JP4115477B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車に搭載される無線装置用のアンテナ装置に関わるものであり、特に、室内ガラスに接着して車室外との情報通信を行うための無線装置に好適なアンテナ装置に関するものである。

近年、自動車には、ＧＰＳ（全地球測位システム）、ＶＩＣＳ（道路交通情報通信システム）、ＤＳＲＣ（専用狭域通信）特にＥＴＣ（有料道路自動料金収受システム）などの無線通信装置が搭載されるようになってきている。

搭載される無線通信装置の増加とともに、アンテナ装置への小型化の要求が高まる一方、アンテナ装置の設置場所についても目立たない場所等への設置が行われるようになってきている。最近では、フロントガラス上の運転者が前方を視認する際に支障とならない場所、例えば室内後写鏡で遮へいされる範囲へのアンテナ装置の設置が積極的に行われている。

しかしながら、フロントガラス等の車内の誘電体板に近接してアンテナ装置を設置すると、該誘電体板の影響を受けてアンテナ特性が劣化してしまうという問題があった。非特許文献１で規定されるような放射素子からλ／（２π）以内の極近傍領域（Reactive Near Field）では、顕著となる。そこで、特許文献１には、誘電率の異なる複数の誘電体を組み合わせることで、上記のようなフロントガラスの影響を回避する技術が記載されている。
特開２００５−０３３４７５ Richard C. Johnson著 「Antenna Engineering Handbook THIRD EDTION」P1-11 McGraw-Hill,Inc. 1993 ISBN 0-07-032381-X

しかしながら、上記従来の方法では下記のような問題があった。
特許文献１に記載の方法において、アンテナ装置を薄型化するためには、介在させる誘電体の誘電率を高くする必要があり、特殊な誘電体を用いることになってしまうため、コストアップの原因となっていた。

また、誘電体を介在させること無く、従来構成のアンテナ装置をフロントガラスに近接して設置した場合には、放射素子がガラスの影響を受けて電波を所望の方角に放射させることができなくなり、アンテナ利得の低下やそれによる不要な電波の放射に繋がるという問題があった。
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、フロントガラス等の自動車内の誘電体板に設置されるアンテナ装置であって、アンテナ利得を低下させることなく薄型化が実現可能な低コストのアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明のアンテナ装置の第１の態様は、平面の放射素子とこれに平行な地板とからなる平面アンテナをレドムに収納し、前記平面アンテナに略平行な前記レドムの一方の面に接着面を設けて室内ガラスに接着し、少なくとも車室外から送信された電波を前記室内ガラスを介して受信する、あるいは車室内から前記室内ガラスを介して車室外へ電波を送信するアンテナ装置であって、前記放射素子と前記地板との距離をＡ、前記接着面と前記地板までの距離をＢ、前記平面アンテナの使用周波数における自由空間波長をλとしたとき、
Ｂ≦λ／（２π） かつ Ａ／Ｂ≦０．５
なる関係を満たすよう構成され、かつ前記放射素子と前記地板との間が空気層で構成されることを特徴とするアンテナ装置である。
第２の態様は、前記平面アンテナが、円偏波の送受信に使用されることを特徴とするアンテナ装置である。
第３の態様は、前記平面アンテナが、専用狭域通信に使用されるアンテナであることを特徴とするアンテナ装置である。

以上説明したように本発明によれば、室内ガラス上にアンテナ利得を損なわないような形態で平面アンテナを設置できるようになるため、アンテナ利得の優れた自動車搭載用のアンテナ装置を提供することができる。また、本発明のアンテナ装置は、放射素子と地板との距離を小さくした平面アンテナに好適なことから、アンテナ装置の薄型化、小型化が容易に実現可能となる。
さらに、本発明のアンテナ装置では、特殊な誘電体等を用いる必要がないため、低コストでアンテナ装置を実現できる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるアンテナ装置の構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
図１は、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の概略の構成を示す図である。本発明のアンテナ装置１は、放射素子２とこれに平行に配置された地板３からなる平面アンテナ４がレドム５の内部に収納された構造を有している。レドム５の表面のうち、平面アンテナ４に略平行でかつ放射素子２に近い面には接着部６(両面テープ等)が設けられており、接着部６の表面である接着面７がフロントガラス８に接着されて固定される構成となっている。

図１のように構成されたアンテナ装置１は、フロントガラス８上の運転者が前方を視認する際の支障とならない位置に接着して固定される。アンテナ装置１の設置場所として、図２に示す室内後写鏡９で遮蔽される位置が好適である。フロントガラス８上の図２に示す位置に固定されたアンテナ装置１は、運転者から見て室内後写鏡９で遮蔽されているため、前方視認等の運転への影響を回避することができる。

従来構成の平面アンテナをフロントガラスのごく近傍に配置した場合には、該平面アンテナの利得が大きく低下するといった問題があった。図１に示す本発明の平面アンテナ４は、従来構成の平面アンテナに見られる利得低下の原因を解明して、その対策を施したものである。従来構成の平面アンテナをフロントガラスに近接して配置したときの利得の低下は、以下のメカニズムに起因して生じている。

一般に平面アンテナは、所望の周波数帯の中心波長λに対し、寸法がλ／２程度の大きさの平面状の放射素子と、該放射素子から電波を放射させる放射面とは反対側に配置された地板とから構成されている。該地板は、放射する電波に適合させた形状を有し、通常、対向する放射素子より大きい寸法で形成される。このような構成の平面アンテナでは、前記放射素子の外形寸法を調整することで、所望の周波数を得ることができる。

しかし、アンテナ装置をフロントガラスなどの誘電体に近接して設置し、かつ該フロントガラスを透過して電波を放射させる場合には、前記アンテナ装置に内蔵されている放射素子を前記フロントガラスに極めて近接させてしまうことになる。このように、放射素子をフロントガラス等の誘電体に近接させると、誘電体による波長短縮効果により、該放射素子の大きさが自由空間に設置されているときよりも電気的に大きく見えてしまう。

すなわち、一般的に誘電率εの誘電体中を透過する電磁波の波長は、自由空間波長λとした場合に、

に短縮されることが知られている（波長短縮効果）。この効果により、前記放射素子が電気的に大きく見え、これが地板よりも大きく見える場合には放射素子の動作と地板の動作とが逆転してしまう。特にアンテナ装置の小型化のためなど、平面アンテナの地板の大きさがλ／２程度しか確保できない場合は、逆転が起き易い。

上記の波長短縮効果により、平面アンテナを構成する放射素子と地板との寸法上の大小関係が電気的に逆転すると、放射素子として設計された導体板が地板として作用する一方、地板として設計された導体板が放射素子として作用してしまうことになる。その結果、前記平面アンテナはフロントガラスとは逆方向に電波を放射してしまい、本来放射させたい方向の利得が低下してしまう。これが、従来構成の平面アンテナをフロントガラスに近接して配置したときの利得の低下の原因であることが明らかとなった。

そこで、図１に示した本発明のアンテナ装置１は、フロントガラス等の誘電体に近接して設置しても所定のアンテナ特性が得られるよう、下記の条件を満たす構成としている。図１において、放射素子２と地板３との距離をＡとし、接着部６の表面である接着面７と地板３との距離をＢとしたとき、
Ｂ≦λ／（２π） かつ Ａ／Ｂ≦０．５ （１式）
なる関係を満たすよう、アンテナ装置１を構成している。

（１式）より、本発明のアンテナ装置１は、フロントガラス８に設置されたとき、放射素子２と地板３とからなる平面アンテナ４から見てλ／（２π）以内の極近傍領域（Reactive Near Field）に誘電体であるフロントガラス８が位置するように構成されている。そして、放射素子２は、地板３とフロントガラス８との中間位置よりも地板３に近い位置に配置されるように構成されている。

換言すれば、本発明のアンテナ装置１では、フロントガラス８からλ／（２π）以内の極近傍領域に平面アンテナ４を設置する極めて薄型のアンテナ装置が実現される。このような極薄型のアンテナ装置１を実現するために、放射素子２を地板３とフロントガラス８、すなわちアンテナ装置１に設けられた接着面７、との中間位置よりも地板３に近い位置に配置するようにしている。

本発明のアンテナ装置１を、（１式）の関係を満たすよう構成したことによる効果を以下に説明する。なお、下記ではＥＴＣに適用されるアンテナ装置を対象とし、前記地板の大きさを約２５×２５ｍｍ、前記放射素子の大きさを約２０×２０ｍｍとする。このとき、ＥＴＣ（５．８ＧＨｚ帯）の自由空間における中心波長λは約５２ｍｍであることから、（１式）よりＢ≦８．２ｍｍとなる。

アンテナ装置１をフロントガラス８に近接させた場合に、放射素子２と地板３とがそれぞれ所定の動作を行っているか、あるいは逆転させているかを下記のように評価することができる。

まず、フロントガラス８に近接させない自由空間において所望の周波数帯（ＥＴＣ帯）で動作する前記アンテナ装置に対し、前記アンテナ装置の放射素子の大きさを変更したときの周波数変化を評価した。具体的には、前記放射素子の大きさを１ｍｍだけ変更したときの周波数変化を求めた。その結果を図３に示す。なお、ここでの周波数は、前記放射素子のインピーダンスが５０Ωに最も近くなる周波数で規定する。

図３では、前記放射素子と前記地板との距離Ａを複数ケース変化させ、それぞれのケースにおける前記周波数変化をプロットしている。一般的に良く知られるように、自由空間においては、距離Ａを変更しても前記周波数変化はほとんど変化しておらず、前記周波数変化は距離Ａにほとんど依存しないと言える。

次に、前記アンテナ装置をフロントガラス８に近接させたときの前記周波数変化を以下に説明する。
この場合、前記放射素子と前記地板との距離Ａだけでなく、フロントガラス８と前記地板との距離Ｂも前記周波数変化に影響を与えると考えられることから、ここではＡ／Ｂをパラメータとし、Ａ／Ｂの各値における前記周波数変化を評価している。その結果を図４に示す。

図４は、フロントガラス８の厚さを４．７ｍｍ(通常のフロントガラス厚さは４ｍｍ〜６ｍｍ)、誘電率を５．５とし、前記放射素子と前記地板との間は空気層により構成された直線偏波パッチアンテナとしたときの結果である。

図４において、グラフ１２及び１３は、それぞれＢ＝２．６ｍｍ及びＢ＝５．１ｍｍのときの前記周波数変化を示している（ともに前記のＢ≦８．２ｍｍを満たしている）。グラフ１１及び１２は、図３に示した自由空間における前記周波数変化と比較すると、Ａ／Ｂの値が０．５を超えると前記周波数変化が小さくなることを示している。

図３、図４より、フロントガラス８が無い場合には、前記放射素子の大きさを変更することによる前記周波数変化は、距離Ａによらずほぼ一定となっているのに対し、フロントガラス８を近接させた場合には、Ａ／Ｂの値が０．５を超えると前記放射素子の大きさを変更することによる前記周波数変化が小さくなることが分かる。

すなわち、Ａ／Ｂの値が０．５を超えると、前記放射素子の動作と前記地板の動作とが逆転し始めると考えられる。よって、フロントガラス８に近接させて平面アンテナを設置する場合には、Ａ／Ｂの値が０．５以下になるようにアンテナ装置を構成する必要があることが明らかとなった。

前記放射素子が地板として動作し始めているのを確認するために、Ａ／Ｂ＞０．５とした本発明の[適用外]のアンテナ装置（Ａ／Ｂ＝０．６）と、Ａ／Ｂ≦０．５とした本発明のアンテナ装置（Ａ／Ｂ＝０．３）のそれぞれの指向性を調べた結果を図５に示す。同図において、角度０度が好ましいフロントガラス８の方向への指向性を表しており、角度１８０度がフロントガラスとは逆方向に電波が放射される指向性を表している。

図５において、本発明の[適用外]のアンテナ装置の指向性２１は、本発明のアンテナ装置の指向性２２に比べて、角度１８０度で高くなっている。これは、本発明の[適用外]のアンテナ装置が有する放射素子が、地板として動作していることを示している。

そこで、本発明のアンテナ装置１では、図１に示す通り、放射素子２と地板３とからなる平面アンテナ４をレドム５の内部に収納し、フロントガラス８に固定するための接着面７をレドム５の一面に設けている。そして、地板３と接着面７との距離Ｂに対する地板３と放射素子２との距離Ａの比率Ａ／Ｂが０．５以下となるように構成している。

上記のように構成されたアンテナ装置１では、接着面７でフロントガラス８に固定させたときにも、上記のＡ／Ｂの値を０．５以下に維持することができる。その結果、フロントガラス８が平面アンテナ４の極近傍領域に位置するものの、所望のアンテナ利得を得ることができるようになる。

本発明のアンテナ装置１は、放射素子２と地板３との間が空気層である平面アンテナに適用されるものであり、とくに、ＤＳＲＣ（専用狭域通信）用アンテナとして好適なアンテナ装置である。また、ＤＳＲＣよりもさらに短波で使用される平面アンテナにも適用できるものである。

本発明のアンテナ装置１に適用される平面アンテナ４の実施例を図６に示す。本発明のアンテナ装置１に適用される平面アンテナ４は、図６（ａ）に示す直線偏波の平面アンテナ３１に加えて、図６(ｂ)に示す切欠き部を有する１点給電型の円偏波の平面アンテナ３２や、図６（ｃ）に示す対角給電型の円偏波の平面アンテナ３３にも適用可能である。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るアンテナ装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるアンテナ装置１の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

図１は、本発明のアンテナ装置の実施形態を示す概略構成図である。 図２は、本発明のアンテナ装置１の好適な設置場所の一つである室内後写鏡９で遮蔽される位置を示す図である。 図３は、自由空間において所望の周波数帯で動作するアンテナ装置に対し、放射素子の大きさを変更したときの周波数変化を示す図である。 図４は、厚さ４．７ｍｍ、誘電率５．５のフロントガラス８に、所定の直線偏波平面アンテナを近接して設置したときの周波数変化を示す図である。 図５は、Ａ／Ｂ＞０．５とした本発明の[適用外]のアンテナ装置と、Ａ／Ｂ≦０．５とした本発明のアンテナ装置のそれぞれの指向性を示す図である。 図６は、本発明のアンテナ装置１に適用される平面アンテナ４の実施例を示す概略構成図である。図６（ａ）は直線偏波の平面アンテナ３１、図６(ｂ)は切欠き部を有する１点給電型の円偏波の平面アンテナ３２、図６（ｃ）は対角給電型の円偏波の平面アンテナ３３をそれぞれ示す概略構成図である。

符号の説明

１・・・アンテナ装置
２・・・放射素子
３・・・地板
４・・・平面アンテナ
５・・・レドム
６・・・接着部
７・・・接着面
８・・・フロントガラス
９・・・室内後写鏡
１１、１２・・・フロントガラスに近接するときの周波数変化のグラフ
２１・・・本発明の[適用外]のアンテナ装置の指向性のグラフ
２２・・・本発明のアンテナ装置の指向性
３１・・・直線偏波の平面アンテナ
３２・・・切欠き部を有する１点給電型の円偏波の平面アンテナ
３３・・・対角給電型の円偏波の平面アンテナ

Claims (3)

1. 平面の放射素子とこれに平行な地板とからなる平面アンテナをレドムに収納し、前記平面アンテナに略平行な前記レドムの一方の面に接着面を設けて室内ガラスに接着し、少なくとも車室外から送信された電波を前記室内ガラスを介して受信する、あるいは車室内から前記室内ガラスを介して車室外へ電波を送信するアンテナ装置であって、
   前記放射素子と前記地板との距離をＡ、前記接着面と前記地板までの距離をＢ、前記平面アンテナの使用周波数における自由空間波長をλとしたとき、
   Ｂ≦λ／（２π） かつ Ａ／Ｂ≦０．５
   なる関係を満たすよう構成され、かつ前記放射素子と前記地板との間が空気層で構成されることにより、
   前記室内ガラスに対して近接して配置されても、所望のアンテナ特性が維持されるようにしたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記平面アンテナは、円偏波の送受信に使用される
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記平面アンテナは、専用狭域通信に使用されるアンテナである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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