JP6876665B2 - アンテナユニット - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナユニットに関する。
従来、アンテナユニットとして、例えば、誘電性を有するフィルムと、当該フィルムの一方側に形成されるアンテナパターンと、フィルムの他方側に形成されるグランドパターンとを備えるアンテナがある。なお、特許文献1には、電波を送受信するアンテナパターン(モノポールアンテナ)が形成されたプリント回路基板が記載されている。
特開2017−63364号公報
ところで、上述のアンテナは、例えば、筐体に収容された状態で車両等に搭載される場合がある。この場合に、アンテナは、筐体の内部に組み付けられるが、アンテナを筐体に組み付ける点で更なる改善の余地がある。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アンテナを筐体に適正に組み付けることができるアンテナユニットを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るアンテナユニットは、導電性のアンテナパターン、前記アンテナパターンのグランドとして機能する第1グランドパターン、及び、誘電性を有するシート状のフィルムを含んで構成され電波を送信又は受信するアンテナと、誘電性を有し前記アンテナが設けられる筐体と、導電性の給電パターン、及び、前記給電パターンのグランドとして機能する第2グランドパターンを含んで構成され前記アンテナに電力を伝送するマイクロストリップラインと、を備え、前記アンテナパターンは、前記フィルムの一方側のフィルム面に形成され当該フィルムを介して前記筐体の壁部の一方側の壁面に設けられ、前記第1グランドパターンは、前記壁部の他方側の壁面に形成され前記アンテナパターンに対向して位置し、前記給電パターンは、前記一方側のフィルム面に形成され、前記第2グランドパターンは、前記フィルムの他方側のフィルム面に形成され前記給電パターンに対向して位置することを特徴とする。
上記アンテナユニットにおいて、前記アンテナパターンは、前記筐体の内側の前記壁面に設けられ前記筐体の内部空間部に収容され、前記第1グランドパターンは、前記筐体の外側の前記壁面に形成されることが好ましい。
本発明に係るアンテナユニットは、アンテナパターンが筐体の壁部の一方側の壁面に設けられ、第1グランドパターンが壁部の他方側の壁面に形成されアンテナパターンに対向して位置するので、筐体の壁部をアンテナの誘電体として用いることができ、この結果、アンテナを筐体に適正に組み付けることができる。
図1は、第1実施形態に係るアンテナユニットの構成例を示す斜視図である。 図2は、第1実施形態に係るアンテナユニットの構成例を示す分解斜視図である。 図3は、図1のX1−X1断面図である。 図4は、下側ケースの厚みとVSWRとの関係を示す図である。 図5は、下側ケースの厚みと右旋円偏波利得との関係を示す図である。 図6は、第1実施形態に係るアンテナユニットにおいて空気層による利得低下を示す図である。 図7は、第1実施形態に係るアンテナユニットと比較例に係るアンテナユニットとの利得の比較例を示す図である。 図8は、第2実施形態に係るアンテナユニットの構成例を示す分解斜視図である。 図9は、図8のX2−X2断面図である。
本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
〔第1実施形態〕
図面を参照しながら第1実施形態に係るアンテナユニット1について説明する。図1は、第1実施形態に係るアンテナユニット1の構成例を示す斜視図である。図2は、第1実施形態に係るアンテナユニット1の構成例を示す分解斜視図である。図3は、図1のX1−X1断面図である。
アンテナユニット1は、電波を受信するものである。アンテナユニット1は、例えば、図1〜図3に示すように、筐体としてのケース10と、マイクロストリップライン20と、アンテナとしてのパッチアンテナ30とを備える。
ここで、パッチアンテナ30の後述のアンテナパターン32とフィルム31とを積層する方向を積層方向と称する。また、積層方向において、アンテナパターン32側を積層方向の上側と称し、フィルム31側を積層方向の下側と称する。積層方向の上側は、上側ケース11側であり、積層方向の下側は、下側ケース12側であるともいえる。
ケース10は、パッチアンテナ30及びマイクロストリップライン20が組み付けられるものである。ケース10は、1つ又は複数のパッチアンテナ30及びマイクロストリップライン20が組み付けられる。ケース10は、誘電性を有し、例えば、PC−ABS(ポリカーボネート−アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレン混合)樹脂により形成されている。ケース10は、箱状に形成され、上側ケース11と、下側ケース12とを含んで構成される。上側ケース11は、直方体状に形成され、天井板11aと、4つの側壁板11b〜11eとを含んで構成されている。天井板11aは、矩形の平板状に形成され、積層方向の上側に位置している。各側壁板11b〜11eは、矩形の平板状に形成され、天井板11aの周方向に沿って配置されている。各側壁板11b〜11eは、天井板11aの各辺から積層方向に沿って下側に延在し、天井板11aの周りを囲っている。上側ケース11は、天井板11a及び各側壁板11b〜11eにより内部空間部Qを形成している。上側ケース11は、積層方向の下側(天井板11aとは反対側)に開口部を有している。
下側ケース12は、上側ケース11の開口部を閉塞するものである。下側ケース12は、矩形の平板状に形成され、上側ケース11の開口部に係合される。下側ケース12は、例えば、誘電率(ε)を3程度とし、積層方向の厚みを1mm程度〜2mm程度の範囲にすることが好ましい。典型的には、下側ケース12は、積層方向の厚みを1mm程度としている。
ここで、図4は、下側ケース12の厚みとVSWR(電圧定在波比;Voltage Standing Wave Ratio)との関係を示す図である。図5は、下側ケース12の厚みと右旋円偏波利得との関係を示す図である。図4及び図5では、下側ケース12の厚みを1.1mmから2.1mmまで0.2mmずつ厚みを増やした場合についてのシミュレーション結果を示している。アンテナユニット1は、例えば、図4に示すように、5.8GHzの周波数において、下側ケース12の厚みが1.3mmの場合に最もVSWRが小さく、下側ケース12の厚みが2.1mmの場合に最もVSWRが大きくなる。アンテナユニット1は、下側ケース12の厚みが1.5mm〜2.1mmの範囲において、当該下側ケース12の厚みが厚くなるに従ってVSWRが大きくなる傾向にある。アンテナユニット1は、下側ケース12の厚みが2.1mmの場合にVSWRが2.0となるため、下側ケース12の厚みの上限値を2mm程度としている。
また、アンテナユニット1は、例えば、図5に示すように、5.8GHzの周波数において、下側ケース12の厚みが1.1mmの場合に最も右旋円偏波利得が大きく、下側ケース12の厚みが2.1mmの場合に最も右旋円偏波利得が小さくなる。アンテナユニット1は、下側ケース12の厚みが1.1mm〜2.1mmの範囲において、下側ケース12の厚みが厚くなるに従って右旋円偏波利得が小さくなる傾向にある。
ケース10は、下側ケース12が上側ケース11の開口部に係合された状態で、マイクロストリップライン20及びパッチアンテナ30の一部を内部空間部Qに収容する。ケース10は、例えば、車両等に搭載され、上側ケース11を車両の天井側に向けて設置される。
マイクロストリップライン20は、電力を伝送するものである。マイクロストリップライン20は、後述するパッチアンテナ30のフィルム31に形成されている。マイクロストリップライン20は、下側ケース12の壁部の内壁面12a側に設けられ、内部空間部Qに位置している。マイクロストリップライン20は、給電パターン21と、給電グランドパターン22とを含んで構成される。給電パターン21は、フィルム31に形成されている。給電パターン21は、例えば、銀ペース等の導体をフィルム31に印刷(例えばスクリーン印刷)することにより形成される。給電パターン21は、フィルム31の積層方向の上側、つまりフィルム31の表面31aに形成されている。言い換えれば、給電パターン21は、フィルム31のアンテナパターン32側に形成されている。給電パターン21は、線状に形成され、一端がアンテナパターン32に接続され、他端が信号を受信する受信部(図示省略)に接続されている。
給電グランドパターン22は、導電性のパターンである。給電グランドパターン22は、図3に示すように、フィルム31に形成されている。給電グランドパターン22は、例えば、銀ペース等の導体をフィルム31に印刷(例えばスクリーン印刷)することにより形成される。給電グランドパターン22は、フィルム31の給電パターン21とは反対側に形成されている。つまり、給電グランドパターン22は、フィルム31の積層方向の下側(フィルム31の裏面31b)に形成されている。給電グランドパターン22は、積層方向に沿って給電パターン21に対向して位置し、給電パターン21の基準電位であるグランドとして機能する。
マイクロストリップライン20は、給電グランドパターン22を下側ケース12の外壁面12bに形成せずにフィルム31の裏面31bに形成することで、給電パターン21の線幅を所望の幅長に維持することができる。ここで、マイクロストリップライン20は、給電パターン21の線幅、給電パターン21の厚み、誘電体の厚み、及び、誘電率により特性インピーダンスが定められる。マイクロストリップライン20は、特性インピーダンスを例えば50Ωとする場合、誘電体が厚くなると給電パターン21の厚みを変更することは難しいので給電パターン21の線幅を細くする必要がある。マイクロストリップライン20は、給電パターン21の線幅を細くする場合には製造上の困難性が伴うので、フィルム31の裏面31bに形成することで給電グランドパターン22の線幅を所望の幅長に維持している。マイクロストリップライン20は、給電パターン21から誘電体(フィルム31)を介して給電グランドパターン22に向かう電界と給電パターン21の周囲を囲む磁界とによって電磁波(電力)を伝送する。マイクロストリップライン20は、例えば、パッチアンテナ30で受信した電波(信号)を受信部に伝送する。
パッチアンテナ30は、電波を受信する不平衡アンテナである。パッチアンテナ30は、例えば、ETC(Electric Toll Collection System)の電波等の円偏波を受信する。パッチアンテナ30は、フィルム31と、アンテナパターン32と、アンテナグランドパターン33とを含んで構成される。フィルム31は、誘電性を有し、シート状に形成されている。フィルム31は、例えば、誘電率(ε)を3程度とし、積層方向の厚みを250μm程度としている。
アンテナパターン32は、フィルム31に形成されている。アンテナパターン32は、例えば、銀ペース等の導体をフィルム31に印刷(例えばスクリーン印刷)することにより形成される。アンテナパターン32は、フィルム31の積層方向の上側、つまりフィルム31の表面31aに形成されている。言い換えれば、アンテナパターン32は、フィルム31の給電パターン21側に形成されている。アンテナパターン32は、受信する電波に応じて寸法及び形状が定められ、例えば略矩形状に形成されている。アンテナパターン32は、フィルム31を介して下側ケース12の内壁面12aに設けられ、内部空間部Qに位置している。アンテナパターン32は、給電パターン21の一端に接続されている。
アンテナグランドパターン33は、導電性のパターンである。アンテナグランドパターン33は、図3に示すように、下側ケース12の壁部の外壁面12bに直接形成されている。つまり、アンテナグランドパターン33は、給電グランドパターン22のようにフィルム31の裏面31bに形成されていない。アンテナグランドパターン33は、例えば、銅箔テープ等の導体を下側ケース12の外壁面12bに貼り付けることにより形成されている。アンテナグランドパターン33は、アンテナパターン32の大きさよりも大きく形成され、積層方向においてアンテナパターン32と対向して位置している。アンテナグランドパターン33は、給電グランドパターン22とは導通せずに電気的に独立している。アンテナグランドパターン33は、アンテナパターン32の基準電位であるグランドとして機能する。なお、フィルム31の裏面31bにおいて、アンテナグランドパターン33と対向する箇所には、給電グランドパターン22が形成されていない(図3参照)。
パッチアンテナ30は、アンテナパターン32を表面31aに形成したフィルム31が下側ケース12の内壁面12aに設けられ、ケース10に組み付けられている。パッチアンテナ30は、例えば、両面テープによりフィルム31の裏面31bを下側ケース12の内壁面12aに貼り付けることにより固定されている。ここで、パッチアンテナ30は、フィルム31の裏面31bと下側ケース12の内壁面12aとの間を密に固定する必要がある。図6は、第1実施形態に係るアンテナユニット1において空気層による利得低下を示す図である。図6では、縦軸が利得(dB)を表し、横軸が周波数(GHz)を表す。図6では、フィルム31の裏面31bと下側ケース12の内壁面12aとの間隔が、0.1mm間隔で0.0mm〜0.9mmまで開いた場合について、それぞれの利得の変化を図示している。フィルム31の裏面31bと下側ケース12の内壁面12aとの間隔が大きくなるにつれて利得が低下する傾向にある。アンテナユニット1は、例えば、5.8GHzの周波数において、フィルム31の裏面31bと下側ケース12の内壁面12aとの間隔が0mmの場合は、当該間隔が0.1mmの場合よりも、利得が3dB程度向上している。このように、アンテナユニット1は、フィルム31の裏面31bと下側ケース12の内壁面12aとの間を密に固定し空気層をなくすことが重要である。
パッチアンテナ30は、フィルム31の裏面31bと下側ケース12の内壁面12aとの間に空気層をなくした状態で、積層方向の上側から下側に向けて、アンテナパターン32、フィルム31、下側ケース12、アンテナグランドパターン33の順番に積層されている。パッチアンテナ30は、アンテナパターン32とアンテナグランドパターン33との間に、誘電体としてフィルム31及び下側ケース12を介在させている。これにより、パッチアンテナ30は、誘電体としてフィルム31のみを介在させる場合と比較して誘電体の厚みを厚くすることができるので、アンテナ利得の低下を抑制することができる。
図7は、第1実施形態に係るアンテナユニット1と比較例に係るアンテナユニット(図示省略)との利得の比較例を示す図である。図7では、縦軸が利得(dBi)を表し、横軸が周波数(GHz)を表している。比較例に係るアンテナユニットは、フィルム31の裏面31bにアンテナグランドパターン33を形成している。このため、比較例に係るアンテナユニットは、第1実施形態に係るアンテナユニット1よりも誘電体の厚みが薄くなっている。比較例に係るアンテナユニットは、例えば、図7に示すように、5.8GHzの周波数において、利得が−3.8dBi程度である。これに対して、第1実施形態に係るアンテナユニット1は、5.8GHzの周波数において、利得が−0.8dBi程度である。このように、第1実施形態に係るアンテナユニット1は、誘電体の厚みを下側ケース12の分だけ厚くすることにより、利得を3dBi程度向上することができる。
以上のように、実施形態に係るアンテナユニット1は、パッチアンテナ30と、ケース10とを備える。パッチアンテナ30は、導電性のアンテナパターン32、及び、当該アンテナパターン32のグランドとして機能するアンテナグランドパターン33を含んで構成され電波を受信する。ケース10は、誘電性を有し、パッチアンテナ30が設けられる。アンテナパターン32は、ケース10の壁部の内壁面12aに設けられる。アンテナグランドパターン33は、ケース10の壁部の外壁面12bに形成され、アンテナパターン32に対向して位置する。
この構成により、アンテナユニット1は、ケース10の下側ケース12の壁部の厚みにより適正なアンテナ利得を確保することができる。アンテナユニット1は、下側ケース12の壁部をパッチアンテナ30の誘電体として用いることで、基板を用いる必要がないので部品点数の増加を抑制できる。アンテナユニット1は、下側ケース12の内壁面12aによりアンテナパターン32の形状を保持することができる。この結果、アンテナユニット1は、パッチアンテナ30をケース10に適正に組み付けることができる。アンテナユニット1は、ケース10の製造時にパッチアンテナ30も合わせて製造することができ、製造工程の増加を抑制できる。また、アンテナユニット1は、製造コストの増加を抑制できる。
上記アンテナユニット1において、アンテナパターン32は、ケース10の内壁面12aに設けられ、ケース10の内部空間部Qに収容される。アンテナグランドパターン33は、ケース10の外壁面12bに形成される。この構成により、アンテナユニット1は、アンテナパターン32がケース10の内部空間部Qに収容されるので、アンテナパターン32を保護することができる。
上記アンテナユニット1において、パッチアンテナ30は、誘電性を有するシート状のフィルム31を含んで構成される。アンテナパターン32は、フィルム31の表面31aに形成され、当該フィルム31を介してケース10の内壁面12aに設けられる。この構成により、アンテナユニット1は、フィルム31をケース10の内壁面12aに固定することによりパッチアンテナ30を形成することができるので、パッチアンテナ30のアンテナ利得を確保した上でパッチアンテナ30の設置性を向上できる。
上記アンテナユニット1は、パッチアンテナ30に電力を伝送するマイクロストリップライン20を備える。マイクロストリップライン20は、導電性の給電パターン21、及び、給電パターン21のグランドとして機能する給電グランドパターン22を含んで構成される。給電パターン21は、フィルム31の表面31aに形成される。給電グランドパターン22は、フィルム31の裏面31bに形成され、給電パターン21に対向して位置する。この構成により、アンテナユニット1は、パッチアンテナ30のアンテナ利得を確保した上でマイクロストリップライン20を適正に形成することができる。
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態に係るアンテナユニット1Aについて説明する。なお、第2実施形態では、第1実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。第2実施形態に係るアンテナユニット1Aは、アンテナパターン32をフィルム31に形成せずに下側ケース12の内壁面12aに直接形成する点で第1実施形態のアンテナユニット1と異なる。
アンテナユニット1Aは、図8及び図9に示すように、上側ケース11と、下側ケース12と、マイクロストリップライン20Aと、パッチアンテナ30Aとを備える。マイクロストリップライン20Aは、給電パターン21と、グランドパターンGとを含んで構成される。
給電パターン21は、下側ケース12の内壁面12aに直接形成されている。給電パターン21は、例えば、銀ペース等の導体を下側ケース12の内壁面12aに印刷(例えばスクリーン印刷)することにより形成される。給電パターン21は、線状に形成され、一端がアンテナパターン32に接続され、他端が信号を受信する受信部(図示省略)に接続されている。
グランドパターンGは、導電性のパターンである。グランドパターンGは、下側ケース12の外壁面12bに直接形成されている。グランドパターンGは、例えば、銅箔テープ等の導体を下側ケース12の外壁面12bに貼り付けることにより形成されている。グランドパターンGは、積層方向に沿って給電パターン21に対向して位置し、給電パターン21の基準電位であるグランドとして機能する。
マイクロストリップライン20Aは、グランドパターンGを下側ケース12の外壁面12bに形成するので、誘電体(下側ケース12)が第1実施形態のマイクロストリップライン20の誘電体(フィルム31)よりも厚くなり、給電パターン21の線幅を細くする必要がある。この場合、マイクロストリップライン20Aは、下側ケース12の厚みを調整することで、給電パターン21の線幅を所望の線幅にすることができる。
パッチアンテナ30Aは、アンテナパターン32と、グランドパターンGとを含んで構成される。アンテナパターン32は、下側ケース12の内壁面12aに直接形成されている。アンテナパターン32は、例えば、銀ペース等の導体を下側ケース12の内壁面12aに印刷(例えばスクリーン印刷)することにより形成される。アンテナパターン32は、内部空間部Qに位置し、給電パターン21の一端に接続されている。
グランドパターンGは、アンテナパターン32の大きさよりも大きく形成され、積層方向においてアンテナパターン32と対向して位置している。グランドパターンGは、アンテナパターン32のグランドとしても機能する。つまり、グランドパターンGは、アンテナパターン32及び給電パターン21の共通のグランドである。
以上のように、第2実施形態に係るアンテナユニット1Aは、アンテナパターン32が、下側ケース12の内壁面12aに形成される。この構成により、アンテナユニット1Aは、下側ケース12の壁部の厚みにより適正なアンテナ利得を確保することができる。アンテナユニット1Aは、下側ケース12の壁部をパッチアンテナ30Aの誘電体として用いることで、基板を用いる必要がないので部品点数の増加を抑制できる。アンテナユニット1Aは、フィルム31を用いないので部品点数の増加をさらに抑制できる。アンテナユニット1Aは、下側ケース12の内壁面12aによりアンテナパターン32の形状を保持することができる。この結果、アンテナユニット1Aは、パッチアンテナ30Aをケース10に適正に組み付けることができる。アンテナユニット1Aは、ケース10の製造時にパッチアンテナ30Aも合わせて製造することができ、製造工程の増加を抑制できる。また、アンテナユニット1Aは、製造コストの増加を抑制できる。
〔変形例〕
次に、第1及び第2実施形態の変形例について説明する。パッチアンテナ30、30Aは、ETCの電波を受信する例について説明したが、これに限定されず、GPS(Global Positioning System)や衛星放送等の電波を受信するアンテナに適用してもよい。
パッチアンテナ30、30Aは、電波を受信する例について説明したが、電波を送信するようにしてもよい。
アンテナユニット1、1Aは、マイクロストリップライン20、20Aにより電力を伝送する例について説明したが、これに限定されず、同軸ケーブルを用いて電力を伝送してもよい。
パッチアンテナ30は、両面テープによりフィルム31の裏面31bを下側ケース12の内壁面12aに貼り付ける例について説明したが、これに限定されず、接着剤等によりフィルム31の裏面31bを下側ケース12の内壁面12aに貼り付けてもよい。
アンテナグランドパターン33及びグランドパターンGは、銅箔テープ等の導体を下側ケース12の外壁面12bに貼り付けることにより形成される例について説明したが、これに限定されず、銀ペース等の導体を印刷することにより形成してもよい。
給電パターン21、給電グランドパターン22、及び、アンテナパターン32は、スクリーン印刷により形成される例について説明したが、これに限定されず、グラビア印刷やフレキソ印刷等により形成してもよいし、その他の方法により形成してもよい。
パッチアンテナ30、30A及びマイクロストリップライン20、20Aは、ケース10に複数設けてもよい。
フィルム31及び下側ケース12は、誘電率(ε)を3程度としたが、これに限定されず、対象の電波の周波数に応じて誘電率(ε)が適宜設定される。
フィルム31は、積層方向の厚みを250μm程度としたが、これに限定されず、適宜設定される。
1 アンテナユニット
10 ケース(筐体)
12a 内壁面(内側の壁面)
12b 外壁面(外側の壁面)
20、20A マイクロストリップライン
21 給電パターン
22 給電グランドパターン(第2グランドパターン)
23 アンテナグランドパターン(第1グランドパターン)
30、30A パッチアンテナ(アンテナ)
31 フィルム
31a 表面(一方側のフィルム面)
31b 裏面(他方側のフィルム面)
32 アンテナパターン
G グランドパターン(第1グランドパターン、第2グランドパターン)
Q 内部空間部

Claims (2)

  1. 導電性のアンテナパターン、前記アンテナパターンのグランドとして機能する第1グランドパターン、及び、誘電性を有するシート状のフィルムを含んで構成され電波を送信又は受信するアンテナと、
    誘電性を有し前記アンテナが設けられる筐体と、
    導電性の給電パターン、及び、前記給電パターンのグランドとして機能する第2グランドパターンを含んで構成され前記アンテナに電力を伝送するマイクロストリップラインと、を備え、
    前記アンテナパターンは、前記フィルムの一方側のフィルム面に形成され当該フィルムを介して前記筐体の壁部の一方側の壁面に設けられ、
    前記第1グランドパターンは、前記壁部の他方側の壁面に形成され前記アンテナパターンに対向して位置し、
    前記給電パターンは、前記一方側のフィルム面に形成され、
    前記第2グランドパターンは、前記フィルムの他方側のフィルム面に形成され前記給電パターンに対向して位置することを特徴とするアンテナユニット。
  2. 前記アンテナパターンは、前記筐体の内側の前記壁面に設けられ前記筐体の内部空間部に収容され、
    前記第1グランドパターンは、前記筐体の外側の前記壁面に形成される請求項1に記載のアンテナユニット。
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