JP5599098B2

JP5599098B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP5599098B2
Application number: JP2010172731A
Authority: JP
Inventors: 威山保; 典孝寺下; 和也松永; 成志永見
Original assignee: Yokowo Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN102427170A; JP2012034226A; CN102427170B; EP2413425B1; EP2413425A2; EP3477769A1; US20120026050A1; US8519898B2; EP2413425A3; DE202011110929U1

Description

本発明は、ＦＭ放送を受信するＦＭアンテナおよびＧＰＳ信号または／および衛星デジタル放送等の円偏波信号を受信する平面アンテナが組み込まれたアンテナ装置に関するものである。

車両に搭載されるアンテナ装置にあっては、ＦＭ放送や衛星デジタル放送または／およびＧＰＳ信号を受信するためのアンテナがそれぞれに必要であるが、これらのアンテナを別々に配設したのでは美観が損なわれることから、１つのアンテナ装置の筐体内に複数のアンテナが組み込まれている。また、アンテナ装置としては、小型で低い姿勢のアンテナ装置が望ましい。そこで、ＦＭアンテナとして、ロッドアンテナに代えて天頂容量型モノポールアンテナの利用が考えられる。この天頂容量型モノポールアンテナを利用した例が、特開２０１０−２１８５６号公報（特許文献１）および特開２００９−１３５７４１号公報（特許文献２）に示されるている。しかも、特許文献１に示されたアンテナ装置にあっては、ＦＭアンテナとＧＰＳ信号を受信するための平面アンテナが組み込まれている。また、特許文献２に示されたアンテナ装置にあっては、ＦＭアンテナと衛星デジタル放送を受信するための平面アンテナが組み込まれている。
特開２０１０−２１８５６号公報特開２００９−１３５７４１号公報

上記の特開２０１０−２１８５６号公報に示された技術は、ＦＭアンテナとして使用される天頂容量型モノポールアンテナの容量板をアンテナベース板の上方に離した位置にアンテナベース板の平面に沿うように配設しているので、比較的に低い姿勢のアンテナ装置が実現できる。しかるに、アンテナベース板の上で容量板の下方に平面アンテナを配設した場合には、容量板の影響により平面アンテナの利得が損なわれることが予測される。

また、特開２００９−１３５７４１号公報に示された技術にあっては、ＦＭアンテナとして使用されるモノポールアンテナをアンテナベース板に対して立設しているので、アンテナベース板の上でＦＭアンテナの下方に配設された平面アンテナはＦＭアンテナの影響を受け難いことが予測される。しかるに、ＦＭアンテナをアンテナベース板に対して立設しているために、アンテナ装置としては低い姿勢にすることができない。

本発明者らは、まず特開２０１０−２１８５６号公報に示された技術のごとく、ＦＭアンテナとして使用される天頂容量型モノポールアンテナの容量板をアンテナベース板の上方に離した位置にアンテナベース板の平面に沿うように配設し、アンテナベース板の上で容量板の下方に平面アンテナを配設した場合に、容量板の影響により平面アンテナの利得がどの程度損なわれるかを確認する測定を行った。図１４は、容量板の下方に配設されたＧＰＳパッチアンテナの利得測定を行うための模擬的なモデルの斜視図である。地板１０の中心に平面アンテナであるＧＰＳパッチアンテナ１２を配設し、その上方の高さＨが５０ｍｍの位置に、天頂容量型モノポールアンテナの容量板１４を配設した。この容量板１４は、長さＬが１００ｍｍで幅Ｗが３０ｍｍである。図１５は、図１４の構造で、ＧＰＳパッチアンテナ１２の中心から容量板１４の中心が幅方向および長さ方向にずれた場合のＧＰＳパッチアンテナ１２の利得の変化を示したものである。ＧＰＳパッチアンテナ１２は、容量板１４がなければ天頂方向に７ｄＢｉｃの利得がある。それが容量板１４の中心からのずれで幅方向で±２５ｍｍ程度、長さ方向で±３０ｍｍ程度の範囲では、３〜４ｄＢｉｃとなりかなり大きく利得が低下している。また、容量板１４の中心からのずれで幅方向で±４５ｍｍ程度、長さ方向で±５０ｍｍ程度の範囲では、４〜５ｄＢｉｃとなり大きく利得が低下している。この容量板１４による影響は、ＧＰＳパッチアンテナ１２の中心から容量板１４の中心を大きくずらせば、軽減させることは可能であるが、アンテナ装置としての設置面積が大きくなる。

そこで、特開２０１０−２１８５６号公報に示された技術のごとく、ＦＭアンテナとして使用される天頂容量型モノポールアンテナの容量板をアンテナベース板の上方に離した位置にアンテナベース板の平面に沿うように配設することで、アンテナ装置を低い姿勢とし、しかもアンテナベース板の上で容量板の下方に配設された平面アンテナが、容量板の影響を受けないことが望まれる。

本発明は、上述のごとき要望に基づき、天頂容量型モノポールアンテナの容量板を平板状のアンテナベース板の上方に離してアンテナベース板の平面に沿うように配設し、しかもアンテナベース板の上で容量板の下方に配設された円偏波信号を受信するための平面アンテナが、容量板の影響を受けないアンテナ装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために本発明のアンテナ装置は、ＦＭアンテナとして使用する天頂容量型モノポールアンテナの容量板を平板状のアンテナベース板の上方に離して前記アンテナベース板の平面に沿うように配設し、前記アンテナベース板の上で前記容量板の下方に円偏波信号を受信するための平面アンテナを配設したアンテナ装置において、前記容量板の幅方向の寸法を前記平面アンテナの受信周波数の略１／４波長以下に設定するとともに、前記幅方向の縁で折り返して長さ方向に伸びるミアンダ状に設定して構成されている。

また、前記容量板を、前記幅方向の縁が前記アンテナベース板に近くて前記幅方向の中央部が前記アンテナベース板から離れるように断面を上方が凸状に折り曲げて形成し、前記幅方向の一方の縁から他方の縁までの経路の長さを前記平面アンテナの受信周波数の略１／４波長以下に設定して構成しても良い。

請求項１記載のアンテナ装置にあっては、ＦＭアンテナとして使用する天頂容量型モノポールアンテナの容量板を、その幅方向の寸法を平面アンテナの受信周波数の略１／４波長以下に設定しているので、平面アンテナで受信する円偏波信号における容量板の幅方向の偏波成分が、容量板の影響を受けづらい。また、容量板を、幅方向の縁で折り返して長さ方向に伸びるミアンダ状に設定しているので、平面アンテナで受信する円偏波信号における容量板の長さ方向の偏波成分が、容量板を構成するミアンダラインのうち、容量板の幅方向に略平行に配設されたラインに対して直交することとなり、容量板の影響を受けづらい。しかも、幅方向の縁における折り返し部分のラインの長さは比較的短くて影響を受けづらい。そして、周知のように、円偏波信号は直交する２方向の偏波成分を合成した信号である。そこで、幅方向と長さ方向の２方向で影響を受けづらいことから、これらの２方向の偏波成分を合成してなる円偏波信号は影響を受けづらい。もって、上方に配設された容量板により平面アンテナで円偏波信号を受信する利得は影響を受けない。

請求項２記載のアンテナ装置にあっては、容量板を、幅方向の縁がアンテナベース板に近くて幅方向の中央部がアンテナベース板から離れるように断面を上方が凸状に折り曲げて形成しているので、アンテナ装置の外観が高さ方向に薄くなるデザインを採用するのに好適である。また、幅方向の一方の縁から他方の縁までの経路の長さを平面アンテナの受信周波数の略１／４波長以下に設定しているので、平面アンテナで受信する円偏波信号における容量板の幅方向の偏波成分が、容量板の影響を受けづらい。

以下、本発明の第１実施例を図１ないし図８を参照して説明する。図１は、本発明のアンテナ装置の第１実施例の構造を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は左側面図である。図２は、下方に配設される平面アンテナの利得が損なわれない構造の容量板を得るための測定モデルの斜視図である。図３は、図２の測定モデルにおいて、容量板の幅Ｗとミアンダ状のライン間隔Ｄを変化させて測定した仰角１０度以上の平均利得の測定データの表である。図４は、図３の測定データを示すグラフである。図５は、図２の測定モデルにおいて、容量板の幅Ｗと高さＨを変化させて測定した仰角１０度以上の平均利得の測定データの表である。図６は、図５の測定データを示すグラフである。図７は、ＦＭアンテナとしての利得の測定モデルであり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。図８は、容量板のミアンダ状のライン間隔を変化させた場合と、容量板を板状とした場合の、周波数変化に対する利得の測定データの表である。

図１に示す本発明のアンテナ装置の第１実施例にあっては、アンテナベース板２０に、コイルエレメント２２が軸方向を垂直にして立設され、その先端に容量板２４としてのミアンダ状エレメントの先端が電気的接続されて配設されている。このコイルエレメント２２のインダクタンス成分と容量板２４のキャパシタンス成分により天頂容量型モノポールアンテナが構成され、ＦＭアンテナとして使用される。容量板２４は、一平面状にあり、アンテナベース板２０の上方に高さＨだけ離れた位置にアンテナベース板２０の平面にほぼ並行に沿うように配設され、幅Ｗ方向の縁で交互にコ字状に折り返してライン間隔Ｄで長さＬの方向に伸びるミアンダ状に設定される。この容量板２４の下方でアンテナベース板２０の上に、平面アンテナとして円偏波信号のＧＰＳ信号を受信するためのＧＰＳパッチアンテナ１２が配設されている。ＧＰＳパッチアンテナ１２は、基板１２ａの上面全体に設けられた地板１２ｂを備えている。さらに、アンテナベース板２０の上で容量板２４に覆われない部分に、携帯電話受信用アンテナ２８が配設されている。なお、ＦＭアンテナを、ＡＭ放送受信用アンテナとしても使用している。もって、第１実施例のアンテナ装置には、ＦＭ放送、ＡＭ放送、携帯電話、ＧＰＳ信号を受信するための複数のアンテナが組み込まれている。

さらに、容量板２４の下方に配設される平面アンテナで受信する円偏波信号の利得が損なわれないようにするための容量板２４の構造につき説明する。まず、図２に示す測定モデルにあっては、図１４と同様に、地板１０の中心にＧＰＳパッチアンテナ１２を配設し、その上方で高さＨが５０ｍｍの位置に、容量板２４を配設する。ＧＰＳパッチアンテナ１２の中心に容量板２４の中心が、平面上方から見て一致するように配設されている。そして、容量板２４の長さＬを１００ｍｍとしミアンダ状のラインの幅を１ｍｍとして、幅Ｗを２０、３０、５０、５５、７５、１００ｍｍと変化させ、またミアンダ状のライン間隔Ｄを１、２．５、５ｍｍと変化させてＧＰＳパッチアンテナ１２の仰角１０度以上の平均利得を測定した。これは実用上において仰角１０度以上でＧＰＳ信号を受信しているためである。その測定結果を図３に表として示している。さらに、この図３に示す測定データを、図４にグラフとして示した。図４のグラフに示されるごとく、幅Ｗが２０、３０、５０ｍｍの範囲では、グラフ線がほぼ重なり利得の変化は大きくないが、幅Ｗが５５ｍｍとなると利得が大きく損なわれている。これは幅Ｗの５０ｍｍがＧＰＳパッチアンテナ１２の受信周波数である１５７５．４２ＭＨｚのほぼ１／４波長に相当するためと推測できる。また、ミアンダ状のライン間隔Ｄに関しては、間隔が広くなるほど利得が低下しているがその低下は僅かであり、ライン間隔Ｄは利得に大きく影響しないとの知見が得られる。

また、図２に示す測定モデルにおいて、容量板２４の長さＬを１００ｍｍとしミアンダ状のラインの幅が１ｍｍでライン間隔Ｄも１ｍｍとして、幅Ｗを２０、３０、４０、５０、５５、１００ｍｍと変化させ、また高さＨを１０、２０、３０、４０、５０ｍｍと変化させて、ＧＰＳパッチアンテナ１２の仰角１０度以上の平均利得を測定した。その測定結果を図５に表として示している。さらに、この図５に示す測定データを、図６にグラフとして示した。図６のグラフに示されるごとく、幅Ｗが２０、３０、５０ｍｍの範囲では、グラフ線がほぼ同じであり利得の変化は大きくないが、幅Ｗが５５ｍｍとなると利得がやや損なわれている。これも幅Ｗの５０ｍｍが、ＧＰＳパッチアンテナ１２の受信周波数である１５７５．４２ＭＨｚのほぼ１／４波長に相当するためと推測できる。そして、高さＨは、２０ｍｍ以上であれば、すなわちＧＰＳパッチアンテナ１２の受信周波数のほぼ１／１０波長以上あれば、利得はほぼ一定と見なすことができる。

図２に示す測定モデルによる測定から、容量板２４の幅Ｗが、下方に配設される平面アンテナの受信周波数の１／４波長以下であれば、幅方向の偏波成分に対して利得を低下させるような影響を与えることがない。また、容量板２４が、幅方向の縁で折り返して長さ方向に伸びるミアンダ状に設定することで、平面アンテナの受信波における容量板２４の長さ方向の偏波成分が、幅方向に略平行に配設されたラインに対して直交することとなり影響を受けづらい。しかも、幅方向の縁で折り返す部分のラインの長さは比較的短くて影響を受けづらい。そして、周知のように、円偏波信号は直交する２方向の偏波成分を合成した信号である。そこで、幅方向と長さ方向の２方向で影響を受けづらいことから、これらの２方向の偏波成分を合成してなる円偏波信号は影響を受けづらい。もって、上方に配設された容量板２４により平面アンテナで円偏波信号を受信する利得は影響を受けることがない。

上述のごとく、容量板２４をミアンダ状とすることで、その下方に配設される平面アンテナは利得が低下することがない。そこでさらに、容量板２４をミアンダ状にしたことによってＦＭアンテナとしての特性への影響を測定した。図７に示すＦＭアンテナとしての利得を測定するための測定モデルは、コイルエレメント２２の先端に容量板２４が配設されてＦＭアンテナとしての天頂容量型モノポールアンテナが構成されている。この測定モデルにおいて、容量板２４の幅Ｗは４０ｍｍであり、長さＬは１００ｍｍであり、ミアンダ状のライン間隔Ｄを１、５、２０、５０ｍｍと変化させて測定した。また、容量板を幅Ｗが４０ｍｍで長さＬが１００ｍｍの１枚の板状としたものも同様に測定した。その結果、図８に示す表のごとく、ミアンダ状のライン間隔Ｄを変化させてもそれぞれの周波数において利得はほぼ同じであった。しかも、容量板を１枚の板状としたものと、容量板２４をミアンダ状としたものと比較しても、それぞれの周波数において利得はほぼ同じであった。これらの測定結果から、容量板２４はミアンダ状としてライン間隔Ｄを変更してもＦＭ放送を受信する利得に大幅な変化はなく、１枚の板状のものと同じように作用している。もって、容量板２４は、ミアンダ状を引き延ばした状態のポールアンテナとしては、全く作用してないものと思われる。

さらに、上述の知見を適用してより実用的なアンテナ装置の構造例につき第２実施例として説明する。図９は、本発明のアンテナ装置の第２実施例の斜視図である。図１０は、図９の分解斜視図である。図１１は、第２実施例における容量板の構造を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は先端側（左側）端面図であり、（ｃ）は後端側（右側）端面図である。図１２は、図９に示す第２実施例の構造で、ＸＭ衛星デジタルラジオ放送受信用のパッチアンテナ（以下、ＸＭパッチアンテナと称する。）の仰角に対する平均利得を測定したデータのグラフである。図１３は、図９に示す第２実施例の構造で、ＧＰＳパッチアンテナの仰角に対する平均利得を測定したデータのグラフである。図９および図１１において、図１に示された部材と同じ若しくは均等なものには同じ符号を付けて重複する説明を省略する。

図９ないし図１１に示す第２実施例のアンテナ装置にあっては、容量板２４の下方でアンテナベース板２０の上にＧＰＳパッチアンテナ１２のほかに衛星デジタル放送の円偏波信号を受信するためのＸＭパッチアンテナ２６も配設されている。なお、ＸＭパッチアンテナ２６は、基板２６ａの上面全体に設けられた地板２６ｂを備えている。また、容量板２４は、一平面状でなく、幅方向の縁がアンテナベース板２０に近くて幅方向の中央部がアンテナベース板２０から離れるように断面を上方が凸状の略コ字状で下開口側がより大きく開いた状態に折り曲げて形成され、しかもコイルエレメント２２に接続される図１１（ｂ）に示す先端側に比べて、図１１（ｃ）に示す後端側の略コ字状が大きく設定されている。かかる容量板２４の形状は、アンテナ装置の高さ方向に薄くなる外観デザインに対応させたものである。その結果、図１１の示すごとく、容量板２４は、長さＬが９９ｍｍで、幅方向の一方の縁から他方の縁までの経路のラインの合計長さが最長となる後端側で約３７ｍｍであり、ミアンダ状のラインの幅は１ｍｍでライン間隔Ｄは２ｍｍに設定されている。なお、容量板２４を第２実施例のごとく幅Ｗ方向で折り曲げた場合には、幅方向の一方の縁から他方の縁までの経路の長さ、すなわち容量板２４を１枚の平面状に展開した状態の幅Ｗの大きさが、下方に配設された平面アンテナの利得に影響するように推測される。ここで、ＸＭパッチアンテナ２６で受信する衛星デジタル放送の受信周波数は、２３４５ＭＨｚであり、上記のＧＰＳパッチアンテナ１２に対して利得を低下させない容量板２４の構造に関する知見を適用すれば、容量板２４を１枚の平面状に展開した状態の幅Ｗを、ＸＭパッチアンテナ２６で受信する衛星デジタル放送の受信周波数の１／４波長以下の３０ｍｍ以下とすることが望ましい。しかしながら、第２実施例では、幅Ｗの寸法が長さ方向の一部分で１／４波長以上であり、ＸＭパッチアンテナ２６の利得が低下することが予測される。

そこで、図９に示す第２実施例において、ＸＭパッチアンテナ２６の利得を測定した。その測定結果を図１２のグラフに示す。図１２において、上方に容量板２４が存在しない場合が破線で示され、上方に容量板２４が存在する場合が実線で示されている。容量板２４の存在により、若干利得は低下するものの、２０〜６０度の仰角の範囲で、一点鎖線で示される実用的に必要とされる２ｄＢｉｃ以上の利得が得られている。この利得が若干低下している原因は、容量板２４の少なくとも長さ方向の一部分の幅がＸＭパッチアンテナ２６で受信する衛星デジタル放送の受信周波数の１／４波長以上となっているためである。また、ＧＰＳパッチアンテナ１２の利得も測定した。ここで幅Ｗ３０ｍｍは、ＧＰＳ信号の１５７５．４２ＭＨｚの略１／６波長に相当する。測定結果を図１３のグラフに示す。図１３において、上方に容量板２４が存在しない場合が破線で示され、上方に容量板２４が存在する場合が実線で示されている。容量板２４の有無に関わらず、２０〜６０度の仰角の範囲で、ほぼ同じ利得が得られている。

なお、アンテナ装置にあっては、実用的に使用できるだけの利得が得られれば良く、必ずしも技術的に最善の構造が採用される必要はない。そこで、第２実施例の容量板２４のごとく、幅Ｗが平面アンテナの受信周波数の１／４波長以上であっても、要望される実用感度が得られていれば何ら問題とならない。また、容量板２４の幅Ｗの変化による平面アンテナの利得の変化は、幅Ｗが１／４波長を越えたところで急激に変化するものでなく緩やかな変化となる。そこで、特許請求の範囲には、１／４波長以下との語句を使用しているが、技術的には実用感度が得られる範囲である程度の幅を有することは容易に理解されるであろう。また、容量板２４のミアンダの形状にあっても、幅方向の縁でコ字状に折り返すように折り曲げられた形状に限られず、Ｕ字状若しくはＶ字状に折り返す形状のものであっても良い。容量板２４の長さＬおよび高さＨは、アンテナ装置の全体の外形寸法から自ずと制約されることは当然である。

本発明のアンテナ装置の第１実施例の構造を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は左側面図である。下方に配設される平面アンテナの利得が損なわれない構造の容量板を得るための測定モデルの斜視図である。図２の測定モデルにおいて、容量板の幅Ｗとミアンダ状のライン間隔Ｄを変化させて測定した仰角１０度以上の平均利得の測定データの表である。図３の測定データを示すグラフである。図２の測定モデルにおいて、容量板の幅Ｗと高さＨを変化させて測定した仰角１０度以上の平均利得の測定データの表である。図５の測定データを示すグラフである。ＦＭアンテナとしての利得の測定モデルであり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。容量板のミアンダ状のライン間隔を変化させた場合と、容量板を板状とした場合の、周波数変化に対する利得を示すグラフである。本発明のアンテナ装置の第２実施例の斜視図である。図９の分解斜視図である。第２実施例における容量板の構造を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は先端側（左側）端面図であり、（ｃ）は後端側（右側）端面図である。図９に示す第２実施例の構造で、ＸＭパッチアンテナの仰角に対する平均利得を測定したデータのグラフである。図９に示す第２実施例の構造で、ＧＰＳパッチアンテナの仰角に対する平均利得を測定したデータのグラフである。容量板の下方に配設されたＧＰＳパッチアンテナの利得測定を行うための模擬的なモデルの斜視図である。図１４において、ＧＰＳパッチアンテナの中心から容量板の中心が幅方向および長さ方向にずれた場合のＧＰＳパッチアンテナの利得の変化を示したものである。

１０、１２ｂ、２０、２６ｂ地板
１２ＧＰＳパッチアンテナ
１２ａ、２６ａ基板
１４、２４容量板
２２コイルエレメント
２６ＸＭパッチアンテナ

Claims

ＦＭアンテナとして使用する天頂容量型モノポールアンテナの容量板を平板状のアンテナベース板の上方に離して前記アンテナベース板の平面に沿うように配設し、前記アンテナベース板の上で前記容量板の下方に円偏波信号を受信するための平面アンテナを配設したアンテナ装置において、前記容量板の幅方向の寸法を前記平面アンテナの受信周波数の略１／４波長以下に設定するとともに、前記幅方向の縁で折り返して長さ方向に伸びるミアンダ状に設定して構成したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１記載のアンテナ装置において、前記容量板を、前記幅方向の縁が前記アンテナベース板に近くて前記幅方向の中央部が前記アンテナベース板から離れるように断面を上方が凸状に折り曲げて形成し、前記幅方向の一方の縁から他方の縁までの経路の長さを前記平面アンテナの受信周波数の略１／４波長以下に設定して構成したことを特徴とするアンテナ装置。