JP4556741B2 - 平面アンテナ装置及び平面ループアンテナの指向性調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、平面アンテナ装置及び平面ループアンテナの指向性調整方法に係り、特に、ほぼ平面状の誘電体に取り付けられ、アンテナ素子と地板とからなる、電波を送受信する平面ループアンテナを備えるものに関する。

従来から、車両窓ガラスの仰角方向の異なる面にそれぞれ同一パターンのアンテナを配置したアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このアンテナ装置においては、各アンテナがそれぞれ、誘電体である窓ガラスの面と直交する方向に指向性を有しており、複数のアンテナがダイバシティ受信を行うこととしている。このため、上記のアンテナ装置によれば、車両窓ガラスに対する様々な方向からの電波を良好に受信することが可能となっている。
特開平７−１０６８２８号公報

しかしながら、上記従来のアンテナ装置において、アンテナ指向性は窓ガラスの仰角方向に依存しているため、窓ガラスの仰角方向やその取付位置が制限されるときには、所望の方向からの電波の受信特性を良好に確保することが困難となることがあり、その電波の受信が良好に行われない可能性がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、平面ループアンテナのアンテナ指向性を適宜調整することが可能な平面アンテナ装置及び平面ループアンテナの指向性調整方法を提供することを目的とする。

上記の目的は、シート状の誘電体に取り付けられ、アンテナ素子と地板とからなる平面ループアンテナを備える平面アンテナ装置であって、前記地板の、前記誘電体上での給電点から見て前記アンテナ素子側とは反対方向の長さを調整することで、アンテナ放射方向を調整した平面アンテナ装置により達成される。

また、上記の目的は、シート状の誘電体に取り付けられ、アンテナ素子と地板とからなる平面ループアンテナの指向性を調整する方法であって、前記地板の、前記誘電体上での給電点から見て前記アンテナ素子側とは反対方向の長さを調整することで、アンテナ放射方向を調整した平面ループアンテナの指向性調整方法により達成される。

この態様の発明においては、平面ループアンテナにおける地板の、誘電体上での給電点から見てアンテナ素子側とは反対方向の長さが調整される。かかる調整が行われると、その長さに応じて、給電点からアンテナ素子側に流れる電流と地板側に流れる電流との平衡・不平衡状態が変化することで、アンテナの最大利得方向が変化する。従って、地板の上記長さを適当に設定すれば、誘電体の仰角方向にかかわらず、平面ループアンテナのアンテナ放射方向を所望の方向に調整することができ、そのアンテナ指向性を適宜調整することが可能となる。

この場合、上記した平面アンテナ装置において、前記誘電体が車両の窓ガラスであり、前記地板の長さは、前記窓ガラスの傾斜角に応じて、アンテナ放射方向が水平方向となるように調整されていることとすれば、平面ループアンテナの設置される車両の有する窓ガラスが傾斜しているときにも水平方向へのアンテナ指向性を得ることができる。

本発明によれば、平面ループアンテナの設置されるシート状の誘電体の向きにかかわらず、アンテナ指向性を所望の方向に適宜調整することができる。

以下、図面を用いて、本発明の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施例である平面アンテナ装置１０の備える平面ループアンテナ１２の平面構成図を示す。また、図２は、本実施例の平面ループアンテナ１２の斜視図を示す。本実施例の平面アンテナ装置１０は、車両に搭載されており、例えば車載機と車両乗員の所持する携帯電話や車外のアクセスポイント，他車両に搭載されている通信端末とからなる無線ＬＡＮ（Local Area Network）やＵＷＢ（Ultra Wide Band；超広帯域無線）などの大容量通信メディアに使用される使用周波数帯域（例えば、２．４ＧＨｚ帯、５ＧＨｚ帯や３〜１１ＧＨｚ帯など）をカバーする車載アンテナ装置である。

図１に示す如く、平面アンテナ装置１０は、平面ループアンテナ１２を備えている。平面ループアンテナ１２は、車両のリアウィンドウやフロントウィンドウ，サン（ムーン）ルーフなどに設けられたウィンドウガラス１４に接着剤などで貼り付けられることで取り付けられたガラスアンテナである。ウィンドウガラス１４は、ほぼ平面構造の又は湾曲したシート状の強化ガラスや合わせガラスなどであって、予め定められた誘電率を有する電波を透過し得るガラスである。また、ウィンドウガラス１４は、特にリアウィンドウガラスやフロントウィンドウガラスであるときには車体に対して予め車種ごとに定められた仰角度で傾斜している。

平面ループアンテナ１２は、ウィンドウガラス１４の面内（車内面）に設けられた、半円形パターンからなるアンテナ素子１６と、そのアンテナ素子１６の一端と短絡された横長のパターン（図１に示すＸ方向に延びる）からなる有限地板１８と、から構成されている。アンテナ素子１６及び有限地板１８は共に、銅箔や銀箔などの導電体により形成されている。また、アンテナ素子１６の他端と有限地板１８との間には、アンテナ給電用の同軸ケーブルが接続される給電点２０が設けられている。給電点２０のアンテナ素子１６側には同軸ケーブル（図示せず）の中心導体が接続され、給電点２０の有限地板１８側には同軸ケーブルの外部導体が接続されている。この同軸ケーブルには、平面アンテナ装置１０の送受信部が接続されている。平面ループアンテナ１２は、同軸ケーブルを用いて給電される。

アンテナ素子１６は、その半円形の一端から他端まで使用周波数の半波長λ／２程度の長さを有している。尚、上記の波長λについては、自由空間での波長をλ０と、誘電体にアンテナを設置したときの等価比誘電率をεｅとすると、λ＝λ０／√εｅの関係が成立する。アンテナ素子１６と有限地板１８とからなる平面ループアンテナ１２は、図１に示すＹ方向に延びかつＸ方向ほぼ中央を通る軸を中心軸としてほぼ左右対称となるように配置されている。有限地板１８は、ウィンドウガラス１４上で給電点２０から見てアンテナ素子１６側とは反対の方向（図１に示すＹ方向）に所定の長さｄを有している。この長さｄは、後述の如く、平面ループアンテナ１２の放射方向がウィンドウガラス１４の仰角方向にかかわらず所望の方向となるように調整・設定される。

上記の構造を有する平面アンテナ装置１０において、アンテナ素子１６は使用周波数の半波長λ／２にほぼ等しい長さを有すると共に、そのアンテナ素子１６の他端は有限地板１８に接続されているので、鏡像の原理により、平面ループアンテナ１２は、使用周波数の波長λとほぼ等しい全周を有するループアンテナと同様に、垂直偏波アンテナとして機能する。この構成において、同軸ケーブルから給電点２０を介して平面ループアンテナ１２に対して給電が行われると、平面ループアンテナ１２が使用周波数近傍で共振することとなる。

図３は、本実施例において平面ループアンテナ１２の指向性を調整する手法を説明するための図を示す。尚、図３には、図１に示す平面アンテナ装置１０を矢視IIIから見た際の側面図が示されている。また、同図（Ａ）には有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３程度である場合を、同図（Ｂ）には有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３より比較的大きい場合を、それぞれ示す。更に、図４は、本実施例の平面アンテナ装置１０による効果を説明するための図を示す。

平面ループアンテナ１２において、有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３程度であるときは、給電点２０からアンテナ素子１６側に流れる電流と、給電点２０から有限地板１８側に流れる電流とが平衡となるため、アンテナの最大利得方向は、図３（Ａ）に示す如く、ウィンドウガラス１４の面に対してほぼ直交する方向（ガラス外側の車外方向）となる。この場合、平面ループアンテナ１２は、図１に示すＺ方向のループ軸に向けて指向性を有することとなる。一方、有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３より大きくなると、給電点２０からアンテナ素子１６側に流れる電流と、給電点２０から有限地板１８側に流れる電流とが不平衡となって、同位相面がウィンドウガラス１４の面に対して傾き、その結果、アンテナの最大利得方向が変化して、図３（Ｂ）に示す如く、ウィンドウガラス１４の面に対して直交する方向から有限地板１８側に傾斜した方向（ガラス外側の車外方向）となる。この最大利得方向の傾斜は、有限地板１８のＹ方向長さｄに依存したものとなる。

すなわち、本実施例においては、平面ループアンテナ１２の有限地板１８の、給電点２０から見てアンテナ素子１６側とは反対方向（Ｙ方向）の長さｄを調整することにより、図４に示す如く、ガラス外側車外へのアンテナ放射方向を調整することが可能となる。このため、本実施例によれば、平面ループアンテナ１２の設置される車両のウィンドウガラス１４の仰角方向にかかわらず、有限地板１８の上記長さｄをその仰角方向に応じて調整するだけで、アンテナ指向性を所望の方向に調整することが可能であり、車両の走行する道路面に水平な方向へのアンテナ指向性を実現させることが可能となっている。従って、水平方向へのアンテナ指向性を得るのにウィンドウガラス１４の仰角方向の異なる車種にも柔軟に対応することが可能となっている。

尚、上記の実施例においては、ウィンドウガラス１４が特許請求の範囲に記載した「誘電体」及び「窓ガラス」に、有限地板１８が特許請求の範囲に記載した「地板」に、ウィンドウガラス１４の車体に対する傾斜角（仰角）が特許請求の範囲に記載した「傾斜角」に、それぞれ相当している。

上記した第１実施例では、平面ループアンテナのループ数を一つとしているが、アンテナ指向性を鋭いものとしかつ広帯域化を実現すべく、二つ以上設けるものとしてもよい。尚、本発明の第２実施例においては、平面ループアンテナのループ数を二つ設けることとしている。

図５は、本発明の第２実施例である平面アンテナ装置１００の備える平面ループアンテナ１０２の平面構成図を示す。尚、図５において、上記図１に示す構成と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。図５に示す如く、平面アンテナ装置１００は、双ループの平面ループアンテナ１０２を備えている。

平面ループアンテナ１０２は、一対のアンテナ素子１０４，１０６と、各アンテナ１０４，１０６の一端とそれぞれ短絡された横長の有限地板１８と、から構成されている。アンテナ素子１０４，１０６は、左右対称に設けられ、それぞれ矩形の形状を有している。アンテナ素子１０４，１０６は共に、銅箔や銀箔などの導電体により形成されている。また、アンテナ素子１０４，１０６の他端と有限地板１８との間には、アンテナ給電用の同軸ケーブルが接続される給電点２０が一つ設けられている。給電点２０のアンテナ素子１０４，１０６側には同軸ケーブル（図示せず）の中心導体が接続され、給電点２０の有限地板１８側には同軸ケーブルの外部導体が接続されている。この同軸ケーブルには、平面アンテナ装置１００の送受信部が接続されている。平面ループアンテナ１０２は、同軸ケーブルを用いて給電される。

アンテナ素子１０４，１０６はそれぞれ、そのＵ字状の一端から他端まで使用周波数の半波長λ／２程度の長さを有している。アンテナ素子１０４，１０６と有限地板１８とからなる平面ループアンテナ１０２は、図５に示す如くＹ方向に延びかつＸ方向ほぼ中央を通る軸を中心軸としてほぼ左右対称となるように配置されている。有限地板１８は、ウィンドウガラス上で給電点２０から見てアンテナ素子１０４，１０６側とは反対の方向（図５に示すＹ方向）に所定の長さｄを有している。

このような構造を有する平面アンテナ装置１００においても、各アンテナ素子１０４，１０６は使用周波数の半波長λ／２にほぼ等しい長さを有すると共に、そのアンテナ素子１０４，１０６の他端はそれぞれ有限地板１８に接続されているので、鏡像の原理により、各アンテナ素子１０４，１０６からなるループアンテナは、使用周波数の波長λとほぼ等しい全周を有するループアンテナと同様に、垂直偏波アンテナとして機能する。この構成において、同軸ケーブルから給電点２０を介して平面ループアンテナ１０２に対して給電が行われると、その双ループの平面ループアンテナ１０２が使用周波数近傍で共振することとなる。

図６は、本実施例において平面ループアンテナ１０２の指向性について説明するための図を示す。尚、図６（Ａ）には有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３程度である場合について、同図（Ｂ）には有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３より比較的大きい場合について、それぞれ示す。また、図６（Ａ）及び（Ｂ）には、各々のアンテナをウィンドウガラス１４の面内において３６０°にわたって利得を測定した結果を、それぞれ示す。

平面ループアンテナ１０２において、有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３程度であるときは、給電点２０からアンテナ素子１０４，１０６側に流れる電流と、給電点２０から有限地板１８側に流れる電流とが平衡となるため、アンテナの最大利得方向は、図６（Ａ）に示す如く、ウィンドウガラス１４の面に対してほぼ直交する方向（ガラス外側の車外方向；図６において０°方向）となる。この場合、平面ループアンテナ１０２は、図１に示すＺ方向のループ軸に向けて指向性を有することとなる。一方、有限地板１８のＹ方向長さｄがλ／３より大きくなると、給電点２０からアンテナ素子１０４，１０６側に流れる電流と、給電点２０から有限地板１８側に流れる電流とが不平衡となって、同位相面がウィンドウガラス１４の面に対して傾き、その結果、アンテナの最大利得方向が変化して、図６（Ｂ）に示す如く、ウィンドウガラス１４の面に対して直交する方向から有限地板１８側に傾斜した方向（ガラス外側の車外方向；図６において約３０°方向）となる。この最大利得方向の傾斜は、有限地板１８のＹ方向長さｄに依存したものとなる。

すなわち、本実施例においても、平面ループアンテナ１０２の有限地板１８の、給電点２０から見てアンテナ素子１６側とは反対方向（Ｙ方向）の長さｄを調整することにより、図４に示す如くガラス外側車外へのアンテナ放射方向を調整することが可能となる。このため、本実施例によれば、平面ループアンテナ１０２の設置される車両のウィンドウガラス１４の仰角方向にかかわらず、有限地板１８の上記長さｄをその仰角方向に応じて調整するだけで、アンテナ指向性を所望の方向に調整することが可能であり、車両の走行する道路面に水平な方向へのアンテナ指向性を実現させることが可能となっている。

ところで、上記の第１及び第２実施例においては、平面ループアンテナ１２のアンテナ素子１６及び有限地板１８を車両のウィンドウガラス１４に直接取り付けるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図７に示す如く、それらのアンテナ素子１６及び有限地板１８とウィンドウガラス１４との間にウィンドウガラス１４の誘電率とは異なる誘電率を有する透明の誘電体３０（斜線で示す）を介在させることとしてもよい。例えば、その介在させる誘電体３０としては、ポリテトラフルオロエチレン（登録商標「テフロン」）やガラスエポキシ樹脂，ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ；登録商標「ＰＰＯ」），ＦＲ４（Flame Retardant Type 4；ガラス繊維とエポキシ樹脂との複合材料からなる難燃性のプリント基板材料）などがある。かかる構成によれば、介在される誘電体３０を設けない実施例１及び２の如き構成と比較して、平面ループアンテナ１２の設置されるウィンドウガラス１４を含む誘電体全体の誘電率を変化させることができるので、そのアンテナ指向性を調整することが可能となる。尚、上記の介在させる誘電体３０を含め誘電体の誘電率を高くすると、アンテナ利得をより高くすることができ、より鋭い指向性を得ることが可能である。

また、上記の第１及び第２実施例においては、平面ループアンテナ１２，１０２の有限地板１８を、図１及び図５に示す如くＸ−Ｙ平面にある程度領域を有する長方形のベタ状の形状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図８（Ａ）〜（Ｄ）に示す如く線状のものや方形の枠状のもの，扇型のベタ状の形状としてもよい。また、この場合においても、平面ループアンテナ１２，１０２のアンテナ素子を、図１に示すものと同様に半円形のものとしてもよいし、図５に示すものと同様に矩形のものとしてもよい。

また、上記の第１及び第２実施例においては、有限地板１８の給電点２０から見てアンテナ素子１６，１０４，１０６側とは反対方向（Ｙ方向）の長さｄを調整することにより、ウィンドウガラス１４の面に対するアンテナ放射方向（Ｘ軸回り）を調整することとしたが、有限地板１８のＸ方向長さの調整等を行うことにより、ウィンドウガラス１４の面に対するアンテナ放射方向（Ｙ軸回り）を調整することとしてもよい。すなわち、有限地板１８の形状や大きさを調整することにより、ウィンドウガラス１４の面に対するアンテナ放射方向を調整することとすればよい。

本発明の第１実施例である平面アンテナ装置の備える平面ループアンテナの平面構成図である。 本実施例の平面ループアンテナの斜視図である。 本実施例において平面ループアンテナの指向性を調整する手法を説明するための図である。 本実施例の平面アンテナ装置による効果を説明するための図である。 本発明の第２実施例である平面アンテナ装置の備える平面ループアンテナの平面構成図である。 本実施例において平面ループアンテナの指向性について説明するための図である。 本発明の変形例である平面アンテナ装置の備える平面ループアンテナの側面図である。 本発明の変形例である平面アンテナ装置の備える平面ループアンテナの平面構成図である。

符号の説明

１０，１００ 平面アンテナ装置
１２，１０２ 平面ループアンテナ
１４ ウィンドウガラス
１６，１０４，１０６ アンテナ素子
１８ 有限地板
２０ 給電点

Claims (3)

1. シート状の誘電体に取り付けられ、アンテナ素子と地板とからなる平面ループアンテナを備える平面アンテナ装置であって、
   前記地板の、前記誘電体上での給電点から見て前記アンテナ素子側とは反対方向の長さを調整することで、アンテナ放射方向を調整したことを特徴とする平面アンテナ装置。
2. 前記誘電体が車両の窓ガラスであり、
   前記地板の長さは、前記窓ガラスの傾斜角に応じて、アンテナ放射方向が水平方向となるように調整されていることを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ装置。
3. シート状の誘電体に取り付けられ、アンテナ素子と地板とからなる平面ループアンテナの指向性を調整する方法であって、
   前記地板の、前記誘電体上での給電点から見て前記アンテナ素子側とは反対方向の長さを調整することで、アンテナ放射方向を調整したことを特徴とする平面ループアンテナの指向性調整方法。

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