテナ信号を組み合わせることによって、アンテナから受信器まで走る複数の同軸ケーブルを回避することができる。しかし、こうしたネットワークでは、複雑さが増し、別のモジュールのコストが追加される。従って、ガラス上のアンテナ・システムの複雑さ、及びコストを制限するには、アンテナ給電の数を最小限に抑えることが望ましいであろう。
従って、様々な用途のための広帯域特性を提供する、単一の給電アンテナ、具体的には、赤外線反射ウインドシールド・アンテナが求められている。また、アンテナ整合、及び周波数同調の方法を使用して、車両上のアンテナの数を減少し、アンテナ、及びアンテナに関連する電子機器を単純化するアンテナ・システムも求められている。こうしたアンテナが、窓の熱反射被覆の太陽の利点を保持し、良好な外観を維持しながら、システム性能要件を満たすことが望ましい。
米国特許第3,655,545号 米国特許第3,962,488号 米国特許第4,898,789号
本発明の実施例は車両窓アセンブリを対象とする。窓アセンブリは、内側金属縁部を有する枠、及び枠に固定された窓ガラスを含む。窓ガラスは、内側ガラス・プライ、外側ガラス・プライ、内側ガラス・プライと外側ガラス・プライの間の中間層、及び外側ガラス・プライの表面上に配置された導電性被覆を含み、導電性被覆は、枠の内側金属縁部から間隔をおいて配置された外側周縁部を有して、アンテナ・スロットを画定する。窓アセンブリは、導電性被覆の外側周縁部に電気的に接続されたアンテナ給電構造、及び内側ガラス・プライ上に位置付けられ、アンテナ給電構造に近接して導電性被覆の外側周縁部に重なる容量結合ストリップも含み、結合ストリップは、広帯域無線周波数信号をアンテナ・スロットに結合して出し入れするためのものである。
本発明の実施例は、車両窓アセンブリを対象とする。窓アセンブリは、ガラス・プライ、及び外側ガラス・プライの表面上に配置された導電性被覆を含み、その導電性被覆は枠の内側金属縁部から間隔をおいて配置された外側周縁部を有して、アンテナ・スロットを画定する。窓アセンブリは、ガラス・プライ上に配置されアンテナ給電構造に近接して導電性被覆の外側周縁部に重なる容量結合ストリップも含み、結合ストリップが広帯域無線周波数信号をアンテナ・スロットに結合して出し入れするためのものである。
本発明の上記その他の詳細、目的、及び利点は、本発明の実施例を示す以下の説明、及び図面から、より良く理解され、又は明らかになるであろう。
本発明の様々な実施例を以下の図と併せて、例によって、本明細書に記載する。
本発明の様々な実施例による透明ガラス・アンテナを示す図である。 本発明の様々な実施例による図1の線2−2に沿って切り取られた断面図である。 本発明の様々な実施例による図1の線2−2に沿って切り取られた断面図である。 本発明の様々な実施例による透明ガラス・アンテナを示す図である。 アンテナ共振周波数帯域45MHzから240MHzまでのアンテナ反射減衰量を示すプロットである。 アンテナ共振周波数帯域46MHzから862MHzまでのアンテナ反射減衰量を示すプロットである。
本発明の実施例は、車両用多帯域スロット・アンテナを対象とする。スロット・アンテナは、窓の金属枠と、スロット・アンテナを画定するために窓枠の内縁から間隔をおいて配置された外側周縁部を有する窓に接着された導電性透明被覆パネルの間に形成される。様々な実施例で、スロットの寸法、及び給電ネットワークは、例えば、FM、TV VHF/UHF、気象帯域、リモート・キーレス・エントリ・システム(RKE)、及びDAB帯域IIIを含む広帯域を支持するものである。アンテナは、単一のアンテナ給電だけを使用し、暗色、又は黒の塗料帯の後ろに配置することができ、従って、窓の可視領域が暗くならない。
本発明の実施例は、例えば、自動車両用の多帯域アンテナを提供する。ストリップ状アンテナ給電素子が、被覆パネルの周囲に配置され、高周波数で被覆パネルに容量的に接続される。シールド端子が車両枠に接続され、主端子がアンテナ素子に接続された状態で、同軸伝送線路がアンテナに接続される。被覆は延長され、アンテナ給電素子領域と重なるが、車両枠から離れるように配置されて、スロット・アンテナが地面と短絡しないようになされる。重なる面積の大きさは、アンテナに給電するのに必要とされるキャパシタンスによって決定され、アンテナを例えばVHF周波数帯域に整合するように調整することができる。
UHF帯域では、スロット・アンテナのインピーダンスは主にリアクティブであり、より高次のモードを励振するのに整合回路が望ましいことがある。本発明の実施例では、プリントされたトレース・インダクタ(printed trace inductor)が窓の内側ガラス・プライの表面上のアンテナ結合素子に一体化される。インダクタのリアクタンスは、アンテナをTV UHF帯域に整合するように調整される。様々な実施例で、インダクタのリアクタンスは、VHF帯域で非常に小さく、従って、VHF帯域ではアンテナ性能にあまり影響を与えない。
様々な実施例で、スロット・アンテナは容量結合によって給電される。アンテナに給電する非接地伝送線路は、導電性被覆に重なるストリップ金属プリントによって窓上の導電性被覆に容量的に結合される。金属ストリップ,及び重なる面積の大きさを、スロット・アンテナの広帯域の共振を励振して、様々な周波数帯域で様々な電子機器の利用を支持するように選択することができる。
図1は、本発明の様々な実施例による、透明ウインドシールド・アセンブリ10、及びその関連する本体構造を示している。ウインドシールド20は金属枠30によって包囲され、金属枠30は車両本体窓縁部11によって画定される窓開口部を有する。本明細書に記載されるように、本発明の実施例を、ウインドシールドではない、他のタイプの窓、又は窓アセンブリである、窓、及び窓アセンブリに使用することができる。例えば、本発明の実施例を任意の窓、又はサンルーフに組み込むことができる。明瞭にするため、全てのこうした窓、及び窓アセンブリが本明細書でウインドシールド20として示される。ウインドシールド20の外縁部21は、枠30の環状フランジ38に重ねられて、ウインドシールド20を、枠30が一部である車両本体に固定することができるようになされる。図2で見られるように、環状シール部材35がウインドシールド20とフランジ38の間に配置され、モールディング34が枠30とウインドシールド20の間の外側間隙を架橋する。
ウインドシールド20は、挿入層、又は中間層18によって接着された外側ガラス・プライ14と内側ガラス・プライ12で形成された標準の積層車両ウインドシールドでもよい。中間層18を、例えば、標準のポリビニルブチラール、又は任意のタイプのプラスチック材料で構築することができる。外側ガラス・プライ14は、車両の外側の(慣例的に番号1表面と呼ばれる)外面140、及び(慣例的に番号2表面と呼ばれる)内面142を有する。内側ガラス・プライ12は、車両の内部の(慣例的に番号3表面と呼ばれる)外面122、及びウインドシールド20に対して内側の(慣例的に番号4表面と呼ばれる)内面120を有する。中間層18は表面142と122の間に存在する。
図2で示したように、ウインドシールド20は、ウインドシールド20の周囲の暗色、又は黒の塗料帯22を含んで、ウインドシールド20の縁部の周りのアンテナ素子、及び他の装置(図示せず)を隠すことができる。
ウインドシールド20は、さらに、透明性の昼光開口部をふさぐ導電性素子、又は導電性被覆16を含む。被覆16を、当技術分野で周知の任意の方法で、(図2で示したように)外側ガラス・プライ14の表面142上、又は内側ガラス・プライ12の表面122上に塗布された透明導電性被覆で構築することができる。被覆16は、単一、又は複数の層内に、例えば、Gillery他の米国特許第3,655,545号、Gilleryの第3,962,488号、Finleyの第4,898,789号に開示されたものなどの被覆を含む金属を含むことができる。
導電性被覆16は、車両本体窓縁部11から間隔をおいて配置された周縁部17を有し、縁部11と周縁部17の間に環状アンテナ・スロット13が画定される。一実施例では、スロット幅は、信号がショートしないように、動作周波数でスロット中の容量効果が非常に僅かであるように、十分大きい。一実施例では、スロット幅は10mmよりも大きい。一実施例では、スロット13の長さは、所望の用途の共振周波数に関して、環状スロットでは波長の整数の倍数、又は非環状スロットでは波長の2分の1の整数の倍数である。通常の車両のウインドシールドでは、スロット長は、VHS帯域で共振し、TV VHF帯域、及びFM用途に使用することができる長さである。
アンテナのインピーダンスが伝送線路のインピーダンスと整合するように選択された小さい金属層を使用して被覆16に容量的に結合された同軸ケーブルなど、不平衡伝送線路によって、アンテナに給電することができる。図1で示したように、(表面142上の)被覆16と(表面120、又は122上の)アンテナ給電素子40をアンテナ給電領域内で重ねて、平行の平板コンデンサを形成することができる。アンテナのインピーダンスを整合させるのに必要なキャパシタンスを、関心のある周波数帯域について、給電素子40の大きさ、及び素子40と被覆16とが重なった面積を変えることによって調整することができる。
図2は、スロット・アンテナ給電素子40がガラス・プライ12と14の間に組み込まれた一実施例を示している。給電素子40は、内側ガラス・プライ12の表面122に接着され、中間層18によって被覆16から分離された、銅テープ、銀セラミック、又は任意の他の金属テープなど、金属層でもよい。給電素子40に導電的に接続された銅箔33など金属箔は、中間層18と内側ガラス・プライ12の縁部の周囲で折り畳まれ、内側ガラス・プライ12の表面120とシール部材(例えば、接着ビード)35の間に挟まれる。箔33は、同軸ケーブル50の中心導体44に導電的に接続される。箔33を、例えば、プラスチック・テープで覆い、箔33を枠30と接触しないように隔離し、無線周波数信号が窓フランジ38、及びシール部材35を通過するときに、ショートするようにすることができる。ケーブル接地46は、窓フランジ38の内側金属縁部11付近の枠30に接続される。
図3は、例えば、金属テープ、又は銀セラミックなどのアンテナ給電素子41が内側ガラス・プライ12の内面120に接着された一実施例を示している。給電素子41は、中間層18、及び内側ガラス・プライ12によって被覆16から分離される。同軸ケーブル50の中心導体44は、例えば、ハンダ付けなど従来の方法で、又は対合するブレード・コネクタによって、絶縁ワイヤ、若しくは箔により、給電素子41に接続される。
様々な実施例で、容量結合は、好ましくはアンテナ給電構成でもよい。なぜなら、様々な実施例で、アンテナ給電構成は、製造方法が比較的容易であり、アンテナ調整、及びインピーダンス整合を行うことができるからである。アンテナ給電構成では、所望の動作周波数、給電位置、給電素子の形状、及び寸法、並びに車両枠接地までの距離の関数であるインピーダンスをそれ自体のインピーダンスを有するスロット・アンテナ・モードに移動させることができる。例えば50Ωなど、伝送線路の特性インピーダンスに整合するスロット・アンテナ13のモードだけを励振することができる。図3で示した直接給電と比較すると、図4で示した容量結合給電は、アンテナ給電素子41が内側ガラス・プライ12の内面120上に存在するため、キャパシタンスを調整してインピーダンスを整合するためのアクセスをより容易にすることができる。本発明の実施例によるスロット・アンテナ13のインピーダンスは、実数部、及びリアクティブ成分を有する。様々な実施例で、スロット・アンテナ13のVHF帯域が導電性のリアクティブ成分を有することが判明した。実数部だけが放射損失を示す。アンテナ給電素子41と被覆16の間のキャパシタンスは、境界面積、素子間の距離、及び材料の比誘電率によって決定されるため、境界面積及び距離を、アンテナを伝送線路に合わせる設計によって選択し、従って、伝送線路で見られる正味のリアクティブ成分を最小限に抑え、それによって、特にVHF周波数帯域についての無線周波数エネルギ移動を最大にすることができる。アンテナ給電位置を、それぞれ様々な周波数の用途のために幾つかのモードを励振することができるように選択することができる。容量結合では、被覆16の抵抗が、例えば、除曇、又は氷結防止のために使用される場合、被覆16からDC絶縁することもできる。
再び図1を参照すると、一実施例では、ウインドシールド20が搭載された車両本体のA柱に沿って2つのアンテナを対称に配置することができる。一実施例では、2つのアンテナ給電は、少なくともλ/4波長離れて配置され、弱結合され、従って両方を、例えば、FM、及びTVダイバーシティ・アンテナ・システムに同時に使用することができる。アンテナにウインドシールド20の頂部、及び底部で給電することができ、結果として、より空間的になり、パターンの多様性を得ることができる。側部でのアンテナ給電は、水平偏波に対するアンテナ利得がより大きくなり、頂部、及び底部でのアンテナ給電は、垂直偏波に対する利得が大きくなる。
アンテナ基本モードの共振周波数は、スロット長によって主に決定され、スロット長は、モード共振周波数が車両の電子系の動作周波数と同調するように設計することができる。被覆16の一部、又は複数の部分を除去することによって、被覆16の縁部分付近に1つ又は複数のスリットを作製して、スロット長を延長することができる。無線周波数電流をスリットの周囲を迂回するように強制し、従って、スロット13の電気的長さが延長される。その結果、共振モード周波数がより低い周波数帯域に移動される。図1は、例えば、マスク、又はレーザ除去により、標的領域で被覆16の部分を除去することによって形成された2つのスリット46を示している。スリット46の長さ、幅、及び数は、ウインドシールド20の寸法、及び関心のある周波数帯域によって決定される。一実施例では、スリット46は、例えば、暗色塗料帯22内の被覆16の任意の部分に作製されて、除去が目に見えないようになされる。
図1、及び3で示したものと同様の一実施例が構築され、試験された。長さ160mm、且つ、幅10mmの給電素子41がこうした実施例で使用された。一実施例では、キャパシタンス領域は、VHF帯域について、約10から20平方センチメートルの給電素子41と被覆16が重ねられる領域である。図5は、スロット・アンテナ13の反射減衰量(S11)のプロットであり、TV帯域I(47〜68MHz)、Japan FM帯域(76MHz〜90MHz)、USA/Europe FM(87.9MHz〜108MHz)、気象帯域(162.4MHz〜162.55MHz)、TV帯域III(174MHz〜230MHz)、及びディジタル・オーディオ・ブロードキャスティング(DAB)帯域III(174MHz〜240MHz)をカバーする45MHzから240MHzまでの非常に広域のVHF帯域で、アンテナが良好に放射し、受信することを示している。
本発明の実施例によるスロット・アンテナ13のインピーダンスは、UHF帯域で容量性であるリアクティブ成分を有することが判明した。インダクタ42を導入して、UHF帯域のインピーダンスの容量性リアクタンスを部分的に補償する。これが図4に示されており、給電素子41はインダクタ42が中間部分に設けられるように分割される。インダクタンスの値は、所期の動作周波数、ウインドシールド20の寸法、及び形状、並びにアンテナ給電位置の関数であるアンテナの容量性リアクタンスに整合するように設計される。
図1で示したものと同様であるが、図4で示したインダクタ42が追加された実施例が構築され、試験された。図6は、スロット・アンテナ13の反射減衰量(S11)のプロットであり、アンテナが、47MHzから240MHzまでのVHF帯域と470MHzから860MHzまでUHFの帯域の両方で良好に放射し、受信することを示している。スロット・アンテナは、複数帯域の用途に適応できることを示しており、それによって、アンテナの数を減少し、アンテナ増幅設計を簡単にし、アンテナ・システムの全体コストを下げることができる。
本発明の実施例は、例として、自動車など車両用透明スロット・アンテナを対象とする。スロット・アンテナは、窓の領域に塗布された外側ガラス・プライの表面上の導電性被覆を含む。導電性被覆の周縁部は、窓の縁部から間隔をおいて配置され、環状スロット・アンテナが画定される。容量結合給電構造を使用して、スロット・アンテナを非常に広帯域の周波数で整合させて、例えば、TV、FM、気象帯域、Remote Keyless Entry(RKE)、及びDABIII周波数帯域を含む、45MHzから860MHzまでの範囲の周波数をカバーする。
本発明の幾つかの実施例を記載したが、明らかなように、当業者は、本発明の一部、又は全ての利点を得るとともに、こうした実施例への様々な修正、変更、及び適合を思いつくであろう。従って、本発明の範囲、及び精神から逸脱することなく、こうした修正、変更、及び適合は全て包含されるものとする。

Claims (23)

  1. 内側金属縁部を有する枠と、
    前記枠に固定された窓ガラスであって、
    内側ガラス・プライ、
    外側ガラス・プライ、
    前記内側ガラス・プライと前記外側ガラス・プライの間の中間層、及び
    前記外側ガラス・プライの表面上に位置付けられた導電性被覆を備え、前記導電性被覆が前記枠の前記内側金属縁部から間隔をおいて配置された外側周縁部を有してアンテナ・スロットを画定する窓ガラスと、
    前記導電性被覆の前記外側周縁部に電気的に接続されたアンテナ給電構造と、
    前記内側ガラス・プライ上に位置付けられ前記アンテナ給電構造に近接して前記導電性被覆の前記外側周縁部に重なる容量結合ストリップと、を含み、前記結合ストリップが広帯域無線周波数信号を前記アンテナ・スロットに結合して出し入れするためのものである、車両窓アセンブリ。
  2. 前記広帯域無線周波数信号が約47MHzから240MHzまでである、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  3. 前記広帯域無線周波数信号が約47MHzから240MHzまで、且つ470MHzから860MHzまでである、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  4. 前記結合ストリップが第1の部分と第2の部分に分岐され、前記結合ストリップの前記第1の部分と前記結合ストリップの前記第2の部分の間に配置されたインダクタをさらに含む、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  5. 前記インダクタが、前記アンテナ・スロットのインピーダンスが前記アンテナ給電構造と連通状態の伝送線路のインピーダンスと整合するように寸法付けられる、請求項4に記載の車両窓アセンブリ。
  6. 前記アンテナ給電構造が前記窓ガラスの周辺領域上に位置付けられた暗色塗料帯内に位置付けられる、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  7. 前記アンテナ・スロットの幅が少なくとも1つの動作周波数での前記アンテナ・スロット中の容量効果が実質的に非常に僅かであるように寸法付けられる、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  8. 前記アンテナ・スロットの前記幅が10mmよりも大きい、請求項7に記載の車両窓アセンブリ。
  9. 前記アンテナ・スロットの全長が基本励振モードの環状スロットでは1波長であり、非環状スロットでは2分の1波長である、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  10. 前記アンテナ給電構造が前記スロット・アンテナに容量的に結合される、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  11. 前記中間層がプラスチックを含む、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  12. 前記導電性層が実質的に透明である、請求項1に記載の車両窓アセンブリ。
  13. ガラス・プライと、
    外側ガラス・プライの表面上に位置付けられた導電性被覆であって、前記導電性被覆が枠の前記内側金属縁部から間隔をおいて配置された外側周縁部を有してアンテナ・スロットを画定する、導電性被覆と、
    前記ガラス・プライ上に位置付けられアンテナ給電構造に近接して前記導電性被覆の前記外側周縁部に重なる容量結合ストリップと、を含み、前記結合ストリップが広帯域無線周波数信号を前記アンテナ・スロットに結合して出し入れするためのものである、車両窓アセンブリ。
  14. 第2のガラス・プライ及び前記ガラス・プライと前記第2のガラス・プライの間に位置付けられた中間層をさらに含む、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
  15. 前記ガラス・プライの縁部上に位置付けられた暗色塗料帯をさらに含む、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
  16. 前記広帯域無線周波数信号が約47MHzから240MHzである、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
  17. 前記広帯域無線周波数信号が約47MHzから240MHz、且つ470MHzから860MHzである、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
  18. 前記結合ストリップが第1の部分と第2の部分に分岐され、前記結合ストリップの前記第1の部分と前記結合ストリップの前記第2の部分の間に配置されたインダクタをさらに含む、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
  19. 前記インダクタが、前記アンテナ・スロットのインピーダンスが前記アンテナ給電構造と連通状態の伝送線路のインピーダンスと整合するように寸法付けられる、請求項18に記載の車両窓アセンブリ。
  20. 前記アンテナ・スロットの幅が少なくとも1つの動作周波数での前記アンテナ・スロット中の容量効果が実質的に非常に僅かであるように寸法付けられる、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
  21. 前記アンテナ・スロットの幅が10mmよりも大きい、請求項20に記載の車両窓アセンブリ。
  22. 前記アンテナ・スロットの全長が基本励振モードの環状スロット・アンテナでは1波長であり、非環状スロット・アンテナでは2分の1波長である、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
  23. 前記導電性層が実質的に透明である、請求項13に記載の車両窓アセンブリ。
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