JP7459743B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、アンテナ装置に関するものである。

非特許文献１には、地導体板と、地導体板と所定の間隔をおいて平行に設置された放射素子と、放射素子と地導体板とを電気的に接続する同軸線路とを備えたアンテナ装置が開示されている。

山本学、"電子情報通信学会『知識の森』４群－２編－５章"、８／（１５）頁、図５・４（ａ）、［online］、２０１０年３月、電子情報通信学会、［令和２年７月６日検索］、インターネット＜http://www.ieice-hbkb.org/＞

放射素子と地導体板が同軸線路を介して直接的に接続されたアンテナ装置では、インピーダンス調整を行うことが困難である。

本開示は、上記のような事情に基づいて完成されたものであって、インピーダンスの調整が可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本開示のアンテナ装置は、
導電性の地導体板と、
前記地導体板と非接触状態で配置した板状の放射素子と、
導電体と、前記導電体を包囲するシールド部材とを有し、前記シールド部材が前記地導体板に接続された給電路と、
前記放射素子に対し絶縁層を介して対向する対向板部を有し、前記導電体に接続された導電性の給電素子とを備えている。

本開示によれば、インピーダンスを調整することができる。

図１は、実施例１のアンテナ装置の斜視図である。 図２は、位置決め部材と放射素子を分離した状態をあらわす斜視図である。 図３は、給電ユニットの分解斜視図である。 図４は、アンテナ装置の部分拡大断面図である。 図５は、給電素子を用いて放射素子に給電した場合の共振周波数と、給電素子を用いずに放射素子に給電路を直接的に接続して給電した場合の共振周波数をあらわすグラフである。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
本開示のアンテナ装置は、
（１）導電性の地導体板と、前記地導体板と非接触状態で配置した板状の放射素子と、導電体と、前記導電体を包囲するシールド部材とを有し、前記シールド部材が前記地導体板に接続された給電路と、前記放射素子に対し絶縁層を介して対向する対向板部を有し、前記導電体に接続された導電性の給電素子とを備えている。本開示の構成によれば、放射素子と対向板部（給電素子）との間に絶縁層が介在するので、容量結合によって導電体から放射素子への給電が行われる。給電素子の大きさを変えることによって、インピーダンスの調整を行うことができる。

（２）前記給電路が、前記地導体板に対し貫通した形態で取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、給電路を地導体板と放射素子との間に収容する場合に比べると、給電路の配索経路を設定する際の設計自由度が高い。

（３）前記放射素子と前記対向板部とを位置決めする位置決め部材を備えていることが好ましい。この構成によれば、放射素子と対向板部の対向間隔と、放射素子と対向板部の対向姿勢を安定させることができるので、最適なアンテナ特性を持続することができる。

（４）（３）において、前記位置決め部材と前記給電路が前記地導体板に固定されていることが好ましい。この構成によれば、給電素子と導電体を安定して接続させることができる。

（５）（３）又は（４）において、前記位置決め部材には、前記給電素子を収容する収容凹部が形成されていることが好ましい。この構成によれば、給電素子は、収容凹部内に収容されることによって、異物の干渉から保護される。

（６）前記対向板部が円形をなし、前記対向板部が前記導電体に対して同軸状に取り付けられていることが好ましい。尚、対向板部の形状は、真円形に限らず、概ね円形であってもよい。この構成によれば、給電素子と導電体を組み付ける際に、対向板部が導電体に対して周方向に位置ずれしても、アンテナ特性に影響を及ぼすおそれがない。

［本開示の実施形態の詳細］
［実施例１］
本開示のアンテナ装置を具体化した実施例１を、図１～図４を参照して説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。本実施例１において、前後の方向については、図１，２における斜め右下方、及び図４における右方を、前方と定義する。上下の方向については、図１～４にあらわれる向きを、そのまま上方、下方と定義する。

アンテナ装置は、地導体板１０と、放射素子１５と、位置決め部材２０と、給電ユニット３０とを組み付けて構成されたマイクロストリップアンテナである。地導体板１０は、自動車のルーフを構成する金属等の導電性を有する板状部材である。地導体板１０のうちアンテナ装置を構成する領域は、水平な平板状をなしている。尚、図１では、便宜上、地導体板１０を正方形状に描いているが、ルーフ全体が地導体板１０として機能するので、地導体板１０の形状は円形でもよい。

放射素子１５は、金属等の導電性材料からなる正方形の平板状部材である。放射素子１５は、位置決め部材２０を介して地導体板１０の上方に水平に配置されている。放射素子１５は、位置決め部材２０によって、地導体板１０と平行に配置されている。

位置決め部材２０は、発泡性樹脂等の電気的絶縁性を有する材料からなり、地導体板１０と放射素子１５との間に介在する誘電体基板として機能する。位置決め部材２０の平面視形状は、放射素子１５と同じく正方形である。位置決め部材２０の一辺の長さは、放射素子１５の一辺と同じ寸法である。位置決め部材２０の高さ寸法は、地導体板１０の板厚及び放射素子１５の板厚よりも大きい寸法である。

位置決め部材２０は、地導体板１０の上面に溶着等の手段によって固着されている。位置決め部材２０の上面は、第１位置決め面２２として機能する。第１位置決め面２２には、放射素子１５が面接触した状態で固着されている。この積層構造によって、放射素子１５が地導体板１０に対して上下方向及び水平方向において位置決めされている。

位置決め部材２０には、周方向における一部を凹ませた形態の収容凹部２３が形成されている。収容凹部２３は、表面凹部２４と、裏面凹部２５と、外側面凹部２６とから構成される。表面凹部２４は、第１位置決め面２２の一部を浅く凹ませた形態である。表面凹部２４の上面は、第１位置決め面２２と平行な第２位置決め面２７として機能する。表面凹部２４は、位置決め部材２０の外周面に開放されている。

裏面凹部２５は、位置決め部材２０の下面（地導体板１０との対向面）のうち周方向において表面凹部２４と同じ領域を浅く凹ませた形態である。裏面凹部２５は、位置決め部材２０の外周面に開放されている。地導体板１０のうち裏面凹部２５に臨む部位には、円形をなす貫通形態の嵌合孔２８と、嵌合孔２８を囲むように配置された４つの締結孔２９が形成されている。

外側面凹部２６は、位置決め部材２０の外周面において放射素子１５と直角な上下方向に細長く開口し、位置決め部材２０の外周面から平面視中心部に向かってスリット状に延びている。外側面凹部２６の水平方向の幅寸法は、表面凹部２４及び裏面凹部２５の水平方向の幅寸法よりも充分に小さい。外側面凹部２６は、周方向において、表面凹部２４及び裏面凹部２５の中央部と同じ位置に配置されている。外側面凹部２６の上端は表面凹部２４に連通し、外側面凹部２６の下端は裏面凹部２５に連通している。

図４に示すように、給電ユニット３０は、給電素子３１と、給電路３５と、ボルト４４と、ナット４６とを備えて構成されている。給電素子３１は、金属等の導電性材料からなり、対向板部３２と接続部３３とを有する単一部品である。対向板部３２は、円形の平板状をなす。対向板部３２の外径寸法は、放射素子１５の一辺の長さよりも充分に小さい寸法である。具体例としては、放射素子１５の一辺の長さを２１５ｍｍとし、対向板部３２の直径寸法を４５ｍｍとすることができる。

接続部３３は、軸線を上下方向に向けた円筒形をなす。接続部３３の外径寸法は、対向板部３２の外径よりも十分に小さい寸法である。接続部３３は、対向板部３２の下面から対向板部３２と同心状に下方へ突出している。図４に示すように、給電素子３１は、対向板部３２を表面凹部２４に収容し、接続部３３を外側面凹部２６に収容した状態で位置決め部材２０に取り付けられている。

対向板部３２は、第２位置決め面２７に対し溶着や接着等の手段によって面接触した状態で固着されている。対向板部３２を第２位置決め面２７に固着すると、給電素子３１は、位置決め部材２０によって、地導体板１０及び放射素子１５に対して位置決めされる。対向板部３２の上面は、放射素子１５の下面に対し絶縁層としての空気層３４（所定の間隔）を空けて平行をなして対向するように配置されている。空気層３４の上下寸法（対向板部３２の上面と放射素子１５の下面とのギャップ）の具体例としては、放射素子１５の一辺を２１５ｍｍとし、対向板部３２の直径寸法を４５ｍｍとした場合、２ｍｍとすることができる。

図４に示すように、給電路３５は、コネクタ３６と、コネクタ３６に接続した同軸ケーブル４７とから構成されている。コネクタ３６は、金属等の導電性材料からなる内導体３７と、内導体３７を包囲する円筒形の誘電体３８と、金属等の導電性材料からなる外導体３９とを組み付けて構成されている。内導体３７は、軸線を上下方向に向けた細長い棒状をなす。内導体３７は誘電体３８よりも長尺であり、内導体３７の上端部は誘電体３８から上方へ突出している。

外導体３９は、軸線を上下方向に向けた円筒形の筒状部４０と、筒状部４０の外周上端部に形成したフランジ部４１とを有する単一部品である。筒状部４０内には、内導体３７の下端部と誘電体３８の全体とが同心状に収容されている。誘電体３８の上端部は、外導体３９の上面から上方へ突出している。フランジ部４１には、４つの取付孔４２が形成されている。

コネクタ３６は、地導体板１０の下面に固定されている。コネクタ３６を地導体板１０に固定した状態では、誘電体３８の上端部が地導体板１０の下方から嵌合孔２８に嵌入され、フランジ部４１が地導体板１０の下面に対して導通可能に当接している。ボルト４４は、地導体板１０の上方から締結孔２９と取付孔４２とに貫通され、地導体板１０及びフランジ部４１の下方で、ボルト４４にナット４６がねじ込まれて締結されている。ボルト４４の頭部４５は、裏面凹部２５内に収容されている。内導体３７のうち誘電体３８から上方へ突出した部分は、外側面凹部２６内に収容されている。内導体３７の上端部が給電素子３１の接続部３３内に嵌入されることによって、内導体３７と給電素子３１が導通可能に接続されている。

同軸ケーブル４７は、導電性の芯線４８と、芯線４８を包囲する絶縁被覆４９と、絶縁被覆４９を包囲するシールド層５０とを備えた周知形態のものである。コネクタ３６の下端部に同軸ケーブル４７の先端部が接続されることによって、給電路３５が構成されている。給電路３５は、芯線４８と内導体３７とを接続した形態の導電体５１と、シールド層５０と外導体３９の筒状部４０とを接続した形態のシールド部材５２とを有している。給電路３５は、嵌合孔２８を貫通した状態で地導体板１０に固定されている。導電体５１は、給電素子３１に対して導通可能に接続されている。

本実施例１のアンテナ装置は、導電性の地導体板１０と、地導体板１０と非接触状態で配置した板状の放射素子１５と、給電路３５と、給電素子３１とを備えている。給電路３５は、導電体５１と、導電体５１を包囲するシールド部材５２とを有する。シールド部材５２のフランジ部４１は、地導体板１０に対して導通可能に接続されている。給電素子３１は、導電性の部材であり、地導体板１０と放射素子１５との間に配置されている。給電素子３１は、対向板部３２を有する。対向板部３２と放射素子１５は、絶縁層としての空気層３４を介在させることによって、間隔を空けて対向している。対向板部３２における地導体板１０との対向面に、導電体５１との接続部３３が設けられている。接続部３３には、導電体５１の内導体３７の上端部が接続されている。

本実施例１のアンテナ装置は、放射素子１５と対向板部３２（給電素子３１）との間に空気層３４（絶縁層）が構成されているので、容量結合によって導電体５１から放射素子１５への給電を行うことができる。放射素子１５が送受信する周波数に応じて、対向板部３２の直径寸法（面積）や、対向板部３２と放射素子１５との対向間隔（空気層３４の上下寸法）を変更することによって、インピーダンスを調整し、最適なアンテナ特性を得ることができる。給電素子３１と放射素子１５を直接的に接続させる必要がないので、給電素子３１と放射素子１５を溶接する工程が不要である。したがって、地導体板１０に給電素子３１と放射素子１５を組付ける際の作業性向上を図ることができる。

図５のグラフは、本実施例１のように給電素子を用いて放射素子に非接触形態で給電を行うアンテナ装置（以下、「実施例相当装置」という）の反射特性Ａと、給電素子を用いずに放射素子に給電路を直接的に接続して給電を行うアンテナ装置（以下、「比較対象装置」という）の反射特性Ｂをあらわす。地導体板は、一辺が７５０ｍｍの正方形の金属板材からなり、実施例相当装置と比較対象装置とで共通である。放射素子は、一辺が２１０ｍｍの正方形の金属板材からなり、実施例相当装置と比較対象装置とで共通である。地導体板から放射素子までの高さは、２０ｍｍであり、実施例相当装置と比較対象装置とで共通である。実施例相当装置において、給電素子の対向板部と放射素子との間の隙間（ギャップ）は、２ｍｍである。

給電形態の異なる実施例相当装置と比較対象装置の反射特性を、上記の条件でシミュレーションすると、比較対象装置の共振周波数が６２０ＭＨｚであったのに対し、実施例相当装置の共振周波数は５８０ＭＨｚであった。実施例相当装置の共振周波数は、比較対象装置に比べると約６．５％低かった。放射素子の面積を小さくすると、共振振動数が高くなる。したがって、同一の共振周波数のアンテナ装置を設計する場合、比較対象装置の給電形態に比べると、実施例相当装置の給電形態の方が放射素子を小さくすることができる。

給電路３５は、地導体板１０よりも下方の空間、即ち給電素子３１や放射素子１５が配置されていない側の空間に配索されている。給電路３５の端部を構成するコネクタ３６が、地導体板１０に対して貫通した形態で取り付けられている。給電路３５を地導体板１０と放射素子１５との間に収容して配索する場合に比べると、本実施例１のアンテナ装置は、給電路３５の配索経路を設定する際の設計自由度が高い。

放射素子１５と対向板部３２とを位置決めする１つの位置決め部材２０を備えている。位置決め部材２０によって、放射素子１５と対向板部３２の対向間隔と、放射素子１５と対向板部３２の対向姿勢を安定させることができる。これにより、最適なアンテナ特性を持続することができる。位置決め部材２０と給電路３５が地導体板１０に固定されているので、給電素子３１と導電体５１を安定して接続させることができる。

位置決め部材２０は、地導体板１０と放射素子１５との間に介在してスペーサとして機能するものである。位置決め部材２０には、給電素子３１を収容する収容凹部２３が形成されている。給電素子３１は、収容凹部２３内に収容されることによって、異物の干渉から保護される。

対向板部３２は円板形をなし、対向板部３２を含む給電素子３１の全体も円形をなしている。対向板部３２は導電体５１の内導体３７に対して同軸状に取り付けられている。給電素子３１と導電体５１を組み付ける際に、給電素子３１（対向板部３２）が導電体５１に対して周方向に位置ずれしても、アンテナ特性に影響を及ぼすおそれがない。

［他の実施例］
本発明は、上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示される。本発明には、特許請求の範囲と均等の意味及び特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれ、下記のような実施形態も含まれることが意図される。
上記実施例では、給電路３５が地導体板１０に対し貫通した状態で配置されているが、給電路３５は、地導体板１０と放射素子１５との間の空間内に収容して、地導体板１０に沿うように配置してもよい。
上記実施例では、１つの位置決め部材２０によって放射素子１５と対向板部３２を位置決めしたが、地導体板１０に対する放射素子１５の位置決めと、地導体板１０に対する対向板部３２の位置決めを、別々の位置決め部材によって行ってもよい。
上記実施例では、位置決め部材２０が、地導体板１０と放射素子１５との間に介在する誘電体基板としての機能を兼ね備えているが、位置決め部材２０は誘電体基板とは別の専用部材であってもよい。
上記実施例では、位置決め部材２０を地導体板１０に固定したが、位置決め部材２０は、地導体板１０とは別の部材や部位に取り付けてもよい。
上記実施例では、給電素子３１における導電体５１との接続部３３を、対向板部３２と地導体板１０との間の空間に配置したが、接続部３３は、対向板部３２と放射素子１５との間に配置してもよい。
上記実施例では、対向板部３２が放射素子１５に対して平行に対向しているが、対向板部３２は、放射素子１５に対して斜め姿勢で対向してもよい。
上記実施例１では、対向板部３２と放射素子１５との間に介在させる絶縁層を、空気層３４としたが、対向板部３２と放射素子１５との間に介在させる絶縁層は、合成樹脂等からなる固体の物質で構成されていてもよい。
上記実施例では、対向板部３２が平板状をなしているが、対向板部３２は、平板状に限らず、円錐状のものであってもよい。
上記実施例では、給電素子３１を収容凹部２３内に収容したが、給電素子３１は、位置決め部材２０の外面から突出した形態で配置してもよい。
上記実施例では、接続部３３を円形の対向板部３２と同心状に配置したが、接続部３３は、円形の対向板部３２の中心から偏心した位置に配置してもよい。この場合、対向板部３２と導電体５１が偏心した置関係で取り付けられる。
上記実施例では、対向板部３２が円形であるが、対向板部３２の形状は、非円形（長方形、台形、長円形、楕円形等）であってもよい。
上記実施例では、放射素子１５の外周形状が正方形であるが、放射素子１５の外周形状は、正方形以外の多角形（長方形、台形、平行四辺形等）でもよく、曲線を含む形状（円形、長円形、楕円形等）であってもよい。
上記実施例では、放射素子１５が中心孔を有しない非環形状をなすが、放射素子１５は、中心孔を有する環形状であってもよい。
上記実施例では、位置決め部材２０の外周形状が正方形であるが、位置決め部材２０の外周形状は、正方形以外の多角形（長方形、台形、平行四辺形等）でもよく、曲線を含む形状（円形、長円形、楕円形等）であってもよい。
上記実施例では、位置決め部材２０が中心孔を有しない非環形状をなすが、位置決め部材２０は、中心孔を有する環形状であってもよい。
上記実施例では、放射素子１５と位置決め部材２０が同一の平面視形状及び大きさを有するが、放射素子１５と位置決め部材２０の平面視形状及び大きさが異なっていてもよい。

１０…地導体板
１５…放射素子
２０…位置決め部材
２２…第１位置決め面
２３…収容凹部
２４…表面凹部
２５…裏面凹部
２６…外側面凹部
２７…第２位置決め面
２８…嵌合孔
２９…締結孔
３０…給電ユニット
３１…給電素子
３２…対向板部
３３…接続部
３４…空気層（絶縁層）
３５…給電路
３６…コネクタ
３７…内導体
３８…誘電体
３９…外導体
４０…筒状部
４１…フランジ部
４２…取付孔
４４…ボルト
４５…頭部
４６…ナット
４７…同軸ケーブル
４８…芯線
４９…絶縁被覆
５０…シールド層
５１…導電体
５２…シールド部材

Claims (5)

1. 導電性の地導体板と、
   前記地導体板と非接触の状態で配置した板状の放射素子と、
   導電体と、前記導電体を包囲するシールド部材とを有し、前記シールド部材が前記地導体板に接続された給電路と、
   前記放射素子に対し絶縁層を介して対向する対向板部を有し、前記導電体に接続された導電性の給電素子と、
   前記放射素子と前記対向板部とを位置決めする位置決め部材と、
   前記位置決め部材に形成され、前記放射素子が面接触した状態で固着された第１位置決め面と、
   前記位置決め部材に形成され、前記第１位置決め面の一部を凹ませた形態の表面凹部とを備え、
   前記対向板部が前記表面凹部に収容されているアンテナ装置。
2. 導電性の地導体板と、
   前記地導体板と非接触の状態で配置した板状の放射素子と、
   導電体と、前記導電体を包囲するシールド部材とを有し、前記シールド部材が前記地導体板に接続された給電路と、
   前記放射素子に対し絶縁層を介して対向する対向板部を有し、前記導電体に接続された導電性の給電素子と、
   前記放射素子と前記対向板部とを位置決めする位置決め部材と、
   前記位置決め部材に形成され、前記給電素子を収容する収容凹部とを備え、
   前記収容凹部は、前記位置決め部材の外周面に開放された表面凹部と、前記位置決め部材の外周面に開口する外側面凹部とを有し、
   前記表面凹部と前記外側面凹部とは連通しており、
   前記表面凹部には、前記対向板部が収容され、
   前記外側面凹部には、前記導電体が収容されているアンテナ装置。
3. 前記給電路が、前記地導体板に対し貫通した形態で取り付けられている請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記位置決め部材と前記給電路が前記地導体板に固定されている請求項２又は請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記対向板部が円形をなし、
   前記対向板部が前記導電体に対して同軸状に取り付けられている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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