JP2021118481A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波がガラスを透過する際の伝搬損失を低減できるアンテナ装置を提供する。【解決手段】ガラスに向けて電波を放射するアンテナエレメント１１４と、ガラスのアンテナエレメント側の面に積層される誘電体層１２０と、を備えたアンテナ装置であって、アンテナエレメント１１４から放射された電波が反射された反射波であって、ガラスの境界面のうちアンテナエレメント１１４側に露出している面よりも遠方にある遠方側境界面で反射された遠方側境界面反射波と、誘電体層１２０をガラス方向に進行する進行波とが、ガラスと誘電体層１２０との境界面で相互に逆位相になるように、誘電体層１２０の誘電率および厚さが調整されている。【選択図】図３

Description

アンテナ装置に関し、特に、伝搬損失を低減する技術に関する。

電波がガラスを透過する際の損失を低減する技術として、特許文献１，２の技術が知られている。特許文献１に開示された技術は、ガラスにグランドを貼り付けている。特許文献２に開示された技術は、ガラスとアンテナエレメントの間に、ガラスの誘電率と空気の誘電率との間の誘電率を有する誘電体を配置している。

特開２００７−２８８３９９号公報 特許第３８８４７７２号公報

特許文献１に開示された技術は、ガラスからアンテナエレメントを離して配置する場合、グランドが大型化する。ガラスからアンテナエレメントを離して配置する場合、アンテナエレメントから放射された電波がガラスに入射する範囲が広くなるため、反射波を再反射する必要がある面積も大きくなるからである。

特許文献２に開示された技術は、ガラスの境界面で反射した反射波の低減が不十分である。つまり、伝搬損失がまだ大きい。

本開示は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、電波がガラスを透過する際の伝搬損失を低減できるアンテナ装置を提供することにある。

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示した技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するための１つの開示は、
ガラスに向けて電波を放射するアンテナエレメント（１１４）と、
ガラスのアンテナエレメント側の面に積層される誘電体層（１２０）と、を備えたアンテナ装置であって、
アンテナエレメントから放射された電波が反射された反射波であって、ガラスの境界面のうちアンテナエレメント側に露出している面よりも遠方にある遠方側境界面で反射された遠方側境界面反射波と、誘電体層をガラスの方向に進行する進行波とが、ガラスと誘電体層との境界面で相互に逆位相になるように、誘電体層の誘電率および厚さが調整されている。

アンテナエレメントから放射された電波の一部は、ガラスの境界面のうちアンテナエレメント側に露出している面よりも遠方にある遠方側境界面で反射する。遠方側境界面で反射して生じた反射波が遠方側境界面反射波である。

このアンテナ装置は、ガラスのアンテナエレメント側の面に積層される誘電体層を備える。遠方側境界面反射波と、誘電体層をガラス側に進行する進行波とが、ガラスと誘電体層との境界面で相互に逆位相になるように、誘電体層の誘電率および厚さは調整されている。

ガラスと誘電体層との境界面で遠方側境界面反射波と進行波が相互に逆位相になることで、遠方側境界面反射波は誘電体層の方向へ進行しにくくなり、その結果、遠方側境界面反射波は進行方向が変更されて、ガラスを透過する透過波として放射される。よって、電波がガラスを透過する際の伝搬損失が低減される。

アンテナ装置１００が車両１０に搭載されている状態を説明する図。 アンテナ装置１００を車室１１から見た状態を示す図。 装置本体部１１０の内部構成を説明する図。 進行波の位相と遠方側境界面反射波とが逆位相なるための関係式を示す図。 図４に示す式１の文字の意味を説明する図。 変形例１のアンテナ装置２００を示す図。 変形例２のアンテナ装置３００を示す図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態のアンテナ装置１００が車両１０に搭載されている状態を説明する図である。アンテナ装置１００は、車両１０の車室１１に配置されている。車室１１は、屋根板１２およびフロントウィンドシールド１３などにより、車外と区切られている。フロントウィンドシールド１３は、ガラス製であって、無色透明である。

アンテナ装置１００は、装置本体部１１０と、誘電体層１２０とを備えている。装置本体部１１０は、車室１１に配置され、車両前後方向の位置は屋根板１２の前端部と同じ位置である。装置本体部１１０は、連結棒１４により屋根板１２に連結されることにより、その位置が固定されている。このような装置本体部１１０の固定手段は一例であり、図１とは別の手段により装置本体部１１０が車両１０に固定されていてもよい。たとえば、車両１０がオーバーヘッドコンソールを備える場合、装置本体部１１０は、オーバーヘッドコンソール内に収容されていてもよい。

装置本体部１１０は、フロントウィンドシールド１３を介して、車両１０の外部との間で電波の送受信をする。誘電体層１２０は、フロントウィンドシールド１３において装置本体部１１０が送受信する電波が透過する部分に配置されている。

図２は、アンテナ装置１００を車室１１から見た状態を示す図である。装置本体部１１０は、車両幅方向の中央に配置されている。誘電体層１２０は、フロントウィンドシールド１３の車室１１側の面に配置されている。誘電体層１２０が配置されている高さおよび車両幅方向位置は、装置本体部１１０から見て、誘電体層１２０が車両１０の正面方向になる位置である。

誘電体層１２０は、上端がフロントウィンドシールド１３の上端と同じであり、下端の高さ方向位置は、ルームミラー１５の下端の高さ方向位置よりもやや下となる位置である。誘電体層１２０の上端および下端の位置は、アンテナ装置１００が通信する仰俯角方向の角度範囲をカバーするように決定される。

誘電体層１２０の車幅方向長さは、アンテナ装置１００が通信する水平方向の角度範囲により定まる。たとえば、アンテナ装置１００が通信する水平方向の角度範囲が車両１０の正面方向を０°として±３０°である場合を考える。この場合、装置本体部１１０から±３０°の範囲で放射された電波がフロントウィンドシールド１３を通過する範囲を含むように、誘電体層１２０の車幅方向長さと、誘電体層１２０の中心位置が決定される。

本実施形態の誘電体層１２０は、減光性を有する。したがって、誘電体層１２０は、通常の車両にも備えられている防眩用の着色膜と同様の効果を奏する。減光性を有する誘電体層１２０は、たとえば、黒色の半透明膜である。

図３は、装置本体部１１０の内部構成を説明する図である。装置本体部１１０は、筐体１１１を備え、筐体１１１の中に、基板１１２、無線回路部１１３、アンテナエレメント１１４が収容されている。筐体１１１は樹脂製であり電波を透過する。基板１１２は、ガラスエポキシ樹脂などを用いることができ、平板形状である。無線回路部１１３は、アンテナエレメント１１４を介して電波を送受信する部分であり、変調回路、復調回路、増幅回路などを備えている。

アンテナエレメント１１４は、必要な特性の電波を送受信することができるように、形状、長さが設定されている。アンテナエレメント１１４は、たとえば、水平偏波および垂直偏波の一方を送受信する。また、水平偏波および垂直偏波の両方を送受信してもよい。水平偏波および垂直偏波を送受信するために、相互に異なる形状のアンテナエレメント１１４を２つあるいはそれ以上備えていてもよい。

アンテナエレメント１１４の電気長は、送受信する電波の波長に基づいて設定されている。アンテナエレメント１１４が送受信する電波の周波数はＧＨｚ以上である。たとえば、アンテナエレメント１１４は、２８ＧＨｚ、２．１ＧＨｚ、３．９ＧＨｚのいずれかの周波数の電波を送受信する。２８ＧＨｚの周波数の電波を送受信する場合、１波長が約１０ｍｍであるので、アンテナエレメント１１４の電気長を約５ｍｍとすることができる。

アンテナエレメント１１４の形状は、ポール型、パッチ型など種々の形状を採用することができる。アンテナエレメント１１４と誘電体層１２０の間には間隔がある。アンテナエレメント１１４と誘電体層１２０との間の距離は任意である。たとえば、アンテナエレメント１１４と誘電体層１２０との間の距離は１０ミリから１００ミリ程度の距離とすることができる。

誘電体層１２０は、アンテナエレメント１１４が放射する電波が、フロントウィンドシールド１３を透過する際の伝搬損失を低減するために設けられている。誘電体層１２０の材質には、たとえば、ＰＥＴ樹脂を用いることができる。誘電体層１２０の厚さは、１ミリあるいは数ミリとすることができる。

電波は、その電波が伝搬する媒質の誘電率が変化する位置にて反射が生じる。したがって、アンテナエレメント１１４が放射する電波は、フロントウィンドシールド１３の車外境界面において反射する。フロントウィンドシールド１３の車外境界面は、フロントウィンドシールド１３の車室１１に露出する面に比べて装置本体部１１０から遠い位置にある遠方側境界面である。この遠方側境界面で電波が反射して生じた反射波を、遠方側境界面反射波とする。

フロントウィンドシールド１３の車室１１に露出する面を通過する遠方側境界面反射波が多いほど、電波がフロントウィンドシールド１３を透過する際の伝搬損失が大きいことになる。誘電体層１２０は、アンテナエレメント１１４から逐次放射される進行波の一部を、遠方側境界面反射波とは逆位相にすることで、遠方側境界面反射波がフロントウィンドシールド１３を透過してしまうことを抑制するために設けられている。

電波は、その電波が伝搬する媒体の誘電率により波長が変化する。したがって、誘電体層１２０が同じ厚さでも、誘電体層１２０の誘電率を調整することにより、進行波が誘電体層１２０とフロントウィンドシールド１３の境界面に到達するときの位相が変化する。また、当然、誘電体層１２０の厚さが変化すれば、進行波が誘電体層１２０とフロントウィンドシールド１３の境界面に到達するときの位相が変化する。したがって、誘電体層１２０の厚さおよび誘電率の一方または両方を調整することで、アンテナエレメント１１４から放射される進行波の一部の位相を、誘電体層１２０とフロントウィンドシールド１３の境界面において遠方側境界面反射波と逆位相にできる。

図４に示している式１は、進行波の位相が、誘電体層１２０とフロントウィンドシールド１３の境界面において、遠方側境界面反射波と逆位相となるための関係式である。式１において用いている一部の文字の意味を図５に示している。

式１の左辺のかっこ内の第１項を説明する。ｄ_Ｇは、図５にも示すように、仰角θでアンテナエレメント１１４から放射された進行波が、フロントウィンドシールド１３を伝播する長さである。遠方側境界面反射波がフロントウィンドシールド１３内を伝播する長さもｄ_Ｇである。ε_Ｇはフロントウィンドシールド１３の比誘電率である。λは、アンテナエレメント１１４が放射する電波の空気中での波長である。よって、式１の左辺のかっこ内の第１項のｍｏｄ関数の係数は、仰角θでフロントウィンドシールド１３に入射した電波がフロントウィンドシールド１３内で往復してフロントウィンドシールド１３と誘電体層１２０の境界面に達したときの位相を意味する。

ｍｏｄ関数は、ｍｏｄの前の値を除数で割った余りを算出する関数である。よって、式１の左辺のかっこ内の第１項は、遠方側境界面反射波のフロントウィンドシールド１３と誘電体層１２０との境界面における位相を表している。

なお、ｄ_Ｇは、幾何学的に、図５に等式にて示すように、フロントウィンドシールド１３の厚さｄ_Ｇ０と、仰角θと、誘電体層１２０の傾斜角Φとにより表すことができる。傾斜角Φは、誘電体層１２０の装置本体部１１０側の面と水平面との間の角度である。

次に式１の左辺のかっこ内の第２項を説明する。なお、以下、式１の左辺のかっこ内の第２項を、式１の左辺第２項と記載する。ｄ_ｄは、図５にも示すように、仰角θでアンテナエレメント１１４から放射された進行波が、誘電体層１２０を伝播する長さである。ε_ｄは誘電体層１２０の比誘電率である。よって、式１の左辺第２項のｍｏｄ関数の係数は、仰角θで誘電体層１２０に入射した電波が誘電体層１２０を通過してフロントウィンドシールド１３と誘電体層１２０との境界面に達したときの位相を意味する。

以上のことから、式１のかっこ内は、フロントウィンドシールド１３と誘電体層１２０の境界面における遠方側境界面反射波と進行波の位相差を表している。式１は、この位相差の絶対値がｎπに等しいという条件を示している。ｎは奇数であることから、式１を満たす場合、遠方側境界面反射波と進行波は、フロントウィンドシールド１３と誘電体層１２０の境界面において逆位相になっていると言える。

アンテナエレメント１１４から放射される電波の進行方向ＤＲは、当然のことながら１方向のみではない。図３には、アンテナエレメント１１４から放射される電波の進行方向ＤＲとして、進行方向ＤＲ１、進行方向ＤＲ２、進行方向ＤＲ３、進行方向ＤＲ４を示している。進行方向ＤＲ１の仰角θは０°であり、進行方向ＤＲ２の仰角θはθ２であり、進行方向ＤＲ３の仰角θはθ３であり、進行方向ＤＲ４の仰角θはθ４である。仰角θが異なると、式１におけるｄ_Ｇおよびｄ_ｄが異なる。また、アンテナエレメント１１４から放射される電波の方位角によっても、式１におけるｄ_Ｇおよびｄ_ｄは異なる。

つまり、アンテナエレメント１１４から放射される電波の進行方向ＤＲが変化すると、式１の左辺のかっこ内の第１項の値が変化する。したがって、アンテナエレメント１１４から放射される電波の進行方向ＤＲが変化すると、式１を成立させるためには、式１の左辺第２項の値も変化させなければならない。

誘電体層１２０の厚さｄ_ｄ０および誘電体層１２０の誘電率の一方または両方を変化させることで、式１の左辺第２項の値は変化する。そこで、本実施形態では、図３に示すように、誘電体層１２０を、複数の誘電体層小片１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄに分けている。これらの誘電体層小片１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄを区別しない場合には、誘電体層小片１２１と記載する。図３では、４つの誘電体層小片１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄを図示しているが、誘電体層小片１２１の数は任意である。また、図３では、誘電体層１２０が、高さ方向に複数の誘電体層小片１２１に分けられているが、誘電体層１２０が車両幅方向にも複数の誘電体層小片１２１に分けられていてもよい。

フロントウィンドシールド１３および誘電体層１２０に電波が入射する入射角が大きいほど、ｄ_Ｇおよびｄ_ｄが大きくなる。ただし、式１において、ｄ_Ｇには２が乗じられているのに対して、ｄ_ｄには２は乗じられていない。したがって、誘電率および誘電体層１２０の厚さが同じ場合には、入射角が大きいほど、式１の左辺第１項と左辺第２項の差が大きくなってしまう。

そこで、本実施形態では、フロントウィンドシールド１３および誘電体層１２０に電波が入射する入射角が大きい誘電体層小片１２１ほど、誘電率を大きくしている。具体的には、式１の左辺のかっこ内の計算値が０に近くなるように誘電率を大きくしている。

好ましくは、それぞれの誘電体層小片１２１の１箇所において、式１を満たすように、それぞれの誘電体層小片１２１の誘電率は調整されている。上記１箇所は、それぞれの誘電体層小片１２１の中心であることが特に好ましい。

誘電率を大きくすることで、式１の左辺第２項の分母が小さくなる。これにより、誘電体層１２０に入射する電波の入射角が大きくなっても、式１の左辺の計算値がｎπから離れてしまうことを抑制できる。

〔実施形態のまとめ〕
本実施形態のアンテナ装置１００は、フロントウィンドシールド１３のアンテナエレメント１１４側の面に積層される誘電体層１２０を備える。誘電体層１２０の誘電率および厚さは、遠方側境界面反射波と進行波とが、フロントウィンドシールド１３と誘電体層１２０との境界面で相互に逆位相になるように、誘電体層１２０の誘電率および厚さは調整されている。

フロントウィンドシールド１３と誘電体層１２０との境界面で遠方側境界面反射波と進行波が相互に逆位相になることで、遠方側境界面反射波は誘電体層１２０の方向へ進行しにくくなる。その結果、遠方側境界面反射波は進行方向ＤＲが変更されて、フロントウィンドシールド１３を透過する透過波として放射される。よって、電波がフロントウィンドシールド１３を透過する際の伝搬損失が低減される。

また、本実施形態では、誘電体層１２０は、複数の誘電体層小片１２１に分けられている。複数の誘電体層小片１２１は、フロントウィンドシールド１３および誘電体層１２０に電波が入射する入射角が大きいほど、誘電率が大きくなっている。このようにすることで、アンテナエレメント１１４から放射された電波がフロントウィンドシールド１３を種々の方向に透過する際の伝搬損失がより低減される。

本実施形態の誘電体層１２０は、減光性を有する。したがって、誘電体層１２０は、通常の車両にも備えられている防眩用の着色膜と同様の効果を奏するため、防眩用の着色膜を省くことができる。また、誘電体層１２０がフロントウィンドシールド１３の車室１１側の面に配置されていても、車両１０の乗員に違和感を与えにくい。

以上、実施形態を説明したが、開示した技術は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も開示した範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

＜変形例１＞
図６は変形例１のアンテナ装置２００を示す図である。アンテナ装置２００は、アンテナ装置１００と同じ装置本体部１１０を備える。また、ケース２２０を備える。ケース２２０は、装置本体部１１０を収容している。装置本体部１１０が備えているアンテナエレメント１１４も、ケース２２０に収容されていることになる。ケース２２０は、フロントウィンドシールド１３側の壁部が誘電体層１２０となっている。つまり、変形例１では、誘電体層１２０はケース２２０と一体化している。

＜変形例２＞
図７は、変形例２のアンテナ装置３００を示している。アンテナ装置３００は、装置本体部１１０および誘電体層１２０を備える。さらに、アンテナ装置３００は、装置本体部３１０を備える。装置本体部３１０は、正面に誘電体層１２０が存在しない位置に配置される。

装置本体部３１０は、垂直偏波用のアンテナエレメント３１４を備える。また、この変形例２では、装置本体部１１０に備えられているアンテナエレメント１１４は水平偏波用のアンテナエレメントであるとする。

したがって、この変形例２では、水平偏波用のアンテナエレメント１１４が放射した電波がフロントウィンドシールド１３を通過する部分には誘電体層１２０が配置される。しかし、垂直偏波用のアンテナエレメント３１４が放射した電波がフロントウィンドシールド１３を通過する部分には、誘電体層１２０は配置されていない。

実験の結果、水平偏波はフロントウィンドシールド１３を通過する際の損失が、垂直偏波よりも相対的に大きかった。そこで、アンテナ装置３００は、水平偏波用のアンテナエレメント１１４が放射した電波がフロントウィンドシールド１３を通過する部分にのみ誘電体層１２０を配置する。このようにすることで、アンテナ装置３００の車両搭載性が向上する。なお、アンテナ装置３００は、ＭＩＭＯ通信などに用いることができる。

水平偏波がフロントウィンドシールド１３を通過する際の損失が、垂直偏波よりも相対的に大きい理由は、次のように推定できる。装置本体部３１０が放射する垂直偏波がフロントウィンドシールド１３を通過する位置に配置されている場合、垂直偏波がフロントウィンドシールド１３に入射する角度が、ブリュースター角あるいはそれに近い角度になる。換言すれば、装置本体部３１０は、放射する垂直偏波のフロントウィンドシールド１３に対する入射角がブリュースター角あるいはそれに近い角度になるように配置されているということもできる。フロントウィンドシールド１３に対する入射角がブリュースター角あるいはそれに近い角度では、垂直偏波の透過率は１００％あるいはそれに近い値になる。一方、水平偏波にはブリュースター角はない。したがって、垂直偏波がフロントウィンドシールド１３を通過する際の損失は、水平偏波がフロントウィンドシールド１３を通過する際の損失よりも少なくなる。換言すれば、水平偏波がフロントウィンドシールド１３を通過する際の損失が、垂直偏波よりも相対的に大きくなる。

＜変形例３＞
実施形態では、フロントウィンドシールド１３および誘電体層１２０に電波が入射する入射角が大きい誘電体層小片１２１ほど、誘電率を大きくしていた。しかし、これに代えて、あるいは、これに加えて、入射角が大きいほど誘電体層小片１２１ほど厚さを大きくしてもよい。また、誘電体層小片１２１に分けることなく、一体とした誘電体層１２０を、電波の入射角が大きいほど、誘電率および厚さの一方または両方を大きくしてもよい。

＜変形例４＞
実施形態では、誘電体層１２０はフロントウィンドシールド１３に貼り付けられていたが、誘電体層１２０は、焼成により、フロントウィンドシールド１３のアンテナエレメント１１４側の面に積層されてもよい。実施形態では、フロントウィンドシールド１３の遠方側境界面として車外境界面を説明した。しかし、フロントウィンドシールド１３が複層ガラスである場合、ガラス間の境界面も遠方側境界面である。

１０：車両 １１：車室 １２：屋根板 １３：フロントウィンドシールド １４：連結棒 １５：ルームミラー １００：アンテナ装置 １１０：装置本体部 １１１：筐体 １１２：基板 １１３：無線回路部 １１４：アンテナエレメント １２０：誘電体層 １２１：誘電体層小片 ２００：アンテナ装置 ２２０：ケース ３００：アンテナ装置 ３１０：装置本体部 ３１４：アンテナエレメント

Claims (6)

1. ガラスに向けて電波を放射するアンテナエレメント（１１４）と、
   前記ガラスの前記アンテナエレメント側の面に積層される誘電体層（１２０）と、を備えたアンテナ装置であって、
   前記アンテナエレメントから放射された電波が反射された反射波であって、前記ガラスの境界面のうち前記アンテナエレメント側に露出している面よりも遠方にある遠方側境界面で反射された遠方側境界面反射波と、前記誘電体層を前記ガラスの方向に進行する進行波とが、前記ガラスと前記誘電体層との境界面で相互に逆位相になるように、前記誘電体層の誘電率および厚さが調整されている、アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記誘電体層は、前記アンテナエレメントから放射される電波の入射角が大きくなることに応じて、誘電率および厚さの少なくとも一方が大きくなっている、アンテナ装置。
3. 車両に搭載される請求項１または２に記載のアンテナ装置であって、
   前記ガラスが、車両のフロントウィンドシールド（１３）であるアンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置であって、
   前記誘電体層は、前記フロントウィンドシールドにおいて、高さ方向位置がルームミラーよりも上である部分があり、減光性を有する、アンテナ装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記アンテナエレメントを収容するケース（２２０）を備え、
   前記誘電体層は前記ケースと一体化している、アンテナ装置。
6. 請求項３または４に記載のアンテナ装置であって、
   前記アンテナエレメントは水平偏波用であって、
   垂直偏波用のアンテナエレメント（３１４）をさらに備え、
   前記誘電体層は、前記水平偏波用のアンテナエレメントが放射した電波が前記ガラスを通過する部分に配置されている、アンテナ装置。

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