JP4935847B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、異なる４方向に対して電波の放射又は受信を可能としたアンテナ装置に関する。特に、自動車のタイヤ空気圧検出装置に応用できるアンテナ装置に関する。

従来、下記特許文献１に開示されたアンテナ装置が知られている。このアンテナ装置は、接地導体の中央部に立設された給電アンテナと、その周囲に立設された無給電で、リアクタンスが可変制御できる複数のアンテナとからなるアンテナ装置である。この装置では、周囲のアンテナのリアクタンスを電気的に変化させることで、アンテナの指向性を制御するものである。

また、下記特許文献２には、直方体をした筐体の異なる面にループアンテナを設けて、各ループアンテナにおける受信電波を切り換えて受信することで感度を向上させた小型携帯受信装置用のアンテナが開示されている。

また、下記特許文献３には、直交する２面にループアンテナを配置して、アンテナを選択して、指向性を切り換えることで、雑音に強い、ワイヤレスマウスのアンテナ装置が開示されている。

また、下記特許文献４には、タイヤ空気圧検出装置が開示されている。

特開２００１−２４４３１ 特開平１１−８８２４６ 特開２００３−２９８３３１ 特開２００５−１６２１９２

しかしながら、上記の特許文献１のアンテナ装置は、接地導体上に立設されるアンテナの長さがλ／４、中心の給電アンテナと周辺の無給電アンテナとの間隔がλ／４であり、最低でも、直径、λ／２、高さλ／４の容積が必要である。また、特許文献２、３では、直交する面に、ループ長が１波長のループアンテナを配置する関係上、アンテナ装置が大きくなる。特に、自動車のタイヤ空気圧を検出するシステムの場合には、周波数３１５ＭＨｚの電波が使用されており、この場合には、アンテナの大きさが５０ｃｍ程度になり、実現性がないものとなっている。タイヤ空気圧検出システムにおいては、４輪から送信されるタイヤ空気圧データを受信するアンテナ装置は、自動車の車室内の天井部に設ける必要があるので、できる限り小型化する必要があった。

そこで本発明の目的は、異なる４方向から到来する電波を選択的に検出することが可能なアンテナ装置を実現することである。

本発明は、異なる４方向に対して電波の放射又は受信を可能としたアンテナ装置において、第１線路とこの第１線路に平行な第２線路とから成る線状アンテナであって、第１線路と第２線路の根元部に給電／受電点を有し、第１線路と第２線路の先端部に終端抵抗を有したアンテナを、給電／受電点から終端抵抗に向かうベクトルをアンテナの配向ベクトルとすると、向かい合う一対の第１組のアンテナは、配向ベクトルの向きが反対で平行となり、向かい合う他の一対の第２組のアンテナは、配向ベクトルの向きが反対で平行となり、第１組のアンテナの配向ベクトルと第２組のアンテナの配向ベクトルの向きは、平行ではないように、４つのアンテナの各第２線路は、同一平面上において、正方形、菱形、長方形、または、平行四辺形の各辺に、配置され、各アンテナの高さ方向が同一平面に対して垂直な方向となるように、配置されていることを特徴とするアンテナ装置である。

本発明は、電波を放射するアンテナであっても、電波を受信するアンテナであっても良い。本明細書においては、放射アンテナの場合には、給電点の用語が用いられ、受信アンテナの場合には、信号を出力する受電点の用語が用いられる。動作原理は、放射アンテナであっても、受信アンテナであっても同一である。したがって、放射アンテナについて説明する。本発明は、４本のアンテナで構成されている。

本発明は、給電点から終端抵抗に向けて一方向に給電するもので、インピーダンス整合した終端抵抗に達した電磁界は、終端抵抗で吸収されて、反射されない。すなわち、この線状アンテナには、第１線路と第２線路とを給電点から終端抵抗に向けて光速度で進行波が伝搬し、定在波はたたない。この結果、一つの線状アンテナにおいて、終端抵抗に向かう経路の全ての微小部分で、その位置におけるその時の位相を初期位相として、電波の放射が行われる。この放射電波の初期位相は、終端抵抗に向かうに連れて、進む。また、線状アンテナの各微小部分でその初期位相で放射された電波は、光速度で空間を伝搬して遅延するので、その遅延時間前に放射されている初期位相が遅れている位相の電波と、等位相面を形成する。したがって、電波の等位相面は、線状アンテナに垂直な面となり、その放射電波の進行方向は、線状アンテナの長さ方向で、終端点から給電点に向かう向きとなる。すなわち、線状アンテナの長さ方向であって終端抵抗から給電点に向かう方向の指向性を示すことになる。逆に、給電点から終端抵抗に向かう向きに放射される電波は、等位相面を形成しない。したがって、Ｆ／Ｂ（前方放射／後方放射）比の大きいアンテナを形成することができる。受信アンテナの場合も同様に、線状アンテナの長さ方向であって、受電点から終端抵抗に向かう向きに、進行する電波を、等位相面で受信することができる。したがって、線状アンテナの長さ方向であって、受電点から終端抵抗に向かう向きに指向性を有したＦ／Ｂ比の大きな受信アンテナとすることができる。

終端抵抗を線状アンテナに対してインピーダンス整合させれば、上記のように、線状アンテナの長さ方向で、終端抵抗から給電点に向かう向きに指向性を有し、高Ｆ／Ｂ比を有したアンテナとなる。この終端抵抗が線状アンテナに対してインピーダンス整合していな場合には、線状アンテナに定在波が生じ、指向性が線状アンテナの長さ方向からずれたものとなる。

このように、本発明では、一方向に対して、Ｆ／Ｂ比の大きな送信アンテナ又は受信アンテナとすることができる。この特性を有するアンテナが、４つの方向に配設されているので、選択的に、４方向に電波を放射し、４方向から選択的、電波を受信することができる。

本発明において、アンテナは、進行波を形成できれば良いので、アンテナの長さに関して、使用する電波の周波数によって決定されるλ／２などの波長条件を満たす必要がない。アンテナの第１線路の長さは、使用電波の波長の１倍以下、１／１０以上であることが望ましい。波長以上となると、使用電波の周波数にもよるが、アンテナ装置の寸法が大きくなり過ぎるので、望ましくない。また、１／１０以下となると、放射効率又は受電効率が低下するので望ましくない。また、アンテナの第１線路と第２線路との間隔は、第１線路の長さの１／２以下、１／３以上であることが望ましい。１／２より大きくなると、第２線路からの放射が大きくなるので、望ましくない。また、１／３より小さくなると、第１線路同士が結合するので、望ましくない。

また、第１組のアンテナの配向ベクトルと第２組のアンテナの配向ベクトルの成す角は、４５度以上１３５度以下とすることが望ましい。電波の放射方向、受信すべき電波の到来方向によって、この角度は設定すれば良い。最も望ましいのは９０度である。受信アンテナの場合、第１組のアンテナで最大受信レベルで電波を受信しているとき、第２組のアンテナの受信レベルは、最小受信レベルとなるので、到来方向の特定精度を向上させることができる。また、任意の方向からの電波の到来に対して、到来方向を特定する場合にも、９０度の場合が望ましい。９０度であれば、到来方向のベクトルの直交する２成分を求めることができる。放射アンテナであれば、放射電波の方向の制御性が向上する。第１組のアンテナと、第２組のアンテナの受信アンテナにおいて、２つの配向ベクトルの成す角が、４５度以上１３５度以下の場合には、第１組のアンテナの長さ方向から到来している電波に対して、第２組のアンテナでの受信レベルは、１／２程度に減少できるので、到来方向の特定が可能となり、任意方向からの到来に対しても、その方向の特定の精度が高くなる。

４つのアンテナは、同一平面上に配設されている。これにより、アンテナ装置の高さ方向の寸法を小さくできる。これに対して、第１組のアンテナと、第２組のアンテナとを、積層した場合には、平面上の寸法を減少させることができる。

４つのアンテナの各第２線路は、正方形、菱形、長方形、または、平行四辺形の各辺に、配置されている。この配置は、平面上に４つのアンテナを配置する場合も、積層する場合にも適用可能である。正方形と菱形の場合には、４つの方向の最大受信レベルや、最大放射電力レベルを等しくすることができる。正方形や長方形の場合には、上記の２つの配向ベクトルを直交させることができるので、到来方向の検出精度を向上でき、放射方向の制御性を向上させることができる。

また、アンテナの第２線路は、第１線路の平面導体に対する鏡像で構成しても良い。すなわち、平面導体と、この平面導体に対して、間隙（望ましくは平行）を設けて配設された第１線路とで、アンテナを構成することができる。このようにすることで、アンテナ装置の構造を簡単にすることができる。また、平面導体を電波の反射面として用いることで、電波の受信レベルを向上させることができ、また、特定方向への放射電波の電力密度を向上させることができる。また、４つのアンテナに対して、到来電波を反射させる共通の反射板を設けても良い。これにより、電波の受信レベルを向上させることができ、また、特定方向への放射電波の電力密度を向上させることができる。また、アンテナの第２線路と反射板との間隔は、使用電波の波長の１／２０以上、１／１０以下であることが望ましい。１／２０よりも小さいと、アンテナの特性に影響を与え望ましくなく、１／１０よりも大きくなると、大きな金属板が必要となるので、望ましくない。

本発明では、第１線路と第２線路とを有する線状アンテナの第１線路の先端部に終端抵抗を設けて、第２線路に接続しているので、送信アンテナの場合には、線状アンテナの長さ方向であって、給電点から終端抵抗に向かう向きに、Ｆ／Ｂ比の大きな指向性を得ることができる。また、受信アンテナの場合には、線状アンテナの長さ方向であって、終端抵抗から受電点に向かう向きに、Ｆ／Ｂ比の大きな指向性を得ることができる。

本発明では、給電方向が反対で平行な一対のアンテナから成る第１組のアンテナテと、同様な構成の第２組のアンテナとが、平行ではないように配置することで、電波の放射方向を精度良く制御することができる。また、受信アンテナの場合には、最大受電方向が反対で平行な一対のアンテナから成る第１組のアンテナテと、同様な構成の第２組のアンテナとが、平行ではないように配置することで、電波の到来方向を精度良く検出することができる。

実施例１のアンテナ装置を示した構成図。 一つの線状アンテナを示した構成図。 一つの線状アンテナにおける指向性が生じる原理を示した説明図。 一つの線状アンテナにおけるＦ／Ｂ比を示した特性図。 実施例１のアンテナ装置の各線状アンテナを選択した場合の指向性を示した特性図。 実施例１のアンテナ装置において無指向性が得られることを示した特性図。 第２線路を共通の金属板としたアンテナ装置を示した構成図。 他のアンテナ装置を示した構成図。 他のアンテナ装置を示した構成図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、本実施例１に係る受信アンテナ装置を示した構成図である。
線状アンテナ１０は、長方形の各辺で構成され、第１線路１１と第２線路１２と、これらの線路の根元部に設けられた受電点１３と、アンテナの先端部であって、第１線路１１と第２線路１２との接続点に設けられた終端抵抗１４とから構成されている。第１線路１１と第２線路１２との間隔はＬ２である。線状アンテナ１０に平行に設けられた線状アンテナ２０は、同様に、長方形の各辺で構成され、第１線路２１と第２線路２２と、これらの線路の根元部に設けられた受電点２３と、アンテナの先端部であって、第１線路２１と第２線路２２との接続点に設けられた終端抵抗２４とから構成されている。第１線路２１と第２線路２２との間隔はＬ２である。この線状アンテナ１０と、線状アンテナ２０とは、距離Ｌ１を隔てて、平行に設けられており、受電点１３から終端抵抗１４の向きにとった配向ベクトルと、受電点２３から終端抵抗２４の向きにとった配向ベクトルは、相互に平行で、反対の向きを向いている。これらの線状アンテナ１０と線状アンテナ２０とで第１組のアンテナが構成されている。

線状アンテナ３０は、長方形の各辺で構成され、第１線路３１と第２線路３２と、これらの線路の根元部に設けられた受電点３３と、アンテナの先端部であって、第１線路３１と第２線路３２との接続点に設けられた終端抵抗３４とから構成されている。第１線路３１と第２線路３２との間隔はＬ２である。線状アンテナ３０に平行に設けられた線状アンテナ４０は、長方形の各辺で構成され、同様に、第１線路４１と第２線路４２と、これらの線路の根元部に設けられた受電点４３と、アンテナの先端部であって、第１線路４１と第２線路４２との接続点に設けられた終端抵抗４４とから構成されている。第１線路４１と第２線路４２との間隔はＬ２である。この線状アンテナ３０と、線状アンテナ４０とは、距離Ｌ１を隔てて、平行に設けられており、受電点３３から終端抵抗３４の向きにとった配向ベクトルと、受電点４３から終端抵抗４４の向きにとった配向ベクトルは、相互に平行で、反対の向きを向いている。これらの線状アンテナ３０と線状アンテナ４０とで第２組のアンテナが構成されている。

これらの４つの線状アンテナ１０、２０、３０、４０は、高さがｚ軸方向で、同一平面（ｘｙ平面）上に配置されている。また、線状アンテナ１０と２０から成る第１組のアンテナは、ｙ方向に配設されており、線状アンテナ３０と４０とから成る第２組のアンテナはｘ方向に配設されており、それらの長さ方向が、それぞれ、直交している。そして、各受電点１３、２３、３３、４３は、合成器５０に接続されており、各線状アンテナで受信された電波が合成されたり、合成器５０により、各線状アンテナを選択して、何れか一つの線状アンテナで受信された電波のみを出力できるように構成されている。なお、各受電点は、バランを介して、同軸ケーブルに接続されている。バランの機能により、第１線路１１、２１、３１、４１と第２線路１２、２２、３２、４２は、それぞれ、電流が同一方向に流れるモードで、励振される。

そして、これらの４つの線状アンテナ１０、２０、３０、４０は、裏面が金属板で構成された反射板５１を貼り付けた厚さＤの誘電体板５２の上に設置されている。一つの線状アンテナ１０の構成は、図２に示すものである。この反射板５１により、到来電波を反射して、受信信号のレベルを向上させることができる。また、放射アンテナあれば、反対方向に放射した電波をこの反射板５１で反射させて、放射電波の電力密度を向上させることができる。この実施例では、Ｌ１は、７５ｍｍ、Ｌ２は、３０ｍｍ、Ｄは、１０ｍｍとした。

次に、動作原理について説明する。一つの線状アンテナ１０に関する動作は、次のようになる。図３に示すように、第１線路１１と第２線路１２においては、受信電波の伝搬方向が受電点１３から終端抵抗１４の向きを正にとる。この時、第１線路１１の受電点１３側の端点Ｐ１での受信電波は、次式で表される。

また、第１線路１１の終端抵抗１４側の端点Ｐ２での受信電波は、次式で表される。

ただし、αは、端点Ｐ１での位相、βは、端点Ｐ１から端点Ｐ２へ向かって、第１線路１１を進行する受信電波の端点Ｐ１に対する端点Ｐ２での進み位相である。すなわち、受電点１３から終端抵抗１４に向かって進行する電波は、端点Ｐ２における位相の方が、端点Ｐ１における位相によりも、進んでいる。

今、到来電波の進行ベクトルＶ１と、第１線路１１における電波の進行ベクトルＶ２との成す角をθとする。進行ベクトルＶ１の平面波を受信するとき、端点Ｐ１で受信する電波の位相と、第１線路１１を進行する電波の位相とが等しいとして、端点Ｐ１に到達する電波は、（１）式と同一式で表される。

その平面波が端点Ｐ２で受信される場合には、端点Ｐ１での受信時刻に対して、経路差がＬcos(θ) であるので、次式で表されるΔt だけ遅延する。ただし、Ｌは、第１線路１１の長さ、ｃは光速度である。

したがって、同一時刻ｔでみると、端点Ｐ２での受信電波は、Δｔだけ進んだ時刻の平面波を受信することになるので、時刻ｔにおける受信電波は、次式で表される。

この電波と、(2) 式で表される、第１線路１１を終端抵抗１４の方向に伝搬する電波の位相が等しい場合に、第１線路１１の各微小部分で受信される同一平面波の電波が重畳して、第１線路１１を終端抵抗１４に向けて伝搬する電波となる。したがって、次式が成立する。

(3)式より、

βλ＝２πＬであるので、

すなわち、θ＝０となる。到来電波の進行ベクトルＶ１と、第１線路１１における電波の進行ベクトルＶ２とが等しい場合に、第１線路１１には、θ＝０の方向から到来した電波に対して、進行する信号成分が誘起される。他の方向からの到来電波は、進行ベクトルＶ２方向からのずれが大きくなるほど、位相整合条件が満たされないので、進行波成分は小さくなる。第２線路１２についても同様である。

このようにして、線状アンテナ１０に対する受信電波の指向性が決定される。放射アンテナの場合も同様である。

図４は、この線状アンテナ１０について、終端抵抗１４の抵抗値とＦ／Ｂ比との関係を測定した特性図である。終端抵抗１４が６５０Ωの場合に、Ｆ／Ｂ比は、２３ｄＢが得られていることが分かる。使用電波の周波数は、３１５ＭＨｚである。なお、Ｆ／Ｂ比は、電波の到来方向が第１線路１１を伝搬する電波の進行ベクトルＶ２の向きである場合の受信電力Ｆと、電波の到来方向が進行ベクトルＶ２とは逆向きである場合の受信電力Ｂとの比を表す。

次に、全ての終端抵抗を７００Ωとして、周波数を３１５ＭＨｚとした実施例装置において、各線状アンテナ１０、２０、３０、４０を、選択して受信する場合の指向特性を、図５に示す。
受電点から終端抵抗の向きが＋ｙ方向の線状アンテナ１０は、＋ｙ方向の指向性を示し、受電点から終端抵抗の向きが−ｙ方向の線状アンテナ２０は、−ｙ方向の指向性を示し、受電点から終端抵抗の向きが＋ｘ方向の線状アンテナ４０は、＋ｘ方向の指向性を示し、受電点から終端抵抗の向きが−ｘ方向の線状アンテナ３０は、−ｘ方向の指向性を示していることが理解される。このような指向性を有することから、＋ｘ、−ｘ、＋ｙ、−ｙの方向から到来する電波を精度良く検出することができるので、タイヤの空気圧を検出するシステムのアンテナ装置として用いることができる。

また、ｙ方向に配設されている線状アンテナ１０と２０を用いて、その受信出力を合成した場合の指向特性を図６に示す。この場合には、受信アンテナは、無指向性であることが理解される。

上記実施例では、第２線路１２、２２、３２、４２を、第１線路１１、２１、３１、４１に、それぞれ、平行に設けたが、４つの第２線路は、図７に示すように、共通の金属板（平面導体）５５の鏡像で構成しても良い。この場合には、金属板５５は、電波の反射板としても機能し、受信電力を放射電力を向上させることができる。

線状アンテナ１０、２０、３０、４０は、図８に示すように、受電点１３、２３、３３、４３を中心部にして、終端抵抗１４、２４、３４、４４を外側にして、放射状に配列しても良い。第１線路、第２線路、受電点、終端抵抗などの構成は、実施例１の図１と同一であり、同一構成要素には、同一符号が付されている。この場合においても、電波を反射する反射板を設けても良いし、第２線路は、共通の金属板であっても良い。

また、図９に示すようにｙ軸方向に配設された線状アンテナ１０、２０を、それぞれを絶縁した状態で、直交するように配置しても良い。第１線路、第２線路、受電点、終端抵抗などの構成は、実施例１の図１と同一であり、同一構成要素には、同一符号が付されている。この場合においても、電波を反射する反射板を設けても良い。また、第１線路と、この第１線路に平行に設けられた共通の金属板とで、アンテナを構成して、第２線路は、この共通の金属板による第１線路の鏡像として構成しても良い。また、ｙ軸方向に配設された線状アンテナ１０、２０を、ｚ軸方向の上段に、ｘ軸方向に配設された線状アンテナ３０、４０をｚ軸方向の下段の２段に分離して、配設するようにしても良い。この場合にも、電波を反射する反射板を設けても良いし、第２線路は、共通の金属板に対する第１線路の鏡像で構成しても良い。
上記実施例において、Ｌ１は使用電波の波長λに対して、λ／１０以上λ以下が望ましい。また、Ｌ１は、Ｌ２の２倍以上、３倍以下が望ましい。また、Ｄは、λ／２０以上、λ／１０以下が望ましい。

以上の実施例や変形例は、第２の発明に関するものであるが、上記の構成から、一対の第１線路と第２線路だけを抽出すれば、第１の発明に対する実施例と変形例となる。したがって、第２の発明の実施例や変形例は、個別的に説明するまでもなく、上記の全ての実施例から読み取ることができるものである。

本発明は、タイヤの内部に配設されたセンサから放射される電波を検出するタイヤ空気圧検出システムにおけるアンテナ装置に用いることができる。

１０、２０、３０、４０…線状アンテナ
１１、２１、３１、４１…第１線路
１２、２２、３２、４２…第２線路
１３、２３、３３、４３…受電点
１４、２４、３４、４４…終端抵抗
５１…反射板
５５…金属板

Claims (7)

1. 異なる４方向に対して電波の放射又は受信を可能としたアンテナ装置において、
   第１線路とこの第１線路に平行な第２線路とから成る線状アンテナであって、第１線路と第２線路の根元部に給電／受電点を有し、第１線路と第２線路の先端部に終端抵抗を有したアンテナを、前記給電／受電点から前記終端抵抗に向かうベクトルをアンテナの配向ベクトルとすると、向かい合う一対の第１組のアンテナは、配向ベクトルの向きが反対で平行となり、向かい合う他の一対の第２組のアンテナは、配向ベクトルの向きが反対で平行となり、前記第１組のアンテナの配向ベクトルと前記第２組のアンテナの配向ベクトルの向きは、平行ではないように、４つの前記アンテナの前記各第２線路は、同一平面上において、正方形、菱形、長方形、または、平行四辺形の各辺に、配置され、前記各アンテナの高さ方向が前記同一平面に対して垂直な方向となるように、配置されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナの前記第１線路の長さは、使用電波の波長の１倍以下、１／１０以上であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナの前記第１線路と前記第２線路との間隔は、前記第１線路の長さの１／２以下、１／３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。
4. 前記第１組のアンテナの配向ベクトルと前記第２組のアンテナの配向ベクトルの成す角は、４５度以上１３５度以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナの前記第２線路は、前記第１線路の平面導体による鏡像で構成することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記アンテナに対して、到来電波を反射させる反射板を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記アンテナの第２線路と前記反射板との間隔は、使用電波の波長の１／２０以上、１／１０以下であることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。

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