JP7210606B2 - アンテナ、アンテナ装置、および車載用アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ、アンテナ装置、および車載用アンテナ装置に関する。

広帯域特性を有するアンテナとして、自己相似形状を有する自己相似アンテナがある。例えば、自己相似アンテナの１つであるボウタイアンテナは、約６００ＭＨｚから６ＧＨｚまでの広い周波数帯で安定的に動作する広帯域アンテナとして知られている。
特許文献１には、ボウタイアンテナを用いたアンテナ装置が開示されている。

特開２００２－４３８３８号公報

ボウタイアンテナの特徴の１つに無指向性がある。そのため、無指向性かつ広帯域特性のアンテナを設計する際にはボウタイアンテナが選択肢の１つとなり得る。しかし、広帯域特性でありながら、所望の方向の利得を向上させる必要のあるアンテナを設計する際には、従来のボウタイアンテナを含む従来の自己相似アンテナの技術をそのまま適用するだけでは実現困難である。

本発明が解決しようとする課題は、所望の方向への利得を向上させることができる広帯域のアンテナを実現する技術を提供することである。

上述した課題を解決するための本発明の第１の態様は、給電部に接続される端部に対して起立した状態で配置され、所定の拡開方向に拡開する形状の放射素子を備え、前記放射素子は、前記拡開方向に沿った所定の仮想対称面を挟んで、面対称となる第１の放射素子部および第２の放射素子部を有することによって前記拡開する形状を構成し、前記端部を基準とした自己相似形状である、アンテナである。

第１の態様によれば、放射素子の形状を、所定の拡開方向に拡開する形状であって、給電部に接続される端部を基準とした自己相似形状とし、当該放射素子を当該端部に対して起立した状態に配置することでアンテナを構成することができる。本態様のアンテナによれば、拡開方向の利得を高めることができる。したがって、拡開方向の向きによってアンテナの指向性を制御することができ、所望の方向への利得を向上させた広帯域のアンテナを実現できる。

第２の態様は、前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部が成す前記拡開の開度は、２０度以上１６０度以下である、第１の態様のアンテナである。

第２の態様によれば、放射素子の拡開形状による拡開方向への開度を、２０度以上１６０度以下とすることができる。

第３の態様は、前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部は、前記仮想対称面上に位置する所定の屈折部を介して一体に構成された、第１又は第２の態様のアンテナである。

第３の態様によれば、一体に構成された第１の放射素子部および第２の放射素子部を屈折部で折り曲げたような構成とすることが可能となり、放射素子を所定の開度で拡開させることができる。

第４の態様は、前記拡開する形状は、前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部を上面視した場合、前記屈折部で屈折したＶ字状の形状である、第３の態様のアンテナである。

第４の態様によれば、拡開する形状を、第１の放射素子部および第２の放射素子部を上面視した場合、屈折部で屈折したＶ字状の形状とすることができる。

第５の態様は、前記屈折部は直線状の屈折線を有し、前記放射素子は、前記仮想対称面への投影視における前記屈折線の方向の長さが、アンテナ帯域周波数の下限の電波の１／８波長以上の長さである、第３又は第４の態様のアンテナである。

第５の態様によれば、放射素子の仮想対称面への投影視における当該放射素子の屈折線に沿った方向の長さを、１／８波長以上とすることができる。

第６の態様は、前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部は、前記仮想対称面上に位置する所定の仮想屈折部の一部を含まずに一体に構成された、第１又は第２の態様のアンテナである。

第６の態様によれば、一体に構成された第１の放射素子部および第２の放射素子部を、仮想屈折部の一部を含まずに折り曲げたような構成とすることができるため、放射素子を所定の開度で拡開させることができる。

第７の態様は、前記拡開する形状は、前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部を上面視して前記端部側へ投影した場合、前記端部を基点としたＶ字状の形状である、第６の態様のアンテナである。

第７の態様によれば、拡開する形状を、第１の放射素子部および第２の放射素子部を上面視した場合、端部を基点としたＶ字状の形状とすることができる。

第８の態様は、前記仮想屈折部は、直線状の仮想屈折線を有し、前記放射素子は、前記仮想対称面への投影視における前記仮想屈折線の方向の長さが、アンテナ帯域周波数の下限の電波の１／８波長以上の長さである、第６又は第７の態様のアンテナである。

第８の態様によれば、放射素子の仮想対称面への投影視における当該放射素子の仮想屈折線に沿った方向の長さを、１／８波長以上とすることができる。

第９の態様は、前記アンテナ帯域周波数の下限は１ＧＨｚ以上である、第５又は第８の態様のアンテナである。

第９の態様によれば、アンテナ帯域周波数を１ＧＨｚ以上とすることができる。

第１０の態様は、第１～第９の何れかの態様のアンテナを複数備えたアンテナ装置である。

第１０の態様によれば、第１～第９の何れかの態様のアンテナを複数備えたアンテナ装置を実現できる。

第１１の態様は、第１～第９の何れかの態様のアンテナを、前記拡開方向を異なる方向に向けて複数備えたアンテナ装置である。

第１１の態様によれば、第１～第９の何れかの態様の複数のアンテナを、その拡開方向が異なる方向に向くように配置してアンテナ装置を構成できる。これによれば、各アンテナによってその拡開方向の利得を高めることができるので、例えば、所定平面における全方位をカバーするようにアンテナの数や個々の拡開方向を調整することにより、広帯域で高利得かつ無指向性の特徴を有するアンテナ装置を実現できる。

第１２の態様は、第１～第９の何れかの態様のアンテナと、アンテナ帯域周波数が、前記アンテナのアンテナ帯域周波数より低いラジオ受信用の他アンテナと、前記アンテナおよび前記他アンテナを収容するケースと、を備えた車載用アンテナ装置である。

第１２の態様によれば、第１～第９の何れかの態様と同様の効果を奏するアンテナと、これよりもアンテナ帯域周波数が低いラジオ受信用の他アンテナと、をケースに収容した車載用アンテナ装置を実現できる。

第１３の態様は、給電部に接続される端部に対して起立した状態で配置され、所定の拡開方向に拡開する形状の放射素子を備え、前記放射素子は、前記拡開方向に沿った所定の仮想対称面を挟んで、面対称となる第１の放射素子部および第２の放射素子部を有することによって前記拡開する形状を構成し、前記端部と前記第１の放射素子部とが成す角度は鋭角であり、前記端部と前記第２の放射素子部とが成す角度は鋭角である、アンテナである。

第１３の態様によれば、放射素子の形状を、所定の拡開方向に拡開する形状であって、端部と第１の放射素子部とが成す角度を鋭角とし、端部と第２の放射素子部とが成す角度を鋭角とし、当該放射素子を当該端部に対して起立した状態に配置することでアンテナを構成することができる。本態様のアンテナによれば、拡開方向の利得を高めることができる。したがって、拡開方向の向きによってアンテナの指向性を制御することができ、所望の方向への利得を向上させた広帯域のアンテナを実現できる。

車載用アンテナ装置の内部構成例を示す図。 アンテナ装置における１つのアンテナの構成例を示す図。 アンテナの基本的な特性を説明する説明図。 アンテナの基本的な特性を説明する他の説明図。 アンテナの基本的な特性を説明する他の説明図。 アンテナ装置におけるアンテナの構成例を示す他の図。 開度δ＝１８０度とした場合のアンテナの上面図。 開度δ＝１２０度とした場合のアンテナの上面図。 開度δ＝９０度とした場合のアンテナの上面図。 開度δ＝６０度とした場合のアンテナの上面図。 開度δ＝２０度とした場合のアンテナの上面図。 使用周波数が１７００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が２５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が３５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が４５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が５５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が６０００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 ２つのアンテナ間の通過損失特性を示すグラフ。 アンテナのＶＳＷＲ特性を示すグラフ。 変形例におけるアンテナの構成例を示す図。 図２０のアンテナを複数備えたアンテナ装置の構成例を示す図。 ２つのアンテナ間の包絡線相関係数を示すグラフ。 ２つのアンテナ間の通過損失特性を示すグラフ。 水平面平均利得を示すグラフ。 放射効率を示すグラフ。 ＶＳＷＲ特性を示すグラフ。 使用周波数が１７００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が２５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が３５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が４５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が５５００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。 使用周波数が６０００ＭＨｚのときの指向性パターンを示す図。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

先ず、本実施形態では、方向を次のように定義することとする。すなわち、本実施形態の車載用アンテナ装置１は、乗用車等の車両に搭載されて使用されるものであり、その前後・左右・上下の方向を、車両への搭載時における車両の前後・左右・上下の方向と同じとする。そして、前後方向をＹ軸方向、左右方向をＸ軸方向、上下方向をＺ軸方向と定義する。この直交３軸の方向が分かり易いように、各軸方向に平行な方向を示す参照方向を各図に付記した。各図に示した参照方向の交点は座標原点を意味するものではない。あくまで参照方向を示している。また、本実施形態の車載用アンテナ装置１の外観は、前方が先細りで、且つ車両への取付面から上方へ向かって徐々に左右の幅が細くなるようにデザインされているので、デザインの特徴を方向の理解の助けとすることができる。

図１は、本実施形態における車載用アンテナ装置１の内部構成例を示す斜視透視図である。図１に示すように、車載用アンテナ装置１は、ケースであるアンテナケース１１とアンテナベース１３とによって形成される空間内に、複数種類のアンテナを収容して構成される。例えば、無線通信用のアンテナ等として用いることができる２つのアンテナ１００（１００－１，２）を備えたアンテナ装置１０と、ラジオアンテナ２０と、衛星ラジオアンテナ３０と、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）アンテナ４０とが収容される。

より詳細には、アンテナケース１１は、中央部において上方に突出した形状を有する。すなわち、アンテナケース１１は、シャークフィン形状を有する。そして、その内部空間の上方において突出した部分の内側にラジオアンテナ２０の容量装荷素子２３が配置され、容量装荷素子２３の下方にヘリカルエレメント２１が配置される。また、内部空間の底部後方側にアンテナ装置１０の２つのアンテナ１００－１，２が配置され、内部空間の底部前方側に衛星ラジオアンテナ３０とＧＮＳＳアンテナ４０とが配置される。車載用アンテナ装置１に配置されたアンテナ１００－１，２の全高である、アンテナベース１３から最も上方に高い位置までの長さは、アンテナ１００－１，２の何れも、ラジオアンテナ２０の全高よりも低い。アンテナ１００－１，２は、ラジオアンテナ２０よりも低い位置に配置されているとも言える。また、アンテナ１００－１，２は、ラジオアンテナ２０よりも後方の位置に配置されている。

ラジオアンテナ２０は、例えば、ＡＭラジオ放送およびＦＭラジオ放送の放送波を受信するためのラジオ受信用のアンテナである。ラジオアンテナ２０は、導体を螺旋状に巻いたヘリカルエレメント２１と、ヘリカルエレメント２１に対地静電容量を付加する容量装荷素子２３とを備え、容量装荷素子２３とヘリカルエレメント２１とでＦＭ波帯に共振し、容量装荷素子２３でＡＭ波帯を受信する。ラジオアンテナ２０のアンテナ帯域周波数は、アンテナ装置１０のアンテナ帯域周波数よりも低い。従って、アンテナ１００とラジオアンテナ２０（アンテナ１００にとっては他のアンテナ））との間では、配置位置からしても、周波数帯域からしても、干渉が発生しにくいと言える。

衛星ラジオアンテナ３０は、例えば、シリウス（Sirius）ＸＭラジオ等の衛星ラジオ放送の放送波を受信するためのアンテナである。衛星ラジオアンテナ３０には、例えば、図１に示すようにパッチアンテナ等の平面アンテナ３１を用いることができる。また、図１に示すように、平面アンテナ３１に対して無給電素子３２を配置して衛星ラジオアンテナ３０を構成することができる。なお、アンテナの種類はそれに限らず、適宜選択してよい。

ＧＮＳＳアンテナ４０は、ＧＰＳ衛星等の測位用衛星から送信される衛星信号を受信するためのアンテナである。

次に、アンテナ１００について説明する。図２は、アンテナ装置１０における一つのアンテナ１００（例えば後方側のアンテナ１００－１）の構成例を示す拡大図である。なお、詳細を後述するように、本実施形態のアンテナ１００は、その放射素子１３０が所定の拡開方向（図２の例ではＹ軸負方向である後方向き）に拡開する形状とされるが、図２では、完全に拡開した状態（拡開の開度δ＝１８０度の状態）を示している。

図２に示すように、アンテナ１００は、地板１１０と、端部１３５を地板１１０に向けて地板１１０に対し起立した状態で、言い換えると端部１３５に対し起立した状態で配置された放射素子１３０と、を備える。

地板１１０は、上下（Ｚ軸方向）に貫通する挿通孔１１１を有する。挿通孔１１１には、給電線が挿通される。そして、挿通孔１１１の直上位置において、地板１１０に向けられた放射素子１３０の端部１３５が、給電部である給電線１５０に接続される。給電線１５０を同軸ケーブルで構成する場合には、同軸ケーブルの内部導体１５１が端部１３５に接続され、外部導体が地板１１０に接続される。

放射素子１３０は、端部１３５を基準とした自己相似形状を有する。放射素子１３０は、図２に示す開度δが１８０度の状態では、その形状が半楕円形の板状を有し、板面が、地板１１０に対して垂直に、且つ、拡開方向を後方向き（Ｙ軸負方向）として配置される。板面がＸＺ平面と平行に配置されているとも言える。図２において、放射素子１３０の左右方向の中心線を一点鎖線で示している。

ここで、アンテナ１００の基本的な特性、特に自己相似形状による特性について説明する。理解を容易にするため、自己相似形状のアンテナとしてよく知られているボウタイアンテナを例に挙げて説明する。まずはじめに、前提として、アンテナサイズと周波数とが反比例の関係を保つとき、アンテナの電気的特性は、アンテナサイズ又は周波数が変わっても原理的には同じ特性を示す。例えば、モノポールアンテナについて電流分布が共振する振る舞いをするときは、そのアンテナサイズ（高さ）Ｌと周波数ｆとは、図３に示す関係式（１）で表せる。また、一般に、あるアンテナサイズＬでの周波数ｆの振る舞いは、関係式（２）に示す１／ｎのアンテナサイズＬ／ｎでの周波数ｎｆの振る舞いと同じになる。

続いて、図４に示すように、高さが無限大の２つの二等辺三角形状の放射素子が、その頂点を突き合わせて対向配置された構造を考える。この構造のアンテナがボウタイアンテナである。このような構造では、縮尺（大きさ）をどう変えても（図４の例では１／ｎ倍）、変更の前後で形状は同一であり自己相似の関係を有する。したがって、周波数が何倍になってもアンテナサイズは同じで、両者は同じ電気特性を示す。特に、どの周波数でも出力インピーダンスがほぼ一定の値を示すため、広帯域アンテナにおいて重要な特性となる。

実際に作成できるアンテナサイズは有限であるため、自己相似形状の有限の範囲を切り出して使用することになる。例えば、図５の破線で示すように、付き合わせた頂点を基準として、頂点から所定の長さとなる位置で切り出すと、切り出した頂点からの長さによって定まる所定の周波数以上でのみ、周波数に依存しない一定の特性を示す。当該特性を示す周波数の下限は、アンテナサイズと反比例の関係を有する。

また、実際の設計では、インピーダンスの調整等のため、放射素子の形状を二等辺三角形から変形することがある。例えば、二等辺三角形状を、本実施形態のアンテナ１００の放射素子１３０のように半楕円形状に設計変更することができる。その場合も、自己相似形状により得られる一定の電気的特性を利用することができる。

本実施形態のアンテナ１００は、ボウタイアンテナのように、２つの放射素子の頂点を付き合わせて対向配置する代わりに、地板１１０と、自己相似形状の１つの放射素子１３０とを備える。そして、自己相似形状の基準となる端部１３５を地板１１０に向けて起立した状態で配置することで構成されている。この構成により、本実施形態のアンテナ１００は、擬似的にボウタイアンテナと略同様の作用効果を得ることができる。１つの放射素子１３０でありながら、地板１１０によって、仮想的に反対側にもう１つの放射素子が対向配置されているかのような作用効果が得られる。

図２に戻る。以上のように自己相似形状（例えば半楕円形状）を有する放射素子１３０は、拡開方向（図２の例ではＹ軸負方向である後方向き）に沿った所定の仮想対称面（図２の例ではＹＺ平面と平行な面）Ａ１を挟んで面対称となる第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３によって、当該放射素子１３０の拡開形状を構成する。本実施形態では、第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３は、仮想対称面Ａ１上となる中心線に沿った直線状の部分を屈折部１３７とし、当該屈折部１３７を介して一体に構成される。なお、放射素子１３０では、端部１３５と第１の放射素子部１３１とが成す角度は鋭角であり、端部１３５と第２の放射素子部１３３とが成す角度は鋭角である。端部１３５は、地板１１０に配置されている。そのため、端部１３５と第１の放射素子部１３１とが成す角度とは、第１の放射素子部１３１において端部１３５から延伸する外側の部分と地板１１０とが成す角度に相当する。同様に、端部１３５と第２の放射素子部１３３とが成す角度とは、第２の放射素子部１３３において端部１３５から延伸する外側の部分と地板１１０とが成す角度に相当する。なお、端部１３５と第１の放射素子部１３１とが成す角度と、端部１３５と第２の放射素子部１３３とが成す角度とが略同一である。

そして、放射素子１３０において、屈折部１３７の折り曲げ角度により、放射素子１３０の拡開の開度（第１の放射素子部１３１と第２の放射素子部１３３との成す角度）δが設定される。図６に、開度δを６０度としたアンテナ１００を示す。アンテナ１００は、開度δを変更することにより、その特性を変化させることができる。

図７は、第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３の成す角度である開度δを１８０度とした場合のアンテナ１００の上面図である。また、第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３を同一平面状とした状態から、屈折部１３７で屈折させるようにした、第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３それぞれの変位角度を折り曲げ角度θとして、併せて図に示した。図７の場合、折り曲げ角度θは０度となる。δ＝１８０－θ×２、で角度を換算することができる。また、図８はδを１２０度（θを３０度）、図９はδを９０度（θを４５度）、図１０はδを６０度（θを６０度）、図１１はδを２０度（θを８０度）とした場合のアンテナ１００の上面図をそれぞれ示している。図８～図１１から分かるように、第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３による拡開した形状は、上面視において第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３が屈折部１３７で屈折したＶ字状（山形状）の形状である。そして、図１２～図１７は、異なる周波数において、図７～図１１の各折り曲げ角度θで取得した水平面（ＸＹ平面）の指向性パターンを示す図である。具体的には、図１２は使用周波数を１７００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図１３は使用周波数を２５００ＭＨＺとした場合の指向性パターンを、図１４は使用周波数を３５００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図１５は使用周波数を４５００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図１６は使用周波数を５５００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図１７は使用周波数を６０００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、それぞれ示している。

例えば、図１２に示すように、使用周波数が１７００ＭＨｚ（＝１．７ＧＨｚ）の場合では、各方位の指向性に大きな差はなく、また、開度δを１８０度から２０度（折り曲げ角度θを０度から８０度）まで変えても、１７００ＭＨｚでは指向性に顕著な差は現れない。これに対し、図１３～図１７に示すように周波数を高くしていくと、開度δ（折り曲げ角度θ）毎の指向性に差が現れていく。例えば、図１７に示す６０００ＭＨｚ（＝６．０ＧＨｚ）では、開度δ（折り曲げ角度θ）に応じた指向性の差が顕著に現れている。

具体的には、６．０ＧＨｚにおいて開度δが１８０度（折り曲げ角度θが０度）のときには、Ｘ軸方向（左右方向）に比べて、Ｙ軸正方向（前方方向、方位角１８０度方向）およびＹ軸負方向（後方方向、方位角０度方向）の方位の利得がともに同じように高く表れ、前方方向および後方方向それぞれに、方位角範囲として６０度（後方方向であれば方位角０度～方位角３０度と方位角３３０度～方位角３６０度の合計）程度の限られた方位角範囲の指向性を示している。これに対し、開度δを１８０度より小さくする（折り曲げ角度θを０度より大きくする）と、拡開方向である後方方向（Ｙ軸負方向）の方位に、開度δが１８０度（折り曲げ角度θが０度）のときの利得よりも高い利得が現れる。また、開度δを小さくしていくと（折り曲げ角度θを大きくしていくと）、拡開方向である後方方向（Ｙ軸負方向）の方位から、左右方向に近い方位にまで、高い利得が現れる方位角範囲が徐々に拡がっていく。逆に、拡開方向の反対方向である前方方向（Ｙ軸正方向）の側の利得は、開度δを小さくしていくと（折り曲げ角度θを大きくしていくと）低下していく。このように、本実施形態のアンテナ１００は、周波数を高くしていくと拡開方向への指向性が現れて開度δに応じた指向性の差を示すようになること、開度δを小さく（折り曲げ角度θを大きく）していくと高い利得を得られる方位角範囲が拡開方向の方位を中心として徐々に広がっていくこと、という作用効果を奏する。

アンテナ１００のアンテナ帯域周波数に５～６ＧＨｚを含める場合、開度δを１度以上１７９度以下の範囲として拡開方向側に高い利得が得られるが、好ましくは、開度δを２０度以上１６０度以下の範囲とすることで、拡開方向の方位を含む、拡開方向側に、高い利得を得られる方位角範囲を得ることができると言える。このとき、アンテナ帯域周波数の下限を１ＧＨｚとして、使用周波数が１ＧＨｚである場合にも、図１２から推測されるように、全方位の利得が高い状態となるため、拡開方向側の利得も高い状態に保たれる。従って、開度δを２０度以上１６０度以下の範囲としてアンテナ１００を構成し、アンテナ帯域周波数の下限を１ＧＨｚ以上とすることは、現在および将来の移動通信規格の周波数帯域に照らして実用的な広帯域なアンテナ特性であると言える。

但し、アンテナ１００単体で４ＧＨｚを超える周波数を使用周波数とする場合には、開度δを２０度以上１６０度以下の範囲とすることで拡開方向に高い利得が得られる半面、例えば、拡開方向とは反対方向の利得は低くなる。そのため、単体のアンテナ１００が示す特性から、拡開方向を異なる向きに向けて複数配置することにより、全体として高利得で無指向性或いは無指向性に近い広帯域のアンテナを実現することができる。例えば、図６等に示したアンテナ１００の他に、他のアンテナ１００を、拡開方向を逆向きにして（放射素子１３０の拡開方向をＹ軸正方向に向けて）、背中合わせのように配置する。図１のアンテナ装置１０の構成がこの一例である。これにより、２つのアンテナ１００を備えるアンテナ装置全体として無指向性或いは無指向性に近いアンテナ装置１０を実現することができる。

図１８は、拡開方向を逆向きにしたアンテナ１００を２つ配置して１つのアンテナ装置を構成した場合の一方のアンテナ１００の給電点から、他方のアンテナ１００の給電点への電力の通過損失特性を示す図である。各々の放射素子１３０の開度δをそれぞれ１８０度、１４０度、１２０度、６０度、２０度（折り曲げ角度θでいうと、０度、２０度、３０度、６０度、８０度）とした場合の通過損失の値を示している。図１８に示すように、アンテナ１００を複数配置した場合の通過損失の値は、開度δが小さい（折り曲げ角度θが大きい）ほど低く、広い周波数範囲においてアンテナ１００間のアイソレーションを高めることが可能になる。

図１２～１７を参照して説明したように、同じ開度δであっても高利得が得られる方位角範囲は、１．７ＧＨｚよりも６．０ＧＨｚの方が狭くなるようになる。そして、開度δを小さくすることで、拡開方向を中心とした高利得が得られる方位角範囲を広げることができる。開度δを小さくすることは、図１８に示すようにアイソレーションを高めることにもつながる。但し、開度δを小さくしていくと、拡開方向の方位（Ｙ軸負方向）の利得が徐々に下がる。そこで、複数のアンテナ１００でアンテナ装置を構成する場合には、使用する各アンテナ１００の開度δ（折り曲げ角度θ）を適宜選択することで、利得、指向性の範囲、およびアイソレーションについてのバランスを最適化することが可能になる。

図１９は、アンテナ１００の電気特性を示す図である。開度δを１８０度、１４０度、１２０度、６０度、２０度（折り曲げ角度θでいうと、０度、２０度、３０度、６０度、８０度）とした場合のアンテナ１００のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を示している。図１９に示すように、アンテナ１００は、１．７ＧＨｚ～６．０ＧＨｚの全周波数範囲において最も優れたＶＳＷＲを示す固定の開度δは無い。しかし、概ね、開度δが６０度～１４０度では、１，７ＧＨｚ～６．０ＧＨｚの全周波数範囲において、他の開度δに比べて良好なＶＳＷＲを得られると言える。また、４．７ＧＨｚ～５．４ＧＨｚの周波数範囲では、開度δが２０度のときが最も優れたＶＳＷＲ特性である。従って、図１２～図１７，図１９の特性を参照すると、使用するアンテナ１００の開度δ（折り曲げ角度θ）を適宜選択することで、利得、指向性の範囲、ＶＳＷＲについてのバランスを最適化することが可能になる。

車載用アンテナ装置１の小型化や車載用アンテナ装置１内に多くのアンテナを収容するためには、アンテナ１００の大きさは、出来る限り小さいことが望ましいが、所望のアンテナ特性を得るためには、一定程度の大きさが必要である。そこで、本実施形態のアンテナ１００は、放射素子１３０の高さを、アンテナ帯域周波数の下限の電波の１／８波長以上とする。放射素子１３０の高さは、次のように定義する。放射素子１３０を仮想対称面Ａ１へ投影視した場合における屈折部１３７の屈折線の方向に沿った放射素子１３０の長さを、放射素子１３０の高さとする。放射素子１３０は、屈折部１３７で折り曲げられたような形状を有する。折り曲げられず、開度δ＝１８０度の設定のアンテナ１００の場合には、図２に示す形態となる。このとき、放射素子１３０を仮想対称面Ａ１へ投影視した場合には、その投影視した像は、屈折部１３７である屈折線（図２中の一点鎖線で示す中心線）となるため、屈折線の方向に沿った長さは、屈折線の長さそのものとなる。従って、図２の放射素子１３０については、屈折線の長さが、放射素子１３０の高さとなる。

図６に示す、開度δ＝６０度に設定したアンテナ１００の場合には、放射素子１３０を仮想対称面Ａ１（図２参照）へ投影視すると、その投影視した像は、楕円を長軸と短軸で４等分した形状の像となる。しかしこの場合も、屈折部１３７の屈折線に沿った長さは、屈折線の長さとなる。このため、屈折線の長さが、放射素子１３０の高さとなる。

図２や図６では、地板１１０に対して、屈折部１３７の屈折線が直交するようにアンテナ１００を直立させた起立状態に設置しているが、直立させずに、拡開方向を斜め上に向けた起立状態に設置する場合も、放射素子１３０の高さは同じ定義である。また、開度δ＝１８０度の放射素子１３０を半楕円形状としなかった場合（例えば、後述する図２０の形状）であっても、放射素子１３０の高さは同じ定義である。この放射素子１３０の高さを、アンテナ帯域周波数の下限の電波の１／８波長以上とする。

以上説明したように、本実施形態のアンテナ１００によれば、拡開方向の利得を高めることができる。したがって、地板１１０上に配置する放射素子１３０の向き（拡開方向をどの向きに向けて配置するのか）によってアンテナ１００の指向性を制御することができ、所望の方向への利得を向上させた広帯域のアンテナを実現できる。

また、当該アンテナ１００を複数（例えば２つ）備えたアンテナ装置１０によれば、各アンテナ１００によってその拡開方向の利得を高めることができる。したがって、全方位をカバーするようにアンテナ１００の数やそれぞれの拡開方向やその開度δを調整することにより、広帯域で高利得かつ無指向性（或いは無指向性に近い特性）のアンテナ装置を実現できる。

また、アンテナ装置１０を構成する各アンテナ１００が他のアンテナであるラジオアンテナ２０よりも低い位置に配置される。加えて、他のアンテナ（この場合、ラジオアンテナ２０）のアンテナ帯域周波数は、アンテナ１００のアンテナ帯域周波数（１ＧＨｚ以上）よりも低い。したがって、アンテナ１００に対する他のアンテナ（この場合、ラジオアンテナ２０）からの干渉が発生しにくい構成といえる。

また、放射素子１３０の高さは、１／８波長以上である。したがって、アンテナ帯域周波数が１ＧＨｚ以上の場合には、特に高さを小さくすることができ、車載用アンテナ装置１内の配置の自由度が高くなる。

以上、実施形態の一例を説明した。本発明を適用可能な形態は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。例えば上記の実施形態を変形した次のような変形例にも本発明を適用可能である。

［変形例１］
例えば、上記実施形態では、開度δが１８０度の状態において半楕円形状である放射素子１３０を例示したが、放射素子の形状はこれに限定されるものではなく、二等辺三角形状や、これらを適宜設計変更した形状とすることができる。なおこの場合も、端部と第１の放射素子部とが成す角度は鋭角であり、端部と第２の放射素子部とが成す角度は鋭角である。そして、端部と第１の放射素子部とが成す角度と、端部と第２の放射素子部とが成す角度とが略同一である。

また、図２０に示すような形状とすることもできる。図２０は、本変形例におけるアンテナ１００ｂの構成例を示す図である。図２０に示すように、本変形例のアンテナ１００ｂを構成する放射素子１３０ｂは、図６に示した放射素子１３０の一部が切り欠かれたような形状を有している。具体的には、放射素子１３０ｂは、図２，６に示した放射素子１３０において、その屈折部１３７を含む中央部分（図２０中に破線で示す部分）を切り欠いたような形状を有している。

上述した実施形態では、図８～図１１を参照して説明した通り、第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３による拡開した形状は、上面視において第１の放射素子部１３１および第２の放射素子部１３３が屈折部１３７で屈折したＶ字状（山形状）の形状であった。本変形例でも、その概略的な形状はほぼ同じである。アンテナ１００ｂが有する２つの放射素子部（第１の放射素子部１３１ｂおよび第２の放射素子部１３３ｂ）は、上面視において端部１３５を基点としたＶ字状（山形状）の形状に配置されている。これにより、拡開した形状は、第１の放射素子部１３１ｂおよび第２の放射素子部１３３ｂを上面視して端部１３５側へ投影した場合、端部１３５を基点としたＶ字状（山形状）の形状となっている。なお、放射素子１３０ｂは、放射素子１３０と同様に、仮想対称面Ａ２を挟んで面対称となる第１の放射素子部１３１ｂおよび第２の放射素子部１３３ｂによって、当該放射素子１３０ｂの拡開形状を構成する。

また、放射素子１３０ｂにおいて、仮想対称面Ａ２上となる中心線に沿った直線状の部分を仮想屈折部１３７ｂとする。この仮想屈折部１３７ｂは、第１の放射素子部１３１ｂおよび第２の放射素子部１３３ｂを仮想対称面Ａ２側にそれぞれ延長した部分と、仮想対称面Ａ２とが交わる直線状の部分である。すなわち、第１の放射素子部１３１ｂおよび第２の放射素子部１３３ｂは、仮想対称面Ａ２上に位置する所定の仮想屈折部１３７ｂの一部を含まずに一体に構成される。なお、放射素子１３０ｂでは、端部１３５と第１の放射素子部１３１ｂとが成す角度は鋭角であり、端部１３５と第２の放射素子部１３３ｂとが成す角度は鋭角である。端部１３５は、地板１１０に配置されている。そのため、端部１３５と第１の放射素子部１３１ｂとが成す角度とは、第１の放射素子部１３１ｂにおいて端部１３５から延伸する外側の部分と地板１１０とが成す角度に相当する。同様に、端部１３５と第２の放射素子部１３３ｂとが成す角度とは、第２の放射素子部１３２ｂにおいて端部１３５から延伸する外側の部分と地板１１０とが成す角度に相当する。なお、端部１３５と第１の放射素子部１３１ｂとが成す角度と、端部１３５と第２の放射素子部１３３ｂとが成す角度とが略同一である。

もしも、第１の放射素子部１３１ｂと第２の放射素子部１３３ｂとの開度δを図２の放射素子１００のように１８０度とした場合には、放射素子１３０ｂを仮想対称面Ａ２へ投影視すると、その投影視した像は、仮想屈折部１３７ｂである仮想屈折線となる。そして、開度δを１８０度とした放射素子１３０ｂについて、仮想屈折線の方向に沿った方向の放射素子１３０ｂの長さは、仮想屈折線の長さそのものとなる。従って、任意の開度δにおいて、放射素子１３０ｂは、仮想屈折線の長さが、放射素子１３０ｂの高さとなる。そして、本実施形態の変形例のアンテナ１００ｂは、放射素子１３０ｂの高さを、アンテナ帯域周波数の下限の電波の１／８波長以上とする。

このように一部が切り欠かれた形状を有するアンテナ１００ｂは、周波数を高くしていくと、図１２～図１７に示す場合と同様に、開度δ（折り曲げ角度θ）毎の指向性に差が現れていく。

より具体的には、図２７は使用周波数を１７００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図２８は使用周波数を２５００ＭＨＺとした場合の指向性パターンを、図２９は使用周波数を３５００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図３０は使用周波数を４５００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図３１は使用周波数を５５００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、図３２は使用周波数を６０００ＭＨｚとした場合の指向性パターンを、それぞれ示している。

例えば、図２７に示すように、使用周波数が１７００ＭＨｚ（＝１．７ＧＨｚ）の場合では、各方位の指向性に大きな差はなく、また、開度δを１８０度から２０度（折り曲げ角度θを０度から８０度）まで変えても、１７００ＭＨｚでは指向性に顕著な差は現れない。これに対し、図２８～図３２に示すように周波数を高くしていくと、開度δ（折り曲げ角度θ）毎の指向性に差が現れていく。例えば、図３２に示す６０００ＭＨｚ（＝６．０ＧＨｚ）では、開度δ（折り曲げ角度θ）に応じた指向性の差が顕著に現れている。なお、図２７～図３２は、異なる周波数において、各折り曲げ角度θで取得した水平面（ＸＹ平面）の指向性パターンを示す図である。

また、本変形例のアンテナ１００ｂを複数備えたアンテナ装置を構成することもできる。例えば、図２１に示すように、地板１１０を共通として２つのアンテナ１００ｂ－１，１００ｂ－２を配置したアンテナ装置１０ｂを構成できる。具体的には、各アンテナ１００ｂ－１，１００ｂ－２の放射素子１３０ｂは、互いにその拡開方向が異なる向き（図２１の例ではＹ軸方向に沿って前後逆向き）となるように、地板１１０上に配置される。このアンテナ装置１０ｂによれば、放射素子１３０ｂの放射効率を保ちつつ、放射素子１３０ｂ間の相関係数を低減させることができる。したがって、放射素子１３０ｂ間のアイソレーションをより高めることが可能となる。

以下では、このアンテナ装置１０ｂによる電気特性について図２２～図２６を用いて具体的に説明する。なお、図２２～図２６では、図２１に示すアンテナ装置１０ｂのように、２つのアンテナが配置される。すなわち、アンテナ装置１０ｂでは、拡開の開度が同一である各アンテナの放射素子１３０ｂが、互いにその拡開方向が異なる向き（例えばＹ軸方向に沿って前後逆向き）で配置される。なお、図２２～図２６では、切り欠きを有さない２つのアンテナが配置されたアンテナ装置を参照例として例示する。すなわち、参照例のアンテナ装置では、図６に示すように切り欠きを有さないアンテナ素子が、互いにその拡開方向が異なる向き（例えばＹ軸方向に沿って前後逆向き）で配置される。なお、参照例のアンテナ装置における各アンテナの拡開の開度は、アンテナ装置１０ｂにおける各アンテナの拡開の開度と同一である場合を示す。図２２～図２６では、拡開の開度δを２０度（折り曲げ角度θが８０度）とした。

図２２は包絡線相関係数を示す図である。包絡線相関係数は、２つのアンテナ間の放射パターンの類似性の度合いを示している。このため、２つのアンテナ間で放射パターンが似ているほど、包絡線相関係数は高くなる。なお、以下では包絡線相関係数のことを単に相関係数と適宜記載する。参照例のアンテナ装置では、４０００ＭＨｚ（＝４．０ＧＨｚ）から低域の周波数帯にかけて相関係数が高くなる傾向にあり、１７００ＭＨｚ（＝１．７ＧＨｚ）での相関係数は、約０．６である。これは、図１２で示したように、１７００ＭＨｚでは、拡開の開度δを変化させても指向性に顕著な変化がなく、２つのアンテナを前後逆向きに配置しても放射パターンが類似することに起因すると推測される。一方、アンテナ装置１０ｂでは、４０００ＭＨｚから低域の周波数帯にかけて相関係数が高くなる傾向にあるが、１７００ＭＨｚでの相関係数は、約０．４である。すなわち、アンテナ装置１０ｂは、参照例のアンテナ装置と比較して相関係数の増加を低減できている。言い換えると、折り曲げによる指向性の変化の程度が小さい周波数帯では、切り欠きの有無によって相関係数に差が現れる。

図２３は、一方のアンテナの給電点から、他方のアンテナの給電点への電力の通過損失特性を示す図である。図２３に示すように、参照例のアンテナ装置において広い周波数範囲においてアンテナ間のアイソレーションを高めることが可能になっている。そして、アンテナ装置１０ｂでは、参照例のアンテナ装置と比較して、例えば４０００ＭＨｚ以下（＝４．０ＧＨｚ以下）の周波数帯でアイソレーションをより高めることができている。

なお、図２４は水平面平均利得を示す図であり、図２５は放射効率を示す図であり、図２６はＶＳＷＲ特性を示す図である。図２４～図２６に示すように、アンテナ装置１０ｂは、参照例のアンテナ装置と同様の水平面平均利得、放射効率、ＶＳＷＲ特性を有する。すなわち、各アンテナの拡開の開度が同一であるアンテナ素子を互いにその拡開方向が異なる向きに配置する場合に、一部が切り欠かれた形状を有することで、水平面平均利得、放射効率、ＶＳＷＲ特性をほぼ変化させずに、包絡線相関係数の増加を低減したりアイソレーションを高めたりすることができることになる。

なお、アンテナ装置１０ｂにおいて２つのアンテナ１００ｂ－１，１００ｂ－２は、地板１１０を共通とせずにそれぞれに対して地板が設けられてもよい。上記実施形態の構成も同様に、アンテナ装置１０において２つのアンテナ１００－１，１００－２は、地板１１０を共通とせずにそれぞれ異なる地板（具体的には、基板のアース配線、金属ベース、車両のルーフ等）に設けられてもよい。

［その他の変形例］
また、上記実施形態では、２つのアンテナ１００を備えたアンテナ装置１０を例示したが、アンテナ装置１０を構成するアンテナ１００の数は２つに限らず、３つ以上のアンテナ１００を備えた構成とすることもできる。例えば、アンテナ１００の数を４つとし、各々の放射素子１３０の拡開方向を、前後左右の４つの各方向に向けて配置するとしてもよい。

また、アンテナ装置１０が備える複数のアンテナ１００の各々の開度δは同じにする必要はなく、異なる角度としてもよい。高さについても、高い方が低い周波数での利得が向上するため、使用する周波数帯域や複数の周波数帯域での利得を向上させるために各々調整してアンテナ１００の高さを異なる高さに設定してもよい。

また、上記実施形態では、複数のアンテナ１００を配置する場合には、放射素子１３０の拡開方向を異なる方向に向けて配置することとした。これに対し、放射素子１３０の拡開方向を同じ方向に向けて配置してもよい。これにより、放射素子１３０が向く方向に対して利得を高めることが可能になる。なお、この場合、各放射素子１３０の開度δを変更することとしてもよい。

また、上記実施形態では、車載用アンテナ装置１において複数のアンテナ１００は、図１に示すように、ラジオアンテナ２０の後方に配置されるものとして説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、車載用アンテナ装置１において、複数のアンテナ１００の配置は任意に変更可能である。例えば、複数のアンテナ１００は、ラジオアンテナ２０の前方に配置されてもよい。また、例えば、複数のアンテナ１００は、ラジオアンテナ２０を挟む位置関係に配置されてもよい。一例をあげると、複数のアンテナ１００は、ラジオアンテナ２０を前後方向から挟む位置関係に配置されてもよいし、ラジオアンテナ２０を左右方向から挟む位置関係に配置されてもよい。

また、車載用アンテナ装置１において、ラジオアンテナ２０の前方或いは後方に１以上のアンテナ１００を配置する場合には、容量装荷素子２３の前後方向の略中央線上に、１以上のアンテナ１００の少なくとも一部の領域が配置されてもよい。また、車載用アンテナ装置１において、ラジオアンテナを前後方向から挟む位置関係で複数のアンテナ１００を配置する場合には、容量装荷素子２３の前後方向の略中央線上に、１以上のアンテナ１００の少なくとも一部の領域が配置されてもよい。

また、高域側の周波数帯で動作させる場合には、アンテナ１００の高さをより低く設計することができる。この結果、アンテナ１００の設計自由度を高めることが可能になる。

また、上記実施形態では、アンテナ１００は、アンテナケース１１に収容されるものとして説明したが、アンテナケース１１以外の筐体に収容されてもよい。言い換えると、アンテナ１００は、シャークフィン形状のアンテナケース１１以外の筐体に収容されてもよい。また、この場合、筐体の形状は任意に変更可能である。

また、上記実施形態では、車両に搭載される車載用アンテナ装置を例示したが、これに限定されない。例えば、航空機や船舶等に搭載されるアンテナ装置や、無線通信の基地局で用いるアンテナ装置等にも同様に適用が可能である。

１…車載用アンテナ装置
１１…アンテナケース
１３…アンテナベース
１０…アンテナ装置
１００（１００－１，２），１００ｂ（１００ｂ－１，１００ｂ－２）…アンテナ
１１０…地板
１３０，１３０ｂ…放射素子
１３１…第１の放射素子部
１３３…第２の放射素子部
１３５…端部
１３７…屈折部
１５１…給電線（給電部）
２０…ラジオアンテナ
３０…衛星ラジオアンテナ
４０…ＧＮＳＳアンテナ
δ…開度
θ…折り曲げ角度

Claims (9)

1. 給電部に接続される端部に対して起立した状態で配置され、所定の拡開方向に拡開する形状の放射素子を備え、
   前記放射素子は、前記拡開方向に沿った所定の仮想対称面を挟んで、面対称となる第１の放射素子部および第２の放射素子部を有することによって前記拡開する形状を構成し、前記端部を基準とした自己相似形状であり、
   前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部は、前記仮想対称面上に位置する所定の仮想屈折部の一部を含まずに一体に構成された、
   アンテナ。
2. 前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部が成す前記拡開の開度は、２０度以上１６０度以下である、
   請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記拡開する形状は、前記第１の放射素子部および前記第２の放射素子部を上面視して前記端部側へ投影した場合、前記端部を基点としたＶ字状の形状である、
   請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 前記仮想屈折部は、直線状の仮想屈折線を有し、
   前記放射素子は、前記仮想対称面への投影視における前記仮想屈折線の方向の長さが、アンテナ帯域周波数の下限の電波の１／８波長以上の長さである、
   請求項１～３の何れか一項に記載のアンテナ。
5. 前記アンテナ帯域周波数の下限は１ＧＨｚ以上である、
   請求項４に記載のアンテナ。
6. 請求項１～５の何れか一項に記載のアンテナを複数備えたアンテナ装置。
7. 請求項１～５の何れか一項に記載のアンテナを、前記拡開方向を異なる方向に向けて複数備えたアンテナ装置。
8. 請求項１～５の何れか一項に記載のアンテナと、
   アンテナ帯域周波数が、前記アンテナのアンテナ帯域周波数より低いラジオ受信用の他アンテナと、
   前記アンテナおよび前記他アンテナを収容するケースと、
   を備えた車載用アンテナ装置。
9. 前記端部と前記第１の放射素子部とが成す角度は鋭角であり、
   前記端部と前記第２の放射素子部とが成す角度は鋭角である、
   請求項１～５の何れか一項に記載のアンテナ。

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