JP4776414B2 - 平面アンテナの実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、放射素子とグランドとを有する平面アンテナの実装構造に関するもので、特に５．８ＧＨｚ帯の路車間通信ならびに車車間通信用アンテナとして使用する場合に好適な平面アンテナの実装構造である。

車両に搭載されるアンテナとしては、小型化が容易な平面アンテナが好適である。車載用の平面アンテナとして、例えば特許文献２では、接地導体の長さを使用周波数の自由空間波長の２分の１以下とし、電波の放射を全方位的に可能な構成としたパッチアンテナが開示されている。このパッチアンテナは、接地導体の長さが２分の１波長以下であり、誘電体および放射導体の長さを接地導体よりも短くすることで、広帯域で低背なパッチアンテナとしている。

また、特許文献３では、車両用無線装置をナンバープレートに実装する技術が開示されており、車両用無線装置でナンバープレートの見栄えが損なわれるのを回避するために、アンテナ及び無線部をナンバープレートの表示部の裏側に配置している。ここでは、アンテナとしてアレイアンテナが用いられている。
特開２００４−２６０５８２号 特開２００４−２９９５５３号

近年、自動車の安全性や快適性等のニーズに対応して、車両には多数の電装品が搭載されるようになってきており、車両に設置されるアンテナの数も複数の周波数帯に対応して複数必要になってきている。このような状況から、アンテナの設置場所を確保するのが困難になってきており、車両の天井裏や、特許文献２のようにナンバープレート等にも設置されるようになってきている。

また、例えば車載用のＥＴＣ等に代表される路車間通信あるいは車車間通信においては、車両から路上に設置された通信装置あるいは別車両に向けて、特定方向のアンテナ利得を十分に確保する必要がある。

ところで、平面アンテナは、一般にグランドサイズによって放射指向性が変化する。グランド上に載置された誘電体と、この誘電体上に形成された放射素子とからなる平面アンテナの天頂利得は、グランドのサイズに対して図８のように変化する。

ここで、平面アンテナが実際に車両に搭載されて使用される状況としては、アンテナの近傍に導体が存在する場合がある。このような状況として、例えば、図９のように、グランドの背面に平板状導体１０２が存在する場合を想定する。図９では、平面アンテナ１０１から平板状導体１０２までの距離１０３を３ｍｍとし、平面アンテナ１０１のグランドの寸法１０４は、使用波長をλとしたとき、λ／２に近い値の３０ｍｍとしている。

図１０は、このような状況下で、平板状導体１０２のサイズ１０５を種々変化させた場合の天頂利得の変化を示したものである。図１０より、平板状導体１０２の寸法１０５がλ以下では、平面アンテナ１０１の天頂方向の利得が高いまま維持されており、平板状導体１０２の影響がほとんどないことがわかる。これに対し、平板状導体１０２の寸法１０５がλを超えて大きくなっていくと、平面アンテナ１０１の天頂方向の利得が大きく低下していくことが示されている。

この傾向を、図８とあわせ考えると、図９では、グランドの下部に存在する導体１０２が、平面アンテナのグランドと同様の作用し、天頂利得の変化をもたらしているものと推察される。

このように、平面アンテナ１０１の近傍に寸法がλを超える導体が配置されていると、平面アンテナ１０１の天頂方向の利得に悪影響を与える場合がある。

すなわち、実際に平面アンテナが車両に搭載される場合、設置スペースの制約等により、導体の近傍に平面アンテナを設置せざるを得ない場合がある。このとき、この導体が平面アンテナのグランドと同様の作用をしてしまうことによって該平面アンテナの利得特性が劣化して、例えば天頂方向の利得が低下してしまうといった問題がある。

また、アンテナ基板の裏面には回路部品を実装することがある。この場合、前記回路部品構成上の要求により、グランドがアンテナの所望のグランドより大きくなると、前記回路部品のグランドがアンテナのグランドと同様の作用をしてしまうために、所定の周波数におけるアンテナ利得が低下してしまうこともある。

特許文献１に記載のアンテナにおいては、近傍に所定以上の大きさの導体が配置されていると、各アンテナの天頂利得が低下してしまう。また、特許文献２に記載のアンテナでは、車両のナンバープレートに設置できるようにしているが、アレイアンテナを用いているため、小型化が容易でなく設置の負担も大きいといった問題がある。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、周辺の導体の影響を回避して高い天頂利得が安定して得られる平面アンテナの実装構造を提供することを目的とする。

この発明の平面アンテナの実装構造の第１の態様は、誘電体の一方の面に放射素子を配置し他方の面にグランドを配置してマイクロストリップアンテナを形成する平面アンテナと、前記放射素子の寸法よりも大きな寸法を有する開口部を有する導体板と、を備え、前記放射素子と前記開口部とが対向するように前記平面アンテナと前記導体板とが離間して配置された平面アンテナの実装構造であって、使用周波数に対応する波長をλとするとき、前記グランドの寸法がλ／２以上λ以下であり、前記導体板の寸法がλより大きくかつ前記開口部の寸法がλ／２以上３／４λ以下であり、前記導体板と前記平面アンテナとの距離がλ／４以下となるように配置されていることを特徴とする平面アンテナの実装構造である。

この発明の平面アンテナの実装構造の第２の態様は、前記平面アンテナが非金属製の固定部材によって保持され、前記固定部材の係止部が前記開口部の内端に係合することによって前記導体板及び前記開口部と所定の位置関係をもって配置固定されていることを特徴とする平面アンテナの実装構造である。

この発明の平面アンテナの実装構造の第３の態様は、前記固定部材が、前記放射素子の上方に保護部を有し、前記導体板の開口部を閉塞していることを特徴とする平面アンテナの実装構造である。

この発明の平面アンテナの実装構造の第４の態様は、前記アンテナが、前記導体板に内包されるように配置されていることを特徴とする平面アンテナの実装構造である。

この発明の平面アンテナの実装構造の第５の態様は、前記グランドの他方の面に、別のグランド及び部品を実装した基板を載置していることを特徴とする平面アンテナの実装構造である。

この発明の平面アンテナの実装構造の第６の態様は、前記開口部の中心が前記放射素子の中心と一致するように前記平面アンテナを配置したことを特徴とする平面アンテナの実装構造である。

この発明の平面アンテナの実装構造の第７の態様は、前記開口部の中心が前記放射素子の中心から所定の距離だけオフセットされるように前記平面アンテナを配置した
ことを特徴とする平面アンテナの実装構造である。

本発明によれば、放射素子の前方に放射素子の寸法よりも大きな寸法の開口部を有する導体板を備えることにより、周辺に配置される導体の影響を回避して高い天頂アンテナ利得が安定して得られる平面アンテナの実装構造を提供することができる。アンテナ自体のグランドの寸法や誘電体材料等を変更する必要がないことから、小型で低コストの平面アンテナの実装構造を提供することができる。

また、平面アンテナ自体のグランドよりも大きなグランドを有する回路基板が前記アンテナの裏面に載置されても、前記回路基板のグランドの影響を回避して高い天頂アンテナ利得が安定して得られる平面アンテナの実装構造を提供することができる。

さらに、平面アンテナ本体の放射素子の中心と導体板に設けられた開口部の中心の相対的な位置関係を調整することにより、アンテナの指向性を所望の方向に調整することが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における平面アンテナの実装構造について詳細に説明する。以下では、路車間通信ならびに車車間通信用の５．８ＧＨｚ帯平面アンテナを実装する場合を例に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の平面アンテナの実装構造では、導体が近傍にあってもその影響を受けることのないよう、アンテナ本体の前方に開口部を有する導体板を具備させている。本発明の第一の実施の形態に係る平面アンテナの実装構造の構成例を図１に示す。図１（ａ）は平面アンテナの実装構造１の断面図を示しており、図１（ｂ）は平面アンテナの実装構造１を放射面上方から、固定部材８を省略して描いた平面図を示している。本実施形態の平面アンテナの実装構造１は、平面アンテナ２の上方に開口部７を有する導体板３を配設して構成されている。平面アンテナ２は、樹脂等の非金属製の固定部材８によって保持された状態で、固定部材８の係止部（係止爪）８ａが開口部７の内端に係合することによって、導体板３及び導体板３の開口部７と所定の位置関係をもって配置固定されている。固定部材８は、放射素子４の上方に保護部８ｂを有し、導体板３の開口部７を閉塞するとともに、平面アンテナ２が直接外部に曝されるのを防いでいる。

本実施形態において、平面アンテナ２は、上面に放射素子４を形成した誘電体５がグランド６の上面に載置されたマイクロストリップアンテナ構造としている。図１では、放射素子４の形状を矩形としているが、放射素子４の形状は矩形に限らず、例えば円形としてもよい。また、図１では、グランド６の上面に誘電体５を配置し、該誘電体５上に放射素子４を配置する構成としているが、誘電体５はなくてもよい。

図１に示すように、平面アンテナ２をマイクロストリップアンテナとした場合には、放射素子４の寸法１１を小さくすることが可能である。すなわち、平面アンテナ２の使用周波数をλとし、誘電体５の比誘電率をε_ｒとしたとき、放射素子４の寸法１１を

とすることで、天頂方向に高い利得を得ることができる。誘電体５の比誘電率ε_ｒが１より大きいことから、上式より放射素子４の寸法１１を小さくすることができる。

一方、平面アンテナ２のグランド６の寸法１２は放射素子４の寸法１１より大きい。また、グランド６の寸法１２は、図８によれば、λ／２以上λ以下としておくのが好ましい。そこで、本実施形態の平面アンテナの実装構造１に用いる平面アンテナ２でも、グランド６の寸法１２をλ／２以上λ以下としている。

本実施形態において、導体板３は、平面アンテナ２と離間するように配設されている。導体板３には、略中央の位置に正方形の開口部７が形成されており、開口部７の位置は放射素子４の真上に相当している。本実施形態では開口部７の形状を正方形としたが、開口部７の形状は正方形に限定されるものではなく、例えば矩形や円形としてもよい。

放射素子４と導体板３との距離１４はλ／４以下としている。また、導体板３に形成された開口部７の寸法１５は、放射素子４の寸法１１よりも大きくするのが好ましく、λ／２以上λ以下とするのがよい。

平面アンテナ２の上方に導体板３を具備させたことにより、天頂方向の利得がどのように改善されるかを、図面を用いて説明する。図２は、横軸を導体板３の寸法１３、縦軸を天頂方向の利得とし、導体板３の寸法１３を変化させたときの天頂方向の利得の変化の１例を示す図である。

図２では、開口部７の寸法１５を３０ｍｍとしたときと４０ｍｍとしたときの導体板３の寸法１３に対する利得の変化を、それぞれグラフ２１、２２で示している。開口部７の寸法１５がいずれの場合でも、導体板３の寸法１３がλより大きいときに利得がピークになっている。よって、上記のとおり、導体板３の寸法１３をλ以上とするのがよい。

図２では、参考のため、前方に導体板３がない場合である図８に示したグランド６の寸法１２に対する天頂方向の利得の変化をグラフ２３として、また図９に示した近傍に配置された平板状導体１０２の寸法１０５に対する天頂方向の利得の変化（図１０）をグラフ２４として、それぞれ示している。グラフ２３，２４と比較して、平面アンテナ２の前方に放射素子４の寸法よりも大きな開口部を有する導体板３を具備したことにより天頂方向の利得が高くなる。特に、近傍に配置される導体の寸法（図２の横軸）がλを超える場合に差は顕著である。また、導体板３の寸法が種々変更された場合にも、平面アンテナ２の天頂利得の変動幅は小さいことがわかる。したがって、平面アンテナ２の設置場所等の制約によって、周辺に種々の予測できない寸法の導体が存在しうる場合であっても、必要な利得特性を安定して得ることができる。

次に、開口部７の寸法１５を変更したときの天頂方向の利得の変化の１例を図３に示す。同図より、開口部７の寸法１５を放射導体４の寸法１１より大きくするほど天頂方向の利得が高くなることがわかる。但し、開口部７の寸法１５をλより大きくすると、天頂方向の利得が低下してしまう傾向が見られる。このことから、本実施形態の平面アンテナの実装構造１では、開口部７の寸法１５を放射素子４の寸法１１よりも大きくし、かつ開口部７の寸法１５をλ／２以上λ以下とするのがよいことがわかる。

また、図４では、導体板３の寸法が７０ｍｍの場合において、放射素子４と導体板３との距離１４を変更したときの天頂方向の利得の変化の１例を示している。同図に示すとおり、距離１４が約λ／４のとき、同じサイズ（７０ｍｍ）の導体板がグランドの下部に存在したとした場合（図８参照）と天頂利得が同程度である。距離１４をλ／４よりも小さくしていくと、天頂利得は増大し、λ／１０以下でほぼ一定となる。したがって、本実施形態の平面アンテナの実装構造１では、距離１４をλ／４以下、さらに好ましくはλ／１０以下とするのがよい。

次に、本発明の平面アンテナの実装構造の第二の実施形態を、図５を用いて以下に説明する。図５に示す平面アンテナの実装構造３１は、平面アンテナ２と離間し、かつこれを内包するように形成された導体板３２を具備している。導体板３２の放射素子４と対抗する面３２ａには、第一の実施形態の平面アンテナの実装構造１と同様に、開口部３３が設けられている。

本実施形態においても、導体板３２の放射素子４と対抗する面３２ａの寸法をλ以上とし、放射素子４との距離をλ／４以下、さらに好ましくはλ／１０以下とするのがよい。また、面３２ａに形成された開口部３３の寸法１５を、放射素子４の寸法よりも大きくするのが好ましく、λ／２以上λ以下とするのがよい。

本実施形態の平面アンテナの実装構造３１を上記のように構成することにより、平面アンテナ３１が導体の近傍に設置された場合であっても、天頂方向の利得を低下させることなく、良好なアンテナ特性を確保することが可能となる。

本発明の平面アンテナの実装構造の第三の実施形態を、図６を用いて以下に説明する。図６に示す平面アンテナの実装構造４１は、平面アンテナ２の裏面に回路基板４２が載置されている。回路基板４２は、回路部品４３に加えてグランド６とは別のグランド４４を備えている。

従来の平面アンテナの実装構造においては、グランド４４がグランド６より大きい場合には、グランド４４が放射素子４に対するグランドと同様の作用をしてしまい、その結果天頂方向の利得が低下してしまう恐れがあった。これに対し本実施形態の平面アンテナの実装構造４１では、放射素子４の前方に導体板３を備えることにより、グランド４４の影響を受けないようにすることが可能となっている。

本実施形態においても、導体板３と開口部７の寸法、及び導体板３と放射素子４との距離については、いずれも第一の実施形態と同様にするのが好ましく、これによってグランド４４の影響を回避することができる。

上記いずれの実施形態においても、開口部７または３３の中心位置を放射素子４の中心位置と一致するように、開口部７または３３と放射素子４とを対向させていた。このように、開口部７または３３の中心位置を放射素子４の中心と一致させることにより、天頂方向の利得を最も高めることが可能である。

本発明の平面アンテナの実装構造では、開口部の中心位置を放射素子の中心位置から所定の距離だけオフセットすることも可能である。すなわち、上記いずれの実施形態においても、開口部７または３３の中心位置を放射素子４の中心位置から所定の距離だけオフセットさせることができる。

開口部７の中心位置を放射素子４の中心位置から所定距離だけオフセットした実施例を図７に示す。ここでは、同図左側に模式的に示すように、開口部７の中心位置と放射素子４の中心位置とを距離５３だけオフセットしている。これにより、同図右側に示すように、アンテナ利得のピーク方向が天頂方向より所定の角度だけ変化する。

すなわち、開口部７の中心位置と放射素子４の中心位置とが一致している場合には、グラフ５１に見られるようにアンテナ利得のピークは天頂方向となっている。これに対し、開口部７の中心位置と放射素子４の中心位置とを距離５３だけオフセットすると、グラフ５２のようにアンテナ利得のピークが天頂方向から変化する（同図では距離５３を１５ｍｍにとることで約２０度変化）。

なお、直線偏波の場合にはＥ面指向性とＨ面指向性があり、図７にはＥ面指向性を示している。上記の開口部７の中心位置と放射素子４の中心位置とのオフセットは、特にＥ面指向性において効果的である。

上記のとおり開口部７または３３の中心位置を放射素子４の中心位置から所定の距離だけオフセットさせることにより、開口部７または３３の中心位置と放射素子４の中心位置とを結ぶ方向の利得を高めることが可能となる。すなわち、本発明の平面アンテナの実装構造では、上記の方法により指向性を調整することが可能となる。

上記実施形態では、アンテナ特性として主に利得について説明したが、中心周波数や軸比等の他のアンテナ特性に対しても、導体板の寸法や開口部の寸法等を調整することにより、近傍に配置された導体から悪影響を受けることのないようにすることが可能である。
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る平面アンテナの実装構造の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における平面アンテナの実装構造の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

図１は、本発明の第一の実施の形態に係る平面アンテナの実装構造を示す構成図である。図１（ａ）は断面図であり、図１（ｂ）は固定部材を省略して描いた平面図である。 図２は、本発明に係る平面アンテナの実装構造において導体板の寸法を変化させたときの天頂方向の利得の変化の１例を示す図である。 図３は、本発明に係る平面アンテナの実装構造において導体板の開口部の寸法を変更したときの天頂方向の利得の変化の１例を示す図である。 図４は、本発明に係る平面アンテナの実装構造において放射素子と導体板との距離を変更したときの天頂方向の利得の変化の１例を示す図である。 図５は、本発明の第二の実施の形態に係る平面アンテナの実装構造を示す構成図である。 図６は、本発明の第三の実施の形態に係る平面アンテナの実装構造を示す構成図である。 図７は、開口部の中心位置と放射素子の中心位置とをオフセットしたときのアンテナ利得の例を示す図である。 図８は、平面アンテナにおいてグランドの寸法を変えたときの天頂方向の利得の変化の１例を示す図である。 図９は、平面アンテナ１０１と平板状導体１０２との位置関係を示す図である。 図１０は、平板状導体の寸法を変化させたときの平面アンテナの天頂方向の利得の変化を示す図である。

符号の説明

１、３１、４１・・・平面アンテナの実装構造
２、１０１・・・平面アンテナ
３、３２・・・導体板
４・・・放射素子
５・・・誘電体
６・・・グランド
７、３３・・・開口部
８・・・固定部材
８ａ・・・係止部
８ｂ・・・保護部
２１、２２、２３、２４・・・利得の変化
４２・・・回路基板
４３・・・回路部品
４４・・・別のグランド
５１，５２・・・アンテナ利得
１０２・・・平板状導体

Claims (7)

1. 誘電体の一方の面に放射素子を配置し他方の面にグランドを配置してマイクロストリップアンテナを形成する平面アンテナと、前記放射素子の寸法よりも大きな寸法の開口部を有する導体板と、を備え、前記放射素子と前記開口部とが対向するように前記平面アンテナと前記導体板とが離間して配置された平面アンテナの実装構造であって、
   使用周波数に対応する波長をλとするとき、前記グランドの寸法がλ／２以上λ以下であり、
   前記導体板の寸法がλより大きくかつ前記開口部の寸法がλ／２以上３／４λ以下であり、
   前記導体板と前記平面アンテナとの距離がλ／４以下となるように配置されている
   ことを特徴とする平面アンテナの実装構造。
2. 前記平面アンテナは非金属製の固定部材によって保持され、前記固定部材の係止部が前記開口部の内端に係合することによって前記導体板及び前記開口部と所定の位置関係をもって配置固定されていることを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナの実装構造。
3. 前記固定部材は、前記放射素子の上方に保護部を有し、前記導体板の開口部を閉塞していることを特徴とする請求項２に記載の平面アンテナの実装構造。
4. 前記アンテナが、前記導体板に内包されるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の平面アンテナの実装構造。
5. 前記グランドの他方の面に、別のグランド及び部品を実装した基板を載置している
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の平面アンテナの実装構造。
6. 前記開口部の中心が前記放射素子の中心と一致するように前記平面アンテナを配置した
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の平面アンテナの実装構造。
7. 前記開口部の中心が前記放射素子の中心から所定の距離だけオフセットされるように前記平面アンテナを配置した
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の平面アンテナの実装構造。

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