JPWO2013038784A1 - ガラスアンテナシステム - Google Patents

Abstract

ガラスアンテナシステム(10)は、ガラス面(1)にプリントされた二点一組の給電部(110)を持つアンテナパターン(11)と、アンテナパターンで受信した信号を増幅する、ガラス面(1)に設置されたアンプモジュール(12)と、ガラス面にプリントされ、アンテナパターン(11)が有する特性インピーダンスと整合をとるのに必要な線幅(d)と間隔(D)を有し、アンテナパターン(11)とアンプモジュール(12)とを繋ぐ、少なくとも一部が平行に配置された２本の線状導体からなる伝送線路(13)とを備えている。

Description

本発明は、特に、地上波デジタルテレビ（以下、単にＤＴＶ：Digital Televisionという）用アンテナとして、車両の窓ガラスに実装する好適なガラスアンテナシステムに関する。

例えば、図７に示すように、ガラス面にアンプを設置するＤＴＶ用アンテナにおいて、アンプモジュール２００は、アンテナパターン１００の二点一組の給電部（給電端子１０１）上に実装される。ＤＴＶ用アンテナは、ＦＭ（Frequency Moduration）ラジオやアナログＴＶアンテナとは異なり、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）バンドの信号波になるため、アンテナとアンプモジュール２００間の接続に従来から良く使用されているＡＶ線（単線）を使用した場合、その引き回し等によりアンテナ性能が不安定になる。このため、ガラス面上のアンテナ近傍にアンプモジュール２００を設置し、直接、アンテナパターン１００に接続することで性能が安定化する。

従来、極超短波の無線受信に好適であり、更に、ＴＶ放送波の受信を可能にするために、垂直線条の先端に水平線条を接続した第１のエレメントと垂直線条の先端に接続される水平線条と別の水平線条を第１のエレメントの水平線条を挟むように上下に近接して配設し、この２本の水平線条により第１のエレメントの端部を包むように接続した第２のエレメントを少なくとも具備する車両用ガラスアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、給電点の設置場所によるインピーダンスを変化しにくくするため、アース導体はアンテナ導体側の接続導体の端部から給電点に向かって伸長され給電点を囲むように一周して該端部まで伸長され、接続導体とアース導体との間隔ｄと接続導体の導体幅ｗ１との間が、０．３≦ｗ１／（ｗ１＋２ｄ）≦０．９５の関係を満たすようにした自動車用ガラスアンテナも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−３１４９２１号公報 特開２００１−１５６５２０号公報

上記したガラス面にアンプを設置するＤＴＶ用アンテナによれば、ガラス面上にアンプモジュールを設置するため、美観上の問題があり、アンプ秘匿用カバーが必要になる場合があり、この場合、コストアップの要因になる。また、アンテナ直近にアンプモジュールを設置するため、アンプモジュールが搭載可能な場所にしかアンテナを配置することができず、その結果、アンテナ性能を優先したレイアウトができなくなり、性能確保が困難な場合がある。仮に、アンプモジュールをピラー部に移動したとしても、アンプモジュールとアンテナとを接続するための同軸線が必要となり、この場合、アンプモジュールのレイアウト位置によっては接続用同軸線長が変化し、アンテナ性能が不安定になる恐れがある。また、同軸線の引き回しの状態によっては、車種毎にアンテナ性能がばらつき、不安定になる恐れがある。

一方、特許文献１に記載されている車両用のガラスアンテナによれば、所定のアンテナ特性を確保するのに、水平な平行二線を含むアンテナ形状の設定自体に制約があるため、アンテナパターン自体の設計の自由度が小さい。また、特許文献２に記載された車両用のガラスアンテナによれば、アンテナに接続する接続導体の周囲を所定間隔でアース導体が覆う構成となっているため接続導体のプリント面積が大きくなり、美観的な問題が発生する。

さらに、特許文献２に記載された車両用のガラスアンテナによれば、接続導体の周囲をアース導体が覆うため一種の不平衡線路になっており、車体本体をグランドとして使用しない平衡型アンテナのようなガラスアンテナにこの技術を適用すれば、線路とアンテナとの接続部で基準電位の不連続問題が生じ、その結果、アンテナ特性が不安定になる。

本発明の課題は、アンプモジュールの配置位置に依存することなく、アンテナ性能が最大限に確保できる位置にアンテナパターンを配置可能な、ガラスアンテナシステムを提供することにある。

請求項１に係る発明によれば、ガラス面にアンテナが形成されるガラスアンテナシステムであって、前記ガラス面にプリントされた二点一組の給電部を持つアンテナパターンからなるアンテナ素子と、前記アンテナ素子で受信した信号を増幅する、前記ガラス面に設置されたアンプモジュールと、前記ガラス面にプリントされ、前記アンテナパターンが有する特性インピーダンスと整合をとるのに必要な線幅と間隔を有し、前記二点一組の前記給電部を持つ前記アンテナパターンと前記アンプモジュールとを繋ぐ、少なくとも一部が平行に配置された２本の線状導体からなる伝送線路と、を備えているガラスアンテナシステムが提供される。

請求項２に係る発明では、好ましくは、前記伝送線路が有する特性インピーダンスＺ₀を、Ｚ₀＝Ａ×ｌｏｇ（２Ｄ／ｄ）＋Ｂで近似（但し、Ａ、Ｂは定数、ｄは線幅［ｍｍ］、Ｄは間隔［ｍｍ］）する。

請求項３に係る発明では、好ましくは、前記定数Ａは、最低で１１５、最高で１６０の範囲とする。

請求項４に係る発明では、好ましくは、前記定数Ｂは、最低で２０、最高で３０の範囲とする。

請求項５に係る発明では、好ましくは、前記伝送線路が持つ特性インピーダンスを７５［Ω］〜２００［Ω］の範囲で調整自在とする。

本発明によれば、ガラス面にプリントされ、二点一組の給電部を持つアンテナパターンが有する特性インピーダンスと整合をとるために必要な線幅と間隔を有し、二点一組の給電部を持つアンテナパターンとアンプモジュールとを繋ぐ、少なくとも一部が平行に配置された２本の線状導体からなる伝送線路を用いることにより、アンプモジュールを二点一組の給電部を持つアンテナパターンから独立した形でガラス面上にレイアウトすることができる。したがって、二点一組の給電部を持つアンテナパターンは、アンプモジュールのレイアウト位置に依存せず、独立して設計することが可能になり、設計の自由度が増す。その結果、アンテナパターンをアンテナ性能を確保するために都合の良い位置にレイアウトでき、アンテナ性能の向上が可能となる。さらに、アンプモジュールと二点一組の給電部を持つアンテナパターンとの間をガラス面上にプリントされた２本の線状導体を介して繋ぐ構成をとるため、伝送線路は安定的にガラス面に形成されることから伝送線路の電気的特性を安定に確保でき、アンテナ性能が安定する。

さらに、伝送線路が有している特性インピーダンスを、７５［Ω］〜２００［Ω］の範囲で調整自在とすることで、例えば、伝送線路パターンの線幅を細くし、かつ線間隔も製造上問題のないレベルに調整することで、特殊な製造工程を必要とせず、したがって、電気的特性と製造コストの両立が可能である。

本発明の実施例によるガラスアンテナシステムを車両のリヤウインドウに取り付けた例を示した図である。 図１に示したガラスアンテナシステムを拡大した図である。 図２に示した本実施例のガラスアンテシステムの評価条件を比較例と共に示した図である。 図３に示したガラスアンテナシステムの周波数特性を比較例と対比して示した図である。 本実施例によるガラスアンテナシステムで使用されるアンプモジュールの搭載位置を比較例と共に示した図である。 図５に示したアンプモジュールの搭載位置をガラス側辺とした場合の性能対比を示した図である。 従来のガラスアンテナシステムにおけるアンプモジュールの配置形態を示した図である。

以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例の構成）
図１に示すように、本実施例によるガラスアンテナシステムは、例えば、車両のリヤウインドウに取付けられる。本実施例によるガラスアンテナシステムによれば、デフォッガ４０が実装されるリヤウインドウのガラス面１上の空き領域に、ＤＴＶアンテナ１０、ＡＭラジオアンテナ２０，ＦＭラジオアンテナ３０用の各アンテナパターンが実装されている。以降、本実施例によるガラスアンテナシステムとして、ＤＴＶアンテナ１０を例示して詳細に説明する。

図２に示すように、ＤＴＶアンテナ１０は、アンテナ素子で受信した信号を増幅する、ガラス面１（図１）に設置されたアンプモジュール１２と、アンテナ素子としての二点一組の給電部１１０を持つアンテナパターン１１と、伝送線路１３とにより構成される。伝送線路１３は、２本の線状導体がガラス面１上にプリントパターンとして形成される。ガラスアンテナシステム（ＤＴＶアンテナ１０）は、伝送線路１３によりアンプモジュール１２とアンテナパターン１１とを繋ぐ構造をしている。

伝送線路１３は、平行な２本の線状導体で構成され、その線幅ｄは、１０ｍｍ〜０．５ｍｍ、線間隔Ｄ（一方の線状導体の線幅の中心線から他方の線状導線の線幅の中心線間の距離）は、３．０〜０．５ｍｍである。つまり、アンテナパターン１１に対し、アンプモジュール１２を直接接続する形態をとらず、アンテナパターン１１とアンプモジュール１２との間を伝送線路１３を経由して繋ぐ形態をとっている。

（実施形態の作用効果）
このように、平行な２本の線状導体で構成される伝送線路１３をプリントパターン化することで、伝送線路１３が安定にガラス面１に形成されるため、伝送線路１３の電気的特性を安定に確保でき、これによりアンテナ性能が安定する。また、アンプモジュール１２とは独立した状態でアンテナパターン１１を設計できるため、車種の都合で給電位置が限定されても、アンテナ性能が最大限確保できる位置にアンテナパターン１１を独立して配置することができる。したがって、アンテナ性能が向上する。さらに、ガラス面１上に伝送線路１３を形成するため、比誘電率が比較的大きいという誘電体としてのガラスの特性により、製造上、および美観上問題とならないようにサイズを調整しても、必要以上に伝送線路のインピーダンスが高くなることを抑制できる。なお、伝送線路インピーダンスは、７５〜２００［Ω］の範囲で調整が可能である。

製造上および美観の観点から、伝送線路１３のプリントパターンの線幅ｄは、１〜５［ｍｍ］が好適である。一方、アンプモジュール１２の設計上、アンプモジュール１２の入力部の特性インピーダンスとしては１５０［Ω］以下が望ましい。したがって、伝送線路１３のプリントパターンの線路インピーダンスも１５０［Ω］以下が好適である。この場合、線幅ｄを１〜５［ｍｍ］、線間隔Ｄを０．５〜３［ｍｍ］とすることで、線路インピーダンスを１５０［Ω］以下とすることができ、かつ、製造上及び美観の点からも問題のない伝送線路の形成が可能となる。

伝送線路インピーダンスを７５〜２００［Ω］の範囲とする意味は、以下の通りである。すなわち、広帯域特性が確保できるガラスアンテナを設計する場合、アンテナの特性インピーダンスは、７５〜３００［Ω］の、一般的な値（５０［Ω］〜７５［Ω］）より高い値になる。ここで、車両に形成されるガラスアンテナを考えた場合、安定した受信信号品質を確保するために、アンテナ近傍にアンプモジュール１２を配置するが、アンプモジュール１２の入力部の特性インピーダンスは、ノイズ耐性の確保といった点から、２００［Ω］以下が適当であって、必要以上に大きな値とすることは好ましくない。したがって、アンテナパターン１１とアンプモジュール１２を接続するための伝送線路１３の特性インピーダンスは、７５〜２００［Ω］の範囲で調整が可能である必要がある。

ガラス面１上に形成された伝送線路１３の特性インピーダンスＺ₀は、以下の演算式（１）で近似することができる。但し、Ａ、Ｂは定数、ｄは線幅［ｍｍ］、Ｄは間隔［ｍｍ］である。

ここで、定数Ａ、Ｂがとりうる範囲について説明する。一般に平行二線路の特性インピーダンスＺ₀は、以下の演算式（２）式で求まる。

演算式（２）から明らかなように、演算式（１）の定数Ａに相当する部分は「１／√（εｓ）」に比例する。この「１／√（εｓ）」は、比誘電率εｓを持つ誘電体中の電波の波長短縮率に相当する。したがって、演算式（１）の定数Ａも、ガラス面上での電波の波長短縮率に比例すると考えられる。

ところで、ガラス面上の波長短縮率は、使用するガラスの板厚とガラスの比誘電率に関係があることが知られている。車両用ガラスとして、強化ガラスや合わせガラスが使用されるが、これらガラスの使用を前提とした場合の比誘電率および板厚の限定範囲から、ガラス表面波長短縮率も所定の範囲に限定される。この限定された範囲から演算式（１）の定数Ａがとりうる範囲を求めると、１１５≦Ａ≦１６０になる。

次に、定数Ｂについて説明する。演算式（１）と（２）は、定数Ｂが存在するか否かが異なる点である。この定数Ｂを、強化ガラスと合わせガラスを含む複数のサンプリングで実際に評価したところ、以下の表１に示す結果が得られた。

表１によれば、４つのサンプルの定数Ｂが２４〜２８まで変化し得る。また、表１で示されない他の複数のサンプルでも評価した結果、定数Ｂは、２０≦Ｂ≦３０の範囲であれば、十分であることが判明した。

発明者らの評価によれば、３．１ｍｍ厚の強化ガラスを使用した場合、定数Ａを「１３０」，定数Ｂを「２７」とすれば、最適な特性インピーダンスが得られることがわかった。また、４．７ｍｍ厚の合わせガラスを使用した場合、定数Ａを「１２９」，定数Ｂを「２５」とすれば最適な特性インピーダンスが得られることがわかった。３．１ｍｍ厚の強化ガラスと４．７ｍｍ厚の合わせガラスは、同じ形状でほぼ同じレベルの特性インピーダンスの確保が可能であることがわかる。このことは、パターンを共通化できることを意味する。

（実施形態の性能評価）
図３（ａ）（ｂ）は、アンテナパターン１１のレイアウト位置を共通とした場合の、伝送線路１３を持つ本実施例と、伝送線路１３を持たない比較例の各評価条件を示した図である。図３（ａ）は、全長１３０ｍｍの伝送線路１３を有する本実施例の評価条件であり、特性評価ポイントＥＰを伝送線路端末とした。図３（ｂ）は、伝送線路１３を持たない比較例の評価条件であり、特性評価ポイントＥＰを二点一組の給電部直下とした。図４に、その評価条件にしたがい評価した結果を、本実施例と比較例の周波数特性として対比して示した。

図４によれば、縦軸の平均利得［ｄＢ］は、基準となる比較例の全帯域（４７０〜７２０ＭＨｚ）での平均値を０［ｄＢ］とするように規格化処理がなされている。この例では、４７０〜７２０［ＭＨｚ］の地上デジタル放送帯域内において、実施例では、最大値が０．８［ｄＢ］、最小値が−１．１［ｄＢ］（帯域内平均は−０．１［ｄＢ］）となり、比較例では、最大値が１．２［ｄＢ］、最小値が−１．５［ｄＢ］（帯域内平均は０．０［ｄＢ］）となっている。つまり、伝送線路１３を付加しても、帯域内平均値、最大値、最小値共に殆ど差がなく、本実施例で示されるように伝送線路１３を付加してもアンテナ性能への影響が見られない。このことは、アンプモジュール１２の搭載位置を変更しても同等の性能を確保できることを意味し、したがって、平行な２本の線状パターンからなる伝送線路１３を使用することで、アンプモジュール１２の搭載位置の自由度を確保することができる。

図５（ａ）（ｂ）は、アンプモジュール１２の搭載位置を共通にした場合の、伝送線路１３を持つ本実施例と、伝送線路１３を持たない比較例の評価条件を示している。図５（ａ）は、アンプモジュールの搭載位置を、例えばガラス側辺部とした場合に、アンテナパターン１１からみれば上辺給電になる伝送線路１３を持つ本実施例であり、図５（ｂ）は、アンテンパターンから見ても側辺給電になる、伝送線路１３を持たない比較例である。なお、本実施例、比較例共、近傍に、他のメディアのアンテナパターンが配置されている。図６に本実施形態と比較例の周波数特性が対比して示されている。

図６も図４と同様、縦軸の平均利得［ｄＢ］は、基準となる比較例の全帯域（４７０〜７２０ＭＨｚ）での平均値を０［ｄＢ］とするように規格化処理がなされている。図６によれば、同帯域内において、実施例では、最大値が３．１［ｄＢ］、最小値が−０．９［ｄＢ］（帯域内平均は０．４［ｄＢ］）となり、比較例では、最大値が１．９［ｄＢ］、最小値が−２．４［ｄＢ］（帯域内平均は０．０［ｄＢ］）になった。このことは、アンプモジュール１２の搭載位置を、例えばガラス側辺部とした場合に、平行な２本の線状パターンからなる伝送線路１３を使用してアンテナパターン１１自体を性能優先でレイアウトした方が性能的に有利であることを意味する。

（実施形態の効果）
以上説明したように、本実施例に係るガラスアンテナシステムによれば、伝送線路１３を用い、二点一組の給電部１１０を持つアンテナパターン１１とアンプモジュール１２とを繋ぐことにより、アンテナパターン１１から独立した形でアンプモジュール１２をガラス面１上に配置することができる。このように、アンテナパターン１１は、アンプモジュール１２のレイアウト位置に依存することなく設計が可能になるため、設計の自由度が増す。また、伝送線路１３は、平行な２本の線状導体で形成されるため、伝送線路１３のプリントパターンの面積を必要以上に大きくする必要がなく、美観を損ねる心配がない。更に、伝送線路１３を、平衡型もしくはほぼ平衡型のアンテナとして動作する二点一組の給電部１１０を持つアンテナパターン１１に直接接続しても、伝送線路１３自体も平衡型であるためアンテナ特性が不安定となることはない。

さらに、アンテナパターン１１と独立してアンプモジュール１２を配置できるため、専用の秘匿カバーを必要とせず、例えば、ガラスコーナー部、もしくはピラーカバーへアンプモジュール１２を設置することが可能で、かつ、アンテナパターン１１自体は性能確保が容易な任意の位置に設定可能となる。したがって、アンプモジュール１２のレイアウト位置に制約があっても、アンテナ性能を確保するのに都合の良い位置にアンテナパターン１１をレイアウトすることができ、アンテナ性能の向上が期待できる。すなわち、車種ごとに異なるレイアウトによる不要なアンテナ性能の低下を回避することができる。

また、アンプモジュール１２とアンテナパターン１１とを繋ぐ伝送線路１３として、ガラス面１上に印刷されたプリントパターンを使用するため、伝送線路１３が安定してガラス面１に形成され、したがって、伝送線路１３の電気的特性を安定に確保できることからアンテナ性能も安定する。また、伝送線路１３のプリントパターンの線路幅を細くし、かつ線間隔も製造上問題ないレベルに設定することで、特殊な製造工程を必要とせず、製造コストの上昇につながることはない。また、特性インピーダンスを１５０［Ω］以下に抑えることで、使用するアンプモジュール１２の入力部の特性インピーダンスを不要に高くする必要もなく、特殊なアンプモジュール１２の設計を必要としない。

なお、製造工程（プリント）を従来技術で対応するためには、線路間隔を０．５［ｍｍ］以上にする必要があるが、線路間隔が大きくなればなるほど特性インピーダンスは大きくなる。一方、特性インピーダンスを低くするためには、線路幅を太くすることで可能であるが、線路幅間隔を必要以上に大きく設定した状態で、インピーダンスを低下させるには、必要以上に線路幅を太くする必要があり、美観上、もしくはガラス造形上問題を生じる。このため、特性インピーダンスを、７０［Ω］〜１５０［Ω］に設定することで、電気的特性、および製造コストの両者を両立可能である。

また、本実施例に係るガラスアンテナシステムによれば、伝送線路１３に使用される２本の線状導体は、アンテンパターン１１からアンプモジュール１２に至るまで全ての部位で平行になっているものとして説明したが、アンプモジュール１２の入力部の構造によっては部分的に平行な２線パターンとしてもよい。

本発明は、車両の窓ガラス上に実装される、地上波デジタル放送帯域４７０−７２０［ＭＨｚ］受信用のＤＴＶアンテナシステムに使用して好適である。

１…ガラス面、１０…ガラスアンテナシステム（ＤＴＶアンテナ）、１１…アンテナパターン、１２…アンプモジュール、１３…伝送線路、１１０…給電部。

Claims (5)

1. ガラス面にアンテナが形成されるガラスアンテナシステムであって、
   前記ガラス面にプリントされた二点一組の給電部を持つアンテナパターンからなるアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子で受信した信号を増幅する、前記ガラス面に設置されたアンプモジュールと、
   前記ガラス面にプリントされ、前記アンテナパターンが有する特性インピーダンスと整合をとるのに必要な線幅と間隔を有し、前記二点一組の前記給電部を持つ前記アンテナパターンと前記アンプモジュールとを繋ぐ、少なくとも一部が平行に配置された２本の線状導体からなる伝送線路と、
   を備えていることを特徴とするガラスアンテナシステム。
2. 前記伝送線路が有する特性インピーダンスＺ₀を、Ｚ₀＝Ａ×ｌｏｇ（２Ｄ／ｄ）＋Ｂで近似する（但し、Ａ、Ｂは定数、ｄは線幅［ｍｍ］、Ｄは間隔［ｍｍ］）、請求項１に記載のガラスアンテナシステム。
3. 前記定数Ａは、最低で１１５、最高で１６０の範囲とする、請求項２に記載のガラスアンテナシステム。
4. 前記定数Ｂは、最低で２０、最高で３０の範囲とする、請求項２に記載のガラスアンテンシステム。
5. 前記伝送線路が持つ特性インピーダンスを７５［Ω］〜２００［Ω］の範囲で調整自在とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のガラスアンテナシステム。

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