JP4249229B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両や住宅等に用いられるキーレスリモートシステムやスマートエントリーシステムなどのアンテナ装置に関するものである。

例えば車両や住宅等に用いられるキーレスリモートシステム用の無線機（所謂キーレス受信機）のように、ＵＨＦ，ＶＨＦ帯といった比較的波長の長い（数十ｃｍ〜数ｍ）領域の電波を使用するアンテナ装置においては、アンテナ装置の体格に対してアンテナの大きさが支配的である。したがって、アンテナ装置を小型化するためにはアンテナを小型化することが重要である。

これに対し、アンテナを小型化する構成として例えば特許文献１が開示されている。このアンテナは、直線状に延びる内部導体と、これを中心として間隔を隔てて密巻状に巻回された外部コイル状導体とを有し、特有の周波数で共振するように構成されている。これにより、比較的高い利得を有しつつ、小型で単純なアンテナ構造としている。
特開２００３−１５２４２７号公報

しかしながら、上記構成の場合、内部導体が直線状に延びる構造となっているので、小型化に限界がある。例えばアンテナ装置を小型化するために内部導体の伸延方向に直交する方向のアンテナの外形を小さくする場合、共振するための電気長を確保するために内部導体及び外部コイル状導体の少なくとも一方を長くする必要があるが、内部導体が直線状であるので高さが大きく増加してしまう。

また、上記構成の場合、１つのアンテナで単一周波数の使用しかできないため、例えば異なる複数の周波数を受信可能とするには、電気長の異なる複数のアンテナが必要である。

本発明は上記問題点に鑑み、小型化でき、且つ、異なる複数の周波数で共振特性を得ることのできるアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１に記載の発明は、ＧＮＤパターンを有する基板と、一端がそれぞれ基板に固定された２つのエレメントとして、基板の表面から離反する方向に螺旋状に延びる外部エレメントと、外部エレメントの内側に間隔を隔てて配置され、外部エレメントの軸方向に沿って螺旋状に延びる内部エレメントとを有し、２つのエレメントの一方を信号線とし、他方をＧＮＤ線とするアンテナを備えたアンテナ装置であって、基板は、２つのエレメントの一方とＧＮＤパターンとを電気的に接続する複数の繋ぎ配線と、所定信号に基づいて、エレメントとＧＮＤパターンとを電気的に接続する経路として１つの繋ぎ配線を選択するスイッチを有し、複数の繋ぎ配線の少なくとも１つは、その一部としてキャパシタ又はインダクタを有し、選択される繋ぎ配線によってアンテナの共振周波数が異なることを特徴とする。

このように本発明によれば、所謂ダイポールアンテナの構成であり、内部エレメントを螺旋状としているので、内部エレメントに流れる電流の方向と、外部エレメントに流れる電流により内部エレメントに生じる２次電流（イメージ電流ともいう）の方向（ベクトル）がほぼ同一となり、２次電流と内部エレメントに流れる電流とが効率よく合成（ベクトル和）される。また、電流経路が螺旋状であるので、使用電波に関する電流以外の不要な電流が流れにくい構造となっている。したがって、帯域を狭くすることができ、アンテナ利得を向上することができる。すなわち、ほぼ同じアンテナ利得であれば、直線状の内部エレメントを有する従来のアンテナよりもアンテナの体格を小型化することができ、ひいてはアンテナ装置を小型化することができる。

また、本発明によれば、アンテナがＬ（インダクタンス）とＣ（キャパシタンス）の直列共振回路となっている。そして、基板のＧＮＤパターンとエレメントの一方が直接接続されるのではなく、繋ぎ配線を介して接続される構成となっている。また、繋ぎ配線は、スイッチによって切り替え可能に複数設けられ、繋ぎ配線の種類によってアンテナの共振周波数が異なるように、複数の繋ぎ配線の少なくとも１つがキャパシタ又はインダクタを有している。したがって、１つのアンテナでありながら、異なる複数の周波数で共振特性を得ることができる。

なお、アンテナ（電気長）の長さに比例してアンテナのインピーダンスにはインダクタンスが含まれている。したがって、繋ぎ配線がキャパシタを含む場合、これによってアンテナのインピーダンスに含まれるインダクタンス分が打ち消され、キャパシタを有さない繋ぎ配線に比べて共振周波数は広域にシフトする。また、繋ぎ配線がインダクタを含む場合、インダクタンスが増加するので、インダクタを有さない繋ぎ配線に比べて共振周波数は低域にシフトする。

請求項１に記載の発明においては、請求項２に記載のように、２つのエレメントのうち、外部エレメントがＧＮＤパターンと電気的に接続された構成とすると良い。このような構成とすると、基板の表面に沿う螺旋の大きさが内部エレメントよりも大きい分、電流分布がダイナミックに変わるので、共振周波数差を大きくすることができる。

請求項１又は請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載のように、繋ぎ配線によるアンテナの共振周波数差が２５ＭＨｚ以上とされた構成とすると良い。このような構成とすると、周波数ダイバーシチ効果によって、外来ノイズの影響を効果的に回避することができる。すなわち、小型化が要望されている車載用無線機に好適である。このことは、本発明者によって確認されている。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るアンテナ装置の要部の概略構成を示す斜視図である。図２は、アンテナ周辺の側面図である。図３は、アンテナ装置の等価回路図である。図４は、周波数と電圧定在波比（ＶＳＷＲ）との関係を示す図である。なお、図２においては、外部エレメントによって遮られる内部エレメントの部位、及び、基板によって遮られる外部エレメントと内部エレメントの部位も破線で示している。

車両や住宅等に用いられる所謂キーレス受信機のように、ＵＨＦ，ＶＨＦ帯といった比較的波長の長い（数十ｃｍ〜数ｍ）領域の電波を使用するアンテナ装置においては、アンテナ装置の体格に対してアンテナの大きさが支配的である。そこで本出願人は、図１及び図２に示すように、一方を信号線とし、他方をＧＮＤ線とする２つのエレメントとして、螺旋状に延びる外部エレメント１１１の内側に、間隔を隔てて内部エレメント１１２を配置する構成のアンテナ１１０として、内部エレメント１１２を外部エレメント１１１の軸方向に沿って螺旋状に延びる形状としたものを先に出願している。このように内部エレメント１１２を螺旋状とすると、内部エレメント１１２に流れる電流の方向と、外部エレメント１１１に流れる電流によって内部エレメント１１２に生じる２次電流（イメージ電流）の方向（ベクトル）がほぼ同一となり、これらの電流が効率よく合成される。また、電流経路が螺旋状であるので、使用電波に関する電流以外の不要な電流が流れにくい。したがって、帯域を狭くすることができ、アンテナ利得を向上することができる。すなわち、ほぼ同じアンテナ利得であれば、直線状の内部エレメントを有するアンテナよりもアンテナ１１０の体格、ひいてはアンテナ装置１００の体格を小型化することができる。このようなアンテナ１１０の構成及び効果の詳細については、特願２００６−１０６７８７号に記載されているので、本実施形態での記載は省略する。

本実施形態においては、所定径の鋼線（例えば１．２ｍｍφの棒状ワイヤ）を、内径Ｄ１、螺旋間ピッチＰ１で平面円形状となるように螺旋状に巻回して外部エレメント１１１が構成されている。また、外部エレメント１１１と同一径の鋼線を、Ｄ１よりも小さい内径Ｄ２、Ｐ１よりも狭い螺旋間ピッチＰ２で平面円形状となるように螺旋状に巻回して内部エレメント１１２が構成され、内部エレメント１１２と外部エレメント１１１との対向領域には空気が介在されている。そして、図２に示すように、外部エレメント１１１の基板１２０のアンテナ配置面からの高さＬ１と内部エレメント１１２のアンテナ配置面からの高さＬ２が略等しくされている。このような構成とすると、外部エレメント１１１に流れる電流による２次電流が効率よく内部エレメント１１２に作用するので、アンテナ利得をより向上することができる。すなわち、アンテナ１１０の体格をより小型化することができる。また、図２に示すように、外部エレメント１１１の中心軸と内部エレメント１１２の中心軸が一致（図中の一点鎖線）するように、各エレメント１１１，１１２が配置されている。なお、中心軸に対する各エレメント１１１，１１２の螺旋形状としては、略円以外にも矩形状や矩形以外の多角形状などとしても良い。また、外部エレメント１１１と内部エレメント１１２の対向領域に、空気以外にも樹脂やセラミックなどの電気絶縁性の部材（誘電体）を介在させた構成としても良い。

本実施形態に係るアンテナ装置１００は、このようなアンテナ１１０とともに、要部としてＧＮＤパターン（図示略）が設けられた基板１２０を有している。そして、アンテナ１１０を構成する各エレメント１１１，１１２は、その一端が基板１２０に固定され、基板１２０のアンテナ配置面からその上方に螺旋状に延びている。より詳しくは、図２に示すように、各エレメント１１１，１１２の一端１１１ａ，１１２ａが基板１２０のアンテナ配置面に略垂直に折曲され、基板１２０に設けられた貫通孔にそれぞれ挿入固定されている。そして、この挿入状態で、外部エレメント１１１の一端１１１ａが、基板１２０に設けられた電位基準としてのＧＮＤパターンと、後述する繋ぎ配線を介して電気的に接続されている。また、内部エレメント１１２の一端１１２ａが、基板１２０に設けられた給電用配線と接続されている。しかしながら、基板１２０へのアンテナ１１０（エレメント１１１，１１２）の固定構造は上記例に限定されるものではない。例えば、本出願人による特願２００６−０３８５００号に記載されているように、アンテナホルダによって基板１２０に固定された構造としても良い。また、各エレメント１１１，１１２が基板１２０の貫通孔へ挿入されずに、基板１２０のアンテナ配置面に設けられたランドに表面実装された構造としても良い。

基板１２０には、ＧＮＤパターン以外にも、２つのエレメント１１１，１１２のいずれか一方とＧＮＤパターンとを電気的に接続する複数の繋ぎ配線と、所定信号に基づいて、複数の繋ぎ配線のうちの１つを、２つのエレメント１１１，１１２のいずれか一方とＧＮＤパターンとの電流経路として選択するスイッチが設けられている。

複数の繋ぎ配線は、スイッチによって選択された状態で、それぞれ２つのエレメント１１１，１１２のいずれか一方とＧＮＤパターンとを電気的に接続するように構成され、且つ、選択された繋ぎ配線の種類によってアンテナ１１０の共振周波数が異なるように各構成が互いに異なっていれば良い。繋ぎ配線の本数は複数であれば特に限定されるものではない。各繋ぎ配線の構成としては、例えば少なくとも導電材料からなる配線部（例えば銅箔を加工してなるパターン）を有し、複数のうちの少なくとも１つが、該配線部に直列に接続されたアンテナ１１０の共振周波数を調整するための受動素子をさらに有する構成とすれば良い。上述したアンテナ１１０は、Ｌ（インダクタンス）とＣ（キャパシタンス）の直列共振回路の構成となっているので、アンテナ１１０の共振周波数を調整するための受動素子としては、キャパシタ（コンデンサ）又はインダクタ（コイル）を採用することができる。

ＬＣ直列共振回路構成のアンテナ１１０においては、アンテナ１１０の長さ（電気長）に比例してインピーダンスにインダクタンスが含まれている。したがって、キャパシタを受動素子とし、該受動素子を有する繋ぎ配線が選択された場合、２つのエレメント１１１，１１２のいずれか一方に直列接続された受動素子のキャパシタンスによって、アンテナ１１０のインピーダンスに含まれるインダクタンス分が打ち消され、アンテナ１１０の長さが短くなった状態と等価となる。これにより、キャパシタを有さない繋ぎ配線に比べて、アンテナ１１０の共振周波数は高域にシフトすることとなる。なお、キャパシタを受動素子とする構成であっても、受動素子のキャパシタンスが小さいほど、共振周波数は高域にシフトする。また、インダクタを受動素子とし、該受動素子を有する繋ぎ配線が選択された場合、２つのエレメント１１１，１１２のいずれか一方に直列接続された受動素子のインダクタンスによって、アンテナ１１０のインピーダンスに含まれるインダクタンス分が増加し、アンテナ１１０の長さが長くなった状態と等価となる。これにより、インダクタを有さない繋ぎ配線に比べて、アンテナ１１０の共振周波数は低域にシフトすることとなる。なお、受動素子のインダクタンスが大きいほど、共振周波数は低域にシフトする。

本実施形態においては、図３に示すように、複数の繋ぎ配線として、外部エレメント１１１の一端１１１ａとＧＮＤパターン１２１との間に、受動素子として第１受動素子１２２ａを有する第１繋ぎ配線１２２と、受動素子として第１受動素子１２２ａとは異なる第２受動素子１２３ａを有する第２繋ぎ配線１２３を設けている。そして、後述するスイッチによって、第１繋ぎ配線１２２と第２繋ぎ配線１２３が切り替えられるようになっている。なお、第２受動素子１２３ａとしては、例えば第１受動素子１２２ａがキャパシタの場合には、インダクタ、又は、第１受動素子１２２ａとはキャパシタンスの異なるキャパシタを採用することができる。

スイッチは、所定信号に基づいて、複数の繋ぎ配線の中から、２つのエレメント１１１，１１２のいずれか一方とＧＮＤパターンとを電気的に接続する電流経路として１つを選択できる構成であれば特に限定されるものではない。本実施形態においては、図３に示すように、スイッチ１２４として、第１繋ぎ配線１２２とＧＮＤパターン１２１との間に設けられた第１スイッチ１２４ａと、第２繋ぎ配線１２３とＧＮＤパターン１２１との間に設けられた第２スイッチ１２４ｂを有している。スイッチ１２４ａ，１２４ｂは、例えばクロック信号に基づいて制御信号発生回路（図示略）から出力された信号Ｓ１に基づいて所定周期で駆動され、一方が閉じている時には他方が開くようになっている。すなわち、外部エレメント１１１は、第１繋ぎ配線１２２及び第２繋ぎ配線１２３のいずれかを介して、ＧＮＤパターン１２１と電気的に接続されるようになっている。

また、基板１２０には、２つのエレメント１１１，１１２のうち、ＧＮＤパターン１２１とは接続されない一方のエレメントと接続される給電用配線が設けられている。本実施形態においては、図３に示すように、内部エレメント１１２の一端１１２ａが給電用配線１２５と接続されており、例えば内部エレメント１１２で受信した信号が、インピーダンスマッチングのためのキャパシタ（コンデンサ）又はインダクタ（コイル）などの整合素子１２６を介して、給電用配線１２５によって図示されないＲＦ（Radio Frequency）回路に伝送（出力ＯＵＴ）されるように構成されている。なお、本実施形態においては、ＲＦ回路は基板１２０とは異なる基板に構成されているが、ＲＦ回路が基板１２０に一体に構成されても良い。

このように本実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、上述したアンテナ１１０の構成を採用しているので、帯域を狭くすることができ、アンテナ利得を向上することができる。すなわち、ほぼ同じアンテナ利得であれば、直線状の内部エレメントを有する従来のアンテナよりもアンテナ１１０の体格を小型化することができ、ひいてはアンテナ装置１００を小型化することができる。

また、ＬＣ直列共振回路構成のアンテナ１１０に対し、アンテナ１１０を構成する外部エレメント１１１が基板１２０のＧＮＤパターン１２１と直接接続されるのではなく、繋ぎ配線１２２，１２３のいずれか一方を介して接続される構成となっている。また、繋ぎ配線１２２，１２３は互いに異なる構成となっており、これによってアンテナ１１０の共振周波数が互いに異なるようになっている。したがって、アンテナ装置１００は、アンテナ１１０を１つのみ有する構成でありながら、異なる複数の周波数で共振特性を得る（受信機の場合、複数の周波数を受信可能とする）ことができる。

なお、現状のキーレスリモートシステムでは、振幅変調方式で３１２．１５ＭＨｚ、周波数変調方式で３１４ＭＨｚの周波数帯を使用している。しかしながら、３２２ＭＨｚまでは高い出力（電界強度５００μＶ／ｍ以下）が免許なしで使用することができ、２２２ＭＨｚまではＶＨＦテレビで使用されているので、２２２ＭＨｚ〜３２２ＭＨｚをキーレスリモートシステムで使用可能な周波数範囲とすることができる。したがって、２２２ＭＨｚ〜３２２ＭＨｚの範囲内において、異なる複数の周波数で共振特性を得る構成とすれば良い。

また、キーレスリモートシステムでは、ＡＳＫ（デジタル方式の振幅変調）やＦＳＫ（デジタル方式の周波数変調）などのほぼ単一周波数（狭帯域）の通信方式が採用されている。そのため、外来ノイズが重畳した場合など、復調することができずデータ誤り等が発生する（例えばドアロックを開錠することができない）。これに対し、本実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、所定タイミングでアンテナ１１０の共振周波数（受信周波数）が切り替わる。したがって、切り替わる共振周波数差を、ノイズの影響を抑制できる周波数差とすることで、上述の問題を解消することができる。なお、本実施形態においては、制御信号発生回路から出力された信号Ｓ１に基づいて、スイッチ１２４の開閉が制御され、共振周波数が切り替わる例を示した。しかしながら、スイッチ１２４の開閉を制御する所定信号としては上記例に限定されるものではない。それ以外にも、例えば基板１２０にデータ誤りを検知する判定回路を設け、該判定回路がデータ誤りと判定した場合には、該判定回路からスイッチ１２４に切り替え信号を出力して、共振周波数が切り替わる構成としても良い。

なお、キーレスリモートシステムやスマートエントリーシステムの使用周波数帯域における外来ノイズとしては、市場において、ワイヤレスランタン、玩具、カードリーダ、家庭を含めた市場に搭載されているアンテナ、ディスプレイ、クレーンリモコン、ＴＶリンクチューナなど種々あり、なかには違法電波も存在している。また、車両からのノイズとして、ＥＣＵクロック、フューエルポンプ、ドアロックアクチュエータ、サンシェードなども確認されている。本発明者が上述のノイズ源より１５個をサンプリングし、各ノイズの帯域幅を確認したところ、その平均値は２５ＭＨｚであった。したがって、繋ぎ配線１２２，１２３によるアンテナ１１０の共振周波数差が２５ＭＨｚ以上とされた構成とすると、周波数ダイバーシチ効果によって、外来ノイズの影響を効果的に回避することができる。本実施形態に係るアンテナ装置１００は、繋ぎ配線１２２，１２３によるアンテナ１１０の共振周波数差が２５ＭＨｚよりも大きくされており、キーレスリモートシステムやスマートエントリーシステムのアンテナ装置１００として好適である。

例えば図３に示したアンテナ装置１００において、第１繋ぎ配線１２２の第１受動素子１２２ａとして１０００ｐＦのキャパシタを用い、第２繋ぎ配線１２３の第２受動素子１２３ａとして１ｐＦのキャパシタを用いたところ、繋ぎ配線１２２，１２３の切り替えによって、図４に示すように５０ＭＨｚ程度の周波数推移を確認することができた。図４においては、破線が第２繋ぎ配線１２３によるものであり、実線が第１繋ぎ配線１２２によるものである。なお、受動素子１２２ａ，１２３ａだけでなく、整合素子１２６も合わせて変化させることによって、急峻な共振特性を示し、アンテナ１１０としてより利得の高い動作をさせることが可能となる。上述した図４に示す構成においては、第２繋ぎ配線１２３による接続時に整合素子１２６として３ｐＦのキャパシタを用い、第１繋ぎ配線１２２による接続時に整合素子１２６として１２ｐＦのキャパシタを用いることで、両周波数においてほぼ同等の利得を実現している。キャパシタを用いると、アンテナ１１０の輻射効率の低下を抑えながらアンテナ１１０を短縮することができる。

なお、アンテナ１１０の共振周波数が変化すると、指向性（受信特性）も変化する（ヌル点の変化も含む）ことが、シミュレーションによって確認されている。したがって、本実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、外来ノイズが重畳しない状態においても、周波数ダイバーシチ効果が見込めるため、安定したキーレスシステムの動作を確保することができる。

また、本実施形態においては、２つのエレメント１１１，１１２のうち、外部エレメント１１１がＧＮＤパターン１２１と電気的に接続される構成となっている。したがって、基板１２０のアンテナ配置面に沿う螺旋の大きさが内部エレメント１１２よりも大きい分、電流分布がダイナミックに変わるので、複数の共振周波数の差を大きくすることができる。しかしながら、内部エレメント１１２がＧＮＤパターン１２１と電気的に接続される構成としても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態において、アンテナ装置１００を車載用キーレス受信機に適用する例を示した。しかしながら、本実施形態に示すアンテナ装置１００の適用範囲は上記例に限定されるものではない。スマートエントリーシステムなどのアンテナ装置に適用することができる。また、受信機だけでなく送信機に適用することができるのは言うまでもない。

本実施形態においては、２つのエレメント１１１，１１２の一方（本例においては外部エレメント１１１）とＧＮＤパターン１２１とを電気的に接続する繋ぎ配線として、２つの繋ぎ配線１２２，１２３を有する例を示した。また、各繋ぎ配線１２２，１２３が、それぞれ受動素子１２２ａ，１２３ａを有する例を示した。しかしながら、繋ぎ配線の本数は２本に限定されるものではなく、３本以上としても良い。また、複数の繋ぎ配線のうち、１本の繋ぎ配線が受動素子を有さない構成としても良い。例えば図５においては、繋ぎ配線として、上述した２本の繋ぎ配線１２２，１２３とともに、受動素子を有さない繋ぎ配線１２７を有している。なお、図５は変形例を示す等価回路図であり、図中の符号１２４ｃはスイッチである。スイッチ１２４（１２４ａ〜１２４ｃ）の開閉は、信号Ｓ１によっていずれか１つが閉で残り２つが開となるように制御される。

第１施形態に係るアンテナ装置の要部の概略構成を示す斜視図である。 アンテナ周辺の側面図である。 アンテナ装置の等価回路図である。 周波数と電圧定在波比（ＶＳＷＲ）との関係を示す図である。 変形例を示す等価回路図である。

符号の説明

１００・・・アンテナ装置
１１０・・・アンテナ
１１１・・・外部アンテナ
１１２・・・内部アンテナ
１２０・・・基板
１２１・・・ＧＮＤパターン
１２２・・・第１繋ぎ配線（繋ぎ配線）
１２２ａ・・・第１受動素子
１２３・・・第２繋ぎ配線（繋ぎ配線）
１２３ａ・・・第２受動素子
１２４・・・スイッチ

Claims (3)

1. ＧＮＤパターンを有する基板と、
   一端がそれぞれ前記基板に固定された２つのエレメントとして、前記基板の表面から離反する方向に螺旋状に延びる外部エレメントと、前記外部エレメントの内側に間隔を隔てて配置され、前記外部エレメントの軸方向に沿って螺旋状に延びる内部エレメントとを有し、２つの前記エレメントの一方を信号線とし、他方をＧＮＤ線とするアンテナを備えたアンテナ装置であって、
   前記基板は、前記エレメントの一方と前記ＧＮＤパターンとを電気的に接続する複数の繋ぎ配線と、所定信号に基づいて、前記エレメントと前記ＧＮＤパターンとを電気的に接続する経路として１つの前記繋ぎ配線を選択するスイッチを有し、
   複数の前記繋ぎ配線の少なくとも１つは、その一部としてキャパシタ又はインダクタを有し、選択される前記繋ぎ配線によって前記アンテナの共振周波数が異なることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記外部エレメントが、前記ＧＮＤパターンと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記繋ぎ配線による前記アンテナの共振周波数差が２５ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。

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