JP4057560B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置、特に、車両用窓ガラスに形成したアンテナ装置に関する。

一般的にＧＨｚ帯以上のアンテナを車両用窓ガラス面に構成する場合、アンテナサイズを考慮するとガラス面でアンテナがすべて完結するような構造が望ましい。この場合、ガラスの特性上、給電部に貫通穴を設けることが困難であるため、通常はガラスの単一面側でアンテナを構成せざるを得ない。ガラスの単一面側に設けられたアンテナは、コープレーナーアンテナと呼ばれる。コープレーナーアンテナには、特許文献１および２に記載のものが知られている。

特許文献１および特許文献２に開示されたアンテナに指向特性を与えるため、特許文献３に開示される反射板を適用することが考えられる。

この場合、アンテナの性能を向上させるために受信した信号を増幅する増幅器を含む電子回路と、反射板と、ハウジングとを一体化し開口部を有する箱状の電子回路ユニットを構成し、この電子回路ユニットを、ベースプレートを介してガラス面上に構成されたコープレーナーアンテナを覆うようにして（アンテナと電子回路ユニットとがＤＣ的に接続されないように）、脱着可能に取り付けるのが好ましい。
特開平０８−１４８９２１号公報 ＷＯ０３／１０５２７８号公報 ＷＯ２００４／００４０７０Ａ１号公報

上述したような電子回路ユニットを着脱可能に設ける理由は、電子回路ユニットが故障した場合に、交換可能を容易にするためである。この場合、アンテナの給電点と増幅器との間の接続は同軸ケーブルを使用する必要がある。しかし、増幅器の前段で必要以上の長さの同軸ケーブルを引き回すことは望ましくない。というのは、同軸ケーブルでの信号減衰が大きいと、増幅器を設ける意味がないし、またＳ／Ｎ比が悪化するからである。したがって、上述したように、増幅器は、アンテナのすぐ近くにある電子回路ユニット内に設けることになる。

同軸ケーブルの長さは短くしても、次のような問題が発生する。同軸ケーブルは不平衡回路であるので、平衡回路であるコープレーナーアンテナに同軸ケーブルを接続すると、同軸ケーブルの中心導体および外部導体を流れるノーマルモードの電流の外に、中心導体および外部導体を流れるコモンモードの電流が発生する。これは、外部導体を接続したグランドアンテナ素子と、電子回路ユニットの外壁を構成する金属板（グランド面）との間が容量的に結合されるため、擬似的に同軸ケーブルの外部導体とグランド面との間に信号伝送路が形成され、これにより本来不要であるコモンモード電流が誘起されるためである。

図１に、平衡型アンテナ１０に接続された同軸ケーブル１２にコモンモードの電流が流れる様子を示す。このようなコモンモードの電流が流れると、コモンモードの電流は本来のノーマルモードの電流に加算されるため、アンテナ，同軸ケーブルの励振電流分布を乱し、アンテナの受信性能を著しく劣化させる要因となる。コモンモードの電流は、同軸ケーブルの配線状況、および長さが変化すると変動するので、アンテナの受信性能も変動することになる。したがって、同軸ケーブルに流れるコモンモードの電流は、極めて不所望な電流である。

したがって、本発明の目的は、同軸ケーブルにコモンモード電流が流れないようにして、アンテナ性能の劣化を防止したアンテナ装置を提供することにある。

本発明は、同軸ケーブルの外部導体の、グランドアンテナ素子の給電点から０．２５λ（λは、自由空間波長）以下の位置に、ショートスタブ構造を設けると、前記給電点の位置でコモンモード伝送路のインピーダンスが無限大となり、コモンモード電流をカットできるという考え方に基づいてなされている。

図２に、これを模式的に示す。ショートスタブ構造１４は、給電点（Ａ点）から０．２５λ以下の位置に設けられ、ショートスタブ構造からＡ点を見た場合に、Ａ点でのコモンモード伝送路のインピーダンスが無限大となり、同軸ケーブルを流れるコモンモード電流をカットできる。

また、ショートスタブ構造の位置は、グランドアンテナ素子の給電点から０．１５λ〜０．２５λの範囲の位置に設けるのが好適である。図３は、同軸ケーブルをモデル化してＶＳＷＲ（定在波比）特性をシミュレーションした結果である。理想給電（平衡，不平衡のない理想状態）状態と、ショートスタブ構造の位置を０．１５λ，０．２５λとした状態の３種をシミュレーションした。

周波数が、所望周波数である２．５ＧＨｚ付近で、ショートスタブ構造の位置が０．１５λ，０．２５λの各モデルとも、理想状態のＶＳＷＲ特性とほぼ同じ特性が得られており、したがってコモンモード電流の発生を良好に抑制できることがわかる。例えば、２．５ＧＨｚ帯の信号を受信する場合、グランドアンテナ素子からショートスタブ構造までの長さは、１．８〜３ｃｍとすることができる。

したがって、本発明のアンテナ装置は、誘電体基板の一表面に形成された放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子と、放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子を取り囲むようにして、放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子の近傍に設けた導電性ハウジングと、中心導体が放射アンテナ素子の給電点に接続され、外部導体がグランドアンテナ素子の給電点に接続された同軸ケーブルとを備え、同軸ケーブルの外部導体には、導電性ハウジングに電気的に接続されるショートスタブ構造が設けられていることを特徴とする。

ショートスタブ構造は、グランドアンテナ素子の給電点から０．２５λ以下の位置に、特に０．１５λ〜０．２５λの位置に、より好ましくは０．１５λ〜０．２３λの位置に設けるのが好適である。

また、同軸ケーブルの全長は、ｋλ（ｋは、同軸ケーブルの波長短縮率）以下とするのが好適である。ここに同軸ケーブルの波長短縮率とは、同軸ケーブル中の波長と自由空間中の波長との比のことである。

２．５ＧＨｚ帯の信号を受信する場合、λ＝１２８．６ｍｍであり、例えば、ｋ＝０．７とするとｋλ以下は、具体的には、９ｃｍ以下である。

ショートスタブ構造は、同軸ケーブルの外部導体に接続された金属端子を、ベースプレートまたはハウジングに接続した構造とすることができる。

本発明のアンテナ装置によれば、ショートスタブ構造を設けることによって、同軸ケーブルに誘起されるコモンモード電流を抑制し、アンテナの性能劣化を防止することができる。

以下、図面を参照しながら本発明のアンテナ装置の実施例を説明する。

図４は、車両用窓ガラスに設けられた本発明によるアンテナ装置１００の斜視図、図５はその分解斜視図である。図４では、ベースプレート２４に電子回路ユニット２１を固定した状態を示している。

このアンテナ装置１００は、窓ガラスの車内側の内表面に形成されたコープレーナーアンテナと、このコープレーナーアンテナを取り囲むようにして、窓ガラスの表面に固定されたステンレス製のベースプレート２４と、このベースプレートに脱着可能に固定される電子回路ユニット２１とによって主に構成されている。

図６は、窓ガラス５１上に形成されたコープレーナーアンテナを取り囲むように、ベースプレート２４を窓ガラス５１に固定した状態を示す。コープレーナーアンテナは、放射アンテナ素子２２とグランドアンテナ素子２３とから構成されている。放射アンテナ素子２２は略方形に形成されたパッチ電極であって、一方の対角線の両端部に切欠き状の縮退分離素子２２ａが設けられている。グランドアンテナ素子２３は枠状に形成されたグラウンド電極であって、所定の間隔をあけて放射アンテナ素子２２を包囲している。これらの放射アンテナ素子２２およびグランドアンテナ素子２３は、Ａｇ等の良導電性金属からなる導体層である。放射アンテナ素子２２の給電点には、同軸ケーブル２５の中心導体が半田付けにより接続され、グランドアンテナ素子２３の給電点には、同軸ケーブル２５の外部導体が半田付けにより接続されている。半田付けによる接続点（給電点）を、それぞれ、１６，１８で示す。

このようなコープレーナーアンテナは、窓ガラスの任意の位置に形成できるが、美感を問題にする場合には、有色、例えば黒色の遮蔽膜を表面に備える窓ガラスの遮蔽膜上に形成してもよい。

電子回路ユニット２１は、図４に示すように、回路基板２６と、この回路基板２６を収納する箱状の、表面がＳｎメッキ処理された鋼板製のハウジング２７と、一端部が回路基板２６に接続され他端部が図示せぬ外部の受信機に接続される同軸ケーブル（入出力ケーブル）２８とを備えている。

ここで、ハウジング２７は、回路基板２６を包囲して保持する鋼板製の枠体３０と、回路基板２６を覆うように枠体３０に被せた鋼板製のカバー３１と、カバー３１の切欠き部３１ａを覆うコネクタカバー３２とによって構成されている。

ベースプレート２４は、開口部２４ａを包囲する方形枠状に形成されており、複数箇所に雌ねじ部２４ｂが立設されている。そして、これらの雌ねじ部２４ｂに、ハウジングの枠体３０の外方突出片３０ａに挿通した固定ねじ３３を締結させることによって、枠体３０がベースプレート２４にねじ止め固定されるようになっている。すなわち、このアンテナ装置１００の電子回路ユニット２１は、ベースプレート２４に脱着可能に固定される。図６に示すように、このベースプレート２４は、湿度硬化性樹脂３４を用いて窓ガラス５１に固定される。

図５に示すように、方形枠状の枠体３０は、相対向する一対の側壁部３０ｂ，３０ｃと、相対向する一対の側壁部３０ｄ，３０ｅとによって主に構成され、側壁部３０ｂ，３０ｃの長手方向両端部にそれぞれ外方突出片３０ａが設けられている。枠体３０のうち窓ガラス５１と対向する側の端部は、ベースプレート２４の開口部２４ａに挿入される嵌め込み部３０ｆとなっており、この嵌め込み部３０ｆの四隅に隣接して形成されているストッパ部３０ｇが、開口部２４ａ近傍のベースプレート２４上に載置される。このように四隅のストッパ部３０ｇをベースプレート２４に当接させることにより、嵌め込み部３０ｆの開口部２４ａ内への挿入量をベースプレート２４の板厚未満に設定している。これらのストッパ部３０ｇは、側壁部３０ｂ，３０ｃの長手方向両端部に形成されて、隣接する側壁部３０ｄ，３０ｅに対して僅かに突出している。また、枠体３０には嵌め込み部３０ｆ側と逆側の端部近傍に、多数の小孔３０ｈが設けられている。

回路基板２６の片面は、図示せぬ各種電子部品（増幅器を含む）が実装された部品実装面２６ａとなっている。この部品実装面２６ａには、一端部が放射アンテナ素子２２およびグランドアンテナ素子２３に接続された同軸ケーブル２５の他端部が、対をなすコネクタ３６，３７を介して接続されている。つまり、同軸ケーブル２５の他端部が増幅器の入力部に接続されている。図５には、同軸ケーブル２５側のコネクタ３６と、これと対をなす回路基板側のコネクタ３７とが図示されている。

また、回路基板２６の部品実装面２６ａには、同軸ケ−ブル２８の一端部が半田付けされており、同軸ケ−ブル２８の他端部にはコネクタ３８が取り付けられている。部品実装面２６ａの周縁部の複数箇所は、枠体３０に半田付けされている。これにより、枠体３０が電気的にグラウンドとして機能すると共に、回路基板２６と枠体３０とが機械的に接合される。回路基板２６の他面（裏面）、つまり放射アンテナ素子２２およびグランドアンテナ素子２３との対向面は、Ａｕ等の良導電性金属からなる導体層が形成された電波反射面２６ｂとなっている。この電波反射面２６ｂの周縁部は、枠体３０の舌片３０ｊによって複数箇所が支持される。

カバー３１には、コネクタカバー３２で覆われる切欠き部３１ａが設けられており、この切欠き部３１ａには、回路基板側のコネクタ３７を露出しているので、回路基板２６を収納保持した枠体３０にカバー３１を被せた状態で、同軸ケーブル２５のコネクタ３６を回路基板２６側のコネクタ３７に接続させることができる。カバー３１の周縁部には、ほぼ全周に亘って、枠体３０の側壁部３０ｂ〜３０ｅに嵌合させるための折曲片３１ｂが設けられており、この折曲片３１ｂには内方へ突出する多数の係合小突起３１ｃが設けられている。これらの係合小突起３１ｃは、枠体３０の小孔３０ｈと対応する位置に配設されており、折曲片３１ｂの弾性によって各係合小突起３１ｃを対応する小孔３０ｈ内へ圧入させることができる。したがって、カバー３１は枠体３０に対してスナップフィットにより、簡単に被せることができる。なお、カバー３１を被せる前の枠体３０に対して、回路基板２６を組み込むことによって、回路基板２６の組み込み作業を容易に行うことができる。

このようなアンテナ装置１００によれば、回路基板２６の裏面が放射アンテナ素子２２およびグランドアンテナ素子２３と対向する電波反射面２６ｂとなっているため、同調電波の到来方向において放射利得を高めることができる。

次に、本発明の特徴をなす同軸ケーブル２５へのショートスタブ構造の形成について説明する。

窓ガラス上の放射アンテナ素子２２およびグランドアンテナ素子２３の給電点に接続された同軸ケーブル２５は、図５に示されるように、ベースプレート２４の端部で垂直に立ち上げられて、カバー３１の切り欠き部３１ａへ向かうように曲げられて、コネクタ３６が切り欠き部３１ａに届くように、配置されている。ショートスタブ構造は、同軸ケーブル２５の外被を一部分除去して外部導体を露出させて、露出された外部導体に、穴が設けられたリング状金属端子６４を圧着することにより取り付ける。

このリング状金属端子６４は、ベースプレート２４に立設されたステンレスよりなる受け部６０に、ビス６２を用いて固定される。このリング状金属端子６４は、グランドアンテナ素子２３の給電点１８から、０．２５λ以内の距離に設けられる。

この例では、リング状金属端子６４を、受け部６０にビス止めしているが、これに限定されるものではなく、電気的かつ機械的に係止できる構造であれば、いかなる構造であってもよい。例えば、スクリューねじ、ボルトおよび割ピンなどが挙げられる。

以上のようなショートスタブ構造によれば、ショートスタブ位置において同軸ケーブル２５の外部導体は、リング状金属端子６４，ビス６２，受け部６０を介してベースプレート２４に電気的に接続される。ベースプレート２４は、前述したようにハウジング２７と電気的に接続されているので、同軸ケーブル２５に対して、ハウジング２７およびベースプレート２４とがグランド面を構成することになる。

このようなグランド面とグランドアンテナ素子との間には、静電容量が存在するが、グランドアンテナ素子２３の給電点１８から０．２５λ以内の位置にショートスタブ構造が形成されているので、同軸ケーブルにコモンモード電流が流れることはない。

ショートスタブ構造による性能改善の一例を、アンテナ装置を車両のリアガラスに取り付け、ショートスタブ構造を設けた場合と、設けない場合について、測定した受信性能を図７に示す。受信性能として、仰角特性を測定した。図７において、横軸は仰角、縦軸は仰角での平均受信レベル（全周囲平均利得）を示す。ショートスタブ構造を設けた場合の方が、利得が増大していることがわかる。

また、ショートスタブ構造を設けることで、同軸ケーブル２５の長さが変化しても、インピーダンス性能（ＶＳＷＲ特性）が変動しないことを実験により確かめた。この同軸ケーブルの波長短縮率ｋは０．７とし、波長λは１２８．６ｍｍとする。設計長が５３ｍｍ（０．５９ｋλ）の同軸ケーブルと、５０ｍｍの短い同軸ケーブル（０．５６ｋλ）とを用いたアンテナ装置において、ショートスタブ構造を設ける場合と設けない場合とについて、ＶＳＷＲ特性を測定した。測定結果を図８に示す。ショートスタブ構造を設けた場合には、同軸ケーブルの長さが変化してもＶＳＷＲ特性が変化しないことがわかる。

以上の実施例のショートスタブ構造は、リング状金属端子６４を用いている。このリング状金属端子は、次のような機能をも有している。すなわち、同軸ケーブル２５は、リング状金属端子６４に機械的に支持されているので、電子回路ユニット２１をベースプレート２４からはずし、交換する際に、同軸ケーブルのコネクタ側部分が折れ曲がるような事故を防止できる。また、同軸ケーブルのコネクタ３６を電子回路ユニット２１から取り外す際に、給電端子部へ加わる応力を低減し、半田付け部への負荷を低減する効果もある。

また、ショートスタブ構造は、リング状金属端子をベースプレートに接続するのにビス止め構造としたが、リング状金属端子をベースプレートに半田付けしても構わない。この場合には、金属端子はリング状である必要はない。また、同軸ケーブルの外部導体にプラグを接続し、ベースプレートにジャックを接続し、プラグ，ジャックによる差込形状でも構わない。あるいは、同軸ケーブル２５の長さを、ほぼ０．２５λに設定することで、増幅器入力コネクタをそのままショートスタブ構造と兼用しても構わない。これは、入力コネクタのグランド側外部コンタクトは、通常、ハウジングと接続されているためである。

以上の実施例では、電子回路ユニット２１は、ベースプレート２４に脱着可能に取り付けられる構造としたが、電子回路ユニット２１を、ベースプレート２４に固定した構造とすることもできる。

コープレーナーアンテナに接続された同軸ケーブルにコモンモードの電流が流れる様子を示す図である。 ショートスタブ構造を設けた場合にコモンモードの電流をカットできることを示す図である。 同軸ケーブルをモデル化してＶＳＷＲ特性をシミュレーションした結果を示す図である。 車両用窓ガラスに設けられた本発明によるアンテナ装置の斜視図である。 図４のアンテナ装置の分解斜視図である。 コープレーナーアンテナを取り囲むように、ベースプレートを窓ガラスに固定した状態を示す図である。 ショートスタブ構造による性能改善の一例を示す図である。 ＶＳＷＲ特性の測定結果を示す図である。

符号の説明

２１ 電子回路ユニット
２２ 放射アンテナ素子
２３ グランドアンテナ素子
２４ ベースプレート
２５ 同軸ケーブル
２６ 回路基板
２６ｂ 電波反射面
２７ ハウジング
３０ 枠体
３１ カバー
３２ コネクタカバー
３３ 固定ねじ
３６，３７ コネクタ
６４ リング状金属端子
１００ アンテナ装置

Claims (7)

1. 誘電体基板の一表面に形成された放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子と、
   前記放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子を取り囲むようにして、前記放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子の近傍に設けた導電性ハウジングと、
   中心導体が前記放射アンテナ素子の給電点に接続され、外部導体が前記グランドアンテナ素子の給電点に接続された同軸ケーブルとを備え、
   前記同軸ケーブルの外部導体には、前記導電性ハウジングに電気的に接続されるショートスタブ構造が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子を取り囲む開口部を有し、前記誘電体基板に取り付けられた枠状の導電性ベースプレートをさらに備え、
   前記導電性ハウジングは、前記ベースプレートに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記同軸ケーブルの他端には、コネクタが接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記放射アンテナ素子およびグランドアンテナ素子により受信する信号の自由空間波長をλとした場合、前記同軸ケーブルの長さは、ｋλ（ｋは、同軸ケーブルの波長短縮率）以下であることを特徴とする請求項１，２または３に記載のアンテナ装置。
5. 前記ショートスタブ構造は、前記グランドアンテナ素子の給電点から０．２５λ以下の位置に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記ショートスタブ構造は、前記同軸ケーブルの外部導体に接続された金属端子を、前記ベースプレートまたはハウジングに接続した構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 前記誘電体基板は、車両の窓ガラスであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナ装置。

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