JPWO2018190011A1 - アンテナ及び窓ガラス - Google Patents

Abstract

車両の窓ガラスに設けられるアンテナであって、芯線側給電部と、アース側給電部と、前記芯線側給電部から延伸する第１エレメントと、前記第１エレメントと略９０度の角度で前記芯線側給電部から延伸する第２エレメントと、を備え、受信周波数の波長をλとし、ガラスの波長短縮率をαとした、エレメントのオフセット長をδとした場合、前記第１エレメントは３αλ／４＋δの長さ、前記第２エレメントはαλ／４−δの長さとする、または、前記第１エレメントは３αλ／４−δの長さ、前記第２エレメントはαλ／４＋δの長さとする。

Description

本発明は、ガラス板の表面に配置されるガラスアンテナ関し、特に、衛星波受信用のアンテナに関する。

衛星波受信用のアンテナを車両の窓ガラスに配置することがある。このような衛星波受信用のアンテナとして、特許文献１には、芯線側給電点に接続した芯線側エレメントと、グランド側給電点を内部に有したグランド側エレメントとからなるガラスアンテナにおいて、前記グランド側エレメントは、略矩形状のグランド面状導体部を前記芯線側給電点と近接する位置に有し、前記グランド面状導体部の面内に少なくとも１つのグランド側給電点を設けてなり、前記芯線側エレメントは、前記芯線側給電点と対向する前記グランド面状導体部の一辺に対して鉛直になるように設けた仮想線に直交し、かつグランド面状導体部から遠ざかる方向に延伸した直交線条か、または、前記仮想線と略平行かつグランド面状導体部から遠ざかる方向に延伸した平行線条の少なくとも一方を有する円偏波アンテナが記載されている。

また、特許文献２には、正極側エレメントと負極側エレメントとが同一平面上に配設されている車両用円偏波アンテナであり、前記正極側エレメントは、少なくとも正極側給電点と、前記正極側給電点が載置される正極側面状体と、前記正極側面状体に接続される正極側メイン線条とを備え、前記負極側エレメントは、少なくとも負極側給電点と、前記負極側給電点が載置される負極側面状体と、前記負極側面状体に接続される負極側メイン線条とを備え、前記正極側メイン線条の先端部と前記負極側メイン線条の先端部とがオーバーラップし、相互に容量結合している円偏波アンテナが記載されている。

特開２０１１−１４７１０２号公報 特開２０１３−２６８２８号公報

衛星波受信用のアンテナは、上空から到来する電波を容易に捕捉するために、前面窓ガラスに設けられることが多い。この場合、運転者の視界を邪魔しないように、大きな目立つパターンをガラス板上に配置することは困難である。

このため、自動車用窓ガラスの狭い場所に配置しても、良好な受信性能を得られるアンテナを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、車両の窓ガラスに設けられるアンテナであって、芯線側給電部と、アース側給電部と、前記芯線側給電部から延伸する第１エレメントと、前記第１エレメントと略９０度の角度で前記芯線側給電部から延伸する第２エレメントと、を備え、受信周波数の波長をλとし、ガラスの波長短縮率をαとした、エレメントのオフセット長をδとした場合、前記第１エレメントは３αλ／４＋δの長さ、前記第２エレメントはαλ／４−δの長さとする、または、前記第１エレメントは３αλ／４−δの長さ、前記第２エレメントはαλ／４＋δの長さとすることを特徴とするアンテナである。

前記芯線側給電部と、前記アース側給電部とは、前記車両のボディフランジに沿って配列され、前記第１エレメントと、前記第２エレメントとは、前記芯線側給電部から、前記ボディフランジと離隔する方向に延伸するものとすることが好ましい。このような構成とすることで、円偏波をより受信しやすいものとできる。

また、本発明は、前記第１エレメントは、少なくとも１回折り返された形状で窓ガラス上に形成されており、折返し部の前後のエレメントを短絡するブリッジ線条を有することを特徴とするアンテナである。

また、本発明は、前記第１エレメント、前記第２エレメント、前記芯線側給電部及び前記アース側給電部を３辺で囲む線条を有する寄生素子を有し、前記寄生素子の開口側において、前記アース側給電部がボディフランジに沿って配置されることを特徴とするアンテナである。

また、本発明は、前記寄生素子は、前記第１エレメント及び前記第２エレメントの側部に設けられる側部線条と、前記第１エレメントの上側に設けられ、一端を前記側部線条と接続された上部線条と、前記第２エレメントの下側に設けられ、一端を前記側部線条と接続された下部線条と、を有し、前記上部線条の他端部と前記下部線条の他端部とで形成される開口部は、前記側部線条の長さより大きいことを特徴とするアンテナである。

また、本発明は、前記いずれかのアンテナが設けられた窓ガラスである。

本発明の代表的な実施形態によれば、アンテナの指向性を前後方向及び左右方向に均等にできるので、円偏波の受信感度を改善することができる。よって、１〜２ＧＨｚ帯中の特定の周波数の円偏波からなるＧＰＳ信号の受信に好適である。

本発明の実施形態１のガラスアンテナ（基本構成）を車内側から見た平面図である。 本発明の実施形態２のガラスアンテナ（寄生素子あり）を車内側から見た平面図である。 本発明の実施形態３のガラスアンテナ（先端折り返し）を車内側から見た平面図である。 本発明の実施形態４のガラスアンテナ（寄生素子の変形例）を車内側から見た平面図である。 本発明の実施形態のガラスアンテナの特性を示す図である。 本発明の実施形態のガラスアンテナの特性を示す図である。

図１は、本発明の実施形態１のガラスアンテナを車内側から見た平面図である。

図１に示す基本構成のガラスアンテナは、芯線側給電部４から延伸する第１エレメント１と第２エレメント２とを有する。芯線側給電部４の近傍にはアース側給電部５が設けられる。前記芯線側給電部４と、前記アース側給電部５とは、車両のボディフランジ６に沿って配列される。

第１エレメント１は、前記芯線側給電部４から、第２エレメント２と略９０°を保つように、前記芯線側給電部４から前記ボディフランジ６と離隔する方向（例えば、ボディフランジ６に対して４５°の角度を形成するように；図１などでは、右上斜め４５°）に延伸し、例えば、２回折り返されて、受信周波数の約３λ／４の長さのエレメントを形成する。第２エレメント２は、第１エレメント１と９０°離隔する方向で且つボディフランジ６と離隔する方向に芯線側給電部４から延伸して、例えば２回屈曲して、受信周波数の約λ／４の長さのエレメントを形成する。

なお、第１エレメント１の延伸方向は、図１などで示すような４５°だけではなく、６０°や９０°でもよく、運転者の視界を妨げないように、アンテナの実効的な横幅が小さくなるように配置するとよい。また、第１エレメント１の延伸方向と第２エレメント２の延伸方向が成す角度は略９０°とすると効率が良い。

また、第１エレメント１の長さを第２エレメント２の長さより短く、すなわち、第１エレメント１の長さを約λ／４とし、第２エレメント２の長さを約３λ／４としてもよい。しかし、第１エレメント１を短くすると、励振タイミングが逆になるため円偏波の旋回方向が逆転し、車外からの左旋偏波の到来波に好適となる。このため、第１エレメント１の長さを長くする方が、右旋偏波のＧＰＳ信号に対する感度が向上する。

本実施形態のアンテナは、芯線側給電部４からエレメント１、２が延伸する側と逆側に、芯線側給電部４及びアース側給電部５に近接してボディフランジ６がある。すなわち、本実施形態のアンテナは、芯線側給電部４及びアース側給電部５がボディフランジ６に近接する位置に設けられる。例えば、ボディフランジ６と各給電部との距離が、対向する辺において、５ｍｍ〜２０ｍｍとなるように設けられる。また、本実施形態のアンテナを前面窓ガラスに設ける場合、助手席側のＡピラーをボディフランジ６として、前面窓ガラスの上部でＡピラーに沿った位置に本実施例のアンテナを設けるとよい。

前記芯線側給電部４と、前記エレメント１、２とを含むものが芯線側アンテナエレメントとなるが、該芯線側アンテナエレメントは前記芯線側給電部４と、前記エレメント１、２とからなるものとしてもよい。また、前記アース線側給電部５を含むものがアース側アンテナエレメントとなるが、該アース側アンテナエレメントは前記アース側給電部５からなるものとしてもよい。

芯線側給電部４とアース側給電部の形状は、矩形状としてもよい。芯線側給電部４の面積は、給電部４に接合される端子と接合させるために十分な面積があればよく、前記端子の面の１倍〜３倍程度の面積を有するものとしてよい。アース側給電部５の面積は、例えば、前記芯線側給電部４よりも広い面積のものとしてよく、その形状が長方形状の場合、長辺がボディフランジ４に沿って配列されるものとしてもよい。

芯線側給電部４及びアース側給電部５がボディフランジ６に沿って配置され、ボディフランジ６に近接するので、特に、ボディフランジ６に対向する辺が長いアース側給電部５は、ボディフランジ６と強く容量結合し、ボディフランジ６をグランドプレーンとして機能させることができる。

本実施形態のアンテナにおいて、芯線側給電部４を大きくすると第１エレメント１及び第２エレメント２の長さを短縮できる。また、アース側給電部５の大きさを変えることによって、インピーダンスを調整できる。アンテナの美観を優先させる場合、前記アース側給電部４の面積は、２５０ｍｍ^２以下となるようにアンテナの各エレメントの大きさや、長さが調整されることが好ましい。

第１エレメント１の２回目の折り返し部には第１エレメント１を短絡するブリッジ線条１１を設ける。ブリッジ線条１１によって、アンテナに誘導性を付与でき、アンテナのインピーダンスを調整できる。

芯線側給電部４及びアース側給電部５は、同軸ケーブルによってアンプ（図示省略）と接続される。

本実施例のアンテナを構成する導体（線条、給電部）は、ガラス面上に導電性のセラミックペーストによって各線条の幅を約０．７ｍｍで印刷し、乾燥後、加熱炉によって焼き付けて形成される。各導体を、光透過性の樹脂フィルム上に形成された導電性パターンによってアンテナを形成し、ガラス板に貼り付けてもよい。

次に、本実施例のアンテナの動作原理を説明する。

本実施例のアンテナは、摂動励振を用いた一点給電型の円偏波アンテナであり、空間的に直交する第１エレメント１及び第２エレメント２が二つの異なる周波数で共振して円偏波を生成する。摂動励振を実現するために、二つのエレメントを共振する長さから、各々＋δ、−δずらした長さにするが、本実施例のアンテナでは第１エレメント１の長さ（３λ／４）及び第２エレメント２の長さ（λ／４）からの長さのオフセット量δは、二つのエレメントにおいて同じでも、異なってもよい。すなわち、両エレメントのオフセット長を同じにして、第１エレメント１の長さを３λ／４＋δとし、第２エレメント２の長さをλ／４−δとしてもよく、両エレメントのオフセット長を異ならせて、第１エレメント１の長さを３λ／４＋δ１とし、第２エレメント２の長さをλ／４−δ２としてもよい。なお、一方のエレメントのオフセットが＋（延長）の場合、他方のエレメントのオフセットは−（短縮）となる。

オフセット量δは、エレメントの線幅や基板として用いるガラスの電気的特性（比誘電率や誘電正接）によって変化する。本実施形態のアンテナでの実用的な線幅（０．７ｍｍ）において、オフセット量δの最大値はαλ／１０程度である（αは基板材料の波長短縮率、λは自由空間中における受信周波数の波長）。

図１には、ＧＰＳのＬ１バンド（１５７５．４２ＭＨｚ）に好適なアンテナのエレメント長を示す。すなわち、ガラスの波長短縮率αが０．７であると考えると、ＧＰＳのＬ１バンド用のアンテナにおいて、第１エレメント１は、芯線側給電部４から４５°方向に２５ｍｍ延伸し、６ｍｍの間隔で折り返され、２２５°方向に２５．５ｍｍ延伸し、７．５ｍｍの間隔でさらに折り返され、４５°方向に２３ｍｍ延伸する。ブリッジ線条１１は、２回目の折返し部から５ｍｍの位置に設けられる。第１エレメント１の全長は、８７ｍｍである。また、第２エレメント２は、芯線側給電部４から１３５°方向に２２ｍｍ延伸し、２２５°方向に屈曲して１５．５ｍｍ延伸し、１３５°方向に屈曲し８．５ｍｍ延伸する。第２エレメント２の全長は、４６ｍｍである。

芯線側給電部４は、横が１１ｍｍ、縦が５ｍｍに形成される。アース側給電部５は、横が１１ｍｍ、縦が２４ｍｍに形成される。アース側給電部５とは、芯線側給電部４の下方（１８０°方向）に５ｍｍの間隔で配置される。

なお、アンテナの寸法は、受信周波数帯の中で共振周波数を調整して、受信周波数帯全体として良好な感度を得るように決定されるもので、前述した寸法に限定されるものではない。

図２は、本発明の実施形態２のガラスアンテナを車内側から見た平面図である。

図２に示すガラスアンテナは、前述した実施形態１のアンテナに寄生素子３を有する。実施形態２において、第１エレメント１、第２エレメント２、芯線側給電部４及びアース側給電部５の構成は、前述した実施形態１と同じであるため、それらの説明は省略する。

寄生素子３は、第１エレメント１、第２エレメント２、芯線側給電部４及びアース側給電部５を囲むように左側が開口したコの字（横を向いたＵ字）状に形成されている。すなわち、寄生素子３の上部線条は第１エレメント１の上側に設けられ、寄生素子３の側部線条は第１エレメント１及び第２エレメント２の右側に設けられ、寄生素子３の下部線条は第２エレメント２の下側に設けられる。

寄生素子３の下部線条は、アース側給電部５の下端から１０ｍｍの位置に設けられ、上部線条の長さ及び下部線条の長さは各々３３ｍｍであり、側部線条の長さは８０ｍｍである。よって、第１エレメント１の右端と寄生素子３の側部線条との間は約４ｍｍ離隔することになる。

寄生素子３を設けることによって、図５に示すように、１５０°〜２６０°方向、すなわち、ガラス面に垂直左側（ボディフランジ６側）の感度が向上する。

図３は、本発明の実施形態３のガラスアンテナを車内側から見た平面図である。

図３に示すガラスアンテナでは、前述した実施形態２のアンテナの第２エレメント２の先端が折り返されている。実施形態３において、第１エレメント１、寄生素子３、芯線側給電部４及びアース側給電部５の構成は、前述した実施形態１及び２と同じであるため、それらの説明は省略する。

第２エレメント２は、第１エレメント１と９０°離隔する方向に、芯線側給電部４から延伸して１回屈曲した後に折り返されて、受信周波数の約λ／４の長さのエレメントを形成する。

図３には、ＧＰＳのＬ１バンド（１５７５．４２ＭＨｚ）に好適な第２エレメント２の長さを示す。第１エレメント１、寄生素子３、芯線側給電部４及びアース側給電部５の寸法は、前述した実施形態１、２と同じであるので図示を省略した。

ガラスの波長短縮率αが０．７であると考えると、ＧＰＳのＬ１バンド用のアンテナにおいて、第２エレメント２は、芯線側給電部４から１３５°方向に２２ｍｍ延伸し、２２５°方向に屈曲して１５．５ｍｍ延伸し、折り返されて４５°方向に延伸する。第２エレメント２の全長は４０ｍｍである。なお、アンテナの寸法は、受信周波数帯の中で共振周波数を調整して、受信周波数帯全体として良好な感度を得るように決定されるもので、前述した寸法に限定されるものではない。

図４は、本発明の実施形態４のガラスアンテナを車内側から見た平面図である。

図４に示すガラスアンテナは、前述した実施形態２と寄生素子３の形状が異なる。実施形態４において、第１エレメント１、第２エレメント２、芯線側給電部４及びアース側給電部５の構成は、前述した実施形態１及び２と同じであるため、それらの説明は省略する。

寄生素子３は、第１エレメント１、第２エレメント２、芯線側給電部４及びアース側給電部５を囲むように左側が開口したコの字（横を向いたＵ字）状に形成されている。すなわち、寄生素子３の上部線条は第１エレメント１の上側に設けられ、寄生素子３の側部線条は第１エレメント１及び第２エレメント２の右側に設けられ、寄生素子３の下部線条は第２エレメント２の下側に設けられる。実施形態４の寄生素子３は、開口側（左側）が広がるように、上部線条及び下部線条が斜めに配置される。

寄生素子３は、側部線条と下部線条との交点がアース側給電部５の下端から１０ｍｍの位置になるように配置される。寄生素子３の上部線条の長さ及び下部線条の長さは各々３３ｍｍであり、側部線条の長さは８０ｍｍである。

前述した実施形態２と同様に、寄生素子３を設けることによって、ガラス面に垂直左側（ボディフランジ６側）の感度を向上できる。また、実施形態４のアンテナでは、寄生素子３の開口部を拡大することによって、指向性を変化させることができる。

ここまで、ボディフランジ６が助手席側のＡピラーであり、右ハンドル車の前面窓ガラスの助手席側上部にアンテナを配置する例を説明したが、左ハンドル車では、図１〜図４に示す態様を左右反転し、右側にボディフランジ６に沿ってアンテナを配置するとよい。また、ボディフランジ６が前面窓ガラスの上部車体（天井部分）でもよく、この場合、図１〜図４に示す態様より右に９０°回転した状態で、本実施例のアンテナが前面窓ガラスの上部に配置される。さらに、本実施形態のアンテナを他の窓ガラス上にボディフランジ６に沿って設けてもよい。

図５は、実施形態１及び２のガラスアンテナの特性を示す図である。

図において、９０°−２７０°線がガラス面であり、０°が車内側、１８０°が車外側である。すなわち、図５は、ガラス面と直交する面内の指向性を示す。図５では、寄生素子３が設けられていない実施形態１のアンテナの指向性を破線で示し、寄生素子３が設けられている実施形態２のアンテナの指向性を実線で示す。

図から分かるように、実施形態１のアンテナでは９０°〜１５０°方向に指向性を有する。実施形態２のアンテナでは、寄生素子３を設けることによって、１５０°〜２６０°方向、すなわち、ガラス面に垂直左側（ボディフランジ６側）の感度が向上する。

図６は、実施形態２のガラスアンテナの指向性を示す図である。

図において、紙面がガラス面であり、０°が車両前方、１８０°が車両後方である。図６では、実施形態２のアンテナ（寄生素子あり）の指向性を実線で示し、従来のアンテナの指向性を破線で示す。

図から分かるように、従来のアンテナでは、ボディフランジ６（アンテナ右側のＡピラー）の影響を受けるため、２７０°〜３３０°の感度が低下し、ガラスの中央方向（車体側と反対方向）に指向性が偏る。実施形態２のアンテナでは、２７０°〜３３０°の感度を向上し、車外に向かってガラスと垂直方向の指向性が可能となる。

以上に説明したように、本発明の実施形態のガラスアンテナでは、自動車用窓ガラスの狭い場所に配置しても、良好な受信性能を得られる。

また、ブリッジ線条１１を設けることによって、アンテナのインピーダンスの調整が容易になる。

また、寄生素子３を設けることによって、１５０°〜２６０°方向、すなわち、ガラス面に垂直左側（ボディフランジ６側）の感度を向上できる。また、寄生素子３の形状によって、指向性を変化させることができる。

さらには、寄生素子３は、電熱線、カメラ、レーダーなどの、本発明のガラスアンテナの受信感度に影響しうるノイズを発生する素子の影響を低減させる効果がある。例えば、車両の窓ガラスには、該窓ガラスの防曇性を発現させるために、３０μｍ以下の太さの微細な電熱線が、０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍ間隔で配列されたものである。例えば、図２のガラスアンテナでみると（ボディフランジ６は、Ａピラー側のものとする）、前記微細な電熱線は、寄生素子３のコ字状底部の線条と概略平行に配列されたものとなる。前記寄生素子３に最近接する微細な電熱線は、前記寄生素子３のコ字状底部の線条との距離を、５５ｍｍまでに近づけても、アンテナ特性に影響は生じない。図１のガラスアンテナにて、同等の位置に、最近接する微細な電熱線を近づけると、アンテナ特性の低下が見られる。このことから、寄生素子３を備えたガラスアンテナを備えるガラス窓は、ガラス窓中に微細な電熱線をより広範囲に配列させることができ、窓中の防曇できる領域を広げることができる。

本願は２０１７年４月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１７−７９０７５に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (6)

1. 車両の窓ガラスに設けられるアンテナであって、
   芯線側給電部と、
   アース側給電部と、
   前記芯線側給電部から延伸する第１エレメントと、
   前記第１エレメントと略９０度の角度で前記芯線側給電部から延伸する第２エレメントと、を備え、
   受信周波数の波長をλとし、ガラスの波長短縮率をαとした、エレメントのオフセット長をδとした場合、前記第１エレメントは３αλ／４＋δの長さ、前記第２エレメントはαλ／４−δの長さとする、または、前記第１エレメントは３αλ／４−δの長さ、前記第２エレメントはαλ／４＋δの長さとすることを特徴とするアンテナ。
2. 前記芯線側給電部と、前記アース側給電部とは、前記車両のボディフランジに沿って配置され、
   前記第１エレメントと、前記第２エレメントとは、前記芯線側給電部から、前記ボディフランジと離隔する方向に延伸することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第１エレメントは、
   少なくとも１回折り返された形状で窓ガラス上に形成されており、
   折返し部の前後のエレメントを短絡するブリッジ線条を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 前記第１エレメント、前記第２エレメント、前記芯線側給電部及び前記アース側給電部を３辺で囲む線条を有する寄生素子を有し、
   前記寄生素子の開口側において、前記アース側給電部がボディフランジに沿って配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のアンテナ。
5. 前記寄生素子は、
   前記第１エレメント及び前記第２エレメントの側部に設けられる側部線条と、
   前記第１エレメントの上側に設けられ、一端を前記側部線条と接続された上部線条と、
   前記第２エレメントの下側に設けられ、一端を前記側部線条と接続された下部線条と、を有し、
   前記上部線条の他端部と前記下部線条の他端部とで形成される開口部は、前記側部線条の長さより大きいことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載のアンテナが設けられた窓ガラス。

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