JP2023073695A - 半波長アンテナ装置及びそれを用いる低背型アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で指向性を調整可能な半波長アンテナ装置を提供する。【解決手段】車両用の半波長アンテナ装置は、導電板１０と、半波長エレメント２０と、無給電素子３０とからなる。導電板１０は、給電部１１とグラウンド１２とを有する。半波長エレメント２０は、導電板１０上に立設され給電部１１に接続されると共にグラウンド１２とは絶縁される。無給電素子３０は、半波長エレメント２０に電磁結合するように半波長エレメント２０に平行に近接配置されると共にグラウンド１２とは絶縁される。【選択図】図１

Description

本発明は半波長アンテナ装置及びそれを用いる低背型アンテナ装置に関し、特に、指向性を調整可能な半波長アンテナ装置及び該半波長アンテナ装置を用いる低背型アンテナ装置に関する。

現在、車両には種々のアンテナ装置が搭載されるが、そのようなアンテナ装置として、例えばＡＭ放送及びＦＭ放送が受信可能なＡＭ／ＦＭラジオ用アンテナがある。ＡＭ／ＦＭラジオ用アンテナとしては、一般的にロッドアンテナが使用される。ロッドアンテナは、螺線形状の導体からなるエレメント（ヘリカルエレメント）をカバーで被覆したエレメント部とエレメント部を取り付けるためのベースプレートからなる。

このロッドアンテナは、車体に取り付けた際に、エレメント部が車体から大きく突出するため、車両の美観やデザインを損ね、車庫入れや洗車時に破損するおそれがあり、また車外に露出して取り付けられるためエレメント部が盗難に遭うおそれもある。

このような問題から、アンテナ装置全体の高さをロッドアンテナより低くすると共に、エレメントをアンテナケースに収容して車外への露出から守り、アンテナ装着後の車両全体のデザインを考慮してアンテナケースをフカヒレ形状（シャークフィン形状）で構成した低背型アンテナ装置が提案されている。このような低背型のアンテナ装置は、法規制等との兼ね合いから、高さが７０ｍｍ以下で、長手方向の長さが２００ｍｍ前後であるものが多い。

しかしながら、このようなアンテナ装置には、７０ｍｍ以下の低姿勢とすることによるアンテナの導体損失（エレメント長の短縮）の影響で放射効率が低下しやすくなり、感度劣化の原因となるという問題がある。さらに、近来では車両にはＴＥＬアンテナやＧＰＳアンテナ、車車間・路車間通信用のＶ２Ｘアンテナ等、種々のアンテナを車載する複合アンテナ装置とする必要がある。したがって、低背型アンテナ装置の狭い空間の中に如何にこれらの複数のアンテナを収容するかが課題となっていた。そして、狭い空間の中に収容する際、組み合わせるアンテナによって、アンテナの指向性を調整する必要があった。

例えば、特許文献１では、局面又は屈曲面状のパッチ素子を有するパッチアンテナの指向性を調整したアンテナ装置が開示されている。具体的には、特許文献１の装置は、パッチ素子を曲面又は屈曲面状とした構成により、天頂方向の指向性を調整するものである。

また、特許文献２では、アンテナ素子の指向性を調整したアンテナ装置が開示されている。具体的には、特許文献２の装置は、ダイポールアンテナやモノポールアンテナとして機能するアンテナ素子に平行に、グラウンドと無給電素子とを配置した構成により、無給電素子を反射器として用いて指向性を調整するものである。

特開２０１９－０６８１２４号公報 国際公開番号２０１８／１９８３４９号公報

しかしながら、特許文献１は、パッチアンテナの指向性を調整するものであり、直線偏波アンテナの指向性を調整するものではなかった。また、特許文献２は、１／４波長用の板状アンテナ素子の指向性を調整するものであった。

また、複数のアンテナを収容する複合アンテナ装置の場合、反射器や放射器として他のアンテナを用いることも可能である。この場合には、各アンテナ間の距離は１／４波長分離す必要があった。しかしながら、低背型アンテナ装置の狭い空間の中では、各アンテナ間の距離を離すのが難しかった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、小型で指向性を調整可能な半波長アンテナ装置を提供しようとするものである。また、そのような半波長アンテナ装置を用いた低背型アンテナ装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による半波長アンテナ装置は、給電部とグラウンドとを有する導電板と、導電板上に立設され給電部に接続されると共にグラウンドとは絶縁される、半波長エレメントと、半波長エレメントに電磁結合するように半波長エレメントに平行に近接配置されると共にグラウンドとは絶縁される、無給電素子と、を具備するものである。

ここで、半波長エレメントは、板状エレメントであり、インピーダンス整合用に、給電部への給電線路の両側にスリットが設けられるものであっても良い。

さらに、誘電体基板を有し、半波長エレメントと無給電素子とは、誘電体基板の表裏面にそれぞれ配置されるものであっても良い。

また、本発明の半波長アンテナ装置を用いる車両用の低背型アンテナ装置は、車両に固定されるベースプレートと、ベースプレートに対して高さ方向に間隔を設けて配置され、第１周波数帯用のアンテナとして機能する第１周波数帯用エレメントと、ベースプレートに嵌合し第１周波数帯用エレメントを内側に収容するアンテナカバーと、を具備し、半波長アンテナ装置の少なくとも半波長エレメント及び無給電素子が、上面視で第１周波数帯用エレメントに覆われる位置に配置される、ものであっても良い。

さらに、ベースプレート上に配置され、給電端子を有する回路基板と、第１周波数帯用エレメントと給電端子との間に接続されるコイルであって、第１周波数帯用エレメントとコイルの直列回路により第２周波数帯用の共振アンテナとして機能するように調整される、コイルと、を具備し、コイルは、その軸方向がベースプレートに平行且つ第１周波数帯用エレメントの長手方向に平行となるように配置されるものであっても良い。

本発明の半波長アンテナ装置及び低背型アンテナ装置には、小型で指向性を調整可能であるという利点がある。

図１は、本発明の半波長アンテナ装置を説明するための概略側面図である。 図２は、本発明の半波長アンテナ装置の具体例を説明するための概略斜視図である。 図３は、本発明の半波長アンテナ装置の指向性パターンである。 図４は、比較例として無給電素子をグラウンドに接続した場合の指向性パターンである。 図５は、本発明の半波長アンテナ装置の他の具体例を説明するための概略斜視図である。 図６は、本発明の半波長アンテナ装置のさらに他の具体例を説明するための概略図である。 図７は、本発明の半波長アンテナ装置を用いた低背型アンテナ装置を説明するための概略側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の半波長アンテナ装置を説明するための概略側面図である。図示の通り、本発明の半波長アンテナ装置は、導電板１０と、半波長エレメント２０と、無給電素子３０とからなる。そして、同軸ケーブル１を用いて給電される。

導電板１０は、給電部１１と、グラウンド１２とを有するものである。導電板１０は、例えばプリント基板で提供されれば良い。即ち、プリント基板のベタアース部分がグラウンド１２となり、グラウンド１２から絶縁された部分が給電部１１となる。同軸ケーブル１の内部導体が給電部１１に接続され、外部導体がグラウンド１２に接続されれば良い。なお、導電板１０は、プリント基板で提供される必要は必ずしもなく、例えば板状導電体に貫通孔を開けて給電部１１が設けられるように構成されるものであれば良い。

半波長エレメント２０は、導電板１０上に立設されるものである。半波長エレメント２０は、給電部１１に接続されると共に、グラウンド１２とは絶縁されるものである。図示例では導電板１０上に直角に半波長エレメント２０が設置される例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、半波長エレメント２０に対して導電板１０が地板となるように配置されるものであれば、多少の傾きは許容される。また、図示例では、半波長エレメント２０は棒状エレメントで構成される例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、板状エレメントで構成されるものであっても良い。

ここで、半波長エレメント２０とは、エレメント長を対応周波数帯の波長の１／２としたモノポールアンテナである。具体的には、半波長エレメント２０のエレメント長は、例えばＶ２Ｘ用のエレメントであれば、５．９ＧＨｚ帯の波長の１／２の長さを有するものであれば良い。なお、半波長エレメント２０のエレメント長は、短縮率等に応じて適宜調整されれば良い。

そして、無給電素子３０は、半波長エレメント２０に電磁結合するように、半波長エレメント２０に平行に近接配置されるものである。無給電素子３０は、グラウンド１２とは絶縁されている。即ち、無給電素子３０は、グラウンド１２にも給電部１１にも接続されないものである。無給電素子３０は、半波長エレメント２０になるべく広い範囲で電磁結合するように、半波長エレメント２０と同等かそれよりも大きいものが好ましい。本発明の半波長アンテナ装置は、この無給電素子３０の配置位置や長さや幅、半波長エレメント２０との距離によって、アンテナの指向性を調整することが可能となる。具体的に一例を挙げれば、無給電素子３０は、例えば１／２０波長程度の距離を設けて半波長エレメント２０に平行に近接配置されれば良い。また、無給電素子３０は、グラウンド１２からは例えば１ｍｍ程度上側に持ち上げて離して配置されれば良い。

このように構成された本発明の半波長アンテナ装置は、半波長エレメント２０が導電板１０に立設されているためモノポールアンテナのような振る舞いもしつつ、半波長エレメント２０に無給電素子３０が電磁結合するため、マイクロストリップアンテナのような振る舞いもする。

本発明の半波長アンテナ装置は、このように無給電素子３０により指向性を調整できるようになる。具体的には、半波長エレメント２０の指向性を、無給電素子３０が設けられる側とは反対方向に向けることが可能となる。即ち、無給電素子３０は半波長エレメント２０に対して反射器のような振る舞いをする。しかしながら、反射器は本来１／４波長以上離す必要があるため、無給電素子３０は反射器とは違う振る舞いをしている。

このように、本発明の半波長アンテナ装置は、半波長エレメント２０と無給電素子３０とが近接配置されるため、小型のアンテナ装置とすることが可能となる。そして、無給電素子３０により、小型でありながら指向性を調整可能なアンテナ装置となっている。

図２は、本発明の半波長アンテナ装置の具体例を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、この例では、半波長エレメント２０が板状エレメントで構成されている。板状の半波長エレメント２０は、例えば、板金加工により板金を切り出して形成されれば良い。また、無給電素子３０も導電板状体で構成されている。板状の無給電素子３０も同様に、例えば板金加工により板金を切り出して形成されれば良い。このように構成されることにより、無給電素子３０が半波長エレメント２０に、より強く電磁結合可能となるため、より広い範囲で指向性を調整可能となる。

図３は、本発明の半波長アンテナ装置の指向性パターンであり、図３（ａ）が垂直方向の指向性を、図３（ｂ）が水平方向の指向性である。無給電素子がない場合には無指向性となる。しかしながら、本発明の半波長アンテナ装置の場合には、図示の通り、無給電素子３０が設けられる側とは反対方向に指向性が向いていることが分かる。このように、本発明の半波長アンテナ装置では、近接配置される無給電素子３０を用いることで、半波長エレメント２０の指向性を調整することが可能となる。

なお、無給電素子３０をグラウンド１２に接続した場合には、図４に示されるような指向性となる。図４は、比較例として無給電素子をグラウンドに接続した場合の指向性パターンであり、図４（ａ）が垂直方向の指向性を、図４（ｂ）が水平方向の指向性である。図示の通り、無給電素子３０をグラウンド１２に接続した場合には、本発明の半波長アンテナ装置と比べて無指向性に近づく。したがって、無給電素子３０は、グラウンド１２には接続せず、グラウンド１２からは絶縁されることが好ましい。このように、本発明では、無給電素子３０をグラウンド１２に接続する必要がないため、無給電素子３０の配置の自由度も高い。

図５は、本発明の半波長アンテナ装置の他の具体例を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、半波長エレメント２０が板状エレメントで構成される点は図２と同様である。この例では、半波長エレメント２０の、給電部１１への給電線路の両側にスリット２１が形成されている。スリット２１は、インピーダンス整合用に用いられる。即ち、スリット２１の深さを調整することで、板状エレメントのエレメント長を変えず給電線路の長さを変え、例えば５０Ωにインピーダンス整合させることが可能となる。このように板状エレメントにスリット２１を設けることで、例えば整合回路を別途設ける必要がなくなる。

また、図示例では、半波長エレメント２０と無給電素子３０との間に、基台４０が配置されている。基台４０は、絶縁体からなるものであれば良い。基台４０を導電板１０に立設固定し、基台４０の表裏面にそれぞれ半波長エレメント２０と無給電素子３０を配置すれば良い。半波長エレメント２０や無給電素子３０には、適宜係止穴２２を設け、基台４０には係止穴２２に係止する係止爪４１を設けることで、組付けも容易となる。また、基台４０を誘電体で構成すれば、エレメント長を短くすることが可能となり、より小型化が可能となる。

図６は、本発明の半波長アンテナ装置のさらに他の具体例を説明するための概略図であり、図６（ａ）が前面図であり、図６（ｂ）が後面図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、この例では、基台４０が誘電体基板で構成されている。そして、半波長エレメント２０と無給電素子３０とは、誘電体基板からなる基台４０の表裏面にそれぞれ配置されている。図示例では、基台４０は例えば両面に金属薄膜を有する両面プリント基板からなる例を示した。両面プリント基板の金属薄膜を、本発明の半波長アンテナ装置の半波長エレメント２０及び無給電素子３０になるように、適宜パターンニング形成している。このように、板金加工ではなく、プリント基板のパターンニング形成により提供されても良い。

上述のように構成される本発明の半波長アンテナ装置は、小型で指向性を調整可能であるため、車両用の低背型アンテナ装置に適用しても良い。即ち、高さが７０ｍｍ以下といったシャークフィン形状の低背型アンテナ装置のような、内部空間が狭いものに適用する際にも、本発明の半波長アンテナ装置であれば容易に収容でき、さらに所望の指向性を有するように調整が可能である。

図７は、本発明の半波長アンテナ装置を用いた低背型アンテナ装置を説明するための概略側面図である。なお、低背型アンテナ装置の内部を説明するために、一部断面図とした。図示の通り、本発明の半波長アンテナ装置を適用する低背型アンテナ装置は、ベースプレート５０と、第１周波数帯用エレメント６０と、アンテナカバー７０とを具備するものである。

ベースプレート５０は、車両に固定されるものである。ベースプレート５０は、具体的には、例えば樹脂等の絶縁体で形成される所謂樹脂ベースであっても良いし、金属等の導電体で形成される所謂金属ベースであっても良い。また、ベースプレート５０は、樹脂と金属のコンポジットベースであっても良い。ベースプレート５０には、例えばねじボス５１が設けられている。車両のルーフ等に設けられた孔にねじボス５１が挿入され、例えば車両室内からナットを用いてルーフ等を挟み込むようにしてベースプレート５０がルーフに固定される。ねじボス５１には、例えば車両内部とアンテナ装置とを接続する電源ケーブルや同軸ケーブル等が挿通される。また、ベースプレート５０は、後述のアンテナカバー７０により覆われるように構成されている。

第１周波数帯用エレメント６０は、第１周波数帯用のアンテナとして機能するものである。例えば、第１周波数帯用エレメント６０は、所謂容量装荷アンテナエレメントであれば良い。具体的には、第１周波数帯とはＡＭ周波数帯であれば良い。ＡＭ周波数帯では、第１周波数帯用エレメント６０は容量アンテナとして機能する。また、第１周波数帯用エレメント６０のエレメント長が所望の周波数帯に対応する長さを有するものであっても良い。例えばＤＴＶ周波数帯であれば良い。ＤＴＶ周波数帯では、第１周波数帯用エレメント６０は共振アンテナとして機能する。第１周波数帯用エレメント６０は、ベースプレート５０に対して高さ方向に間隔を設けて配置されるものである。図７に示される例では、図面上、左側が車両進行方向であり、第１周波数帯用エレメント６０は、その長手方向が車両進行方向を向いている。

アンテナカバー７０は、ベースプレート５０に嵌合し、第１周波数帯用エレメント６０を内側に収容するものである。図示例では、アンテナカバー７０は、低背型アンテナ装置の外形を画定するものである。なお、本発明の低背型アンテナ装置はこれに限定されず、例えば、アンテナカバー７０がインナーカバーとアウターカバーとからなるものであっても良い。即ち、２重カバーであっても良い。この場合、インナーカバーが第１周波数帯用エレメント６０を内側に収容するものであり、アウターカバーが外形を画定するものとなる。

そして、本発明の半波長アンテナ装置が、上面視で第１周波数帯用エレメント６０に覆われる位置に配置されている。具体的には、ベースプレート５０上に設けられたボスに導電板１０が固定されている。そして、半波長エレメント２０や無給電素子３０が、第１周波数帯用エレメント６０の下側で覆われるように配置されている。なお、導電板１０は必ずしも第１周波数帯用エレメント６０に完全に覆われる必要はなく、少なくとも半波長エレメント２０及び無給電素子３０が第１周波数帯用エレメント６０に覆われる位置に配置されれば良い。また、導電板１０は、図示例のようにベースプレート５０とは別に設けられなくても良く、ベースプレート５０が金属ベースであれば、ベースプレート５０を導電板１０として用いても良い。

通常、低背型アンテナ装置の車両進行方向の後方にアンテナエレメントが配置されると、車両進行方向の前方への放射は、第１周波数帯用エレメント６０等の影響を受けてしまう。しかしながら、本発明の半波長アンテナ装置では、指向性を調整可能であり、車両進行方向の後方に指向性が向くように調整している。具体的には、無給電素子３０を車両進行方向の前方側に配置し、半波長エレメント２０を車両進行方向の後方側に配置している。これにより、半波長エレメント２０の指向性は車両進行方向の後方に向く。そして、低背型アンテナ装置の狭い空間の中で周辺金属や誘電体の影響があっても、無給電素子３０の幅や高さ、半波長エレメント２０までの距離等の調整により、指向性を補正するような調整も可能である。したがって、第１周波数帯用エレメント６０を避けて半波長アンテナ装置を配置する必要がないため、低背型アンテナ装置のアンテナカバー内の狭い空間の中での配置の自由度も高い。

ここで、図７に示される本発明の半波長アンテナ装置を用いた低背型アンテナ装置では、回路基板８０と、コイル９０とを有する例を示した。このように複合アンテナとすることも可能である。回路基板８０は、ベースプレート５０上に配置され、給電端子８１を有するものである。回路基板８０には、適宜アンプ回路やフィルタ回路等が設けられ、信号を受信可能に構成されている。そして、コイル９０は、第１周波数帯用エレメント６０と給電端子８１との間に接続されるものである。第１周波数帯用エレメント６０とコイル９０の直列回路により第２周波数帯用の共振アンテナとして機能するように調整されている。具体的には、第２周波数帯とはＦＭ周波数帯であれば良い。例えば、ＦＭ周波数帯で第１周波数帯用エレメント６０とコイル９０の直列回路が共振アンテナとして機能するように、コイル９０のインダクタが適宜選択される。

そして、図示の通り、コイル９０は、その軸方向がベースプレート５０に平行且つ第１周波数帯用エレメント６０の長手方向に平行となるように配置されている。このように配置されることで、例えば車種によりコイル９０の長さ（巻き数）が変わった場合であっても、コイル９０が横向きに配置されているため、横方向へ長さが変わるのみであり、回路基板８０からの距離が変わることはない。したがって、コイル９０の長さを調整しても低背型アンテナ装置のアンテナ受信特性の変化も少ないものとなる。

なお、本発明の半波長アンテナ装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 同軸ケーブル
１０ 導電板
１１ 給電部
１２ グラウンド
２０ 半波長エレメント
２１ スリット
２２ 係止穴
３０ 無給電素子
４０ 基台
４１ 係止爪
５０ ベースプレート
５１ ボス
６０ 第１周波数帯用エレメント
７０ アンテナカバー
８０ 回路基板
８１ 給電端子
９０ コイル

Claims (5)

1. 車両用の半波長アンテナ装置であって、該半波長アンテナ装置は、
   給電部とグラウンドとを有する導電板と、
   前記導電板上に立設され給電部に接続されると共にグラウンドとは絶縁される、半波長エレメントと、
   前記半波長エレメントに電磁結合するように半波長エレメントに平行に近接配置されると共にグラウンドとは絶縁される、無給電素子と、
   を具備することを特徴とする半波長アンテナ装置。
2. 請求項１に記載の半波長アンテナ装置において、前記半波長エレメントは、板状エレメントであり、インピーダンス整合用に、給電部への給電線路の両側にスリットが設けられることを特徴とする半波長アンテナ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半波長アンテナ装置であって、さらに、誘電体基板を有し、
   前記半波長エレメントと無給電素子とは、誘電体基板の表裏面にそれぞれ配置される、
   ことを特徴とする半波長アンテナ装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の半波長アンテナ装置を用いる車両用の低背型アンテナ装置であって、該低背型アンテナ装置は、
   車両に固定されるベースプレートと、
   前記ベースプレートに対して高さ方向に間隔を設けて配置され、第１周波数帯用のアンテナとして機能する第１周波数帯用エレメントと、
   前記ベースプレートに嵌合し第１周波数帯用エレメントを内側に収容するアンテナカバーと、
   を具備し、
   半波長アンテナ装置の少なくとも半波長エレメント及び無給電素子が、上面視で第１周波数帯用エレメントに覆われる位置に配置される、
   ことを特徴とする低背型アンテナ装置。
5. 請求項４に記載の低背型アンテナ装置であって、さらに、
   前記ベースプレート上に配置され、給電端子を有する回路基板と、
   前記第１周波数帯用エレメントと給電端子との間に接続されるコイルであって、第１周波数帯用エレメントとコイルの直列回路により第２周波数帯用の共振アンテナとして機能するように調整される、コイルと、
   を具備し、
   前記コイルは、その軸方向がベースプレートに平行且つ第１周波数帯用エレメントの長手方向に平行となるように配置される、
   ことを特徴とする低背型アンテナ装置。

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