JPWO2004004070A1 - アンテナ装置およびその指向性利得調整方法 - Google Patents

Abstract

指向性利得を改善したアンテナ装置を提供する。このアンテナ装置は、双方向性の放射パターンを有するアンテナと、アンテナの近くに設けられ、アンテナの一方向の放射電力を反射させて他方向の放射電力に重畳させる反射板であって、アンテナに対向する側に、多段形状の複数の平面状反射面を有し、アンテナに向って凸状をなす反射板とを備える。この反射板の形状は、矩形，楕円，または円形である。このようなアンテナ装置によれば、広範囲に渡って指向性利得改善効果が得られ、通常の平板状の反射板を用いた際に見られる、鋭い指向性利得の落ち込みが生じない。

Description

本発明は、車両に搭載可能なアンテナ装置およびアンテナ装置の指向性利得調整方法、特に反射板を用いたアンテナ装置およびこのようなアンテナ装置の指向性利得調整方法に関する。

地上局および衛星からの電波を受信する車両搭載可能なアンテナ装置は、広い範囲に渡って指向性利得を確保することが要求される。
アンテナが、双方向性の放射パターンを有する場合、反射板により一方向の放射電力を反射させて他方向の放射電力に重畳させれば、指向性利得が改善すると予測される。反射板を用いたアンテナは、例えば特開２００２−２６６４２号および特開２００１−２５７５２４号の公報に記載のものが知られている。
そこで、本発明者らは、反射板として平板状の反射板を用いて、その効果を確かめた。図１に、平板状の反射板を使用した場合の指向性利得改善の概念を示す。図中、１０は双方向性の放射パターンを有するアンテナを、１２は反射板を示す。さらに、図には、説明の便宜上ＸＹＺ軸を示してある。アンテナ１０がダイポールアンテナの場合には、Ｚ方向および−Ｚ方向の双方向に電力は放射される。反射板１２をＸＹ平面に平行に配置することで、アンテナ１０から−Ｚ方向への放射電力を反射させ、＋Ｚ方向の利得向上を図る。得られる指向性利得パターンは、アンテナ１０と反射板１２との間の距離Ｌにより決定される。
なお、以下の説明において指向性利得，利得変化量を示す図を用いるが、天頂角θは図２で示すように取るものとする。すなわち、地上の半球領域の天頂方向Ｔから測った角度である。なお、図のＹＺ面において、天頂方向から右方向へ測った角度を正、左方向へ測った角度を負とするものとする。
アンテナ１０にダイポールアンテナを用い、反射板１２との距離を０．２５λ，０．５λ（λは受信波の波長である）とした場合の指向性利得を、図３に示す。なお図には、比較のために、反射板を設けないダイポールアンテナ（デフォルトアンテナと言う）の指向性利得を示している。図４には、図３の結果から求めたデフォルトアンテナからの利得変化量（ｄＢ）を示す。
図３に示す指向性利得からわかるように、距離０．５λでは、デフォルトアンテナにはみられない、鋭い利得の落ち込みが現れる。これは、アンテナから直接放射される電波と、反射板により反射された電波の相互干渉によって指向性利得が決まることに起因している。
また、図４の利得変化量からわかるように、距離０．２５λでは、天頂角θが約７０°〜９０°および約−７０°〜−９０°で、デフォルトアンテナに比べ利得変化量が低下し、距離０．５λでは、天頂角−３０°〜３０°でデフォルトアンテナに比べ利得変化量が低下している。これは、直接波と反射波が同位相で合成される角度では利得改善効果があるが、逆位相で合成される角度については、ヌル点が生成されることに起因している。
このように平板状の反射板では、反射板とアンテナとの間の距離によっては、指向性利得において、デフォルトアンテナにはみられない鋭い落ち込み（低下）が発生し、−９０°〜＋９０°の天頂角範囲に渡って指向性利得を確保することは困難である。

本発明の目的は、指向性利得を改善したアンテナ装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、アンテナ装置における指向性利得を改善するための指向性利得調整方法を提供することにある。
本発明によれば、反射板を多段形状にし、段数に応じた数の平面状反射面を構成し、アンテナと反射面までの距離関係が複数得られるようにする。このようにすることにより、各反射面特有の指向性利得改善範囲が等価的に合成されるようになり、指向性利得が改善される天頂角範囲の拡大が可能となる。
また、多段形状の反射板を使用した場合、各反射面特有の指向性利得の落ち込みポイントを相互に補完するため、全体としては鋭い落ち込みはなくなる。
本発明の第１の態様は、双方向性の放射パターンを有するアンテナと、アンテナの近くに設けられ、アンテナの一方向の放射電力を反射させて他方向の放射電力に重畳させる反射板であって、アンテナに対向する側に、多段形状の複数の平面状反射面を有し、アンテナに向って凸状をなす反射板とを備えるアンテナ装置である。
本発明の第２の態様は、双方向性の放射パターンを有するアンテナと、アンテナの一方向の放射電力を反射させて他方向の放射電力に重畳させる反射板とを備えるアンテナ装置の利得調整方法であって、反射板のアンテナに対向する反射面を、前記アンテナに向って凸状をなす多段形状の複数の平面状反射面により構成するステップと、各反射面と前記アンテナとの間の距離を選定するステップとを含む指向性利得を調整する方法である。
本発明に係るアンテナ装置は、車両に搭載でき、特に車両の窓ガラスに設置することができる。

図１は、平板状の反射板を利用した場合の利得改善のイメージを示す図である。
図２は、天頂角のとり方を説明する図である。
図３は、平板状の反射板を用いた場合の指向性利得を示す図である。
図４は、図３の指向性利得の変化量を示す図である。
図５は、本発明に係る反射板の一実施例を示す斜視図である。
図６は、反射板の他の実施例を示す図である。
図７は、正方形の２段形状の反射板を構成した本発明の一実施例を示す図である。
図８は、クロスダイポールアンテナを示す図である。
図９は、図７のアンテナの指向性利得を示す図である。
図１０は、図９の指向性利得の変化量を示す図である。
図１１は、アンテナが平面アンテナである場合の、本発明の他の実施例を示す図である。
図１２は、放射素子の周囲をアース導体で取り囲んだ平面アンテナを示す図である。
図１３は、デフォルトアンテナの指向性利得変化量を示す図である。
図１４は、平面アンテナに反射板を設けた場合と、設けなかった場合の仰角平面内平均指向性利得を示す図である。
図１５は、反射板を設けた平面アンテナの指向性利得変化量を示す図である。

図５は、本発明の反射板の一実施例を示す斜視図である。多段形状の反射板１４は、サイズの異なる矩形の平板状の反射板が多段に積層された形状であり、上方より平面状反射面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…を有している。各反射面とアンテナ１０との間の距離は、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…である。なお、このような反射板は、導体で形成される。
前述したように、平板状の反射板を用いた場合、指向性利得は、アンテナと反射板との間の距離によって決定される。したがって、図５に示した、サイズの異なる矩形の平板状の反射板が多段に積層された形状の反射板１４は、平板状の各反射板をそれぞれ設けた場合の指向性利得を合成した指向性利得を有するものと考えることができる。
したがって段数および距離は、所望の指向性利得に応じて選択することができる。たとえば−９０°〜＋９０°の範囲にわたっての半球領域全域にて利得改善を行うためには、大きい天頂角（低仰角）で特性の良い距離（例えば０．５λ）から、小さい天頂角（高仰角）で特性の良い距離（例えば０．２５λ）の間で、複数の反射面を有する反射板を構成する。これにより、所望の領域全域にわたっての利得改善が得られるとともに、指向性利得の落ち込みについても、相互に補完することができる。
なお、多段形状の反射板は、矩形状以外の形状であってもよい。例えば、図６の反射板１６に示すように楕円の多段形状、あるいは円の多段形状とすることができる。
以下に、具体的な実施例を説明する。

図７に、正方形の２段形状の反射板１８を構成した実施例を示す。この反射板は、正方形の平面状反射面Ｓ１およびＳ２を有し、反射面Ｓ１の一辺の寸法は０．７５λ、反射面Ｓ２の一辺の寸法は３λである。
このような反射板１８を、アンテナ１０に対して配置したとき、アンテナ１０と反射面Ｓ１との間の距離Ｌ１が０．２５λ、アンテナ１０と反射面Ｓ２との間の距離Ｌ２は０．５λとなるようにする。
アンテナ１０を、図８に示すように、衛星からの電波（円偏波）を受信できるクロスダイポールアンテナ１９とし、指向性利得を測定した。なお、クロスダイポールアンテナは、直交するダイポールアンテナを近接配置して、それぞれのアンテナの給電位相を９０度シフトさせた円偏波励振アンテナである。
測定結果を、図９に示す。なお、図９には、比較のために、デフォルトアンテナの指向性利得を示している。図１０には、図９の結果から求めたデフォルトアンテナからの利得変化量（ｄＢ）を示す。
図９の指向性利得には、従来のような鋭い落ち込みは現れない。また図１０から、全領域に渡って指向性利得が改善されていることがわかる。

図１１に、アンテナが平面アンテナ２２である場合の、反射板２０を示す。この反射板２０には、実施例１と同様に、正方形の２段形状の反射板を用いた。
平面アンテナ２２は、放射素子の周囲をアース導体で取り囲んだタイプのものである。図１２に、この平面アンテナを示す。２４は放射素子を、２６はアース導体を、２９は給電点を示す。なお、給電点２９は、放射素子およびアース導体への接続点を含めて示しており、実際には、同軸ケーブルを用い、その芯線を放射素子に接続し、網線をアース導体に接続する。
放射素子２４は、正方形であるが、円偏波アンテナを実現するために、対角に位置する２個のコーナーに切り込み２８，２８が設けられている。
このような平面アンテナは、車両の窓ガラスの内側面に設けられる。図１１では、１枚のガラス板３０の、反射板２０と対向する面（窓ガラスの内側面に相当する）に設けている。
反射板２０の２段形状は、実施例１と同様に、正方形の反射面Ｓ１およびＳ２を有し、反射面Ｓ１の一辺の寸法は０．７５λ、反射面Ｓ２の一辺の寸法は１．５λである。
また、反射面Ｓ１と平面アンテナ２２との間の距離は０．３５λ、反射面Ｓ２と平面アンテナ２２との間の距離は０．５λである。例えば衛星ラジオ放送の電波の波長λが、１２７．５ｍｍ（２．３５ＧＨｚ）である場合、０．３５λ＝４４．６２５ｍｍであり、０．５λ＝６３．７５ｍｍである。
なお、参考までに、アンテナと平面からなる反射板との間の距離を０．３５λとしたときのデフォルトアンテナの利得変化量のグラフを図１３に示す。
以上のような反射板２０を配置した平面アンテナ２２の指向性利得改善の効果を、図１４に示す。図１４は、反射板２０を設けた場合と、設けなかった場合の仰角平面内平均指向性利得（ｄＢ）を示す。この結果からも、反射板２０を設けることにより、指向性利得が改善されていることがわかる。なお、仰角は、図２の天頂角θを説明する図において、（９０°−θ）の角度である。
図１５は仰角０〜９０°の範囲に対する利得変化量（ｄＢ）を示す。図１５の利得変化量は図１３の利得変化量に比べて利得の低下がなく、利得が改善されていることがわかる。

本発明によれば、反射板を多段構造にするため、等価的に複数の反射面の効果が得られる。これにより、お互いの指向性利得改善エリアが加算されたようになり、またそれぞれ単独の反射面で生じる鋭い指向性利得の落ち込みについては、他の反射面により補間することができる。したがって、広範囲に渡って指向性利得改善効果が得られ、通常の平板状の反射板を用いた際に見られる、鋭い指向性利得の落ち込みが生じない。
このように本発明によれば、指向性利得を改善したアンテナ装置および指向性利得を改善するための指向性利得調整方法を実現できる。

Claims (18)

1. 双方向性の放射パターンを有するアンテナと、
   前記アンテナの近くに設けられ、前記アンテナの一方向の放射電力を反射させて他方向の放射電力に重畳させる反射板であって、前記アンテナに対向する側に、多段形状の複数の平面状反射面を有し、前記アンテナに向って凸状をなす反射板と、
   を備えるアンテナ装置。
2. 前記反射板は、前記アンテナから見た形状が矩形である、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記反射板は、前記アンテナから見た形状が楕円である、請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記反射板は、前記アンテナから見た形状が円形である、請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナが受信する電波の波長をλとしたとき、前記複数の反射面と前記アンテナとの間の距離が０．２５λ〜０．５λの範囲にある、請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記反射板は、２段の第１および第２の平面状反射面を有する、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記第１の反射面と前記アンテナとの間の距離が０．２５λであり、
   前記第２の反射面と前記アンテナとの間の距離が０．５λである、請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記第１の反射面と前記アンテナとの間の距離が０．３５λであり、前記第２の反射面と前記アンテナとの間の距離が０．５λである、請求項６に記載のアンテナ装置。
9. 前記アンテナは、クロスダイポールアンテナである、請求項７に記載のアンテナ装置。
10. 前記アンテナは、放射素子と、この放射素子を取り囲むアース導体とからなる平面アンテナである、請求項８に記載のアンテナ装置。
11. 前記アンテナ装置は、車両に搭載されるものである、請求項１に記載のアンテナ装置。
12. 前記アンテナ装置は、前記車両の窓ガラスに設置されるものである、請求項１１に記載のアンテナ装置。
13. 双方向性の放射パターンを有するアンテナと、前記アンテナの一方向の放射電力を反射させて他方向の放射電力に重畳させる反射板とを備えるアンテナ装置の指向性利得調整方法であって、
    前記反射板の前記アンテナに対向する反射面を、前記アンテナに向って凸状をなす多段形状の複数の平面状反射面により構成するステップと、
    前記各反射面と前記アンテナとの間の距離を選定するステップと、
    を含む指向性利得を調整する方法。
14. 前記各反射面と前記アンテナとの間の距離を選定するステップは、前記アンテナが受信する電波の波長をλとしたとき、前記複数の反射面を、前記アンテナとの間の距離が０．２５λ〜０．５λの範囲に選定するステップを含む請求項１３に記載の指向性利得調整方法。
15. 前記複数の反射面が、第１および第２の反射面よりなる場合に、前記各反射面と前記アンテナとの間の距離を選定するステップは、
    前記第１の反射面と前記アンテナとの間の距離を０．２５λに選定するステップと、
    前記第２の反射面と前記アンテナとの間の距離を０．５λに選定するステップと、
    を含む請求項１３に記載の指向性利得調整方法。
16. 前記複数の反射面が、第１および第２の反射面よりなる場合に、前記各反射面と前記アンテナとの間の距離を選定するステップは、
    前記第１の反射面と前記アンテナとの間の距離を０．３５λに選定するステップと、
    前記第２の反射面と前記アンテナとの間の距離を０．５λに選定するステップと、
    を含む請求項１３に記載の指向性利得調整方法。
17. 前記アンテナは、クロスダイポールアンテナである、請求項１５に記載の指向性利得調整方法。
18. 前記アンテナは、放射素子と、この放射素子を取り囲むアース導体とからなる平面アンテナである、請求項１６に記載の指向性利得調整方法。

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