地上波デジタル TV 車載用ガラスアンテナの設置環境の検証及び改良に関する研究
2004MT059 松永光将 2004MT117 山田和広 2004MT118 山田紗矢香
指導教員 稲垣直樹

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はじめに

1.1 研究背景
テレビ放送は，2011 年 7 月に地上デジタル放送に完全移行される．電化製品取扱店では，地上デジタル放送対応の TV もよく見られるようになり，これまでのアナロ
グ放送から地上デジタル放送に移行していることがはっきりと感じられるようになった．これからは家庭だけでなく，自動車においても地上デジタル放送を受信する人が増えてくるため，地上デジタル放送をより快適に見ることが求められる．自動車において，地上デジタル放送をより快適に見るためには，車載アンテナが効率よく電波を受信することが非常に重要である．そこで我々は，地上デジタル TV 放送受信用車載アンテナに着目した．
1.2 研究目的
本研究では，前年度までの研究に引き続き，地上デジ
タル TV 受信用車載ガラスアンテナについての研究を行う．先行研究の結果から，電熱線の形状を変えることにより，影響を軽減できることがわかった．しかし，アンテナ自体の形状，設置位置等の検討はなされていない．
そのため，アンテナの種類・設置位置を変えて電熱線の影響を軽減させ，地上波デジタル放送の受信性能を向上させることを目的とする．また，ガラスの有無による影響の有無についても検証する．
1.3 研究方法
解析には，自動車モデルとして，アンテナや電熱線を取り付けることができるルーフ＋ピラーモデルを作成する．そこに，アンテナと解凍・防曇用の電熱線をモデル化したものを設置し，アンテナの性能を判断する上で指標となるリターンロス，スミスチャート，指向性利得の値を比較し検証する．リターンロスとは，入射電力に対して，どの程度反射するかを表したものである．値として-10dB 以下であることが望ましいとされる．スミス
チャートとは，反射係数の複素数面上にインピーダンスの実部と虚部の等高線が描いてある図であり，抵抗 r=1，リアクタンス x=0 の中心に近づいているものが望ましいとされる．指向性利得とは，アンテナ自体の指向性からリターンロスによる影響である反射された値を差し引いた値である．値として平均値が 1dBi 以上であることが最低限求められる．

アンテナには，先行研究から使われているＴＫ社のガラスアンテナに加えて，新たにＴＣ社の折り返しダイポールアンテナについてもモデリングし検証する．また，ガラスの影響についても検証する．モデリングと数値解析には，FEKO というソフトウェアを使用した．

2車載ガラスアンテナ

従来から車載アンテナとして多く用いられているのはモノポールアンテナである．モノポールアンテナは，水平面内において無指向性であり，車載アンテナとして理想的な特性を得やすい一方で，風切り音による騒音，強度上の問題，デザイン性という欠点がある．これらを解決するために，本研究ではガラス表面に初めから印刷されているものやフィルムでアンテナを形成したガラスアンテナを用いる．ガラスアンテナは，モノポールアンテナと同等の性能を持ちながら，風の影響を受けず，デザイン性も損なわずに設置できる点から，車載アンテナとしての採用が拡大している．

2.1 車載ガラスアンテナに求められる特性 [1]モノポールアンテナと比較した時にガラスアンテナに求められる特性を次に挙げる．

• 機械的要求条件…耐振動性，耐衝撃性• 形態的要求条件…受風面積が小さく軽量• 水平面内指向性…無指向性• 垂直面内指向性…仰角及び俯角方向を抑える• その他の指向性…適応的に制御• デザイン性
2.2 ダイバーシチ受信
車にアンテナをつけて走行する際にフェージングの影響を受ける．フェージングとは，電波伝搬の途中にあるさまざまな要因によって受信電界の強度が時間的に変動する現象である．これには，周期が数百 ms という短い周期のものから数時間の長い周期のものまであり，フェージングは無線通信の通信品質を劣化させる大きな要因である．そこで，複数のアンテナで受信した同一の無線信号について電波状況の優れたアンテナの信号を優先的に用いる技術であるダイバーシチ受信を用いる．
ダイバーシチ受信にはいろいろな種類があるが，その中でも本研究では空間ダイバーシチを用いる [3]．

2.3 本研究で対象とするアンテナ
本研究で使用するアンテナは，先行研究が対象としていたＴＫ社のガラスアンテナと，ＴＣ社で発案された折り返しダイポールアンテナである．

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数値解析

ＴＫ社のアンテナとＴＣ社のアンテナについて解析を行う．それぞれについて，電熱線がない場合とある場合とで解析を行い結果を比較した．また，電熱線の基本的な構造はどちらも共通であるため，図 1 と図 2 で示す．
図 1 はＴ社で発案された電熱線で右側がつながっており，図 2 は前年度対象としていた電熱線で右側はつながっておらず上部と下部の二つに分かれている．

どちらにおいても利得が非常によくなり，15mm 縮めた方は，基本形とほとんど変わらない値である．
(b) アンテナのサイズ
アンテナサイズを変えることにより，共振する周波数を変化させる．最初の結果で高い周波数で共振していることがわかったので，それを低い周波数で共振させる．
結果から，アンテナサイズを図 3 の 1.5 倍にすることにより必要な帯域で共振させるこができた．
(c) アンテナの太さ
線の太さを 0.125mm に細く，0.5mm に太くする．リ
ターンロス，利得ともほとんど変化が見られなかった．
(d) 設置位置
アンテナを 8mm 内側，8mm 外側,32mm 外側に変更．
どれも低い周波数はほとんど変わらないが，高い周波数で利得が非常によくなっている．
●電熱線あり(a) アンテナの形
内側のアンテナ線を上に 30mm 伸ばすのと，下に20mm 縮める．アンテナを伸ばすと値は悪く，縮めると
図 1 Ｔ社の電熱線 [2]図2前年度の電熱線 [1]3.1 ＴＫ社のアンテナ
先行研究と同様に，ＴＫ社のガラスアンテナを作成した．これを図 3 に示す．

若干良い値である．
(b) 電熱線の種類
T 社の電熱線と前年度の電熱線．リターンロス，利得ともにほとんど変化が見られなかった．
(c) 設置位置
アンテナを 8mm 内側，8mm 外側，32mm 外側に変更．
8mm 内側と 32mm 外側はほとんど値は変わらなかったが，8mm 外側だけは利得が良い値である．
(d) 電熱線の太さ
電熱線の太さを 0.425mm に細く，1.7mm に太くする．
細くしても太くしても利得が良くなった．しかし，太くした方が若干良い．
3.2 ＴＣ社のアンテナ今回使用するアンテナは，図 4 のように，複数の平行導線から成る変形折り返しダイポールであり，折り返し線の中央にコンデンサーを負荷する．ダイポールアンテ
ナは，線状アンテナの基本となるアンテナで，最も構造が簡単なアンテナである．ＴＣ社のアンテナはダイポールアンテナに比べてエレメントの折り返しの間隔など設計の自由度が高いので，指向性や周波数帯域を調整し易い [4]．

図 3 ＴＫ社のガラスアンテナ [3]3.1.1 解析結果
最適な利得を求めるため，アンテナの構造，設置位置を変更し解析を行った．また，電熱線においても同様に解析を行った．
●電熱線なし(a) アンテナの形
内側のアンテナ線を上に 25mm 伸ばし，下に 15mm縮める．25mm 伸ばした方は，低い周波数，高い周波数

図4

ＴＣ社の変形折り返しダイポールアンテナ

3.2.1 解析結果
最適な利得を求めるため，アンテナの構造，設置位置を変更し解析を行った．また，電熱線においても同様に解析を行った．

●電熱線なし(a) アンテナの構造コンデンサーを設置する場合としない場合を解析し，コンデンサーを設置した場合の方が良い結果を得ることができた．
(b) 設置位置 (車上部の天板から離す)
5mm 離した場合と 10mm 離した場合を解析し，10mm離した場合の方が良い結果を得ることができた．
(c) 設置位置 (内側・外側に並行移動)
内側に 10mm，50mm，外側に 10mm，30mm 移動させた場合を解析し，外側に 30mm 移動させた場合の方がよりよい結果を得ることができた．
●電熱線あり(a) アンテナの構造コンデンサーを設置する場合としない場合を解析し，電熱線がない場合と同様にコンデンサーを設置した場合の方が良い結果を得ることができた．
(b) 電熱線の種類
T 社の電熱線と前年度の電熱線の 2 種類を解析し，前年度の電熱線を設置した場合の方が良い結果を得ることができた．
(c) 設置位置 (車上部の天板から離す)
5mm 離した場合と 10mm 離した場合を解析し，電熱線がない場合と同様に 10mm 離した場合の方が良い結果を得ることができた．
(d) 設置位置 (内側・外側に並行移動)
内側に 10mm，外側に 10mm，30mm 移動させた場合を解析し，電熱線がない場合と同様に外側に 30mm 移動させた場合の方がよりよい結果を得ることができた．
(e) 電熱線の太さ0.85mm から 1.7mm に太くし解析を行ったが，リター
ンロス，利得ともにほとんど変化は見られなかった．

3.3 ＴＫ社とＴＣ社の比較
ＴＫ社のアンテナは，アンテナサイズを図 3 の大きさの 1.5 倍，外側に 8mm 移動した場合に最適となった．
電熱線に関しては，図 1，図 2 の差異は見られなかった．
結果を図 5〜図 7 に示す．
ＴＣ社のアンテナは，車上部から 10mm 離し，外側に30mm 移動，図 2 の電熱線を使用した場合に最適となった．結果を図 9〜図 11 に示す．
2 種類のアンテナを比較すると，ＴＣ社のアンテナの方がＴＫ社に比べて受信性能が良いことが分かる．ＴＫ社は受信性能が必要最低限の値に近いが，ＴＣ社はその値からさらに良い値である．

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ガラスによる影響

ここまでは２種類のアンテナについて，電熱線の有無による影響について考えてきたが，ガラスを考慮せずに解析してきた．そこでガラスの有無による影響ついて検証する．ルーフ＋ピラーモデルではガラスを表現して解析することができなかった．そこで，x-y 平面上に無限の大きさのガラスを置き，平面モデルで解析を行った．
4.1 数値解析
平面モデルに，ＴＫ社のアンテナ，ＴＣ社のアンテナを設置し，それぞれ電熱線，ガラスの有無の場合を検証し，解析を行った．ＴＫ社のアンテナ，ＴＣ社のアンテナでガラスの影響が大きく見られた周波数での指向性利得の図をそれぞれ図 8，図 12 に示す．また，電波受信に特に必要な指向性利得の方向の範囲は図の 270°〜0°である．

4.2 解析結果の考察
これまで，先行研究ではガラスを考慮せずに解析してきたが，今回の結果からガラスによる影響も無視できないことが分かった．また，アンテナの種類によってもガラスによる影響度は違ったため，今後はガラスも考慮して解析する必要がある．また，今回使用したモデルは簡易な平面モデルであり，ガラスも x-y 平面上に無限の大きさとして置いたため，正規の大きさのガラスを自動車モデルに置いた場合とでは受ける影響も変わってくると思われる．

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まとめと今後の課題

ガラスの影響を考えない場合では，リターンロス，指向性利得ともにＴＣ社のアンテナの方が優れていることが分かった．また，ガラスの影響を考えた平面モデルでは周波数によってＴＣ社とＴＫ社のアンテナの良さが変化し，470MHz ではＴＣ社のアンテナ，620MHz ではＴＫ社のアンテナが優れている．
本研究では窓ガラスの設置を立体では考えることが出来なかった．そのため，今後の課題として実際にガラスを入れて解析を行うことが必要となる．

参考文献[1] 神谷哲宏，下中賢治，森下隼輔：地上波デジタル TV
受信用車載ガラスアンテナの設計に関する研究，南山大学数理情報学部情報通信学科 2006 年度卒業論
文 (2007.3)．
[2] 自動車のアンテナ技術 南山大学情報通信学科
2007 年度講義資料，(http://www-p.seto.nanzanu.ac.jp/classes/it/2007/31431/ooe1.pdf).
[3] 白石慶子，山下辰典：地上波デジタル TV 車載ガラスアンテナの設計に関する研究，南山大学数理情報学部情報通信学科 2005 年度卒業論文 (2006.3).
[4] Hideo Iizuka：Study of Antenna Design Techniquesfor Use in Automotive Environment，doctor thesis,
Graduate School of Engineering，Nagoya Institute ofTechnology(June. 2007)．

図 5 ＴＫ社アンテナの 470MHz〜770MHz におけるリターンロス特性 (単位:dB)

図 9 ＴＣ社アンテナの 470MHz〜770MHz におけるリターンロス特性 (単位:dB)

図 6 ＴＫ社アンテナの 470MHz における xy 平
面内利得 (単位:dBi)

図 10 ＴＣ社アンテナの 470MHz における xy 平
面内利得 (単位:dBi)

図 7 ＴＫ社アンテナの 620MHz における xy 平面内利得 (単位:dBi)

図 11 ＴＣ社アンテナの 620MHz における xy 平面内利得 (単位:dBi)

図 8 ＴＫ社アンテナの 770MHz におけるガラスの影響による指向性利得 (単位:dBi)

図 12 ＴＣ社アンテナの 620MHz におけるガラスの影響による指向性利得 (単位:dBi)