JP6495985B2

JP6495985B2 - 車載用アンテナ装置

Info

Publication number: JP6495985B2
Application number: JP2017170247A
Authority: JP
Inventors: 田中　雅人; 雅人田中
Original assignee: Yokowo Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2037-09-05
Also published as: US20210066808A1; WO2019049877A1; US11404792B2; CN111052506A; JP2019047393A; CN111052506B; EP3680985A4; EP3680985A1

Description

本発明は、例えばテレマティクスなどの用途に適した小型低背のアンテナ装置に関する。

近年、車両に通信機器を搭載してテレマティクスを行う需要が高まっている。テレマティクス（Telematics）は、テレコミュニケーション（Telecommunication：遠隔通信）とインフォマティクス（Informatics）とを組み合わせた語であり、移動体通信システムなどを利用してリアルタイムに情報やサービスを車両の通信機器に提供する技術である。

このような需要に対応する技術として、例えば特許文献１に、ＬＴＥ通信の周波数帯を用いてＭＩＭＯ通信を行うアンテナ装置が開示されている。ＬＴＥ（Long Term Evolution）通信は第３世代通信（３Ｇ）を高速化した通信形態である。ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）通信は複数のアンテナを使い、それぞれのアンテナから異なるデータを送信し、複数のアンテナで同時にデータを受信する通信形態である。
特許文献１に開示されているアンテナ装置は、長さが１００ｍｍ、幅が５０ｍｍ、高さが４５ｍｍのシャークフィンアンテナハウジングに収納される複数のアンテナを含み、そのうちの一つは、アンテナ装置の高さを決定づける不平衡アンテナ、つまりモノポールアンテナである。特許文献１に開示されたアンテナ装置に限らず、車両に搭載するアンテナ装置は、車両ルーフを接地面として利用するため、モノポールアンテナを使用するものが多い。

特表２０１６−５０４７９９号公報

ＬＴＥ通信やＭＩＭＯ通信で用いるアンテナは、天頂方向（鉛直上方）と直交する水平方向の利得が高い方が好ましい。また、車両に搭載するアンテナ装置には、小型低背の要求がある。
しかし、特許文献１に開示されたアンテナ装置のようにモノポールアンテナを低背化させると、天頂方向のアンテナサイズ（高さ）が減少することに起因してＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）の悪化と水平方向の利得不足を招く。モノポールアンテナの場合、アンテナコイルなどを装荷して共振条件を満たしたり、インピーダンス整合回路を介挿することによってある程度の低背化は可能であるが、アンテナ自体のＶＳＷＲや水平方向の利得の劣化までは改善が困難である。また、車載用のアンテナ装置でＭＩＭＯ通信を行う場合、複数のアンテナを搭載する必要があるため、小型化には限界がある。

本発明は、アンテナコイルを設けることなく広い周波数帯にわたって良好に信号の送受信が可能であり、かつ、水平方向の利得を高くすることができる小型低背の車載用アンテナ装置を提供することにある。

本発明が提供する車載用アンテナ装置は、車両の所定部位に固定される車載用アンテナ装置であって、金属面を有し、前記金属面にはその一部の縁にスリットが存在するスロットが形成されており、前記スロットは、大地に平行な方向を向き、前記スロットのいずれかのスロット端と前記スリットとの間の内縁に給電部が設けられており、前記スロットは、それぞれ反対方向から前記給電部を臨む第１スロット端と第２スロット端とを有し、前記第１スロット端から前記スリットの開放端までの長さは第１周波数帯の共振長であり、前記スリットの開放端から前記給電部までの長さは第２周波数帯の共振長であり、前記給電部から前記第１スロット端までの長さは第３周波数帯の共振長であり、前記給電部から前記第２スロット端までの長さは第４周波数帯の共振長であり、前記第１ないし第３周波数帯が、前記第４周波数帯よりも低い周波数帯であり、前記スロットを臨む部位の前記スリットの間隙に、前記第１ないし第３周波数帯で信号の通過を制限する高い第１インピーダンスを呈し、前記第４周波数帯で前記第１インピーダンスよりも低い第２インピーダンスを呈することを特徴とする。

スロットをアンテナエレメントとする場合、アンテナエレメントに直交する方向が主偏波となる。また、スロットの開口方向に利得が強く出る。本発明の車載用アンテナ装置は、金属面に大地に平行な方向を向くスロットが形成されているので、大地に平行な方向の利得が強く出る。また、金属面に、スロットの一部の縁にスリットが存在し、スロットのいずれかのスロット端とスリットとの間の内縁に給電部が存在するので、スリットが存在しない場合に比べて、使用できる周波数帯の種類が増える。つまり、広帯域化が可能となる。

本実施形態に係るアンテナ装置の取付状態を示す図。矩形筐体の各面の呼び方を示す説明図。動作説明用のパターン図であり、（ａ）は参照側面のパターン図、（ｂ）は本実施形態による変形スロットアンテナのパターン図。第１側面のパターン例を示した図。第２側面のパターン例を示した図。第３側面のパターン例を示した図。第４側面のパターン例を示した図。天頂面のパターン例を示した図。本実施形態におけるアンテナ部の外観図。ＬＴＥの平均利得の周波数特性比較図。ＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄにおけるＶＳＷＲ特性比較図。比較例アンテナの天頂面のパターン例を示した図。本実施形態と比較例アンテナとのＶＳＷＲ特性比較図。（ａ）は第１側面の第１給電部Ｇ１におけるＶＳＷＲ特性図。（ｂ）は第２側面の第２給電部Ｇ２におけるＶＳＷＲ特性図。（ａ）は第３側面の第３給電部Ｇ３におけるＶＳＷＲ特性図。（ｂ）は第４側面の第４給電部Ｇ４におけるＶＳＷＲ特性図。（ａ）はＬＴＥ第１アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図。同（ｂ）はＬＴＥ第２アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図。（ａ）はＬＴＥ第３アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図。同（ｂ）はＬＴＥ第４アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図。

以下、本発明を、テレマティクスに用いることができる車載型のアンテナ装置に適用した場合の実施の形態例を説明する。このアンテナ装置は、例えばＬＴＥ、Ｖ２Ｘ（Vehicle-to-everything）のほか、衛星測位システムの受信にも用いることができる。Ｖ２Ｘは、車両の通信機器と周囲のあらゆるモノとの通信を可能にする通信形態である。このアンテナ装置は、ハウジングの収納空間に収納される車載アンテナ装置として使用することができる。

図１は本実施形態に係るアンテナ装置の取付状態を示す図である。このアンテナ装置１は、所定形状及び所定サイズの電波透過性のハウジングにアンテナ部を収納したものであり、これにより例えば車両ルーフ５００の窪み５０１に装着されて使用可能にするものである。アンテナ装置１は、窪み５０１に配置しても、窪みの無い車両ルーフ５００の表面に配置した場合と水平方向の平均利得に大きく差はない。この理由については後述する。そのため、車両デザインを損ねることなく、水平面全方位角に対する利得を得ることができる。

アンテナ部は、短辺が約１００ｍｍ、長辺が約２００ｍｍ、高さが約１７ｍｍの樹脂製の矩形箱状筐体（以下、「筐体」と略す）に、それぞれスロットとスリットとをＬＤＳ（Laser Direct Structuring）技術を用いて一体に成型するとともに、筐体内に電子部品や回路基板などを装着したものである。ＬＤＳ技術は、樹脂上に三次元パターンのアブレーションを行い、その後、レーザが、アブレーションによりトレースされた場所だけを選択的に金属メッキする公知の技術である。アンテナ装置１の構成及び作用効果を説明する前提として、本明細書において使用する筐体ないしアンテナ部の各面の呼び方を、図２を参照して説明する。

図２は、アンテナ部を構成する筐体の斜視図であり、ハウジングを取り外した状態を示す。パターンの詳細については後述するが、本明細書では、図２の左側の短端面全体を「第２側面」、図２では見えないもう一つの短端面全体を「第１側面」、図２の手前の長端面全体を「第４側面」、図２では見えないもう一つの長端面全体を「第３側面」と呼ぶ。
第１側面、第２側面、第３側面、第４側面は、それぞれ接地面（接地電位の面）と直交し、９０度ずつ異なる方向を向いている。そのため、使用時に３６０度の全方位をカバーする。また、筐体の上底部全体を「天頂面」、図２では見えない下底部全体を「底面」と呼ぶ。これらの面は、樹脂表面の所定パターン（後述する複数のスロット及びスリットのパターン）以外の部分に金属膜が付着された金属面である。これらの金属面は、隣り合う他の金属面と所定角度（本例では９０度）で接している。

本実施形態のアンテナ装置１の特徴の一つは、一つの筐体に、それぞれ広帯域化した一対の変形スロットアンテナ、一対のスリットアンテナ、及び、一対の第２スロットアンテナを形成した点である。

まず、本実施形態における変形スロットアンテナの構成及び広帯域化の原理について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は動作説明用の参照側面のパターン図である。
参照側面の中央部にはアンテナエレメントとなるスロット１８０が形成されている。スロット１８０の周囲は金属膜１６０である。スロット１８０は接地面に平行である。スロット１８０の内縁には当該スロット１８０用の給電部Ｇｏが設けられている。スロット１８０は、それぞれ反対方向から給電部Ｇｏを臨む第１スロット端（図中の左側の閉端）と第２スロット端（図中の右側の閉端）とを有する。第１スロット端から給電部Ｇｏまでの長さは低周波帯域で使用する周波数の波長λ_Ｌの１／２である。また、スロット１８０のうち第１スロット端の反対方向である第２スロット端から給電部Ｇｏまでの長さは高周波帯域で使用する周波数の波長λ_Ｈの１／２である。

これに対し、図３（ｂ）はスロット１８０の一部の縁にスリット１８１を形成した変形スロットアンテナのパターン図である。金属膜１６１の一部の縁が切り欠かれ、これによって一部の縁にスリット１８１が存在する点以外は、図３（ａ）と同じエレメント構造である。スロット１８０の第１スロット端から給電部Ｇｏまでの長さは低周波帯域で使用する周波数の波長λ_Ｌの１／２であり、スロット１８０の第２スロット端から給電部Ｇｏまでの長さは高周波帯域で使用する周波数の波長λ_Ｈの１／２である。また、スロット１８０の第１スロット端からスリット１８１の開放端までの長さは、もう一つの低周波帯域で使用する周波数の波長λ_Ｌ１の１／４である。スリット１８１の開放端から給電部Ｇｏまでの長さは、さらにもう一つの低周波帯域で使用する周波数の波長λ_Ｌ２の１／４である。

なお、各周波数帯域で使用できる周波数には一定の範囲（幅）がある。そのため、波長ないし共振長という場合、使用する周波数を中心とした一定の範囲（幅）の波長ないし共振長をいうものとする。また、波長λ_Ｌ１，波長λ_Ｌ，波長λ_Ｌ２は、上記の低周波帯域に属する周波数の波長であり、波長λ_Ｈは、上記の高周波帯域に属する周波数の波長である。
つまり、波長λ_Ｌ１は第１周波数帯の波長であり、その１／４は第１周波数帯の共振長ということができる。同様に、波長λ_Ｌは第２周波数帯の波長であり、その１／２は第２周波数帯の共振長ということができる。同様に、波長λ_Ｌ２は第３周波数帯の波長であり、その１／４は第３周波数帯の共振長ということができる。同様に、波長λ_Ｈは高周波帯域に属する第４周波数帯の波長であり、その１／２は第４周波数帯の共振長ということができる。

図３（ｂ）に示されるように、変形スロットアンテナは、図３（ａ）に示されるスロットアンテナで送受信可能な第２周波数帯の信号と第４周波数帯の信号のほかに、第１周波数帯の信号と第３周波数帯の信号をも送受信可能なスロットアンテナとして動作する。これにより、スリット１８１が存在しない場合よりも使用できる周波数帯が増え、広帯域化が可能となる。なお、スリットの数をさらに増やすことにより、四つ以上の周波数帯の信号の送信又は受信を行うことも可能である。

図３（ａ）のスロットアンテナ及び図３（ｂ）の変形スロットアンテナは、アンテナの主要エレメントであるスロット１８０と直交する方向に主偏波が発生する。そのため、これらのスロットアンテナの主偏波は垂直偏波となる。なお、スロット１８０が接地面に平行でありさえすれば、これらのスロットアンテナの主偏波は垂直偏波となり、必ずしも金属膜１６０が接地面に対して垂直である必要はない。また、スロットアンテナでは、スロット１８０が形成されている面の方向の利得が強く出る。そのため、これらのスロットアンテナは、スロット１８０が形成されている面の向いている水平方向における垂直偏波の利得が相対的に強くなる。この傾向は、後述するスリットアンテナにおいても同様となる。

本実施形態では、上記の変形スロットアンテナを、それぞれテレマティクスなどに用いることができるＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄ（低周波帯域：以下同じ）の７００ＭＨｚ帯，８００ＭＨｚ帯，９００ＭＨｚ帯と、ＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄ（高周波帯域：以下同じ）の１．７ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚでの信号の送信又は受信を可能とする二つのＬＴＥアンテナに適用した。すなわち、例えば上記の第１周波数帯が７００ＭＨｚ帯，上記の第２周波数帯が８００ＭＨｚ帯，上記の第３周波数帯が９００ＭＨｚ帯、上記の第４周波数帯が１．７ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚとなるように、スリット１８１及びスロット１８０のサイズを決定するとともに、スロット１８０の内縁の給電部Ｇｏの位置を決定した。
二つの変形スロットアンテナの一方を「ＬＴＥ第１アンテナ」、他方を「ＬＴＥ第２アンテナ」と呼ぶ。ＬＴＥ第１アンテナは、第１給電部と共に主として矩形箱状の筐体の第１側面、第３側面、第４側面に形成し、ＬＴＥ第２アンテナは、第２給電部と共に主として筐体の第２側面、第３側面、第４側面に、それぞれ点対称となるように形成した。

本実施形態では、また、ＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄで使用する二つのスリットアンテナをも筐体に一体に形成した。一方のスリットアンテナを「ＬＴＥ第３アンテナ」、他方のスリットアンテナを「ＬＴＥ第４アンテナ」と呼ぶ。ＬＴＥ第３アンテナは、第３給電部と共に上記筐体の第３側面に形成した。ＬＴＥ第４アンテナは、第４給電部と共に筐体の第４側面に形成した。

本実施形態では、さらに、Ｖ２Ｘアンテナとして使用する二つのスロットアンテナ（第２のスロットアンテナ）を上記筐体に一体に形成した。Ｖ２Ｘの割当周波数帯は５．９ＧＨｚ帯である。一方のスロットアンテナを「Ｖ２Ｘ第１アンテナ」、他方のスロットアンテナを「Ｖ２Ｘ第２アンテナ」と呼ぶ。Ｖ２Ｘ第１アンテナは、第５給電部と共に上記筐体の第４側面に形成した。Ｖ２Ｘ第２アンテナは、第６給電部共に筐体の第２側面に形成した。

本実施形態では、さらに、衛星測位システムの受信アンテナ、例えばＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）用のパッチアンテナ（接地面と平行に配置される平面アンテナ）をその給電部及び回路基板と共に筐体に設けている。
なお、上記の通り、本実施形態では、アンテナ部をＬＤＳ技術で作成しており、樹脂に金属膜を付着して作成しているため、図２及び後述する図９においてＧＮＳＳ用のパッチアンテナや回路基板などは見えないが、これらの部品の配置等については、後で図８を参照して説明する。

＜各アンテナの構成例＞
次に、上記筐体の各金属面に形成される各アンテナの構成例を説明する。
１．ＬＴＥ第１アンテナ（第１側面、第３側面、第４側面、天頂面）
ＬＴＥ第１アンテナは、筐体の第１側面から、第３側面、第４側面に跨がって形成されたスロットと、第１側面と天頂面に跨って形成されたスリットとを組み合わせた変形スロットアンテナである。図４は、第１側面のパターン例を示した図である。

図４を参照すると、第１側面の中央部には、ＬＴＥ第１アンテナの主要エレメントとなるスロット１１０が接地面と平行に形成されている。スロット１１０の一部の縁には天頂面に向かうスリット１１１が存在する。スロット１１０のうちスリット１１１から離れた内縁には当該スロット１１０用の第１給電部Ｇ１が設けられている。第１給電部Ｇ１による給電は、例えば同軸ケーブルを用いる場合、芯線がスロット１１０の上縁（内縁の上方）、接地線がスロットの下縁（内縁の下付）に接続されることにより行われる。以後に説明するパッチアンテナの給電部を除く他の給電部についても同様となる。スロット１１０とスリット１１１以外は金属膜となる。すなわち、スロット１１０を挟んで一対の金属膜を形成し、第１側面の天頂面側には金属膜Ｍ１１が形成され、底面側には金属膜Ｍ１２が形成されている。

スロット１１０を臨む部位のスリット１１１の間隙には、高域通過フィルタ１１２が介挿されている。高域通過フィルタ１１２は、ＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄで信号の通過を制限する高い第１インピーダンスを呈し、ＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄで第１インピーダンスよりも低い第２インピーダンスを呈するように設計されている。なお、高域通過フィルタ１１２に代えて、上記間隙を電気的に開閉するスイッチング素子を設けても良い。

ＬＴＥ第１アンテナのＬｏｗＢａｎｄでの動作は、図３（ｂ）に示した基本構成の変形スロットアンテナと同じである。すなわち、スリット１１１の開放端（天頂面の開放端）から隣り合う第４側面のスロット端までの長さは７００ＭＨｚ帯の共振長（図示の例では上記λ_Ｌ１に相当する波長の１／４）である。「天頂面の開放端」は、図２から判るように、スリット１１１の間隙が大きくなる部分の端部をいう。第１給電部Ｇ１から第４側面のスロット端までの長さは８００ＭＨｚ帯の共振長（図示の例では上記λ_Ｌに相当する波長の１／２）である。スリット１１１の開放端（天頂面の開放端）から第１給電部Ｇ１までの長さは９００ＭＨｚ帯の共振長（図示の例では、上記λ_Ｌ２に相当する波長の１／４）である。また、第１給電部Ｇ１から隣り合う第３側面のスロット端までの長さは２０００ＭＨｚ帯の共振長（図示の例では、上記λ_Ｈに相当する波長の１／２）である。第３側面のスロット端から第４側面のスロット端までの長さは２６００ＭＨｚ帯の波長λ_Ｈ２の２倍以上である。
これにより、筐体の一つの金属面に形成されたＬＴＥ第１アンテナだけで、ＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄとＨｉｇｈＢａｎｄの双方を含む広い周波数帯の信号の送受信が可能となる。なお、ＬＴＥ第１アンテナは、第１側面の向いている水平方向の垂直偏波の利得が強くなる。

ＬＴＥ第１アンテナは、例えば、４×４ＭＩＭＯの第１アンテナとして動作させることができる。

２．ＬＴＥ第２アンテナ、Ｖ２Ｘ第２アンテナ（第２側面、第３側面、第４側面、天頂面）
ＬＴＥ第２アンテナは、筐体の第２側面から、第３側面、第４側面に跨がって形成されたスロットと、第２側面と天頂面に跨って形成されたスリットとを組み合わせた変形スロットアンテナである。
第２側面のパターン例を図５に示す。第２側面の中央部には、ＬＴＥ第２アンテナのアンテナエレメントとなるスロット１２０が形成されている。スロット１２０の一部の縁には、天頂面に向かうスリット１２１が存在する。スロット１２０には、また、スリット１２１から離れた部位の内縁に、当該スロット１２０用の第２給電部Ｇ２が設けられている。また、スリット１２１のうちスロット１２０を臨む部位の間隙に、高域通過フィルタ１２２が介挿されている。スロット１２０，スリット１２１、高域通過フィルタ１２２の形状、サイズ、回路定数、動作内容は、ＬＴＥ第１アンテナと同じである。

ＬＴＥ第２アンテナは、４×４ＭＩＭＯの第２アンテナとして動作させることができる。なお、ＬＴＥ第２アンテナは、天頂面から見て、ＬＴＥ第１アンテナと点対称の構造をなす。これにより、線対称とした場合よりもそれぞれの給電部間の距離を長く確保して、ＬＴＥ第１アンテナとの相関を弱めることができる。これにより例えばＭＩＭＯ通信のスループットを向上させることができる。

第２側面には、Ｖ２Ｘ第２アンテナとして動作するスロット３２０（第２のスロット）も形成されている。このスロット３２０の内縁には第６給電部Ｇ６が設けられている。第６給電部Ｇ６からスロット３２０の端部までの長さは、Ｖ２Ｘの５．９ＧＨｚ帯の波長λ_ｖの１／２（Ｖ２Ｘの周波数帯の共振長）である。スロット１２０，３２０、スリット１２１以外は金属膜となる。すなわち、スロット１２０を挟んで一対の金属膜を形成し、第２側面の天頂面側には金属膜Ｍ２１が形成され、底面側には金属膜Ｍ２２が形成されている。ＬＴＥ第２アンテナは、第２側面の向いている水平方向の垂直偏波の利得が強くなる。

３．ＬＴＥ第３アンテナ（天頂面、第３側面）
ＬＴＥ第３アンテナは、筐体の天頂面から第３側面に跨がって形成されるスリットアンテナである。第３側面のパターン例を図６に示す。ＬＴＥ第３アンテナの主要エレメントとなるスリット２１０は、開放端が天頂面に形成され、閉端がＬＴＥ第１アンテナのスロット１１０とＬＴＥ第２アンテナのスロット１２０の中間よりも少しスロット１２０側に偏った位置に形成される。第３側面でいえば、スリット２１０は、天頂面から底面方向に厚みの略中央部分まで切り込まれた後、ＬＴＥ第２アンテナのスロット１２０の方向に向きを変えた直後の部分が閉端となる。当該スリット用の第３給電部Ｇ３は、向きを変えた部位と閉端とのほぼ中間に設けられる。第３給電部Ｇ３からスリット開放端までの長さは、ＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄの２０００ＭＨｚ帯の波長λ_Ｈの１／４である。スロット１１０，１２０及びスリット２１０以外の部分は金属膜Ｍ３となる。

各スロット１１０，１２０との距離が十分に離れているので、ＬＴＥ第１アンテナ及びＬＴＥ第２アンテナとの干渉を防止することができる。特に、相対的に距離が長いＬＴＥ第１アンテナのスロット１１０との干渉をより確実に防止することができる。
ＬＴＥ第３アンテナは、第３側面の向いている水平方向の垂直偏波の利得が強くなる。
ＬＴＥ第３アンテナは、４×４ＭＩＭＯアンテナにおける第３アンテナとして動作させることができる。

４．ＬＴＥ第４アンテナ，Ｖ２Ｘ第１アンテナ（天頂面、第４側面）
ＬＴＥ第４アンテナは、筐体の天頂面から第４側面に跨がって形成されるスリットアンテナである。第４側面のパターン例を図７に示す。ＬＴＥ第４アンテナの主要エレメントとなるスリット２２０は、開放端が天頂面に形成され、閉端がＬＴＥ第１アンテナのスロット１１０とＬＴＥ第２アンテナのスロット１２０の中間よりも少しスロット１２０側に偏った位置に形成される。第４側面でいえば、スリット２２０は、天頂面から底面方向に厚みの略中央部分まで切り込まれた後、ＬＴＥ第２アンテナのスロット１２０の方向に向きを変えた直後の部分が閉端となる。当該スリット２２０用の第４給電部Ｇ４は、向きを変えた部位と閉端とのほぼ中間の内縁に設けられる。第４給電部Ｇ４からスリット開放端までの長さは、例えばＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄの２０００ＭＨｚ帯の共振長（例えば当該周波数帯の波長λ_Ｈの１／４）である。

ＬＴＥ第４アンテナは、スロット１１０，１２０との距離が十分に離れているので、ＬＴＥ第１アンテナ及びＬＴＥ第２アンテナとの干渉を防止することができる。
ＬＴＥ第４アンテナは、第４側面の向いている水平方向の垂直偏波の利得が強くなる。
ＬＴＥ第４アンテナは、４×４ＭＩＭＯの第４アンテナとして動作させることができる。

第４側面には、また、Ｖ２Ｘ第１アンテナとして動作するスロット３１０が形成されている。このスロット３１０には当該スロット３１０用の第５給電部Ｇ５が設けられている。第５給電部Ｇ５からスロット３１０の端部までの長さは、Ｖ２Ｘの５．９ＧＨｚ帯の共振長（例えばＶ２Ｘに割り当てられた周波数帯の波長λ_ｖの１／２）である。スロット１１０，１２０，３１０、スリット２２０以外は金属膜Ｍ４となる。Ｖ２Ｘ第１アンテナは、Ｖ２Ｘ第２アンテナと共に、ダイバーシチィ（Diversity）用のアンテナとして使用することができる。

５．パッチアンテナ，回路基板（天頂面）
図８は天頂面のパターン図、図９はアンテナ部の外観図（図２と同じ）である。
図８において破線で示されているのは、筐体内に接地面と平行に配置された回路基板３００とパッチアンテナ４００である。回路基板３００は、その外縁がスリット１１１，１２１，２１０，２２０及びスロット１１０，１２０，３１０，３２０と重ならないように、その配置位置、形状及びサイズが決定されている。回路基板３００には、パッチアンテナ４００及びその給電部のほか、上記の第１ないし第６給電部、並びに自動車側の電子機器とそれぞれ導通する回路部品が実装されている。回路基板３００の接地線（ＧＮＤ）は金属膜が形成されている筐体の底面と電気的に接続される。

天頂面には、樹脂天板１００に四つのスリット１１１，１２１，２１０，２２０が形成された結果、四つの金属膜Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４が形成され、樹脂天板１００の一部が露出したものとなる。樹脂天板１００の露出部分は、異なる大きさの二つの長方形をクロスさせた十字になっている。

また、天頂面の金属膜Ｔ１１は、第２側面のうちスリット１２１までの一方の金属膜Ｍ２１及び第３側面の金属膜Ｍ３と一体である。天頂面の金属膜Ｔ１２は、第３側面の金属膜Ｍ３及び第１側面のうちスリット１１１までの一方の金属膜Ｍ１１と一体である。天頂面の金属膜Ｔ１３は、第１側面のうちスリット１１１までの他方の金属膜Ｍ１１及び第４側面の金属膜Ｍ４と一体である。天頂面の金属膜Ｔ１４は、第４側面の金属膜Ｍ４及び第２側面のうちスリット１２１までの他方の金属膜Ｍ２１と一体である。なお、底面にも金属膜が形成されていることから、各金属膜Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４，Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ３，Ｍ４は、全て導通する。

このようにスロット１１０，１２０，３１０，３２０及びスリット１１１，１２１，２１０，２２０の周囲の金属の面積をより広大に確保することで、送受信できる周波数の帯域を拡げることができ、そのような金属の面積が確保できない場合に比べてアンテナ効率が高まる。また、各アンテナは、車両ルーフ５００に搭載させた場合においても、筐体の底面と車両ルーフ５００とを電気的に接続することで、車両ルーフ５００をスロット１１０，１２０，３１０，３２０及びスリット１１１，１２１，２１０，２２０の周囲の金属として用いることができ、自由空間内よりもアンテナ性能を向上させることができる。そのため、周囲が金属となる窪みに配置させた場合であっても、従来のモノポールアンテナと比較して、ＶＳＷＲや水平方向の利得の劣化は小さくなる。

図１０は、アンテナ装置１の取付状態の相違に基づく水平方向の平均利得特性比較図であり、所定のシミュレータの結果データである。図１０の縦軸は平均利得（ｄＢｉ）、横軸は周波数（ＭＨｚ）である。図１０の実線は、図１に示したように車両ルーフ５００の窪み５０１にアンテナ装置１を取り付けた場合の平均利得である。破線は、窪み５０１を設けることなく車両ルーフ５００に直接取り付けた場合の平均利得である。図１０を参照すると、これらの場合の平均利得に大きな差異はみられなかった。これは、本実施形態のアンテナ装置１によれば、車両における取付位置の制約が緩和されることを意味する。

車載アンテナ装置のアンテナ部をモノポールアンテナまたはダイポールアンテナで構成すると、車両ルーフの後方に配置されると水平方向の利得が低下することから、車両ルーフの前方に配置させることが好ましいとされる。しかし、車両ルーフ前方にアンテナ装置を配置させると車両デザインを損ねる問題があり、改善が望まれていた。本実施形態のアンテナ装置１によれば、取付位置の制約が緩和され、水平面全方位角に対する利得を得ることができる。そのため、上記の問題が解消される。本実施形態のアンテナ装置１の第１ないし第４側面におけるアンテナ性能については、後述する。

＜比較例＞
本発明者らは、第１側面に形成したＬＴＥ第１アンテナのＶＳＷＲ特性を、スロット１１０の一部の縁にスリット１１１を形成しない（スリット１１１の間隙に高域通過フィルタ１１２も付加しない）こと以外は同じエレメント構造、つまりスロット１１０のみとなる比較用のスロットアンテナのＶＳＷＲ特性と比較した。
図１１は、両者のＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄにおけるＶＳＷＲ特性比較図であり、第１給電部Ｇ１のデータに基づく所定のシミュレータによる計測結果である。実線はスリット１１１がある場合のＶＳＷＲ特性、破線はスリット１１１が無い場合のＶＳＷＲ特性である。周波数（ＭＨｚ）とＶＳＷＲとの関係（抜粋）は、以下の通りである。

周波数（ＭＨｚ）スリット無しスリット有り（本実施形態）
６８６２５．８５４．４５
７２１１３．２３２．９１
８８２２．４８２．６６
９３８３．９４２．９９
１００１５．８３３．９１
１０５０７．３３４．８７

このように、本実施形態のようにスロット１１０の一部の縁にスリット１１１を形成することにより、ＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄのうち、７００ＭＨｚ帯、８００ＭＨｚ帯、９００ＭＨｚ帯においてＶＳＷＲが３未満であり、スリット１１１が存在しない場合よりも格段の広帯域化が図れていることがわかる。これにより、ＬＴＥに割り当てられた周波数帯において、小型低背でありながら、水平方向の垂直偏波の利得が強く、ＶＳＷＲ特性に優れた広帯域アンテナを実現することができる。

本実施形態では、また、図８に示す通り樹脂天板１００の露出部分が、異なる大きさの二つの長方形をクロスさせた十字となるように金属膜Ｔ１１〜Ｔ１４を形成する例を説明した。本発明者らは、露出部分の与える影響を検証するため、図１２に示す通り樹脂天板１００の露出部分が長方形となる比較例アンテナを作成した。比較例アンテナは、樹脂天板１００における金属膜の割合が、本実施形態のものよりも低くなっている。

図１３は、本実施形態と比較例アンテナのＬＴＥの周波数帯におけるＶＳＷＲ特性比較図である。図１３を参照すると、樹脂天板１００の露出部分が十字である本実施形態のアンテナ部の場合、ＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄではＶＳＷＲの最小値が２．６６（８８２ＭＨｚ）であり、ＶＳＷＲが４未満の周波数帯は３１５ＭＨｚである。他方、樹脂天板１００が長方形である比較例アンテナの場合、ＶＳＷＲの最小値は３．８５（８３３ＭＨｚ）であり、ＶＳＷＲが４未満の周波数帯は３５ＭＨｚにすぎなかった。
この傾向は、ＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄでも同様である。
このように、樹脂天板１００の露出部分を十字となるように金属膜Ｔ１１〜Ｔ１４を形成することにより、ＬＴＥの周波数帯においてＶＳＷＲを低くすることができ、また使用できる周波数帯域を広くすることができることが判明した。

＜電気的特性＞
本実施形態のアンテナ装置１の各側面のアンテナ性能（電気的特性）について説明する。
図１４（ａ）は第１側面の第１給電部Ｇ１におけるＶＳＷＲ特性図であり、詳細については、図１１のＶＳＷＲ特性比較図を用いて説明したとおりである。図１４（ｂ）は第２側面の第２給電部Ｇ２におけるＶＳＷＲ特性図である。第２側面図のＬＴＥ第２アンテナにおいても、第１側面のＬＴＥ第１アンテナ同等またはそれ以上のＶＳＷＲ特性が得られていることがわかる。

図１５（ａ）は第３側面の第３給電部Ｇ３におけるＶＳＷＲ特性図であり、同（ｂ）は第４側面の第４給電部Ｇ４におけるＶＳＷＲ特性図である。いずれも１８００ＭＨｚから２７００ＭＨｚの広い周波数帯域で良好なＶＳＷＲ特性が得られていることがわかる。

図１６（ａ）はＬＴＥ第１アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図であり、同（ｂ）はＬＴＥ第２アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図である。使用していない１１００ＭＨｚ〜１７００ＭＨｚでは平均利得が低下するものの、７００ＭＨｚ帯、８００ＭＨｚ帯、９００ＭＨｚ帯を含むＬｏｗＢａｎｄ、１７００〜２７００ＭＨｚのＨｉｇｈＢａｎｄにおいて良好な平均利得（ｄＢｉ）が得られていることがわかる。

図１７（ａ）は、ＬＴＥ第３アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図であり、同（ｂ）はＬＴＥ第４アンテナの水平方向における垂直偏波の平均利得（ｄＢｉ）特性図である。それぞれ１５００ＭＨｚ以上の周波数で安定的に利得が得られている。

＜本実施形態による効果＞
以上の説明から明らかなように、本実施形態のアンテナ装置１では、接地面と直交する金属面にスロット１１０が接地面と平行に延び、その縁の一部にスリット１１１が存在するＬＴＥ第１アンテナを含むものとした。ＬＴＥ第１アンテナは、スロット１１０のスリット１１１から離れた内縁に第１給電部Ｇ１が設けられ、この第１給電部Ｇ１において四つの周波数帯の信号の送信又は受信を行う。そのため、スリット１１１が存在しない場合よりも使用できる周波数帯が多くなり、限られた資源の有効活用が可能となった。

また、スロット１１０に直交する方向が主偏波となるため、筐体を低背化させた場合においても、垂直偏波の利得を維持することができ、さらに、スリット１１０の開口方向、すなわち水平方向の垂直偏波の利得を高めることができる。そのため、図１のように車両ルーフ５００の一部を窪ませ、その窪み５０１に適合する形状及びサイズのアンテナ装置１を設置することで、水平方向の全方位角における利得を確保しつつ外観からアンテナ装置１を認識できなくなるようにすることができる。これにより、車両デザインの自由度を高めることができ、車両デザインの観点からは従来のこの種のアンテナ装置からは得られない効果を奏することができる。

本実施形態のアンテナ装置１は、また、スロット１１０を臨む部位のスリット１１１の間隙に、ＬＴＥのＬｏｗＢａｎｄで信号の通過を制限する高い第１インピーダンスを呈し、ＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄで第１インピーダンスよりも低い第２インピーダンスを呈する回路が介挿されているので、ＬＴＥのＨｉｇｈＢａｎｄでは、スリット１１１が形成されていることの影響を緩和してＶＳＷＲを安定的に低くすることができた。

上記回路の一例として本実施形態では高域通過フィルタ１１２を用いたので、例えば誘導性リアクタンス素子だけで上記回路を実現することができ、スリット１１１への実装も容易になる。なお、高域通過フィルタ１１２に代えて帯域通過フィルタまたは帯域阻止フィルタを用いることもできる。

本実施形態のアンテナ装置１では、また、スロット１１０が、第１側面のほか、それぞれ接地面と直交し、かつ接地面と平行方向に繋がる第３側面及び第４側面に跨がって形成され、第１給電部Ｇ１は第１側面のスロット内に設けたので、スロット形成のための面積の節約が図れ、小型のアンテナ装置を実現することができた。なお、スロットは、第１側面と第３側面、あるいは、第１側面と第４側面だけに形成することもできる。

また、スリット２１０，２２０の閉端がスロット１１０のスロット端から離れる向きに形成されているので、スリット２１０，２２０が第１側面のスロット１１０に与える影響を緩和することができる。

本実施形態のアンテナ装置１では、また、スロット１２０又はスリット２２０が形成されている金属面（第２側面、第４側面）に、Ｖ２Ｘ帯の信号の送信又は受信が可能な第２のスロット（第２のスロットアンテナ）３１０，３２０が接地面と平行に形成されているので、限られた面積の金属面を有効に活用してより多くの周波数帯に対応できるようになった。

本実施形態のアンテナ装置１では、また、ＬＴＥ第１アンテナのスロット１１０とＬＴＥ第２アンテナのスロット１２０が、互いに点対称となる部位に配置されているので、例えば同じ周波数の信号を送信又は受信したときの相互干渉を抑制することができる。

本実施形態のアンテナ装置１は、水平方向で互いに９０度ずつ異なる方向を向いた第１側面、第２側面、第３側面及び第４側面に形成された各アンテナが、それぞれ独自の給電部を通じてＭＩＭＯ通信用のアンテナとして動作するので、全方位にわたるＭＩＭＯ通信が可能なアンテナを一つの筐体に集約させることができ、例えば車両側の設置スペースをより小さくできるようになった。

また、金属膜が形成された状態の筐体の高さが２０ｍｍ以下（１７ｍｍ）なので、例えば車両ルーフのように、アンテナ用として限られたスペースしか確保できない場合であってもアンテナ性能（ＶＳＷＲ、水平利得等）を低下させることなく容易に取り付けることができる。特に、上記のように車両ルーフ５００の一部を窪ませ、その窪み５０１にアンテナ装置１を取り付ける場合、窪み５０１のサイズを小さくすることができ、また、窪み５０１の位置の制約が無くなるので車両デザインの自由度をより高めることができる。また、小型低背でありながら、水平面全方位にわたって利得を確保することができるので、車両において多種多様のテレマティクス通信を容易に実現できるようになった。

本実施形態のアンテナ装置１では、複数の金属面に形成されるスロット１１０，１２０とスリット１１１，１２１，２１０，２２０が、一筆書きで繋がる。つまり、全ての金属面が筐体上で連続する。そのため、複数の金属面を接合する必要がないので、アンテナ装置１の製造を単純化することができ、量産に適したものとなる。

＜変形例＞
本実施形態では、ＬＤＳ技術を用いて複数のアンテナのエレメントを一体に成型したアンテナ部の例について説明したが、アンテナ部の製法は本実施形態で説明したものに拘束されるものではなく、金属筐体を刳り抜いてアンテナ部を構成しても良いことは勿論である。

また、第１側面〜第４側面に形成する各アンテナの種類も任意に変更が可能である。例えば、ＬＴＥ第１アンテナを第３側面に、ＬＴＥ第２アンテナを第４側面に、ＬＴＥ第３アンテナを第１側面に、ＬＴＥ第４アンテナを第２側面に、Ｖ２Ｘ第１アンテナを第１側面に、Ｖ２Ｘ第２アンテナを第２側面に、それぞれ形成しても良い。

また、本実施形態では、矩形箱状の筐体の例を説明したが、筐体の形状は、矩形箱状に限らず多角形箱状、円柱状や楕円柱状でも良い。

また、本実施形態では、第１側面、第２側面、第３側面、第４側面がそれぞれ接地面と直交していたが、直交していなくても良い。スロット１１０、スロット１２０、スロット３１０、スロット３２０がそれぞれ接地面に平行であれば水平方向の垂直偏波の利得を得ることができるので、第１側面、第２側面、第３側面、第４側面は接地面とどのような角度を成していても良い。

Claims

車両の所定部位に固定される車載用アンテナ装置であって、
金属面を有し、
前記金属面にはその一部の縁にスリットが存在するスロットが形成されており、
前記スロットは、大地に平行な方向を向き、
前記スロットのいずれかのスロット端と前記スリットとの間の内縁に給電部が設けられており、
前記スロットは、それぞれ反対方向から前記給電部を臨む第１スロット端と第２スロット端とを有し、
前記第１スロット端から前記スリットの開放端までの長さは第１周波数帯の共振長であり、
前記スリットの開放端から前記給電部までの長さは第２周波数帯の共振長であり、
前記給電部から前記第１スロット端までの長さは第３周波数帯の共振長であり、
前記給電部から前記第２スロット端までの長さは第４周波数帯の共振長であり、
前記第１ないし第３周波数帯が、前記第４周波数帯よりも低い周波数帯であり、
前記スロットを臨む部位の前記スリットの間隙が、前記第１ないし第３周波数帯で信号の通過を制限する高い第１インピーダンスを呈し、前記第４周波数帯で前記第１インピーダンスよりも低い第２インピーダンスを呈する、
車載用アンテナ装置。
前記第１ないし第４周波数帯が、それぞれテレマティクス用の周波数帯である、
請求項１に記載の車載用アンテナ装置。
前記間隙が、高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ又は帯域阻止フィルタとして動作する、請求項１又は２に記載の車載用アンテナ装置。
隣り合う他の前記金属面と所定角度で接する二つ以上の前記金属面を有し、前記スロットは、二つ以上の前記金属面に跨がって形成され、前記給電部はいずれか一つの前記金属面のスロットの内縁に形成されている、
請求項１から３のいずれか一項に記載の車載用アンテナ装置。
前記スロット又は前記スリットが形成されている金属面に、前記スロットと異なる周波数を送信又は受信する第２のスロットが形成されている、
請求項４に記載の車載用アンテナ装置。
前記スロットを二つ備え、二つの前記スロットは、互いに点対称となる部位に配置されている、
請求項１から５のいずれか一項に記載の車載用アンテナ装置。
車両の所定部位に固定される車載用アンテナ装置であって、
複数の金属面を有する筐体を有し、
いずれかの前記金属面には、その一部の縁にスリットが存在するスロットが形成されており、
前記スロットは、大地に平行な方向を向き、
前記スロットのいずれかのスロット端と前記スリットとの間の内縁に給電部が設けられており、
前記スロットは、それぞれ反対方向から前記給電部を臨む第１スロット端と第２スロット端とを有し、
前記第１スロット端から前記スリットの開放端までの長さは第１周波数帯の共振長であり、
前記スリットの開放端から前記給電部までの長さは第２周波数帯の共振長であり、
前記給電部から前記第１スロット端までの長さは第３周波数帯の共振長であり、
前記給電部から前記第２スロット端までの長さは第４周波数帯の共振長であり、
前記第１ないし第３周波数帯が、前記第４周波数帯よりも低い周波数帯であり、
前記スロットを臨む部位の前記スリットの間隙が、前記第１ないし第３周波数帯で信号の通過を制限する高い第１インピーダンスを呈し、前記第４周波数帯で前記第１インピーダンスよりも低い第２インピーダンスを呈する、
車載用アンテナ装置。
前記スロットは、それぞれ隣り合う他の前記金属面に跨がって形成されている、
請求項７に記載の車載用アンテナ装置。
前記筐体は、水平方向で互いに異なる方向を向いた四つの前記金属面を有し、四つの前記金属面のうち対向する二つの前記金属面に前記スロットが形成され、他の二つの前記金属面にスリットアンテナが形成されており、各金属面が、それぞれ独自の給電部を通じてＭＩＭＯ通信用のアンテナとして動作する、
請求項７又は８に記載の車載用アンテナ装置。
四つの前記金属面の少なくとも一つに、前記スロットと異なる周波数を送信又は受信する第２のスロットが形成されている、
請求項９に記載の車載用アンテナ装置。
前記筐体に、パッチアンテナが配置されている、
請求項７から１０のいずれか一項に記載の車載用アンテナ装置。
前記筐体が樹脂製であり、前記金属面が樹脂表面に形成された金属膜である、
請求項７から１１のいずれか一項に記載の車載用アンテナ装置。
前記金属膜が形成された状態の筐体の高さが２０ｍｍ以下である、
請求項１２に記載の車載用アンテナ装置。
前記複数の金属面に形成された前記スリットと前記スロットとが一筆書きで繋がり、前記給電部を四つ以上含む、
請求項７から１３のいずれか一項に記載の車載用アンテナ装置。