(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の窓ガラスにアンテナ導体を設けて成るアンテナを有し、該アンテナの給電部からインピーダンスマッチング回路を介して給電線により給電する車両用ガラスアンテナにおいて、
前記アンテナのインピーダンスＺ1 は、その絶対値が送受信電波の全域にわたり給電線の特性インピーダンス以上に調整され、
前記インピーダンスマッチング回路は、該インピーダンスマッチング回路の入力インピーダンスＺ2を前記給電線の特性インピーダンスよりも高く設定すべくステップアップトランスの機能を有し、前記給電線が接続された並列共振回路を含み、
前記アンテナのインピーダンスＺ1と前記インピーダンスマッチング回路の入力インピーダンスＺ2との差を一定としつつ、Ｚ1＞Ｚ2、かつ、前記アンテナのインピーダンスＺ1と前記マッチング回路の入力インピーダンスＺ2との和が大きくなるように前記マッチング回路の入力インピーダンスＺ2が設定されている、
ことを特徴とする車両用ガラスアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車などの車両用窓ガラスに設けたガラスアンテナに関し、特に受信回路とのインピーダンスマッチングを効果的にとれるようにしたガラスアンテナ及びマッチング回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アンテナは同軸ケーブルなどのフィーダとのマッチングが取れないと反射波を生じ伝送効率が悪くなるので、アンテナのインピーダンスは給電線の特性インピーダンスに近似させる努力がされている。
しかしながら、実際にはＦＭラジオ放送波、ＴＶ放送波などを受信する広帯域のアンテナはその帯域全般にわたりインピーダンスを前記の値に調整することは困難であり、後述する比較例におけるスミスチャート（図５）で示すように最適に調整しても高抵抗側か、低抵抗側にシフトしてしまうのが実情であった。
【０００３】
また、特開平２−２３９７０１号などに示されるように、インピーダンスマッチング回路を設けて調整する試みもされているが、アンテナのインピーダンスを給電線の特性インピーダンス、例えば７５Ω近傍に調整するとともに、マッチング回路でもその出力インピーダンスを７５Ω近傍に調整するものであるが、特定の周波数ではマッチングできるにしても、広範囲にわたりマッチングを計ることが困難であった。
【０００４】
更に上記マッチング回路としては、一般にタップ付きコイルが知られているが、高いインピーダンスを低いインピーダンスに変換する場合、使用されるコイルの透磁率に伴うコイル自体の損失に加え、変換するインピーダンス比に伴う損失が加わり変換損失が大きくなる。
インピーダンス変換損失（Ｒ）＝１０ｌｏｇ１０（変換後のインピーダンス／変換前  のインピーダンス）−コイルの持つ挿入損失
例えば、３００Ωから７５Ωに変換する時は、Ｒ＝−６ｄＢ−（コイルの持つ損失）
これはコイルがステップダウントランスとして作用していると考えることで理解ができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、上述したようにアンテナのインピーダンスは給電線の特性インピーダンス、例えば同軸ケーブルを使用する場合に７５Ω近傍に調整できたら問題ないが、７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚのＦＭラジオ放送波を受信する場合において、例えば後述する比較例における図４に示すガラスアンテナを最適に調整しても、そのインピーダンスは図５に示すように一部で近接することができても全体にわたり近接させることは困難であり、さらにインピーダンスマッチング回路を挿入し、インピーダンスを調整しても図６に示すように特性インピーダンスに十分近似させることができなかった。
【０００６】
また、接続されるガラスのアンテナ側のインピーダンスが１ｋΩと高い場合には、従来のタップ付きコイルでインピーダンス変換を実施し、７５Ωとすると前記式より、インピーダンス変換損失Ｒは、約−１１ｄＢも発生してしまう（コイル自体の損失を含めず）。これは供給される信号の周波数を８３ＭＨｚと考えると図でのＬ１０１のインダクタンスを０．４１μＨとした場合、コイルのインピーダンスは、ＺＬ＝ωＬよりＺＬＪ＝２１４Ωとなり図のようになる。
Ｌ１０１の両端電圧ＶＲＬＪは、０．１８倍となってしまい、さらにインピーダンス変換比分が損失として加わり、コイル自体の損失を含めずに約−１１ｄＢの損失となってしまうのである。
【０００７】
本発明の目的は受信機側の入力インピーダンスと異なったアンテナをマッチング回路を組み合わせて、効率的なインピーダンス変換を行ってチューニングが容易で、しかも広範囲にわたりインピーダンス整合を行うことができ、伝送損失の少ないガラスアンテナを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、車両の窓ガラスにアンテナ導体を設けて成るアンテナを有し、該アンテナの給電部からインピーダンスマッチング回路を介して給電線により給電する車両用ガラスアンテナにおいて、前記アンテナのインピーダンスＺ1は、その絶対値が送受信電波の全域にわたり給電線の特性インピーダンス以上に調整され、前記インピーダンスマッチング回路は、該インピーダンスマッチング回路の入力インピーダンスＺ2を前記給電線の特性インピーダンスよりも高く設定すべくステップアップトランスの機能を有し、前記給電線が接続された並列共振回路を含み、前記アンテナのインピーダンスＺ1と前記インピーダンスマッチング回路の入力インピーダンスＺ2との差を一定としつつ、Ｚ1＞Ｚ2、かつ、前記アンテナのインピーダンスＺ1と前記マッチング回路の入力インピーダンスＺ2との和が大きくなるように前記マッチング回路の入力インピーダンスＺ2が設定されている、ことを要旨とする。
【０００９】
【作用】
ガラスアンテナは、そのインピーダンスＺ1の絶対値が送受信電波の全域にわたり給電線の特性インピーダンス以上に調整されており、しかもインピーダンスマッチング回路は、並列共振回路により入力インピーダンスＺ2を給電線の特性インピーダンスよりも高く設定され、アンテナのインピーダンスＺ1とインピーダンスマッチング回路の入力インピーダンスＺ2との差を一定としつつ、Ｚ1＞Ｚ2、かつ、アンテナのインピーダンスＺ1とマッチング回路の入力インピーダンスＺ2との和が大きくなるようにマッチング回路の入力インピーダンスＺ2が設定されているので、これにより受信機側のインピーダンスにマッチングするように効率的にインピーダンス変換される。
【００１０】
【実施例】
以下図面を参照して本発明を更に詳述する。
本発明はインピーダンスマッチング回路を挿入したアンテナにおいて、アンテナのインピーダンスを高めに調整することによりインピーダンス整合を容易に行うことができることを見出してなされたものであり、具体的にはアンテナのインピーダンスはその絶対値が送受信電波の全域にわたりスミスチャートにおける給電線の特性インピーダンス以上、好ましくはスミスチャートにおいて、給電線の特性インピーダンスの等抵抗線で作られる円の内部にあるように調整することにより広範囲にわたりインピーダンス整合を可能にするものである。
【００１１】
インピーダンスを高めに調整することにより、アンテナと給電線との不整合による反射の度合いを示す反射係数ΓはガラスアンテナのインピーダンスをＺ１、マッチング回路の入力インピーダンスＺ２としたときにΓ＝（Ｚ１−Ｚ２）／（Ｚ１＋Ｚ２）となり、分子のＺ１−Ｚ２が０になれば、Γも０になり反射は起こらないが、実際には０にはならず、マッチング回路の入力インピーダンスＺ２を７５Ω（給電線の特性インピーダンス）としたときに、アンテナのインピーダンスを２５Ω（７５Ωとの差は５０Ω）に調整すると反射係数は０．５であるが、アンテナのインピーダンスを１２５Ω（７５Ωとの差は５０Ω）にすると反射係数は０．２５となり７５Ωとの差が同じように調整しても７５Ωより高めに調整した方が反射係数が低くなることがわかる。また、マッチング回路の入力インピーダンスＺ２を２００Ωとしたときに、アンテナのインピーダンスを１５０Ω（２００Ωとの差５０Ω）に調整すると反射係数Γは０．１４となり、アンテナのインピーダンスを２５０Ω（２００Ωとの差は５０Ω）に調整すると反射係数Γは０．１１となり、同じ差になるように調整してもガラスアンテナのインピーダンスＺ１を高めに、さらにマッチング回路の入力インピーダンスＺ２も高めに調整すれば、Γの分母が大きくなりΓ自身は小さくすることができる。
【００１２】
また、定在波比（以下、ＳＷＲと略称する）も（１＋Γ）／（１−Γ）となるので、調整しようとする抵抗、例えばマッチング回路のインピーダンスとの差が一定であれば、アンテナのインピーダンスを高めに設定した方がＳＷＲは小さくなり、インピーダンスを低めにした場合に比較して整合され易くなり、ひいては広帯域にわたり受信利得を向上させることができる。さらにこの傾向はマッチング回路のインピーダンスを高めにすると増幅される。
【００１３】
次に本発明のガラスアンテナの各実施例から説明する。
図１、図７、図１０、図１３は、それぞれ本発明のガラスアンテナを自動車用後部窓ガラスに設けた実施例１〜実施例４を示す正面図であり、図４は比較例を示す正面図、図２と図３はそれぞれ実施例１におけるアンテナ単体のインピーダンスとインピーダンスマッチング回路の出力インピーダンスを示すスミスチャート、図５と図６は比較例におけるアンテナとインピーダンスマッチング回路の出力インピーダンスを示すスミスチャート、図８と図９はそれぞれ実施例２におけるアンテナとインピーダンスマッチング回路の出力インピーダンスを示すスミスチャート、図１１と図１２はそれぞれ実施例３におけるアンテナとインピーダンスマッチング回路の出力インピーダンスを示すスミスチャート、図１４と図１５はそれぞれ実施例４におけるアンテナとインピーダンスマッチング回路の出力インピーダンスを示すスミスチャートである。
【００１４】
実施例１
単板ガラスを自動車の後部窓ガラスに装着し、防曇用加熱線条上部の余白部にガラスアンテナを設けた例で、図１に示すように板ガラス１の車内側には、防曇用加熱線条２，２，…，２、ブスバー３，３とともに、ＦＭラジオ放送波受信用のアンテナ４と給電点５を導電ペーストによりスクリーン印刷、焼成して形成する。
給電点５の近傍には並列共振回路とタップ付きコイルなどを具えたマッチング回路６を設け、同軸ケーブル７を介してラジオ受信機８などに接続される。
【００１５】
このようにして得られた車両用ガラスアンテナの各部の寸法をＡ１＝１１２０ｍｍ、Ａ２＝１４２０ｍｍ、Ｂ＝６９０ｍｍ、ａ１＝ａ２＝５００ｍｍ、ｂ＝９５ｍｍ、ｃ＝２５０ｍｍ、ｄ＝５００ｍｍ、ｅ＝３０ｍｍ、ｆ＝５５５ｍｍ、ｇ＝３５ｍｍ、ｈ＝９５５ｍｍ、ｉ＝４３ｍｍ、ｊ＝１０ｍｍ、としたものによって７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚのＦＭラジオ放送波におけるアンテナのインピーダンスを測定したところ、図２のスミスチャートに示すようになり、全ての帯域で絶対値が特性インピーダンスの７５Ω以上であり、しかも特性インピーダンスの等抵抗線で形成される円の内部にあるように調整されていることがわかる。
【００１６】
マッチング回路６ではさらにインピーダンス調整が行われ、その出力インピーダンスを測定したところ図３のスミスチャートに示すように、中心部分、すなわち同軸ケーブルの特性インピーダンス（７５＋ｊ０）Ωに極めて近似しており、受信利得も標準のダイポールアンテナの受信利得を０ｄＢとしたときの利得差（以下、ダイポール比と略称する）で示すと平均で−１６．６ｄＢとなり従来の実用に供されている良好な車両用ガラスアンテナの受信利得が約−２０ｄＢであるので格段に向上していることがわかる。
【００１７】
比較例
図４に示す比較例はガラスアンテナの一部の形状を変え、ａ１＝ａ２＝４００ｍｍ、ｂ＝９５ｍｍ、ｃ＝１８０ｍｍ、ｄ＝４８０ｍｍ、ｅ＝３０ｍｍ、ｆ＝４００ｍ、ｇ＝３５ｍｍ、ｈ＝８００ｍｍ、ｉ＝４５ｍｍ、ｊ＝１０ｍｍとした以外は実施例１と同じ構成、寸法にしたものであるが、アンテナのインピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスに近似させるように調整した例である。
【００１８】
７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚにおけるアンテナのインピーダンスを測定したところ、図５のスミスチャートに示すようになり、一部でインピーダンスの絶対値が特性インピーダンスに近似してはいるが、大きく変化して、アンテナのインピーダンスの絶対値が７５Ω以下のものがあり、さらに特性インピーダンスの等抵抗線で形成される円の内部をほとんど外れており実施例１と同じマッチング回路を接続してインピーダンス調整を行っても、その出力インピーダンスは図６のスミスチャートに示すように、中心部分から外れており、受信利得もダイポールアンテナ比で−１９．５ｄＢであり実施例１に比較して格段に劣る。
【００１９】
実施例２
図７に示す実施例２は防曇用加熱線条２の下部余白部にガラスアンテナ４を設けた例で、各部の寸法を、ｋ＝６００ｍｍ、ｌ＝１０ｍｍ、ｍ＝２０ｍｍ、ｎ＝５００ｍｍとしたものによって７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚにおけるアンテナのインピーダンスを測定したところ、図８のスミスチャートに示すようになり、全ての帯域で絶対値が特性インピーダンスの７５Ω以上であり、しかも帯域インピーダンスがほぼ特性インピーダンスの等抵抗線で形成される円の内部にあるように調整されていることがわかる。
【００２０】
マッチング回路６ではさらにインピーダンス調整が行われ、その出力インピーダンスを測定したところ図９のスミスチャートに示すように、中心部分、すなわち同軸ケーブルの特性インピーダンス（７５＋ｊ０）Ωに極めて近似しており、受信利得もダイポールアンテナ比で示すと平均で−１８．８ｄＢとなり、加熱線条上部余白部に設けたアンテナ並の利得が得られ、従来の実用に供されている加熱線条下部の車両用ガラスアンテナの受信利得が約−２２ｄＢであるので格段に向上していることがわかる。
【００２１】
実施例３
図１０に示す実施例３は防曇用加熱線条２の上部余白部とブスバー３の外側にガラスアンテナ４を設けた例で、各部の寸法を、Ａ１＝１１２０ｍｍ、Ａ２＝１４２０ｍｍ、Ｂ＝６９０ｍｍ、ｏ＝３４０ｍｍ、ｐ＝４０ｍｍ、ｑ＝１０ｍｍ、ｒ＝３８０ｍｍ、ｓ＝１５ｍｍ、ｔ＝５ｍｍとしたものによって７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚにおけるアンテナのインピーダンスを測定したところ、図１１のスミスチャートに示すようになり、全ての帯域で絶対値が特性インピーダンスの７５Ω以上であり、しかも特性インピーダンスの等抵抗線で形成される円の内部にあるように調整されていることがわかる。
【００２２】
マッチング回路６ではさらにインピーダンス調整が行われ、その出力インピーダンスを測定したところ図１２のスミスチャートに示すように、中心部分、すなわち同軸ケーブルの特性インピーダンス（７５＋ｊ０）Ωに極めて近似しており、受信利得も標準のダイポールアンテナの受信利得を０ｄＢとしたときの利得差（以下、ダイポール比と略称する）で示すと平均で−１９．６ｄＢとなり狭い場所に設けたアンテナにもかかわらず、加熱線条上部のアンテナ並の高利得が得られた。
【００２３】
実施例４
図１３に示す実施例４は防曇用加熱線条２の上部余白部に長さｕが２５０ｍｍの水平線条をガラスアンテナ４（防曇用加熱線条が主として作用）として設け、ブスバー３と接続した例であり、このようなアンテナによって７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚにおけるアンテナのインピーダンスを測定したところ、図１４のスミスチャートに示すようになり、全ての帯域で絶対値が特性インピーダンスの７５Ω以上であり、しかも特性インピーダンスの等抵抗線で形成される円の内部にあるように調整されていることがわかる。
【００２４】
マッチング回路６ではさらにインピーダンス調整が行われ、その出力インピーダンスを測定したところ図１５のスミスチャートに示すように、中心部分、すなわち同軸ケーブルの特性インピーダンス（７５＋ｊ０）Ωに極めて近似しており、受信利得もダイポールアンテナの受信利得を０ｄＢとしたときの利得差（以下、ダイポール比と略称する）で示すと平均で−１９．３ｄＢとなり、アンテナの専有面積がきわめて小さいにもかかわらず、加熱線条上部のアンテナ並の高利得が得られた。
【００２５】
以上、好適な実施例により説明したが、本発明のガラスアンテナはこれらに限定されるものではなく、種々の応用が可能である。
アンテナについては、各種のアンテナが使用可能であり、設ける場所も後部窓ガラス以外にも、前部窓ガラスあるいは側部窓ガラスに設けたガラスアンテナについても同様の効果が期待できる。また、スクリーン印刷により形成した線条アンテナ以外にも、合わせガラスを使用する場合に銅線などの金属細線を中間膜に埋め込んだアンテナ、あるいは導電膜により形成した帯状のアンテナであってもよい。
また実施例で示したアンテナ以外に、窓ガラスに設けたアンテナあるいはポールアンテナなどとダイバーシティ受信をしても勿論よい。
【００２６】
次に図１６は本発明のガラスアンテナにおいて使用されるマッチング回路の一構成例を示す。同図において、ＡはＦＭアンテナ用マッチング回路部でＬ１０１はタップ付きインピーダンス変換用コイルで、インピーダンスの変換ロスを最小限小さく抑えるため通常のコイルのＱ（３０程度）に比べ高いＱ（例えば１００）のコイルを使用する。共振回路でコイルのＱが高いと共振点でのインピーダンスが高くなり、コイル端子間での電圧が高くなり、ロスを抑えることができる。Ｃ１０２は該コイルＬ１０１と組み合わせて並列共振回路を構成するためのコンデンサ、Ｃ１０１はガラスアンテナＡＮＴを並列共振回路に接続するためのコンデンサ、Ｃ１０３は希望帯以外より低い周波数成分をカットするためのコンデンサであり、帯域外でインピーダンスが高くなるような容量のものを使用する。ＢはＡＭ増幅器である。
【００２７】
なおＣ１０１は、Ｃ１０２とＬ１０１により生じる共振インピーダンスを接続するガラスのインピーダンスと分離し、ガラスとの接続により影響が生じ低くなることを抑えるために、希望する帯域で充分高いインピーダンスとなる低容量のコンデンサを使用する必要がある。更にＣ１０３及びＣ１０１はＡＭ増幅器Ｂとマッチング回路との帯域分離の作用も果たしている。
【００２８】
図１６のマッチング回路においては、タップ付きコイルＬ１０１に並列にコンデンサＣ１０２を組合せ入力と出力にインピーダンス調整用のコンデンサＣ１０１，Ｃ１０３を接続することにより、図１７に示すように変換損失を従来のマッチング回路に対し、共振点近くにおいて電圧が高くなり、変換損失を大幅に低減させている。この並列共振回路を並列共振させることにより、タップダウンに伴う損失をキャンセルさせ変換損失を低減させることができる。
【００２９】
図１６のマッチング回路では、図１８に示すようにＬ１０１とＣ１０２による並列共振回路のインピーダンスＺＬは非常に大きいため、共振点近くにおいて電圧が高くなり、並列共振回路のタップ電圧ＶＲＬＫは、信号源（アンテナ）より発生される電圧と同一となる。ここでインピーダンスの変換比率は、従来タイプのマッチング回路と同一のため、従来タイプに対しては、約５．６倍の改善が計られることになる。これは、ｄＢ表示で、１５ｄＢの改善となり、インピーダンス変換ロスは、Ｒ＝＋４ｄＢ−（コイルの持つ挿入損失）となるのである。
【００３０】
次に低いインピーダンスより高いインピーダンスへの変換を考えてみる。
供給される信号の周波数を８３ＭＨｚとし、インダクタンスを０．４１μＨと考えた場合には、図１９に示すようにＺＬ＝２１４Ωであり、両端電圧ＶＲＬＪは、０．１８倍である。
但し、この場合には、コイルＬ１０１がステップアップトランスとして働き、インピーダンス変換比分電圧の上昇が望める。
同様に、図１６のマッチング回路では、０．１８倍の損失を考えずにインピーダンス変換比分の電圧の上昇が望めることになるのである。
【００３１】
なお、Ｌ１０１のコイルタップ位置はＣ１０２とＬ１０１による共振インピーダンスが非常に高いため、低い位置より引き出される。ガラスのインピーダンスは受信機入力インピーダンスに比べれば高い値となっているが、Ｃ１０２とＬ１０１による共振回路のインピーダンスは更に非常に高いインピーダンスのため、Ｌ１０１のコイルタップ位置が低い状態でも充分に変換ロスを小さく抑えることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のガラスアンテナはチューニングが容易であり、しかも広帯域の電波に対してインピーダンス整合をとることができ、受信利得を格段に向上させうる。しかも使用するマッチング回路はタップ付きコイルを一構成要素とする並列共振回路で構成しているので高効率のインピーダンス変換を行うことができ、回路構成も簡単で、受動素子のみを用いているから極めて安価である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラスアンテナの第１の実施例を示す概略図である。
【図２】上記ガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図３】上記ガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図４】比較例としてのガラスアンテナを示す概略図である。
【図５】図４のガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図６】図４のガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図７】本発明のガラスアンテナの第２の実施例を示す概略図である。
【図８】図７のガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図９】図７のガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図１０】本発明のガラスアンテナの第３の実施例を示す概略図である。
【図１１】図１０のガラスアンテナの周波数特性を示す概略図である。
【図１２】図１０のガラスアンテナの周波数特性を示す概略図である。
【図１３】本発明のガラスアンテナの第４の実施例を示す概略図である。
【図１４】図１３のガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図１５】図１３のガラスアンテナの周波数特性を示すスミスチャートである。
【図１６】本発明のガラスアンテナに使用されるインピーダンスマッチング回路の一構成例を示す回路図である。
【図１７】図１６の回路の周波数特性図である。
【図１８】図１６の回路の等価回路図である。
【図１９】図１６の回路の等価回路図である。
【符号の説明】
１  板ガラス
２  加熱線条
３  ブスバー
４  アンテナ
５  給電点
６  マッチング回路
７  同軸ケーブル
Ｌ１０１  タップ付きインピーダンス変換用コイル
Ｃ１０１〜Ｃ１０３  コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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