JP5001218B2 - 軸モードヘリカルアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、先端側から終端側に向かって螺旋状に成形されている螺旋部を有する線状導体部材からなるエレメントを有し、螺旋部の先端側が基板のアンテナ地板部分に接続されて給電点が形成された状態で前記基板上に実装されてなる軸モードヘリカルアンテナに関する。

線状導体部材からなるエレメントを螺旋状に低姿勢で成形することにより、交差偏波比を故意に低下させ、軸モード直線偏波を発生させる構成が供されている（例えば特許文献１参照）。また、螺旋状に成形されたエレメントを円筒状の装着部に外装することにより、ヘリカルアンテナを保持する構成が供されている（例えば特許文献２参照）。さらに、スパイラルアンテナにおける同一平面上に形成されたエレメントの終端側に電波反射抑制部材を設けることにより、交差偏波比を向上させる構成が供されている（例えば特許文献３参照）。
特開２００４−３３６３３１号公報 特開平９−３６６４３号公報 特開平１１−１６３６２２号公報

ヘリカルアンテナは進行波型のアンテナであり、螺旋状に成形されているエレメントの先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れることで電波を放射させ、円偏波を発生させる構成となっている。ところで、エレメントが螺旋状に低姿勢で成形されている構成では、エレメントの先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れる一方で、エレメントの終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れることにより、交差偏波比が低下するという問題がある。交差偏波比が低下するという問題に対しては、上記した特許文献３にエレメントの終端側に電波反射抑制部材を設けて交差偏波比を向上させる技術が開示されているが、特許文献３はエレメントが同一平面上に形成されたスパイラルアンテナを対象としたものであり、ヘリカルアンテナを対象として低姿勢を実現しながらも交差偏波比を向上させる構成が要望されている。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低姿勢を実現しながらも交差偏波比を向上させることができ、しかも、自立可能で且つ強度及び耐震性をも向上させることができる軸モードヘリカルアンテナを提供することにある。

請求項１に記載した発明によれば、先端側から終端側に向かって螺旋状に成形されている螺旋部を有する線状導体部材からなるエレメントに、先端側が螺旋部の終端側に連続し且つ終端側が基板から所定距離だけ離れて螺旋部の螺旋中心軸上に位置するように渦巻状に成形されている渦巻部と、先端側が渦巻部の終端側に連続し且つ先端側から終端側に向かって基板に対して垂直に成形されている垂直部とを設けると共に、垂直部の終端側とアンテナ地板部分とを整合させる整合素子を設けたので、エレメントの先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れることで電波を放射させ、円偏波を発生させることができながらも、垂直部の終端側とアンテナ地板部分とを整合させる整合素子を設けたことにより、エレメントの終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れることを抑制することができ、低姿勢を実現しながらも交差偏波比を向上させることができる。

また、螺旋部の先端側をアンテナ地板部分に接続して給電点を形成すると共に、垂直部の終端側を基板に対して支持するように構成したので、エレメントを２点で支持することができ、自立可能で且つ強度及び耐震性をも向上させることができる。また、螺旋部の終端側と垂直部の先端側とを接続する渦巻部を渦巻状に成形したので、渦巻部の形状を螺旋部の形状に似させることにより、渦巻部からの電波の放射が螺旋部からの電波の放射に与える影響を抑制することができ、円偏波を適切に発生させることができる。

請求項３に記載した発明によれば、基板の表面に絶縁部を挟んで互いに絶縁された２つの導体部分を薄膜状に形成し、螺旋部の先端側をアンテナ地板として作用する一方の導体部分に接続し、垂直部の終端側を他方の導体部分に接続し、コンデンサ素子として２つの導体部分にあって絶縁部を挟んで対向する部分の間で容量結合を発生させるように構成したので、螺旋部の終端側とアンテナ地板部分とを整合させるために基板の表面に絶縁部を挟んで互いに絶縁された２つの導体部分を薄膜状に形成すれば良く、新たな部材を必要とすることなく垂直部の終端側とアンテナ地板部分とを整合させることができる。

請求項４に記載した発明によれば、基板の表面に導体部分を薄膜状に形成し、螺旋部の先端側をアンテナ地板として作用する導体部分に接続し、垂直部の終端側と導体部分との間に間隙を形成して当該間隙に誘電体部材を設け、コンデンサ素子として垂直部の終端側と導体部分にあって当該垂直部の終端側に対向する部分との間で容量結合を発生させるように構成したので、垂直部の終端側の面積や垂直部の終端側と導体部分との間の距離や誘電体部材の誘電率を選択することにより、垂直部の終端側とアンテナ地板部分とを高い精度で整合させることができる。

請求項５に記載した発明によれば、動作周波数が異なる他のアンテナと共に統合アンテナ地板上に実装し、車載統合アンテナの一アンテナとして機能させるように構成したので、車載統合アンテナの一アンテナとして適用することができ、車両に搭載されるという点で設置スペースの制約がある事情を考慮すると、低姿勢を実現することで多大な効果を得ることができる。

請求項６に記載した発明によれば、螺旋部の螺旋中心軸が統合アンテナ地板の面方向に対して垂直方向から所定角度だけ傾斜した方向となるように実装し、ＥＴＣ（ノンストップ自動料金収受システム）通信用のアンテナとして用いるように構成したので、ノンストップ自動料金収受システム用のアンテナとしてパッチアンテナを用いる場合と比較すると、パッチアンテナでは指向性が広角であるが故に車内のマルチパス環境下では特にワイパの影響を受けて通信動作中に受信電力が急激に落ち込む点（ヌル点）が発生するが、一方、ヘリカルアンテナでは指向性が鋭角であるが故に通信動作中に受信電力が急激に落ち込む点が発生することがなく、路上機との間で正常な通信動作を確保することできる。

（第１の実施形態）
以下、本発明をＥＴＣ（ノンストップ自動料金収受システム）用のアンテナとして適用した第１の実施形態について、図１ないし図５を参照して説明する。ヘリカルアンテナ１は、図１に示すように、例えば銅線や鋼線を材料とする線状導体部材からなるエレメント２が基板３上に搭載されて構成されている。基板３の表面には略全体にわたって例えば銅箔からなる導体部分４が薄膜状に形成されている。

エレメント２は、その先端側から終端側に向かって基板３から遠ざかるように螺旋状に成形されている螺旋部５と、先端側が螺旋部５の終端側に連続し且つ終端側が基板３から所定距離だけ離れて螺旋部５の螺旋中心軸上に位置するように渦巻状に成形されている渦巻部６と、先端側が渦巻部６の終端側に連続し且つ先端側から終端側に向かって基板３の面方向に対して垂直方向に成形されている垂直部７とを有する形状に成形されている。螺旋部５は螺旋中心軸（ヘリカル軸）に対する曲率が一定の部分であり、渦巻部６は螺旋中心軸に対する曲率が先端側から終端側に向かうに連れて大きくなる部分である。また、螺旋部５の終端側と垂直部７の先端側とは基板３からの高さが同じであり、つまり、渦巻部６は基板３の面方向に対して平行に形成されている。

基板３の表面中心部には導体部分４が形成されていない円環状の絶縁部８が形成されており、導体部分４は絶縁部８の内側部分と外側部分とに分割されている。この場合、絶縁部８は例えば予めマスキングされた状態で導体部分４が蒸着されることで形成されても良いし導体部分４が蒸着された後に剥離されることで形成されても良い。導体部分４にあって絶縁部８の外側部分はアンテナ地板部分９とされており、エレメント２の先端側（螺旋部５の先端側）はアンテナ地板部分９に接続されて給電点１０が形成されている。エレメント２の終端側（垂直部７の終端側）は導体部分４にあって絶縁部８の内側部分に接続されている。ヘリカルアンテナ１は、例えば動作周波数が５．８［ＧＨｚ］、直径が１８［ｍｍ］、高さ（基板３から螺旋部５の終端側までの距離）が５［ｍｍ］、巻数が２．５［ターン］の右旋円偏波である。

上記した構成では、給電点１０を介してエレメント２に電力が供給されると、エレメント２の先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れることで電波を放射させ、右旋円偏波を発生させる。この場合、エレメント２の先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れる一方で、エレメント２の終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れるが、上記したようにエレメント２の先端側が導体部分４にあって絶縁部８の外側部分に接続され、エレメント２の終端側が導体部分４にあって絶縁部８の内側部分に接続されているので、導体部分４にあって絶縁部８の内側部分と外側部分との間でコンデンサが形成されて容量結合が発生される（インピーダンスが整合される）。その結果、エレメント２の終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れることを抑制することができ、左旋円偏波の発生を抑制することができる。

ここで、渦巻部６及び垂直部７が形成されていない図２に示す構成と本実施形態で説明した渦巻部６及び垂直部７が形成されている図１に示す構成とについてアンテナの利得をシミュレーションした結果を図３に示す。渦巻部６及び垂直部７が形成されていない構成では基板３の面方向に対して垂直方向（ｚ軸方向）の右旋円偏波の利得と左旋円偏波の利得との差は４．５［ｄＢ］であるが、一方、渦巻部６及び垂直部７が形成されている構成では基板３の面方向に対して垂直方向の右旋円偏波の利得と左旋円偏波の利得との差は１５．５［ｄＢ］であり、渦巻部６及び垂直部７が形成されていることで交差偏波比が１１［ｄＢ］だけ改善されていることが判る。

ところで、上記したヘリカルアンテナ１の用途の１つとしては、車両に搭載される車載統合アンテナのＥＴＣ（ノンストップ自動料金収受システム）通信用のアンテナとして用いることが挙げられる。図４は、上記したヘリカルアンテナ１を搭載した車載統合アンテナの構成を示している。車載統合アンテナ１１は、動作周波数が８００［ＭＨｚ］の電話通信用のアンテナ１２，１３、動作周波数が１．５［ＧＨｚ］のＧＰＳ受信用のアンテナ１４、動作周波数が２．５［ＧＨｚ］のＶＩＣＳ受信用のアンテナ１５、動作周波数が５．８［ＧＨｚ］のＥＴＣ通信用のアンテナとしてのヘリカルアンテナ１が導体部材からなる統合アンテナ地板１６上に実装されて構成されている。

電話通信用のアンテナ１２，１３は、統合アンテナ地板１６の一部が切起こされて線状のエレメントが形成されてなる非対称の変形折り返しアンテナにより構成されている。ＧＰＳ受信用のアンテナ１４は、板状のエレメント（金属板材）１７を搭載した矩形状の誘電体部材１８がサブ基板１９に実装されて構成されている。ＶＩＣＳ受信用のアンテナ１５は、サブ基板１９上に形成された導体パターン２０により構成されている。尚、サブ基板１９は台座（図示せず）により統合アンテナ地板１６の面方向に対して所定角度だけ傾斜されている。また、ＥＴＣ通信用のアンテナとして機能するヘリカルアンテナ１の基板３も台座（図示せず）により統合アンテナ地板１６の面方向に対して所定角度だけ傾斜さ
れている。

これらヘリカルアンテナ１、電話通信用のアンテナ１２，１３、ＧＰＳ受信用のアンテナ１４及びＶＩＣＳ受信用のアンテナ１５は同軸ケーブルからなる給電ケーブルを介して電力が供給される。そして、このように構成されてなる車載統合アンテナ１１は例えばインストルメントパネルの内部に配置され、ヘリカルアンテナ１のヘリカル軸方向が車両前方を向いて水平方向から約２３度だけ傾斜するように搭載される。

ここで、従来のパッチアンテナをＥＴＣ通信用のアンテナとして採用した構成と本実施形態で説明したヘリカルアンテナ１をＥＴＣ通信用のアンテナとして採用した図４に示す構成とについて路上機に対する車両位置と受信電力との関係を実測した結果を図５に示す。従来のパッチアンテナをＥＴＣ通信用のアンテナとして採用した構成ではパッチアンテナの指向性が広角であるが故に車内のマルチパス環境下では特にワイパの影響を受けて通信動作中に受信電力が急激に落ち込む点（ヌル点）が発生するが、一方、ヘリカルアンテナ１をＥＴＣ通信用のアンテナとして採用した構成ではヘリカルアンテナの指向性が鋭角であるが故に通信動作中に受信電力が急激に落ち込む点が発生することがないことが判る。

以上に説明したように第１の実施形態によれば、ヘリカルアンテナ１のエレメント２を、先端側から終端側に向かって螺旋状に成形されている螺旋部５と、先端側が螺旋部５の終端側に連続し且つ終端側が基板３から所定距離だけ離れて螺旋部５の螺旋中心軸上に位置するように渦巻状に成形されている渦巻部６と、先端側が渦巻部６の終端側に連続し且つ先端側から終端側に向かって基板３に対して垂直に成形されている垂直部７とを有する形状に成形し、エレメント２の終端側とアンテナ地板部分９との間で容量結合を発生させて整合させるように構成したので、エレメント２の先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れることで電波を放射させ、右旋円偏波を発生させることができながらも、エレメント２の終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れることを抑制することができ、低姿勢を実現しながらも交差偏波比を向上させることができる。

また、エレメント２の先端側をアンテナ地板部分９に接続して給電点１０を形成すると共に、エレメント２の終端側を基板３に対して支持するように構成したので、エレメントを２点で支持することができ、自立可能で且つ強度及び耐震性をも向上させることができる。また、渦巻部６を渦巻状に成形したので、渦巻部６の形状を螺旋部５の形状に似させることにより、渦巻部６からの電波の放射が螺旋部５からの電波の放射に与える影響を抑制することができ、右旋円偏波を適切に発生させることができる。さらに、基板３に絶縁部８を形成し、導体部分４にあって絶縁部８の内側部分と外側部分との間で容量結合を発生させるように構成したので、新たな部材を必要とすることなくエレメント２の終端側とアンテナ地板部分９とを整合させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。尚、上記した第１の実施形態と同一部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。上記した第１の実施形態は、基板３に絶縁部８を形成し、導体部分４にあって絶縁部８の内側部分と外側部分との間で容量結合を発生させるように構成したものであるが、第２の実施形態は、誘電体部材を用いて容量結合を発生させるように構成したものである。

ヘリカルアンテナ２１は、エレメント２２が基板２３上に搭載されて構成されており、基板２３の表面には上記した第１の実施形態で説明した絶縁部８が形成されていることはなく、基板２３の表面には全体にわたって例えば銅箔からなる導体部分２４が薄膜状に形成されている。エレメント２２は、上記した第１の実施形態で説明した螺旋部５と渦巻部６と垂直部７とに相当する螺旋部２５と渦巻部２６と垂直部２７とを有する形状に成形されている。この場合、垂直部２７は、第１の実施形態で説明した垂直部７よりも全長が僅かに短く、その終端側は他の部分よりも径大な径大部２７ａとされている。径大部２７ａと基板２３との間には間隙が形成され、その間隙には誘電体部材２８が配置されている。導体部分２４は全体がアンテナ地板部分２９であり、エレメント２２の先端側（螺旋部２５の先端側）はアンテナ地板部分２９に接続されて給電点３０が形成されている。

上記した構成では、給電点３０を介してエレメント２２に電力が供給されると、エレメント２２の先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れることで電波を放射させ、右旋円偏波を発生させることになり、この場合も、エレメント２２の先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れる一方で、エレメント２２の終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れるが、上記したようにエレメント２２の先端側が導体部分２４に接続され、エレメント２２の終端側が誘電体部材２８を介して導体部分２４に接続されているので、エレメント２２の終端側と導体部分２４との間でコンデンサが形成されて容量結合が発生される。その結果、この場合も、上記した第１の実施形態に記載したものと同様にしてエレメント２２の終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れることを抑制することができ、左旋円偏波の発生を抑制することができる。

以上に説明したように第２の実施形態によれば、ヘリカルアンテナ２１のエレメント２２を、先端側から終端側に向かって螺旋状に成形されている螺旋部２５と、先端側が螺旋部２５の終端側に連続し且つ終端側が基板２３から所定距離だけ離れて螺旋部２５の螺旋中心軸上に位置するように渦巻状に成形されている渦巻部２６と、先端側が渦巻部２６の終端側に連続し且つ先端側から終端側に向かって基板２３に対して垂直に成形されている垂直部７とを有する形状に成形し、エレメント２２の終端側とアンテナ地板部分２９との間で容量結合を発生させて整合させるように構成したので、上記した第１の実施形態に記載したものと同様にして、エレメント２２の先端側から終端側に向かって順方向の電流が流れることで電波を放射させ、右旋円偏波を発生させることができながらも、エレメント２２の終端側から先端側に向かって逆方向の電流が流れることを抑制することができ、低姿勢を実現しながらも交差偏波比を向上させることができる。

また、エレメント２２の先端側をアンテナ地板部分２９に接続して給電点３０を形成すると共に、エレメント２２の終端側を誘電体部材２８を介して基板２３に対して支持するように構成したので、エレメント２２を２点で支持することができ、自立可能で且つ強度及び耐震性をも向上させることができる。さらに、エレメント２２の終端側とアンテナ地板部分２９との間に誘電体部材２９を介在させるように構成したので、垂直部２７の径大部２７ａの面積や径大部２７ａとアンテナ地板部分２９との間の距離や誘電体部材２９の誘電率を選択することにより、エレメント２２とアンテナ地板部分２９とを高い精度で整合させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形または拡張することができる。
整合素子としてコンデンサ素子を採用する構成に限らず、整合素子として抵抗素子やコイルを採用する構成であっても良い。

本発明の第１の実施形態を示す斜視図 渦巻部及び垂直部が形成されていない構成を示す斜視図 アンテナの利得をシミュレーションした結果を示す図 車載統合アンテナの斜視図 路上機に対する車両位置と受信電力との関係を実測した結果を示す図 本発明の第２の実施形態を示す斜視図 縦断面を示す斜視図

符号の説明

図面中、１はヘリカルアンテナ、２はエレメント、３は基板、４は導体部分、５は螺旋部、６は渦巻部、７は垂直部、８は絶縁部、９はアンテナ地板部分、１０は給電点、１１は車載統合アンテナ、１６は統合アンテナ地板、２１はヘリカルアンテナ、２２はエレメント、２３は基板、２４は導体部分、２５は螺旋部、２６は渦巻部、２７は垂直部、２８は誘電体部材、２９はアンテナ地板部分、３０は給電点である。

Claims (6)

1. 先端側から終端側に向かって螺旋状に成形されている螺旋部を有する線状導体部材からなるエレメントを有し、前記螺旋部の先端側が基板のアンテナ地板部分に接続されて給電点が形成された状態で前記基板上に実装されてなる軸モードヘリカルアンテナであって、
   前記エレメントに、先端側が前記螺旋部の終端側に連続し且つ終端側が前記基板から所定距離だけ離れて前記螺旋部の螺旋中心軸上に位置するように渦巻状に成形されている渦巻部と、先端側が前記渦巻部の終端側に連続し且つ先端側から終端側に向かって前記基板の面方向に対して垂直方向に成形されている垂直部とを設けると共に、
   前記垂直部の終端側と前記アンテナ地板部分とを整合させる整合素子を設け、
   前記垂直部の終端側を前記基板に対して支持したことを特徴とする軸モードヘリカルアンテナ。
2. 請求項１に記載した軸モードヘリカルアンテナにおいて、
   前記整合素子をコンデンサ素子により構成したことを特徴とする軸モードヘリカルアンテナ。
3. 請求項２に記載した軸モードヘリカルアンテナにおいて、
   前記基板の表面に絶縁部を挟んで互いに絶縁された２つの導体部分を薄膜状に形成し、前記螺旋部の先端側を前記アンテナ地板として作用する一方の導体部分に接続し、前記垂直部の終端側を他方の導体部分に接続し、前記コンデンサ素子として前記２つの導体部分にあって前記絶縁部を挟んで対向する部分の間で容量結合を発生させるように構成したことを特徴とする軸モードヘリカルアンテナ。
4. 請求項２に記載した軸モードヘリカルアンテナにおいて、
   前記基板の表面に導体部分を薄膜状に形成し、前記螺旋部の先端側を前記アンテナ地板として作用する前記導体部分に接続し、前記垂直部の終端側と前記導体部分との間に間隙を形成して当該間隙に誘電体部材を設け、前記コンデンサ素子として前記垂直部の終端側と前記導体部分にあって当該前記垂直部の終端側に対向する部分との間で容量結合を発生させるように構成したことを特徴とする軸モードヘリカルアンテナ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載した軸モードヘリカルアンテナにおいて、
   動作周波数が異なる他のアンテナと共に統合アンテナ地板上に実装し、車載統合アンテナの一アンテナとして機能させることを特徴とする軸モードヘリカルアンテナ。
6. 請求項５に記載した軸モードヘリカルアンテナにおいて、
   前記螺旋部の螺旋中心軸が前記統合アンテナ地板の面方向に対して垂直方向から所定角度だけ傾斜した方向となるように実装し、ＥＴＣ（ノンストップ自動料金収受システム）通信用のアンテナとして用いることを特徴とする軸モードヘリカルアンテナ。

Images