JP5005448B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のキーレスオペレーションシステム等の無線通信技術に好適なアンテナ装置に関する。

近年、自動車のキーレスオペレーションシステム等の無線通信を目的として、線状素子を利用したアンテナ装置が検討されている。線状素子を用いたアンテナ装置としては、従来、地板に対してアンテナ動作波長の１／４の長さでワイヤエレメントが配置されたモノポールアンテナが一般的に用いられている。しかしながら、このモノポールアンテナは、アンテナ全体が大きくて高いため、このモノポールアンテナを途中で折り曲げて小型化・低背化した逆Ｌ型アンテナが開発されている。

さらに、この逆Ｌ型アンテナでは、地板と平行となるアンテナエレメントの水平部分の長さで決まるリアクタンス部が容量性であって大きい値となるために、５０Ωの給電線に対して整合を取るのが困難であった。このため、従来、アンテナエレメントと５０Ωの給電線との整合を容易にするために、いわゆる逆Ｆ型アンテナが考案されている。この逆Ｆ型アンテナは、アンテナエレメントの途中に設けられた給電点の近くに地板と放射素子とを接続するスタブを設けたものである。これにより、リアクタンス部による容量性を打ち消して５０Ωの給電線との整合を取ることが容易となる。例えば、特許文献１には、折りたたみ式携帯型無線機器に適用されるものであるが、印刷配線基板上に配置され印刷配線基板に接続されたフレキシブルフラットケーブルと直交するように折り曲げたアンテナ素子を有する逆Ｆ型アンテナが提案されている。この逆Ｆ型アンテナでは、アンテナ素子を印刷配線基板に対して垂直方向にも折り返している。

特開２００６−１９７５２８号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、従来の逆Ｆ型アンテナでは、アンテナエレメントの途中から給電点近くにスタブを設けているが、整合を取る部分の占有面積が大きくなり、小型化が困難であった。また、アンテナエレメントに対して、整合部における特性の劣化があるため、指向性が限られ、水平面／垂直面の偏波の片方のみしか改善されない等の不都合があった。また、上記特許文献１に記載の逆Ｆ型アンテナでは、アンテナ素子の長さや幅をフレキシブルケーブルに対して折り曲げることで、アンテナ特性を改善しているが、周辺環境に依存した改善のため、偏波及び指向性を向上させることができないと共に、その構造から小型化及び薄型化が困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、偏波及び指向性を向上させると共に、さらに小型化及び薄型化を図ることができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のアンテナ装置は、給電線が接続される給電点が設けられた基材と、前記給電点に接続され前記基材上に立設されたアンテナエレメントと、前記給電点と前記アンテナエレメントとに接続されて前記基材上に設けられ前記アンテナエレメントと前記給電線とのリアクタンスを整合する整合回路部と、を備え、前記アンテナエレメントが、前記基材から立ち上がる立ち上げ部と、該立ち上げ部の上端部から前記基材に対する平行面内で一方向へ延びてから途中で屈曲又は湾曲して前記一方向の逆方向に沿って延びる指向性又は偏波を是正するチューニング部と、該チューニング部の先端部から前記立ち上げ部を起点にして前記平行面内で渦状に回転する方向へ延びる開放エレメント部と、前記チューニング部及び前記開放エレメント部の少なくとも一方から突出し指向性又は偏波を是正する少なくとも１本の突出エレメント部と、を有していることを特徴とする。

このアンテナ装置では、アンテナエレメントと給電線とのリアクタンスを整合する整合回路部を基材上に設けているので、従来の逆Ｆ型アンテナのように整合用のスタブを設ける必要が無く、スタブで整合を取る部分の占有面積を削減することができる。なお、上記基材として、回路や配線が形成された基板等を用いれば、全体としてより省スペース化を図ることができる。また、このアンテナ装置では、アンテナエレメントが、基材から立ち上がる立ち上げ部の上端部から基材に対する平行面内で一方向へ延びてから途中で屈曲又は湾曲して前記一方向の逆方向に沿って延びる指向性又は偏波を是正するチューニング部を備えているので、チューニング部の長さや形状を設定することで、所望の偏波及び指向性にチューニングすることが可能になる。さらに、このアンテナ装置では、チューニング部の先端部から立ち上げ部を起点にして前記平行面内で渦状に回転する方向へ延びる開放エレメント部を有しているので、この開放エレメント部から良好なアンテナ放射を得ることができる。
そして、アンテナエレメントが、チューニング部及び開放エレメント部の少なくとも一方から突出した少なくとも１本の突出エレメント部を有しているので、突出エレメント部の位置、本数、長さ、向き等により、偏波及び指向性をさらにチューニングすることが可能である。また、突出エレメント部により開放端が増加し、放射強度が向上する。

また、本発明のアンテナ装置は、前記突出エレメント部が、前記基材に向けて突出していることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、突出エレメント部が、前記基材に向けて突出しているので、チューニング部及び開放エレメント部と基材との間に突出エレメント部が配され、装置全体の小型化を妨げない。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記突出エレメント部の先端部が、前記基材に当接していることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、突出エレメント部の先端部が、基材に当接しているので、突出エレメント部がアンテナエレメントを支持する支持体として機能する。

また、本発明のアンテナ装置は、前記突出エレメント部が、前記開放エレメント部の先端部に設けられていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、突出エレメント部が、開放エレメント部の先端部に設けられているので、アンテナエレメント全体の実効長が延長され、水平偏波の指向性等をさらに改善することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のアンテナ装置によれば、基材上の整合回路部と、立ち上げ部、指向性又は偏波を是正するチューニング部、開放エレメント部及び突出エレメント部を有するアンテナエレメントと、を備えているので、スタブが不要で小型化可能であると共に、偏波及び指向性のチューニングが可能で良好な偏波及び指向性を得ることができる。したがって、全方位的な指向性が得られると共にさらなる小型化及び薄型化が可能なため、自動車等に搭載される無線通信システム、特にキーレスオペレーションシステムに使用される受信アンテナ装置、送信アンテナ装置、送受信アンテナ装置のいずれかに使用できる。

以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図１から図１３を参照しながら説明する。

本実施形態におけるアンテナ装置は、例えば自動車等に搭載される無線通信システム、特にキーレスオペレーションシステムに使用される受信アンテナ装置、送信アンテナ装置、送受信アンテナ装置とされるものであって、図１及び図２に示すように、５０Ωの給電線Ｚが接続される給電点１が設けられた基材２と、給電点１に接続され基材２上に立設されたアンテナエレメント３と、給電点１とアンテナエレメント３とに接続されて基材２上に設けられアンテナエレメント３と給電線Ｚとのリアクタンスを整合する整合回路部４と、を備えている。

なお、上記キーレスオペレーションシステムとは、キーレスオペレーションキーと呼ばれる無線通信機能を有するキーを運転者等が携帯しているだけで、無線作動範囲まで自動車に近づいた際に、キーと自動車本体側に設置された受信アンテナ装置との間でＩＤコードの照合を無線通信で行うことで、自動車のドア及びテールゲート等の施錠・解錠操作（いわゆるキーレスエントリーシステム）、エンジンの始動操作などが可能になるシステムである。

上記基材２は、例えば配線基板や回路基盤であって、図示しない無線通信回路や電子制御ユニット（ＥＣＵ）等が上面や下面に形成されている。なお、アンテナエレメント３は、基材２の電子制御ユニットなどが搭載されている面と反対側に取り付けられていても構わない。
上記アンテナエレメント３は、アンテナ動作波長の１／４、あるいは、整数分の１の長さの銅線、銅被覆線、銅合金線（例えば、真鍮）アルミニウム線、アルミニウム被覆線、アルミニウム合金線などの導電性を有する材料で形成され、線の太さは所望する特性に応じて設定される。また、線材の形状は、断面形状が円形、矩形、多角形などを挙げることができる。曲げることを考慮して、断面が円形であるが好ましい。
また、アンテナエレメントは、上記した導電性を有する材料（線材）の外周に絶縁層で被覆させたものでも良い。

このアンテナエレメント３は、基材２から垂直に立ち上がる立ち上げ部３ａと、該立ち上げ部３ａの上端部から基材２に対する平行面内で一方向へ延びてから途中で屈曲又は湾曲して前記一方向の逆方向に沿って延びる指向性又は偏波を是正するチューニング部３ｂと、該チューニング部３ｂの先端部から立ち上げ部３ａを起点にして前記平行面内で渦状に回転する方向へ延びる開放エレメント部３ｃと、チューニング部３ｂ及び開放エレメント部３ｃの少なくとも一方から突出し指向性又は偏波を是正する少なくとも１本の突出エレメント部３ｄと、を有している。

すなわち、上記チューニング部３ｂは、立ち上げ部３ａの上端部から図２の上方向に延びて途中で図２の右方向に９０°折り曲げられた後にさらに図２の下方向に９０°折り曲げられた構成とされている。したがって、チューニング部３ｂは、上記平行面内で一定の幅をもってコ字状に折り曲げられた部分であり、所望の偏波及び指向性に応じて、この部分の幅、長さ等が設定される。なお、折り曲げた角部の形状は、図のようにある程度、円弧状に面取りした折り曲げ方でもよいし、直角に曲げても構わない。

また、上記開放エレメント部３ｃは、チューニング部３ｂの先端部から図２の左方向に９０°折り曲げられて給電点１を跨ぐように越えて延び、途中で図２の上方向に９０°折り曲げられて延びた構成とされている。したがって、開放エレメント部３ｃは、上記平行面内でＬ字状に折り曲げられた部分である。

また、開放エレメント部３ｃは、途中で屈曲又は湾曲して先端部が上記一方向に沿って延びている。
さらに、チューニング部３ｂと開放エレメント部３ｃとを合わせた全体外形状が、略正方形状とされている。このように、チューニング部３ｂ及び開放エレメント部３ｃは、給電点１を基点とした矩形渦状に形成されている。

上記突出エレメント部３ｄは、基材２に向けて突出して３本設けられている。すなわち、本実施形態では、チューニング部３ｂの角部と、チューニング部３ｂの先端部であって開放エレメント部３ｃとの接続部と、開放エレメント部３ｃの角部との３箇所にそれぞれ突出エレメント部３ｄが設けられている。これら突出エレメント部３ｄの先端部は、いずれも基材２に当接しているが、基材２上の配線とは接続又は接触しておらず、電気的に浮いている状態とされる。

上記整合回路部４は、図３及び図４に示すように、給電点１とアンテナエレメント３との間に、複数のインダクタンスＬ又はコンデンサＣで構成されるπ型ＬＣ回路を一段又は複数段設けた回路構成とされている。この整合回路部４が、従来の逆Ｆ型アンテナにおける給電点からスタブまでの整合を取る部分に相当する機能を有する。

次に、本実施形態のアンテナ装置について、実際の偏波及び指向性について上記平行面内の指向性パターンを測定した結果を説明する。なお、この測定では、アンテナエレメント３としては、銅線のものを採用し、整合回路部４としては、図４に示すようにインダクタンスＬを２つ接続した回路を採用した。

まず、比較例（１）として、図５に示すように、アンテナエレメント１３を、立ち上げ部３ａの上端部から図５の右方向に延ばし、途中で図５の下方向に折り曲げ、さらに図５の左方向に折り曲げただけのものについて指向性パターンを測定した。すなわち、このアンテナエレメント１３では、本実施形態のチューニング部３ｂの引き回し部分Ａが無く、全体が渦状に回っていない構成を有している。この比較例（１）での測定の結果、図６に示すように、垂直偏波、水平偏波共に凹みの大きい指向性となってしまっている。

また、比較例（２）として、図７に示すように、上記本実施形態のアンテナエレメント３から全ての突出エレメント部３ｄを削除したアンテナエレメント２３を有するアンテナ装置について指向性パターンを測定した。この結果、図８に示すように、垂直偏波は凹みの無い丸い指向性となっていると共に、水平偏波は凹みが少ない指向性パターンが得られ、全体として比較的良好な特性となっている。しかしながら、垂直偏波の指向性は凹みが無いが特性が低くなっており、特に２１０°近辺の特性は−２２ｄＢｉと低い値になっている。

これに対して、図９に示すように、本実施形態のアンテナ装置では、垂直偏波の指向性が改善され、特に特性が低かった２１０°近辺では、−１１ｄＢｉと１０ｄＢの改善がみられた。

また、本実施形態の変形例（１）として、図１０に示すように、上記実施形態の３本の突出エレメント部３ｄをチューニング部３ｂの角部の１本だけにしたアンテナエレメント３３の場合についても、同様に指向性パターンを測定した。この結果、図１１に示すように、突出エレメント部３ｄが全くない場合（比較例（２）、図７）と比べると、５ｄＢの改善がなされていることがわかる。これは、上記実施形態の３本の突出エレメント部３ｄと比較すると、突出エレメント部３ｄの本数が１本に少なくなったことから、改善した数値や向きが少なくなったが、改善効果が明らかに認められる。このように、突出エレメント部３ｄの本数や位置に応じて、改善される指向性の向きや特性が向上することがわかる。

また、本実施形態の変形例（２）として、図１２に示すように、３本の突出エレメント部３ｄを有する上記実施形態のアンテナエレメント３に加え、さらに開放エレメント部３ｃの先端部に１本の突出エレメント部３ｄを追加したアンテナエレメント４３の場合についても、同様に指向性パターンを測定した。この結果、図１３に示すように、水平偏波の指向性も改善していることがわかる。これは、変形例（２）では、開放エレメント部３ｃ先端部への突出エレメント部３ｄの追加により、アンテナエレメント４３の実効長が延長されたためと考えられる。

このように本実施形態では、アンテナエレメント３、３３、４３と給電線Ｚとのリアクタンスを整合する整合回路部４を基材２上に設けているので、従来の逆Ｆ型アンテナのように整合用のスタブを設ける必要が無く、スタブで整合を取る部分の占有面積を削減することができる。また、このアンテナ装置では、アンテナエレメント３、３３、４３が、立ち上げ部３ａの上端部から基材２に対する平行面内で一方向へ延びてから途中で屈曲又は湾曲して上記一方向の逆方向に沿って延びる指向性又は偏波を是正するチューニング部３ｂを備えているので、チューニング部３ｂの長さや形状を設定することで、所望の偏波及び指向性にチューニングすることが可能になる。
特に、チューニング部３ｂと開放エレメント部３ｃとを合わせた全体外形状を、略正方形状とすることで、指向性に偏りが少なく、より全方位的に均等な指向性を得ることができる。

そして、アンテナエレメント３、３３、４３が、チューニング部３ｂ及び開放エレメント部３ｃの少なくとも一方から突出した少なくとも１本の突出エレメント部３ｄを有しているので、突出エレメント部３ｄの位置、本数、長さ、向き等により、偏波及び指向性をさらにチューニングすることが可能である。また、突出エレメント部３ｄにより開放端が増加し、放射強度が向上する。特に、突出エレメント部３ｄが、開放エレメント部３ｃの先端部に設けられることで、アンテナエレメント全体の実効長が延長され、水平偏波の指向性等をさらに改善することができる。

さらに、突出エレメント部３ｄが、基材２に向けて突出しているので、チューニング部３ｂ及び開放エレメント部３ｃと基材２との間に突出エレメント部３ｄが配され、装置全体の小型化を妨げない。特に、突出エレメント部３ｄの先端部を、基材２に当接させることで、突出エレメント部３ｄがアンテナエレメント３、３３、４３を支持する支持体として機能する。

また、このアンテナ装置では、チューニング部３ｂの先端部から立ち上げ部３ａを起点にして上記平行面内で渦状に回転する方向へ延びる開放エレメント部３ｃを有しているので、この開放エレメント部３ｃから良好なアンテナ放射を得ることができる。
また、開放エレメント部３ｃは、途中で屈曲又は湾曲して先端部が上記一方向に沿って延びているので、全体として渦状となり小型化を図ることができる。
したがって、全方位的な指向性が得られると共にさらなる小型化及び薄型化が可能なため、自動車等に搭載される無線通信システム、特にキーレスオペレーションシステムに使用される受信アンテナ装置、送信アンテナ装置、送受信アンテナ装置のいずれかに好適である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、アンテナエレメント３が複数の直線部と折り曲げ部とで構成された矩形渦状に形成されているが、全体的に連続した曲線で構成された丸形渦状に形成しても構わない。

また、銅線等による導体線でアンテナエレメント３を形成したが、他の導体物で形成しても構わない。例えば、板金を打ち抜いて帯状（断面形状が矩形）に形成したアンテナエレメントを構成しても良い。
さらに、上述したように、突出エレメント部３ｄを基材２に向けて突出させることが小型化等の面で好ましいが、基材２と反対方向などの他の方向に突出エレメント部３ｄを突出させて設けても構わない。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、アンテナ装置を示す簡易的な斜視図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す簡易的な平面図である。 本実施形態において、複数のπ型ＬＣ回路を有する整合回路部を示す等価回路図である。 本実施形態において、指向性パターンの測定に用いた整合回路部を示す等価回路図である。 本実施形態の比較例（１）において、アンテナ装置を示す簡易的な平面図である。 本実施形態の比較例（１）において、アンテナ装置の平行面内での指向性パターンを示すグラフである。 本実施形態の比較例（２）において、アンテナ装置を示す簡易的な斜視図である。 本実施形態の比較例（２）において、アンテナ装置の平行面内での指向性パターンを示すグラフである。 本実施形態において、アンテナ装置の平行面内での指向性パターンを示すグラフである。 本実施形態の変形例（１）において、アンテナ装置を示す簡易的な斜視図である。 本実施形態の変形例（１）において、アンテナ装置の平行面内での指向性パターンを示すグラフである。 本実施形態の変形例（２）において、アンテナ装置を示す簡易的な斜視図である。 本実施形態の変形例（２）において、アンテナ装置の平行面内での指向性パターンを示すグラフである。

符号の説明

１…給電点、２…基材、３、１３、２３、３３、４３…アンテナエレメント、３ａ…立ち上げ部、３ｂ…チューニング部、３ｃ…開放エレメント部、３ｄ…突出エレメント部、４…整合回路部、Ｚ…給電線

Claims (5)

1. 給電線が接続される給電点が設けられた基材と、
   前記給電点に接続され前記基材上に立設されたアンテナエレメントと、
   前記給電点と前記アンテナエレメントとの間に接続されて前記基材上に設けられ前記アンテナエレメントと前記給電線とのリアクタンスを整合する整合回路部と、を備え、
   前記アンテナエレメントが、前記基材から立ち上がる立ち上げ部と、
   該立ち上げ部の上端部から前記基材に対する平行面内で一方向へ延びてから途中で屈曲又は湾曲して前記一方向の逆方向に沿って延びる指向性又は偏波を是正するチューニング部と、
   該チューニング部の先端部から前記立ち上げ部を起点にして前記平行面内で渦状に回転する方向へ延びる開放エレメント部と、
   前記チューニング部から突出し開放端を有して指向性又は偏波を是正する少なくとも１本の突出エレメント部と、を有していることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記突出エレメント部が、前記基材に向けて突出していることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置において、
   前記突出エレメント部の先端部が、前記基材に当接していることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記開放エレメント部の先端部に前記突出エレメント部を追加したことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記整合回路部が、インダクタンス又はコンデンサで構成されるπ型ＬＣ回路を一段又は複数段設けた回路構成であることを特徴とするアンテナ装置。