JP4075920B2 - 受信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車輌に搭載される、特に、ラジオ、テレビ、携帯電話システム、VICSシステム用の受信装置に関するものである。
昨今、車輌には様々なアンテナが搭載されている。例えば、ラジオ用アンテナ、テレビ用アンテナ、携帯電話システム用アンテナ、GPS用アンテナ、ETC用アンテナ、VICS用アンテナ等がこれに相当する。ここで、車輌が移動体であるという性質上、GPSやETCのように信号の到来方向がある程度特定できるものを除き、信号の到来方向を特定することは非常に困難である。故に、通常、GPSやETC以外のシステムのアンテナ放射パターンは、車輌の水平方向に対して無指向性となるように設計される。
このように設計された車載アンテナに関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3が知られている。
特許文献1の車載アンテナの代表例を図28に示す。1001は第1のアンテナ線、1002は第2のアンテナ線、1003は受信機へ接続される同軸ケーブルの内部導体を接続するための給電点、1004は車両である自動車の側後方部の窓ガラス板である。ここで、図28における間隔D、L、Kを調整することにより、無指向性を実現できることが示されている。
特許文献2には、スペースダイバーシティ受信方式の車両用アンテナに関する技術情報が掲載されており、車体等の影響による生じた指向特性のディップ点を、車両のサイドウィンドに設けられた複数のアンテナにより補い、アンテナの指向特性をほぼ無指向性にしたものである。
また、従来、アンテナを小型にするために、テレビ用アンテナやラジオ用アンテナにはアンバランス動作をしているモノポールアンテナ等が使用されており、バランス動作をしているダイポールアンテナは形状が大きくなる等の理由により使用されていない。このアンバランス型のアンテナの特徴は、モノポールアンテナエレメントのみではアンテナとして動作させることができず、金属である車体や同軸ケーブル等の給電線のグランド部分をアンテナの一部として利用する必要がある点である。特許文献1のアンテナについてもモノポールアンテナと同様のアンバランス型のアンテナであり、金属である車体や同軸ケーブル等の給電線のグランド部分をアンテナの一部として利用している。車載用アンバランス型アンテナの他の例として、技術文献3が挙げられる。
以上より、従来のラジオやテレビ等の車載用アンテナは、無指向性となるように設計されると共に、アンバランス型のアンテナが採用されてきたと言える。
特開平8−298406号公報 実開昭58−61509号公報 特許第3594224号公報
しかしながら、上記の構成のアンテナを、車輌のガラスに設置した場合、車室外の天板上にアンテナを設置した場合と比較して、受信特性が顕著に劣化するということが確認されてきた。
図1〜図3に、車輌のフロントガラスに設置したモノポールアンテナ、又は車室外の天板上に設置したモノポールアンテナにより、地上波デジタルテレビ放送を受信した場合の受信特性を示す。
図1は、この地上波デジタルテレビ放送を受信するためのアンテナの車載位置を示している。セダンタイプの車輌の天板1上面後方にモノポールアンテナユニット2を設置した場合(設置場所(1))、フロントガラス3の下部領域23(車室内側)へ設置した場合(設置場所(2))、フロントガラス3の上部領域22(車室内側)へ設置した場合(設置場所(3))の3箇所について評価を行った。
図2は、モノポールアンテナユニット2の構成を示している。モノポールアンテナユニット2は、導電性材料よりなる筒状のアンテナエレメント4と、フィルタ、LNA等の回路部品が実装された回路基板5、チューナへ接続される同軸ケーブル6から構成されている。このモノポールアンテナユニット2は、筒状のアンテナエレメント4のみがアンテナとして動作しているのではなく、回路基板5に設けられたグランド板や給電ケーブル6のシールド線、また導電材料よりなる車体フレームと共にアンテナとして動作している。
図3は、東大阪の1周約6kmの評価コースにおいて、生駒送信所から送信された地上波デジタルテレビ放送を受信した場合の平均受信電力及び受信率(評価コースを1周周回している間で、エラー無く受信できていた割合)のグラフである。図3のグラフより、車外の天板1上にモノポールアンテナユニット2を設置した場合(設置位置(1))は、車室内のフロントガラスに設置した場合(設置位置(2)、(3))と比較して、平均受信電力が低いにも関わらず、最も高い受信率を実現できていることがわかる。この結果は、東大阪の評価コースでの結果であるが、名古屋や東京で同様の試験を行った場合も図3と同様の結果が得られている。また、今回は、セダンタイプの車輌にモノポールアンテナユニット2を設置して実験を行ったが、ワゴンタイプの車輌に設置した場合にも同様の結果が得られている。更に、フロントガラス以外の窓ガラス(サイドガラス、リアガラス)にモノポールアンテナユニット2を設置した場合についても、車外の天板1上に設置した場合と比較して、著しい受信率の劣化が確認されている。
このように、車室内のガラス上にモノポールアンテナユニット2を設置した場合に、車外に設置した場合と比較して受信特性が劣化してしまう原因が不明であったが、我々の調査の結果、車体金属フレームでのデジタル放送波の反射、散乱により生じた反射・散乱波が受信特性劣化の原因の一つであることが判ってきた。
図4に、車外から470MHz〜770MHzの平面波を入射させた場合の、車外天板上に設置されたモノポールアンテナで受信される電界強度の時間変化を示し、図5に、フロントガラス上部領域22に設置されたモノポールアンテナにより受信される電界強度の時間変化を示す(共に、シミュレーション解析結果)。
図6に、車外より入射される平面波の電界強度の時間波形を示す。当該平面波は、車輌の正面方向・仰角30度の方向から入射されている。
図4より、車外の天板上に設置されたモノポールアンテナで受信された電界強度の時間波形は、図6に示した入射される平面波の波形と同様の形を示しており、車体金属フレームでの反射・散乱波はほとんど受信されていない。それに対して、図5に示されたフロントガラス上部領域22に設置されたモノポールアンテナにおいて受信された電界強度の時間波形は、直接波7を受信した後15ns程度遅延して、車体等の金属フレームにより反射・散乱された反射・散乱波が受信されていることが判る。ここで、15ns程度の遅延時間は、電磁波が4.5m進行する時間に相当し、今回のシミュレーション解析モデルの車室内を1往復する時間におおよそ等しい。以上の結果より、車輌のガラスにモノポールアンテナを配置した場合には、モノポールアンテナは車輌の金属フレーム等により発生した反射・散乱波を多数受信することとなる。図4〜図6に示したシミュレーション解析結果は、車外から1波の信号を入射した場合のものだが、実際は、モノポールアンテナは建物等により反射・回折されて到来する多数の信号を同時に受信する。そして、これらの多数の信号それぞれに対して、車体金属フレームでの反射・散乱波が発生し、モノポールアンテナはそれらを受信することとなる。このような形で受信される信号は、電波環境の変動(反射体(車輌・人・木々等)の位置変化によるもの等)により時間的に変化していると共に、移動体である車輌により受信するため、到来する信号の入射方向・数は、時間的に著しく変化することとなる。このような時間的に変化する多数の反射・散乱波が受信される場合には、信号を復調する際に行われる伝搬路等化の作業を困難なものとし、図3に示したように平均受信電力が大きくても、高い受信率が実現できないこととなる。
又、車室内の反射・散乱波により受信率が低下する他の原因として、車輌の前方方向又は後方方向から到来する信号が車載アンテナ装置で直接受信された場合と、当該信号が車室内で反射・散乱波された後に受信された場合では、それぞれの受信信号のドップラー周波数が異なる点が挙げられる。このようにドップラー周波数の異なる複数の信号について同期検波を行うと、ドップラー周波数の影響により復調後の各信号のシンボル位置が、時間と共に本来あるべき位置からずれてしまう。特に、OFDM変調方式を採用しているデジタルテレビ等においては、このドップラー周波数の異なる車室内の反射・散乱波により、同期検波時にキャリア間干渉が発生してしまう。これらが原因となり、伝搬路等化を精度良く行う事が困難となり、BERやPERの劣化を招き、車載アンテナ装置の受信特性が劣化してしまう。車室内で発生する反射・散乱波の影響は、上記のようにデジタル信号を用いたデジタルテレビ放送やデジタルラジオ放送、携帯電話システムで顕著であるが、アナログ信号を用いたアナログラジオ放送やアナログテレビ放送においても、復調時の妨げとして作用し、受信特性の劣化につながることとなる。
以上より、我々の調査の結果、これまでは知られていなかった車輌の金属フレーム等で生じる反射・遅延波の影響によりデジタルテレビ放送等の受信特性が劣化するという課題が明らかになり、従来の無指向性を実現する車載アンテナの設計指針や、小型化のために従来採用されてきたモノポールアンテナではこの課題が克服できないことが判明した。本発明は、上記の新たに判明した課題を克服し、高い受信特性が得られる受信装置を提供する事を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、OFDM変調された信号を受信すると共に、車輌のフロントガラスのみに設置され、放射パターンの最小方向が前記フロントガラス面に対して車室内方向を向いており、放射パターンの最大方向が前記フロントガラス面に対して車室外方向を向いている車載アンテナ装置と、前記車載アンテナ装置の出力側に接続されて前記OFDM変調された信号の伝播路等化の処理を行う復調部とを備えたテレビ用若しくはラジオ用若しくは携帯電話システム用の受信装置である。このように、従来のような無指向性の放射パターンを有する車載アンテナ装置ではなく有指向性の車載アンテナ装置を用いることにより、反射・散乱波の受信を抑圧し、車外からの到来波のみを純粋に受信することが可能となる。これにより、受信特性の劣化要因である反射・遅延波の受信を抑圧することが可能となり、受信特性の向上を図ることが可能となる。
本発明の受信装置は、これまで知られておらず、今回、新たに明確化された課題である車体金属フレームからの反射・散乱波による受信特性の劣化の課題を、これまではタブーであると考えられていた有指向性のアンテナを採用することにより解決し、車輌のガラスに設置する車載アンテナ装置の受信特性を著しく向上させることができる。また、車室内のガラス面上、又はガラス内部に当発明の車載アンテナ装置を配設することにより、車外設置アンテナの課題であった車輌のデザインを損なう点、盗難の問題を解決すると共に、従来の車室内設置アンテナに対して非常に優れた受信特性を実現することができるものである。
(実施の形態1)
図7を用いて、本発明の実施の形態1の車載アンテナ装置について説明する。
図7は、フロントガラスに取り付けられた本発明の車載アンテナ装置の放射パターンを表したものである。図中の黒点9が車載アンテナ装置の設置位置を示している(形状の大きな車載アンテナ装置の場合、車載アンテナ装置の給電点位置が前記黒点9の位置にあると考える)。
請求項に記載された「放射パターン」とは、車載アンテナ装置単体の放射パターンを指すものであり、車輌のガラスに設置し車体金属フレームとの電磁結合の結果得られる放射パターン(車体金属フレームの影響を考慮した放射パターンではない)を指すものではない。
請求項における「放射パターンの最大方向」とは、図7における黒点9から見た車載アンテナ装置の放射パターン11の最大利得方向12を指すものであり、同様に、請求項における「放射パターンの最小方向」とは、図7における黒点9から見た車載アンテナ装置の放射パターン11の最小利得方向13を指すものである。
請求項における「車輌の前方方向」とは、車輌の前後方向に対して直交し、図7における黒点9を含む境界面10に対して、車輌の前方に向かう方向14を指し、同様に、請求項における「車輌の後方方向」とは、境界面10に対して車輌の後方に向かう方向15を指している。
よって、「放射パターンの最大方向が車輌の前方方向を向いている」とは、放射パターン11の最大方向12が、境界面10に対して車輌の前方方向14の領域におけるいずれかの方向を向いていることを指しており、「放射パターンの最小方向が車輌の後方方向を向いている」とは、放射パターン11の最小方向13が、境界面10に対して車輌の後方方向15の領域におけるいずれかの方向を向いていることを指している。
車輌のフロントガラスに設置する車載アンテナ装置の放射パターンを、図7に示す放射パターン11のように車輌の前方方向14への有指向性パターンとすることにより、車輌の前方から到来する信号に関しては、車外からの直接波を高い利得で受信できると共に、車室内で反射・散乱された反射・散乱波の受信レベルを抑圧することが可能となる。また、車輌の後方方向15より信号が到来する場合には、リアガラスに配置されている電熱線や車体金属フレーム、車内シート等により当該信号が反射・散乱されるため、車輌の後方方向15から到来する信号をフロントガラスに設置した車載アンテナ装置で受信した場合には、必ず反射・散乱波を受信してしまうこととなる。故に、車輌の後方方向15から到来する信号を受信しないことが高い受信特性を実現する上で重要な課題となるが、本発明の車載アンテナ装置によれば、当該車載アンテナ装置の放射パターン11が前方方向14を向いた有指向性となっているため、このような課題を克服することが可能となる。これにより、フロントガラスに設置された車載アンテナ装置の劣化要因を取り除くことが可能となり、高い受信特性の実現が可能となる。
尚、放射パターンの最大方向が車輌の後方方向を向いており、放射パターンの最小方向が車輌の前方方向を向いている車載アンテナ装置を、電熱線またはテレビ・ラジオ用アンテナが存在するリアガラスに設置した場合には、優れた受信特性を期待できないものと考える。なぜならば、車輌の後方方向から信号が到来した場合に、車室内で反射・散乱し、車輌の前方方向から到来する反射・散乱波は車載アンテナ装置の有指向性により抑圧できるが、リアガラスに配設された電熱線等からの反射・散乱波を抑圧することが困難となるためである。また、電熱線と車載アンテナ装置が電磁結合するため、所望の指向性パターンを実現する事が困難である。故に、フロントガラスに車載アンテナ装置を設置した場合と比較し、反射・散乱波を多く受信することとなり、期待される受信特性の向上が望めないこととなる。よって、リアガラスに電熱線等の導電材料が配設されていない場合に、リアガラスに本発明の車載アンテナ装置を配置させると良い。
次に、図8を用いて、本発明の実施の形態1における他の車載アンテナ装置について説明する。
図8は、フロントガラスに取り付けられた本発明の実施の形態1における他の車載アンテナ装置の放射パターンを表したものである。
図中の黒点9が車載アンテナ装置の設置位置を示している(形状の大きな車載アンテナ装置の場合、車載アンテナ装置の給電点位置が前記黒点9の位置にあると考える)。
請求項に記載された「ガラス面に対して車室外方向」とは、図8におけるガラス面16に対して車室外の方向17を指し、同様に「ガラス面に対して車室内方向」とは、ガラス面16に対して車室内の方向18を指す。
車輌のガラスに設置する車載アンテナ装置の放射パターンを、図8に示す放射パターン11のようにガラス面に対して車室外方向17への有指向性パターンとすることにより、車室内で反射・散乱された反射・散乱波の受信レベルを抑圧することが可能となる。これにより、図7で示した車載アンテナ装置の場合と同様に、ガラスに設置された車載アンテナ装置の受信特性を著しく向上させることが可能となる。
尚、図8は車輌のフロントガラスに車載アンテナ装置を設置した場合についてのものであったが、リアガラスに設置した場合についても、以下の状態にはフロントガラスにこの車載アンテナ装置を配置した場合と同様の効果を得られる。
状態(1):リアガラスに電熱線等の導電材料が配設されていない場合
状態(2):リアガラスに電熱線等の導電材料が配設されている場合には、リアガラスの車室外側にマイクロストリップアンテナや逆Fアンテナや逆Lアンテナを設置した場合(但し、これらのアンテナのグランド面側をリアガラスに近接させて配置すること)
次に、図9〜図11において、本発明の車載アンテナ装置の具体的実現方法を示す。図9〜図11は、車室内からフロントガラス側を見た場合の図面である。
図9には、フロントガラス3の上部領域22(上部領域とは、ガラスの上下方向において、その中央線より上方の領域を言う)に設置された対数周期ダイポールアンテナ19が図示されている。この対数周期ダイポールアンテナ19は、アンテナ工学ハンドブック(電子情報通信学会編 第1版 オーム社)のp123に記載されているようなものを指し、広帯域に有指向性を実現することが可能である。このアンテナを図9に示したようにフロントガラス3の上部領域22に設置することにより(給電点位置がフロントガラスの下部領域23側となるように設置すること)、本発明の車載アンテナ装置の放射パターンを実現することが可能となる。図9の場合と異なりフロントガラス3の下部領域23に対数周期ダイポールアンテナ19を設置しても良いが、フロントガラス3の下部領域23に接する車体金属フレームの影響により車載アンテナ装置のインピーダンス特性が乱れる可能性がある点、放射パターンが車輌の後方方向を向いてしまう可能性がある点に留意する必要がある。
図10には、フロントガラス3の上部領域22に設置された八木アンテナ20が図示されている。この八木アンテナ20は、アンテナ工学バンドブック(電子情報通信学会編 第1版 オーム社)のp116やp407に記載されているようなものを指し、簡易な給電構造で広帯域に有指向性を実現することが可能である。このアンテナを図10に示したように(導波器側がフロントガラス3の下部領域23側、反射器がフロントガラス3の上部領域22側になるように設置)、フロントガラス3の上部領域22に設置することにより、本発明の車載アンテナ装置の放射パターンを実現することが可能となる。
図10の場合と異なりフロントガラス3の下部領域23に八木アンテナ20を設置しても良いが、フロントガラス3の下部領域23に接する車体金属フレームの影響により車載アンテナ装置のインピーダンス特性が乱れる可能性がある点、放射パターンが車輌の後方方向を向いてしまう可能性がある点に留意する必要がある。
図11には、フロントガラス3の上部領域22に設置されたアレーアンテナ21(2以上のダイポールアンテナを平行に配列したアレーアンテナ)が図示されている。このアレーアンテナ21は、アンテナ工学バンドブック(電子情報通信学会編 第1版 オーム社)のp198に記載されているようなものを指し、比較的小型に有指向性を実現することが可能である。具体的には、このアレーアンテナ21はダイポールアンテナの配列軸方向に放射ビームが向けられたエンドファイアアレーアンテナであり、ダイポールアンテナ間距離はλ/4で、各々のダイポールアンテナに給電される信号が90度の位相差を持つよう(フロントガラス3の下部領域23側に近いダイポールアンテナの給電位相が天板1に近いダイポールアンテナの給電位相に対して90度位相が遅れている)設計される。このアンテナを図11に示したようにフロントガラス3の上部領域22に設置することにより、請求項に記載の放射パターンを実現することが可能となる。
図11の場合と異なりフロントガラス3の下部領域23にアレーアンテナ21を設置しても良いが、フロントガラス3の下部領域23に接する車体金属フレームの影響により車載アンテナ装置のインピーダンス特性が乱れる可能性がある点、放射パターンが車輌の後方方向を向いてしまう可能性がある点に留意する必要がある。
尚、ダイポールアンテナの素子数を増やすことにより、車輌の前方方向に更に高い指向性利得を、車輌の後方方向に更に低い指向性利得を持った有指向性の放射パターンを形成することができるため、更に良好な受信特性を実現することができる点は言うまでもない。但し、エンドファイアアレーアンテナとする必要があるため、各ダイポールアンテナの素子間距離はλ/4とし、隣り合うダイポールアンテナの給電位相はお互いに90度の位相差を持たせる必要がある。
次に、図12〜図13において、本発明の車載アンテナ装置の具体的実現方法を示す。
図12は車輌の上方図であり、フロントガラス3およびサイドリアガラス26に取り付けられたマイクロストリップアンテナを示している。マイクロストリップアンテナは、それぞれ対向して配置されたアンテナ板24とグランド板25により構成されており、図説・アンテナ(後藤尚久著 電子情報通信学会 初版)のp194〜(3.3章)に記載されているようなアンテナを指している。このアンテナを車室外のガラス面に設置する場合には、グランド板25がガラス面に接するように配置する必要があり、車室内のガラス面に設置する場合には、アンテナ板24がガラス面に接するもしくは近接するように配置されるのが望ましい。このような配置方法を取ることにより、本発明の車載アンテナ装置の放射パターンを実現することが可能となる。
図13には、サイドリアガラス26にマイクロストリップアンテナを設置した場合の具体的な放射パターンを示す。マイクロストリップアンテナの放射パターン11の最大方向12は、ガラス面16に対して車室外方向17の領域のいずれかを向いており、放射パターン11の最小方向13は、ガラス面16に対して車室外方向18の領域のいずれかを向いている。これにより、車室内から到来する反射・散乱波の受信を抑圧でき、受信特性を向上させることが可能となる。
図12については、マイクロストリップアンテナをフロントガラス3およびサイドリアガラス26に設置した構成を示したが、この2つのアンテナを利用して、ダイバーシティアンテナを構成することもできる。これにより、車輌の前方方向から到来する信号と側方方向から到来する信号をそれぞれ独立に受信でき、無相関に近い状態で補完しあうことが可能となるため、受信特性を飛躍的に向上させることができる。尚、図12については、フロントガラス3とサイドリアガラス26にそれぞれアンテナを設置してダイバーシティアンテナを構成したが、左右のサイドガラスに設置した場合、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、フロントガラスの左・右領域または上・下領域にそれぞれ設置した場合にも、スペースダイバーシティの効果が得られ、受信特性の向上を図ることができる。また、マイクロストリップアンテナの代わりに、フロントガラス3に八木アンテナ、対数周期ダイポールアンテナ、2以上のダイポールアンテナを平行に配列したアレーアンテナを用いても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
更に、ダイバーシティアンテナを構成するアンテナ数は、2つの場合だけでなく、3つ以上のアンテナを利用して実現しても良いことは言うまでもない。
図12は、マイクロストリップアンテナを利用したものを示したが、円偏波アンテナ(図説・アンテナのp217〜(3.4.1章)に記載されているようなアンテナ)や、逆Fアンテナ・逆Lアンテナ(図説・アンテナのp226〜(3.4.2章)に記載されているようなアンテナ)に置き換えても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
リアガラスにマイクロストリップアンテナを設置する場合には、リアガラスに電熱線等の導電材料が配設されていないこと、又は、車室外に設置することにより、受信特性が向上させられるという効果を得られる。
次に、図14および図15により、本発明のアンテナの受信特性が如何に優れているかを示す。
図14および図15は、セダンタイプの車輌のフロントガラス上部領域にモノポールアンテナ、対数周期ダイポールアンテナ、マイクロストリップアンテナを設置し、それぞれのアンテナにより地上波デジタルテレビ放送(13chおよび24ch)を受信した時の受信率(評価コースを周回している間で、エラー無く受信できていた割合)を示している。評価コース(1)および評価コース(2)は、大阪府門真市の松下電子部品の会社構内に設けた評価コースであり、3階または4階建ての建物間の道路を利用した評価コースとなっている。このため、生駒送信所から送信された信号が見通し線路で直接受信されることは無く、レイリーフェージング環境に近い電波環境下での受信特性評価となっている。
図14および図15に示した受信率結果から、従来の無指向性を実現するために使用されているモノポールアンテナに比べ、本発明の車載アンテナ装置を具体的に実現している対数周期ダイポールアンテナやマイクロストリップアンテナは優れた受信率を実現できていることが確認された。
本発明のように、車載アンテナに有指向性パターンのアンテナを採用した場合に、指向性パターンの最小方向からのみ信号が到来すると受信特性が著しく劣化する可能性があるのではとの予想もあるが、実際的に受信率の劣化が最も発生しやすい電波環境は、直接波の存在しないレイリーフェージング環境であり、理想的なレイリーフェージング環境においては、すべての方向から等しい確率で信号が到来することとなる。このため、放射パターンの最小方向からのみ偏った確率密度で信号が到来するといったことは考えにくく、有指向性パターンの最大方向からも一定確率で信号が随時到来するものと考えられる。よって、図14および図15に示したように、実際のフィールド試験においても、有指向性パターンを有する車載アンテナ装置を用いた方が、無指向性パターンを有するモノポールアンテナよりも高い受信率が実現できているのである。また、レイリーフェージング環境下ではなく、送信所が見通せる見通し線路の存在する環境においては、直接波が到来・受信されることより、本来的に強電界地域に該当し、受信時のエラーも発生しにくい環境といえる。このことより、有指向性パターンに起因した受信率劣化が発生することは考えにくく、また、送信所が見通せる評価コースにおいて、図14及び図15のような受信試験を実施した結果、受信率の劣化が確認されることも無かった。
(実施の形態2)
図16および図17により、本発明の実施の形態2の車載アンテナ装置について説明する。
図16は、車輌の上方図であり、フロントガラス3の上部領域において、天板1から一定距離dだけ離れた位置にダイポールアンテナ27を設置した状態を示している。ダイポールアンテナ27をフロントガラス3の上部領域に図16の向きに設置した場合、天板1と電磁結合して、本来は無指向性である放射パターンが有指向性と変化する。その放射パターン(指向性利得)の様子を図17に示す。図17は図16に示した位置にダイポールアンテナ27を設置した場合の、距離dにより変化する指向性利得(YZ面、水平偏波)を示している。
信号が到来する確率の高い仰角0度〜30度の方向に着目した場合に、ダイポールアンテナ27と天板1の距離を0.325波長以下に設定すれば、天板1がダイポールアンテナ27の反射板のように働き、仰角0度〜30度の方向の指向性利得が2dBi以上とすることができる。また、仰角0度〜30度の方向から車室内に入射した信号が車室内の金属等により反射・散乱し、ダイポールアンテナ27に入射する角度は、仰角0度〜30度の反対側である−150度〜−180度の方向に集中するものと考えられる。この場合に、仰角−150度〜−180度方向の指向性利得が小さいことが重要となるが、ダイポールアンテナ27と天板1の間隔dが0.325波長よりも大きくなると、仰角30度方向の指向性利得よりも仰角−150度方向の指向性利得の方が大きくなり、車室内から到来する反射・散乱波の方をより重み付けした形で受信してしまうこととなる。故に、ダイポールアンテナ27と天板1の間隔dは0.325波長以下とすることが重要となる。このような位置関係でダイポールアンテナ27をフロントガラス3に設置すれば、天板1を反射板として利用することにより請求項に記載した放射パターンを実現することができ、結果として、優れた受信特性を実現することができる。また、従来、車載アンテナとして採用されてきたモノポールアンテナは、車体金属フレームや給電用の同軸ケーブルのグランドをアンテナとして利用する必要があるため、車室内で反射・散乱された反射・散乱波を受信しやすいこととなるが、ダイポールアンテナの場合、モノポールアンテナと異なりバランス動作をしているため、車体金属フレームや給電用の同軸ケーブルのグランドをアンテナの一部として動作させる必要が無いため、車室内で生じる反射・散乱波を受信しにくいアンテナであるとも言える。この点は、ダイポールアンテナを基本に構成されている八木アンテナ、対数周期ダイポールアンテナ、2以上のダイポールアンテナを直線上に配列したアレーアンテナにも同様のことが言え、高い受信性能を実現する上での1つの重要なポイントとなっている。
尚、天板1を反射板として利用し、車輌の前方方向により高い指向性利得を得て、車輌の後方方向により小さな指向性利得を実現する方法を、八木アンテナや、対数周期ダイポールアンテナに適用しても、同様の効果が得られることは言うまでもない。更に、請求項に記載の八木アンテナに関しては、八木アンテナで使用される反射器を天板1で代用することで削除し、小型化を図ることができるという有益な効果も有る。
尚、上記に示したダイポールアンテナ、八木アンテナ、対数周期ダイポールアンテナ、アレーアンテナは、車輌のガラス内部に形成することによっても実現できるし、PETやPEN等の透明フィルム上に導電材料からなるアンテナ導体を形成し、この透明フィルムを車室内側のガラス面に貼り付けることによっても実現することができる。透明フィルム上にアンテナ導体を形成する方法としては、導電ペーストを印刷することによっても可能であるし、スパッタや蒸着により銅や銀を透明フィルムに付着させ、アンテナエレメント部分のみエッチングで残すことによっても実現可能である。また、銅などの導体線を透明フィルム上に貼り付けることによっても実現することができる。
更に、車室内に着席した人の視認性を考慮した場合、車輌の金属製の天板端部とフロントガラスの境界から30mm以内のフロントガラス表面領域又は内部領域(図16におけるd=30mm以内の領域)に車載アンテナを設置した方が好ましい。当該領域に車載アンテナを設置した場合、車輌の金属製の天板の車室内側に装飾用に貼り付けられた内張りにより、車室内に着席した人から車載アンテナが殆ど見えないためである。
また、特に八木アンテナ、対数周期ダイポールアンテナ、アレーアンテナのようにアンテナサイズが大きくなる場合については、上記の車室内に着席した人から殆ど視認されない領域に存在するアンテナエレメントの幅を太くし、それ以外の領域に存在するアンテナエレメントの幅を細くすることで、視認性を考慮しつつ、放射効率を高くすることが可能となる。
(実施の形態3)
図18により、本発明の実施の形態3における車載アンテナ装置について説明する。
図18は、車輌の上方図であり、フロントガラス3の上部領域において、天板1から一定距離dだけ離れた位置にモノポールアンテナ28とモノポール構成八木アンテナ29を設置した状態を示している。モノポールアンテナ28とモノポール構成八木アンテナ29は、ピラー30に略直角に配置される。このとき、天板1は、モノポール構成八木アンテナ29の反射器として機能し、アンテナの小型化を図っている。モノポールアンテナ28をフロントガラス3の上部領域に図18の向きに設置した場合、天板1と電磁結合して、本来は略無指向性である放射パターンが有指向性へと変化する。図19にモノポールアンテナ28の水平偏波のXY面放射パターンを示す。図19からも分かるように、モノポールアンテナ28の放射パターンが車の前方方向に対して最大利得を有するようになる。この構成の車載アンテナ装置は、図16に示したバランス動作をしているアンテナであるダイポールアンテナを用いた場合に比べ、アンテナサイズを半分に小型化できるといった有益な効果が得られる。バランス動作をしているダイポールアンテナ、八木アンテナ、アレーアンテナ、対数周期ダイポールアンテナの場合、給電線路をフロントガラス上に這わせる必要があり、視認性の妨げとなるが、モノポールアンテナを用いた場合には、電線路をフロントガラス上ではなくピラー上に這わせることができるため、良好な視認性を確保できるという有効な効果が得られる。
尚、図18においては、モノポールアンテナとモノポール構成八木アンテナについてのみ図示したが、アレーアンテナについても同様に、モノポールアンテナを用いて小型化が図れることは言うまでも無い。又、モノポールアンテナ28、モノポール構成八木アンテナ、モノポール構成アレーアンテナについても、d<30mmの領域に設置することで、車室内の搭乗者からの視認性を良好にする事ができることは言うまでも無い。更に、モノポールアンテナ28、モノポール構成八木アンテナ、モノポール構成アレーアンテナについても、d<30mmの領域に存在するアンテナエレメントの幅を太くする事で、良好な視認性を確保しつつ、放射効率の向上を図ることが可能となるのは言うまでも無い。
(実施の形態4)
「発明が解決しようとする課題」において説明したように、車輌の前方方向又は後方方向から到来する信号が車載アンテナ装置で直接受信された場合と、当該信号が車室内で反射・散乱波された後に受信された場合では、それぞれの受信信号のドップラー周波数が異なり、これが受信性能の劣化要因の一つとなっている。ドップラー周波数が発生するのは、車が前方方向又は後方方向へ進むためであり、車の進行方向に直交する方向からの到来波については、ドップラー周波数は発生しないこととなる。つまり、車輌の前方方向又は後方方向と直交する方向が指向性パターンの最大方向であり、車輌の前方方向又は後方方向が指向性パターンの最小方向となる車載アンテナ装置を用いれば、車載アンテナ装置の受信性能劣化要因の1つであるドップラー周波数の発生を抑えることができる。
そこで、発明者は、この車載アンテナ装置の受信性能劣化要因の1つであるドップラー周波数の発生という課題に焦点を当てて、この課題の解決を図ることができるダイバーシティアンテナを提案した。
まずは図20を用いて、本発明の実施の形態4における車載アンテナ装置について詳述する。
図20は車輌の上方図であり、フロントガラス3の上部領域において、天板1から一定距離dだけ離れた位置にダイポールアンテナ27と、フロントガラス3と天板1の接する辺と直交する向きにモノポールアンテナ28が設置され、天板1とモノポールアンテナ28の間に給電部を設けた状態を示している。ダイポールアンテナ27は、天板1が反射板の役目を果たすため、結果的に図17に示すような車輌の前方方向に有指向性の放射パターンを有することとなる。図20に示したモノポールアンテナ28は、天板1をアンテナエレメントの一部として動作させる事により、図21に示したような車の両サイド方向(±X軸方向)に放射パターンのピークを持ち、車の前後方向にヌル点を有する放射パターンを得ることができる。図20に示したダイポールアンテナ27とモノポールアンテナ28を用いてダイバーシティアンテナを構成することにより、車載アンテナ装置の受信性能劣化要因の1つであるドップラー周波数の発生を抑えた形のダイバーシティアンテナを具現化することが可能となり、優れた受信性能を有し、小型で簡易構成なダイバーシティアンテナを得る事ができる。尚、モノポールアンテナ28をリアガラスに設置しても良い事は言うまでもない。
次に、図22を用いて、実施の形態4における他の構成について詳述する。
アンテナ板24とグランド板25とにより構成されたパッチアンテナがリアガラス31に貼り付けられている。フロントガラス3には、天板1とフロントガラス3が接する辺に対して直交する向きにダイポールアンテナ27が設置されている。図22に示したダイポールアンテナが車の両サイド方向(±X軸)に最大利得を有し、車の前後方向にヌル点を有する放射パターンを有すると共に、リアガラスに貼り付けられたパッチアンテナが車の後方のみに放射パターンを有するため、これら2つのアンテナを用いたダイバーシティアンテナによって、車載アンテナ装置の受信性能劣化要因の1つであるドップラー周波数の発生を抑えた形のダイバーシティアンテナを具現化することが可能となる。このように、車輌の前後にアンテナを配置させることにより、アンテナ間の相関性を軽くすることができ、放射特性を向上させることができる。また、パッチアンテナにおけるグランド面により、車内方向の放射利得を小さくすることができる。尚、図22のダイポールアンテナ27をリアガラスに設置しても同様の効果が得られる。又、図22のダイポールアンテナ27を図20のモノポールアンテナ28に置き換えても良いことは言うまでもない。更に、図22のパッチアンテナの替わりに、図20のようにダイポールアンテナ27をフロントガラスに貼り付けても同様の効果が得られる。
(実施の形態5)
地上波テレビ放送で使用されている周波数の比帯域は、U帯で50%、V帯で84%と非常に広帯域である。このような広い帯域幅をバランス型アンテナで実現することは困難である。このような課題を克服したのが実施の形態5の車載アンテナ装置である。
図23は、本発明の実施の形態1におけるアンテナ装置の構成図を示したものである。
図23において、アンテナ装置は、給電部101と、この給電部101に接続された略直角三角形の環状の第1導体102と、給電部101を通る線を対称軸として、第1導体102と線対称形状である第2導体103とを備えたバランス型アンテナである。
そして、第1導体102は、第1直角頂点部104と、給電部101に接続された第1給電頂点部105と、第1直角頂点部104及び第1給電頂点部105以外の第1鋭角頂点部106とを有する。さらに、第1導体102は、第1給電頂点部105と第1直角頂点部104とを直線的に結ぶ第1平行辺107と、第1直角頂点部104と第1鋭角頂点部106とを直線的に結ぶ第1底辺108と、第1鋭角頂点部106と第1給電頂点部105とを直線的に結ぶ第1斜辺109とを有する。
また、第2導体103も同様に、第2直角頂点部110と、給電部101に接続された第2給電頂点部111と、第2直角頂点部110及び第2給電頂点部111以外の第2鋭角頂点部112とを有する。さらに、第2導体103は、第2給電頂点部111と第2直角頂点部110とを直線的に結ぶ第2平行辺113と、第2直角頂点部110と第2鋭角頂点部112とを直線的に結ぶ第2底辺114と、第2鋭角頂点部112と第2給電頂点部111とを直線的に結ぶ第2斜辺115とを有する。そして、第1導体102における第1平行辺107と、第2導体103における第2平行辺113とは略平行である。
このアンテナ装置は、例えば、第1底辺108と第2底辺114とが導電性の地板116に対し略平行になるように配置されている。また、アンテナ装置は、アンテナ装置において給電部101が地板116に最接近するように配置されている。例えば、アンテナ装置は、自動車のフロントガラス上に配置され、自動車の天板である地板116とフロントガラスとの境界線に対し、第1底辺108及び第2底辺114とが略平行になるように配置されている。
次に、実施の形態5のアンテナ装置における信号受信時の動作を、図23を用いて説明する。
第1導体102は給電部101より給電されて、それぞれ第1斜辺109、第1平行辺107、及び第1底辺108に、受信に寄与する受信電流が流れる。
同様に、第2導体103は給電部101より給電されて、それぞれ第2斜辺115、第2平行辺113、及び第2底辺114に、受信に寄与する受信電流が流れる。
詳述すると、第1斜辺109に流れる受信電流は、図23に示す矢印のように、第1鋭角頂点部106から第1給電頂点部105に向けて流れる。また、第2斜辺115に流れる受信電流は、図23に示す矢印のように、第2給電頂点部111から第2鋭角頂点部112に向けて流れる。これら第1斜辺109と第2斜辺115とに流れる受信電流により、アンテナ装置は、ある共振周波数f1にて共振する。一方、第1底辺108に流れる受信電流は、図23に示す矢印のように、第1鋭角頂点部106から第1直角頂点部104に向けて流れる。また、第2底辺114に流れる受信電流は、図23に示す矢印のように、第2直角頂点部110から第2鋭角頂点部112に向けて流れる。これら第1底辺108と第2底辺114とに流れる受信電流により、アンテナ装置は、ある共振周波数f2にて共振する。
一方、第1平行辺107に流れる受信電流と、第2平行辺113に流れる受信電流とは、図23に示す矢印のように、互いに逆向きに流れる。これにより、第1平行辺107に流れる受信電流と第2平行辺113に流れる受信電流は互いに打ち消し合うので、第1平行辺107及び第2平行辺113は、伝送線路としての役割を果たしている。
このように、アンテナ装置は、異なる2つの共振周波数f1とf2とを有することで、アンテナ比帯域が大きくなる。尚、アンテナ比帯域とは、アンテナの中心周波数に対してアンテナ特性を維持することができる周波数範囲を表す尺度である。ここで、本実施の形態において、アンテナ比帯域は、アンテナの共振周波数で規格化されたアンテナインピーダンスを基にアンテナVSWR特性が3以下となる周波数範囲を求めることにより導出される。ここで、VSWRとは、Voltage Standing Wave Ratioの略で、アンテナに入力されたエネルギーが、アンテナと伝送線路間の不整合により反射することなく、アンテナに伝わり放射されるかを表す1つの指標であり、本実施の形態においては、便宜上、VSWR特性<3として比帯域を計算した。
また、第1給電頂点部105及び第2給電頂点部111とが鋭角であるので、放射に寄与する第1斜辺109及び第2斜辺115とが地板116から距離を保つことができる。その結果、第1斜辺109及び第2斜辺115と地板116との間で結合が起こりにくくなり、アンテナ装置の放射特性を向上させることができる。なお、上記は、アンテナ装置の信号受信時の動作についての説明であるが、信号送信時の動作時も同様である。
また、上記アンテナ装置において、第1鋭角頂点部106及び第2鋭角頂点部112の角度によって、アンテナ比帯域が変化する。以下、このアンテナ比帯域の変化について、具体例を挙げて説明する。
図24は、地板116と給電部101との距離を15mm離し、第1平行辺107と第2平行辺113との距離を0.1mm、0.2mm、0.3mmと変化させ、第1平行辺107及び第2平行辺113の線路長をそれぞれ25mmとした時の、第1鋭角頂点部106及び第2鋭角頂点部112の角度とアンテナ比帯域との関係を示した図である。また、図24には、図29に示す従来のダイポールアンテナの比帯域特性も示されている。尚、従来のダイポールアンテナの構成として、地板1006と給電部1005との距離は15mmであり、第1平行辺1007と第2平行辺1008との距離は0.1mmであり、第1平行辺1007と第2平行辺1008の長さは25mmであり、第1底辺1009と第2底辺1010の長さは43.25mmである。図24に示すグラフより、図29に示す従来のダイポールアンテナの比帯域は、8.8%であると分かる。
このとき、従来のダイポールアンテナの比帯域以上の特性を得るためには、第1鋭角頂点部106の角度及び第2鋭角頂点部112の角度が略12度から48度の場合に、ダイポールアンテナのアンテナ比帯域以上の特性を得ることができる。特に、第1鋭角頂点部106の角度及び第2鋭角頂点部112の角度が、略20度から40度の場合に、アンテナ比帯域がさらに大きくなる。
第1鋭角頂点部106及び第2鋭角頂点部112の角度を20度より大きくしていくと、第1斜辺109と第2斜辺115の長さが、第1底辺108と第2底辺114の長さから遠ざかる。その結果、アンテナ比帯域が大きくなる。
一方、第1鋭角頂点部106及び第2鋭角頂点部112の角度を、40度より小さくしていくと、第1斜辺109と第2斜辺115とが、底辺に平行な線に近づく。その結果、第1斜辺109を流れる受信電流ベクトルと第2斜辺115を流れる受信電流ベクトルとを底辺に対して平行成分と垂直成分とにそれぞれ分解したときに、電流ベクトルの垂直成分が小さくなる。第1斜辺109を流れる電流ベクトルの垂直成分と、第2斜辺115を流れる電流ベクトルの垂直成分とは、互いに逆向きで、互いに打ち消し合うので、電流ベクトルの垂直成分は小さいほうが望ましい。これにより、第1斜辺109及び第2斜辺115の放射特性が向上し、アンテナ比帯域が大きくなる。
そして、第1鋭角頂点部106の角度及び第2鋭角頂点部112の角度を略30度にすると、最大のアンテナ比帯域を得ることができる。
(実施の形態6)
以下、本発明の実施の形態6におけるアンテナ装置について図25を用いて説明する。なお、特に説明しない限りは、実施の形態5と同様である。
図25は、本発明の実施の形態6における車載アンテナ装置の構成図を示したものである。
実施の形態6における実施の形態5との相違点は、アンテナ装置が、一端が第1鋭角頂点部106に接続され第1平行辺107に略平行な第1平行線117と、一端が第2鋭角頂点部112に接続され第2平行辺113に略平行な第2平行線118と、第1平行線117の他端と第2平行線118の他端とを結ぶように接続され第1平行線117及び第2平行線118と略垂直である垂直線119とを有する点である。
次に、実施の形態6のアンテナ装置における信号受信時の動作を、図25を用いて説明する。
第1導体102と第2導体103とに流れる受信電流は、実施の形態5と同様である。また、垂直線119上の受信に寄与する受信電流は、図25に示すように、第1底辺108及び第2底辺114を流れる受信電流と同じ向きに流れる。これは、折返し(フォールデッド)ダイポールアンテナの動作原理を応用したものである。折返しダイポールアンテナは、2つ以上のダイポールアンテナを平行に配置し、その先端を互いに接続して、これらのダイポールのうち1つを中央で給電しているアンテナである。この構成により、平行に配置された2つの半波長ダイポールアンテナにおいて、互いの素子を流れる電流は等しくなり、同相に流れる。
このような構成にすることにより、アンテナは見かけ上、広帯域な三角形状ダイポールアンテナとダイポールアンテナがそれぞれ連なっている構成となり、アンテナ装置の放射特性を向上させることができると共に、アンテナ比帯域がさらに大きくなる。
(実施の形態7)
以下、本発明の実施の形態7におけるアンテナ装置について図26及び図27を用いて説明する。なお、特に説明しない限りは、実施の形態5及び実施の形態6と同様である。
図26及び図27は、本発明の実施の形態7におけるアンテナ装置の構成図を示したものである。
実施の形態7における実施の形態6との相違点は、アンテナ装置が、第1平行線117と垂直線119との交点に接続された第3斜辺120と、第2平行線118と垂直線119との交点に接続された第4斜辺121とを有し、これら第3斜辺120と第4斜辺121とを斜辺として、垂直線119と第3斜辺120と第4斜辺121とにより略二等辺三角形が形成されている点である。
次に、実施の形態7のアンテナ装置における信号受信時の動作を、図26及び図27を用いて説明する。
第1導体102と第2導体103と垂直線119とに流れる受信電流は、実施の形態5および実施の形態6と同様である。また、第3斜辺120を流れる受信電流は、第1平行線117と垂直線119との交点から第3斜辺120と第4斜辺121との交点に向けて流れ、第4斜辺121を流れる受信電流は、第3斜辺120と第4斜辺121との交点から第2平行線118と垂直線119との交点に向けて流れる。
上記構成のように、アンテナ装置が第3斜辺120と第4斜辺121とを有することにより、アンテナ装置のアンテナ比帯域がさらに大きくなる。
本発明にかかる受信装置は、車輌の窓ガラスに設置されるアンテナの受信特性を著しく向上させることができるという効果を有し、特に車輌用のテレビ用アンテナやラジオ用アンテナや携帯電話システム用アンテナ等に最適である。
アンテナ設置位置を示す斜視図 モノポールアンテナ斜視図 受信特性評価結果を示す図 車外設置されたモノポールアンテナの受信電界強度の時間変化を示す図 車内設置されたモノポールアンテナの受信電界強度の時間変化を示す図 車外から到来する平面波の電界強度の時間変化を示す図 本発明の実施の形態1の車載アンテナ装置を示す側面図 本発明の実施の形態1における他の車載アンテナ装置を示す側面図 実施の形態1における車載アンテナ装置の具体例を示す図 実施の形態1における車載アンテナ装置の他の具体例を示す図 実施の形態1における車載アンテナ装置の他の具体例を示す図 実施の形態1における車載アンテナ装置の他の具体例を示す図 本発明の実施の形態1における車載アンテナ装置の後方断面図 本発明の車載アンテナ装置の受信特性評価結果を示す図 本発明の車載アンテナ装置の受信特性評価結果を示す図 実施の形態2における車載アンテナ装置を示す上面図 実施の形態2における車載アンテナ装置の指向性利得図 実施の形態3における車載アンテナ装置を示す上面図 実施の形態3におけるモノポールアンテナの放射パターン図 実施の形態4における車載アンテナ装置を示す上面図 実施の形態4におけるモノポールアンテナの放射パターン図 実施の形態4における他の車載アンテナ装置を示す上面図 本発明の実施の形態5におけるアンテナ装置の構成図 実施の形態5におけるアンテナ装置の第1鋭角頂点部及び第2鋭角頂点部の角度とアンテナ比帯域の関係を示した図 実施の形態6におけるアンテナ装置の構成図 実施の形態7におけるアンテナ装置の構成図 実施の形態7におけるアンテナ装置の構成図 従来の車載アンテナ装置の上面図 従来のダイポールアンテナ構成図
符号の説明
1 天板
2 モノポールアンテナユニット
3 フロントガラス
19 対数周期ダイポールアンテナ
20 八木アンテナ
21 アレーアンテナ
24 アンテナ板
25 グランド板
27 ダイポールアンテナ

Claims (5)

  1. OFDM変調された信号を受信すると共に、
    車輌のフロントガラス上部領域のみに設置され、
    放射パターンの最小方向が車輌の後方方向を向いており、
    放射パターンの最大方向が車輌の前方方向を向いており、
    前方方向に指向性を有する車載アンテナ装置のみを車載アンテナ装置として備え、
    前記車載アンテナ装置の出力側に接続されて前記OFDM変調された信号の伝播路等化の処理を行う復調部を備えた
    不特定方向から信号が到来するデジタルテレビ用若しくはデジタルラジオ用若しくは携帯電話システム用の受信装置。
  2. 前記車載アンテナ装置がバランス動作をしているアンテナにより構成されたことを特徴とする請求項1に記載の受信装置。
  3. 前記車載アンテナ装置は、前記フロントガラス上部領域に設置され、前記車載アンテナ装置と前記車輌の金属製の天板端部との距離が、0より大きく0.325波長以下となることを特徴とした請求項1に記載の受信装置。
  4. 前記車輌の金属製の天板端部と前記フロントガラスの境界から30mm以内のガラス表面領域又は内部領域に設置された請求項1に記載の受信装置。
  5. 前記車輌の金属製の天板端部とフロントガラスの境界から30mm以内のフロントガラス表面領域又は内部領域に存在するアンテナエレメントの幅の平均値が、車輌の金属製の天板端部とフロントガラスの境界から30mmより離れたフロントガラス表面領域又は内部領域に存在する前記アンテナエレメントの幅の平均値より大きい請求項1に記載の受信装置。
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