JP4148191B2 - リーク電流による出力反射特性の悪化を抑える無線受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波無線信号を受信して増幅する無線受信装置に関し、特に車載用ＧＰＳ受信器に用いて好適である。

従来、高周波無線信号を受信して増幅する無線受信装置が用いられている。例えば、現在位置を特定するための無線受信装置としてＧＰＳ受信器が車両に搭載されるようになっている。ＧＰＳ受信器は、ＧＰＳ衛星から１．５ＧＨｚの無線信号をアンテナで受信し、その受信した無線信号を増幅し、増幅した高周波信号を同軸ケーブルを介してカーナビゲーション装置に出力する。

しかし、このような無線受信装置においては、その無線受信装置の近くにある導電体との位置関係によっては、その出力反射特性が悪化し、結果として受信感度が低下してしまう場合がある。

このような場合について、ＧＰＳ受信器を例に挙げて具体的に説明する。図１に、導電体としての車両ボディ５０上に設置されたＧＰＳ受信器６０を示す。ＧＰＳ受信器６０は、レドーム５１の内部に設けられた１．５ＧＨｚ帯の無線電波を受信するアンテナ素子５２、このアンテナ素子５２が受信した電気信号を増幅するＬＮＡ（ローノイズアンプ）５３、およびこの増幅回路からの信号をコネクタ５７を介して同軸ケーブル５９に伝送する同軸ケーブル５４を備えている。同軸ケーブル５９の出力先には例えばカーナビゲーション装置等がある。

同軸ケーブル５４の中心導体５５を流れる電流は、通常はコネクタ５７の金属製のジョイント部５８を介して同軸ケーブル５９に向かう。しかし、コスト等の要求から、コネクタ５７としては、高周波伝送のために望ましい反射特性を有するものではなく、簡易なものを使う場合があり、そのような場合には、ジョイント部５８から同軸ケーブル５４の外部被覆５６の外側に高周波電流がリークしてしまう。

一方、同軸ケーブルは、図１のように車両ボディ５０に近接して配線された場合は、同軸ケーブル５４と車両ボディ５０との間には、高周波領域では無視することのできない電気容量等の浮遊インピーダンス６１が存在する。

したがって、ジョイント部５８からリークした電流は、外部被覆５６と車両ボディ５０との間の浮遊電流となってしまう。そして、この浮遊電流は同軸ケーブル５４のＬＮＡ５３に接続する側の端部で電波放射（矢印６２）し、その電界がアンテナ素子５２と結合してしまう。その結果、リークした浮遊電流はＬＮＡ５３によって増幅された後に、コネクタ５７に戻ってきてしまう。

このような場合、中心導体５５に流れる電流が不正に大きくなってしまい、出力反射特性が悪化し、結果として受信感度が低下してしまう。場合によってはＧＰＳアンテナ自身が寄生発振を起こしてしまうこともある。

本発明は上記例示したような問題点に鑑み、ケーブルからの漏れ電流によってケーブル端部から発生する放射電界がアンテナと結合することによる、出力反射特性の悪化を抑えることを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、波長λの無線電波を受信する受信アンテナと、この受信アンテナが受信した電気信号を増幅する増幅回路と、一方の端点でこの増幅回路と接続し、この増幅回路からの信号を伝送するケーブルと、このケーブルの他方の端点に接続されるコネクタとを備えている。このコネクタは、さらに他のコネクタに接続され、当該ケーブルからの信号を当該他のコネクタに出力する。また、当該ケーブルは、この増幅回路との接点から辿ってｋ／４λ（ｋは奇数）の位置において初めて金属体に高周波的に短絡している。この金属体への短絡は、当該位置において当該金属体に当該ケーブルが強制的に接触されられることによって実現されている。そして、当該ケーブルは、当該初めて高周波的に短絡している部分の後段において、さらに当該増幅回路との接点から辿ってｊ／４λ（ｊはｋより大きい偶数）の位置において金属体に高周波的に短絡している。
また、上記目的を達成するための本発明の第２の特徴は、波長λの無線電波を受信する受信アンテナと、この受信アンテナが受信した電気信号を増幅する増幅回路と、一方の端点でこの増幅回路と接続し、この増幅回路からの信号を伝送するケーブルと、ケーブルの他方の端点に接続されるコネクタ（以下、本コネクタという）と、を備え、本コネクタは、さらに他のコネクタに接続され、ケーブルからの信号を当該他のコネクタに出力し、ケーブルは、増幅回路との接点から辿ってｋ／４λ（ｋは奇数）の位置において初めて高周波的に金属体に短絡し、本コネクタと当該他のコネクタとの結合部から漏れたリーク電流がケーブルの増幅回路側の端点において放射電界となることを、当該位置における高周波的な短絡によって抑えるようになっていることである。

このように、接点からｋ／４λの位置に初めて金属体への高周波的短絡部分があると、その短絡部分における浮遊電流の定在波の電圧振幅が最大となる、そして、その短絡部分からｋ／４λだけ離れた接点の位置においては、電圧振幅がほぼゼロとなる。したがって、この接点、すなわちケーブルの増幅回路側の端点から放射される電界が抑えられ、結果として、この電界が受信アンテナと結合することによる出力反射特性の悪化を抑えることができる。

また、ｋが１である場合がこの反射特性の悪化の低減効果が最も高い。

また、ケーブルは、初めて高周波的に短絡している部分の後段において、さらに金属体に高周波的に短絡していてもよい。これによって、反射特性の悪化の低減効果が向上する。

また、この後段における高周波的短絡部分は、増幅回路との接点から辿ってｊ／４λ（ｊはｋより大きい偶数）の位置にあれば、更に反射特性の悪化の低減効果が向上する。

また、ケーブルは、接点から上記した初めて高周波的に短絡している部分までがほぼ直線状かつ金属体の表面に対して平行に配置されていてもよい。これによって、反射特性の悪化の低減効果が向上する。

また、高周波的短絡は、ケーブルを引っかけてその外皮をグラウンドに接触させるクリップによって実現されていてもよいし、ケーブルをテープで金属体に貼り付けることで実現されていてもよいし、ケーブルと金属体との間に導電部材を挟むことで実現されていてもよい。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図２に、本実施形態に係るＧＰＳ受信器が車体ボディ１に取り付けられた状態を示す。

車体ボディ１は金属製であり、電気的にはグラウンドとなっている。この車体ボディ１の上に、ブラケット２、ネジ３、ＧＰＳ受信器ケース４、受信回路部５、ケーブル６、およびコネクタ７を有するＧＰＳ受信器２０が固定されている。図２（ａ）はこのＧＰＳ受信器２０の上面図であり、図２（ｂ）は側面図である。

ブラケット２は、金属製の平面板であり、その四隅で４つのネジ３によって車体ボディ１に固定され、車体ボディ１と導通している。ブラケット２の上には、レドームの役割を果たす樹脂製のＧＰＳ受信器ケース４が固定されている。ＧＰＳ受信器ケース４の中には、基板５ａ、基板５ａの上面に配された平面アンテナ５ｂ、および基板５ａの下面に配された増幅回路５ｃが設けられている。

平面アンテナ５ｂは、ＧＰＳ衛星からの周波数約１．５ＧＨｚ、波長約２０ｃｍの無線電波を受信するように構成されている。増幅回路５ｃは、ローノイズアンプであり、この平面アンテナ５ｂが受信した電気信号を（例えば利得３１ｄＢｉで）増幅し、この増幅した高周波信号をケーブル６に出力するようになっている。

ケーブル６は、同軸ケーブルであり、一方の端点で増幅回路５ｃの出力を受け、この受けた高周波信号を、他方の端点に向けて伝送する。このケーブル６の全長は、例えば３０ｃｍである。なお、ケーブル６の増幅回路５ｃ側の端点の位置において、ケーブル６の外皮が途切れている。

コネクタ７は、ケーブル６の上記他方の端点に接続し、ケーブル６からの信号をコネクタ８を介してケーブル９に出力するようになっている。このコネクタ７およびコネクタ８は、高周波信号を伝送するケーブル間のコネクタとしては、理想的な反射特性を有しているとはいえない。すなわちコネクタ７からコネクタ８に１．５ＧＨｚ帯の高周波信号が伝わる際に、この２つのコネクタの結合部から高周波電流が一部リークしてしまう場合がある。

なお、ケーブル６は、そのほとんどの部分で車体ボディ１やブラケット２から上にわずかに（例えば数センチメートル）浮いた形で配されている。ただし、ケーブル６の一部は、短絡部１０によって、ブラケット２に強制的に接触させられている。ここでいう接触とは、ケーブル６のビニル製の外皮が金属体であるブラケット２に接触していることをいう。このようになっている場合、その接触の位置において、ケーブル６とブラケット２とは高周波的に短絡している状態にある。

また、この短絡部１０の位置は、ケーブル６と増幅回路５ｃとの接点から辿って１／４λの位置に相当する。

また、ケーブル６の、増幅回路５ｃと接触する端点から短絡部１０までの区間は、曲げられずにほぼ直線状に配されている。そして、この区間においては、ケーブル６とブラケット２とは高周波的に短絡していない。すなわち、ケーブル６は、増幅回路５ｃとの接点から辿って１／４λの位置において初めてブラケット２に高周波的に短絡している。

ここで、この短絡部１０におけるケーブル６のブラケット２への強制的な接触を詳細に説明する。図３に、短絡部１０を拡大した図を示す。図３（ａ）は、短絡部１０の上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。

図３（ａ）の円内が短絡部１０である。この短絡部１０において、ブラケット２にはコの字形の切り欠き１１が設けられている。ケーブル６は、この切り欠き１１によって形成された突起部１２の下をくぐるように配されている。このように、ケーブル６は、突起部１２に引っかかることで、突起部１２による上からの圧力によって押さえられ、その結果ブラケット２と強制的に接触させられる。

このように、切り欠き１１によって形成された突起部１２は、ケーブル６を引っかけてその外皮を金属体に接触させるクリップとして機能する。

なお、ケーブル６中の短絡部１０の後段、すなわち短絡部１０とコネクタ７との間においては、ケーブル６のたるみによって、ケーブル６の一部が車体ボディ１に接し、その結果その接触位置におけるケーブル６と車体ボディ１との高周波的短絡が実現する場合がある。このような自然な接触は、短絡部１０における強制的な接触と異なり、車両の走行状態によってその接触位置が変動しやすい。

以下、上記のような構成を有するＧＰＳ受信器２０について発明者が行った、出力反射特性の実験結果を説明する。図４に実験の構成を示す。この実験においては、ＧＰＳ受信器２０のコネクタ７が接続するコネクタ８、ケーブル９の先に、ネットワークアナライザ２１が取り付けられている。

本実施形態におけるネットワークアナライザは、ケーブル９を介してＧＰＳ受信器２０に高周波信号を出力し、また、ケーブル９を介してコネクタ７に戻ってきた高周波信号の電力、すなわち帰還電力を計測する。そしてネットワークアナライザは、出力電力に対する帰還電力の対数値をリターンロスとして表示する。例えば、出力する高周波信号の周波数が１．５７５４２ＧＨｚ、出力電力が−３０ｄＢｍ、出力電圧が４．５Ｖのネットワークアナライザを用いることができる。

帰還電力があるということは、出力した電力が戻って来ていることを示しているので、リターンロスの値が大きいほどＧＰＳ受信器２０の出力反射特性は悪いと言える。

図５に、実験結果のグラフを示す。このグラフの縦軸はリターンロスをｄＢ単位で表し、横軸は受信回路部５との接点から非強制の短絡位置までの、ケーブル６に沿った距離ｘを単位をλとして表している。なお、非強制の短絡とは、短絡部１０における短絡のようなしっかりとした短絡ではなく、ケーブル６の重み等によって自然に垂れ下がった部分が車体ボディ１やブラケット２に接触するような、短絡位置が容易に変化しうる短絡をいう。

なお、菱形でプロットされた折れ線は１／４λの位置に強制短絡がない場合に、三角形でプロットされたグラフは１／４λの位置に強制短絡がある場合（すなわち本実施形態のＧＰＳ受信器２０に相当する場合）に、それぞれ対応している。このグラフに示す通り、非強制の短絡位置ｘが０．２５を超えている範囲では、強制短絡がない場合は、強制短絡がある場合よりも常にリターンロスが少ない。そして、非強制の短絡位置ｘが０．２５を超えている範囲では、強制短絡がある場合は、ほとんどの場合、そのリターンロスが、一般的な基準値である−９．５ｄＢを下回る。すなわち、出力反射特性が良い。

これによって、ケーブル６とブラケット２との最初の強制的な接触位置が、増幅回路５ｃとの接点からケーブル６に沿って１／４λの位置となっていれば、その後段でケーブル６が自然にケーブル６と接触し、その自然な接触が車両の走行状態によって変化しても、出力反射特性の良好性は維持されると言える。すなわち、ケーブル６の接点から１／４λの位置を強制的にブラケット２と高周波短絡させることで、ＧＰＳ受信器２０において、出力反射特性の悪化を抑え、受信感度の低下やＧＰＳアンテナ自身の寄生発振を防止することができる。

なお、この三角形でプロットされたグラフに示される通り、ケーブル６は、初めて高周波的に短絡している部分の後段において、さらに増幅回路５ｃとの接点から辿ってｊ／４λ（ｊは偶数）の位置において金属体に高周波的に強制的に短絡していれば、リターンロスが極小値となるので、更に出力特性の悪化に対する抑制効果が向上する。

ここで、このような実験結果となる機構について考察する。背景技術においても説明した通り、反射特性の悪化の原因の１つは、コネクタ７からリークした電流が、ケーブル６と車体ボディ１またはブラケット２との間にある浮遊インピーダンスの存在によって、ケーブル６に沿った定在波となり、ケーブル６の増幅回路５ｃ側の端点から、その定在波による電波が放射され、この放射電界が平面アンテナ５ｂと結合することである。

本実施形態のように、ケーブル６とブラケット２との最初の強制的な高周波的短絡位置が、増幅回路５ｃとの接点からケーブル６に沿って１／４λの位置となっていれば、その短絡位置における定在波の電流がゼロとなり、電圧が最大となる。その結果、この短絡位置から１／４λだけ離れた上記接点においては、定在波の電圧がほぼゼロとなる。したがって、この端点から放射される電界はほぼゼロとなり、平面アンテナ５ｂにおける結合もほぼゼロとなる。したがって、ＧＰＳ受信器２０の出力反射特性の悪化が抑えられる。

なお、この効果は、ケーブル６が、この増幅回路との接点から辿って１／４λ（ｋは奇数）の位置において初めて金属体に高周波的に短絡している場合のみならず、最初の短絡位置がｋ／４λ（ｋは３以上の奇数）であっても、上記した実施形態の効果をある程度得ることができる。これは、定在波の振幅の周期が１／λとなっているからである。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明が第１実施形態と異なるのは、短絡部１０におけるケーブル６のブラケット２との強制的な接触の方法である。図６に、本実施形態におけるＧＰＳ受信器２０の短絡部１０の拡大図を、図３と同じ形式で示す。

図６（ａ）の円内が短絡部１０である。この短絡部１０において、ブラケット２にはクランプ１３が接着剤等で固定されている。

クランプ１３は、四角形の辺の形状となっている本体、および本体の一辺から延びる突起部１３ａとから成る。ケーブル６は、この突起部１３ａの下をくぐるように配されている。このように、ケーブル６は、突起部１３ａに引っかかることで、突起部１３ａによる上からの圧力によって押さえられ、その結果ブラケット２と強制的に接触させられる。

したがって、クランプ１３は、ケーブル６を引っかけてその外皮を金属体に接触させるクリップとして機能する。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明が第１実施形態と異なるのは、短絡部１０におけるケーブル６のブラケット２との強制的な高周波的短絡の方法である。図７に、本実施形態におけるＧＰＳ受信器２０の短絡部１０の拡大図を、図３と同じ形式で示す。

図７（ａ）の円内が短絡部１０である。この短絡部１０において、ケーブル６の軸の周りを導電クッション１４が取り巻いている。

導電クッション１４は、穴の開いた円盤状の形状をした導電性のあるクッションである。そしてその穴には、ケーブル６が密着して通っている。そして、導電クッション１４の半径はケーブル６とブラケット２との間の距離より少し大きい程度となっている。

このようになっていることで、ケーブル６が通っている導電クッション１４の下部は、ブラケット２と接触する。すなわち、ケーブル６とブラケット２との間に導電部材としての導電クッション１４の一部が挟まっていることで、ケーブル６とブラケット２との高周波的短絡が実現されている。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明が第１実施形態と異なるのは、短絡部１０におけるケーブル６のブラケット２との強制的な接触の方法である。図８に、本実施形態におけるＧＰＳ受信器２０の短絡部１０の拡大図を、図３と同じ形式で示す。

図８（ａ）の円内が短絡部１０である。この短絡部１０において、ケーブル６は導電性のテープ１５によってブラケット２に貼り付けられている。

このように、ケーブル６は、導電テープ１５の接着力によって押さえられ、その結果ブラケット２と強制的に接触する。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態が第１実施形態と異なるのは、ケーブル６の引き回し方法である。

図９に、本実施形態におけるＧＰＳ受信器２０のケーブル６の配置を、図２と同じ形式で示す。

この図に示す通り、ケーブル６は、受信回路部５とケーブル６との接点から、短絡部１０までの間で９０度に曲げられている。そして、短絡部１０は、受信回路部５からこのケーブル６に沿ってλ／４の位置に設けられている。

このように、接点から短絡部１０までのケーブル６が曲がっていることで、直線的にケーブル６を配置したのでは接点から１／４λの位置がブラケット２内に収まらない程にブラケット２が小さくても、ブラケット２内に短絡部１０が収まる。このような構成は、第１実施形態のように切り欠き１１を用いてケーブル６を強制的に金属体と高周波的短絡させる場合等、短絡部１０と接続する金属体を加工する必要がある場合、車体ボディ１を加工する必要がないという点で特に有益である。

なお、上記した実施形態において、平面アンテナ５ｂが受信アンテナに相当する。

また、車体ボディ１およびブラケット２が金属体に相当する。上記した実施形態においては、短絡部１０はブラケット２上にあるが、短絡部１０は車体ボディ１上にあってもよい。

なお、本実施形態においては、平面アンテナ５ｂが受ける無線電波の周波数は１．５ＧＨｚだが、平面アンテナ５ｂが受ける電波はこの周波数に限らず、高周波であればよい。例えば、８００ＭＨｚであってもよい。

また、上記した実施形態においては、高周波的短絡は、ケーブル６の外皮が金属体に接触することで実現されているが、ケーブル６の外皮と金属体とは必ずしも接触しておらずともよい。すなわち、ケーブル６と金属体とが、高周波的に短絡していると言える程度にわずかに（例えば数ミリ程度）離れていてもよい。

また、上記した実施形態においては、短絡位置はケーブル６と受信回路部５との接点から（ｋ／４）λ（ｋは奇数）となっているが、厳密にこの値となっている必要はない。本発明のように、ケーブルからの電界放射の量が低減できるという効果が達成される範囲内で（ｋ／４）λからずれていてもよい。例えば（ｋ／４）λを中心とする（１／１６）λの範囲内で強制的な短絡が実現されていてもよい。

従来技術におけるＧＰＳ受信器２０の構成を示す図である。 車体ボディ１に取り付けられたＧＰＳ受信器２０の上面図および側面図である。 短絡部１０を拡大した上面図、正面図、側面図である。 ＧＰＳ受信器２０等についての出力反射特性の実験の構成を示す図である。 ＧＰＳ受信器２０等についての出力反射特性の実験の結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態における短絡部１０の拡大図である。 本発明の第３実施形態における短絡部１０の拡大図である。 本発明の第４実施形態における短絡部１０の拡大図である。 本発明の第５実施形態におけるＧＰＳ受信器２０の構成を示す図である。

符号の説明

１…車体ボディ、２…ブラケット、３…ネジ、４…ＧＰＳ受信器ケース、
５…受信回路部、５あ…基板、５ｂ…平面アンテナ、５ｃ…増幅回路、
６、９…ケーブル、７、８…コネクタ、１０…短絡部、１１…切り欠き、
１２…突起部、１３…クランプ、１３あ…突起部１３ａ、１４…導電クッション、
１５…導電テープ、２０…ＧＰＳ受信器、２１…ネットワークアナライザ、
５０…車両ボディ、６０…ＧＰＳ受信器、５１…レドーム、５２…アンテナ素子、
５３…ＬＮＡ、５４…同軸ケーブル、５５…中心導体、５６…外部被覆、
５７…コネクタ、５８…ジョイント部、５９…同軸ケーブル、
６１…浮遊インピーダンス、６２…矢印。

Claims (8)

1. 波長λの無線電波を受信する受信アンテナと、
   この受信アンテナが受信した電気信号を増幅する増幅回路と、
   一方の端点でこの増幅回路と接続し、この増幅回路からの信号を伝送するケーブルと、
   前記ケーブルの他方の端点に接続されるコネクタと、を備え、
   前記コネクタは、さらに他のコネクタに接続され、前記ケーブルからの信号を当該他のコネクタに出力し、
   前記ケーブルは、前記増幅回路との接点から辿ってｋ／４λの位置において初めて高周波的に金属体に短絡しており、かつ、前記金属体への短絡は、当該位置において前記金属体に前記ケーブルが強制的に接触させられることによって実現されており、
   前記ケーブルは、前記初めて高周波的に短絡している部分の後段において、さらに前記増幅回路との接点から辿ってｊ／４λの位置において金属体に高周波的に短絡していることを特徴とする無線受信装置。ただし、ｋは奇数であり、ｊはｋより大きい偶数である。
2. 波長λの無線電波を受信する受信アンテナと、
   この受信アンテナが受信した電気信号を増幅する増幅回路と、
   一方の端点でこの増幅回路と接続し、この増幅回路からの信号を伝送するケーブルと、
   前記ケーブルの他方の端点に接続されるコネクタ（以下、本コネクタという）と、を備え、
   前記本コネクタは、さらに他のコネクタに接続され、前記ケーブルからの信号を当該他のコネクタに出力し、
   前記ケーブルは、前記増幅回路との接点から辿ってｋ／４λの位置において初めて高周波的に金属体に短絡し、
   前記本コネクタと前記他のコネクタとの結合部から漏れたリーク電流が前記ケーブルの前記増幅回路側の端点において放射電界となることを、前記位置における高周波的な短絡によって抑えることを特徴とする無線受信装置。ただし、ｋは奇数である。
3. ｋは１であることを特徴とする請求項１または２に記載の無線受信装置。
4. 前記ケーブルは、前記初めて高周波的に短絡している部分の後段において、さらに前記増幅回路との接点から辿ってｊ／４λの位置において金属体に高周波的に短絡していることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載無線受信装置。ただしｊはｋより大きい偶数である。
5. 前記ケーブルは、前記接点から前記初めて高周波的に短絡している部分までがほぼ直線状かつ前記金属体の表面に対して平行に配置されていることを特徴とする特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の無線受信装置。
6. 前記高周波的短絡は、ケーブルを引っかけてその外皮を金属体に接触させるクリップによって実現されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の無線受信装置。
7. 前記高周波的短絡は、前記ケーブルをテープで金属体に貼り付けることで実現されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の無線受信装置。
8. 前記高周波的短絡は、前記ケーブルと前記金属体との間に導電部材を挟むことで実現されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の無線受信装置。

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