(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２孔が設けられた平板地導体と、
中央に第３孔が設けられ、平板地導体と概略平行に設置される四角い第１平板放射導体と、
平板地導体の第２孔の周縁と第１平板放射導体の第３孔の周縁とを短絡する筒導体と、
平板地導体から離間し、平板地導体の第１孔の中を通って第１平板放射導体の第１給電点に接続される第１給電線と、を備えた車両用アンテナ装置であって、
筒導体の中心は、第１平板放射導体の一つの対辺の各中央を結ぶＸ方向中心線上の中心位置に配置され、
第１の給電点は、Ｘ方向中心線上に筒導体の中心から離間して配置され、
第１平板放射導体は、Ｘ方向の長さが、第１平板放射導体がその中央を電圧の節としてＸ方向の高次モードで共振する長さの垂直偏波用の放射導体であり、
第１平板放射導体のＸ方向が車両の前後方向となるように車両に搭載されること、
を特徴とする車両用アンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用アンテナ装置であって、
第１平板放射導体の平板地導体とは反対側に概略平行に設置される円偏波用の第２平板放射導体と、
平板地導体と第１平板放射導体と筒導体とから離間し、平板地導体の第２孔と第１平板放射導体の第３孔及び筒導体の中を通って第２平板放射導体の第２給電点に接続される第２給電線と、を備え、
第２平板放射導体は第１平板放射導体よりも小さく、第１平板放射導体からはみ出さないよう設置されていること、
を特徴とする車両用アンテナ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の車両用アンテナ装置であって、
第２平板放射導体の第２給電点から第１平板放射導体の第１給電点に沿った方向及びその直角方向の長さは、第２平板放射導体が１次モードで共振する長さであること、
を特徴とする車両用アンテナ装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の車両用アンテナ装置であって、
第１平板放射導体と第２平板放射導体とは共通の共振周波数を備えていること、
を特徴とする車両用アンテナ装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用アンテナ装置であって、
第１平板放射導体は車車間通信用であること、
を特徴とする車両用アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用アンテナ装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車には自動車外部との通信において電波の送受信を行うことが必要な様々な装置が搭載されている。これらの装置には、例えば、高度道路交通システム（ＩＴＳ、Intelligent Transport System）の１つであるノンストップ料金自動支払いシステム（ＥＴＣ、Electronic Toll Collection System）や、カーナビゲーションシステムに用いられる道路交通情報システム（ＶＩＣＳ、Vehicle Information and Communication System）、や衛星測位システム（ＧＰＳ、Global Positioning System）等に用いられる通信装置、車載電話、ＡＭ、ＦＭラジオなどがある。また、近年、自動車の安全のために、自動車相互の位置或いは走行状態などを相互に通信する車車間通信システムが搭載されるようになってきている。
【０００３】
このような各種の通信システムは、対応する周波数帯域や変調方式が異なるため、それぞれの通信システムに専用のアンテナをつけることが望ましいが、自動車の搭載スペースは限られている上、車外にアンテナを設置することは美観や意匠から制限される場合が多い。
【０００４】
そこで、複数のアンテナを共用化したり、より小さなスペースに複数のアンテナを設置したりすることが提案されている。例えば、特許文献１には、複数の周波数で動作する２つの放射素子であるパッチを重ねて配置し、２つの周波数帯において動作すると共に、アンテナ高さを低く抑えるようにした積層パッチアンテナが提案されている。
【０００５】
また、自動車に搭載される各種の通信システムは、対応する偏波が異なる場合が多い。例えば、ＥＴＣシステムは円偏波で高仰角方向の指向性の電波が用いられ、車車間通信システムは垂直偏波で低仰角方向の指向性の電波が用いられる。特許文献１に記載されているパッチアンテナは上下方向の指向性が高いことから、円偏波で高仰角方向の指向性の電波を用いるＥＴＣなどのシステムに適用することができるが、垂直偏波で低仰角方向の指向性の電波を用いる車車間通信システム用としては用いることができず、複数のアンテナが必要となる。このため、特許文献２には、円偏波用のパッチアンテナと接地導体に対して垂直に立設された放射エレメントからなる垂直偏波用アンテナとを接続して円偏波の電波と垂直偏波の電波の２つの偏波の電波に対応することができる２偏波共用アンテナが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１５８５３５号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２に記載された従来技術の２偏波共用アンテナは、円偏波の電波に対応するための平板のパッチと垂直偏波の電波に対応するために地導体から垂直に立ち上がった放射エレメントとを備えていることから、アンテナ全体が大きくなってしまい自動車の狭いアンテナ設置スペースに搭載することができないという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、垂直偏波の電波に対応することができる高さの低いアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の車両用アンテナ装置は、第１および第２孔が設けられた平板地導体と、中央に第３孔が設けられ、平板地導体と概略平行に設置される四角い第１平板放射導体と、平板地導体の第２孔の周縁と第１平板放射導体の第３孔の周縁とを短絡する筒導体と、平板地導体から離間し、平板地導体の第１孔の中を通って第１平板放射導体の第１給電点に接続される第１給電線と、を備えた車両用アンテナ装置であって、筒導体の中心は、第１平板放射導体の一つの対辺の各中央を結ぶＸ方向中心線上の中心位置に配置され、第１の給電点は、Ｘ方向中心線上に筒導体の中心から離間して配置され、第１平板放射導体は、Ｘ方向の長さが、第１平板放射導体がその中央を電圧の節としてＸ方向の高次モードで共振する長さの垂直偏波用の放射導体であり、第１平板放射導体のＸ方向が車両の前後方向となるように車両に搭載されること、を特徴とする。
【００１０】
本発明の車両用アンテナ装置において、第１平板放射導体の平板地導体とは反対側に概略平行に設置される円偏波用の第２平板放射導体と、平板地導体と第１平板放射導体と筒導体とから離間し、平板地導体の第２孔と第１平板放射導体の第３孔及び筒導体の中を通って第２平板放射導体の第２給電点に接続される第２給電線と、を備え、第２平板放射導体は第１平板放射導体よりも小さく、第１平板放射導体からはみ出さないよう設置されていること、としても好適であるし、第２平板放射導体の第２給電点から第１平板放射導体の第１給電点に沿った方向及びその直角方向の長さは、第２平板放射導体が１次モードで共振する長さであること、としても好適であるし、第１平板放射導体と第２平板放射導体とは共通の共振周波数を備えていること、としても好適であるし、第１平板放射導体は車車間通信用であること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、垂直偏波の電波に対応することができる高さの低いアンテナ装置を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１、図２（ａ）に示す車両用アンテナ装置１０は図示しない車両に搭載されており、図１、図２（ａ）おいて、Ｘは車両の前後方向を示し、Ｙは車両の幅方向を示し、Ｚは車両の高さ方向を示す。Ｚ方向の矢印の向きは車両の上方向となる。図１に示すように、本実施形態の車両用アンテナ装置１０は、平板地導体である地導体１１と、地導体１１の上に配置された誘電体４１と、誘電体４１の上に設置された第１平板放射導体である車車間通信用放射導体２１と、車車間通信用放射導体２１の上に設けられた誘電体４３と、誘電体４３の上に設けられた第２放射導体であるＥＴＣ通信用放射導体３１と、車車間通信用放射導体２１の中央と地導体１１の中央とを短絡する筒導体２５と、同軸ケーブルの内導体であって、車車間通信用放射導体２１の給電点２７に給電する給電線２９と、ＥＴＣ通信用放射導体３１の給電点３３に給電する給電線３５と、地導体１１の下面側に接続された各給電線２９，３５の外導体４５，４７とを備えている。誘電体４１は、地導体１１と車車間通信用放射導体２１とを略平行に保持するよう厚さは一様であり、誘電体４３も誘電体４１と同様に、車車間通信用放射導体２１とＥＴＣ通信用放射導体３１及び地導体１１とを略平行に保持するように車車間通信用放射導体２１とＥＴＣ通信用放射導体３１との間の厚さは一様である。
【００１３】
地導体１１は車車間通信用放射導体２１への給電線２９が通る第１孔１２を備え、誘電体４１は第１孔１２と同一の位置に同様の大きさの孔４２を備えている。また、地導体１１と車車間通信用放射導体２１は、それぞれの中央にＥＴＣ通信用放射導体３１への給電線３５が通る第２孔１３と第３孔２３を備えている。第２孔１３と第３孔２３とはＸＹ面の上の同一位置に設けられている。車車間通信用放射導体２１の第３孔２３の周縁と地導体１１の第２孔１３の周縁とは筒導体２５によって短絡されている。誘電体４１は筒導体２５の外周側に設けられている。また、誘電体４３は、車車間通信用放射導体２１の第３孔２３と同一位置に同様の大きさの孔４６を備えている。第１孔１２の中を車車間通信用放射導体２１に触れないように離間して通る給電線２９は誘電体４１の孔４２を通って車車間通信用放射導体２１の給電点２７に接続され、車車間通信用放射導体２１に給電を行うよう構成されている。また、第２孔１３と筒導体２５と第３孔２３の中を各導体１１、２５、２１に触れないように離間して通る給電線３５は誘電体４３の孔４６を通ってＥＴＣ通信用放射導体３１の給電点３３に接続され、ＥＴＣ通信用放射導体３１に給電を行うよう構成されている。
【００１４】
図２（ａ）に示すように、地導体１１は一辺の長さがＬ0の正方形の平板であり、車車間通信用放射導体２１は一辺の長さが地導体１１よりも短いＬ1の正方形の平板であり、ＥＴＣ通信用放射導体は一辺の長さが車車間通信用放射導体２１よりも短いＬ2の正方形の平板の２つの対向する角を面取りした形状となっている。地導体１１と車車間通信用放射導体２１とは、それぞれのＸ方向中心線５１とＹ方向中心線５２とが一致するように配置されており、ＥＴＣ通信用放射導体３１はＸ方向の中心は地導体１１と車車間通信用放射導体２１の中心と一致するよう配置され、Ｙ方向にはインピーダンスの整合をとるために中心線５３をＸ方向中心線５１から距離Ｄだけずらして配置されている。また、ＥＴＣ通信用放射導体３１は車車間通信用放射導体２１からはみ出さないように配置されている。正方形の地導体１１と車車間通信用放射導体２１の各辺はそれぞれ平行となるように配置され、面取り部以外のＥＴＣ通信用放射導体３１の各辺は正方形の地導体１１と車車間通信用放射導体２１の各辺に平行となるように配置されている。また、誘電体４１，４３は地導体１１と同一の大きさの正方形で、その四周が地導体１１の四周と重なるように配置されている。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、車両用アンテナ装置１０は、車車間通信用放射導体２１の第１給電点２７から筒導体２５に向かう方向がＸ方向、すなわち、図示しない車両の前後方向となるように車両に搭載されている。このため、図２のＹ方向は車両の幅方向となる。
【００１６】
以下、本発明の実施形態の動作について説明する。図１、図２（ａ）に示すように、本実施形態の車車間通信用放射導体２１は、筒導体２５によって放射導体の中央が地導体１１に短絡されているため、中央の電圧は常にゼロとなる。このため、給電点２７から車車間通信用放射導体２１に給電すると、車車間通信用放射導体２１は、中央の電圧がゼロとなるような高次の共振モードで共振する放射導体として用いることができる。図２（ｂ）に示すように本実施形態では、正方形の車車間通信用放射導体２１の各辺の長さは、誘電体４１，４３の比誘電率を考慮した場合に３次モードで共振するような長さとしている。このため、図２（ｂ）の実線で示すように、車車間通信用放射導体２１は中央に電圧ゼロの節を持ち、両端が電圧最大の腹となるような３次モード、すなわち、３／２波長のモードあるいは電気長３πのモードにて共振する。また、図２（ｂ）の点線に示すように、電圧がゼロの節では、電流は最大の腹となり、電圧が最大の腹になる両端は電流の流れがゼロの節となる。
【００１７】
このように、車車間通信用放射導体２１の中央を地導体１１に短絡する筒導体２５を設けて車車間通信用放射導体を３次モードにて用いると、給電点２７から筒導体２５に向かう方向に水平方向の指向性を得ることができる。そして、この水平方向の指向性によって垂直偏波の電波の送受信を行うことができる。
【００１８】
また、本実施形態のＥＴＣ通信用放射導体３１は車車間通信用放射導体２１の略１／３の長さであり、図２（ｃ）の実線に示すように、給電点３３への給電によって両端辺の電圧が最大で、中央の電圧がゼロの節となる１次モード、即ち１／２波長或いは電気長πのモードで共振する。また、図２（ｃ）の点線に示すように、電圧がゼロの節では、電流は最大の腹となり、電圧が最大の腹になる両端は電流の流れがゼロの節となる。ＥＴＣ通信用放射導体３１は、その面に垂直に方向、即ち車両の上下方向であるＺ方向の指向性を備え、この上下へ方向の指向性によって円偏波の電波の送受信を行うことができる。ＥＴＣ通信用放射導体３１は車車間通信用放射導体２１の上に車車間通信用放射導体２１からはみ出さないように設けられていることから、地導体１１との間で電波の放射を行うことは無く、車車間通信用放射導体２１とは独立して共振を起こすようになっている。
【００１９】
図３は、本実施形態の車両用アンテナ装置１０の水平面内の指向性を示す図である。図３において、円周方向は水平方向の角度を示し、角度０，１８０は車両の前後方向を示し、角度９０，２７０は車両の幅方向を示す。また、図３の半径方向は信号の利得（ｄＢ）を示し、最外周が５（ｄＢ），中心が−５（ｄＢ）となっている。図３に示すように、本実施形態では、周方向の角度が０°〜２１°、１６１〜１９８°、３３８〜３６０°の範囲で、通信に必要な１（ｄＢ）以上の利得を確保することができ、前後方向共に角度が約４０°の範囲で通信可能となることがわかる。
【００２０】
図４は、本実施形態の車両用アンテナ装置１０の垂直面内での指向性を示すものである。図４において、周方向は垂直面内における見上げ角度を示し、角度０は車両の上方向、角度１８０は車両の下方向、角度９０，２７０はそれぞれ車両の幅方向を示している。また、図４の半径方向は信号の利得（ｄＢ）を示し、最外周が１０（ｄＢ）、中心が−２０（ｄＢ）である。図４からわかるように、本実施形態の車両用アンテナ装置１０は、車両の上方向である角度ゼロを中心に広い範囲で利得が通信に必要な１（ｄＢ）以上となっており、角度２３°のＥＴＣ路側では４．４（ｄＢ）の利得が得られ、ＥＴＣ通信用アンテナとして十分な特性を持っていることがわかる。
【００２１】
図５は、本実施形態の車車間通信用放射導体２１のリターンロスとＥＴＣ通信用放射導体３１との結合度を示すグラフである。図５において曲線ａは車車間通信用放射導体２１のリターンロスを示し、曲線ｂはＥＴＣ通信用放射導体３１との結合度を示している。本実施形態の車両用アンテナ装置１０は５．８ＧＨｚの垂直偏波で低仰角方向指向性を持つ車車間通信用電波及び、同じく５．８ＧＨｚの円偏波で高仰角方向指向性を持つＥＴＣ通信用電波に対応するように、各放射導体２１，３１の寸法が決められている。図５の曲線ａに示すように、本実施形態の車両用アンテナ装置１０の車車間通信用放射導体２１は５．８ＧＨｚにおいて、リターンロスが約−２０（ｄＢ）となっており、対応周波数に対して良好な特性を示すと共に、同周波数の円偏波の電波を受信するＥＴＣ通信用放射導体３１との結合度は対応周波数の５．８ＧＨｚにおいて−１８（ｄＢ）以下となっており、良好なセパレーション特性を備えていることがわかる。このように、本実施形態の車両用アンテナ装置１０は同じ周波数の垂直偏波と円偏波の２つの偏波方式の電波をそれぞれ良好に送受信することができる２偏波共用アンテナとして機能する。
【００２２】
以上述べたように、本実施形態の車両用アンテナ装置１０は、中央に地導体１１と車車間通信用放射導体２１とを短絡する筒導体２５を設け、車車間通信用放射導体２１の大きさを３次の高次モードによって用いることによって水平方向の指向性が得られ、アンテナ全体の高さを低く保つと共に垂直偏波を用いる車車間通信用アンテナとして通信に必要な利得を得ることができるという効果を奏する。また、本実施形態は、１次モードで共振する長さを持ち車車間通信用放射導体２１より小さいＥＴＣ通信用放射導体３１を車車間通信用放射導体２１の上に重ねた二層構造とすることによって、相互の干渉が無くそれぞれ垂直偏波と円偏波の電波に対応することができる高さの低い２偏波共用アンテナとすることができるという効果を奏する。
【００２３】
以上説明した本実施形態では、車車間通信用放射導体２１は３次モードで共振するような寸法とすることとして説明したが、車車間通信用放射導体２１は中央を電圧の節として共振する高次モードによって用いられるものであれば、３次モードで共振する寸法に限られず、たとえば５次モードなどのより高次のモードに対応するものとしても良い。また、地導体１１の中央と車車間通信用放射導体２１の中央とを短絡する筒導体は、地導体１１の下側の接続されているＥＴＣ通信用放射導体３１への給電線３５の外導体４７を延長するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態における車両用アンテナ装置の断面図である。
【図２】本発明の実施形態における車両用アンテナ装置の平面図である。
【図３】本発明の実施形態における車両用アンテナ装置の水平面内の指向性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態における車両用アンテナ装置の垂直面内の指向性を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態における車両用アンテナ装置における車車間通信用放射導体のリターンロス及びＥＴＣ通信用放射導体との結合特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  車両用アンテナ装置、１１  地導体、１２  第１孔、１３  第２孔、２１  車車間通信用放射導体、２３  第３孔、２５  筒導体、２７，３３  給電点、２９，３５  給電線、３１  ＥＴＣ通信用放射導体、４１，４３  誘電体、４２，４６  孔、４５，４７  外導体、５１  Ｘ方向中心線、５２  Ｙ方向中心線、ａ，ｂ  曲線、Ｄ  距離。
【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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