JP5708519B2

JP5708519B2 - 太陽電池一体型アンテナ

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Publication number: JP5708519B2
Application number: JP2012021804A
Authority: JP
Inventors: 三上　成信; 成信三上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: CN103247848A; JP2013162276A; US9178273B2; US20130201063A1

Description

本発明は、太陽電池とアンテナとを一体的に備える太陽電池一体型アンテナに関する。

この種のアンテナとして、例えば特許文献１に開示されている太陽電池搭載アンテナは、太陽電池の上部に、導体フィルムとアレイアンテナ素子とからなるアンテナを備えている。しかしながら、このアンテナは、その一部である導体フィルムが金属材料を薄膜状に形成したものであることから、当該導体フィルムの抵抗率が著しく大きく、従って、アンテナ全体としての損失が増大し、アンテナの利得が著しく低下してしまう。

特開平１０−２７０９２５号公報

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンテナ全体としての損失を抑え、アンテナの利得を改善することができる太陽電池一体型アンテナを提供することにある。

本発明によれば、太陽電池と当該太陽電池の上方に配置された放射素子部を有するアンテナとを備える太陽電池一体型アンテナにおいて、アンテナの一部である放射素子部を、金属材料を薄膜状にして形成するのではなく、金属製の線材によって網状に形成した。このように形成された放射素子部は、その抵抗率が大きくならず、従って、アンテナ全体としての損失を抑え、アンテナの利得を改善することができる。

本発明の第１実施形態に係る太陽電池一体型アンテナの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は太陽電池一体型アンテナの縦断側面図、（ｂ）は誘電体を省略して示す太陽電池一体型アンテナの平面図アンテナの構成を概略的に示す斜視図線材が交わる部分を拡大して示すアンテナの部分拡大図１波長当たりに含まれる線材の数と１波長当たりの分割数との関係を説明するための図１波長当たりの分割数とアンテナに対する太陽光の透過率との関係を示す図第２実施形態に係る図１相当図第３実施形態に係る図１相当図第１実施形態の変形例に係る図１相当図第２実施形態の変形例に係る図１相当図第３実施形態の変形例に係る図１相当図

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１から図５を参照しながら説明する。この実施形態では、平面状に形成されたいわゆるパッチアンテナを備える構成について説明する。図１（ａ）に示すように、太陽電池一体型アンテナ１０は、太陽電池１１とパッチアンテナ１２とを備える。
太陽電池１１は、図１（ｂ）に示すように、この場合、上下方向に見て矩形板状をなし、複数本のバスバー電極１１ａ、および、これらバスバー電極１１ａに直交する複数のグリッド線１１ｂを有している。太陽電池１１は、太陽光を受光した発電セルが発電した電気を各グリッド線１１ｂを介してバスバー電極１１ａに集めて蓄電するようになっている。

パッチアンテナ１２は、特許請求の範囲に記載したアンテナに相当するものであり、太陽電池１１の上方に配置された放射素子部１３を有する。図１（ｂ）および図２に示すように、この放射素子部１３は、細い金属製の線材１３ａによって網状に形成されている。また、パッチアンテナ１２は、太陽電池１１の上方に配置された地板部１４を有する。図１（ｂ）に示すように、この地板部１４も、細い金属製の線材１４ａによって網状に形成されている。また、パッチアンテナ１２は、太陽電池１１の上方であって且つ地板部１４の下方に配置された給電線路部１５を有する。図２に示すように、この給電線路部１５も、細い金属製の線材１５ａによって網状に形成されている。また、この場合、給電線路部１５は、垂直方向に延びる垂直線路部１５Ａと水平方向に延びる水平線路部１５Ｂとからなる。

これら放射素子部１３、地板部１４、および、給電線路部１５は、それぞれを形成する線材１３ａ，１４ａ，１５ａが上下方向に見て相互に重なるように配置されているとともに、それぞれを形成する線材１３ａ，１４ａ，１５ａが上下方向に見てバスバー電極１１ａおよびグリッド線１１ｂに重なるように配置されている。また、これら放射素子部１３、地板部１４、および、給電線路部１５は、透明な誘電体１６によって支えられている。この場合、誘電体１６は、例えばガラス系や樹脂系の材料で構成され、上下方向に見て矩形板状をなしており、その外形が、上下方向に見て太陽電池１１の外形と一致するように形成されている。また、図２に示すように、放射素子部１３と垂直線路部１５Ａとの接続点では、各線材１３ａが交わる位置に垂直線路部１５Ａを構成する線材１５ａが接続されている。また、垂直線路部１５Ａと水平線路部１５Ｂとの接続点では、水平線路部１５Ｂを構成する各線材１５ａが交わる位置に垂直線路部１５Ａを構成する線材１５ａが接続されている。また、垂直線路部１５Ａは、太陽電池一体型アンテナ１０の上下方向に見て、各線材１５ａが相互に直交するように設けられており、これにより、十字状に形成されている。

また、各線材１３ａ，１４ａ，１５ａの線径φ（図３参照）は、それぞれ、パッチアンテナ１２の使用周波数ｆにおける各線材１３ａ，１４ａ，１５ａの表皮深さｄ以上の寸法に設定されている。なお、表皮深さｄ［ｍ］は、次の式（１）により求められる。
ｄ＝√（２／ωμρ）・・・・・・・（１）
ω：２πｆ
ｆ：アンテナの使用周波数［Ｈｚ］
μ：線材の透磁率［Ｈ／ｍ］
ρ：線材の導電率［Ｓ／ｍ］

例えば、アンテナの使用周波数ｆが「１００×１０^６[Ｈｚ]」であり、線材の透磁率が「４π×１０^−７[Ｈ／ｍ]」であり、線材（銅）の導電率が「５８×１０^６[Ｓ／ｍ]」であるとすると、表皮深さｄは「６．６×１０^−６[ｍ]」である。

また、各線材１３ａ，１４ａ，１５ａ間のそれぞれの間隔Ｋ（図３参照）は、次の式（２）を満たすように設定されており、これにより、パッチアンテナ１２の使用周波数ｆから求められる波長λ以下の寸法に設定されているようになっている。
Ｋ＝λ／Ｎ・・・・・・・（２）
λ：アンテナの使用周波数から求められる波長［ｍ］
Ｎ：１波長当たりの分割数

１波長当たりの分割数Ｎは、１波長当たりに含まれる線材によって波長λがいくつに分割されるのかを示すものであり、換言すれば、１波長当たりに含まれる線材の数を示す。例えば、図４（ａ）に示すように、１波長当たりに含まれる線材の数が５本であれば分割数Ｎは４であり、図４（ｂ）に示すように、１波長当たりに含まれる線材の数が３本であれば分割数Ｎは２であり、１波長当たりに含まれる線材の数が２本であれば分割数Ｎは１である。

また、線材の間隔Ｋは、１波長当たりに含まれる線材の数が少ないほど長くなる。また、例えば、パッチアンテナ１２の使用周波数が「１００［ＭＨｚ］」であり、光の速度が「３×１０^８［ｍ／ｓ］」であるとすると、波長λは、「３×１０^８［ｍ／ｓ］」／「１００［ＭＨｚ］」により「３［ｍ］」と求められる。
また、上記構成においては、地板部１４と給電線路部１５の一部である水平線路部１５Ｂとの間に誘電体１６が存在しており、これにより、いわゆるマイクロストリップ伝送路構造が形成されている。放射素子部１３を介して送受信される電波は、このマクロストリップ伝送路構造を通して図示しない回路に伝達されるようになっている。

次に、１波長当たりの分割数Ｎと、パッチアンテナ１２に対する太陽光の透過率Ｔとの関係について図５を参照しながら説明する。なお、図５は、線材の材料が銅（ρ＝５８×１０^６［Ｓ／ｍ］）、使用周波数ｆが１００［ＭＨｚ］の場合の例を示している。また、図５中、符号ａ〜ｃは、何れも線材の線径φが表皮深さｄ以上の場合を示すものであり、この場合、符号ａは、線材の線径φが表皮深さｄの１０．０倍の場合を示し、符号ｂは、線材の線径φが表皮深さｄの３．０倍の場合を示し、符号ｃは、線材の線径φが表皮深さｄの１．０倍の場合を示している。また、符号ｄは、線材の線径φが表皮深さｄの０．３倍、つまり、表皮深さｄ未満の場合を示している。また、図５中、斜線を付して示す領域Ｚ１は、線材の線径φが表皮深さｄ未満となる領域であり、この領域では、パッチアンテナ１２の性能が著しく劣化する。また、図５中、同じく斜線を付して示す領域Ｚ２は、１波長当たりの分割数Ｎが１未満、つまり、１波長当たりに含まれる線材の数が２本未満となり線材間の間隔Ｋが波長λよりも大きくなる領域であり、この領域においても、パッチアンテナ１２の性能が著しく劣化する。また、太陽光の透過率Ｔ（％）は、太陽光がパッチアンテナ１２を通過する度合いを示すものであり、次の式（３）により求められる。
Ｔ＝（（Ｋ−φ）^２／Ｋ^２）×１００・・・・・・・（３）

図５に示すように、符号ａの場合では、１波長当たりの分割数Ｎが「２００」以下であれば、線材の間隔Ｋが十分に長くなり、太陽光の透過率Ｔが９９［％］以上となる。また、符号ｂの場合では、１波長当たりの分割数Ｎが「６００」以下であれば、線材の間隔Ｋが十分に長くなり、太陽光の透過率Ｔが９９［％］以上となる。また、符号ｃの場合では、１波長当たりの分割数Ｎが「２０００」以下であれば、線材の間隔Ｋが十分に長くなり、太陽光の透過率Ｔが９９［％］以上となる。なお、符号ｄの場合、つまり、線材の線径φが表皮深さｄ未満の場合では、１波長当たりの分割数Ｎが「５０００」以下であれば太陽光の透過率Ｔが９９［％］以上となるはずであるが、線径φが表皮深さｄ未満となる領域Ｚ１に含まれてしまうことからパッチアンテナ１２の性能が著しく劣化してしまい、アンテナ機能を十分に発揮することができない。

以上に説明したように本実施形態によれば、太陽電池１１と当該太陽電池１１の上方に配置された放射素子部１３を有するパッチアンテナ１２とを備える太陽電池一体型アンテナ１０は、その一部である放射素子部１３を、金属材料を薄膜状にして形成するのではなく、金属製の線材１３ａによって網状に形成した構成である。このように形成された放射素子部１３は、その抵抗率が大きくならず、従って、パッチアンテナ１２全体としての損失を抑え、パッチアンテナ１２の利得を改善することができる。

また、太陽電池１１の上方に配置されたパッチアンテナ１２の一部である地板部１４も金属製の線材１４ａによって網状に形成し、同じく太陽電池１１の上方であって地板部１４の下方に配置されたパッチアンテナ１２の一部である給電線路部１５も金属製の線材１５ａによって網状に形成した。これにより、地板部１４および給電線路部１５も、その抵抗率が大きくならず、従って、パッチアンテナ１２全体としての損失を一層抑え、パッチアンテナ１２の利得をさらに改善することができる。
また、太陽電池１１の上方に存在する放射素子部１３、地板部１４、および、給電線路部１５は、それぞれを形成する線材１３ａ，１４ａ，１５ａが太陽電池一体型アンテナ１０の上下方向に見て相互に重なるように配置されている。これにより、これら放射素子部１３、地板部１４、および、給電線路部１５が太陽光を遮り難くなり、太陽電池１１に太陽光を十分に受光させることができる。

また、放射素子部１３、地板部１４、および、給電線路部１５は、透明な誘電体１６によって支えられているので、パッチアンテナ１２に対する太陽光の透過率を悪化させることなく、パッチアンテナ１２の各要素、この場合、放射素子部１３、地板部１４、および、給電線路部１５を安定して支えることができる。
また、この誘電体１６は、その外形が、太陽電池一体型アンテナ１０の上下方向に見て太陽電池１１の外形と一致していることから、太陽電池１１の上面全体を外部にさらすことなく保護することができる。

また、各線材１３ａ，１４ａ，１５ａの線径φを、パッチアンテナ１２の使用周波数ｆから求められる各線材の表皮深さｄ以上の寸法に設定し、さらに、各線材１３ａ，１４ａ，１５ａ間のそれぞれの間隔Ｋを、パッチアンテナ１２の使用周波数ｆから求められる波長λ以下の寸法に設定した。これにより、パッチアンテナ１２の性能を損なうことなく十分に発揮することができる。
また、各線材１３ａ，１４ａ，１５ａを、太陽電池一体型アンテナ１０の上下方向に見て太陽電池１１のバスバー電極１１ａおよびグリッド線１１ｂに重なるように配置した。これにより、各線材１３ａ，１４ａ，１５ａが太陽光を遮り難くなり、太陽電池１１に太陽光を十分に受光させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６を参照しながら説明する。この実施形態では、いわゆる逆Ｆ型アンテナを備える構成について説明する。以下、第１実施形態と異なる点のみを説明する。図６（ａ）に示すように、太陽電池一体型アンテナ２０は、上記したパッチアンテナ１２に代わり、逆Ｆ型アンテナ２２を備える。
この逆Ｆ型アンテナ２２は、特許請求の範囲に記載したアンテナに相当するものであり、太陽電池１１の上方に配置された放射素子部２３を備える。図６（ｂ）に示すように、この放射素子部２３は、細い金属製の線材２３ａによって網状に形成されている。また、また、逆Ｆ型アンテナ２２は、太陽電池１１の上方に配置された地板部２４を有する。図６（ｂ）に示すように、この地板部２４も、細い金属製の線材２４ａによって網状に形成されている。また、逆Ｆ型アンテナ２２は、太陽電池１１の上方であって且つ地板部２４の下方に配置された給電線路部２５を有する。詳しい図示は省略するが、この給電線路部２５も、細い金属製の線材によって網状に形成されている。また、この場合、給電線路部２５は、垂直方向に延びる垂直線路部２５Ａと水平方向に延びる水平線路部２５Ｂとからなる。また、逆Ｆ型アンテナ２２は、放射素子部２３の端部と地板部２４とを連結する連結線路部２６を有する。詳しい図示は省略するが、この連結線路部２６も、細い金属製の線材によって網状に形成されている。

本実施形態によっても、逆Ｆ型アンテナ２２の一部である放射素子部２３を、金属製の線材２３ａによって網状に形成したので、放射素子部２３の抵抗率が大きくならず、逆Ｆ型アンテナ２２全体としての損失を抑え、逆Ｆ型アンテナ２２の利得を改善することができる。さらに、逆Ｆ型アンテナ２２の他の構成要素である地板部２４、給電線路部２５、および、連結線路部２６も、細い金属製の線材によって網状に形成したので、逆Ｆ型アンテナ２２全体としての損失を一層抑えることができ、逆Ｆ型アンテナ２２の利得をさらに改善することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７を参照しながら説明する。この実施形態では、いわゆるダイポールアンテナを備える構成について説明する。以下、第１実施形態と異なる点のみを説明する。図７（ａ）に示すように、太陽電池一体型アンテナ３０は、上記したパッチアンテナ１２に代わり、ダイポールアンテナ３２を備える。
このダイポールアンテナ３２は、特許請求の範囲に記載したアンテナに相当するものであり、太陽電池１１の上方に配置された２つの放射素子部３３Ａ，３３Ｂを備える。図７（ｂ）に示すように、これら放射素子部３３Ａ，３３Ｂは、何れも細い金属製の線材３３ａによって網状に形成されている。また、また、ダイポールアンテナ３２は、太陽電池１１の上方に配置された地板部３４を有する。図７（ｂ）に示すように、この地板部３４も、細い金属製の線材３４ａによって網状に形成されている。また、ダイポールアンテナ３２は、太陽電池１１の上方であって且つ地板部３４の下方に配置された給電線路部３５を有する。詳しい図示は省略するが、この給電線路部３５も、細い金属製の線材によって網状に形成されている。また、この場合、給電線路部３５は、垂直方向に延びる垂直線路部３５Ａと水平方向に延びる水平線路部３５Ｂとからなる。また、ダイポールアンテナ３２は、放射素子部３３Ｂの端部と地板部３４とを連結する連結線路部３６を有する。詳しい図示は省略するが、この連結線路部３６も、細い金属製の線材によって網状に形成されている。

本実施形態によっても、ダイポールアンテナ３２の一部である放射素子部３３Ａ，３３Ｂを、金属製の線材３３ａによって網状に形成したので、放射素子部３３Ａ，３３Ｂの抵抗率が大きくならず、ダイポールアンテナ３２全体としての損失を抑え、ダイポールアンテナ３２の利得を改善することができる。さらに、ダイポールアンテナ３２の他の構成要素である地板部３４、給電線路部３５、および、連結線路部３６も、細い金属製の線材によって網状に形成したので、ダイポールアンテナ３２全体としての損失を一層抑えることができ、ダイポールアンテナ３２の利得をさらに改善することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述した各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
地板部および給電線路部は、太陽電池１１の上方ではなく下方に配置する構成としてもよい。即ち、図８は、第１実施形態に示した構成の変形例として、地板部１４および給電線路部１５の一部である水平線路部１５Ｂを太陽電池１１の下方に配置した構成を示しており、図９は、第２実施形態に示した構成の変形例として、地板部２４および給電線路部２５の一部である水平線路部２５Ｂを太陽電池１１の下方に配置した構成を示しており、図１０は、第３実施形態に示した構成の変形例として、地板部３４および給電線路部３５の一部である水平線路部３５Ｂを太陽電池１１の下方に配置した構成を示している。これらの構成によれば、パッチアンテナ１２，２２，３２の構成要素のうち放射素子部１３，２３，３３Ａ，３３Ｂのみが太陽電池１１の上方に存在した構成となり、これにより、太陽光が遮られ難くなり、太陽電池１１が受光する太陽光を増加させることができる。

本発明は、アンテナの構成要素を多数の線材によって網状に形成する構成であることから、アンテナの形状を任意の形状にすることができ、最適なアンテナ性能を得ることができる。
本発明は、上述した各実施形態を組み合わせて実施することができる。

図面中、１０，２０，３０は太陽電池一体型アンテナ、１１は太陽電池、１１ａはバスバー電極、１１ｂはグリッド線、１２，２２，３２はアンテナ、１３，２３，３３Ａ，３３Ｂは放射素子部、１３ａ，１４ａ，１５ａ，２３ａ，２４ａ，３３ａ，３４ａは線材、１４，２４，３４は地板部、１５，２５，３５は給電線路部、１６は誘電体を示す。

Claims

太陽電池（１１）と、
前記太陽電池の上方に配置された放射素子部（１３，２３，３３Ａ，３３Ｂ）を有するアンテナ（１２，２２，３２）と、を備え、
前記放射素子部は、金属製の線材（１３ａ，２３ａ，３３ａ）によって網状に形成され、
前記線材は、上下方向に見て前記太陽電池のバスバー電極（１１ａ）およびグリッド線（１１ｂ）に重なるように配置されていることを特徴とする太陽電池一体型アンテナ。
前記アンテナは、前記太陽電池の上方に配置された地板部（１４，２４，３４）をさらに有し、
前記地板部は、金属製の線材（１４ａ，２４ａ，３４ａ）によって網状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記地板部の下方に、金属製の線材（１５ａ）によって網状に形成された給電線路部（１５，２５，３５）を有することを特徴とする請求項２に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記放射素子部、および、前記地板部は、それぞれを形成する前記線材が上下方向に見て相互に重なるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記放射素子部、前記地板部、および、前記給電線路部は、それぞれを形成する前記線材が上下方向に見て相互に重なるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記放射素子部、および、前記地板部は、透明な誘電体（１６）によって支えられていることを特徴とする請求項２または４に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記放射素子部、前記地板部、および、前記給電線路部は、透明な誘電体（１６）によって支えられていることを特徴とする請求項３または５に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記誘電体は、上下方向に見て前記太陽電池と一致する外形を有することを特徴とする請求項６または７に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記線材の線径は、前記アンテナの使用周波数における表皮深さ以上の寸法に設定されていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の太陽電池一体型アンテナ。
前記線材間の間隔は、前記アンテナの使用周波数の波長以下の寸法に設定されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の太陽電池一体型アンテナ。