JP4901942B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、自動車の無線始動装置等の無線通信に用いられるアンテナに関する。

従来より、自動車の無線始動装置等の無線通信を目的として、モノポールアンテナを利用したアンテナが一般的に用いられている。しかしながら、このモノポールアンテナは、アンテナ全体が一方向に長いため、このモノポールアンテナを途中で折り曲げて小型化した逆Ｌ型アンテナが開発されている。

この逆Ｌ型アンテナでは、基板のグランド面と平行になるアンテナエレメントの水平部との間で発生するリアクタンス成分が容量性で、逆Ｌ型アンテナの水平部の高さが低くなると、アンテナのインピーダンスが低下し、５０Ωの給電線に対して整合を取るのが困難で、整合するインピーダンスの差が大きくなると、給電部との間に挿入される整合回路の損失が増大し、結果的にアンテナの効率が低下する。

このため、アンテナエレメントと５０Ωの給電線との整合を容易にするため、特許文献１や非特許文献１にあるように、逆Ｆ型アンテナが知られている。逆Ｆ型アンテナは、グランド面からの垂直部に水平部を接続し、垂直なスタブを垂直部の近傍に設け、スタブの先端に給電するように構成している。これにより、リアクタンス成分による容量性を打ち消して５０Ωの給電線との整合を取ることが容易になり、整合回路で発生する損失を低減できる。

特開平０７−２８８４１５号公報

「小形アンテナとシステム応用」（Ｐ４０，Ｐ４１）ケイラボ出版

しかしながら、こうした従来の逆Ｌ型アンテナや逆Ｆ型アンテナでは、水平部の高さが低いと、水平部から電波が放射されないので、十分なアンテナ利得が得られないという問題があった。

本発明の課題は、小形であっても十分な利得が得られるアンテナを提供することにある。

かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
給電部に接続されたアンテナエレメントを備えたアンテナにおいて、
前記アンテナエレメントは、
前記給電部に接続されて立ち上げられた垂直部と、
一端が前記垂直部の先端に接続されグランドパターンに略平行に形成された水平部と、
前記垂直部よりも前記水平部の他端側に前記水平部から前記グランドパターンに接続されたショートスタブと、
前記ショートスタブよりも前記水平部の他端側に前記水平部から前記グランドパターンに向かって延出され先端を開放されたオープンスタブと、
を備え、
かつ、前記オープンスタブは前記水平部の前記他端側から前記ショートスタブ側に寄って形成し、また、前記垂直部と前記ショートスタブと前記オープンスタブとの長さを同じに形成したことを特徴とするアンテナがそれである。

本発明のアンテナは、ショートスタブとオープンスタブとを設けたことにより、整合回路により整合するインピーダンスの差を小さくできるので、整合回路での損失を低減でき、よって、小形であっても十分な利得が得られるという効果を奏する。

本発明の一実施形態としてのアンテナを用いた無線始動装置の斜視図である。 本実施形態のアンテナを用いた無線始動装置の正面図である。 本実施形態のアンテナを用いた無線始動装置の側面図である。 本実施形態のアンテナを用いた無線始動装置の背面図である。 本実施形態のアンテナの構成を示す説明図である。 本実施形態のアンテナの入力インピーダンスを示すイミッタンスチャートである。 他の実施形態としてのアンテナの構成を示す説明図である。

以下本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態におけるアンテナ１は、例えば自動車等に搭載される無線による無線始動装置２に使用されるもので、図１に示すように、無線始動装置２は回路基板４とアンテナ基板６とを備えている。

尚、無線始動装置２とは、キーレスオペレーションキーと呼ばれる無線通信機能を有するキーを運転者等が携帯しているだけで、無線作動範囲まで自動車に近づいた際に、キーと自動車本体側に設置された受信装置との間でＩＤコードの照合を無線通信で行うことで、自動車のドア及びテールゲート等の施錠・解錠操作（いわゆるキーレスエントリーシステム）、エンジンの始動操作などが可能になるシステムである。アンテナ１は無線始動装置２に用いる場合に限らず、他の無線装置に用いてもよい。

回路基板４には、無線通信回路ＲＦやＣＰＵ８等の回路が上面や下面に形成されている。回路基板４には給電点１０が設けられ、給電点１０には給電部１２（図５参照）が５０Ωの給電線（図示略）を介して接続されている。また、回路基板４には給電部１２とアンテナ１とに接続されてアンテナ１と給電線とのインピーダンスを整合する整合回路１４が下面に設けられている。

回路基板４とアンテナ基板６とは直角に配置されて接続されており、アンテナ基板６には、回路基板４側の表面と反対側の裏面とにそれぞれ金属箔によってパターンが形成されたアンテナエレメント１６ａ，１６ｂが形成されている。表面と裏面との両アンテナエレメント１６ａ，１６ｂは同じ形状で、重なり合うように配置されている。尚、回路基板４とアンテナ基板６とは直角に配置する場合に限らず、同一の平坦な基板であってもよい。また、アンテナエレメント１６ａ，１６ｂはアンテナ基板６の表面と裏面とに形成する場合に限らず、いずれか一方の面にのみ形成してもよい。

アンテナエレメント１６ａ，１６ｂは、給電点１０の近傍から垂直に立ち上げられた垂直部１８ａ，１８ｂを備えると共に、垂直部１８ａ，１８ｂの先端に一端が接続され回路基板４に形成された図示しないグランドパターンに略平行にかつグランドパターンから所定の高さに形成された水平部２０ａ，２０ｂを備えている。垂直部１８ａ，１８ｂと反対側の水平部２０ａ，２０ｂの他端は開放端とされている。尚、垂直部１８ａ，１８ｂはＬ型金具２１を介して給電点１０に接続されている。

また、アンテナエレメント１６ａ，１６ｂは水平部２０ａ，２０ｂから回路基板４に向かって垂直に延出形成されたショートスタブ２２ａ，２２ｂを備えている。ショートスタブ２２ａ，２２ｂはＬ型金具２３を介して回路基板４のグランドパターンに接続され短絡されている。ショートスタブ２２ａ，２２ｂは垂直部１８ａ，１８ｂの近傍で、垂直部１８ａ，１８ｂから水平部２０ａ，２０ｂの開放端側に距離ａ（図５参照）の位置に形成されている。

更に、アンテナエレメント１６ａ，１６ｂは水平部２０ａ，２０ｂから回路基板４に向かって垂直に延出形成されたオープンスタブ２４ａ，２４ｂを備えている。オープンスタブ２４ａ，２４ｂの回路基板４側の先端は開放されており、オープンスタブ２４ａ，２４ｂはショートスタブ２２ａ，２２ｂよりも水平部２０ａ，２０ｂの開放端側に形成されている。また、オープンスタブ２４ａ，２４ｂは水平部２０ａ，２０ｂの開放端からショートスタブ２２ａ，２２ｂ側に寄った位置に形成されている。本実施例では、オープンスタブ２４ａ，２４ｂは垂直部１８ａ，１８ｂから水平部２０ａ，２０ｂの開放端側に距離ｃ（図５参照）の位置に形成されている。

本実施形態では、アンテナ基板６の表面と裏面との両垂直部１８ａ，１８ｂ、両水平部２０ａ，２０ｂ、両ショートスタブ２２ａ，２２ｂ、両オープンスタブ２４ａ，２４ｂは多数のスルーホール２６により接続されている。

このようにして形成されたアンテナエレメント１６ａ，１６ｂが励振素子として共振する。このとき、目的の周波数をｆとし、この周波数ｆに対応する波長をλとすると、垂直部１８ａ，１８ｂ及び水平部２０ａ，２０ｂの長さの和である経路長を波長λの１０〜４０％とするとよい。

図６は本実施形態のアンテナ１の入力インピーダンスを示すイミッタンスチャートである。本実施形態では、まず、図５に示すように、垂直部１８ａ，１８ｂと水平部２０ａ，２０ｂとオープンスタブ２４ａ，２４ｂとの各パターンの幅を３ｍｍ、ショートスタブ２２ａ，２２ｂのパターンの幅を４ｍｍで形成した。また、水平部２０ａ，２０ｂの長さＬを１１９ｍｍで形成し、垂直部１８ａ，１８ｂとショートスタブ２２ａ，２２ｂとオープンスタブ２４ａ，２４ｂとの高さＨを２１ｍｍで形成した。

更に、垂直部１８ａ，１８ｂとオープンスタブ２４ａ，２４ｂとの距離ｃは１０９ｍｍで形成し、垂直部１８ａ，１８ｂとショートスタブ２２ａ，２２ｂとの距離ａを２０ｍｍで形成した。この距離ａを、更に、３０，４０，５０ｍｍに変えて、それぞれの入力インピーダンスを求めた。その結果を表１に示す。表１のＮｏ．とイミッタンスチャートの番号とが対応する。ここで、ｊは虚数単位を示す。

垂直部１８ａ，１８ｂとショートスタブ２２ａ，２２ｂとの距離ａが異なる各入力インピーダンスについての各点１〜４を図６のイミッタンスチャート上に表示した。垂直部１８ａ，１８ｂとショートスタブ２２ａ，２２ｂとの距離ａを変化させた場合、距離ａが短くなるほど、インピーダンスのステップアップ比（インピーダンスの増加比）が大きくなり、かつ、Ｑ値が小さくなりアンテナ１の帯域幅が広くなる。

ショートスタブ２２ａ，２２ｂを設けることにより、インピーダンスがステップアップして、整合回路１４により整合するインピーダンスの差を小さくできるので、整合回路１４での損失を低減でき、利得の向上を図ることができる。更に、オープンスタブ２４ａ，２４ｂを設けた場合、オープンスタブがないものと比較してアンテナ利得が１〜２ｄＢ向上する。

次に、垂直部１８ａ，１８ｂとショートスタブ２２ａ，２２ｂとの距離ａを２０ｍｍに固定して、オープンスタブ２４ａ，２４ｂをショートスタブ２２ａ，２２ｂに近づける方向に位置を変更して、入力インピーダンスを求めた。元の位置（図５に実線で示す位置）のオープンスタブ２４ａ，２４ｂからの変更距離ｂを、図５に破線で示すように、２０，３０，４０ｍｍに変更した際のそれぞれの入力インピーダンスを表２に示す。

オープンスタブ２４ａ，２４ｂの位置を変更した各入力インピーダンスについての各点１２〜１４を図６のイミッタンスチャート上に表示した。距離ｂを長くしてオープンスタブ２４ａ，２４ｂをショートスタブ２２ａ，２２ｂに近づけると、インピーダンスの抵抗分は低くなり、虚数分（リアクタンス分）は高くなった。距離ｂを長くすると、虚数分（リアクタンス分）の増加が大きく、整合するインピーダンスの差が大きくなり、整合が困難となる。また、整合回路１４により整合するインピーダンスの差が大きくなるので、整合回路１４での損失が増加し、アンテナ１の利得が低下する。また、Ｑ値も大きくなり、帯域幅も狭くなる。

更に、図７に示すように、オープンスタブ２６，２８を複数、例えば２個にすることにより、ショートスタブ２２ａ，２２ｂやオープンスタブ２６，２８の位置とショートスタブ２２ａ，２２ｂやオープンスタブ２６，２８の間隔とを調整することにより、抵抗分を更に大きく、また、虚数分（リアクタンス分）を零にすることもできる。図７に示すように、２個のオープンスタブ２６，２８の距離ｄを４０ｍｍ，３５ｍｍに変更した際のそれぞれの入力インピーダンスを表３に示す。

２個のオープンスタブ２６，２８の距離ｄを調整することにより、抵抗分が高くなり、虚数分（リアクタンス分）を零にすることもできる。これにより、アンテナの利得を更に向上させることができる。オープンスタブ２６，２８が２個の場合、オープンスタブがないものと比較して３ｄＢ以上の利得向上が可能である。

垂直部１８ａ，１８ｂから水平部２０ａ，２０ｂの開放端側にショートスタブ２２ａ，２２ｂとオープンスタブ２４ａ，２４ｂ，２６，２８とを設けたので、無線通信回路ＲＦとＣＰＵ８等とを同一の回路基板４上に設けても、無線通信回路ＲＦを回路基板４の端側に設けてＣＰＵ８等との距離を確保する配置とすることが容易である。これにより、無線通信回路ＲＦが発生するノイズの影響をＣＰＵ８等が受け難くすることが容易である。

また、逆Ｌ型や逆Ｆ型のアンテナでは、水平部の高さが低いと、水平部から電波はほとんど放射されず、垂直部のみから電波が放射されるので、垂直偏波が支配的となる。本実施形態のように、１個又は複数のオープンスタブ２４ａ，２４ｂ，２６，２８を設けることにより、アンテナ１の利得の向上を図ることができる。

本実施形態の水平部２０ａ，２０ｂの高さを適宜選択することにより、水平部２０ａ，２０ｂから水平偏波が放射されるようになり、垂直部１８ａ，１８ｂ、ショートスタブ２２ａ，２２ｂ、オープンスタブ２４ａ，２４ｂ，２６，２８の複数から垂直偏波が放射されるので、垂直偏波の電波の量を調整することにより、又は水平部２０ａ，２０ｂの高さを調整することにより、水平偏波と垂直偏波との強度をそれぞれ等しくすることもできる。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

１…アンテナ ２…無線始動装置
４…回路基板 ６…アンテナ基板
１２…給電部 １４…整合回路
１６ａ，１６ｂ…アンテナエレメント
１８ａ，１８ｂ…垂直部 ２０ａ，２０ｂ…水平部
２２ａ，２２ｂ…ショートスタブ
２４ａ，２４ｂ，２６，２８…オープンスタブ

Claims (3)

1. 給電部に接続されたアンテナエレメントを備えたアンテナにおいて、
   前記アンテナエレメントは、
   前記給電部に接続されて立ち上げられた垂直部と、
   一端が前記垂直部の先端に接続されグランドパターンに略平行に形成された水平部と、
   前記垂直部よりも前記水平部の他端側に前記水平部から前記グランドパターンに接続されたショートスタブと、
   前記ショートスタブよりも前記水平部の他端側に前記水平部から前記グランドパターンに向かって延出され先端を開放されたオープンスタブと、
   を備え、
   かつ、前記オープンスタブは前記水平部の前記他端側から前記ショートスタブ側に寄って形成し、また、前記垂直部と前記ショートスタブと前記オープンスタブとの長さを同じに形成したことを特徴とするアンテナ。
2. 前記アンテナエレメントは、アンテナ基板に金属箔により形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記オープンスタブは複数設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のアンテナ。

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