JP2019047265A - アンテナ装置及び逆ｆアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】広い周波数帯域にわたり、低いＶＳＷＲで安定的に信号の送受信を可能にする、小型低背のアンテナを提供する。【解決手段】接地面と平行となる平面部１１、接地面と約９０度をなす面上に配設された給電部１２、短絡部１５〜１７、及び第１スイッチ回路１８とで逆Ｆアンテナを構成する。給電部１２は、平面部１１と接近する接近辺を有し、それ以外の辺が鰭状をなす。また、平面部１１と給電部１２は、物理的に分離された互いに異なる形状の板状であり、所定周波数以下で電気的に接続される。第１スイッチ回路１８は、短絡部１５〜１７のいずれかを選択的に接地する。【選択図】図１

Description

本発明は、逆Ｆアンテナを有する小型低背のアンテナ装置に関する。

ＬＴＥ（Long Term Evolution）用の逆Ｆアンテナを有する車載用のアンテナ装置として例えば、特許文献１に開示されたアンテナ装置が知られている。このアンテナ装置は、自動車のルーフへの搭載に適した車載用のアンテナ装置であり、レドーム内に、３Ｇ（3rd Generation）／ＬＴＥ（Long Term Evolution）用、ＤＡＢ（Digital Audio Broadcast）用、ＧＰＳ(Global Positioning System)用の三つのアンテナを収納して構成される。このうち、３Ｇ／ＬＴＥ用のアンテナが逆Ｆアンテナとなっている。

特許文献１に開示された逆Ｆアンテナは、接地面となる地板に立設された平面部と短絡部とで構成される。平面部の一部が給電点となる。このアンテナ装置では、ＬＴＥの７６１ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの低周波数帯域と、１７１０ＭＨｚ〜２１３０ＭＨｚの高周波数帯域との両方において動作するとされる。

特開２０１３−２１９７５７号公報

近年、ＬＴＥの需要が高まり、低周波帯域の下限周波数が６９９ＭＨｚに拡大されている。また、高周波帯域の上限周波数も５ＧＨｚ帯まで拡大されている。

特許文献１に開示されたアンテナ装置は、ＬＴＥの低周波帯域と高周波帯域での使用が可能とされるものの、開示されているＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）特性によれば、ＬＴＥの低周波帯域の信号を良好に送受信することは困難である。
高周波帯域においても広帯域にわたって安定して信号を受信し続けることが困難である。

本発明の目的は、例えばＬＴＥの低周波帯域の最低周波数付近から高周波帯域の最高周波数付近まで、低いＶＳＷＲで安定的に信号の送受信を可能にする、小型低背のアンテナ装置及び逆Ｆアンテナを提供することにある。

本発明が提供するアンテナ装置は、接地面と所定間隔で対向する面部を有する平面部と、前記接地面に対して所定角度をなす面上に配設された給電部と、前記平面部の一部を接地させるための短絡部とを含む逆Ｆアンテナを備え、前記平面部と前記給電部は、物理的に分離された板状であり、所定周波数以下で電気的に接続されることを特徴とする。
なお、「電気的に接続される」とは僅かでも電流が流れることではなく、所定周波数以下の使用周波数でアンテナエレメントとして機能するように接続されることをいう。

本発明の逆Ｆアンテナは、接地面と所定間隔で対向する面部を有する平面部と、前記接地面に対して所定角度をなす面上に配設された給電部と、前記平面部の一部を接地させるための短絡部とを含み、前記平面部と前記給電部は、物理的に分離された板状であり、所定周波数以下で電気的に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、広い周波数帯域にわたり、低いＶＳＷＲで安定的に信号の送受信を可能にするアンテナ装置を提供することができる。

第１実施形態に係るアンテナ装置における逆Ｆアンテナの斜視図。 第１スイッチ回路の構成例を示す模式図。 （ａ）〜（ｃ）は逆Ｆアンテナの構成部品のサイズを示す説明図。 比較例に係る逆Ｆアンテナの斜視図。 実施例と比較例のＶＳＷＲ特性比較図。 （ａ）は一つだけのフィルタを有する逆Ｆアンテナの模式図、（ｂ）は実施例とのＶＳＷＲ特性比較図。 （ａ）はフィルタ間隔が短い逆Ｆアンテナの模式図、（ｂ）は実施例とのＶＳＷＲ特性比較図。 （ａ）は長方形の給電部を有する逆Ｆアンテナの模式図、（ｂ）は実施例とのＶＳＷＲ特性比較図。 （ａ）〜（ｃ）はいずれかの短絡部が選択される状態を示す模式図。 各短絡部１５〜１７を選択したときのＶＳＷＲ特性比較図。 第２実施形態に係る逆Ｆアンテナの斜視図。 第２スイッチ回路の構成例を示す模式図。 経路ｐ１〜ｐ３のいずれかを選択的に閉にしたときのＶＳＷＲ特性比較図。 （ａ），（ｂ）は短絡部と第２スイッチ回路の変形例を示す模式図。 （ａ）〜（ｃ）は第３実施形態に係る逆Ｆアンテナの外観図。

以下、本発明を、ＬＴＥの低周波帯域（６９９ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ）の信号と高周波帯域（１．７ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚ）の信号の送受信が可能なアンテナ装置に適用した場合の実施の形態例を説明する。このアンテナ装置は、電波透過性のハウジングの収納空間に収納され、低背の車載アンテナ装置として使用することができる。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。このアンテナ装置は、逆Ｆアンテナ１を主要部品として備える。逆Ｆアンテナ１は、動作時に表面が接地電位の金属面（以下「接地面」という）となる基板１０の上方に設けられた平面部１１、給電部１２、短絡部１５，１６，１７及び第１スイッチ回路１８を含んで構成される。
平面部１１と給電部１２は、物理的に分離された板状素子である。図示の例では、両者は互いに異なる形状及びサイズであるが、常にそのようにしなければならないものではない。短絡部１５，１６，１７と第１スイッチ回路１８は、平面部１１の一部を選択的に接地させ、これによりＬＴＥの低周波帯域を三つの周波数帯域に切り替えるための部品である。本実施形態では、三つの周波数帯域を、便宜上、第１サブ帯域、第２サブ帯域、第３帯域と呼ぶ。第１サブ帯域は６９９ＭＨｚ〜８０３ＭＨｚの周波数帯域である。第２サブ帯域は７９１ＭＨｚ〜８９４ＭＨｚの周波数帯域である。第３サブ帯域は８８０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの周波数帯域である。

平面部１１は、接地面と所定間隔で対向する金属製の面部（以下「裏面部」という）を有する矩形板である。給電部１２は、接地面に対して所定角度（例えば約９０度）をなす面上に配設された金属板であり、平面部１１のいずれかの辺に非接触であるが接近している辺（以下「接近辺」という）を有し、それ以外の部分が鰭状をなす。つまり、長方形であれば角部に相当する接地面側の２カ所の部分が、それぞれ異なる曲率半径の弧になっている。曲率半径の大きい弧が始まる部分には給電端子１２１が形成されている。
なお、給電部１２のうち２カ所の部分が同じ曲率半径の弧になっていても良く、また、弧になっている部分が一カ所であっても良い。

給電部１２の接近辺が鰭状の辺より長いのは、後述する通り、フィルタ１３ａ，１３ｂの長いフィルタ間隔を確保するためである。
平面部１１と給電部１２は、銅板などの金属板で構成されるが、表面効果が得られる周波数帯で使用されるので、金属メッキされた樹脂を用いても良い。

平面部１１は、その電気長、本例の場合は長辺と短辺の長さの総和がＬＴＥの低周波帯域の最低周波数（６９９ＭＨｚ）の波長λ_Ｌの略１／４の長さに設計されている。他方、給電部１２は、電気長、本例の場合は辺の長さの総和がＬＴＥの高周波帯域の最低周波数（１．７ＧＨｚ）の波長λ_Ｈの略１／４の長さに設計されている。平面部１１と給電部１２を上記サイズにすることで、低周波帯域の最低周波数を超え、高周波帯域の最高周波数未満の周波数帯の信号を実用的な周波数幅で共振させることができる。

物理的に分離されている平面部１１と給電部１２は、二つのフィルタ１３ａ，１３ｂを介して電気的に接続される。「電気的に接続される」ことの意義については上述した通りであり、ごく僅かな電流が流れるだけでは、実質的には電気的に接続されたことにならない。各フィルタ１３ａ，１３ｂは、いずれもＬＴＥの高周波帯域の最低周波数（１．７ＧＨｚ）を超える周波数をカットする高周波カットフィルタとして動作する。そして、所定周波数であるＬＴＥの低周波帯域の最高周波数（本例では第３サブ帯域の９６０ＭＨｚ）以下の周波数で電気的に接続され、それぞれアンテナエレメントとして動作する。
フィルタ１３ａ，１３ｂは、簡易な構成では誘導性リアクタンスだけで構成することができる。このときのフィルタ１３ａ，１３ｂのインダクタンスは、浮遊容量なども考慮してそれぞれ約７．５ｎＨとされている。隣り合う二つのフィルタ１３ａ，１３ｂの配置間隔は、所定間隔以上、すなわち互いのフィルタ構成部品の動作に影響を与えない距離とする。この配置間隔（以下「フィルタ間隔」という）は、できる限り大きくした方が良い。

短絡部１５，１６，１７は、ＬＴＥの低周波帯域における上記三つのサブ帯域を選択的に受信するために設けられる。短絡部１５，１６，１７は、それぞれその一端が平面部１１の一方の短辺近くの裏面部のうち、給電部１２と直交する面上で給電部１２に近い部位から異なる距離の位置に接合されている。つまり、当該位置で平面部１１と導通する。短絡部１５，１６，１７の他端は、第１スイッチ回路１８で選択的に接地される。以後の説明では、平面部１１の短辺のうち給電部１２に近い端部から順に、第１短絡部１５，第２短絡部１６，第３短絡部１７と称する。

図２は、第１スイッチ回路１８の構成例を示す模式図である。第１短絡部１５，第２短絡部１６，第３短絡部１７の他端は、第１スイッチ回路１８の三つのスイッチング素子１８１，１８２，１８３の一端にそれぞれ電気的に接続される。スイッチング素子１８１，１８２，１８３の他端は共通端子であり、接地面と導通する。スイッチング素子１８１，１８２，１８３は、例えば車両側の電子機器から送信される外部信号を通じて、いずれか一つだけが導通する（閉となる）ように制御される。

逆Ｆアンテナ１の構成部品のサイズ例を説明する。図３（ａ）は逆Ｆアンテナ１の上面図、同（ｂ）は逆Ｆアンテナ１を給電部１２の方向から見た側面図、同（ｃ）は逆Ｆアンテナ１を短絡部１５，１６，１７の方向から見た側面図である。
平面部１１は、短辺ｗ１１が３０ｍｍ、長辺ｗ１２が４２．５ｍｍ、厚みｔ１が１０μの矩形板である。給電部１２は、接近辺が平面部１１の長辺ｗ１２と同サイズ、幅ｗ２１が２３．５ｍｍ、厚みｔ２が１０μである。
そのため、逆Ｆアンテナ１をハウジングに収納する場合、接地面からハウジングまでの高さを２５ｍｍとすることができる。
なお、給電部１２１は僅かに接地面の方向に突出しているが、折り曲げることで、突出を回避することができる。
また、各部品のサイズは、基板１０上に樹脂を配置し、この樹脂に平面部１１及び給電部１２を取り付ける場合、樹脂の誘電率を考慮した実効誘電率により波長短縮された実効波長により適宜修正される。

短絡部１５，１６，１７は、いずれも幅ｔ３，ｔ４，ｔ５が１ｍｍの角柱（断面正方形）である。ただし、円柱状あるいは他の断面形状のものであって良い。平面部１１の短辺のうち給電部１２に近い方の端部から第１短絡部１５までの距離Ｄ１は１ｍｍ、第２短絡部１６までの距離Ｄ２は６ｍｍ、第３短絡部１７までの距離Ｄ３は２１ｍｍである。

第１実施形態の逆Ｆアンテナ１の特徴の一つは、平面部１１と給電部１２が、物理的に分離された板状であって、所定周波数以下、例えばＬＴＥの低周波帯域の最高周波数以下の周波数で電気的に接続されることである。このように構成したことの作用効果を検証するために、本発明者らは、図４に示す逆Ｆアンテナ４１を比較例として作成した。比較例の逆Ｆアンテナ４１は、平面部４１１と給電部４１２とが一体に成型されている点以外は、第１実施形態の逆Ｆアンテナ１と同じ材質、同じ形状・サイズ、同じ構成である。平面部４１１の材質、短辺と長辺のサイズ及び厚みは、平面部１１と同じである。給電部４１２の材質、短辺と長辺のサイズ及び厚みは、給電部１２と同じである。

図５は、逆Ｆアンテナ１についての実施例と比較例のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）特性比較図であり、所定のシミュレータによる計測結果である。実線は実施例１’のＶＳＷＲ特性、破線は比較例４１のＶＳＷＲ特性である。周波数（ＭＨｚ）とＶＳＷＲとの関係（抜粋）は、以下の通りである。

周波数（ＭＨｚ）比較例４１ 実施例１’
７４７．５ ８．６７ ８．２１
８０２．５ ６．４５ ２．４３
８１５．０ ６．０８ １．９２
８５０．０ ５．２４ １．０９
８８７．５ ４．５８ １．０７
９００．０ ４．４０ ２．４９
・・・
１９０７．５ ２．７５ ２．７４
２０５０．０ ２．７０ １．９８
２１００．０ ２．６６ １．８０
２２００．０ ２．５８ １．５１
２５００．０ ２．３３ １．１５
２６００．０ ２．２５ １．２０
２８００．０ ２．１５ １．３６
２９００．０ ２．１２ １．８９
２９６０．０ ２．０９ ２．０９

このように、実施例１’は、比較例に係る逆Ｆアンテナ４１よりも、低周波帯域（第１サブ帯域、第２サブ帯域、第３サブ帯域）と高周波帯域の双方の帯域で、いずれもＶＳＷＲが格段に小さくなっている。つまり、実施例１’のような構成の逆Ｆアンテナ１とすることにより、ＶＳＷＲが低くなり、ＬＴＥの信号を広帯域にわたって送受信しやすくなる効果が得られることが判明した。

図６（ａ）は、実施例１’の二つのフィルタ１３ａ，１３ｂに代えて、一つのフィルタ１３６を用いた他の比較例に係る逆Ｆアンテナの構成例を示す。フィルタ１３６は、フィルタ１３ａと同じ位置に配置した。
実施例１’では、二つのフィルタ１３ａ，１３ｂが、７．５ｎＨのインダクタンスを有するフィルタであったが、図６（ａ）に示される比較例のフィルタ１３６は、実施例１’と同じ高周波カットの効果を実現するため、１５ｎＨのインダクタンスを有するフィルタとした。

図６（ｂ）は、フィルタが一つだけ（フィルタ１３６のみ）となる上記他の比較例と二つのフィルタ１３ａ，１３ｂを有する実施例１’のＶＳＷＲ特性比較図であり、所定のシミュレータによる低周波帯域における計測結果である。実線は二つのフィルタ１３ａ，１３ｂを用いた実施例１’のＶＳＷＲ特性であり、破線は一つのフィルタ１３６を用いた比較例のＶＳＷＲ特性である。周波数（ＭＨｚ）とＶＳＷＲとの関係（抜粋）は、以下の通りである。

周波数（ＭＨｚ）他の比較例 実施例１’
８１５．０ ２．６８ １．９２
８２５．０ １．９６ １．５９
８５０．０ １．１９ １．０９
８８０．０ １．９６ １．７２
８８２．５ ２．０７ １．８０
８８７．５ ２．３４ １．９７

このように、実施例１’のように平面部１１と給電部１２とを二つのフィルタ１３ａ，１３ｂを介して電気的に接続することにより、一つのフィルタ１３６を用いた場合よりも、ＬＴＥの低周波帯域におけるＶＳＷＲが小さくなり、かつ、ＶＳＷＲが２未満となる周波数帯域を大幅に拡げることができることが判明した。

この傾向は、ＬＴＥの高周波帯域でもほぼ同様であり、周波数（ＭＨｚ）とＶＳＷＲとの関係（抜粋）は、以下の通りである。
周波数（ＭＨｚ）他の比較例 実施例
１９９０．０ １．９９ ２．２７
２０４７．５ １．８２ １．９９
２３５２．５ １．３３ １．２４
２５０５．０ １．３９ １．１５
２７６０．０ １．９９ １．２８
２９２０．０ ２．７２ １．９９

なお、逆Ｆアンテナ１の実施例では、二つのフィルタ１３ａ，１３ｂを用いる場合の例を示したが、フィルタの数は三つ以上であっても良い。但し、インダクタンスの値は、フィルタの数及びフィルタ部品の種類に応じて変える必要がある。

逆Ｆアンテナ１の実施例では、二つのフィルタ１３ａ，１３ｂの間隔を平面部１１の短辺の長さ、すなわち３０ｍｍとした。このことの作用効果を検証するため、本発明者らは、上記間隔を変えた他の比較例の逆Ｆアンテナを作成した。他の比較例に係る逆Ｆアンテナの構成例を図７（ａ）に示す。図７（ａ）の例では、フィルタ１３ａはそのままで、５ｍｍの間隔となる位置にフィルタ１３ｃを配置した。このフィルタ１３ｃのフィルタ構成部品はフィルタ１３ｂと同じである。

図７（ｂ）は、フィルタ間隔を５ｍｍとした他の比較例と、フィルタ間隔が３０ｍｍである実施例１’のＶＳＷＲ特性比較図であり、所定のシミュレータによる計測結果である。実線はフィルタ１３ａ，１３ｂを用いた実施例１’のＶＳＷＲ特性、破線はフィルタ１３ａ，１３ｃを用いた比較例のＶＳＷＲ特性である。周波数（ＭＨｚ）とＶＳＷＲとの関係は、以下の通りである。
周波数（ＭＨｚ）他の比較例 実施例１’
８１５．０ ２．６８ １．９２
８２５．０ １．９６ １．５９
８５０．０ １．１９ １．０９
８８０．０ １．９６ １．７２
８８２．５ ２．０７ １．８０
８８７．５ ２．３４ １．９７

このように、実施例１’のようにフィルタ１３ａ，１３ｂのフィルタ間隔を３０ｍｍにすることにより、フィルタ間隔を５ｍｍとした場合よりも、ＬＴＥの低周波帯域におけるＶＳＷＲが小さく、かつ、ＶＳＷＲが２未満となる周波数帯域が大幅に拡がることが判明した。

この傾向は、ＬＴＥの高周波帯域でもほぼ同様である。周波数（ＭＨｚ）とＶＳＷＲとの関係（抜粋）は、以下の通りであった。
周波数（ＭＨｚ）他の比較例 実施例１’
２０２２．５ １．９９ ２．１４
２０５７．５ １．８７ １．９９
２４１５．０ １．２８ １．１６
２４４０．０ １．２８ １．１４
２４７５．０ １．３１ １．１１
２５５０．０ １．３８ １．１１
２７４５．０ １．９８ １．１９
２７６５．０ ２．１５ １．２０
２９５７．５ １．８２ １．８０

なお、実施例１’では、二つのフィルタ１３ａ，１３ｂのフィルタ間隔を３０ｍｍとしているが、このフィルタ間隔が３０ｍｍ以上であっても良いことは勿論である。

実施例１’では、給電部１２の接近辺以外の辺の部分が鰭状をなす形状であったが、このことの作用効果を検証するため、本発明者らは、給電部の形状が異なるものとなる他の比較例の逆Ｆアンテナを作成した。他の比較例に係る逆Ｆアンテナの構成例を図８（ａ）に示す。図８（ａ）の例では、電気長すなわち辺の長さの総和が実施例１’の給電部１２と同じになる長方形の給電部８２とした。給電部８２の材質と厚み、平面部１１、フィルタ１３ａ，１３ｂのフィルタ間隔は、実施例１’と同じである。

図８（ｂ）は、給電部の形状が異なる他の比較例と実施例１’のＶＳＷＲ特性比較図であり、所定のシミュレータによる計測結果である。実線は実施例１’の形状の給電部１２を用いた場合のＶＳＷＲ特性、破線は長方形の給電部８２を用いた場合のＶＳＷＲ特性である。周波数（ＭＨｚ）とＶＳＷＲとの関係（抜粋）は、以下の通りである。
周波数（ＭＨｚ）他の比較例 実施例
８１５．０ ３．７４ １．９２
８５０．０ １．８０ １．０９
８８０．０ １．１１ １．７２
８８７．５ １．２１ １．９７
９１２．５ １．９６ ３．１７
・・・
２０４７．５ ２．３５ １．９９
２１２２．５ １．９９ １．７３
２２１２．５ １．７９ １．４７
２６６２．５ ４．４９ １．２６
２８０２．５ ２．０１ １．３７

給電部１２は、ＬＴＥの高周波帯域で共振するサイズに設計しているため、上記高周波帯域のＶＳＷＲ特性の比較例から明らかな通り、形状の相違は、ＬＴＥの高周波帯域において大きな影響を与えている。すなわち給電部１２のうち、接地面を指向する辺を鰭状にすることにより、比較例に対してＬＴＥの高周波帯域におけるＶＳＷＲが格段に小さくなり、かつ、ＶＳＷＲが２未満となる帯域が安定的に広くなることが判明した。この傾向は、ＬＴＥの低周波帯域においてもほぼ同様となった。

次に、短絡部１５，１６，１７の選択的配置が逆Ｆアンテナ１の電気的特性に与える影響について説明する。ここでは、電気的特性の例としてＶＳＷＲ特性を挙げる。
第１スイッチ回路１８が三つのスイッチング素子１８１〜１８３を有することは上記の通りである。図９（ａ）は、第１短絡部１５を通じて平面部１１の一部を接地するときの第１スイッチ回路１８の動作説明図である。第１スイッチ回路１８は、第１スイッチング素子１８１だけが閉じているときは、第２スイッチング素子１８２と第３スイッチング素子１８３は開いている。そのため、平面部１１のうち、端部からの距離Ｄ１が１ｍｍの部分だけが接地面と導通する。

同様に、図９（ｂ）は第２短絡部１６を通じて平面部１１の一部を接地するときの第１スイッチ回路１８の動作説明図である。第１スイッチ回路１８は、第２スイッチング素子１８２だけが閉じ、第１スイッチング素子１８１と第３スイッチング素子１８３は開いている。そのため、平面部１１のうち、端部からの距離Ｄ２が６ｍｍの部分だけが接地面と導通する。

同様に、図９（ｃ）は第３短絡部１７を通じて平面部１１の一部を接地するときの第１スイッチ回路１８の動作説明図である。第１スイッチ回路１８は、第３スイッチング素子１８３だけが閉じ、第１スイッチング素子１８１と第２スイッチング素子１８２は開いている。そのため、平面部１１のうち、端部からの距離Ｄ３が２１ｍｍの部分だけが接地面と導通する。

図１０は、各短絡部１５〜１７を選択したときのＶＳＷＲ特性比較図であり、所定のシミュレータによる計測結果である。長破線は平面部１１の短辺の端部から接地される部位までの距離がＤ１（１ｍｍ：短辺の長さの１／３０）、実線は上記距離がＤ２（６ｍｍ：短辺の長さの１／５）、短破線は上記距離がＤ３（２１ｍｍ：短辺の長さの約２／３）の場合のＶＳＷＲ特性である。

距離Ｄ１が選択される場合、ＶＳＷＲの最低値は２．１６（周波数９２２．５ＭＨｚ）である。また、ＶＳＷＲが５未満となるのは８５７．５ＭＨｚ〜９８５．０ＭＨｚ（帯域幅１２７．５ＭＨｚ）、ＶＳＷＲが４未満となるのは８７０．０ＭＨｚ〜９７５．０ＭＨｚ（帯域幅１０５ＭＨｚ）、ＶＳＷＲが３未満となるのは、８８５ＭＨｚ〜９７５．５ＭＨｚ（帯域幅９０ＭＨｚ）である。つまりＬＴＥの低周波帯域のうち、第３サブ帯域（８８０〜９６０ＭＨｚ）の信号の送受信を行う場合は、スイッチ回路１８が第１スイッチング素子１８１だけを閉にすれば良いことがわかる。

なお、第１スイッチング素子１８１だけを閉にしたときのＬＴＥの高周波帯域のＶＳＷＲは、１９０５ＭＨｚで３未満（２．９９）となり、２０８５ＭＨｚで２未満（１．９９）となり、２４９２．５ＭＨｚ〜２５２０ＭＨｚで約１．１６となっている。
また、２０３７．５ＭＨｚ〜３０００．０ＭＨｚまでは、ＶＳＷＲが最大でも２．２２であり（帯域幅９６２．５ＭＨｚ以上）である。つまり、ＬＴＥの低周波帯域のみならず、高周波帯域でも、安定的に信号の送受信が可能となっている。

距離Ｄ２が選択される場合、ＶＳＷＲの最低値は１．０９（周波数８５０．０ＭＨｚ）である。また、ＶＳＷＲが５未満となるのは７７０．０ＭＨｚ〜９３２．５ＭＨｚ（帯域幅１６２．５ＭＨｚ）、ＶＳＷＲが４未満となるのは７８０．０ＭＨｚ〜９２２．５ＭＨｚ（帯域幅１４２．５ＭＨｚ）、ＶＳＷＲが３未満となるのは８８５ＭＨｚ〜９７５．５ＭＨｚ（帯域幅９０．５ＭＨｚ）である。つまりＬＴＥの低周波帯域のうち、第２サブ帯域（７９１〜８９４ＭＨｚ）の信号の送受信を行う場合は、スイッチ回路１８が第２スイッチング素子１８２だけを閉にすれば良いことがわかる。特に、この距離Ｄ２では、８５０．０ＭＨｚ及びその前後数十ＭＨｚでＶＳＷＲが１．１未満となり、ＬＴＥの低周波帯域で最高のパフォーマンス（送受信能力）を発揮することができる。

なお、第２スイッチング素子１８２だけを閉にしたときのＬＴＥの高周波帯域のＶＳＷＲは、１８６７．５ＭＨｚで３未満（２．９９）となり、２０４７．５ＭＨｚで２未満（１．９９）となり、２４８２．５ＭＨｚ〜２５３０ＭＨｚで約１．１５となっている。また、２０４７．５ＭＨｚ〜２９２０．０ＭＨｚ（帯域幅８７２．５ＭＨｚ）までは、ＶＳＷＲが２未満である。つまり、ＬＴＥの低周波帯域のみならず、高周波帯域でも、高いパフォーマンスを発揮している。

距離Ｄ３が選択される場合、ＶＳＷＲの最低値は３．１９（周波数７９０．０ＭＨｚ）である。また、ＶＳＷＲが５未満となるのは７３５．０ＭＨｚ〜８４５．０ＭＨｚ（帯域幅１１０．０ＭＨｚ）、ＶＳＷＲが４未満となるのは、７５２．５ＭＨｚ〜８２７．５ＭＨｚ（帯域幅７５．５ＭＨｚ）である。つまりＬＴＥの低周波帯域のうち、第１サブ帯域（６９９〜８０３ＭＨｚ）の信号の送受信を行う場合は、スイッチ回路１８が第３スイッチング素子１８２だけを閉にすれば良いことがわかる。

なお、第３スイッチング素子１８３だけを閉にしたときのＬＴＥの高周波帯域のＶＳＷＲは、１７５２．５ＭＨｚで２未満（１．９９）となり、１９３７．５ＭＨｚで１．２未満（１．１９）となり、２０１７．５ＭＨｚで最小（１．０３）となり、１９７５．０ＭＨｚ〜２０６５ＭＨｚで１．０９未満となっている。
また、１７５２．５ＭＨｚ〜３０００．０ＭＨｚ（１２４７．５ＭＨｚ）までは、ＶＳＷＲが２未満であり、１９７５．０ＭＨｚ〜２０６５．０ＭＨｚ（帯域幅９０．ＭＨｚ）までＶＳＷＲが１．１未満である。つまり、ＬＴＥの低周波帯域では、距離Ｄ１、Ｄ２が選択された場合よりもＶＳＷＲはやや高いが、ＬＴＥの高周波帯域では最高のパフォーマンスを発揮している。

第１実施形態における各比較例の逆Ｆアンテナと、逆Ｆアンテナ１の実施例１’との比較結果をまとめると以下の通りである。
（１−１）平面部１１と給電部１２との関係
接地面に対して略平行となる平面部１１と接地面に対して約９０度の角度を持つ給電部１２を物理的に分離された板状とし、ＬＴＥの低周波帯域の最高周波数以下の周波数で実質的に電気的に接続されるようにしたので、低背（接地面からの高さが２５ｍｍ未満）でありながらＶＳＷＲが１．１未満となる周波数帯域が拡がる逆Ｆアンテナの作成が容易になった（図５）。なお、平面部１１の接地面に対する角度が９０度未満のときは、さらに低背の逆Ｆアンテナとすることができる。

特に、平面部１１が矩形状で、給電部１２が、平面部１１のいずれかの辺に接近する接近辺を有し、それ以外の辺が鰭状をなす形状としたので、ＬＴＥの低周波帯域及び高周波帯域において使用可能な周波数帯域が拡がり、かつ、安定的にＶＳＷＲの低い逆Ｆアンテナ１を実現することができた（図８）。

（１−２）フィルタ１３ａ，１３ｂ
物理的に分離された平面部１１と給電部１２とを所定周波数以下で電気的に接続するフィルタを二つ以上設け、かつ、隣り合う二つのフィルタのフィルタ間隔をできるだけ大きく（例えば平面部１１の短辺のサイズ以上）としたので、ＶＳＷＲを安定的に低くしつつ送受信できる信号の周波数幅を拡げることができた（図６（ｂ），図７（ｂ））。

（１−３）短絡部１５，１６，１７と第１スイッチ回路１８
第１短絡部１５を、例えば平面部１１の短辺の端部から１ｍｍ（上記短辺の長さの１／３０）、第２短絡部１６を６ｍｍ（上記短辺の長さの１／５）、第３短絡部１７を２１ｍｍ（上記短辺の長さの２１／３０）の位置に設け、いずれかの短絡部を第１スイッチ回路１８で選択的に切り替えて接地面に導通させるようにしたので、電流分布の切替だけでＬＴＥの低周波帯域で使用できるサブ帯域の切替が可能となる。そのため、インピーダンス整合を図る必要がない。また、ＬＴＥの低周波数帯におけるサブ帯域の切替のみならず、ＬＴＥの高周波帯域でもＶＳＷＲが低くなり、かつ、使用可能な周波数帯域が拡がるので、低いＶＳＷＲでＬＴＥの広帯域にわたる信号を送受信することが可能になる。

特に、第２短絡部１６が選択される場合は、ＬＴＥの低周波帯域でＶＳＷＲが１．０９まで下がり、かつ、ＶＳＷＲが４未満の帯域幅が１４２．５ＭＨｚに拡大されるので、ＬＴＥの低周波帯域において最高のパフォーマンスを発揮することができる。
また、第３短絡部１７が選択される場合は、ＬＴＥの高周波帯域において最高のパフォーマンスを発揮することができる。

一つの逆Ｆアンテナを用いて複数の周波数帯域の信号の送受信を可能にする技術には、本発明以外にも存在するが、その多くは、逆Ｆアンテナと接続される電子回路側に整合回路などを設けてインピーダンス整合を図る技術であり、部品挿入に起因する整合損失が不可避となる。また、整合回路での周波数帯域の調整では、ＬＴＥの低周波帯域から高周波帯域に及ぶ広帯域化には限界がある。全ての周波数帯域においてＶＳＷＲを５未満に維持することが困難だからである。
これに対し、第１実施形態の逆Ｆアンテナ１では、三つの短絡部１５，１６，１７のいずれかを選択的に切り替えることにより、給電部１２１からみた平面部１１及び給電部１２の電流分布を変える構成を採用した。そのため、整合回路を設ける必要がなく（整合損失が発生せず）、ＶＳＷＲを一定値以下に維持したままの広帯域化がきわめて容易となった。

［第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図１１は、第２実施形態に係る逆Ｆアンテナの斜視図である。第２実施形態の逆Ｆアンテナ２は、電流分布を切り替えるための構成だけが異なる。そのため、第１実施形態で示した構成部品と同じ部品については同じ符号を付して重複説明を省略する。

第２実施形態の逆Ｆアンテナ２は、一本の短絡部２５と第２スイッチ回路２８とを有する。短絡部２５は、特定の周波数でＶＳＷＲが最小となる位置、すなわち、一端が平面部１１の一方の短辺の裏面部のうち、その短辺の端部から距離Ｄ２（６ｍｍ）だけ離れた位置に接合されている。この短絡部２５は、第１実施形態の第２短絡部１６と、材質、形状、サイズ、配置位置が同じである。

図１２は、第２スイッチ回路２８の構成例を示す模式図である。第２スイッチ回路２８は、共通端子が短絡部２５に電気的に接続されている。短絡部２５の位置は上記の通りである。第２スイッチ回路２８は、また、一端が第１スイッチング素子２８１に接続され、他端が接地されたコンデンサＣの経路ｐ１と、一端が第２スイッチング素子２８２に接続され、他端が接地されているだけの経路ｐ２と、一端が第３スイッチング素子２８３に接続され、他端が接地されたコイルＬの経路ｐ３とを備えている。コンデンサＣのリアクタンスは３ｐＦであり、コイルＬのインダクタンスは３０ｎＨである。
各スイッチング素子２８１，２８２，２８３は、例えば車両側の電子機器から送信される外部信号を通じて、いずれか一つだけが導通する（閉となる）ように制御される。

図１３は、経路ｐ１〜ｐ３のいずれかを選択的に閉にしたときのＶＳＷＲ特性比較図であり、所定のシミュレータによる計測結果である。長破線は経路ｐ１、実線は経路ｐ２、短破線は経路ｐ３が選択された場合のＶＳＷＲ特性である。短絡部２５は一本だけであるが、経路ｐ１，ｐ２，ｐ３のいずれかを第２スイッチ回路２８で選択的に切り替えることで、ＶＳＷＲ特性は、図１０に示した第１実施形態の逆Ｆアンテナ１のものと同じになった。

すなわち、経路ｐ１が選択された場合は、コンデンサＣによって経路ｐ２より位相が進み、あたかも短絡部２５が、第１実施形態における距離Ｄ１（１ｍｍ：平面部１１の短辺の長さの１／３０）に存在する如く動作するため、図１０の距離Ｄ１のＶＳＷＲ特性と同じになった。
経路ｐ２が選択された場合は、短絡部２５がそのまま接地されるため、図１０の距離Ｄ２（６ｍｍ：平面部１１の短辺の長さの１／５）のＶＳＷＲ特性と同じになった。
経路ｐ３が選択された場合は、コイルＬによって経路ｐ２より位相が遅れ、あたかも短絡部２５が、第１実施形態における距離Ｄ３（２１ｍｍ：平面部１１の短辺の長さの約２／３）に存在する如く動作するため、図１０の距離Ｄ３のＶＳＷＲ特性と同じになった。

第２スイッチ回路２８は、各経路ｐ１〜ｐ３をパターニング技術と部品接合だけで簡単に構成することができ、短絡部２５も一本だけで足りるため、第１実施形態の逆Ｆアンテナ１に比べて量産が容易であり、また、ハウジング内に収容する際のレイアウトの自由度が高まるという利点がある。

第２実施形態の変形例として、短絡部を二本とする組み合わせも可能である。図１４（ａ）は、第１変形例を示す模式図である。図１４（ａ）に示す第１変形例は、図１２に示した短絡部２５のほかに、平面部１１の短辺のうち給電部１２１に近い端部からそれぞれ異なる長さだけ離れた部位（本例では上記距離Ｄ１に対応する部位）にもう一本の短絡部３５を設け、かつ、第２スイッチ回路２８を、それぞれ接地面からの電気長が異なる二つの経路ｐ２，ｐ３のいずれかを短絡部２５と選択的に導通させ、あるいは、短絡部２５に代えて、もう一本の短絡部３５の経路ｐ１’を導通させるように構成したものである。

図１４（ｂ）は、第２変形例を示す模式図である。図１４（ｂ）に示す第２変形例は、図１２に示した短絡部２５のほかに、平面部１１のうち給電部１２１に近い端部からそれぞれ異なる長さだけ離れた部位（本例では上記距離Ｄ３に対応する部位）にもう一本の短絡部４５を設け、かつ、第２スイッチ回路２８を、それぞれ接地面からの電気長が異なる二つの経路ｐ１，ｐ２のいずれかを短絡部２５と選択的に導通させ、あるいは、短絡部２５に代えて、もう一本の短絡部４５の経路ｐ３’を導通させるように構成したものである。

図１４（ａ），（ｂ）の構成によっても、図１２に示した第２実施形態の逆Ｆアンテナと同等の作用効果を奏することができる。

［第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１実施形態では、接近辺が矩形状の平面部１１の長辺と同じサイズで、接近辺の端部が平面部１１の端部と同じ位置となる給電部１２の例を示したが、第３実施形態では、給電部が第１実施形態の給電部１２と異なる逆Ｆアンテナの例を説明する。

図１５（ａ）は、第３実施形態に係る逆Ｆアンテナの斜視図である。同（ｂ）は平面部の上面図、同（ｃ）は、給電部の方向から見た側面図である。第３実施形態の逆Ｆアンテナ３は、第１実施形態で説明した給電部１２と形状及びその取付位置が異なる。そのため、第１実施形態で示した構成部品と同じ部品については同じ符号を付して重複説明を省略する。

第３実施形態の給電部３２は、接近辺の長さが平面部１１の長辺よりも短く、その分だけ鰭状の部分の弧の半径が第１実施形態の給電部１２よりも少し小さくなっている。また、接近辺の端部が平面部１１と非対向となる位置に配されている。つまり、接近辺の端部が平面部１１の短辺よりも突出する位置に配されている。電気長（本例では辺の長さの総和）がＬＴＥの高周波帯域の最低周波数（１．７ＧＨｚ）の波長λ_Ｈの略１／４の長さに設計されている点は、第１実施形態の給電部１２と同じである。

給電素子３２の接近辺が平面部１１の長辺よりも短いのは、例えば平面部１１を細長くしなければならないときにも同様の効果を得られるという点で利点がある。このとき、短絡部１５，１６，１７や第１スイッチ回路１８を平面部１１の長辺上に位置させても良い。この場合は、平面部１１の短辺には何も無く、長辺に短絡部１５，１６，１７や給電部１２が存在することになる。

［変形例］
第１ないし第３実施形態では、平面部１１が矩形状である場合の例を説明したが、矩形状には菱形状、台形状も含まれる。また、平面部１１は、必ずしも矩形状である必要はなく、円形状、略円形状、楕円状、略楕円状であっても良い。これらの場合の辺は、電気長を定める周縁に相当するものとなる。

Claims (14)

1. 接地面と所定間隔で対向する面部を有する平面部と、前記接地面に対して所定角度をなす面上に配設された給電部と、前記平面部の一部を接地させるための短絡部とを含む逆Ｆアンテナを備え、
   前記平面部と前記給電部は、物理的に分離された板状であり、所定周波数以下で電気的に接続される、
   アンテナ装置。
2. 前記給電部は、前記平面部と接近する接近辺を有し、それ以外の辺が鰭状をなす、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記平面部は矩形状であり、
   前記接近辺の長さは、前記接近辺が接近する前記平面部の辺の長さ以下である、
   請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記給電部は、前記接近辺の一部が接近する前記平面部の辺と非対向となる、
   請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記平面部の電気長は、前記所定周波数よりも低い第１周波数帯の周波数で共振する長さであり、
   前記給電部の電気長は、前記第１周波数帯よりも高い第２周波数帯で共振する長さである、
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記平面部と前記給電部とが、前記所定周波数を超える周波数の信号をカットするフィルタを介して電気的に接続されている、
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記フィルタが二つ以上存在し、隣り合う二つのフィルタが所定間隔以上離れて配置されている、
   請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記短絡部は、それぞれ前記平面部のうち前記給電部と直交する面上または前記給電部と平行の面上に複数本設けられており、
   前記逆Ｆアンテナは、いずれか一本の前記短絡部を選択的に接地させる第１スイッチ回路をさらに備えて構成される、
   請求項１ないし７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
9. 前記短絡部がそれぞれ異なる間隔で三本以上設けられている、
   請求項８に記載のアンテナ装置。
10. 前記短絡部は、前記平面部のうち前記給電部に近い端部から所定の長さだけ離れた部位に一本だけ設けられており、
    前記逆Ｆアンテナは、
    それぞれ接地面からの電気長が異なる複数の経路のいずれかと前記短絡部とを選択的に導通させるための第２スイッチ回路をさらに備えて構成される、
    請求項１ないし７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
11. 前記短絡部は、前記平面部のうち前記給電部に近い端部からそれぞれ異なる長さだけ離れた部位に二本設けられており、
    前記逆Ｆアンテナは、
    それぞれ接地面からの電気長が異なる複数の経路のいずれかと前記二本の短絡部のいずれか一方とを選択的に導通させ、あるいは前記二本の短絡部の一方に代えてその他方を導通させるための第２スイッチ回路をさらに備えて構成される、
    請求項１ないし７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
12. 前記第１周波数帯は複数のサブ帯域に区分されたＬＴＥの低周波帯域であり、
    前記第２周波数帯は、前記ＬＴＥの高周波帯域である、
    請求項５に記載のアンテナ装置。
13. 前記接地面からの高さが２５ｍｍとなる電波透過性のハウジングをさらに備えており、
    前記逆Ｆアンテナは、前記ハウジングの収納空間に収納される、
    請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
14. 接地面と所定間隔で対向する面部を有する平面部と、
    前記接地面に対して所定角度をなす面上に配設された給電部と、
    前記平面部の一部を接地させるための短絡部とを含み、
    前記平面部と前記給電部は、物理的に分離された板状であり所定周波数以下で電気的に接続される、
    逆Ｆアンテナ。

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