JP4532370B2 - 多周波一体型アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、それぞれ異なる方向に指向性を有する２以上の周波数帯のアンテナ素子を一体化した多周波一体型アンテナの技術分野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）、ＥＴＣ（自動料金収受システム）あるいはリモートキーレスエントリー装置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。

従来は、上記の無線通信装置がそれぞれ個別にアンテナを有していたため、複数の無線通信装置を搭載する場合には、それぞれのアンテナを個別に設置する必要があった。そのため、各アンテナの設置場所や配線スペース等も複数確保する必要があった。

これに対し、近年は小型化および低コスト化の要求が高まっており、これに対応するために個別に設けられていたアンテナをまとめて一体化した多周波アンテナ装置が提案されている。

上記の各無線通信装置は、それぞれの周波数帯が異なるだけでなく、それぞれの電波の受信方向が異なる、すなわちそれぞれ異なった方向の指向性を有しているといった特徴がある。

すなわち、ＧＰＳ用のアンテナは、天空のあらゆる方向から到来する電波を受信する必要があるため、鉛直方向からほぼ水平方向まで所定の感度を持つことが求められる。またＶＩＣＳ用のアンテナは、路側に設けられた送信アンテナから到来する電波を、送信アンテナの手前から送信アンテナを通り過ぎるまで受信する必要があるため、自動車の前方から後方まで所定の感度を持つことが求められる。

一方、ＥＴＣは、自動車が料金所手前にさしかかったところから自動車と料金所の無線装置間で通信が始まり、自動車が料金所に到着するまでに通信が完了しなければならないといったシステム上の要件があるため、ＥＴＣ用のアンテナにおける利得のピークは車両前方斜め上方向に向けられることが多い。

このように、自動車に搭載される無線通信装置は、対象とする電波によって指向性が異なるため、複数の無線通信装置のアンテナを一体化するのが困難であった。そこで「特許文献１」では、対象とする電波の指向性に対応する所定の傾斜角度で放射電極が保持される構造としている。すなわち、回路基板に対して所定の傾斜角度を有する誘電体基板を形成して放射電極を保持するようにしている。

また、「特許文献２」では、複数のアンテナを具えた複合アンテナ装置において、指向性がほぼ同じアンテナを一つのアッセンブリーに一体化する一方、指向性が異なる特定の周波数帯のアンテナを別のサブアッセンブリー構造とすることで、前記指向性の異なるアンテナの取付角度を独立して調節できるようにしている。
特開２００４−２３５７２９号 特開２００４−０５６７７３号

しかしながら、「特許文献１」に記載のアンテナの構成では、放射電極を保持する誘電体の形状が複雑にならざるをえず、アンテナの製造が容易でないという問題があった。また、「特許文献２」に記載のアンテナの構成では、複数のアンテナ素子及びモジュールが必要となるため、部品点数が増大し、コストアップしてしまうという問題もあった。

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、構造を複雑化することなく指向性の異なる複数のアンテナを一体化した多周波一体型アンテナを提供することを目的とする。

この発明の多周波一体型アンテナの第１の態様は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上に設けられ、所定の方向に指向性を有する所定の低周波数帯及び前記所定の方向とは別の方向に指向性を有する所定の高周波数帯で共振する２つ以上のアンテナ素子放射電極と、前記誘電体基板の他方の面側に設けられた第１のグランド電極と、前記第１のグランド電極と平行以外の所定の角度をなして設置された第２のグランド電極とを備え、前記第１のグランド電極の寸法が、前記所定の低周波数帯の中心波長の１／４以下であることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第２の態様は、前記第２のグランド電極が前記低周波数帯の指向性が示す前記所定の方向と略垂直になるよう設置され、前記第１のグランド電極が前記高周波数帯の指向性が示す前記別の方向と略垂直になるよう設置されることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第３の態様は、前記低周波数帯の指向性が示す前記所定の方向が、少なくとも天頂方向を含むことを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第４の態様は、前記第２のグランド電極の寸法が、前記低周波数帯の中心波長の１／２以上であることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第５の態様は、前記第１のグランド電極と前記第２のグランド電極とがなす前記所定の角度が、５度以上３０度以下であることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第６の態様は、前記第１のグランド電極が、前記誘電体基板の他方の面上に形成されるとともに、裏面上に別のグランド電極を有するＬＮＡ回路基板が、前記別のグランド電極と前記第１のグランド電極とが一体となるよう前記誘電体基板の他方の面に固定され、かつ前記別のグランド電極の寸法が、前記低周波数帯の中心波長の１／４以下であることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第７の態様は、前記第１のグランド電極が、前記誘電体基板の他方の面上に形成され、前記ＬＮＡ回路基板のグランドを兼ねることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第８の態様は、前記第１のグランド電極が、前記ＬＮＡ回路基板の裏面上に形成され、前記２つ以上の放射電極のグランドを兼ねることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第９の態様は前記第１のグラント電極が、スロットパターンを含み、前記スロットパターンが直線偏波アンテナとして動作することを特徴とする多周波一体型アンテナである。

第１０の態様は、前記所定の低周波数帯がＧＰＳ帯（1575MHz帯）であり、前記所定の高周波数帯がＥＴＣ帯（5820MHz帯）であることを特徴とする多周波一体型アンテナである。

以上説明したように本発明によれば、指向性の異なる複数の周波数帯のアンテナ素子を一体化した多周波一体型アンテナを提供することができる。本発明の多周波一体型アンテナでは、他の周波数帯の指向性を損なうことなく、特定の周波数帯における指向性のみを選択的に変えることが可能である。

また、複数の周波数帯のアンテナ素子を一体化したことにより、部品点数を削減してアンテナ構造を簡略化及び小型化することが可能となり、コストダウンを図ることができる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における多周波一体型アンテナ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、本発明の第一の実施形態に係る多周波一体型アンテナの概略を示す構成図である。図１の（a）および（b）は、それぞれ本実施形態の多周波一体型アンテナ１の側面図および平面図を示す。

多周波一体型アンテナ１は、誘電体基板２の表面上にアンテナ素子（放射電極）３及び４が形成されており、誘電体基板２の裏面には第１のグランド電極５が一体化して固定されている。多周波一体型アンテナ１には、さらに第２のグランド電極６が設けられており、誘電体基板２及び第１のグランド電極５は第２のグランド電極６に対して所定の角度７となるよう傾けて設置されている。

アンテナ素子３は、所定の方向に指向性を有する低周波数帯のアンテナ素子であり、アンテナ素子４は、アンテナ素子３とは別の方向に指向性を有する高周波数帯のアンテナ素子としている。本実施形態では、前記低周波数帯としてＧＰＳ帯を、また前記高周波数帯としてＥＴＣ帯をそれぞれ想定している。

前記低周波数帯としてＧＰＳ帯を想定した場合、ＧＰＳの指向性が示す前記所定の方向は、天頂方向を中心とした方向となる。また、前記高周波数帯としてＥＴＣ帯を想定した場合には、ＥＴＣの指向性が示す前記別の方向は、天頂方向から２３度前方の方向（自動車の進行方向を前方とする）を中心とした方向となる。

本実施形態では、誘電体基板２の裏面には第１のグランド電極５が設けられており、またこれとは別に第２のグランド電極６も設けられている。この第２のグランド電極６もアンテナのグランド電極となる。

本実施形態の多周波一体型アンテナ１は、二つのアンテナ素子と二つのグランド電極を有する構造としている。すなわち、第２のグランド電極６が低周波数帯のアンテナ素子３に対するグランドとなり、第１のグランド電極５が高周波数帯のアンテナ素子４のグランドとなる構造としている。

アンテナ素子３とアンテナ素子４は異なる方向に指向性を有するため、第１のグランド電極５と第２のグランド電極６とは所定の角度７をなすよう設置されている。以下では、角度７をθとする。前記低周波数帯としてＧＰＳ帯を想定した場合、ＧＰＳが天頂方向に指向性を有することから、第２のグランド電極６はＧＰＳの指向性の示す方向に対し略垂直方向となるよう略水平方向に設置される。

また、前記高周波数帯としてＥＴＣ帯を想定した場合、ＥＴＣが天頂方向から２３度前方方向に指向性を有することから、第１のグランド電極５は、ＥＴＣの指向性に適合するように角度θを調整して設置される。より具体的には、第１のグランド電極５がアンテナ素子４の指向性が示す方向に対し略垂直方向となるよう、角度θを５度以上３０度以下としている。

なお、ＧＰＳのグランド電極となる第２のグランド電極６を水平方向に設置したとしても、ＧＰＳのアンテナ素子３は第１のグランド電極５等と一体化されているため、第１のグランド電極５とともに角度θだけ傾くことになる。本発明の多周波一体型アンテナ１では、以下で説明するように、アンテナ素子３を角度θだけ傾けた場合でも、ＧＰＳの指向性である天頂方向の利得特性を損なわないようにしている。

上記の通り、第１のグランド電極５は、高周波数帯のアンテナ素子４に対してグランドとなるが、低周波数帯のアンテナ素子３に対してはグランドとならないようにする必要がある。そのために、本発明の多周波一体型アンテナ１では、第１のグランド電極５の寸法を規定している。

前記低周波数帯の中心波長をλ１とするとき、グランド電極７の寸法は以下のように規定される。
Ｌ２ｘ≦λ１／４、Ｌ２ｙ≦λ１／４ （式１）
ここで、Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙは図１に示す通り、矩形形状をなす第１のグランド電極５の縦と横の長さである。

図１では第１のグランド電極５の形状を矩形としたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第１のグランド電極５の形状を例えば円形あるいは楕円形としてもよい。第１のグランド電極５の形状が円形の場合には直径が、また第１のグランド電極５の形状が楕円形の場合には長径及び短径が（式１）を満たすように設定するのがよい。

第１のグランド電極５の寸法がアンテナ特性に与える影響を以下で説明する。図２は、アンテナ利得が最大となる方向（最大利得方向）が第１のグランド電極５の寸法によってどのように変化するかを説明する図であり、（ａ）はＥＴＣ用のアンテナ素子４の最大利得方向の傾けない場合からの変化量を、また（ｂ）はＧＰＳ用のアンテナ素子３の最大利得方向の傾けない場合からの変化量をそれぞれ表している。ここで、横軸は角度θを表している。

図２では、第１のグランド電極５の寸法が小さい方から順に１１（１１ａ、１１ｂ）、１２（１２ａ、１２ｂ）、１３（１３ａ、１３ｂ）、１４（１４ａ、１４ｂ）の４ケースについて示している。このうち、１１、１２は第１のグランド電極５の寸法がλ１／４より小さいケースであり、１３、１４は第１のグランド電極５の寸法がλ１／４より大きいケースとなっている。

図２（ａ）において、角度θを５度から３０度まで変化させたとき、アンテナ素子４の最大利得方向は角度θとともに増加する傾向にあるが、第１のグランド電極５の寸法による影響が大きいことがわかる。また、ＥＴＣの指向性が天頂方向から２３度前方方向に有していることから、第１のグランド電極５を２０度前後傾けることで利得を大きくすることができることを示している。

上記のアンテナ素子４についての傾向は、グランド電極７の寸法がλ１／４より小さいケースで顕著である。そして、グランド電極７の寸法がλ１／４より大きいケースでは上記傾向がほとんど見られないかごく僅かである。このことから、グランド電極７の寸法をλ１／４以下とするのが適切であると言える。

一方、ＧＰＳについては、天頂方向の利得が高いほど望ましい。すなわち、図２（ｂ）において角度θを変化させても最大利得方向が０度近傍にあるのが好ましい。同図より、グランド電極７の寸法がλ１／４より小さい１１ｂと１２ｂのケースでは、角度θを変化させても最大利得方向が０度からほとんど変化をしないのに対し、グランド電極７の寸法がλ１／４より大きい１３ｂと１４ｂのケースでは、角度θを大きくすると最大利得方向も大きくなることが分かる。

これは、グランド電極７の寸法がλ１／４より大きい場合には、グランド電極７がＥＴＣのアンテナ素子４のグランドだけでなく、ＧＰＳのアンテナ素子３に対しても影響を与えるようになってしまうためと考えられる。

第１のグランド電極５の寸法がアンテナ特性に与える影響を示す別の例を図３に示す。図３は、横軸を図２と同じ角度θとしており、縦軸をアンテナ利得としている。また、図２と同様に、第１のグランド電極５の寸法が小さい方から順に２１（２１ａ、２１ｂ）、２２（２２ａ、２２ｂ）、２３（２３ａ、２３ｂ）、１４（２４ａ、２４ｂ）の４ケースを示している。このうち、２１、２２は第１のグランド電極５の寸法がλ１／４より小さいケースであり、１３、１４は第１のグランド電極５の寸法がλ１／４より大きいケースである。

図３（ａ）に示すＥＴＣ帯では、角度θが１５〜２５度付近でアンテナ利得がピークになることがわかる。また、角度θが０〜２０度の範囲では、第１のグランド電極５の寸法がλ１／４より大きい２３ａ、２４ａでアンテナ利得の低下が著しい。

これに対し、図３（ｂ）に示すＧＰＳ帯では、角度θを大きくするにつれてアンテナ利得が低下する傾向にある。特に、ＧＰＳ帯では第１のグランド電極５の寸法による影響が顕著であり、第１のグランド電極５の寸法を大きくするほどアンテナ利得が低下している。但し、角度θが０〜２０度の範囲では、第１のグランド電極５の寸法がλ１／４より小さい２１ｂ、２２ｂのアンテナ利得の低下は比較的小さい。

以上より、第１のグランド電極５の寸法をλ１／４より小さくすることで、ＥＴＣの指向性に従った利得特性を実現するとともに、ＧＰＳの利得特性に悪影響を与えないようにすることが可能となる。

次に、低周波数帯のアンテナ素子３に対するグランドとなる第２のグランド電極６の寸法について、以下で説明する。第２のグランド電極６が低周波数帯のアンテナ素子３に対するグランドとなるためには、第２のグランド電極６の寸法を以下のように規定するのが好ましい。
Ｌ１ｘ≧λ１／２、Ｌ１ｙ≧λ１／２ （式２）
ここで、Ｌ１ｘ、Ｌ１ｙは図１に示す通り、矩形形状をなす第２のグランド電極６の縦と横の長さである。

図１では第２のグランド電極６の形状を矩形としたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２のグランド電極６の形状を例えば円形あるいは楕円形としてもよい。第２のグランド電極６の形状が円形の場合には直径が、また第２のグランド電極６の形状が楕円形の場合には長径及び短径が（式２）を満たすように設定するのがよい。

本発明による多周波一体型アンテナは、第２のグランド電極６を低周波数帯のみのグランドとなるような寸法とし、かつ、第１のグランド電極５を高周波数帯のみのグランドとなるような寸法とすることにより、誘電体基板２及び第１のグランド電極５の傾きを調節することで高周波数帯のみの指向性を所望の方向に調整することができる。

次に、本発明の多周波一体型アンテナの第２の実施形態を図４を用いて説明する。本実施形態の多周波一体型アンテナ３１は、誘電体基板２の裏面にＬＮＡ回路基板３２が一体化して固定化されている。第１のグランド電極５は、誘電体基板２とＬＮＡ回路基板３２との間に設けられている。ＬＮＡ回路基板３２は、表面上にＬＮＡ回路部品３３が装荷されており、裏面が第１のグランド電極５と接している。本実施形態の多周波一体型アンテナ３１のように、誘電体基板２の裏面にＬＮＡ回路基板３２を設けることも可能である。

図４に示す通り、第１のグランド電極５は、誘電体基板２とＬＮＡ回路基板３２との間に設けられているが、これは誘電体基板２のグランドとして形成されたものであってよい。あるいは、第１のグランド電極５はＬＮＡ回路部品３３のグランドとして形成されたものであってもよい。

誘電体基板２とＬＮＡ回路基板３２は、それぞれ別々にグランド電極を持ってもよいし、共通のグランド電極を持ってもよい。誘電体基板２とＬＮＡ回路基板３２がそれぞれ別々にグランド電極を持つ場合には、第１のグランド電極５は寸法の大きい方のグランド電極となる。

本発明の多周波一体型アンテナの第３の実施形態を図５を用いて説明する。図１に示す第一の実施形態では、２周波のアンテナを一体化した実施形態を説明した。本発明の多周波一体型アンテナ４１は、さらに３周波以上のアンテナを一体化することも可能である。

図５に示す本実施形態の多周波一体型アンテナ４１は、第１のグランド電極５にスロットパターン８が設けられている。第１のグランド電極５に設けられたスロットパターン８は、直線偏波アンテナとして動作させることができるので、アンテナ素子３が動作する周波数帯及びアンテナ素子４が動作する周波数帯とは別に第３の周波数帯で動作するアンテナを一体化した多周波一体化アンテナ４１を提供することができる。角度７が所定の角度でなされている場合、第３の周波数帯で動作するスロットパターンアンテナ８の放射パターンの指向性は前方向に偏るので、ＶＩＣＳ用に適したアンテナとなる。

このように第１のグランド電極５にスロットパターン８を設けることによって、別のアンテナ素子を追加することなく低コストで、さらには低背かつ省スペースであるために新しいスペースを加えることなく新しいアンテナを設けることができる。スロットパターン８は、ミアンダ形状にすることによって周波数調整ができ、さらに複数のスロットパターンを設けることによって複共振が可能になる。

本発明の多周波一体型アンテナの第４の実施形態を図６を用いて説明する。図１に示す第一の実施形態では、２周波のアンテナを一体化した実施形態を説明した。本発明の多周波一体型アンテナ５１は、さらに３周波以上のアンテナを一体化することも可能である。

図６に示す領域５２は、アンテナ素子３及びアンテナ素子４に加えて、さらに別のアンテナ素子を追加可能な領域を示している。例えば、アンテナ素子３が動作する周波数帯及びアンテナ素子４が動作する周波数帯とは別の第三の周波数帯で動作するアンテナ素子を追加する場合には、該アンテナ素子を領域５２の上方に追加することができる。これにより、３つの周波数帯で動作するアンテナを一体化した本発明の多周波一体化アンテナ５１を提供することができる。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る多周波一体型アンテナの概略構成を説明するための図である。図１（a）は、多周波一体型アンテナ１の側面図であり、図１（b）は多周波一体型アンテナ１の平面図である。 図２は、本発明の第一の実施形態において、第１のグランド電極５の寸法が角度θとアンテナの最大利得方向との関係に与える影響を示すグラフである。図２（a）は、ＥＴＣ帯における影響を示すグラフであり、図２（ｂ）は、ＧＰＳ帯における影響を示すグラフである。 図３は、本発明の第一の実施形態において、第１のグランド電極５の寸法が角度θとアンテナ利得との関係に与える影響を示すグラフである。図２（a）は、ＥＴＣ帯における影響を示すグラフであり、図２（ｂ）は、ＧＰＳ帯における影響を示すグラフである。 図４は、本発明の第２の実施形態を説明するための構成図である。図１（a）は、多周波一体型アンテナ３１の側面図であり、図１（b）は多周波一体型アンテナ３１の平面図である。 図５は、本発明のさらに第３の実施形態を説明するための平面図である。 図６は、本発明の第４の実施形態を説明するための平面図である。

符号の説明

１、３１、４１、５１・・・多周波一体型アンテナ
２・・・誘電体基板
３、４・・・アンテナ素子
５・・・グランド電極
６・・・地板
７・・・角度
８・・・スロットパターン
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ・・・ＥＴＣ帯における最大利得方向
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ・・・ＧＰＳ帯における最大利得方向
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ・・・ＥＴＣ帯におけるアンテナ利得
２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ・・・ＧＰＳ帯におけるアンテナ利得
３２・・・ＬＮＡ回路基板
３３・・・ＬＮＡ回路部品
５２・・・アンテナ素子を追加可能な領域

Claims (10)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一方の面上に設けられ、所定の方向に指向性を有する所定の低周波数帯及び前記所定の方向とは別の方向に指向性を有する所定の高周波数帯で共振する２つ以上の放射電極と、
   前記誘電体基板の他方の面側に設けられた第１のグランド電極と、
   前記第１のグランド電極と平行以外の所定の角度をなして設置された第２のグランド電極とを備え、
   前記第１のグランド電極の寸法が、前記所定の低周波数帯の中心波長の１／４以下であることを特徴とする多周波一体型アンテナ。
2. 前記第２のグランド電極は前記低周波数帯の指向性が示す前記所定の方向と略垂直になるよう設置され、
   前記第１のグランド電極は前記高周波数帯の指向性が示す前記別の方向と略垂直になるよう設置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の多周波一体型アンテナ。
3. 前記低周波数帯の指向性が示す前記所定の方向は、少なくとも天頂方向を含む
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多周波一体型アンテナ。
4. 前記第２のグランド電極の寸法が、前記低周波数帯の中心波長の１／２以上である
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多周波一体型アンテナ。
5. 前記第１のグランド電極と前記第２のグランド電極とがなす前記所定の角度は、５度以上３０度以下である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の多周波一体型アンテナ。
6. 前記第１のグランド電極は、前記誘電体基板の他方の面上に形成されるとともに、
   裏面上に別のグランド電極を有するＬＮＡ回路基板が、前記別のグランド電極と前記第１のグランド電極とが一体となるよう前記誘電体基板の他方の面に固定され、
   かつ前記別のグランド電極の寸法が、前記低周波数帯の中心波長の１／４以下である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の多周波一体型アンテナ。
7. 前記第１のグランド電極は、前記誘電体基板の他方の面上に形成され、前記ＬＮＡ回路基板のグランドを兼ねる
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の多周波一体型アンテナ。
8. 前記第１のグランド電極は、前記ＬＮＡ回路基板の裏面上に形成され、前記２つ以上の放射電極のグランドを兼ねる
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の多周波一体型アンテナ。
9. 前記第１のグランド電極は、スロットパターンを含み、前記スロットパターンが直線偏波アンテナとして動作することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の多周波一体型アンテナ。
10. 前記所定の低周波数帯がＧＰＳ帯（1575MHz帯）であり、前記所定の高周波数帯がＥＴＣ帯（5820MHz帯）である
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の多周波一体型アンテナ。

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