JP5115326B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに関する。

従来、キーレスエントリーシステムやスマートエントリーシステムといった無線通信を利用する車載システムにおいては、様々な形態のアンテナが利用されているが、その一つとして、下記特許文献１には、磁界アンテナが開示されている。

この磁界アンテナは、ループアンテナと呼ばれるタイプのアンテナで、比較的小型に構成することができるので、車両のＣピラーや天井などの狭い設置空間内に搭載するには好都合なものであった。
特開２００７−０１３３１８号公報

ところで、この種のアンテナを利用して無線通信を行う場合に、十分な送受信距離を稼ぐには、アンテナの利得向上を図ることが効果的であり、アンテナの利得向上を図るには、一般的には、アンテナを高くすると相応の効果を期待することができる。

しかし、上述の通り、車両に搭載されるアンテナは、車両のＣピラーや天井に搭載されることも多く、この場合、アンテナをごく狭い設置空間内に配設しなければならないため、アンテナの高さを自由に高くすることはできなかった。

こうした問題に対し、本件発明者は、アンテナの高さを従来品と同程度に維持したままアンテナの利得向上を図る手法について鋭意検討を重ね、その結果、従来利用してきたアンテナに対して、さらに特定のエレメント部を追加することで、アンテナの利得向上を達成できることを見いだすに至った。

本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、その目的は、従来品と同程度の高さながら、従来品よりも利得を向上させることができるアンテナを提供することにある。

以下、本発明において採用した構成について説明する。
請求項１に記載のアンテナにおいて、第１基部、第２基部、第１エレメント部、および第２エレメント部は、従来品も同様の構造を備えていた部分である。一方、請求項１に記載のアンテナは、第１基部、第２基部、第１エレメント部、および第２エレメント部の位置関係を変えることなく、さらに、補助エレメント部を備えており、この点で、従来品とは異なる構造になっている。

そのため、上記補助エレメント部が設けられたアンテナによれば、補助エレメント部相当の構造を備えていない従来品に比べ、アンテナの利得が向上する。このような補助エレメント部を設けたことによってアンテナの利得が向上することは、発明者が様々な実験を重ねる中で見いだした事実であり、利得が向上する原因については、現時点では必ずしも明確に解明されてはいない。

ただし、利得が向上する要因の一つとしては、次のようなことが推察される。すなわち、まず、第１基部、第２基部、第１エレメント部、および第２エレメント部相当の構造を備える従来品の場合、給電点からグランドへと流れる電流は、主に給電点から、第１基部、第１エレメント部、および第２基部を経て、グランドに至る導電経路を流れる。また、第２エレメント部経由の導電経路にも電流は流れるが、その電流はごく僅かで、第２エレメント部経由の導電経路においては、相応に大きな損失が発生していたものと推察される。

これに対し、請求項１に記載のアンテナにおいて、補助エレメント部は、給電点からグランドに至る経路長が第１エレメント部のなす経路長よりも長くて第２エレメント部のなす経路長よりも短い導電経路を形成している。そのため、第１基部から第２基部へ向かって電流を流すことができる導電経路は従来品よりも多くなり、特に、第２エレメント部経由の導電経路よりも経路長の短い導電経路が追加されるので、その分、従来品よりも損失が抑制されて、アンテナの利得向上に好影響をもたらすのではないかと推察される。

なお、この他にも何らかの要因が利得向上に関与している可能性はあるが、いずれにしても補助エレメント部を設けたことによる効果は、実験的に裏付けられた事実なので、上記のような補助エレメント部を設けることで、所期の効果は得られるものと期待できる。

また、上述した補助エレメント部は、１つを追加するだけでも、相応にアンテナの利得向上を図ることができるものであるが、発明者が実験的に確認した結果によれば、補助エレメント部の数を増やすほど利得は向上する傾向がある。

したがって、好ましくは、請求項２に記載の通り、補助エレメント部を複数設けるとよく、その場合、複数の補助エレメント部は、互いに間隔を空けた状態で第１基部と第２基部との間に架設されていると好ましい。

また、第１基部、および第２基部の具体的形態については、特に限定されないが、一例を挙げれば、請求項３に記載の通り、第１基部は、基板に対して垂直に立設された第１立設部と、第１立設部の一端から直角に折れ曲がって基板と平行に延びる第１延出部とを有するもの、第２基部は、基板に対して垂直に立設されて第１立設部と平行に延びる第２立設部と、第２立設部の一端から直角に折れ曲がって基板と平行且つ第１延出部と平行に延びる第２延出部とを有するものとされ、第１エレメント部、第２エレメント部、および補助エレメント部は、第１延出部と第２延出部との間に架設されているとよい。

この場合、第２エレメント部の架設位置は、第１立設部および第２立設部からの距離が、第１立設部および第２立設部から第１エレメント部の架設位置までの距離よりも長くなる位置とされているとよく、これにより、第２エレメント部経由で給電点−グランド間に形成される導電経路は、第１エレメント部経由の導電経路よりも経路長が長い導電経路となる。

また、補助エレメント部の架設位置は、第１立設部および第２立設部からの距離が、第１立設部および第２立設部から第１エレメント部の架設位置までの距離よりも長くなり、且つ、第１立設部および第２立設部から第２エレメント部の架設位置までの距離よりも短くなる位置とされているとよく、これにより、補助エレメント部経由で給電点−グランド間に形成される導電経路は、第１エレメント部経由の導電経路よりも経路長が長く、且つ、第２エレメント部経由の導電経路よりも経路長が短い導電経路となる。

したがって、このような具体的形態を採用したアンテナによれば、本発明でいう補助エレメント部相当の構造を備えていない従来品に比べ、アンテナの利得が向上する。
さらに、上記のような第１延出部、第２延出部、第１エレメント部、および第２エレメント部を設ける場合、これら各部は、請求項４に記載の通り、前記基板の表面に対して垂直な方向から見て、正方形または長方形の環状体を形成しているとよい。

このような具体的形態を採用したアンテナも、本発明でいう補助エレメント部を備えた構造になっているので、この補助エレメント部相当の構造を備えていない従来品に比べ、アンテナの利得が向上する。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
図１(ａ)は、本発明の一実施形態として例示するアンテナの斜視図、図１(ｂ)は、同アンテナの平面図である。

このアンテナ１は、基板２に取り付けられたもので、第１基部１１，第２基部１２、第１エレメント部１３、第２エレメント部１４、補助エレメント部１５、補助支持部１７を備えた構造になっている。

これらの内、第１基部１１は、基板２に対して垂直に立設された第１立設部１１ａと、第１立設部１１ａの一端から直角に折れ曲がって基板２と平行に延びる第１延出部１１ｂとを有する形態になっている。第１立設部１１ａは一端が基板２に固定され、これにより、第１基部１１は給電点２ａに電気的に接続されている。

第２基部１２は、基板２に対して垂直に立設されて第１立設部１１ａと平行に延びる第２立設部１２ａと、第２立設部１２ａの一端から直角に折れ曲がって基板２と平行且つ第１延出部１１ｂと平行に延びる第２延出部１２ｂとを有する形態になっている。第２立設部１２ａは一端が基板２に固定され、これにより、第２基部１２はグランド２ｂに電気的に接続されている。

第１エレメント部１３は、基板２から離間した位置において、第１基部１１と第２基部１２との間に架設されている。より詳しくは、第１エレメント部１３は、第１延出部１１ｂと第２延出部１２ｂとの間に架設され、これにより、第１基部１１と第２基部１２とを電気的に接続し、給電点２ａからグランド２ｂに至る導電経路の一つを形成している。

第２エレメント部１４は、基板２から離間した位置において、第１エレメント部１３との間に間隔Ｇ１を空けた状態で第１基部１１と第２基部１２との間に架設されている。より詳しくは、第２エレメント部１４は、第１延出部１１ｂと第２延出部１２ｂとの間に架設されている。これにより、第２エレメント部１４も、第１エレメント部１３同様、第１基部１１と第２基部１２とを電気的に接続し、給電点２ａからグランド２ｂに至る導電経路の一つを形成している。また、第２エレメント部１４の架設位置は、第１立設部１１ａおよび第２立設部１２ａからの距離Ｌ２が、第１立設部１１ａおよび第２立設部１２ａから第１エレメント部１３の架設位置までの距離Ｌ１よりも長くなる位置とされている。これにより、第２エレメント部１４は、給電点２ａからグランド２ｂに至る経路長が第１エレメント部１３のなす経路長よりも長い導電経路を形成している。

補助エレメント部１５は、基板２から離間した位置において、第１エレメント部１３および第２エレメント部１４の双方との間に間隔Ｇ２，Ｇ３を空けた状態で第１基部１１と第２基部１２との間に架設されている。より詳しくは、補助エレメント部１５は、第１延出部１１ｂと第２延出部１２ｂとの間に架設されている。これにより、補助エレメント部１５も、第１エレメント部１３や第２エレメント部１４同様、第１基部１１と第２基部１２とを電気的に接続し、給電点２ａからグランド２ｂに至る導電経路の一つを形成している。また、補助エレメント部１５の架設位置は、第１立設部１１ａおよび第２立設部１２ａからの距離Ｌ３が、第１立設部１１ａおよび第２立設部１２ａから第１エレメント部１３の架設位置までの距離Ｌ１よりも長くなり、且つ、第１立設部１１ａおよび第２立設部１２ａから第２エレメント部１４の架設位置までの距離Ｌ２よりも短くなる位置とされている。これにより、給電点２ａからグランド２ｂに至る経路長が第１エレメント部１３のなす経路長よりも長くて第２エレメント部１４のなす経路長よりも短い導電経路を形成している。

補助支持部１７は、基板２に対して垂直に立設されており、この補助支持部１７で第２エレメント部１４を支持している。すなわち、補助支持部１７は、第１立設部１１ａおよび第２立設部１２ａとともに、第１延出部１１ｂ、第２延出部１２ｂ、第１エレメント部１３、および第２エレメント部１４のなす長方形の環状体を、基板２から離間した位置に保持する役割を果たしている。ただし、この補助支持部１７は、第１立設部１１ａおよび第２立設部１２ａとは異なり、給電点２ａやグランド２ｂには電気的に接続されておらず、補助支持部１７の基板側端部はオープン（基板２側とは絶縁された状態）になっている。

なお、以上説明したアンテナ１は、従来品と同等に構成された部分に対し、さらに補助エレメント部１５を追加した構造になっている。具体的に説明すると、従来は、図２(ａ)に示すような、補助エレメント部１５相当の構造を備えていないアンテナ２１が利用されていた。これに対し、上記アンテナ１は、補助エレメント部１５が追加されている点で従来のアンテナ２１とは相違するが、その他の部分は、各部の材質や寸法などがアンテナ２１と同等に構成されている。

このような補助エレメント部１５は、いくつ追加されていてもよい。例えば、先に説明したアンテナ１の場合、１本の補助エレメント部１５が設けられているが、図２(ｂ)に示すアンテナ３１のように、複数本（図２(ｂ)に例示したものは３本）の補助エレメント部１５が設けられていてもよい。

次に、上記補助エレメント部１５の有無による性能の違いについて説明する。
補助エレメント部１５の有無による性能の違いを実験的に確認するため、補助エレメント部１５の数が異なる６種にアンテナを用意した。これら６種のアンテナの内、一つは上記補助エレメント部１５を備えていない従来品（比較例）であり、残りの五つは上記補助エレメント部１５を備えているもの（本発明の実施形態に相当するもの）である。

また、補助エレメント部１５を備える五つのアンテナは、補助エレメント部１５の数が互いに異なるものであり、具体的には、１〜５本の補助エレメント部１５を設けたものを用意した。

これらの内、１本の補助エレメント部１５を設けたものは、図１(ａ)に示したアンテナ１であり、３本の補助エレメント部１５を設けたものは、図２(ｂ)に示したアンテナ３１である。また、補助エレメント部１５を備えていない従来品（比較例）は、図２(ａ)に示したアンテナ２１である。なお、補助エレメント部１５を２，４，５本としたものについては図示を省略するが、いずれもアンテナ３１同様、複数（２，４，５本）の補助エレメント部１５は、第１延出部１１ｂと第２延出部１２ｂとの間に並列に架設されたものである。

ちなみに、本実施形態において、これら６種のアンテナは、基板２に対して垂直な方向から平面視した場合の寸法が６５ｍｍ×５７ｍｍ、基板２からの高さが１９．７ｍｍとされている。これら６種のアンテナの性能を測定したところ、下記表１のような結果が得られた。

上記表１を見ると明らかなように、補助エレメント部１５を備えたアンテナは、補助エレメント部１５相当物が無いアンテナ２１に比べ、利得が向上する。また、補助エレメント部１５の数を増やすほど、利得は向上する傾向がある。

このような補助エレメント部１５を設けたことによってアンテナの利得が向上する要因は、必ずしも明確には解明されていないが、市販の電磁界解析ツール（商品名：Microwave Studio）を利用した解析結果からは、次のような要因が推察される。

すなわち、例えば、上記アンテナ１の場合、第１エレメント部１３、第２エレメント部１４、補助エレメント部１５、第１延出部１１ｂ、および第２延出部１２ｂには、それぞれ図１(ｂ）中に示した矢印Ａ１〜Ａ５のような向きに電流が流れる。

ここで、第１エレメント部１３、第２エレメント部１４、および補助エレメント部１５を流れる電流は、同方向に向かって流れるため、アンテナ１の利得アップに寄与することになる。一方、第１延出部１１ｂ、および第２延出部１２ｂを流れる電流は、相対的に反対方向に向かって流れるためキャンセルされ、アンテナ１の利得アップには寄与しないものとなる。

このような前提の下、補助エレメント部１５相当物が無いアンテナ２１との対比を行うと、アンテナ２１においては、補助エレメント部１５相当物に電流が流れることはないのに対し、アンテナ１においては、補助エレメント部１５に電流が流れる。

そのため、アンテナ２１のような補助エレメント部１５相当物が無い構造に比べ、アンテナ１のような構造の方が、アンテナ１の利得アップに寄与する電流を多くすることができるのではないかと推察される。

また、補助エレメント部１５の数を増やすほど利得が向上することからも、補助エレメント部１５へと流れる電流を多くすることが、アンテナ１の利得アップに寄与するのではないかと推察される。

さらに、解析結果からは、大部分の電流が第１エレメント部１３を流れ、第２エレメント部１４や補助エレメント部１５へと流れる電流はごく僅かであることが判明している。このことから、第１エレメント部１３以外に第２エレメント部１４のみしか導電経路がない従来品においては、第２エレメント部１４経由の導電経路での損失が大きく、第２エレメント部１４へと流れる電流が利得アップに有効に寄与していなかった可能性が推察される。

この点、補助エレメント部１５を設ければ、第２エレメント部１４経由の導電経路よりも経路長の短い導電経路が増えるので、第２エレメント部１４経由の導電経路へと流れていた電流は、少なくとも一部が補助エレメント部１５経由の導電経路へも流れるようになり、これにより、損失が抑制されて、アンテナの利得向上が達成されるのではないかと考えられる。

いずれにしても、上記実験結果が示す通り、上述の如き補助エレメント部１５を設ければ、アンテナの高さをさらに高くするようなことをしなくても、アンテナの性能は向上するので、無線通信時の送受信距離を稼ぐことができるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態において、第１エレメント部１３、第２エレメント部１４、および１または２以上の補助エレメント部１５は、すべて互いに平行に配列されていたが、これらは厳密に平行に配列されていなくてもよい。また、第１基部１１と第２基部１２も、互いに平行に配列されていたが、これらは厳密に平行に配列されていなくてもよい。

また、上記実施形態において、第１エレメント部１３、第２エレメント部１４、および１または２以上の補助エレメント部１５は、すべて基板２からの距離が等しい同一面内に配置されていたが、基板２からの距離が異なる位置に配置されていても構わない。

なお、上記実施形態において、アンテナ１の具体的用途については言及していないが、３００ＭＨｚ帯、４００ＭＨｚ帯の電波を利用して無線信号の送受信を行う各種システムにおいて、本発明のアンテナを採用することができる。

より具体的には、車載用途としては、リモートキーレスエントリシステム、スマートエントリーシステム、タイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ；Tire Pressure Monitoring System）、ガレージドアオープナーなどにおいて、無線信号送受信用のアンテナとして利用できる。また、車載用途に限らず、各種ホームセキュリティ用、盗難防止用品、ドッグフェンスなど、離れた位置に設置された機器間で無線通信を行う仕組みを採用している製品において、本発明のアンテナを採用することができる。

本発明の一実施形態として例示するアンテナを示す図であり、(ａ)はその斜視図、(ｂ)はその平面図。 (ａ)は従来のアンテナを示す斜視図、(ｂ)は本発明の別の一実施形態として例示するアンテナを示す斜視図。

符号の説明

１，３１・・・アンテナ、２・・・基板、２ａ・・・給電点、２ｂ・・・グランド、１１・・・第１基部、１１ａ・・・第１立設部、１１ｂ・・・第１延出部、１２・・・第２基部、１２ａ・・・第２立設部、１２ｂ・・・第２延出部、１３・・・第１エレメント部、１４・・・第２エレメント部、１５・・・補助エレメント部、１７・・・補助支持部。

Claims (4)

1. 基板上に配設されて、給電点に電気的に接続された第１基部と、
   前記第１基部との間に間隔を空けた状態で前記基板上に配設されて、グランドに電気的に接続された第２基部と、
   前記基板から離間した位置において、前記第１基部と前記第２基部との間に架設されて、前記第１基部と前記第２基部とを電気的に接続することにより、前記給電点から前記グランドに至る導電経路を形成する第１エレメント部と、
   前記基板から離間した位置において、前記第１エレメント部との間に間隔を空けた状態で前記第１基部と前記第２基部との間に架設されて、前記第１基部と前記第２基部とを電気的に接続することにより、前記給電点から前記グランドに至る経路長が前記第１エレメント部のなす経路長よりも長い導電経路を形成する第２エレメント部と、
   を備えるアンテナにおいて、
   前記基板から離間した位置において、前記第１基部、前記第２基部、前記第１エレメント部、および前記第２エレメント部の位置関係を変えることなく、前記第１エレメント部および前記第２エレメント部の双方との間に間隔を空けた状態で前記第１基部と前記第２基部との間に架設されて、前記第１基部と前記第２基部とを電気的に接続することにより、前記給電点から前記グランドに至る経路長が前記第１エレメント部のなす経路長よりも長くて前記第２エレメント部のなす経路長よりも短い導電経路を形成する補助エレメント部と
   を設けたことを特徴とするアンテナ。
2. 前記補助エレメント部は、複数あり、互いに間隔を空けた状態で前記第１基部と前記第２基部との間に架設されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第１基部は、前記基板に対して垂直に立設された第１立設部と、前記第１立設部の一端から直角に折れ曲がって前記基板と平行に延びる第１延出部とを有し、
   前記第２基部は、前記基板に対して垂直に立設されて前記第１立設部と平行に延びる第２立設部と、前記第２立設部の一端から直角に折れ曲がって前記基板と平行且つ前記第１延出部と平行に延びる第２延出部とを有し、
   前記第１エレメント部は、前記第１延出部と前記第２延出部との間に架設され、
   前記第２エレメント部は、前記第１延出部と前記第２延出部との間に架設され、その架設位置は、前記第１立設部および前記第２立設部からの距離が、前記第１立設部および前記第２立設部から前記第１エレメント部の架設位置までの距離よりも長くなる位置とされており、
   前記補助エレメント部は、前記第１延出部と前記第２延出部との間に架設され、その架設位置は、前記第１立設部および前記第２立設部からの距離が、前記第１立設部および前記第２立設部から前記第１エレメント部の架設位置までの距離よりも長くなり、且つ、前記第１立設部および前記第２立設部から前記第２エレメント部の架設位置までの距離よりも短くなる位置とされている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記第１延出部、前記第２延出部、前記第１エレメント部、および前記第２エレメント部は、前記基板の表面に対して垂直な方向から見て、正方形または長方形の環状体を形成している
   ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。

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