JP7415820B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、外部装置とケーブル接続して使用されるアンテナ装置に関する。

アンテナ装置として、モノポールアンテナやパッチアンテナなど、種々のアンテナ装置が提案及び開発されている（例えば特許文献１）。これらのアンテナ装置は、放射素子とは別に、接地電位を導体板である地板を備えている。

これらのアンテナ装置において、地板の面積（以降、地板面積）が、送受信の対象とする電波の波長に対して不十分である場合、地板からケーブルに漏洩する電流（以下、漏洩電流）が増大し、利得が低下したり、指向性が不安定となったりしうる。

そのような課題に関連する技術として、特許文献１には、ローパスフィルタとして機能する回路素子（以降、フィルター素子）を用いて高周波電流をフィルタリングすることにより、ケーブルへの漏洩電流を抑制する方法が開示されている。

特開２００５－２７１３４号公報

特許文献１に開示の構成では、フィルター素子が必要となるため、フィルター素子の分だけコストが増加する課題がある。

本開示は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、コストの増加を抑制しつつ、ケーブルへの漏洩電流を抑制可能なアンテナ装置を提供することにある。

その目的を達成するための第１のアンテナ装置は、一例として、矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、地板の所定方向の長さは送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短く設定されており、地板には、地板の縁部からの距離が対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されており、地板には縁部から長手方向に沿って対象波長の４分の１の奇数倍の長さのスリット（１３）が形成されており、接地用ケーブルは、スリットの奥側端部と電気的に接続されている。
上記目的を達成するための第２のアンテナ装置は、矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、地板は、短手方向の長さが送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短い長方形状であって、長手方向の長さは短手方向の２倍以上に設定されており、アンテナ素子は、地板の中心と重なる位置から地板の長手方向にずれた位置に配置されており、地板において、地板の長手方向の端部のうちのアンテナ素子から離れている方の端部であるアンテナ遠方端（１２）からの距離が対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されている。
上記目的を達成するための第３のアンテナ装置は、矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、地板は、短手方向の長さが送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短い長方形状であって、長手方向の長さは短手方向の２倍以上に設定されており、アンテナ素子は、地板の中心と重なる位置から地板の長手方向にずれた位置に配置されており、地板の長手方向の端部のうち、アンテナ素子から離れている方の端部であるアンテナ遠方端（１２）から、反対側の端部に向かって対象波長の４分の１の奇数倍の長さのスリット（１３）が形成されており、スリットの中心線上には、導電線路（１４）が形成されており、地板には、導電線路を介して接地用ケーブルが直列的に接続されている。
上記目的を達成するための第４のアンテナ装置は、矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、地板の所定方向の長さは送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短く設定されており、地板には、地板の縁部からの距離が対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されており、アンテナ素子は、地板の長手方向の一方の端部に配置されている。
上記目的を達成するための第５のアンテナ装置は、矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、地板の所定方向の長さは送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短く設定されており、地板には、地板の縁部からの距離が対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されており、アンテナ素子は、地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電点が設けられている対向導体板（３０）と、対向導体板の中央領域に設けられてあって、対向導体板と地板とを電気的に接続する短絡部（４０）と、を用いて構成されており、短絡部が備えるインダクタンスと、地板と対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振するように構成されている。

開発者らは、地板面積を削減したアンテナ装置の作動をシミュレーション等により検証したところ、地板の縁部から対象波長の４分の１の奇数倍となる位置は、電位が最小となる、電位分布の節として振る舞うといった知見を得た。上記の構成は、当該知見に基づいて創出されたものであって、地板の縁部から対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に接地用ケーブルを接続した構成によれば、接地用ケーブルと地板との電位差が生じないため、漏洩電流を抑制することができる。また上記構成によれば、ケーブルへの漏洩電流抑制のためのフィルター素子は不要である。つまり、コストの増加を抑制しつつ、ケーブルへの漏洩電流を抑制可能となる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

アンテナ装置１の外観斜視図である。 図１に示すＩＩ－ＩＩ線での断面を概念的に示す図である。 アンテナ装置１の平面図である。 地板１０上の電位分布を示す図である。 地板１０の縁部からの距離がλ／２となる位置にケーブル接続点１１を設けた場合の指向性のシミュレーション結果を示す図である。 地板１０の縁部からの距離がλ／４となる位置にケーブル接続点１１を設けた場合の指向性のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置１の車両への搭載例を示す図である。 地板１０への接地用ケーブル５１の接続姿勢の一例を示す図である。 地板１０への接地用ケーブル５１の接続姿勢の一例を示す図である。 地板１０の構成の一例を示す図である。 地板１０に対するアンテナ素子２の設置位置の変形例を示す図である。 地板１０に対するアンテナ素子２の設置位置の変形例を示す図である。 地板１０に対するアンテナ素子２の設置位置の変形例を示す図である。 アンテナ装置１がケース６０を備える場合の構成例を示す図である。

以下、本開示の実施形態について図を用いて説明する。なお、以降において同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみに言及している場合、他の部分については先に説明した実施形態の構成を適用することができる。

図１は、本実施形態に係るアンテナ装置１の概略的な構成の一例を示す外観斜視図である。図２は、図１に示すＩＩ－ＩＩ線におけるアンテナ装置１の断面図である。アンテナ装置１は、例えば、車両などの移動体に搭載されて用いられる。

このアンテナ装置１は、所定の対象周波数の電波を送受信するように構成されている。もちろん、他の態様としてアンテナ装置１は、送信と受信の何れか一方のみに利用されても良い。電波の送受信には可逆性があるため、或る周波数の電波を送信可能な構成は、当該周波数の電波を受信可能な構成でもある。

対象周波数は、ここでは一例として２．４５ＧＨｚとする。もちろん、対象周波数は適宜設計されれば良く、他の態様として例えば３００ＭＨｚや、７６０ＭＨｚ、８５０ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、１．１７ＧＨｚ、１．２８ＧＨｚ、１．５５ＧＨｚ、５．９ＧＨｚ等としてもよい。アンテナ装置１は、対象周波数だけでなく、対象周波数を基準として定まる所定範囲内の周波数の電波もまた送受信可能である。例えばアンテナ装置１は、２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚまでの帯域（以降、２．４ＧＨｚ帯）に属する周波数を送受信可能に構成されている。

つまり、アンテナ装置１は、Bluetooth Low Energy（Bluetoothは登録商標）や、Wi-Fi（登録商標）、ZigBee（登録商標）等といった、近距離無線通信で使用される周波数帯の電波を送受信可能に構成されている。換言すれば、アンテナ装置１は、国際電気通信連合によって規定されている、産業・科学・医療分野で汎用的に使うために割り当てられた周波数の帯域（いわゆるＩＳＭバンド）の電波を送受信可能に構成されている。

以降における「λ」は、対象周波数の電波の波長（以降、対象波長とも記載）を表す。例えば「λ／２」及び「０．５λ」は対象波長の半分の長さを指し、「λ／４」及び「０．２５λ」は対象波長の４分の１の長さを指す。なお、真空中及び空気中における２．４ＧＨｚの電波の波長（つまりλ）は１２５ｍｍである。

アンテナ装置１は、例えばケーブルを介して、車両に搭載されている通信用のＥＣＵ（Electronic Control Unit）と接続されており、アンテナ装置１が受信した信号は通信用ＥＣＵに逐次出力される。また、アンテナ装置１は通信用ＥＣＵから入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。通信用ＥＣＵは、アンテナ装置１が受信した信号を利用するとともに、当該アンテナ装置１に対して送信信号に応じた高周波電力を供給するものである。

ここでは一例としてアンテナ装置１と通信用ＥＣＵとは、ＡＶ線で接続する場合を想定して説明する。ＡＶ線は、自動車用低圧電線であって、軟銅より線を例えば塩化ビニルなどの絶縁材料で被覆することによって実現されている。ＡＶ線の「Ａ」は自動車用低圧電線を指し、「Ｖ」はビニルを指す。アンテナ装置１に接続するＡＶ線としては、接地電位を提供するためのＡＶ線である接地用ケーブルと、信号が流れるＡＶ線である信号用ケーブルとがある。なお、アンテナ装置１と通信用ＥＣＵとの接続ケーブルとしては、自動車用薄肉低圧電線（ＡＶＳＳケーブル）や、自動車用圧縮導体超薄肉塩化ビニル絶縁低圧電線（ＣＩＶＵＳケーブル）なども採用可能である。ＡＶＳＳの「ＳＳ」は極薄肉型を指す。ＣＩＶＵＳの「Ｃ」は圧縮導体型、「Ｉ」はＩＳＯ規格、「Ｖ」はビニル、「ＵＳ」は超極薄肉型を指す。また、アンテナ装置１と通信用ＥＣＵとを接続するケーブルとしては同軸ケーブルやフィーダ線など、その他の通信ケーブルを用いて接続しても良い。アンテナ装置１とケーブルとの接続点にはインピーダンス整合回路などが設けられていても良い。

以下、アンテナ装置１の具体的な構成について述べる。図１に示すようにアンテナ装置１は、地板１０、支持板２０、対向導体板３０、及び短絡部４０を備えている。便宜上以降では、地板１０に対して対向導体板３０が設けられている側を、アンテナ装置１にとっての上側として各部の説明を行う。つまり、地板１０から対向導体板３０に向かう方向がアンテナ装置１にとっての上方向に相当する。また、対向導体板３０から地板１０に向かう方向がアンテナ装置１にとっての下方向に相当する。

地板１０は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。地板１０は、支持板２０の下側面に沿って設けられている。ここでの板状には金属箔のような薄膜状も含まれる。つまり、地板１０はプリント配線板等の樹脂製の板の表面に電気メッキ等によってパターン形成されたものでもよい。また、地板１０は、複数の導体層及び絶縁層を含む多層基板の内部に配置された導体層を用いて実現されていても良い。この地板１０は、接地用ケーブル５１と電気的に接続されて、アンテナ装置１におけるグランド電位（換言すれば接地電位）を提供する。地板１０と接地用ケーブル５１との接続点であるケーブル接続点１１の位置については別途説明する。

地板１０は、長方形状に形成されている。地板１０の短辺の長さは、例えば、電気的に０．４λに相当する値に設定されている。また、地板１０の長辺の長さは、電気的に１．２λに設定されている。ここでの電気的な長さとは、フリンジング電界や、誘電体による波長短縮効果などを考慮した、実効的な長さである。当該構成は、短手方向の長さが対象波長よりも短く、かつ、長手方向の長さは短手方向の２倍以上に設定されている長方形状の地板１０に相当する。なお、地板１０の短辺の長さは、０．６λや、０．８λなどであってもよい。地板１０の短辺はλ／４よりも長ければよい。地板１０の長手方向の長さは、短手方向よりも長ければよく、１．０λや、１．５λなどであってもよい。地板１０の短辺と長辺の長さの比は、概ね１：２、１：３、１：４、２：３、２：５などとすることができる。なお、支持板２０が比誘電率４．３の誘電体を用いて形成されている場合、地板１０表面での波長は、支持板２０としての誘電体の波長短縮効果によって６０ｍｍ程度となる。故に、電気的に１．２λに相当する長さとは、７２ｍｍとなる。

図１等の種々の図に示すＸ軸は地板１０の長手方向を、Ｙ軸は地板１０の短手方向を、Ｚ軸は上下方向をそれぞれ表している。Ｙ軸方向が所定方向に相当する。これらＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を備える３次元座標系は、アンテナ装置１の構成を説明するための概念である。なお、他の態様として地板１０が正方形状である場合には、任意の１辺に沿う方向をＸ軸とすることができる。

なお、地板１０は、少なくとも対向導体板３０よりも大きければよい。地板１０の寸法は適宜変更可能である。地板１０の１つの辺の長さは、電気的に１波長よりも小さい値（例えば対象波長の１／３）に設定されていても良い。また、地板１０を上側から見た形状（以降、平面形状）は適宜変更可能である。ここでは一例として地板１０の平面形状を長方形状とするが、他の態様として地板１０の平面形状は、正方形状であってもよい。また、その他の多角形状であってもよい。例えば地板１０は、１辺が電気的に１波長に相当する値に設定された正方形状であってもよい。矩形状には、長方形と正方形とが含まれる。

支持板２０は、地板１０と対向導体板３０とを、所定の間隔をおいて互いに対向配置するための板状部材である。支持板２０は矩形平板状であり、支持板２０の大きさは平面視において地板１０とほぼ同じ大きさである。支持板２０は、例えばガラスエポキシ樹脂など、所定の比誘電率を有する誘電体を用いて実現されている。ここでは一例として支持板２０は比誘電率４．３のガラスエポキシ樹脂（換言すれば、ＦＲ４：Flame Retardant Type 4）を用いて実現されている。

本実施形態では一例として支持板２０の厚さＨ１は、例えば１．５ｍｍに形成されている。支持板２０の厚さＨ１は、地板１０と対向導体板３０との間隔に相当する。支持板２０の厚さＨ１を調整することで、対向導体板３０と地板１０との間隔を調整することができる。支持板２０の厚さＨ１の具体的な値はシミュレーションや試験によって適宜決定されれば良い。もちろん、支持板２０の厚さＨ１は、２．０ｍｍや、３．０ｍｍなどであってもよい。なお、支持板２０での波長は、誘電体の波長短縮効果によって６０ｍｍ程度となる。故に、厚さ１．５ｍｍという値は、電気的に対象波長の４０分の１（つまりλ／４０）に相当する。

なお、支持板２０は前述の役割を果たせればよく、支持板２０の形状は適宜変更可能である。対向導体板３０を地板１０に対向配置するための構成は、複数の柱であってもよい。また、本実施形態において地板１０と対向導体板３０の間は、支持板２０としての樹脂が充填された構成を採用するが、これに限らない。地板１０と対向導体板３０の間は、中空や真空となっていてもよい。支持板２０としては、ハニカム構造などを採用することもできる。さらに、以上で例示した構造が組み合わさっていてもよい。アンテナ装置１がプリント配線板を用いて実現される場合には、プリント配線板が備える複数の導体層を、地板１０や、対向導体板３０として利用するとともに、導体層を隔てる樹脂層を支持板２０として利用してもよい。

支持板２０の厚さＨ１は、後述するように短絡部４０の長さを調整するパラメータとしても機能する。換言すれば、支持板２０の厚さＨ１は、短絡部４０が提供するインダクタンスを調整するパラメータとして機能する。加えて厚さＨ１は、地板１０と対向導体板３０とが対向することによって形成される静電容量を調整するパラメータとしても機能する。

支持板２０において対向導体板３０が配置されている側の面（以降、支持板上側面２０ａ）には、送受信回路７０が形成されていてもよい。送受信回路７０は、変調、復調、周波数変換、増幅、デジタルアナログ変換、及び検波の少なくとも何れか１つを実施する回路モジュールである。送受信回路７０は、ＩＣや、アナログ回路素子、コネクタなど、多様な部品の電気的集合体である。送受信回路７０は、給電線路７１としてのマイクロストリップなどで対向導体板３０と電気的に接続されている。また、送受信回路７０は、ビアまたは短絡ピン等を介して地板１０とも接続されている。送受信回路７０は、信号用ケーブルとしてのＡＶ線とも電気的に接続されている。つまり、送受信回路７０は信号用ケーブルを介して通信用ＥＣＵと接続されている。なお、アンテナ装置１における信号用ケーブルの接続箇所は任意の位置をすることができる。

対向導体板３０は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。ここでの板状には、前述の通り、銅箔などの薄膜状も含まれる。対向導体板３０は、支持板２０を介し、地板１０と対向するように配置されている。対向導体板３０もまた地板１０と同様にプリント配線板等の、樹脂製の板の表面にパターン形成されたものでもよい。また、ここでの「平行」とは完全な平行状態に限らない。数度から３０度程度傾いていても良い。つまり概ね平行である状態（いわゆる略平行な状態）を含みうる。本開示における「垂直」という表現についても、完全に垂直な状態に限らず、数度～３０度程度傾いている態様も含まれる。

対向導体板３０と地板１０とは、互いに対向配置されることで、対向導体板３０の面積や、対向導体板３０と地板１０との間隔に応じた静電容量を形成する。対向導体板３０は、短絡部４０が備えるインダクタンスと対象周波数において並列共振する静電容量を形成する大きさに形成されている。対向導体板３０の面積は、所望の静電容量を提供するように適宜設計されればよい。所望の静電容量とは、短絡部４０のインダクタンスとの協働により対象周波数で動作する静電容量である。なお、動作周波数をｆ、短絡部４０が備えるインダクタンスをＬ、対向導体板３０が地板１０との間に形成する静電容量をＣとすると、ｆ＝１／｛２π√（ＬＣ）｝の関係が成り立つ。当業者であれば、当該関係式をもとに、適正な対向導体板３０の面積を決定することは可能である。

例えば対向導体板３０は、一辺が電気的に１２ｍｍｍの正方形状に形成されている。対向導体板３０の表面での波長は支持板２０の波長短縮効果によって６０ｍｍ程度となるため、１２ｍｍという値は、電気的に０．２λに相当する。もちろん、対向導体板３０の一辺の長さは適宜変更可能であり、１４ｍｍや、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍなどであっても良い。なお、対向導体板３０の平面形状は、円形や、正八角形、正六角形などであってもよい。また、対向導体板３０は、長方形状や長楕円形などであってもよい。

対向導体板３０には給電点３１が形成されている。給電点３１は給電線路７１と対向導体板３０とが電気的に接続される部分である。本構成において給電点３１は、任意の位置に配置可能である。給電線路７１とのインピーダンスの整合が取れる位置に設けられればよい。換言すれば給電点３１は、リターンロスが所定の許容レベルとなる位置に設けられればよい。給電点３１は、例えば対向導体板３０の縁部や中央領域など、任意の位置に配置することができる。ここでは一例として対向導体板３０の中心を通りかつＸ軸に平行な直線上に給電点３１が形成されている。

なお、対向導体板３０への給電方式としては、直結給電方式や電磁結合方式など多様な方式を採用可能である。直結給電方式は、給電線路７１と対向導体板３０とが直接接続される方式を指す。電磁結合方式は、給電用のマイクロストリップ線路等と対向導体板３０との電磁結合を利用した給電方式を指す。

短絡部４０は、地板１０と対向導体板３０とを電気的に接続する導電性の部材である。短絡部４０は、導電性のピン（以降、ショートピン）を用いて実現されれば良い。短絡部４０としてのショートピンの径や長さを調整することによって、短絡部４０が備えるインダクタンスを調整することができる。

なお、短絡部４０は、一端が地板１０と電気的に接続され、他端が対向導体板３０と電気的に接続された線状の部材であればよい。アンテナ装置１がプリント配線板を基材として用いて実現される場合には、プリント配線板に設けられたビアを短絡部４０として利用することができる。

短絡部４０は、例えば導体板中心に位置するように設けられている。なお、短絡部４０の形成位置は、厳密に導体板中心と一致している必要はない。短絡部４０は導体板中心から数ｍｍ程度ずれていてもよい。短絡部４０は、対向導体板３０の中央領域に形成されていれば良い。対向導体板３０の中央領域とは、導体板中心から縁部までを１：５に内分する点を結ぶ線よりも内側の領域を指す。中央領域は、別の観点によれば、対向導体板３０を６分の１程度に相似縮小した同心図形が重なる領域に相当する。

＜地板１０に対する対向導体板３０の位置について＞
対向導体板３０は、図３に示すように、或る１組の対辺がＸ軸と平行となり、かつ、他の組の対辺がＹ軸に平行となる姿勢で地板１０と対向配置されている。例えば、対向導体板３０は、その中心が地板１０の中心から所定のオフセット量ΔＸだけＸ軸負方向にずれた位置に配置されている。オフセット量ΔＸは例えば、０．１２５λ、０．２５λ、０．５λなどとすることができる。対向導体板３０は、地板１０のＸ軸負方向（紙面左端）の端部に沿うように配置されていても良い。オフセット量ΔＸは、上面視において対向導体板３０が地板１０の外側にはみ出さない範囲において適宜変更可能である。対向導体板３０は、少なくとも全領域（換言すれば全面）が地板１０と対向するように配置されている。オフセット量ΔＸは、地板１０の中心と対向導体板３０の中心のずれ量に相当する。

なお、図３では地板１０と対向導体板３０の位置関係を明示するために、支持板２０及び送受信回路７０等は透過させている。つまり図示を省略している。図３に示す一点鎖線Ｌｘ１は、地板１０の中心を通ってＸ軸に平行な直線を表しており、一点鎖線Ｌｙ１は、地板１０の中心を通ってＹ軸に平行な直線を表している。二点鎖線Ｌｙ２は、対向導体板３０の中心を通ってＹ軸に平行な直線を表す。直線Ｌｘ１は、別の観点によれば、地板１０や対向導体板３０にとっての対称軸に相当する。直線Ｌｙ１は地板１０にとっての対称軸に相当する。直線Ｌｙ２は対向導体板３０にとっての対称軸に相当する。一点鎖線Ｌｘ１は、対向導体板３０の中心も通る。つまり、一点鎖線Ｌｘ１は、Ｘ軸に平行な直線であって地板１０と対向導体板３０の中心を通る直線に相当する。直線Ｌｘ１と直線Ｌｙ１との交点が地板中心に相当し、直線Ｌｘ１と直線Ｌｙ２の交点が対向導体板３０の中心（以降、導体板中心）に相当する。導体板中心は、対向導体板３０の重心に相当する。本実施形態では対向導体板３０が正方形状であるため、導体板中心とは、対向導体板３０の２つの対角線の交点に相当する。なお、地板１０と対向導体板３０とが同心となる配置態様とは、上面視において対向導体板３０の中心と地板１０の中心とが重なる配置態様に相当する。

＜アンテナ装置１の動作原理について＞
ここではアンテナ装置１の動作を説明する。アンテナ装置１は、対向導体板３０はその中央領域に設けられた短絡部４０で地板１０に短絡されており、かつ、対向導体板３０の面積は、短絡部４０が備えるインダクタンスと対象周波数において並列共振する静電容量を形成する面積となっている。

このため、送受信回路７０から高周波信号が入力されると、インダクタンスと静電容量との間のエネルギー交換によってＬＣ並列共振が生じ、地板１０と対向導体板３０との間には、地板１０および対向導体板３０に対して垂直な電界が発生する。この垂直電界は、短絡部４０から対向導体板３０の縁部に向かって伝搬していき、対向導体板３０の縁部において、垂直電界は地板１０に垂直な偏波面を持つ直線偏波（以降、地板垂直偏波）になって空間を伝搬していく。つまり、短絡部４０及び対向導体板３０を含む構成が、放射素子、換言すればアンテナ素子２として機能する。なお、ここでの地板垂直偏波とは、電界の振動方向が地板１０や対向導体板３０に対して垂直な電波を指す。

また、アンテナ装置１は対象周波数において、アンテナ水平方向に指向性を有する。故に、地板１０が水平となるように配置されている場合、アンテナ装置１は水平方向にメインビームを備えるアンテナとして機能する。ここでのアンテナ水平方向とは、対向導体板３０の中心からその縁部に向かう方向を指す。アンテナ水平方向は、別の観点によれば、対向導体板３０の中心を通る地板１０への垂線に直交する方向を指す。アンテナ水平方向は、アンテナ装置１にとっての横方向（換言すれば側方）に相当する。

なお、アンテナ装置１が電波を送信（放射）する際の作動と、電波を受信する際の作動は、互いに可逆性を有する。つまり上記アンテナ装置１によれば、アンテナ水平方向から到来する地板垂直偏波を受信できる。

＜地板１０におけるケーブル接続点１１の位置について＞
本開示において接地用ケーブル５１と地板１０との接続点であるケーブル接続点１１は、地板１０のＸ軸正方向の端部（図面上の右端）からの距離αがλ／４となる位置に配置されている。具体的には、地板１０の中心を通ってＸ軸に平行な直線Ｌｘ１上において、アンテナ素子２としての対向導体板３０が配置されていない方の端部（以降、アンテナ遠方端１２）から、λ／４離れた位置に設けられている。以降では便宜上、アンテナ遠方端１２からλ／４離れた地板１０の部分をλ／４地点とも記載する。

なお、地板１０のＸ軸正方向の端部からの距離がλ／４の３倍や５倍となる位置に配置されていてもよい。ケーブル接続点１１は、地板１０の端部からの距離αがλ／４×Ｎ（Ｎは奇数）となる位置に設けられていればよい。また、ケーブル接続点１１は、アンテナ遠方端１２からλ／４の奇数倍離れた位置に配置されていればよく、Ｙ方向の位置は、直線Ｌｘ１上に限定されない。図３に示す位置からＹ軸正又は負方向にずれた位置に配置されていても良い。

接地用ケーブル５１はケーブル接続点１１からＹ軸に平行な姿勢で配線されるか、地板１０からλ／２０以上離れて配線されることが好ましい。そのような構成によればケーブル接続点１１以外において接地用ケーブル５１が地板１０と電気的或いは電磁気的に結合することを抑制することができる。

＜作用効果＞
シミュレーションの結果、ＬＣ並列共振によって地板１０に流れる電流は、主として、短絡部４０から地板１０の縁部に向かって流れることが確認されている。また、対向導体板３０から短絡部４０を通って地板１０に流れ込んだ電流は、短絡部４０から地板１０の長手方向の両側に流れる。つまり、地板１０に流れる電流は、短絡部４０からアンテナ遠方端１２に向かって流れる。

ここで、アンテナ遠方端１２では電流はゼロとなることから、図４に示すように、アンテナ遠方端１２での電位は最大となり、アンテナ遠方端１２からλ／４×Ｎの位置では電位は最小となる。電位が最小となる点においては、導体が近接しても地板１０の電位は変化しない。故に、電位が最小となる点においては、導体が近接しても電流の変化も生じないことなる。そのため、アンテナ遠方端１２からλ／４の奇数倍となる位置にケーブル接続点１１を設けた構成によれば、地板１０から接地用ケーブル５１への漏洩電流を抑制することが可能となる。

図５及び図６は、ケーブル接続点１１をアンテナ遠方端１２からλ／２離れた位置に設けた場合と、λ／４離れた位置に設けた場合の、接地用ケーブル５１の有無による指向性変化を解析した結果である。図５が、ケーブル接続点１１をアンテナ遠方端１２からλ／２離れた位置に設けた場合を示しており、図６が、ケーブル接続点１１をアンテナ遠方端１２からλ／４離れた位置に設けた場合を示している。図５、図６における破線は接地用ケーブル５１が存在しない場合の指向性のシミュレーション結果を示しており、実線は、接地用ケーブル５１が存在する場合の指向性のシミュレーション結果を示している。つまり、図５及び図６における破線と実線とのギャップは、接地用ケーブル５１による指向性への影響度合いを示している。図５及び図６を比較すれば明らかなように、ケーブル接続点１１の位置をλ／４離した位置に設けた構成によれば、接地用ケーブル５１による指向性の乱れを抑制できる。なお、指向性の乱れは、接地用ケーブル５１への漏洩電流に由来する。つまり、図５及び図６は、ケーブル接続点１１の位置をλ／４離した位置に設けた構成によれば、接地用ケーブル５１への漏洩電流を抑制できることを間接的に示している。

以上で述べたように上記構成によれば、地板１０のサイズが対象波長に対して不十分である場合であっても、接地用ケーブル５１への電流の漏洩量を低減できる。上記の地板１０に対するケーブルの接続方法は、地板１０の短手方向の長さが０．７５λ未満となっている構成において特に好適に作用する。また、地板１０が長手方向を有する長方形であって、長手方向の一方の端部にアンテナ素子２が配置されている構成において、特に好適である。長手方向の一方の端部にアンテナ素子２が配置されている構成においては、反対側の端部であるアンテナ遠方端１２に向かって電流が流れ、電圧分布の腹と節が形成されやすいためである。

上記のアンテナ装置１は、対向導体板３０及び短絡部４０を含むアンテナ素子２がＬＣ並列共振することにより、アンテナ水平方向に地板垂直偏波を送受信できる。なお、地板垂直偏波を送受信可能な他の構成としては、アンテナ素子２としてモノポールアンテナを採用することもできる。ただし、アンテナ素子２をモノポールアンテナとする構成では、λ／４の高さが必要になってしまう。これに対し、上記アンテナ装置１ではλ／１００程度の高さ（換言すれば厚さ）で実現可能である。つまり、上記開示の構成によれば、アンテナ装置１の高さを抑制できる。

加えて、ケーブル接続点１１の位置をλ／４の奇数倍となる位置に配置することにより、ローパスフィルタ等の回路素子を設けることなく、接地用ケーブル５１への漏洩電流を抑制できる。つまり、製造コストの抑制とアンテナ特性の安定化を両立することができる。

＜アンテナ装置１の使用方法について＞
上述したアンテナ装置１は、例えば図７に示すように、車両のＢピラー９１の車室外側の面に、地板１０がＢピラー９１の表面と対向し、かつ、Ｘ軸方向がＢピラー９１の長手方向（換言すれば車両高さ方向）に沿う姿勢で取り付け使用されればよい。あるいは、ドアパネル内部においてＢピラー９１と重なる部分に、上記の姿勢にて取り付けられていても良い。

以上の取り付け姿勢によれば、アンテナ装置１にとっての上方向であるＺ軸正方向が、車幅方向に略一致し、アンテナ水平方向は、車両側面部に沿う（換言すれば平行な）方向となる。当該取り付け姿勢によれば、車両側面部に沿うように通信エリアを形成する事ができる。

なお、アンテナ装置１の取付位置及び取付姿勢は上記の例に限定されない。アンテナ装置１は、Ａピラー９２やＣピラーの車室外側の面、ロッカー部（換言すればサイドシル）９４、アウタードアハンドル９５の内部／付近など、車両外面部の任意の位置に取り付けることができる。例えば、アンテナ装置１は、アウタードアハンドル９５の内部に、Ｘ軸方向がハンドルの長手方向に沿い、かつ、Ｙ軸が車両高さ方向に沿う姿勢で収容されていても良い。また、アンテナ装置１はルーフ部９３に搭載されても良い。

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上述の第１実施形態に限定されるものではなく、以降で述べる種々の補足や変形例も本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。例えば下記の種々の変形例は、技術的な矛盾が生じない範囲において適宜組み合わせて実施することができる。

＜アンテナ素子２について＞
上述した実施形態では、アンテナ装置１は、対向導体板３０と短絡部４０を含む構成をアンテナ素子２として備える構成を開示した。換言すれば、アンテナ素子２として０次共振アンテナを用いた構成を開示したがこれに限らない。アンテナ素子２は、モノポールアンテナであってもよいし、パッチアンテナであってもよい。アンテナ素子２は、逆Ｆアンテナ又はループアンテナであってもよい。アンテナ装置１のアンテナ素子２としては多様なアンテナ構成を採用可能である。

＜地板１０に対する接地用ケーブル５１の接続態様について＞
ケーブル接続点１１において接地用ケーブル５１は、図８に示すようにコネクタ５２を用いて地板１０に垂直に接続されていても良い。このような構成によれば接地用ケーブル５１と地板１０とがケーブル接続点１１以外において電気的または電磁気的に結合する恐れを低減できる。

また、他の態様としては図９に示すように、アンテナ遠方端１２からλ／４地点に向かって幅Ｗのスリット１３を設け、当該スリット１３の中心線上を通るように接地用ケーブル５１を配線しても良い。接地用ケーブル５１がスリット１３の奥側端部で地板１０と接続される。ここでの奥側とは、スリット１３の延設方向のうち、アンテナ遠方端１２から反対側の端部に向かう方向を指す。図８に示す接続構成では、コネクタ５２が地板１０に対して垂直な姿勢で接続するため、アンテナ装置１全体の高さがコネクタ５２の分だけ高くなってしまう。これに対して、図９に示す構成によれば、コネクタ５２が地板１０に対して平行に接続するため、アンテナ装置１の高さを抑制可能となる。つまり、Ｂピラー９１等の搭載スペースの厚みが少ない場所への搭載性を高めることができる。なお、幅Ｗは、スリット１３の中心を通る接地用ケーブル５１と地板１０とが電磁気的に結合しない程度の幅となっていればよく、例えば、幅Ｗはλ／１０以上とすることできる。当該構成によれば、接地用ケーブル５１と地板１０とのＹ軸方向の間隔は概ねλ／２０以上となり、電磁気的な結合を抑制可能となる。

なお、地板１０の下側には支持板２０に相当する絶縁層が形成されていても良い。つまり、地板１０はプリント基板の内層を用いて実現されていても良い。地板１０をプリント多層基板の内層を用いて実現する構成においては、コネクタ５２をスリット１３の奥側端部に取り付けることは難しい。そこで、図１０に示すように、λ／４地点１１ａから、アンテナ遠方端１２まで、スリット１３の中心を通る導電線路（以降、引出し線路１４）を形成し、引出し線路１４の端部に接地用ケーブル５１を接続しても良い。引出し線路１４は、例えばパターン形成された配線に相当する。引出し線路１４はマイクロストリップまたはストリップラインとして形成されていても良い。そのような構成によればアンテナ遠方端１２にコネクタ５２を配置しつつも実質的な接続点は、λ／４地点とすることができる。当該構成は、引出し線路１４に対して接地用ケーブル５１が直列的に接続することにより、接地用ケーブル５１が引出し線路１４を介して地板１０と電気的に接続する構成に相当する。引出し線路１４は、地板１０の上側及び下側の少なくとも何れか一方に形成された、支持板２０としての絶縁層に付着されていれば良い。アンテナ装置１が複数の導体層及び絶縁層を含む多層基板を用いて構成される場合、通信用ケーブルは、地板１０としての導体層とは別の導体層の任意の箇所で電気的に接続可能である。

＜地板１０及び対向導体板３０の形状及び位置関係の補足＞
地板１０は概略的に矩形状であればよく、角部が丸められていてもよい。また、地板１０の縁部は、部分的に又は全体的にミアンダ形状に形成されていても良い。矩形状には、その縁部に微小な凹凸が設けられている形状も含まれる。地板１０の縁部に設けられた凹凸や、地板１０の縁部から離れた位置に形成されているスリットは、アンテナ動作に影響を与えない限りにおいては、地板１０の外観形状を定義する上で無視することができる。ここでの微小な凹凸とは数ｍｍ程度の凹凸を指す。

対向導体板３０には、スリットが設けられたり、角部を丸められたりしていても良い。例えば１対の対角部分に縮退分離素子としての切り欠き部が設けられていてもよい。対向導体板３０の縁部は、部分的に又は全体的にミアンダ形状に設定されていても良い。対向導体板３０の縁部に設けられた、動作に影響を与えない程度の凹凸は無視して取り扱うことができる。

また、地板１０の形状や、地板１０に対する対向導体板３０の配置態様は、実施形態として開示した構成に限定されない。地板１０に対する対向導体板３０の配置態様としては、図１１～図１３に例示するように多様な配置態様を採用することができる。例えば図１１に示すように、対向導体板３０は、Ｘ軸負方向側の端部が地板１０のＸ軸負方向側の端部と揃うように配置されていても良い。図１１～図１３では地板１０と対向導体板３０の位置関係を明示するために、支持板２０及び送受信回路７０等の図示を省略している。各図の寸法は一例であって適宜変更可能である。

なお、図１２に示すＬｘ２は、対向導体板３０の中心を通ってＸ軸に平行な直線を示している。また、図１２のΔＸは、地板１０に対する対向導体板３０のＸ軸方向のオフセット量を表しており、ΔＹはＹ軸方向のオフセット量を表している。ΔＸとΔＹは同じ値であってもよいし、異なる値であっても良い。図１２に開示の構成は、対向導体板３０を地板１０と同心となる位置からＸ軸方向及びＹ軸方向に所定量ずらして配置した構成に相当する。

また、ケーブル接続点１１を設ける際の基準とする地板１０の端部は、長手方向の端部に限らない。図１３に示すように短手方向の端部のうち、相対的に短絡部４０から離れている方の端部からλ／４の奇数倍離れた位置に設けられていても良い。

＜アンテナ装置１全体構成の補足＞
アンテナ装置１は、図１４に示すように、対向導体板３０、短絡部４０が形成されている支持板２０を収容するケース６０を備えていても良い。なお、図１４はケース６０内部の構成を概念的に示す図である。図の視認性確保のため、材料種別を示すハッチング等は省略している。ケース６０は例えば上下方向に分離可能に構成されているアッパーケースとロアケースとが組み合わさることで構成されている。ケース６０は、例えばポリカーボネート（ＰＣ：polycarbonate）樹脂を用いて構成されている。なお、ケース６０の材料としては、ＰＣ樹脂にアクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（いわゆるＡＢＳ）を混ぜた合成樹脂や、ポリプロピレン（ＰＰ：polypropylene）など、多様な樹脂を採用できる。ケース６０は、ケース底部６１、側壁部６２、及びケース天板部６３を備える。ケース底部６１は、ケース６０の底を提供する構成である。ケース底部６１は、平板状に形成されている。ケース６０内において、地板１０や対向導体板３０、送受信回路７０などを含む回路基板は、地板１０がケース底部６１と対向するように配置されている。

側壁部６２は、ケース６０の側面を提供する構成であって、ケース底部６１の縁部から上方に向かって立設されている。側壁部６２の高さは、例えば、ケース天板部６３の内面と対向導体板３０との離隔がλ／２５以下となるように設計されている。ケース天板部６３は、ケース６０の上面部を提供する構成である。本実施形態のケース天板部６３は平板状に形成されている。なお、ケース天板部６３の形状としては、その他、ドーム型など多様な形状を採用することができる。ケース天板部６３は、内面が支持板上側面２０ａと対向するように構成されている。側壁部６２には、接地用ケーブル５１等を引き出すための穴であるケーブル引出し部６４が設けられている。ケーブル引出し部６４を側壁部６２に設けた構成によれば、Ｂピラー９１等への搭載性を高めることができる。

上記構成のようにケース天板部６３が対向導体板３０の近くに存在する場合には、ＬＣ共振モードによって放射される垂直電界が、対向導体板３０の縁部から上側に回り込むことを抑制し、アンテナ水平方向への放射利得を高めることができる。ここでの対向導体板３０の近くとは、例えば対向導体板３０からの距離が電気的に対象波長の２５分の１以下となる領域を指す。

加えて、ケース天板部６３には、図１４に示すように、対向導体板３０の縁部と当接する上側リブ６３１が形成されていても良い。上側リブ６３１は、ケース天板部６３の内側面に、下方向かって形成された凸状の構成である。上側リブ６３１は、対向導体板３０の縁部と当接するように設けられている。上側リブ６３１は、ケース６０内における支持板２０の位置を固定するとともに、対向導体板３０の端部から上側への地板垂直偏波の回り込みを抑制し、アンテナ水平方向への放射利得を向上させる効果を奏する。上側リブ６３１において対向導体板３０の縁部と連接する垂直面（つまり外側面）には、銅箔等の金属パターンが付与されていても良い。

加えて、ケース６０の内部には、シリコン等のシール材６５を充填されていることが好ましい。シール材６５としてはポリウレタンプレポリマーなど、ウレタン樹脂を採用することができる。もちろん、シール材６５としては、その他、エポキシ樹脂やシリコン樹脂など多様な材料を採用することができる。ケース６０内にシール材６５を充填した構成によれば、対向導体板３０の上方に位置するシール材６５が、対向導体板３０の端部から上側への地板垂直偏波の回り込みを抑制し、アンテナ水平方向への放射利得を向上させる効果を奏する。ケース６０は、少なくとも側面部及び上面部が所定の比誘電率を有する樹脂又はセラミックにて形成されていれば良い。また、ケース６０内にシール材６５を充填した構成によれば、防水性や防塵性、耐振動性も向上させる事ができる。

もちろん、ケース６０内におけるシール材６５の充填は任意の要素である。上側リブ６３１もまた任意の要素である。なお、ケース天板部６３や上側リブ６３１、シール材６５は、ＬＣ共振モードによって放射される垂直電界が、対向導体板３０の縁部から上側に回り込むことを抑制する役割を担う構成（以降、電波遮断体）に相当する。上記構成は、対向導体板３０の上側に、導体又は誘電体を用いて構成されている電波遮断体を配置した構成に相当する。

ケース６０が備えるケース底部６１及びケース天板部６３の何れか一方は省略されていても良い。ケース底部６１及びケース天板部６３の何れか一方が省略される場合、シール材６５はアンテナ装置１が使用される環境の温度として想定される範囲（以降、使用温度範囲）において固形を維持する樹脂を用いて実現されていることが好ましい。使用温度範囲は例えば－３０℃～１００℃とすることができる。なお、ケース底部６１及びケース天板部６３の何れか一方が省略された構成は、ケースの上面又は底面を開口部としたケースとなる。

１ アンテナ装置、２ アンテナ素子、１０ 地板、１１ ケーブル接続点、１２ アンテナ遠方端、１３ スリット、１４ 引出し線路（導電線路）、２０ 支持板、３０ 対向導体板、３１ 給電点、４０ 短絡部、５１ 接地用ケーブル、５２ コネクタ、６０ ケース、６１ ケース底部、６２ ケース側壁部、６３ ケース天板部、６３１ 上側リブ、６５ シール材、７０ 送受信回路、７１ 給電線路

Claims (10)

1. 矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、
   給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、
   前記地板の所定方向の長さは送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短く設定されており、
   前記地板には、前記地板の縁部からの距離が前記対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されており、
   前記地板には前記縁部から長手方向に沿って前記対象波長の４分の１の奇数倍の長さのスリット（１３）が形成されており、
   前記接地用ケーブルは、前記スリットの奥側端部と電気的に接続されているアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記地板は、短手方向の長さが前記対象波長よりも短い長方形状であって、長手方向の長さは短手方向の２倍以上に設定されており、
   前記アンテナ素子は、前記地板の中心と重なる位置から前記地板の長手方向にずれた位置に配置されており、
   前記地板の長手方向の端部のうち、前記アンテナ素子から離れている方の端部であるアンテナ遠方端（１２）からの距離が前記対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に前記接地用ケーブルが接続されている、アンテナ装置。
3. 矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、
   給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、
   前記地板は、短手方向の長さが送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短い長方形状であって、長手方向の長さは短手方向の２倍以上に設定されており、
   前記アンテナ素子は、前記地板の中心と重なる位置から前記地板の長手方向にずれた位置に配置されており、
   前記地板において、前記地板の長手方向の端部のうち前記アンテナ素子から離れている方の端部であるアンテナ遠方端（１２）からの距離が前記対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されているアンテナ装置。
4. 矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、
   給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、
   前記地板は、短手方向の長さが送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短い長方形状であって、長手方向の長さは短手方向の２倍以上に設定されており、
   前記アンテナ素子は、前記地板の中心と重なる位置から前記地板の長手方向にずれた位置に配置されており、
   前記地板の長手方向の端部のうち、前記アンテナ素子から離れている方の端部であるアンテナ遠方端（１２）から、反対側の端部に向かって前記対象波長の４分の１の奇数倍の長さのスリット（１３）が形成されており、
   前記スリットの中心線上には、導電線路（１４）が形成されており、
   前記地板には、前記導電線路を介して接地用ケーブルが直列的に接続されているアンテナ装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記アンテナ素子は、前記地板の長手方向の一方の端部に配置されているアンテナ装置。
6. 矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、
   給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、
   前記地板の所定方向の長さは送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短く設定されており、
   前記地板には、前記地板の縁部からの距離が前記対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されており、
   前記アンテナ素子は、前記地板の長手方向の一方の端部に配置されているアンテナ装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記アンテナ素子は、
   前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、前記給電点が設けられている対向導体板（３０）と、
   前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部（４０）と、を用いて構成されており、
   前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振するように構成されている、アンテナ装置。
8. 矩形状に形成された平板状の導体部材である地板（１０）と、
   給電線と電気的に接続する給電点が設けられている導体部材であるアンテナ素子（２）と、を備え、
   前記地板の所定方向の長さは送受信の対象とする電波の波長である対象波長よりも短く設定されており、
   前記地板には、前記地板の縁部からの距離が前記対象波長の４分の１の奇数倍となる位置に、接地用ケーブルが接続されており、
   前記アンテナ素子は、
   前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、前記給電点が設けられている対向導体板（３０）と、
   前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部（４０）と、を用いて構成されており、
   前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振するように構成されているアンテナ装置。
9. 請求項１から６の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記アンテナ素子は、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、逆Ｆアンテナ、及び、ループアンテナの何れかである、アンテナ装置。
10. 請求項３、５から８の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
    前記接地用ケーブルは、前記地板に対して垂直に接続されている、アンテナ装置。

Images