JP4981822B2

JP4981822B2 - 広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP4981822B2
Application number: JP2009001055A
Authority: JP
Inventors: 洋幸小林; 久司藤崎; 秀一田島; 洋一磯
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-01-06
Also published as: JP2010161490A

Description

本発明は、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）周波数帯用広帯域アンテナ、例えば、車載用に使用される小型かつ高性能な広帯域アンテナに関する。

近年、車載用、例えば、自動車窓ガラス取付用アンテナとして、ＵＨＦ帯域での広帯域伝送に対応する小型かつ高性能な広帯域アンテナが求められている。これに対して、小型化及び車両の外観の観点から、フロントガラス又はリアガラスに貼付可能なフィルムアンテナが用いられている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の広帯域アンテナでは、図１４に示すように、フロントガラス又はリアガラスの視界を遮らないように、給電点１１０から延びるアンテナエレメントを小型化することを目的として、給電点１１０から折り曲げ、アンテナエレメントを菱形で上下方向の対称軸に対して線対称に形成する。

特開２００８−１５３７３８号公報

しかしながら、特許文献１記載のアンテナは、アンテナ装置のアンテナの形状にのみ着目していることから、アンテナエレメントとそれ以外のアンプ回路などの部品が別体として形成され、部品点数が多くなり、アンテナエレメントとは別個独立に、アンテナエレメント以外の部分の小型化が必要となる。また、アンテナエレメントとアンテナエレメント以外の部分とはそれぞれ必要な寸法があることから、結果としてアンテナ全体の小型化を実現することが困難であった。

また、アンテナエレメント、アンテナ全体の小型化は、低放射インピーダンス化により、アンプ回路とのインピーダンス整合がし難くなる問題も生じさせる。また、所望の広帯域を実現できない問題も生じている。さらに、車体に用いられている金属とアンテナとの距離が短くなりＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）変動が大きくなるなど、周囲環境の影響を受けやすくなるという問題も生じていた。

そこで、本発明の目的は、部品点数の削減を可能とし、かつ、アンテナエレメント以外の部品を含むアンテナの小型化を実現できる広帯域アンテナを提供することにある。

以上のような目的を達成するため、本発明の広帯域アンテナの第１の態様は、回路基板と、前記回路基板の地板に接続される第１アンテナエレメントと、前記回路基板の給電部に接続される第２アンテナエレメントと、を備え、前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントとは全長が異なり、その一部が互いに平行に配置されて平行伝送線路を形成していることを特徴とする。

上述した発明によれば、第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントの全長が異なることから、対称性が崩れ、高インピーダンス化を実現できる。従って、インピーダンス整合を取り易くすることができる。また、第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントとはその一部を互いに平行に配置され、平行伝送線路を構成しており、特性インピーダンスを調整することにより広帯域なインピーダンス整合を可能としている。

本発明の広帯域アンテナの他の態様は、前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントの平行に配置された前記一部がマイクロストリップ線路であることを特徴とする。

本発明によれば、小型化され、かつ、周囲環境の影響を受け難くした高性能な広帯域アンテナを形成することができる。

（Ａ）は本発明の実施形態に係る広帯域アンテナの裏面部材を、（Ｂ）は広帯域アンテナの表面部材を表す図である。同軸ケーブルとアンテナエレメントとの接続関係を説明するための図である。（Ａ）はアンテナエレメントが同軸ケーブルから一直線上に延びた位置関係を説明する図であり、（Ｂ）はアンテナエレメントが同軸ケーブルに対して一旦垂直に延び、かつ直角に折り曲げられて、同軸ケーブルに対して平行に延びた位置関係を説明する図である。アンテナエレメントを折り返すことにより周波数調整できることを説明するための図であって、（Ａ）はアンテナエレメントを折り返した図を、（Ｂ）は（Ａ）に対応するスミスチャートを、（Ｃ）は（Ａ）に対応する周波数とＶＳＷＲとの関係を示すグラフである。アンテナエレメントを折り返すことにより周波数調整できることを説明するための図である。アンテナエレメントを折り返すことにより周波数調整できることを説明するための図である。アンテナエレメントを折り返すことにより周波数調整できることを説明するための図である。アンテナエレメントを折り返すことにより周波数調整できることを説明するための図である。比較例のアンテナを表す図である。比較例のアンテナに対する近接金属による影響を観測した図である。比較例のアンテナにおける近接金属の有無による影響をＶＳＷＲにより示したグラフである。本実施形態に係るアンテナに対する近接金属による影響を観測した図である。本実施形態に係るアンテナにおける近接金属の有無による影響をＶＳＷＲにより示したグラフである。従来の広帯域アンテナを表す図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る広帯域アンテナを説明する図である。図１（Ａ）は広帯域アンテナの裏面部材を、図１（Ｂ）は広帯域アンテナの表面部材を表す図である。図２は同軸ケーブルとアンテナエレメントとの接続関係を説明するための図である。さらに、図３は同軸ケーブルとアンテナエレメントとの位置関係を説明するための図であって、（Ａ）はアンテナエレメントが同軸ケーブルから一直線上に延びた位置関係を説明する図であり、（Ｂ）はアンテナエレメントが同軸ケーブルに対して一旦垂直に延び、かつ直角に折り曲げられて、同軸ケーブルに対して平行に延びた位置関係を説明する図である。本実施形態に係る広帯域アンテナ１０は、ＵＨＦ周波数帯域用の広帯域アンテナであって、図１及び図２に示すように、グランド側（以下、ＧＮＤ側と称する）アンテナエレメントである第１アンテナエレメント１１と、給電側アンテナエレメントである第２アンテナエレメント１２と、アンプ回路１５の回路基板１３と、回路基板１３に接続する同軸ケーブル１６とを備える。アンテナエレメント１１は接続点１８を介して回路基板１３の裏面に設けられた地板１４に接続し、アンテナエレメント１２は回路基板１３に接続される同軸ケーブル１６の接続方向に対して一直線上に延びる給電回路（配線パターン）１７の給電部１９に接続する。

＜アンテナエレメント１１，１２＞
第２アンテナエレメント１２は、図１から図３が示すように、給電側アンテナエレメントであり、アンプ回路１５の回路基板１３に接続する同軸ケーブル１６の接続方向に対して、一直線上に延びるように、具体的には、アンプ回路１５と給電回路１７の給電部１９から一直線上に延びるように形成されている。そして、回路から延びる方向に、第１，第２の第２アンテナエレメント折り返し部１２Ａ，１２Ｂが、同軸ケーブル１４に対して平行になるように形成されている。また、折り返し部１２Ａは表面部材上に、折り返し部１２Ｂは裏面部材上に設けられ、折り返し部１２Ａと１２Ｂとはスルーホール１２Ｃを介して電気的に接続されている。また、折り返し部１２Ｂ先端は、後述するように周波数調整部として機能する。

なお、図３（Ａ）のように、第２アンテナエレメント１２は、同軸ケーブル１６に対して一直線上に回路から延びるように形成されている場合に限定されず、図３（Ｂ）のように、第２アンテナエレメントが回路から一旦、同軸ケーブル１６に対して垂直に延び、かつ直角に折り曲げられて、同軸ケーブル１６に対して平行に延びるように形成することも可能である。

第１アンテナエレメント１１は、図１及び図２に示すように、ＧＮＤ側アンテナエレメントであり、回路基板１３の裏面に設けられた地板１４に接続し、回路の地板１４の接続点１８から、同軸ケーブル１６に対して平行な第２アンテナエレメント１２と平行になるように形成されている。そして、回路の地板１４から延びる方向に、第１，第２，第３の第１アンテナエレメント折り返し部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが、第２アンテナエレメント１２に対して平行になるように形成されている。折り返し部１１Ａは表面部材上に、折り返し部１１Ｂ，１１Ｃは裏面部材上に設けられ、折り返し部１１Ａと１１Ｂとはスルーホール１１Ｄを介して電気的に接続されている。

第２アンテナエレメント１２が回路に接続しており、第１アンテナエレメント１１と第２アンテナエレメント１２が回路への同軸ケーブル１４の接続方向に対して平行に延びるように配置されることから、第１アンテナエレメント１１が接続する地板１４も含めて共振させて、アンテナとして動作させることができる。従って、アンテナエレメント１１，１２と回路地板１４とを含む広帯域アンテナとして一体化が可能となり、部品点数の削減を可能とし、かつ、アンテナエレメント以外の部品を含むアンテナの小型化をも可能となる。この結果、自動車窓ガラス（フロントガラス又はリアガラス）に対して容易に取り付け可能で、小型化された、車両の外観を損なわない広帯域アンテナを実現できる。

小型化された広帯域アンテナに関して、図１に示すように、第１及び第２アンテナエレメント１１，１２に折り返し部を設け、アンテナエレメントの長さを調整することにより、所望の周波数帯域に対応することができる。ここで、図１に示したように、第１アンテナエレメント１１と第２アンテナエレメント１２の全長が異なるため、対称性が崩れており、高インピーダンス化を実現できる。従って、インピーダンス整合を取り易くできる。また、図１（Ｂ）の点線で囲んだＷで示された２つのアンテナエレメント、すなわち、回路から延びる第２アンテナエレメント１２と、回路の地板１４から延びる第１アンテナエレメント１１とは、平行伝送線路を構成しており、特性インピーダンスを調整することにより広帯域なインピーダンス整合を可能としている。またアンテナエレメント１１を延伸する代わりに裏面の地板を延伸してアンテナエレメント１２とマイクロストリップラインを構成してもインピーダンス整合は可能となる。

＜回路基板１３＞
図１（Ｂ）が示すように、回路基板１３の一方の面には、給電回路（配線パターン）１７が形成され、給電回路１７にアンプ回路１５が実装されている。回路基板１３の他方の面には、接地(ＧＮＤ)となる地板１３が配置されている。同軸ケーブル１６の給電線は、回路基板上に形成される配線回路１７と接続されてアンプ回路１５と電気的に接続されており、同軸ケーブル１６の接地線は、図示しない基板回路に形成されるスルーホールを介して、地板１４に電気的に接続されている。

＜地板１４＞
第１アンテナエレメント１１が接続する地板１３は、地板１３の長手方向に対して、第１及び第２アンテナエレメント１１，１２が平行に延びるように形成されている。従って、地板をアンテナエレメントとして最も有効に利用することが可能になり、アンテナエレメント以外の部分と一体化されたアンテナをより小型化することができる。

＜周波数調整部１２Ｂ＞
周波数調整部１２Ｂは、第１アンテナエレメント１１に対して平行に形成された第２アンテナエレメント１２先端部である第２折り返し部であり、所望の共振周波数帯域に調整する。

アンテナエレメントを折り返すことにより周波数調整できることを説明するため、図４から図８を用いて、給電点２０を有するダイポールアンテナを一例として説明する。図４（Ａ）は、アンテナエレメントを折り返した図を、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に対応するスミスチャートを、図４（Ｃ）は図４（Ａ）に対応する周波数とＶＳＷＲとの関係を示すグラフである。図５、図６、図７、図８は、図４から順にアンテナエレメントを折り返した場合を説明する図である。

折り返しの無い１／４波長ダイポールアンテナは、共振時のインピーダンスがおおよそ７３Ωの純抵抗となり、スミスチャート上にインピーダンス軌跡をプロットすると、右端に虚軸を対称軸とした円として描かれる（図４）。そこで、図５（Ａ）のようにダイポールアンテナエレメントを折り返すと、図５（Ｂ）に示すように、スミスチャート上でのインピーダンスの軌跡が時計回りに回転している。そして、図６（Ａ）のように、アンテナエレメントの折り返しを大きくすることにより、図６（Ｂ）に示すように、スミスチャート上でのインピーダンスの軌跡が時計回りに回転して、内側に移動させ、広帯域化させている。さらに、小型化のために、図７（Ａ）のように、アンテナエレメントの折り返し数を増やした場合、所望の周波数帯域（４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚ）より周波数が高くなる（図７（Ｃ））。そこで、一方のアンテナエレメントをさらに延ばして周波数調整部を形成することにより、周波数帯域を所望の周波数帯域に設定することができる（図８）。このように、折り返し部（周波数調整部を含む）の長さ、折り返し部同士の幅を調整することにより所望の周波数帯域に調整することができる。従って、折り返し部を用いて、アンテナエレメントの長さを調整することにより、所望の周波数帯域に対応するアンテナを形成することができ、広帯域化と小型化とを同時に実現することができる。また、周波数調整部により、所望の共振周波数帯域に調整することができる。

＜アンテナエレメントの形状パターン＞
本願発明者らは、近接金属による影響を研究した結果、アンテナエレメントの形状を折り返すことにより、近接金属による所望の周波数帯域での影響を低減させることができることを見出した。以下、図９〜図１１を用いて、近接金属による影響を説明し、図１２〜図１３を用いて、本実施形態に係る広帯域アンテナ、具体的には、ＧＮＤ側アンテナエレメントである第１アンテナエレメントの形状を調整することにより、近接金属による影響を低減させた広帯域アンテナについて説明する。

まず、図１の本実施形態に係る広帯域アンテナと同様の寸法で、同じ中心周波数で共振するミアンダ状のダイポールアンテナ（図９）を用いて、近接金属の有無により、定在波比（ＶＳＷＲ）の変化を観察した。図９に示すミアンダ状のダイポールアンテナは、幅２ｍｍの銅箔による周期１０ｍｍのミアンダパターンを左右対称に有するアンテナで、図９に示した寸法以外に、誘電率：１８．２、サイズ：１２０＊１３＊３ｍｍの基板を有するものである。

図１０に示すように、アンテナ７１に対して、アンテナの下方、距離ｄ（＝１０ｍｍ）の位置に、金属板７２（６４０＊４０＊１ｍｍのステンレス製金属板）を設置するか否かにより、近接金属の有無による定在波比（ＶＳＷＲ）の変化をネットワークアナライザにより観察した。なお、アンテナ７１に対して、バラン７３を設け、測定ケーブル７４を介して、ネットワークアナライザにより観察した。

図１１は近接金属の有無による影響をＶＳＷＲにより示したグラフである。グラフ中、白丸は近接金属がある場合、黒丸は近接金属がない場合のＶＳＷＲを示している。近接金属が無い場合、ＶＳＷＲの値は約２であるのに対して、近接金属がある場合、ＶＳＷＲの値は５以上に劣化した。図１１は、近接金属の有無という周囲環境の変化に対して、アンテナ特性が敏感に反応してしまうことを示し、この結果、アンテナ設置条件が限定されることを意味する。

これに対して、図１に示した本実施形態に係る広帯域アンテナ１０では、第１アンテナエレメント１１の先端に折り返し部１１Ｃを有する形状により、所望の周波数帯域１０１（地上波デジタルテレビ：４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚ）よりも低く、かつ、Q値の高い低周波側の共振帯域１０２と、共振帯域１０２での共振の高調波であって、所望周波数帯域１０１よりも周波数が高くQ値の高い共振帯域１０３とを有するように設定している。

そして、図１２に示すように、アンテナ１０に対して、アンテナの下方、距離ｄ（＝１０ｍｍ）の位置に、金属板８２（６４０＊４０＊１ｍｍのステンレス製金属板）を設置するか否かにより、近接金属の有無による定在波比（ＶＳＷＲ）の変化をネットワークアナライザにより観察した。なお、アンテナ１０に対して、測定ケーブル８４を介して、ネットワークアナライザにより観察した。

図１３は本実施形態に係る広帯域アンテナ１０に対する近接金属の有無による影響をＶＳＷＲにより示したグラフである。グラフ中、白丸は近接金属がある場合、黒丸は近接金属がない場合のＶＳＷＲを示している。所望の周波数帯域１０１の両端に、Q値の高い共振帯域１０２，１０３を設けた本実施形態に係る広帯域アンテナ１０は、所望の周波数帯域１０１の両端に、Q値の高い共振帯域１０２，１０３を設けないアンテナと比較して、金属近接に対してＶＳＷＲの劣化が非常に小さいことが確認できる。図１３は、近接金属の有無という周囲環境の変化に対して、アンテナ特性が安定していることを示し、この結果、近接金属などの厳しいアンテナ設置条件に対しても高性能かつ良好な電波受信が可能となる。

本実施形態に係る広帯域アンテナによれば、広帯域化と小型化と高性能化とを同時に実現できるアンテナを形成することができる。具体的には、折り返し部（周波数調整部を含む）を設けることにより、所望の共振周波数帯域に調整可能となる。さらに、第１アンテナエレメント１１の先端の折り返し部の形状により、所望の周波数帯域１０１よりも低く、かつ、Q値の高い共振帯域１０２と、周波数帯域１０１よりも高く、かつ、共振帯域１０２での共振の高調波による共振１０３とを有するように設定可能となることから、広帯域化と小型化と高性能化とを同時に実現できる。

１０：広帯域アンテナ
１１：第１アンテナエレメント
１２：第２アンテナエレメント
１３：回路基板
１４：地板
１６：同軸ケーブル

Claims

回路基板と、
前記回路基板の地板に接続される第１アンテナエレメントと、
前記回路基板の給電部に接続される第２アンテナエレメントと、を備え、
前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントとは全長が異なり、その一部が互いに平行に配置されて平行伝送線路を形成していることを特徴とする広帯域アンテナ。
前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントの平行に配置された前記一部がマイクロストリップ線路であることを特徴とする請求項１に記載の広帯域アンテナ。