JP2014232981A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アンテナ載置面から30[mm]の高さのアンテナ本体部10と、このアンテナ本体部10を覆うレドーム11とを備えてアンテナ装置1を構成する。アンテナ本体部10は、接地電位の地板から離れる方向にヘリカル状に巻かれた給電線でインダクタンス成分を確保するとともに、地板に対して略平行となる面部を有する天頂容量板により対地容量を確保する。天頂容量板の面積を一定値以上にすれば、その形状を変えても性能が大きく変化しないので、外観デザインの自由度を高めることができる。
【選択図】 図1
Description
特許文献1に開示されたアンテナ装置は、金属製のアンテナベース部上にアンテナ基板、すなわちアンテナエレメントの一部となるコイルが形成されたものを立設させ、さらに、アンテナ基板を跨ぐように、ハット状のトップ部が設けられている。アンテナ基板上のコイルの一端はトップ部に接続され、トップ部と共にFM帯で共振するアンテナエレメントを構成している。コイルの他端は、アンプ基板に接続される。
このような構造のアンテナ装置は、高さが70[mm]で、長手方向の長さが200[mm]前後でありながら、その一部がヘリカルアンテナとなる195[mm]の高さのロッドアンテナと同等のアンテナ特性を得ることができるとされている。
「略平行」とは、完全に平行でなくとも、地板との間で対地容量を確保できる程度の平行度であれば良いことを意味する。また、「面部」は、必ずしも閉曲面に限定されず、使用周波数において面として扱うことができるものであれば、環状、網状、格子状その他の形状のものであっても良いことを意味する。
前記増幅器は、その雑音指数が、FM帯のすべての帯域においてほぼ等しい。また、前記増幅器が、FM帯の受信波を増幅するための化合物半導体HEMTを増幅素子として含むFM増幅器である。
また、面状導体の面積が一定ならば特性はその形状には依存しないため、アンテナ装置全体の外観デザインの自由度を高めることができる。
支持体107は、アンテナエレメントを支持するために用いられるもので、アンテナ設置面に対して垂直方向に突出する筒状の誘電体ブロックなどで構成される。回路部104は、支持体107の筒体の中空部に収容され、これにより、アンテナ本体部10のサイズの節約を図っている。
取付機構103は、第2ベース部102の地板をアンテナ設置面に導通させるとともに、アンテナ本体部10を車両に固定するためのものである。そのため、取付機構103は、ボルト等の接合部材103bにより、アンテナ設置面、第1ベース部101及び第2ベース部102を挟むように構成される。
回路部104は、ネジ孔を有する導電性のフレーム104a上に、上記のアンテナ給電端子、電子回路、アンテナインタフェースを実装した回路基板104bを取り付け、さらに、ネジ104cで第2ベース部102に固定している。
上述した給電線108の一方の端部108aは、天頂容量板109の縁に近いネジ孔109c及びネジ109dを通じて、この天頂容量板109と電気的に接続される。給電線108の他方の端部108bは、アンテナガイド107fで案内されて、回路部104のアンテナ給電端子へ接続される。
また、給電線108は、支持体107の外側面に、所定間隔(ピッチ)で巻かれたヘリカルコイルになっており、ヘリカル径は、天頂容量板109の外径とほぼ同じである。つまり、コイルの巻線一周によって囲まれる平面の面積の大きさは、天頂容量板109の面積(外周で囲まれた部分の面積)と同等になっている。ヘリカル径及び給電線108のピッチは、このように調整された給電線108はFM帯の周波数で共振するが、FM帯のほか、AM帯の周波数の受信も行うことができる。
[回路部]
回路部104の基板に実装される電子回路の構成図を図4に示す。
アンテナ給電端子41から取り込んだ受信波は、分岐回路42でAM帯のものとFM帯のものとに分波される。一方の分岐路には、FM増幅器43が挿入され、他方の分岐路には、AM整合回路44とAM増幅器45とが挿入されている。合成回路46は、両増幅器43,45の出力を合成して出力端子47へ出力するものである。アンテナ給電端子41は、アンテナガイド107fでガイドされた給電線108の他方の端部108bが接続され、出力端子47は、アンテナインタフェース106bに接続される。
なお、この電子回路には、適宜、帯域通過フィルタ、AGC(Automatic Gain Control:自動利得制御)回路などを付加しても良い。
HEMT50のソースSは、接地ラインと導通する増幅器側接地端子Grに接続される。HEMT50のドレイン(負荷側)Dには、FM並列共振回路53の一方端と出力整合回路54とが接続されている。FM並列共振回路53の他方端は、電源端子Piに接続される。出力整合回路54は、増幅器出力端子Roを通じて接続される他の電子回路との間で出力整合をとるためのものである。
すなわち、もともと熱雑音が信号電力に重畳しているのが当たり前のFM帯の周波数の受信波では、HEMTを採用したとしても、顕著な性能改善に結びつかない。すなわち、HEMTをFM帯の周波数で使用しても増幅能力が過剰であり、地上波デジタル放送のような広範な周波数にわたる回路・部品の動作、アンテナエレメントの指向性等を考慮した設計・製造技術は余分な負担となる。また、シリコンバイポーラトランジスタに比べ、化合物半導体素材が高価で、基板に形成する際のパターンルールが微細となる。そのため、製造コストも相対的に高くなるばかりでなく、電気的ストレスに対して脆弱となる。
・相互コンダクタンスgmが大きい。
・利得が高い。
・スイッチング速度が速い。
・低雑音である。
そこで、本実施形態では、HEMTのこの特徴を積極的に活用し、広帯域にわたって低雑音となるFM増幅器43を実現するものである。つまり、インピーダンス整合の追求よりも、アンテナエレメントに接続したときの雑音指数(Noise Figure:以下、「NF」という)を所望の周波数帯域全体でほぼ一定になるように動作させるという視点を重視したものである。
NFは、分子が増幅器入力における信号対雑音比(S/N)in、分母が増幅器入力における信号対雑音比(S/N)outで表される指標である。
使用するHEMTは、最小雑音指数Fminが小さく、さらに等価雑音抵抗Rnが小さいものが好ましい。
アンテナ装置1は、給電線(ヘリカルコイル)108のインダクタンス成分と面積が4900[mm2]の天頂容量板109で確保した容量成分との直列共振により、モノポールアンテナとして動作する。インダクタンス成分は、給電線108の巻数(ターン数)を増やしたり、間隔(ピッチ)を狭めることにより増加させることができる。
しかし、インダクタンス成分を単純に増加させるとQ値が大きくなり、アンテナエレメントが狭帯域となってしまうため、広帯域にわたって良好な特性を維持することが困難となる。また、一般に、アンテナエレメントを低くしていくと、つまり、アンテナ取付面からの距離である対地距離を小さくしていくと、対地容量(キャパシタンス)が減少し、共振する周波数が限られたものとなる。
天頂容量板109は、このような問題を解消し、対地距離を30[mm](使用中心周波数の波長の0.008倍)以下にしても、その分、必要な対地容量を確保するとともに、Q値を低減させ、これにより、広帯域の周波数をカバーできるようにしたものである。
FM帯では、天頂幅が50[mm]以上(天頂容量板面積は90[mm]×50[mm]=4500[mm]2)以上で、比較用アンテナ装置のものと同等のS/Nを示した。
このことは、アンテナエレメントの高さが70[mm]から30[mm]へとほぼ半減したにも関わらず、AM帯、FM帯ともに、比較用アンテナ装置のアンテナエレメントと同等のS/N特性が得られることを表している。
図8によれば、NFの最低値はほぼ同じであるが、本実施形態のアンテナ装置1のアンテナエレメントの方が、やや広帯域特性を示している。
最適雑音整合インピーダンスΓopt91は、FM増幅器43で使用するHEMT50のNFを最小にするインピーダンスである。等雑音円92は、NFが一定値になる複素入力インピーダンスの虚数部(複素反射係数)をプロットしたものである。
シミュレーションによれば、この面積が使用周波数で定まる一定値以上であれば、その形状に関わらず、スミス図上における複素入力インピーダンス(軌跡71)を最適雑音整合インピーダンスΓoptに近づけることができる。この「使用周波数で定まる一定値」は、アンテナ装置1の上限使用周波数の波長の0.02倍の二乗である。
また、上記面積を大きくすることにより、Q値が小さくなるので、使用周波数帯域における複素入力インピーダンスの変化が緩やかになり、広い周波数帯域にわたって等雑音円上に載るように調整することが容易になる。
上述した実施形態では、アンテナ装置1を30[mm]まで低背化することに起因して生じる使用周波数帯の狭帯域化を、上限使用周波数の波長の0.02倍の二乗以上の面積の天頂容量板109を設けることで抑制し、逆に広帯域化し、比較用アンテナ装置と同等のS/Nを得ることが可能となる例を説明した。
ここで、天頂容量板109の面積が一定であれば、確保できる対地容量(キャパシタンス)は、ほぼ一定値となる。つまり、アンテナ装置1のアンテナ特性、例えば、S/Nは、天頂容量板109の形状に依存しない。このことは、天頂容量板109の形状を、要求デザインに応じて変えられることを意味する。そのため、レドーム11を含めたアンテナ装置1の外観デザインに対する自由度を高めることができる。
このような構造のアンテナ装置2は、天頂幅(短径)が車両の進行方向と直交するように配置することにより、アンテナ装置1よりも進行時の空気抵抗を低減させることができる利点がある。
あるいは、図12に示すように、アンテナ本体部40の天頂容量板の正面形状を長方状とし、レドーム41をその形状に適合する形状に成形したアンテナ装置4にしても良い。いずれのアンテナ装置3,4も、天頂容量板の面積が同じであれば、図1あるいは図2に示したアンテナ装置1と同様の手順で組み立てることにより、アンテナ装置1,2と同様のアンテナ特性を得ることができる。
なお、図11,図12では、天頂容量板及びヘリカルコイル(給電線)を省略してあるが、実際には存在する。
Claims (8)
- 接地電位の地板と接触しない部位で、当該地板から離れる方向にヘリカル状に巻かれた線状導体と、
この線状導体のうち前記地板から離れている一方の端部と導通し、前記地板に対して略平行となる面部を有する面状導体と、
前記線状導体の他方の端部と接続され、当該線状導体及び前記面状導体により受信したFM帯又はAM帯の周波数の受信波を増幅する増幅器とを備えて成る、
アンテナ装置。 - 前記面部の面積が、FM帯の上限使用周波数の波長の0.02倍の二乗以上である、
請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記地板の表面から前記面状導体の外周までの距離が使用周波数の波長の0.008倍以下である、
請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記線状導体が前記面状導体の外周と同じ形状でヘリカル状に巻かれている、
請求項1,2又は3記載のアンテナ装置。 - 前記線状導体のヘリカル径が前記面状導体の外周よりも大きいサイズである、
請求項4記載のアンテナ装置。 - 前記増幅器における雑音指数が、FM帯のすべての帯域においてほぼ等しい、
請求項1ないし5のいずれかの項記載のアンテナ装置。 - 前記増幅器が、FM帯の受信波を増幅するための化合物半導体HEMTを増幅素子として含むFM増幅器である、
請求項6記載のアンテナ装置。 - 前記化合物半導体HEMTは、使用周波数においてその最小雑音指数が0.1[dB]以下で、等価雑音抵抗が2[Ω]以下の素子である、
請求項7記載のアンテナ装置。
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