JP2006135764A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】車両の窓ガラス板に適用可能で、給電回路の信頼性が高く、薄型化を図れるとともに、デザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナを実現する。
【解決手段】放射導体となるパッチ導体2が設けられ、車両に設置される窓ガラス板1と、窓ガラス板1のパッチ導体2が設けられる面に対向して空気又は他の誘電体により所定間隔で離間されて設けられた誘電体基板5と、誘電体基板5の窓ガラス板1と対向する面に設けられ、パッチ導体2の位置に対応したスロット7を有する接地導体4と、誘電体基板5の接地導体4と反対側の面に設けられたマイクロストリップ線路6とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】放射導体となるパッチ導体2が設けられ、車両に設置される窓ガラス板1と、窓ガラス板1のパッチ導体2が設けられる面に対向して空気又は他の誘電体により所定間隔で離間されて設けられた誘電体基板5と、誘電体基板5の窓ガラス板1と対向する面に設けられ、パッチ導体2の位置に対応したスロット7を有する接地導体4と、誘電体基板5の接地導体4と反対側の面に設けられたマイクロストリップ線路6とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、自動車等の車両の窓ガラス板に設けられるアンテナ装置に関する。
今日、高速道路等の有料道路の料金徴収を無人で行うETC(自動料金収受システム:Electric Toll Collection System )が実施されている。このシステムでは、料金所のゲートに設置されたアンテナと自動車等の車両に搭載された車載器との間で無線データ通信を行い、料金の決済処理を行っている。このシステムにおいて、車載器用のアンテナとしては、取付け、収納の便宜のために、平面アンテナが良く用いられている。
マイクロ波の通信では、電波の干渉による通信障害が生じやすいため、電波の干渉による影響が生じにくい円偏波を通信電波として用いることが一般的であり、マイクロストリップアンテナは円偏波に対して通信特性に優れる。ここで、マイクロストリップアンテナとは、接地導体が設けられている誘電体基板に、矩形状、円形状、楕円形状等のパッチ導体(ストリップ)が放射導体として設けられており、パッチ導体が設けられている誘電体基板面に対して略垂直方向に指向性を有するアンテナをいう(非特許文献1参照)。
現在用いられている車載器用の平面アンテナは、車載器本体と一体かまたは別の筐体に収められ、車両のダッシュボード等に設置されて用いられることが多い。このため、設置場所の制約を受け、デザイン上あまり好ましくない。
そこで、車両の窓ガラス板にマイクロストリップアンテナを設置する構造とした場合、給電回路の構成が問題となる。例えば、窓ガラス板に放射導体となるパッチ導体を設け、ピンで給電するような構成とした場合、導電体のピンがパッチ導体のプリントされたガラス板と直接接触するため、ピン接触の信頼性を確保する必要があり、また、ピン自体の長さによりアンテナ薄型化が困難である等の課題がある。
マイクロストリップアンテナの給電回路として、スロットを設けた接地導体に対向させて、この接地導体に電磁的に結合するストリップ線路を配置した構成のものが開示されている(特許文献1、2参照)。また、接地導体にH型もしくは十字型のスロットを設けて電波の一部を通過させることにより、非接触で放射導体と伝送線路間の給電を可能とした構成のものもある(非特許文献2、3参照)。
しかし、このようなマイクロストリップアンテナを車両の窓ガラス板に実装したものは無かった。すなわち、信頼性が高く、かつ薄型化が可能であり、さらにデザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナは実現されていない。
特開平4−122105号公報
特開平5−55820号公報
羽石,平澤,鈴木、「小形・平面アンテナ」、社団法人電子情報通信学会編、1996年
H.S. Shin and N. Kim, "Wideband and high-gain one-patch microstrip antenna coupled with H-shaped aperture", Electron.Lett., vol.38, No.19, pp1072-1073, Sep. 2002
Y. Murakami, S. Sekine and H. Shoki, "Analysis of cross-slot-coupled circular microstrip antenna", Electron.Lett., vol.38, No.25, pp1619-1621, Dec. 2002
本発明の目的は、車両の窓ガラス板に適用可能で、給電回路の信頼性が高く、薄型化を図れるアンテナ装置を提供することである。
また、本発明の目的は、デザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナを実現できるアンテナ装置を提供することである。
本発明は、放射導体となるパッチ導体が設けられ、車両に設置される窓ガラス板と、前記窓ガラス板の前記パッチ導体が設けられる面に対向して設けられた誘電体基板又は誘電体シートからなる誘電体層であって、前記窓ガラス板に対して空気又は他の誘電体により所定間隔で離間されて配置された誘電体層と、前記誘電体層の前記窓ガラス板と対向する面に設けられ、前記パッチ導体の位置と対応する位置にスロットを有する接地導体と、前記誘電体層の、前記接地導体が設けられた面と反対側の面に設けられた給電線路とを備えたアンテナ装置を提供する。
また、前記接地導体に設けられるスロットが、H型、又は前記パッチ導体の天地方向に対して斜めに傾いた十字型に形成されたアンテナ装置を提供する。
また、前記窓ガラス板の周縁部から前記パッチ導体の中心までの距離をE、通信に用いる電波の自由空間における波長をλ0 とするとき、E/λ0 ≦2.51であり、前記パッチ導体と前記窓ガラス板を設置する車体開口縁との最短距離をDとするとき、0.2≦D/λ0 であるアンテナ装置を提供する。
本発明によれば、車両の窓ガラス板に適用可能で、給電回路の信頼性が高く、薄型化を図れるアンテナ装置を提供できる。また、デザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナを実現できる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の実施形態に係るアンテナ装置の全体構成を示す分解斜視図、図2は図1のアンテナ装置をA−A平面で切断した場合の断面図である。本実施形態のアンテナ装置は、自動車等の車両に取り付けられる窓ガラス板1において設けられる平面アンテナであり、窓ガラス板1、パッチ導体2、間隙3、接地導体4、誘電体基板5、マイクロストリップ線路6が積層された構造となっている。本実施形態では、アンテナ装置が窓ガラス板1の片側の面(車内側)に配置される場合を想定する。
このアンテナ装置は、特に、マイクロ波通信やミリ波通信に好適な平面アンテナであって、車両と車両外部との間で無線通信を行う通信機器に接続されるものである。無線通信システムとしては、ETC(Electric Toll Collection System 、5.8GHz)、SDARS(Satellite Digital Audio Radio System、2.3〜2.7GHz)などに適用可能である。
窓ガラス板1の一方の面(車両に取り付けた状態で内側の面)にはパッチ導体2が設けられ、この窓ガラス板1と対向して誘電体層となる誘電体基板5が設けられる。窓ガラス板1と誘電体基板5との間の間隙3は、空気層又は他の誘電体層が充填され、所定間隔で離間されている。誘電体基板5においてパッチ導体2と対向する一方の面には、電磁結合用のスロット7を有する接地導体4が設けられる。誘電体基板5における接地導体4と反対側の他方の面には、給電用のマイクロストリップ線路6が設けられる。
図3はパッチ導体2の詳細構成を示す平面図である。パッチ導体2は、送信用の電波を放射、又は到来した電波を受信する機能を持つ放射導体である。このパッチ導体2は、銀ペーストをガラス板に焼成することによって窓ガラス板1の一方の面にプリントされている。また、パッチ導体2は、円偏波の送信、受信を行うために、正方形形状の4つの角のうち対角位置にある一対の角部分が切り欠かれた切欠き部2aを有する形状となっている。ここで、パッチ導体2の一辺の長さをa、切り落とした角の辺の長さをbとする。円偏波には右旋と左旋の2種類あり、正方形のパッチ導体における2本の対角線のうち、どちらの対角線上にある角を切り落とすかによって、右旋円偏波又は左旋円偏波のいずれに対応するかが決定される。
なお、パッチ導体2は、図3の例では正方形の角を切り落とした形状を示したが、角を切り落とす代わりに角を突起状とすることで、円偏波の送受信動作をさせることも可能である。また、パッチ導体2は、四角形に限らず、円形状としてもよい。パッチ導体を円形とする場合は、円偏波に対応させるために円周上の対向する2点において切り欠いた形状となる。また、パッチ導体2は、図示した右旋円偏波用の形状に制限されるものではなく、右旋円偏波用の他に、右旋円偏波用に対して90°ずれた角又は円周上に切り欠き又は突起を設けて左旋円偏波用としたり、切り欠き又は突起を設けずに直線偏波用とすることもできる。
また、パッチ導体2の角を切り落とす長さbによって、アンテナの軸比が決定される。軸比は、右旋円偏波と左旋円偏波の分離度を示し、この軸比が低いほど右旋円偏波と左旋円偏波の混信が少なく好ましい。そして、パッチ導体2の一辺の長さaによって、アンテナの動作周波数が決定される。一般的なパッチアンテナの大きさは、一辺の長さがk・(λ0 /2)となる。ここで、kはアンテナの放射導体と接地導体間の誘電体(比誘電率εr)による波長短縮率であり、k=(εr)-1/2で表される。λ0 は通信に用いる電波の自由空間における波長である。ただし、本実施形態の構成では、パッチ導体がガラス板にプリントされていることによる波長短縮効果により、一辺の長さaが上記よりもさらに短くなる。
図4は接地導体4及びスロット7の詳細構成を示す平面図、図5はマイクロストリップ線路6の詳細構成を示す平面図、図6はスロット7の形状の構成例を示す図である。誘電体基板5の一方の面には、ほぼ全面に渡って面状の導電パターンによる接地導体4が形成されている。この接地導体4のほぼ中央には、一部の導体を除去して形成された結合用のスロット7が設けられている。すなわち、接地導体4とマイクロストリップ線路6の縁との間の誘電体基板5の上に導体が設けられていない細長い領域がスロット7である。スロット7は、通常、誘電体基板5の材質が剥き出しになって露出している。誘電体基板5の他方の面には、中心付近から周縁の一つの辺にかけて1本の線状の導電パターンによるマイクロストリップ線路6が形成されている。なお、誘電体基板の代わりに、誘電体層としてゴム等からなる誘電体シートを用いてもよい。
誘電体基板5は、接地導体4がパッチ導体2に対して向かい合うように配置される。接地導体4のスロット7は、電界を調整する機能を有するものである。スロット7を設けることによって、パッチ導体2と給電用のマイクロストリップ線路6との間が導通していなくても、スロット7を通じて両者を電磁的に結合させることが可能となる。ここで、スロット7の外形の一辺の大きさをc、切り欠かれた隙間の幅をd、接地導体4(誘電体基板5)の一辺の長さをeとする。なお、スロット7の形状は、図6(a)に示すようなH型だけでなく、図6(b)に示すような斜めに傾いた十字型(×型)などとしてもよい。スロットをH型にすることによって、より小型化を図れる。
マイクロストリップ線路6とパッチ導体2との電磁的結合により、パッチ導体2とマイクロストリップ線路6との間で電波が伝播され、信号の送受信が可能となる。すなわち、パッチ導体2で受信された電波は、接地導体4のスロット7を介してマイクロストリップ線路6に伝播され、このマイクロストリップ線路6に接続された通信機器(不図示)へ受信電力として入力される。また、通信機器(不図示)から出力されマイクロストリップ線路6に供給される送信電力は、接地導体4のスロット7を介してパッチ導体2に伝播され、パッチ導体2より送信電波として放射される。ここで、マイクロストリップ線路6の幅をW、マイクロストリップ線路6の長手方向における、接地導体4の中心から周縁までの長さをL、接地導体4の中心からマイクロストリップ線路6の先端までの長さをLsとする。
マイクロストリップ線路6の幅Wは、使用している誘電体基板5の比誘電率と使用周波数において特性インピーダンスが50Ωになるように決定される。マイクロストリップ線路6の長さについては、接地導体4の中心からマイクロストリップ線路6の先端までの長さLsが、本平面アンテナのインピーダンス決定において重要な役割を持つ。この長さLsが長ければアンテナインピーダンスの誘導性が大きくなり、短ければ容量性が大きくなる。マイクロストリップ線路6の基端部(基板周縁の一辺)には、コネクタ又はケーブル(不図示)が取り付けられ、通信機器(送信機又は受信機)に接続される。
上記のように、本実施形態のアンテナ装置は、車両の窓ガラス板にパッチ導体をプリントしたマイクロストリップアンテナのガラスアンテナにおいて、接地導体4に形成したスロット7による電磁結合方式を用いて、パッチ導体2とマイクロストリップ線路6とを結合した構造となっている。
図7は窓ガラス板1におけるパッチ導体2の配置構成を示す図である。窓ガラス板1は金属等の導電性の車体8に取り付けられている。ここで、窓ガラス板1の幅方向の長さをg、天地方向の長さをhとする。窓ガラス板1上のパッチ導体2の位置は、アンテナの受信方向特性を考慮すると、窓ガラス板1の周縁部に近い方が好ましい。すなわち、窓ガラス板1の周縁部9からパッチ導体2の中心までの距離をEとすると、Eは小さい方が好ましい。具体的には、E/λ0 ≦2.51が好ましく、E/λ0 ≦1.55がより好ましい。ただし、パッチ導体2が窓ガラス板1の周縁部に接する車体8に近づきすぎると、アンテナ利得が減衰する。したがって、パッチ導体2と車体開口縁10との最短距離をDとすると、Dはある程度の距離は必要である。具体的には、0.2≦D/λ0 が好ましい。本発明において、車体開口縁とは、窓ガラス板がはめ込まれる車体の開口部の周縁であって車体アースとなるべきものをいい、例えば、金属等の導電性材料で構成されている。
パッチ導体2を設ける窓ガラス板1として自動車フロントガラス用のガラス板を使用し、図1ないし図5に示すような平面アンテナを設計した。この平面アンテナは、周波数5.8GHz帯で動作する円偏波アンテナである。
窓ガラス板1には、2枚のガラス板の間に中間膜を挟んで重ね合わせた合わせガラス板を用いた。窓ガラス板1の寸法は、幅方向の長さg=200mm、天地方向の長さh=200mm、厚さ4.5mmである。ここで、厚さ4.5mm合わせガラス板とは、厚さ2mmのガラス板(比誘電率7)、厚さ0.7mmの中間膜(比誘電率2.7)、厚さ1.8mmのガラス板(比誘電率7)を重ね合わせたものである。この合わせガラス板を1枚板のバルクとして考えると、窓ガラス板1の比誘電率は6.2となる。表1は、平面アンテナの各部の寸法及び比誘電率を示したものであり、寸法の単位は[mm]である。
パッチ導体2は、銀ペーストを窓ガラス板1に印刷、焼成してなるものである。窓ガラス板1と誘電体基板5との間の間隙3には、ガラス板に誘電体基板を固着するための両面テープが貼り付けられている。本実施例では、3M社製のアクリルフォームテープを用いた。この両面テープにより形成された誘電体層の間隙の比誘電率は2.0である。なお、パッチ導体2は、銀ペーストを印刷、焼成したものの代わりに、銅箔や導電層を有するフレキシブル基板を窓ガラス板1に貼付ける等して形成したものでもよい。また、間隙3には、両面テープによる接着の代わりに、接着剤等の他の誘電体物質を設けてもよい。誘電体基板5は、一般的に電子回路基板に用いられるガラスエポキシ基板であり、比誘電率は4.7である。この誘電体基板5の一方の面にはアンテナの接地導体4が、他方の面には給電用のマイクロストリップ線路6が、それぞれ銅箔によって形成される。
図8に本実施例の平面アンテナの4GHzから7GHzにおける反射損失の周波数特性の電磁界シミュレータによる計算結果を示す。また、図9に本実施例の平面アンテナの反射損失の周波数特性実測値を、図10に本実施例の平面アンテナの放射方向特性(方向対放射電力)の実測値をそれぞれ示す。図10において、上側の実線は右旋円偏波での電力を、下側の破線は左旋円偏波での電力を表す。この測定結果より、アンテナ正面方向(角度0°)において、右旋円偏波と左旋円偏波とで、電力にして約15dB分離していることが確認できる。なお、図10の放射パターンでは、アンテナ正面方向から±約60°においてレベルが低下している。この理由については、電波が測定したサンプルのガラス板の端部で反射し、その反射波が放射パターンに影響を与えるものと考えられる。本実施例では、200mm角のガラス板の小サンプルで実験を行ったので、実際の自動車用フロントガラスを用いて評価を行った場合、この傾向は変化した。
また、図11ないし図14に、窓ガラス板1に設けたパッチ導体2と誘電体基板5との重ね合わせが組み立て時においてずれた場合、すなわち給電位置のずれ量に対するアンテナ特性の計算結果を示す。図11ないし図14において、パッチ導体2のずれ量(パッチシフト量)は、5.8GHzにおける波長λ0 =51.7mmで正規化している。
図11はパッチ導体2のスロット7に対する縦方向のずれをパラメータとしたアンテナ利得の変化を示した図である。図12はパッチ導体2のスロット7に対する縦方向のずれをパラメータとした軸比の変化を示した図である。ここで、縦方向とは、図3のパッチ導体2においてY軸方向、すなわちH型スロットの縦方向に対応する方向を表す。また、図11及び図12において、パッチシフト量がマイナスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のY軸の下側にずれたことを意味する。パッチシフト量がプラスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のY軸の上側にずれたことを意味する。
Y軸方向のパッチシフト量をSyとしたとき、図11の結果より、アンテナ利得の向上のためには、Sy/λ0 ≦0.020、すなわちSy≦1.034mmが好ましい。また、図12の結果より、軸比特性の向上のためには、軸比が小さい−0.023≦Sy/λ0 ≦0.027、すなわち−1.189≦Sy≦1.396mmが好ましい。
図13はパッチ導体2のスロット7に対する横方向のずれをパラメータとしたアンテナ利得の変化を示した図である。図14はパッチ導体2のスロット7に対する横方向のずれをパラメータとした軸比の変化を示した図である。ここで、横方向とは、図3のパッチ導体2においてX軸方向、すなわちH型スロットの横方向に対応する方向を表す。また、図13及び図14において、パッチシフト量がマイナスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のX軸の左側にずれたことを意味する。パッチシフト量がプラスの場合は、パッチ導体2を誘電体基板5と重ね合わせたときに図3のX軸の右側にずれたことを意味する。
X軸方向のパッチシフト量をSxとしたとき、図13の結果より、アンテナ利得の向上のためには、−0.023≦Sx/λ0 ≦0.028、すなわち−1.189≦Sx≦1.448mmが好ましい。また、図14の結果より、軸比特性の向上のためには、軸比が小さいSx/λ0 ≦−0.016又はSx/λ0 ≧0.024、すなわちSx≦−0.827又はSx≧1.241が好ましい。
また、図15及び図16に、窓ガラス板1上のパッチ導体2の位置に対するアンテナの受信方向特性の実測結果を示す。図15は窓ガラス板1に設けたパッチ導体2の位置の変化を示す図、図16は図15のパッチ導体2のそれぞれの位置におけるアンテナの受信方向特性(方向対受信電力)を示す図である。本実施例の平面アンテナでは、電波の放射パターン(受信パターン)において、アンテナ正面方向から±40〜60°付近にリップルが発生する。本発明者らの実験により、このリップルの位置が窓ガラス板の面積によって変わり、窓ガラス板の面積が大きいほどリップルがアンテナ正面方向から遠ざかることが確認できた。また、窓ガラス板上でのパッチ導体の位置によってリップルの大きさが変わり、パッチ導体の設置位置が窓ガラス板の周縁部に近いほど放射パターンの凸凹が小さくなることがわかった。
ここでは、窓ガラス板1の寸法を、幅方向の長さg=460mm、天地方向の長さh=460mmとし、窓ガラス板1の中心の座標を(0,0)とした。そして、図15のように、パッチ導体2の位置を、窓ガラス板1の中心から天地方向の上側に向かって、P1(0,0)、P2(0,100)、P3(0,200)と移動させた。図16の結果より、窓ガラス板1の上側周縁部に近づくほど放射パターンのリップルが小さくなり、アンテナの受信方向特性は周縁部に一番近いP3の場合がより好ましいことが確認できた。図7に示したように、窓ガラス板1の周縁部9からパッチ導体2の中心までの距離をEとすると、Eは小さい方が好ましい。具体的には、E/λ0 ≦2.51、すなわち5.8GHz(λ0 =51.7mm)の場合にはE≦129.767mmが好ましく、E/λ0 ≦1.55、すなわち5.8GHzの場合にはE≦80.135mmがより好ましい。ただし、パッチ導体2が窓ガラス板1の周縁部に接する車体8に近づきすぎると、アンテナ利得が減衰するため、パッチ導体2と車体開口縁10との最短距離をDとすると、0.2≦D/λ0 、すなわち5.8GHzの場合にはD≧10.34mmが好ましい。
上述したように、本実施例によれば、窓ガラス板にパッチ導体を設け、このパッチ導体に対して電磁結合方式を用いて給電することにより、ピン給電方式のパッチアンテナと比較して、ピン接触の信頼性確保の課題が無く、製作も容易であり、作業性も良く、かつ、薄型化が可能となる。また、接地導体に設けるスロットをH型にすることにより、スロットの長さを小さくすることができる。このため、パッチ導体の大きさが小さくてもスロットがパッチ導体からはみ出て電波の結合量が小さくなる恐れが減少し、アンテナ性能を確保しつつ小型化を図れる。したがって、本実施例によれば、車両の窓ガラス板に適用可能で、給電回路の信頼性が高く、さらに薄型化を図れるアンテナ装置を提供できる。また、デザイン性が良好で充分な性能が得られる平面アンテナを実現できる。
なお、本発明は上記した実施例には限定されず、本発明の要旨を損なわない限り、各種の改良や変更も本発明に含まれる。上記実施例では、自動車用フロントガラスの片側の面(車内側)に適用した場合を想定して記載したが、反対側の面(車外側)でも、中間膜を挟んだフロントガラスの内側の面でも同様に適用可能である。
1:窓ガラス板
2:パッチ導体
3:間隙
4:接地導体
5:誘電体基板
6:マイクロストリップ線路
7:スロット
8:車体
9:窓ガラス板の周縁部
10:車体開口縁
2:パッチ導体
3:間隙
4:接地導体
5:誘電体基板
6:マイクロストリップ線路
7:スロット
8:車体
9:窓ガラス板の周縁部
10:車体開口縁
Claims (3)
- 放射導体となるパッチ導体が設けられ、車両に設置される窓ガラス板と、
前記窓ガラス板の前記パッチ導体が設けられる面に対向して設けられた誘電体基板又は誘電体シートからなる誘電体層であって、前記窓ガラス板に対して空気又は他の誘電体により所定間隔で離間されて配置された誘電体層と、
前記誘電体層の前記窓ガラス板と対向する面に設けられ、前記パッチ導体の位置と対応する位置にスロットを有する接地導体と、
前記誘電体層の、前記接地導体が設けられた面と反対側の面に設けられた給電線路とを備えたアンテナ装置。 - 前記接地導体に設けられるスロットは、H型、又は前記パッチ導体の天地方向に対して斜めに傾いた十字型に形成されたものである請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記窓ガラス板の周縁部から前記パッチ導体の中心までの距離をE、通信に用いる電波の自由空間における波長をλ0 とするとき、
E/λ0 ≦2.51であり、
前記パッチ導体と前記窓ガラス板を設置する車体開口縁との最短距離をDとするとき、
0.2≦D/λ0 である請求項1又は2に記載のアンテナ装置。
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