JP2014165685A - 円偏波送受信用平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造であるとともに、比較小さな面積でありながら、広帯域で円偏波を好適に送受信することができる誘電体板上に設ける円偏波送受信用平面アンテナを提供する。
【解決手段】誘電体板上の片面に設けられた導電膜によって形成される平面アンテナであり、第１導電膜部１１と、第２導電膜部１２と、第３導電膜部１３とを同一面上に備えており、前記第１導電膜部１１の端縁に、前記第２導電膜部１２と前記第３導電膜部１３とが、離隔して接続される。そして、前記第２導電膜部１２は、スペーサ部１２１と、水平部１２２とを備えており、前記スペーサ部１２１は、前記第１導電膜部１１に接続され、前記水平部１２２は、前記スペーサ部１２１に接続され、前記第３導電膜部１３の方向へ延伸されており、前記水平部１２２上に芯線側給電点２が設けられ、前記芯線側給電点２に対向する第１導電膜部１１上にアース側給電点３を設けている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス板などの誘電体板の片面に設けることができ、広帯域で円偏波を好適に送受信できる平面アンテナに関するものである。

近年、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いたナビゲーションシステムが用いられているが、より高精度なナビゲーションシステムを、１２２７．６０ＭＨｚと１５７５．４２ＭＨｚとの二つの周波数の円偏波を併用することで実現することが考えられている。

カーナビゲーション用としてＧＰＳを利用する場合、ＧＰＳ衛星からの送信される電波を受信するアンテナとしてはマイクロストリップアンテナがよく用いられる。しかし、マイクロストリップアンテナは、誘電体板の両面に導体膜を形成する必要があるとともに、一つのマイクロストリップアンテナで受信できる帯域が狭いため、複数の帯域を受信できるアンテナを構成するときには、複数のマイクロストリップアンテナを積層するなどの工夫が必要であり、複雑な構造とならざるを得なかった。

そこで、簡易な構造で、広帯域で円偏波を送受信できる平面アンテナとして、例えば、本出願人の出願に係わる特開２０１１−２３４１８７号公報（特許文献１）に平面アンテナが記載されている。この平面アンテナは、誘電体板の片面に導電膜で形成される平面アンテナであり、導電膜で形成される略矩形状の第１帯状エレメントの一部に略矩形状の空白アンテナ領域を設け、前記第１帯状エレメントの上辺又は下辺に連結するように略Ｌ字状又は略Ｔ字状の導電性の第２帯状エレメントを備えることを特徴とする平面アンテナである。

特開２０１１−２３４１８７号公報

特許文献１に記載された平面アンテナは、前記略矩形状の空白帯状領域を設けた第１帯状エレメントに加えて、第２帯状エレメントを備えなければならず、送受信する周波数に対して面積の大きなアンテナとならざるを得なかった。

本発明はこれらの問題点の解決を図る。すなわち、ガラス板などの誘電体板の片面に設けることができ、ＧＰＳ衛星から到来する互いに周波数の離れた2種類の円偏波の電波を受信できるだけの広帯域で、電波を好適に送受信できるとともに小型の円偏波送受信用平面アンテナを提供することを目的としている。

本発明の平面アンテナは、誘電体板上の一方の面に設けられた導電膜によって形成される円偏波送受信用平面アンテナである。そして前記平面アンテナは、第１導電膜部と、第２導電膜部と、第３導電膜部とを同一面上に備えている。

前記第１導電膜部は、その端縁の一部が直線となっており、前記第１導電膜部の直線となっている端縁に、前記第２導電膜部と前記第３導電膜部とが、離隔して接続されている。

前記第２導電膜部は、スペーサ部と、水平部とを備えている。そして、前記スペーサ部は、前記第１導電膜部に接続され、前記水平部と前記第１導電膜部との間に空間を設ける部材である。また、前記水平部は、前記スペーサ部の、前記第１導電膜部とは反対側の端辺に接続され、前記第１導電膜部に対向する辺が、前記第１導電膜部の端縁と水平になるように、前記第３導電膜部の方向へ延伸されている部材である。

そして、本発明の平面アンテナは、前記水平部上の、前記スペーサ部と前記第３導電膜部とに挟まれた領域に、芯線側給電点を設けており、前記芯線側給電点に対向する第１導電膜部上にアース側給電点を設けている。

本発明の平面アンテナでは、第１導電膜部が、アースとして機能しており、第１導電膜部を第２導電膜部及び第３導電膜部よりも大きな面積とすることにより、本発明の平面アンテナが配置される箇所に係わらず本発明の平面アンテナのアンテナ性能を一定に保つことが可能となる。

前記第２導電膜部及び前記第３導電膜部は、本発明の平面アンテナにおいて円偏波を発生させるために重要な構成要素となっている。

本発明の平面アンテナは、このような構造とすることによって、広帯域で円偏波を好適に受信できるとともに、比較小さな面積の平面アンテナを実現することができる。

また、本発明の平面アンテナは、前記第３導電膜部と前記スペーサ部の空間を隔てて対向する辺が、互いに水平となるようにすることによって、本発明の平面アンテナのパターン形状を変化させることによりアンテナ性能を最適化することがより容易となる。

さらにまた、本発明の平面アンテナは、前記芯線側給電点を、前記水平部の前記第３導電膜部側の端部に設けることにより、広帯域に円偏波をより好適に受信できるようになる。

また、本発明の平面アンテナは、前記第３導電膜部の、前記第１導電膜部と接続している側と反対側の端辺までの距離を、前記スペーサ部の、前記第１導電膜部と接続している側から、前記水平部に接続している側までの距離程度とすることで、広帯域に円偏波を好適に受信しつつより小さな面積の平面アンテナを実現することができる。

さらにまた、本発明の平面アンテナは、前記芯線側給電点から前記スペーサ部の前記第３導電膜部側の端辺までの距離が、ガラスの波長短縮率をαとし、送受信する電波の周波数帯域の中心周波数をλとしたときに、αλ/3とすると、広帯域に円偏波をより好適に受信できるようになる。

そして、本発明の平面アンテナは、前記誘電体板を、ガラス板とすることによって、例えば自動車の窓ガラスの上辺部に備えることができる。このように窓ガラスという自動車の開口部にＧＰＳ衛星からの電波を受信するためのアンテナを備えることができるため、自動車のカーナビゲーションシステムのＧＰＳ衛星からの電波受信用のアンテナとして本発明の平面アンテナを窓ガラスに設けて用いた場合、好適な電波の受信が可能となる。

本発明の円偏波送受信用平面アンテナは、ガラス板などの誘電体板の片面に設けることができるため、簡易な構造とすることができるとともに、比較小さな面積でありながら、広帯域で円偏波を好適に送受信することができる。

実施形態１に係わる平面アンテナの正面図。 実施形態２に係わる平面アンテナの正面図。 実施形態２に係わる平面アンテナをガラス板上に設けた状態をシミュレーションしたときの周波数にごとの軸比を示した図。

以下、本発明の実施形態のアンテナの構成について説明する。なお、本明細書において、上下左右の用語は、添付の図面について使用するものであり、実際の物品における方向を規定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係わるアンテナの正面図である。

実施形態１のアンテナは、誘電体板の片面に形成されており、第１導電膜部１１と、第２導電膜部１２と、第３導電膜部１３とを同一面上に備えている。

第１導電膜部１１は、アースとして機能しており、第１導電膜部１１を第２導電膜部１２及び第３導電膜部１３よりも大きな面積とすることにより、本発明の平面アンテナが配置される箇所に係わらず本発明の平面アンテナのアンテナ性能を一定に保つことが可能となる。

第１導電膜部１１は、矩形状の導電膜であり、その同一辺上に、第２導電膜部１２と、第３導電膜部１３とが、接続されている。第１導電膜部１１は、実施形態１のアンテナのように、第２導電膜部１２と第３導電膜部１３とが、接続されている一辺以外は、直線状となっていなくてもよい。

第２導電膜部１２は、スペーサ部１２１と、水平部１２２とから構成されている。スペーサ部１２１は、水平部１２２と第１導電膜部１１とを離隔させるための部材であり、実施形態１においては矩形状の導電膜で形成されている。しかしながら、必ずしも矩形状である必要はない。水平部１２２は、スペーサ部１２１の端辺に接続されており、第３導電膜部１３の方向へ延伸される部材である。製作のしやすさを考えると帯状の部材とするのが好ましいが、水平部１２２に対向する第１導電膜部１１の辺と水平になるように形成されておればよい。また、実施形態１のアンテナのように、水平部１２２が、スペーサ部１２１から第３導電膜部１３へ向かう方向とは反対方向にも延伸されていても構わない。

第３導電膜部１３は、矩形状の導電膜で形成されている。これも、製作のしやすさを考えたためであり、必ずしも矩形状にしなければならないわけではなく、スペーサ部１２１と離隔して対向して設けられた導電膜で形成される部材であればよい。

また、実施形態１のアンテナにおいては、第３導電膜部１３の高さをスペーサ部１２１の高さ程度としているので、広帯域での円偏波の受信をより好適に行うことができる。

そして、芯線側給電点２及びアース側給電点３は、それぞれ水平部１２２及び第１導電膜部１１上に設けられている。芯線側給電点２と、アース側給電点３とは、第１導電膜部１１の第２導電膜部１２、第３導電膜部１３とが接続されている辺に直交する仮想線ｍ上に並ぶように設けておくとよく、さらに芯線側給電点２とアース側給電点３とはなるべく位置が近くなるように配設するとよい。そのため、実施形態１のアンテナにおいては、芯線側給電点２とアース側給電点３とは、それぞれ第１導電膜部１１と水平部１２２との互いに対向する辺の近傍に配設している。

また、芯線側給電点２とアース側給電点３とが並ぶ仮想線ｍとスペーサ部材１２１の第３導電膜部側の辺との間の距離ｂをαλ／３（α：波長短縮率、λ：所望の周波数帯域の中心周波数）としたときに、広帯域で円偏波をより好適に送受信することができる。

本発明の平面アンテナを用いる場合には、本発明の平面アンテナと受信機とを同軸線で接続する。同軸線と平面アンテナとの接続は、同軸線の芯線を芯線側給電点２に接続し、同軸線の外皮導線をアース側給電点３に接続する。

実施形態１の平面アンテナは、このような形態をとることによって、比較小さな面積でありながら、広帯域で円偏波を好適に送受信することができる。

＜実施形態２＞
図２は、本発明の実施形態２に係わるアンテナの正面図である。

実施形態２のアンテナは、芯線側給電点２が、水平部１２２の第３導電体部１３の方向の端部に設けられており、アース側給電点３が、仮想線ｍ上の第１導電膜部１１の端辺部に設けられている点で実施形態１のアンテナとは異なっている。芯線側給電点２とアース側給電点３の位置をこのようにすることによって、比較小さな面積でありながら、広帯域で円偏波を好適に送受信することができる。

また、実施形態２のアンテナにおいては、第１導電膜部１１に接続している第２導電膜部１２と、第３導電膜部１３の、互いに対向しているそれぞれの辺とは反対側の辺を、それぞれ第１導電膜部１１を形成する矩形状の導体の辺と真っ直ぐに接続することによって、形状をより簡素なものとして、見た目の向上を図っている。

＜本発明の車両用ガラスアンテナの形成方法について＞
本発明の車両用ガラスアンテナは、リアガラスのデフォッガを形成するのと同じ一般的な導電性セラミックペーストを用いることができ、デフォッガと同じ方法で印刷し、加熱炉によって焼付けることができる。または、銅箔のような導電膜を誘電体板上に貼って形成することもできるし、誘電体板の片面に金属膜が形成された板をエッチングすることによって形成してもよい。さらに、導電膜としてＩＴＯなどの透明導電膜をガラス板上にスパッタなどで形成すれば、自動車の窓ガラスに本発明のアンテナを用いた場合に、目立たないようにすることができる。また、透明プラスチックフィルム上に本発明のアンテナを形成し、このプラスチックフィルムを窓ガラスに貼り付けて用いることもできる。

図２に示される本発明の実施形態２の平面アンテナの性能をシミュレーションで評価した。シミュレーションの方法、シミュレーションの条件は次の通りである。

シミュレーションの方法：有限要素法
ガラス板上に銅によって導電膜を形成したと仮定
ガラス板の寸法：１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ２ｍｍ
ガラス板の物性値：比誘電率：ε＝７．２、誘電正接：ｔａｎΔ＝０．００５
銅の物性値：電気伝導度：５．８×１０^７Ｓ／ｍ
アンテナは、ガラス板の中心付近に配置。

アンテナの寸法を、ＧＰＳ衛星から到来する周波数である１２２７．６０ＭＨｚと１５７５．４２ＭＨｚの電波が好適に受信できるように以下のように定めた。

第１導電膜部１１：ｋ＝４５．６ｍｍ、ｌ＝１４４ｍｍ
スペーサ部１２１：ａ＝１２ｍｍ，ｇ＝４８ｍｍ
水平部１２２：ｊ＝９６ｍｍ、ｆ＝８．４ｍｍ
第３導電膜部１３：ｉ＝３０ｍｍ、ｅ＝１７．４ｍｍ
仮想線ｍから、スペーサ部１２１の第３導電膜部１３側の端辺までの距離：ｂ＝４８ｍｍ≒αλ／３（波長短縮率α＝０．７、１２２７．６０ＭＨｚと１５７５．４２ＭＨｚとの中心周波数λ＝１４０１．５１ＭＨｚとした）
第３導電膜１３と水平部１２２との間隔：ｄ＝１８ｍｍ
第３導電膜１３とスペーサ１２１との間隔：ｃ＝６６ｍｍ
給電点は、水平部１２２の第３導電膜部１３側の端から第１導電膜部１１に向かって仮想線ｍに沿って幅０．５ｍｍの導体を形成し、第１導電膜部１１の近傍まで延伸し、この延伸した導体上に芯線側給電点２を設け、芯線側給電点２に対向する第１導電膜部１１の辺上にアース側給電点３を設け、実際に本発明のアンテナを用いる場合をシミュレーションした。

＜本発明のアンテナのシミュレーション結果＞
図３は、本発明のアンテナの周波数ごとの軸比を示した図である。軸比は、３ｄＢ以下であれば良好であるといわれており、本発明のアンテナにおいては図３より、所望の周波数である１２２７．６０ＭＨｚと１５７５．４２ＭＨｚを含む約１ＧＨｚ〜１．６ＧＨｚの範囲の広帯域にわたって、軸比が３ｄＢ以下となっていることがわかる。

また、本発明のアンテナは、紙面の表側をアンテナが形成されている面とすると、紙面の裏側から到来する右円偏波の電波を好適に受信できるアンテナとなっている。もしも、紙面の裏側から到来する左円偏波の電波を好適に受信したい場合には、図２に示した本発明のアンテナと左右対称の形状となるようにアンテナを形成すればよい。

１ 平面アンテナ
１１ 第１導電膜部
１２ 第２導電膜部
１２１ スペーサ部
１２２ 水平部
１３ 第３導電膜部
２ 芯線側給電点
３ アース側給電点

Claims (6)

1. 誘電体板上の片面に設けられた導電膜によって形成される平面アンテナ（１）であり、
   前記平面アンテナ（１）は、第１導電膜部（１１）と、第２導電膜部（１２）と、第３導電膜部（１３）とを同一面上に備えており、
   前記第１導電膜部（１１）は、その端縁の一部が直線となっており、
   前記第１導電膜部（１１）の直線となっている端縁に、前記第２導電膜部（１２）と前記第３導電膜部（１３）とが、離隔して接続され、
   前記第２導電膜部（１２）は、スペーサ部（１２１）と、水平部（１２２）とを備えており、
   前記スペーサ部（１２１）は、前記第１導電膜部（１１）に接続され、前記水平部（１２１）と前記第１導電膜部（１１）との間に空間を設ける部材であり、
   前記水平部（１２２）は、前記スペーサ部（１２１）の、前記第１導電膜部（１１）とは反対側の端辺に接続され、前記第１導電膜部（１１）に対向する辺が、前記第１導電膜部（１１）の端縁と水平になるように、前記第３導電膜部（１３）の方向へ延伸されている部材であり、
   前記水平部（１２２）上の、前記スペーサ部（１２１）と前記第３導電膜部（１３）との間の領域に、芯線側給電点（２）を設け、
   前記芯線側給電点（２）に対向する第１導電膜部（１１）上にアース側給電点（３）を設けていることを特徴とする円偏波送受信用平面アンテナ。
2. 前記第３導電膜部（１３）と前記スペーサ部（１２１）の空間を隔てて対向する辺が、互いに水平となっていることを特徴とする請求項１に記載の円偏波送受信用平面アンテナ。
3. 前記芯線側給電点（２）が、前記水平部（１２１）の前記第３導電膜部（１３）側の端部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の円偏波送受信用平面アンテナ。
4. 前記第３導電膜部（１３）の、前記第１導電膜部（１１）と接続している側と反対側の端辺までの距離が、前記スペーサ部（１２１）の、前記第１導電膜部（１１）と接続している側から、前記水平部（１２１）に接続している側までの距離となることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の円偏波送受信用平面アンテナ。
5. 前記芯線側給電点（２）から前記スペーサ部（１２１）の前記第３導電膜部（１３）側の端辺までの距離が、ガラスの波長短縮率をαとし、送受信する電波の周波数帯域の中心周波数をλとしたときに、αλ/3であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の円偏波送受信用平面アンテナ。
6. 前記誘電体板が、ガラス板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の円偏波送受信用平面アンテナ

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