JP6909766B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボウタイアンテナを基にした広帯域アンテナを含むアンテナ装置に関する。

近年、テレマティクス（以下「ＴＥＬ」）用広帯域アンテナと、グローバル・ナビゲーション・サテライトシステム（Global Navigation Satellite System；以下「ＧＮＳＳ」）用アンテナとを車両に設置することが要望されるようになってきている。

特開２０１１-１９３４３２号公報 特許文献１はボウタイアンテナの例示であり、小型化を図った構成を示す。

ＴＥＬ用アンテナとＧＮＳＳ用アンテナとを複合化した場合、従来はＴＥＬ用アンテナの広帯域化や指向性利得の制御が難しいという問題があった。また、ＴＥＬ用アンテナの広帯域特性の向上についての検討も不十分であった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、広い周波数範囲での使用が可能な広帯域のアンテナ装置を提供することにある。

本発明の第1の態様はアンテナ装置である。このアンテナ装置は、給電点を挟んで互いに反対方向に延びる第１導体素子及び第２導体素子を有するボウタイアンテナを基とした広帯域アンテナを備え、
前記広帯域アンテナと、前記広帯域アンテナに給電する同軸ケーブルとの間に広帯域アンテナ用回路基板が介在しており、前記広帯域アンテナ用回路基板のグラウンドが前記第１又は第２導体素子に重ねて接続されて一体化されている。

本発明の第２の態様はアンテナ装置である。このアンテナ装置は、給電点を挟んで互いに反対方向に延びる第１導体素子及び第２導体素子を有するボウタイアンテナを基とした広帯域アンテナを備え、
前記第１導体素子と前記第２導体素子は、互いに異なる形状で、前記給電点に対し非対称配置である。

第1又は第２の態様において、直交三軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とした場合に、
前記第１導体素子は、前記給電点から＋Ｚ方向に伸びＸＺ平面と略平行な部分を有し、かつ前記第２導体素子は、前記給電点から−Ｚ方向に伸びＸＺ平面と略平行な部分を有し、
前記第１導体素子、前記第２導体素子の一方若しくは両方が、前記給電点に近い第１部分と、
前記第１部分に対して非平行となる領域を有するように、前記第１部分から延在する第２部分と、を有するとよい。

前記第１及び第２導体素子の少なくとも一方は、前記第１及び第２導体素子相互間の対向空間面積が狭くなるように前記給電点に向かって凸となる曲線の輪郭を有するとよい。

本発明の第３の態様はアンテナ装置である。このアンテナ装置は、給電点を挟んで互いに反対方向に延びる第１導体素子及び第２導体素子を有するボウタイアンテナを基とした広帯域アンテナを備え、
前記第１及び第２導体素子の少なくとも一方は、前記第１及び第２導体素子相互間の対向空間面積が狭くなるように前記給電点に向かって凸となる曲線の輪郭を有し、
前記第１導体素子及び前記第２導体素子はそれぞれ板状金属であり、
直交三軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とした場合に、
前記第１導体素子は、前記給電点から＋Ｚ方向に伸びＸＺ平面と略平行な部分を有し、かつ前記第２導体素子は、前記給電点から−Ｚ方向に伸びＸＺ平面と略平行な部分を有し、
前記第１導体素子、前記第２導体素子の一方若しくは両方が、前記給電点に近い第１部分と、
前記第１部分に対して非平行となる領域を有するように、前記第１部分から折り曲げられて延在する第２部分と、を有する。

前記第２部分は、ＸＹ平面に略平行に、若しくは前記第１部分と９０°以下の角度をなすように前記第１部分から延在するとよい。

前記第２部分に対して非平行となる領域を有するように、前記第２部分から延在する第３部分を有するとよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、車両に設置するＴＥＬ用アンテナ等として利用可能な、ボウタイアンテナを含む広帯域のアンテナ装置を実現できる。また、ＧＮＳＳ用アンテナ等として利用可能なパッチアンテナを、ボウタイアンテナを基にした広帯域アンテナの一部に設けて複合化することも可能となる。

本発明に係るアンテナ装置の実施の形態１の前方斜め上視点の斜視図。 同じく後方斜め下視点の斜視図。 実施の形態１の平面図。 同底面図。 同正面図。 同背面図。 同右側面図。 同左側面図。 実施の形態１におけるＴＥＬアンテナ用回路基板の背面図。 実施の形態１におけるＴＥＬ用アンテナの第１及び第２板状金属であって、給電点を含む部分を拡大して示す斜視図。 実施の形態１におけるＧＮＳＳアンテナ用回路基板の底面図。 実施の形態１の場合のアンテナ利得等の測定時の配置図。 実施の形態１におけるＴＥＬ用アンテナのアンテナ特性であって、ＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフ。 実施の形態１におけるＴＥＬ用アンテナのアンテナ特性であって、θ＝９０°（水平面）におけるθ偏波（垂直偏波）の平均利得（ｄＢic）の周波数特性を示すグラフ。 実施の形態１における低雑音増幅部を含まないＧＮＳＳ用アンテナのアンテナ特性であって、ＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフ。 同じくθ＝０°における右旋偏波の軸比（ｄＢ）の周波数特性を示すグラフ。 同じくθ＝０°における右旋偏波の利得（ｄＢic）の周波数特性を示すグラフ。 ボウタイアンテナの第１及び第２導体素子（アンテナエレメント）の形状の例をそれぞれ示す説明図。 図１７の形状１〜３をパラメータとしたＶＳＷＲとｄ／λ（但し、ｄ＝各導体素子の幅、λ＝ＴＥＬ電波の波長）との関係を示すグラフ。 ボウタイアンテナの第１及び第２導体素子の形状の他の例をそれぞれ示す説明図。 図１９の形状３，３−１，３−２をパラメータとしたＶＳＷＲとｄ／λとの関係を示すグラフ。 本発明に係るアンテナ装置の実施の形態２の前方斜め上視点の斜視図。 実施の形態２の後方斜め下視点の斜視図。 実施の形態２の正面図。 同背面図。 同平面図。 同底面図。 同右側面図。 同左側面図。 実施の形態２におけるＴＥＬ用アンテナの第１及び第２板状金属であって、給電点を含む部分を拡大して示す斜視図。 実施の形態２の場合のアンテナ利得等の測定時の配置図。 実施の形態２におけるＴＥＬ用アンテナのアンテナ特性であって、ＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフ。 実施の形態２におけるＴＥＬ用アンテナのアンテナ特性であって、θ＝９０°（水平面）におけるθ偏波（垂直偏波）の平均利得（ｄＢic）の周波数特性を示すグラフ。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１から図８は、本発明に係るアンテナ装置の実施の形態であって、ボウタイアンテナを基（ベース）にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１０の導体素子（アンテナエレメント）上に、ＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０を設けた複合アンテナ装置１を示す。説明の便宜上、図１及び図１１のように、複合アンテナ装置１に対して直交三軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義する。また、図１１において、Ｚ軸と観測点とのなす角をθ°とし、観測点からＸＹ平面に下した垂線とＸＹ平面との交点と原点とを結ぶ直線がＸ軸となす角を方位角φとする。ここでは、説明の便宜上、＋Ｚ方向＝上方向、−Ｚ方向＝下方向として説明する場合がある。

ボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１０は、後述する給電点４５を挟んで互いに反対方向に延びる第１導体素子としての第１板状金属２０及び第２導体素子としての第２板状金属３０と、広帯域アンテナ用回路基板してのＴＥＬアンテナ用回路基板４０とを含む。

第１板状金属２０は、給電点４５から＋Ｚ方向に伸び、ＸＺ平面と略平行な、給電点４５を頂点とする三角形、半円若しくは半楕円に近似した形状の第１部分２１と、この第１部分２１からＸＹ平面に略平行に折り曲げられた第２部分２２とを有する。第２部分２２のＹ軸方向に離間した両側位置には＋Ｚ方向に立ち上がったリブ２３，２４が形成されている。但し、第２部分２２は、第１部分２１の上縁より一段下がった位置から第１部分２１に対し略直角に折り曲げられており、リブ２３は第１部分２１の上辺部で構成されている。

第２板状金属３０は、給電点４５から−Ｚ方向に伸び、ＸＺ平面と略平行な、給電点４５を頂点とする三角形、半円若しくは半楕円に近似した形状を有する。

ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０の第１板状金属２０及び第２板状金属３０は電波を透過させる樹脂製のレドーム６０に固定される。第１板状金属２０及び第２板状金属３０の給電側には図９ＡのＴＥＬアンテナ用回路基板４０が接続されており、第１板状金属２０及びＴＥＬアンテナ用回路基板４０はレドーム６０内に収容されている。

図９Ａに示すように、インピーダンス整合のためのＴＥＬアンテナ用回路基板４０は、基板４０上の帯状導体パターンＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３（基板裏面はグラウンドパターンであり、マイクロストリップ線路を構成する）と、チップコンデンサＣ_１，Ｃ_２と、チップコイルＬ_１，Ｌ_２とを有する整合回路４１を含む。帯状導体パターンＰ_１，Ｐ_２ 間にチップコイルＬ_１が接続され、帯状導体パターンＰ_２，Ｐ_３ 間にチップコンデンサＣ_２が接続されている。ＴＥＬアンテナ用回路基板４０の図９Ａに図示の面の裏面はグラウンドパターンであり、チップコンデンサＣ_１は帯状導体パターンＰ_２、グラウンドパターン間に、チップコイルＬ_２は帯状導体パターンＰ_３、グラウンドパターン間にそれぞれ接続されている。

ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０に給電するための給電線路としての同軸ケーブル４７の中心導体４７ａは帯状導体パターンＰ_１に接続され、同軸ケーブル４７の外部導体４７ｂはグラウンドパターンに接続されている。すなわち、同軸ケーブル４７は、整合回路４１を介して第１板状金属２０の給電側端部２０ａ及び第２板状金属３０の給電側端部３０ａに接続される。図９Ｂに示す第１板状金属２０の給電側端部２０ａはＴＥＬアンテナ用回路基板４０裏面のグラウンドパターンと重なるようにして電気的に接続されている。また、第２板状金属３０の給電側端部３０ａは図９Ａの帯状導体パターンＰ_３に接続されている。ここでは、図９の第２板状金属３０の給電側端部３０ａと帯状導体パターンＰ_３との接続点が給電点４５となり、同軸ケーブル４７の中心導体４７ａが第２板状金属３０側に電気的に接続され、外部導体４７ｂが第１板状金属２０側に電気的に接続されることになる。

ＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０は、第１板状金属２０におけるＸＹ平面に平行な第２部分２２上に設けられる。パッチアンテナ５０は、誘電体上面に方形導体５２を設けたパッチアンテナ素子５１と、パッチアンテナ素子５１底面側のグラウンド導体板となる第２部分２２と、第２部分２２の下面に設けられるＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５とを有し、これらは、レドーム６０内に収容されている。第２部分２２の両側位置のリブ２３，２４には、パッチアンテナ５０が受信する電波の磁束の通りを妨げないように、パッチアンテナ素子５１のＹ軸方向に直交する両方の側面に対向する切欠２３ａ，２４ａがそれぞれ形成されている。

図１０に示すように、ＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５は、基板５５の帯状導体パターンＰ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３，Ｐ_１４（基板裏面はグラウンドパターンであり、マイクロストリップ線路を構成する）と、帯状導体パターンＰ_１１の分岐された一方のパターンと帯状導体パターンＰ_１２とを接続するチップコイルＬ_１１と、帯状導体パターンＰ_１２，Ｐ_１３を接続するチップコイルＬ_１２と、帯状導体パターンＰ_１１の分岐された他方のパターンと帯状導体パターンＰ_１４とを接続するチップコイルＬ_１３と、チップコンデンサＣ_１１，Ｃ_１２，Ｃ_１３，Ｃ_１４，Ｃ_１５，Ｃ_１６と、帯状導体パターンＰ_１２，Ｐ_１４間のチップ抵抗Ｒ_１を含む。ＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５の図１０に図示の面の裏面はグラウンドパターンであり、チップコンデンサＣ_１１は帯状導体パターンＰ_１１の分岐された一方のパターンとグラウンドパターン間に、チップコンデンサＣ_１２，Ｃ_１３は帯状導体パターンＰ_１２、グラウンドパターン間に、チップコンデンサＣ_１４は帯状導体パターンＰ_１３、グラウンドパターン間に、チップコンデンサＣ_１５は帯状導体パターンＰ_１１の分岐された他方のパターンとグラウンドパターン間に、チップコンデンサＣ_１６は帯状導体パターンＰ_１４、グラウンドパターン間にそれぞれ接続されている。２つに分岐した帯状導体パターンＰ_１１の分岐された一方側の伝送路（チップコイルＬ_１１及びチップコンデンサＣ_１１，Ｃ_１２を含む部分）と分岐された他方側の伝送路（チップコイルＬ_１３及びチップコンデンサＣ_１５，Ｃ_１６を含む部分）とが結合回路５８を構成している。また、チップコイルＬ_１２、帯状導体パターンＰ_１３、及びチップコンデンサＣ_１３，Ｃ_１４は位相調整回路５９を構成している。円偏波を受信するためにパッチアンテナ素子５１の方形導体５２に接続する２箇所の給電ピン５３ａ，５３ｂがパッチアンテナ素子５１及び第２部分２２の貫通穴２２ａ，２２ｂ（図９Ｂ）をそれぞれ貫通し、さらにＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５を貫通するように設けられており、給電部５６において、給電ピン５３ａ，５３ｂが帯状導体パターンＰ_１３，Ｐ_１４にそれぞれ接続されている。なお、ＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５の裏面のグラウンドパターンは第１板状金属２０における第２部分に重ねられて電気的に接続されることによって、第１板状金属２０がパッチアンテナ５０のグラウンドを兼ねている。ＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５にはさらにバンドバスフィルタや低雑音増幅部が設けられる場合もあるが本実施の形態では省略した。

パッチアンテナ５０に給電するための給電線路としての同軸ケーブル５７の中心導体５７ａは帯状導体パターンＰ_１１の分岐されていない側のパターンに接続され、同軸ケーブル５７の外部導体５７ｂはグラウンドパターンに接続されている。すなわち、同軸ケーブル５７は、ＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５上の結合回路５８及び位相調整回路５９を介してパッチアンテナ５０の２箇所の給電ピン５３ａ，５３ｂに電気的に接続されている。２箇所の給電ピン５３ａ，５３ｂはパッチアンテナ素子５１の方形導体５２に接続されている。

不要の結合を防止するため、ＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５の下面を覆うように、導体のシールドケース７０が基板５５底面に配置、固定されている。

同軸ケーブル４７，５７の外部導体に漏洩電流が流れるのを抑制するために、同軸ケーブル４７，５７の外周には磁気コア７５，７６（例えばフェライトコア）が設けられている（同軸ケーブル４７，５７が磁気コア７５，７６を貫通している。）。磁気コア７５，７６も好ましくはレドーム６０内に収容されている。

複合アンテナ装置１が備えるボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１０は、送信と受信の両方で動作するが、送信アンテナとして動作する場合について説明する。まず高周波信号は同軸ケーブル４７を伝搬し、次にＴＥＬアンテナ用回路基板４０上のマイクロストリップ線路を伝搬し、最後にＴＥＬ用広帯域アンテナ１０の第１及び第２板状金属２０，３０に給電され、電波として空間に放射される。

複合アンテナ装置１が備えるＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０は、受信動作を行う。まずパッチアンテナ５０が該当する衛星波を受信し、次にパッチアンテナ５０からＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５に伝搬した高周波信号は位相調整回路５９や、結合回路５８（必要に応じて設けられるバンドパスフィルタや低雑音増幅器等の回路）を経て、最後にＧＮＳＳアンテナ用回路基板５５から同軸ケーブル５７に伝搬し、外部に高周波信号が導出される。

図１２は、本実施の形態におけるボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１０のＶＳＷＲの周波数特性を示し、ＬＴＥ（Long Term Evolution）の広い周波数帯域（６９９〜３８００ＭＨｚ）にわたり、充分低いＶＳＷＲが実現できている。但し、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを接続した場合である。

複合アンテナ装置１を図１１のように配置し、Ｚ軸の＋Ｚ方向を天頂方向とすれば、ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０は、図１３のように、θ＝９０°（水平面）のθ偏波の平均利得が高くなる。なお、方位角φにおける利得の偏差は小さくなる。

図１３は、ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０のθ＝９０°（水平面）におけるθ偏波（垂直偏波）の平均利得（ｄＢic）の周波数特性を示し、ＬＴＥにおける所望の周波数帯域にわたり、充分な平均利得が確保できている。但し、平均利得（ｄＢic）は図１１の方位角φを０°から３６０°にわたって変化させたときの利得の平均値である。

図１４は、本実施の形態における低雑音増幅部を含まないＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０のＶＳＷＲの周波数特性を示し、ＧＰＳ（Global Positioning System；周波数帯１５７５.３９７〜１５７６.４４３ＭＨｚ）及びＧＬＯＮＡＳＳ（Global Navigation Satellite System；周波数帯１５９７.８０７〜１６０５.６３０５ＭＨｚ）の周波数帯にわたって充分低いＶＳＷＲが実現できている。但し、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを接続した場合である。

複合アンテナ装置１を図１１のように配置し、Ｚ軸の＋Ｚ方向を天頂方向とすれば、ＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０は、図１５、図１６のように天頂方向において右旋偏波の利得が高くなる。

図１５は、本実施の形態で示したＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０のθ＝０°における右旋偏波の軸比（ｄＢ）の周波数特性を示し、ＧＰＳ及びＧＬＯＮＡＳＳの周波数帯で充分良好な軸比が得られている。

図１６は、本実施の形態で示したＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０のθ＝０°における右旋偏波の利得（ｄＢic）の周波数特性を示し、ＧＰＳ及びＧＬＯＮＡＳＳの周波数帯で充分良好な利得が得られている。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 給電点を挟んで互いに反対方向に延びる第１導体素子としての第１板状金属２０と、第２導体素子としての第２板状金属３０とを有する、ボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１０を構成し、第１板状金属２０上にＧＮＳＳ用アンテナとしてのパッチアンテナ５０を設け、第１板状金属２０をパッチアンテナ５０のグラウンド板を兼ねるようにしたので、使用周波数帯域が広帯域で小型の複合アンテナ装置が得られる。

(2) ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０の第１板状金属２０は、給電側の第１部分２１と、この第１部分２１から直角に折り曲げられた第２部分２２とを有し、第２部分にパッチアンテナ５０を設けることで、ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０の第１及び第２板状金属２０，３０の主要部を、垂直偏波が送受信可能なように垂直配置したときに（Ｚ軸の＋Ｚ方向を天頂方向としたときに）、ＧＮＳＳ用のパッチアンテナ５０の上面（方形導体５２の配置面）は衛星からの電波受信に適したθ＝０°方向に向けることができる。

つまり、ボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１０はθ＝９０°（水平面）のθ偏波（垂直偏波）の平均利得が高く、かつ方位角φにおいて利得の偏差が小さいので、ＴＥＬ基地局の方向が図１１の方位角φのどこに存在するか不明な車載の場合などでＴＥＬ基地局との通信に有利に働く。また、ＧＮＳＳ用アンテナであるパッチアンテナ５０は、天頂方向において右旋偏波の利得が高いので、衛星波との通信に有利に働く。

(3) 第１板状金属２０の第２部分２２に、パッチアンテナ５０のＹ軸方向に離間する両側位置で＋Ｚ方向に立ち上がったリブ２３，２４が形成されているため、第１板状金属２０の全体面積を増大させて感度の向上に寄与でき、またパッチアンテナ５０のＹ軸方向に直交する両方の側面に対向するリブ２３，２４の部分に切欠２３ａ，２４ａを設けることでパッチアンテナ５０が受信する電波の磁束の通りを妨げないようにすることが可能で、パッチアンテナ５０の性能低下を回避できる。また、切欠２３ａ，２４ａの大きさによって、パッチアンテナ５０の共振周波数の調整が可能である。

(4) ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０及びパッチアンテナ５０にそれぞれ給電する同軸ケーブル４７，５７の外周に磁気コア７５，７６をそれぞれ設けることで、同軸ケーブル４７，５７の外部導体に漏洩電流が流れるのを抑制することができる。

(5) 図２や図６からわかるように、ＴＥＬ用広帯域アンテナ１０の第１板状金属２０と、ＴＥＬアンテナ用回路基板４０とを重ねて、第１板状金属２０と回路基板４０のグラウンドとを接続して一体化することで、構造の簡素化を行っている。また、このような構成にしない場合、アンテナ導体素子外の近傍に例えば基板のような導体を含む回路要素を設ける必要があるため、導体の影響でアンテナ特性を劣化させるという不都合が生じる。

図１７は給電点を挟んで互いに反対方向に延びる一対の導体素子を有するボウタイアンテナの基本形状（形状１）、及び変形例（形状２，３）を示す。ここでは、解析を簡単にするために、一対の導体素子は同一形状（合同）で、給電点に対し対称配置である場合を述べる。

図１７（ａ）の形状１は給電点を頂点に持つ三角形状であり、同図（ｂ）の形状２は三角形の頂点を挟む二辺を外側に凸となるように直線的に変形した輪郭（換言すれば、一対の導体素子相互間の対向空間面積が狭くなるようにした輪郭）、同図（ｃ）の形状３は一対の導体素子相互間の対向空間面積が狭くなるように給電点に向かって凸状に膨らんだ曲線の輪郭を有する半円形状の導体素子を示す。さらに、半楕円形状導体素子とすることも可能である。一対の導体素子相互間の対向空間面積が小さく、導体素子相互間のキャパシタンスの大きい方が広帯域にわたってより良好な帯域特性が得られる。

なお、図１７において、一対の導体素子の面積を増やす場合には、輪郭を直線にするよりも曲線を用いた方が、周波数が変化した場合に、非相似形変化に起因するインピーダンス特性の急激な変動を抑制しやすい。

図１８は形状１〜３をパラメータとしたＶＳＷＲとｄ／λ（但し、ｄ＝各導体素子の幅、ｄ／２＝各導体素子の長さ、λ＝ＴＥＬ電波の波長）との関係を示すグラフであり、ＶＳＷＲは形状１より形状２が低く安定し、さらに形状３はそれより低く安定していることがわかる。但し、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを接続した場合である。

図１９は一対の半円形状（半径を２／ｄとした半円）の導体素子を用いる形状３に対して、高さを増大させないでインダクタンス及びキャパシタンスを増加させる構成（形状３−１，３−２）を示し、実施の形態１のＴＥＬ用広帯域アンテナ１０の導体素子として採用可能なものである。

図１９（ａ）は前記形状３であって、給電点を挟んで対向する一対の導体素子８０，９０は、半円形である。図１９（ｂ）の形状３−１は一方の導体素子９０が、給電点に近い半円形の第１部分９１と、第１部分９０から略９０°乃至９０°以下の角度をなすように延在する第２部分９２とを有する構成となっている。図１９（ｃ）の形状３−２は他方の導体素子８０も、給電点に近い半円形の第１部分８１と、第１部分８０から略９０°乃至９０°以下の角度をなすように延在する第２部分８２とを有する構成となっている。

図２０は形状３，３−１，３−２をパラメータとしたＶＳＷＲとｄ／λとの関係を示すグラフであり、ＶＳＷＲは形状３より形状３−１が低い周波数域まで低く安定し、形状３−２はさらにそれより低い周波数域まで低く安定していることがわかる。但し、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを接続した場合である。

図２１から図２８は、本発明に係るアンテナ装置の実施の形態２であって、ボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１００を備えるアンテナ装置２を示す。説明の便宜上、図２１及び図２９Ｂのように、アンテナ装置２に対して直交三軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義する。また、図２９Ｂにおいて、Ｚ軸と観測点とのなす角をθ°とし、観測点からＸＹ平面に下した垂線とＸＹ平面との交点と原点とを結ぶ直線がＸ軸となす角を方位角φとする。

ボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１００は、給電点１４５を挟んで互いに反対方向に延びる第１導体素子としての第１板状金属１２０及び第２導体素子としての第２板状金属１３０と、広帯域アンテナ用回路基板してのＴＥＬアンテナ用回路基板４０（実施の形態１の図９Ａと同構造）とを含む。

第１板状金属１２０は、給電点１４５から＋Ｚ方向に伸び、ＸＺ平面と略平行な、給電点１４５を頂点とする略半円若しくは略半楕円形状の第１部分１２１と、この第１部分２１からＸＹ平面に略平行になるように−Ｙ方向に折り曲げられて延在する第２部分１２２と、さらに第２部分から−Ｚ方向に折り曲げられて延在する第３部分１２３とを有する。

第２板状金属１３０は、給電点１４５を挟んで第１板状金属１２０と対称的な構造であり、給電点から−Ｚ方向に伸び、ＸＺ平面と略平行な、給電点１４５を頂点とする半円若しくは半楕円に近似した形状の第１部分１３１と、この第１部分１３１からＸＹ平面に略平行になるように−Ｙ方向に折り曲げられて延在する第２部分１３２と、さらに第２部分から＋Ｚ方向に折り曲げられて延在する第３部分１３３とを有する。

ＴＥＬ用広帯域アンテナ１００の第１板状金属１２０及び第２板状金属１３０は電波を透過させる樹脂製のレドーム１６０に固定される。第１板状金属１２０及び第２板状金属１３０の給電側には図９ＡのＴＥＬアンテナ用回路基板４０が接続されており、第１及び第２板状金属１２０，１３０及びＴＥＬアンテナ用回路基板４０はレドーム１６０内に収容されている。

インピーダンス整合のためのＴＥＬアンテナ用回路基板４０は実施の形態１の図９Ａに示した通りであり、整合回路が搭載されており、ＴＥＬアンテナ用回路基板４０の整合回路を介してＴＥＬ用広帯域アンテナ１００と同軸ケーブル４７とが接続されている。すなわち、同軸ケーブル４７は、整合回路４１を介して図２９Ａの第１板状金属１２０の給電側端部１２０ａ及び第２板状金属１３０の給電側端部１３０ａに接続される。図２２や図２４からわかるように、ＴＥＬ用広帯域アンテナ１００の第１板状金属１２０と、ＴＥＬアンテナ用回路基板４０とは重ねられ、第１板状金属１２０と回路基板４０のグラウンドとが接続されて一体化されている。

同軸ケーブル４７の外部導体に漏洩電流が流れるのを抑制するために、同軸ケーブル４７の外周には磁気コア７５（例えばフェライトコア）が設けられている。磁気コア７５も好ましくはレドーム１６０内に収容される。

図３０は、実施の形態２におけるボウタイアンテナを基にしたＴＥＬ用広帯域アンテナ１００のＶＳＷＲの周波数特性を示し、ＬＴＥの広い周波数帯域にわたり、充分低いＶＳＷＲが実現できている。但し、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを接続した場合である。

実施の形態２のアンテナ装置２を図２９Ｂのように配置し、Ｚ軸の＋Ｚ方向を天頂方向とすれば、ＴＥＬ用広帯域アンテナ１００は、図３１のように、θ＝９０°（水平面）のθ偏波の平均利得が高くなる。なお、方位角φにおける利得の偏差は小さくなる。

図３１は、ＴＥＬ用広帯域アンテナ１００のθ＝９０°（水平面）におけるθ偏波（垂直偏波）の平均利得（ｄＢic）の周波数特性を示し、ＬＴＥの周波数帯域にわたり、充分な平均利得が確保できている。但し、平均利得（ｄＢic）は図２９Ｂの方位角φを０°から３６０°にわたって変化させたときの利得の平均値である。

実施の形態２に示すアンテナ装置２の構成によれば、給電点１４５を挟んで反対側に延びる第１及び第２板状金属１２０，１３０の第１部分１２１，１３１を、給電点１４５に向かって凸状に膨らんだ曲線の輪郭を有する略半円若しくは略半楕円形状とし、さらに第１部分１２１，１３１から折り曲げられた第２部分１２２，１３２及び第３部分１２３，１３３を有することで、キャパシタンス及びインダクタンスを増加させることができ、いっそう低い周波数域での特性改善が得られ、アンテナ装置２の外形の低背化が可能になる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

上記各実施の形態のアンテナ装置を車載用とする場合、図１、図１１及び図２９ＢのＸＹ平面が水平面に、Ｚ軸における＋Ｚ方向を天頂方向に配置するのが普通であるが、このようなアンテナ装置の配置に限定されず、用途に応じて変更可能である。

上記各実施の形態では、ボウタイアンテナを基にする広帯域アンテナの導体素子としての板状金属は、第１部分に対して第２部分を折曲して形成されている場合を例示したが、第１部分と第２部分との間を湾曲させて形成してもよい。上記実施の形態２の場合における第２部分と第３部分との間も湾曲させて形成しても差し支えない。

上記実施の形態１では、ボウタイアンテナを基にする広帯域アンテナ１０の導体素子の主要部はＺ軸方向に沿った配置で、パッチアンテナ５０はＺ軸に略直交する平面に配置したが、広帯域アンテナ１０とパッチアンテナ５０の配置角度の設定は任意である。

上記実施の形態２では第１及び第２板状金属２００，３００が略同一形状であるが、一方が例えば延在部分を持たない図１７の形状１〜３等であってもよい。

各実施の形態におけるＴＥＬアンテナ用回路基板やＧＮＳＳ用アンテナ回路基板の回路構成は一例であって、その回路構成は適宜変更可能である。

１ 複合アンテナ装置
２ アンテナ装置
１０，１００ ＴＥＬ用広帯域アンテナ
２０，１２０ 第１板状金属
２１，１２１，１３１ 第１部分
２２，１２２，１３２ 第２部分
２３，２４ リブ
２３ａ，２４ａ 切欠
３０，１３０ 第２板状金属
４０ ＴＥＬアンテナ用回路基板
４１ 整合回路
４５，１４５ 給電点
４７，５７ 同軸ケーブル
５０ パッチアンテナ
５１ パッチアンテナ素子
５５ ＧＮＳＳアンテナ用回路基板
６０，１６０ レドーム
７０ シールドケース

Claims (1)

1. 給電点を挟んで互いに反対方向に延びる第１導体素子及び第２導体素子を有するボウタイアンテナを基とした広帯域アンテナを備え、
   前記広帯域アンテナと、前記広帯域アンテナに給電する同軸ケーブルとの間に広帯域アンテナ用回路基板が介在しており、前記広帯域アンテナ用回路基板のグラウンドが前記第１又は第２導体素子に重ねて接続されて一体化され、
   前記第１導体素子と前記第２導体素子は、互いに異なる形状で、前記給電点に対し非対称配置であり、
   前記第１及び第２導体素子の少なくとも一方は、前記第１及び第２導体素子相互間の対向空間面積が狭くなるように前記給電点に向かって凸となる曲線の輪郭を有し、
   前記第１導体素子及び前記第２導体素子はそれぞれ板状金属であり、
   直交三軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とした場合に、
   前記第１導体素子は、前記給電点から＋Ｚ方向に伸びＸＺ平面と略平行な部分を有し、かつ前記第２導体素子は、前記給電点から−Ｚ方向に伸びＸＺ平面と略平行な部分を有し、
   前記第１導体素子、前記第２導体素子の一方若しくは両方が、前記給電点に近い第１部分と、
   前記第１部分に対して非平行となる領域を有するように、前記第１部分から折り曲げられて延在する第２部分と、を有するアンテナ装置。

Images