JP6189707B2

JP6189707B2 - 車載用円偏波アンテナ

Info

Publication number: JP6189707B2
Application number: JP2013215633A
Authority: JP
Inventors: 清高熊木; 佳輝角田
Original assignee: Kojima Industries Corp
Current assignee: Kojima Industries Corp
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: JP2015080072A

Description

本発明は、車載用円偏波アンテナに関し、アンテナ素子にループ形状の導体が用いられたアンテナに関する。

自動車には、ＧＰＳ（Global Positioning System）を用いたカーナビゲーションシステム、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）等、無線機を備える装置が搭載されることが多い。ＧＰＳ、ＥＴＣ等では円偏波が用いられているため、これらの受信機は円偏波アンテナを備える。

円偏波アンテナには、誘電体基板上にパッチ状の導体板が設けられたパッチアンテナや、ループアンテナが用いられる。これらのアンテナは、円偏波を受信するため、互いに直交する２つの直線偏波に対する特性を異ならせるための摂動素子を有する。以下の特許文献１には、矩形ループ素子を有する円偏波アンテナが記載されている。矩形ループ素子の対向する一対の辺のそれぞれの中央には、摂動素子が設けられている。矩形ループ素子および摂動素子はフィルムシート上に形成され、そのフィルムシートが板状のガラスに固定されている。なお、引用文献２には、本願発明に関連する技術として、オーバーヘッドコンソールにアンテナ素子が設けられた車両アンテナ送受信構造が記載されている。

特開２００７−２８８３９９号公報特開２００８−１１８５４６号公報

一般に、円偏波アンテナでは、誘電体板等の板状の部材にアンテナ素子が固定される。例えば、引用文献１に記載されているアンテナでは、矩形ループ素子および摂動素子を固定するフィルムシートおよび板状のガラスが用いられている。板状の部材は、車室内の形状に適合しないことがあり、車室に固定する際に困難を伴うことがあった。

本発明は、車室に搭載することが容易な車載用円偏波アンテナを提供することを目的とする。

本発明は、アンテナ素子と、前記アンテナ素子が固定される車載用部材と、を備え、前記アンテナ素子は、１つの角が切り欠かれた矩形ループ形状の線状導体と、前記線状導体における上辺の区間である第１区間に設けられ、前記矩形ループ形状の内側に伸びる第１スタブ導体と、前記線状導体における下辺の区間である第２区間に設けられ、前記矩形ループ形状の内側に伸びる第２スタブ導体と、を有し、前記第１スタブ導体が、前記第１区間の中央より右側の位置に設けられ、前記第２スタブ導体が、前記第２区間の中央より左側の位置に設けられており、あるいは、前記第１スタブ導体が、前記第１区間の中央より左側の位置に設けられ、前記第２スタブ導体が、前記第２区間の中央より右側の位置に設けられており、前記線状導体の切り欠かれた２つの端が、２つの給電端となっていることを特徴とする。

また、本発明に係る車載用円偏波アンテナは、望ましくは、前記第１区間の左端から前記第１スタブ導体までの距離と、前記第２区間の右端から前記第２スタブ導体までの距離とが等しい。

また、本発明に係る車載用円偏波アンテナは、望ましくは、前記アンテナ素子は、前記車載用部材の融点よりも低い温度で硬化するバインダ、または、紫外線硬化材料を含むバインダを含んでいる導電性の塗料で、前記車載用部材に印刷されている。

また、本発明に係る車載用円偏波アンテナは、望ましくは、前記車載用部材は、前記アンテナ素子が印刷されている溝を表面に有し、または、一対のガイドによって形成され、前記アンテナ素子が印刷されている印刷領域を表面に有している。

本発明によれば、車室に搭載することが容易な車載用円偏波アンテナを実現することができる。

本発明の実施形態に係る車載用円偏波アンテナを示す図である。印刷工程を示す図である。印刷工程を示す図である。オーバーヘッドコンソールが設けられた車両を示す図である。オーバーヘッドコンソールの斜視図である。

図１には、本発明の実施形態に係る車載用円偏波アンテナが示されている。車載用円偏波アンテナは、車載用部材としての内装パネル１０、アンテナ素子１２、アンテナ素子１２に接続された給電線２２Ａおよび給電線２２Ｂを備える。アンテナ素子１２および各給電線は、導電性の塗料によって内装パネル１０に印刷されている。アンテナ素子１２および各給電線が印刷される車載用部材は、内装パネル１０の他、オーバーヘッドコンソール、スポイラ、バンパ等であってもよい。

アンテナ素子１２は、矩形ループ形状の線状導体１４を備える。線状導体１４は、第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂと、第１ｙ方向導体１８Ａおよび第２ｙ方向導体１８Ｂとを備える。第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂは、横方向（ｘ軸方向）に伸び、平行に配置されている。第１ｙ方向導体１８Ａおよび第２ｙ方向導体１８Ｂは、縦方向（ｙ軸方向）に伸び、平行に配置されている。

本実施形態においては、線状導体１４は正方形の１つの角が切り欠かれた形状を有する。線状導体１４における切り欠かれた端には、給電端２０Ａおよび２０Ｂが形成されている。線状導体１４の長さＬは、受信信号としての受信波の波長とほぼ同一とする。すなわち、第２ｘ方向導体１６Ｂの長さＬｘ２は受信波の波長の約４分の１であり、第１ｘ方向導体１６Ａの長さＬｘ１は、給電端２０Ａを形成するために切り欠かれた長さδ１だけ、第２ｘ方向導体１６Ｂの長さＬｘ２よりも短い。第２ｙ方向導体１８Ｂの長さＬｙ２は受信波の波長の約４分の１であり、第１ｙ方向導体１８Ａの長さＬｙ１は、給電端２０Ｂを形成するために切り欠かれた長さδ２だけ、第２ｙ方向導体１８Ｂの長さＬｙ２よりも短い。受信波の波長は、例えば、受信周波数帯域の下限周波数と上限周波数との相加平均または相乗平均として定義される。

第１ｘ方向導体１６Ａには、その左端からスタブ配置距離Ｓ１だけ離れた位置に、第１オープンスタブ導体２４Ａの一端が接続されている。第１オープンスタブ導体２４Ａは縦方向に伸び、他端は電気的に開放されている。ただし、スタブ配置距離Ｓ１は、第２ｙ方向導体１８Ｂの中心線と第１オープンスタブ２４Ａの中心線との間の距離である。第２ｘ方向導体１６Ｂには、その右端からスタブ配置距離Ｓ２だけ離れた位置に、第２オープンスタブ導体２４Ｂの一端が接続されている。第２オープンスタブ導体２４Ｂは縦方向に伸び、他端は電気的に開放されている。ただし、スタブ配置距離Ｓ２は、第１ｙ方向導体１８Ａの中心線と第２オープンスタブ導体２４Ｂの中心線との間の距離である。

本実施形態においては、スタブ配置距離Ｓ１とスタブ配置距離Ｓ２とは等しく、第１オープンスタブ導体２４Ａの長さＬ１と、第２オープンスタブ導体２４Ｂの長さＬ２とは等しい。例えば、スタブ配置距離Ｓ１およびＳ２は、受信波の波長の６分の１から８分の１程度とする。第１オープンスタブ導体２４Ａの長さＬ１、および第２オープンスタブ導体２４Ｂの長さＬ２は、受信波の波長の８分の１から１４分の１程度とする。

第１ｘ方向導体１６Ａ、第２ｘ方向導体１６Ｂと、第１ｙ方向導体１８Ａ、第２ｙ方向導体１８Ｂ、第１オープンスタブ導体２４Ａおよび第２オープンスタブ導体２４Ｂの線幅は一定としてもよい。車載用円偏波アンテナをＥＴＣ（周波数帯域５ＧＨｚ〜６ＧＨｚ）、ＧＰＳ（周波数帯帯域１ＧＨｚ〜２ＧＨｚ）等に用いる場合には、線幅は、例えば、０．５ｍｍ〜５ｍｍとする。

このように、本実施形態に係るアンテナ素子１２は、ループ形状の線状導体１４、線状導体１４における対向する区間（対向する辺）に設けられた一対のオープンスタブ導体２４Ａおよび２４Ｂを有する。

第１ｘ方向導体１６Ａの右端にある給電端２０Ａには、給電線２２Ａの一端が接続されている。第１ｙ方向導体１８Ａの上端にある給電端２０Ｂには、給電線２２Ｂの一端が接続されている。給電線２２Ａおよび２２Ｂのそれぞれの他端は、自動車に設置されたアンプまたは無線機に至る電線（図示せず）に接続されている。

次に、車載用円偏波アンテナの動作について説明する。車載用円偏波アンテナから電磁波を放射する場合、給電線２２Ａおよび２２Ｂからは、給電端２０Ａおよび２０Ｂを介してアンテナ素子１４に送信信号が入力される。これによって、アンテナ素子１４に電流が流れ、電流分布に応じた電磁界が放射される。

第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂからは、それぞれ、ｘ軸方向に電界成分を有する電磁波が放射される。第１ｙ方向導体１８Ａおよび第２ｙ方向導体１８Ｂからは、それぞれ、ｙ軸方向に電界成分を有する電磁波が放射される。第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂには、それぞれ、第１オープンスタブ導体２４Ａおよび第オープンスタブ導体２４Ｂが設けられている。そのため、第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂから放射される電磁波の位相と、第１ｙ方向導体１８Ａおよび第２ｙ方向導体１８Ｂから放射される電磁波の位相とは相違する。これらの位相差は、スタブ配置距離Ｓ１、スタブ配置距離Ｓ２、第１オープンスタブ導体２４Ａの長さＬ１、および第２オープンスタブ導体２４Ｂの長さＬ２を適切に定めることで約９０°に設定されている。これによって、車載用円偏波アンテナからは、ｚ軸正方向およびｚ軸負方向に円偏波が放射される。

本実施形態においては、スタブ配置距離Ｓ１およびスタブ配置距離Ｓ２が等しく、第１オープンスタブ導体２４Ａの長さＬ１および第２オープンスタブ導体２４Ｂの長さＬ２は等しい。この条件の下で、線状導体１４の長さＬに対するＬ１＋Ｓ１の比である摂動量（Ｌ１＋Ｓ１）／Ｌを調整することで、放射される円偏波の大きさが調整される。

一般に、アンテナには、放射指向特性と受信指向特性とが等しいという性質がある。したがって、車載用円偏波アンテナは、円偏波に対してｚ軸正方向およびｚ軸負方向に受信指向特性を有する。すなわち、第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂは、それぞれ、ｚ軸正方向またはｚ軸負方向から到来する電磁波のｘ方向電界成分の受信に寄与する。また、第１ｙ方向導体１８Ａおよび第２ｙ方向導体１８Ｂは、それぞれ、ｚ軸正方向またはｚ軸負方向から到来する電磁波のｙ方向電界成分の受信に寄与する。第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂには、それぞれ、第１オープンスタブ導体２４Ａおよび第２オープンスタブ導体２４Ｂが設けられている。そのため、第１ｘ方向導体１６Ａおよび第２ｘ方向導体１６Ｂで受信される電磁波の位相と、第１ｙ方向導体１８Ａおよび第２ｙ方向導体１８Ｂで受信される電磁波の位相との差異が約９０°である場合に、給電端２０Ａおよび２０Ｂから給電線２２Ａおよび２２Ｂに受信信号が出力される。これによって、ｚ軸正方向またはｚ軸負方向から到来する円偏波が受信された場合に、給電線２２Ａおよび２２Ｂに受信信号が出力される。そして、円偏波を放射する場合と同様、摂動量（Ｌ１＋Ｓ１）／Ｌを調整することで、円偏波に対する受信信号の大きさが調整される。

図２には、印刷工程によってアンテナ素子１２が形成される過程が示されている。アンテナ素子１２を内装パネル１０に印刷する工程は次の通りである。図２（ａ）に示されるように、内装パネル１０を形成する際には、アンテナ素子１２の形状を描く溝２４をパネル表面２５に形成する。溝２４の表面には、塗料の密着性を高めるためのプライマを塗布する。

次に、図２（ｂ）に示されるように、導電性塗料２６を溝２４に付着させる。この導電性塗料２６は、粉体であってもよいし、液体であってもよい。導電性塗料２６には熱硬化性のバインダが含まれている。バインダは、導電性塗料２６を印刷媒体に定着させる材料である。バインダには、内装パネル１０を形成する絶縁体の融点よりも低い温度で硬化するものが用いられる。このような材料としては、例えば、ポリエステル、エポキシ樹脂等がある。導電性塗料２６を溝２４に付着させた後、導電性塗料２６に熱を与えることにより導電性塗料２６を硬化させ、内装パネルに導電性塗料２６を定着させる。

導電性塗料２６を溝２４に定着させた後、図２（ｃ）に示されるように、導電性塗料２６によって形成されたアンテナ素子をプラスチック樹脂で形成された保護層２８で覆う。この工程としては、例えば、液体のプラスチック樹脂をアンテナ素子１２およびその近傍に塗布し、そのプラスチック樹脂を硬化させるものが採用される。また、プラスチック樹脂で形成されたフィルムをアンテナ素子１２およびその近傍に貼り付ける工程を採用してもよい。保護層２８は、アンテナ素子１２の強度に応じて設けられるものであり、必ずしも設けられていなくてもよい。

このような工程によれば、導電性塗料２６がプライマによって確実に内装パネル１０に固定される。また、導電性塗料２６に含まれるバインダは、内装パネル１０を形成する絶縁体の融点よりも低い温度で硬化する。これによって、導電性塗料２６を定着させる工程で内装パネル１０が変形することが回避される。さらに、導電性塗料２６が溝２４に印刷されるため、印刷後の工程において、すなわち、アンテナ素子１２が形成された後の工程において、アンテナ素子１２が損傷を受けることが回避される。また、アンテナ素子１２およびその近傍を保護層２８で覆った場合には、アンテナ素子１２を保護する効果が高められる。

なお、溝２４を形成せずに、内装パネル１０に導電性塗料２６を付着させることしてもよい。この場合、溝２４を形成することなく、導電性塗料２６を内装パネル１０に付着させ、内装パネル１０にアンテナ素子１２の形状を描く。その後、導電性塗料２６に熱を与えることにより導電性塗料２６を硬化させ、内装パネル１０に導電性塗料２６を定着させる。

導電性塗料２６には、紫外線硬化性のバインダが含まれるものを用いてもよい。この場合、導電性塗料２６を内装パネルの溝２４に付着させた後、導電性塗料２６に紫外線を照射する。これによって、導電性塗料２６を硬化させ、内装パネル１０に導電性塗料２６を定着させる。導電性塗料２６として紫外線硬化性のバインダを用いた場合、導電性塗料２６を定着させる工程において導電性塗料２６を加熱しなくてもよく、内装パネ１０ルが変形することが回避される。

図３には、パネル表面２５から突出した塗料ガイド３０によって、印刷領域３２を形成した場合の例が示されている。図２に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。アンテナ素子１２を内装パネル１０に印刷する工程は次の通りである。図３（ａ）に示されるように、内装パネル１０を形成する際には、アンテナ素子１２の形状を描く塗料ガイド３０をパネル表面２５に形成する。すなわち、一対の塗料ガイド３０で挟まれる印刷領域３２が、アンテナ素子１２に対応するよう、これらの塗料ガイド３０を形成する。印刷領域３２の表面には、塗料の密着性を高めるためのプライマを塗布する。

次に、図３（ｂ）に示されるように、熱硬化性または紫外線硬化性の導電性塗料２６を印刷領域３２に付着させる。導電性塗料２６を印刷領域３２に付着させた後、熱硬化性の導電性塗料２６を用いた場合には、導電性塗料２６に熱を与えることにより、紫外線硬化性の導電性塗料２６を用いた場合には、導電性塗料２６に紫外線を照射することにより、導電性塗料２６を硬化させ、内装パネル１０に導電性塗料２６を定着させる。導電性塗料２６を印刷領域３２に定着させた後、図３（ｃ）に示されるように、必要に応じて、導電性塗料２６によって形成されたアンテナ素子を保護層２８で覆う。

このような工程によれば、図２に示された工程によって得られる効果と同様の効果が得られる。すなわち、導電性塗料２６がプライマによって確実に内装パネルに固定されるという効果、導電性塗料２６を定着させる工程で内装パネル１０が変形することが回避されるという効果、アンテナ素子１２を保護する効果等が得られる。

なお、塗料ガイド３０を形成せずに、内装パネル１０に導電性塗料２６を付着させることとしてもよい。この場合、導電性塗料２６を内装パネル１０に付着させ、内装パネル１０にアンテナ素子１２の形状を描く。その後、導電性塗料２６を硬化させ、内装パネル１０に導電性塗料２６を定着させる。

本発明に係る車載用円偏波アンテナでは、アンテナ素子および給電線が、導電性の塗料によって内装パネルに印刷されている。これによって、誘電体基板等の板状の部材にアンテナ素子を固定する従来のアンテナに比べて、車室に搭載することが容易となる。

なお、上記では、スタブ配置距離Ｓ１およびスタブ配置距離Ｓ２が等しく、第１オープンスタブ導体２４Ａの長さＬ１および第２オープンスタブ導体２４Ｂの長さＬ２が等しいものとした。しかし、車載用円偏波アンテナの送受信特性の調整のため、スタブ配置距離Ｓ１とスタブ配置距離Ｓ２とを異ならせてもよいし、第１オープンスタブ導体２４Ａの長さＬ１と、第２オープンスタブ導体２４Ｂの長さＬ２とを異ならせてもよい。

また、上記では、線状導体を正方形の１つの角が切り欠かれた形状を有するものとした。線状導体は、正方形以外の多角形、円形、楕円形等の一部を切り欠いて一対の給電端を形成した形状としてもよい。この場合、線状導体の長さは、受信波の波長とほぼ同一とする。また、線状導体における対向する区間に、一対のオープンスタブ導体が設けられる。

次に、車室にアンテナ素子が設けられた実施形態について説明する。図４にはボデーの天井３６にオーバーヘッドコンソール３４が設けられた車両１０２が示されている。オーバーヘッドコンソール３４は、フロントウィンドウ３８と天井３６との境界付近に固定されている。オーバーヘッドコンソール３４は、車室内を照射するライトや小物入れを備える。フロントウィンドウ３８の外周付近には、フロントウィンドウ３８の周囲の美観を高めるため、その車室側の面にセラミック等を原料とする装飾用塗料４０が塗布されている。この装飾用塗料４０には、フロントウィンドウ３８の周囲を覆い隠すため、黒色のものが採用されることが多い。オーバーヘッドコンソール３４は、天井３６から、フロントウィンドウ３８における装飾用塗料４０が塗布された領域まで及んでいる。

図５には、オーバーヘッドコンソール３４の斜視図が示されている。この図は、車室外の位置からオーバーヘッドコンソール３４を眺めたものである。オーバーヘッドコンソール３４は、回路収容部４４、小物入れ４３、およびアンテナ設置板４８を備える。回路収容部４４、小物入れ４３、およびアンテナ設置板４８は、プラスチック樹脂によって一体化されていてもよい。

回路収容部４４は、箱形状を有し、ライト、および、その点灯および消灯の制御を行う電子回路を収納する。回路収容部４４の車室側には、レンズで覆われた開口４２があり、ライトはこの開口４２から車室を照射する。小物入れ４３は、箱形状を有し小物を収容する。小物入れ４３の車室側には、開口４６があり、この開口４６には開閉自在な蓋が設けられている。

アンテナ設置板４８は、ボデーからフロントウィンドウ３８側に突出している。アンテナ設置板４８は、フロントウィンドウ３８における装飾用塗料が塗布された領域に覆われている。アンテナ設置板４８には、受信周波数帯域が異なるアンテナ素子５０および５２が設けられている。アンテナ素子５０および５２は、図２および図３に示された印刷工程によって、アンテナ設置板４８に印刷されている。アンテナ素子５０および５２には、ケーブルが接続され、車両１０２の内部に配置された受信機に接続されている。

このような構成によれば、各アンテナ素子は、導体で形成されたボデーに覆われることなく、フロントウィンドウ３８の車室側に配置される。これによって、アンテナ性能がボデーによって劣化することが回避される。また、各アンテナ素子は、フロントウィンドウ３８のうち装飾用塗料４０が塗布された領域に覆われるため、美観を損ねることが回避される。

１０内装パネル、１２，５０，５２アンテナ素子、１４線状導体、１６Ａ第１ｘ方向導体、１６Ｂ第２ｘ方向導体、１８Ａ第１ｙ方向導体、１８Ｂ第２ｙ方向導体、２０Ａ，２０Ｂ給電端、２２Ａ，２２Ｂ給電線、２４溝、２５パネル表面、２６導電性塗料、２８保護層、３０塗料ガイド、３２印刷領域、３４オーバーヘッドコンソール、３６天井、３８フロントウィンドウ、４０装飾用塗料、４２，４６開口、４３小物入れ、４４回路収容部、４８アンテナ設置板、１０２車両。

Claims

アンテナ素子と、
前記アンテナ素子が固定される車載用部材と、を備え、
前記アンテナ素子は、
１つの角が切り欠かれた矩形ループ形状の線状導体と、
前記線状導体における上辺の区間である第１区間に設けられ、前記矩形ループ形状の内側に伸びる第１スタブ導体と、
前記線状導体における下辺の区間である第２区間に設けられ、前記矩形ループ形状の内側に伸びる第２スタブ導体と、を有し、
前記第１スタブ導体が、前記第１区間の中央より右側の位置に設けられ、前記第２スタブ導体が、前記第２区間の中央より左側の位置に設けられており、
あるいは、前記第１スタブ導体が、前記第１区間の中央より左側の位置に設けられ、前記第２スタブ導体が、前記第２区間の中央より右側の位置に設けられており、
前記線状導体の切り欠かれた２つの端が、２つの給電端となっていることを特徴とする車載用円偏波アンテナ。
請求項１に記載の車載用円偏波アンテナにおいて、
前記第１区間の左端から前記第１スタブ導体までの距離と、前記第２区間の右端から前記第２スタブ導体までの距離とが等しいことを特徴とする車載用円偏波アンテナ。
請求項１または請求項２に記載の車載用円偏波アンテナにおいて、
前記アンテナ素子は、
前記車載用部材の融点よりも低い温度で硬化するバインダ、または、紫外線硬化材料を含むバインダを含んでいる導電性の塗料で、前記車載用部材に印刷されていることを特徴とする車載用円偏波アンテナ。
請求項３に記載の車載用円偏波アンテナにおいて、
前記車載用部材は、前記アンテナ素子が印刷されている溝を表面に有し、または、一対のガイドによって形成され、前記アンテナ素子が印刷されている印刷領域を表面に有していることを特徴とする車載用円偏波アンテナ。