車載情報システムの小型アンテナに関する研究
2001MT090 島田 裕一
指導教員

1 はじめに
近年，電機・半導体業界を中心として，多くの企業が電子化を進める自動車産業に進出している．これは，ITS(Intelligent Transport Systems：高度道路交通システム)[1] で車と外部環境とのやりとりが拡大し，車のエレクトロニクス化が進行する中で，さまざまな新技術が誕生しているためである．ITS の実現によって，快適なカーライフを実現，安全運転の支援，交通渋滞の軽減，物流部門の効率化などに大きく貢献することができるようになる．その ITS の情報インフラ基盤ともいえるのが DSRC(Dedicated Short Range Communication：狭域専用通信) である．
DSRC は近年，通信規格や法律の整備が進み，駐車場でのノンストップでの入出やガソリンスタンド，ドライブスルーでの注文や支払い，インターネットに接続して各種情報のダウンロード，電子メール，音楽データ配信など, さまざまなサービスに DSRC を応用することが可能となり，今後さらなるマーケットの発展が予想される．
一方，DSRC のもつ問題点として，1 つの基地局から通信できる範囲が狭く，エリアが連続でないため，継続した通信が困難であるという問題がある．また，送受信アンテナ間における電波の多重拡乱波によるシステムの誤作動の問題も懸念されている．

2001MT092 庄司 彦之

稲垣 直樹
2.2 DSRC の特徴と応用システム
DSRC による通信方式は，以下のような特徴 [4] がある．
• さまざまな ITS アプリケーションへの対応• 小ゾーン方式による周波数の有効利用の促進• 移動体通信に対し大容量かつ高速伝送が可能• インターネット接続による多彩なサービス展開• 無線を用いた料金や代金決済の電子化
DSRC は，通信範囲が限られているため，現在 ETC での利用が主であるが，携帯電話のように「ハンドオーバ」ができるようになれば，既存の ETC の設備を活用して高速移動体通信が可能になる．また，高速，大容量，多チャンネルの DSRC を基盤として，駐車場の入出門管理，道路交通情報，インターネット接続による各情報入手など，さまざまなサービスの展開が期待できる．

3 変形モノポールアンテナの数値実験
3.1

無限導体平面上でのアンテナの構造
まずはじめに，無限導体平面上でアンテナを設計した．
設計したアンテナの名前を「アンテナ A」とする．

<アンテナ A のデータ>
A：24.9mm C：6.6mm R：1.9mm (コイルの半径)
B：24.9mm N：2 (コイルの回転数)

車載アンテナは，取り付け位置やアンテナの大きさなどにより破損しないように小型化が必須条件になる．
本研究の目的は，DSRC に用いるアンテナについて，高利得小型化に向けて，モノポールアンテナとコイル状部分を組み合わせた変形モノポールアンテナと，誘電体を用いたアンテナを FEKO[2] というシミュレーションソ
フトを用いて，アンテナの指向性，リターンロスなどを考察し，より良いアンテナを設計する．

2 DSRC の技術体系について
2.1 DSRC の仕組み
DSRC とは，国際標準の 5.8GHz 帯の電波を使用し，直径数 m からおよそ直径 30m の限られた通信範囲において最大 4Mbps の伝送速度で双方向通信ができる [3]．
日本では車載器と路側機の間で通信する DSRC としてアクティブ方式を採用している．アクティブ方式はトランシーバー方式とも呼ばれ，車載器にも発信器が内蔵され，車載器と路側機が対等に電波を発射しあうことができる．このため，発信器を車載器に内蔵しないパッシブ方式に比べ，瞬時に大容量の情報通信ができる．

図1

アンテナ A の構造

アンテナを小型化するために，アンテナの形状にコイルを取り入れた．すべてをコイル状にしなかった理由は，逆位相となる部分をコイル状とし，放射しないようにすることを目的として作成したためである．
3.2 アンテナ A の数値実験結果
3.2.1 アンテナ A の指向性
はじめに，DSRC の規格である共振周波数 5.8GHz で，アンテナ A の指向性を求めた．

図 2 はアンテナ A の指向性を 2D で表したものである．

図4

図 2 アンテナ A の 2D(極座標) で表した指向性利得 [dB]

図 2 を見ると，水平方向の指向性が良いことが分かる．
3.2.2 アンテナ A のリターンロス図
リターンロス図とは，入射電力が反射するときどの程度の損失がでるか，反射係数の振幅を図に表したものである．全反射して全ての電力が戻ってくると 0dB で無損失で，電力のすべてが負荷に吸収されると，無限大の損失になる．そのため，0dB であるとアンテナとしてはよくない．−10dB を越えていることがアンテナとして利用するための最低限の反射係数であり，−10dB を越えている周波数帯域幅を略して帯域幅という．
図 3 は，アンテナ A のリターンロス図である． 共振
周波数 5.8GHz でのリターンロスは −15dB を越えており，帯域幅もおよそ 5.650GHz〜5.900GHz あり，小形アンテナとしてはよい結果が得られた．

アンテナ B の構造

3.4 アンテナ B の数値実験結果
3.4.1 アンテナ B の指向性アンテナ B の指向性を 2D で表したものが図 5 である．

図5

アンテナ B の 2D(極座標) で表した指向性利得 [dB]

図 5 から水平方向の指向性はまずまずの結果である．
3.4.2 アンテナ B のリターンロス図
図 6 は，アンテナ B のリターンロス図である．共振周波数 5.8GHz でのリターンロスは −15dB を越えており，帯域幅もおよそ 5.600GHz〜5.900GHz あり，小形アンテナとしてはよい結果が得られた．

図 3 アンテナ A のリターンロス図 [dB]3.3

有限導体平面上でのアンテナの構造
次に，有限導体平面上でアンテナを設計した．設計したアンテナの名前を「アンテナ B」とする．

<アンテナ B のデータ>
A,C：24.9mm D：30mm R：1.9mm (コイルの半径)
B ：6.6mm
E：30mm N：2(コイルの回転数)

図6アンテナ B のリターンロス図 [dB]

3.5 アンテナ A とアンテナ B の考察
アンテナ A，B 共に共振周波数が 5.8GHz であり，帯域幅は A，B とも十分といえる．アンテナ A の水平方向の指向性利得が 8dB 以上あったが，アンテナ B は約 3dBとアンテナ A より悪い結果となった．しかし，車車間通信では，短距離通信のため，1dB あれば十分である．

4 誘電体共振器アンテナの数値実験
4.1

無限導体平面上でのアンテナの構造誘電体を用いて，無限導体平面上でアンテナを設計した．
設計したアンテナの名前を「アンテナ C」とする．

<アンテナ C のデータ>
A：13.09mm x：20.8mm(誘電体) y,z：10.4mm(誘電体)r：1mm (給電導線の半径) 比誘電率：21.0
d：0.6mm(アンテナと誘電体との間隔)
YZ

図 9 アンテナ C のリターンロス図 [dB]

スミス・チャート図とは，インピーダンスと反射係数を対応させた計算図表である．図 10 は，中心を通っており，反射係数ではまずまず良い結果である．

ZrAxzzdAXx

図7yX

アンテナ C の構造 (X,Y,Z) 方向と (X,Z) 方向

4.2 アンテナ C の数値実験結果
4.2.1 アンテナ C の指向性アンテナ C の指向性を 2D で表したものが図 8 である．

図 10アンテナ C のスミス・チャート図 (Z0 = 50Ω)

4.3

有限導体平面上でのアンテナの構造
次に，有限導体平面上で誘電体を用いてアンテナを設計した．設計したアンテナの名前を「アンテナ D」とする．

<アンテナ D のデータ>
A：14.14mm d：0.6mm(アンテナと誘電体との間隔)
r：1mm x：16.6mm(誘電体) y,z：8.3mm(誘電体)
L：48mm(有限導体平面) M：40mm(有限導体平面)
比誘電率：18.0Z

YZM

図8r

アンテナ C の 2D(極座標) で表した指向性利得 [dB]xz
Adz

図 8 を見ると，水平方向に対して強いことがわかる．
4.2.2 リターンロス図とスミス・チャート図
図 9 は，アンテナ C のリターンロス図である．共振周波数 5.8GHz でのリターンロスは −40dB を越えており，帯域幅もおよそ 5.500GHz〜6.100GHz あり，誘電体を用いたことでよい結果が得られた．

xy

X

LLX

図 11

アンテナ D の構造 (X,Y,Z) 方向と (X,Z) 方向

4.4 アンテナ D の数値実験結果
4.4.1 アンテナ D の指向性アンテナ D の指向性を 2D で表したものが図 12 である．

4.5

アンテナ C とアンテナ D の考察
誘電体を用いたことにより，アンテナの全長が大幅に短縮できた．また，誘電体を置く面積があるため，変形モノポールアンテナよりも設置する上で安定性が増した．
誘電体の大きさ，モノポールアンテナとの距離によって解析結果が大きく変化した．

5 おわりに

図 12アンテナ D の 2D(極座標) で表した指向性利得 [dB]

図 12 を見ると，垂直方向に対して強くなっている．
4.4.2 リターンロス図とスミス・チャート図
図 13 は，アンテナ D のリターンロス図である．共振
周波数 5.8GHz でのリターンロスは −23dB を越えており，帯域幅もおよそ 5.550GHz〜6.000GHz あり，アンテナ C 同様良い結果が得られた．

本研究では，FEKO という 3 次元電磁界シミュレータを使用し，変形モノポールアンテナと誘電体を使用したアンテナを DSRC 用アンテナとして利用できるように共振周波数と指向性の解析をして，理想のアンテナを設計した．完成した変形モノポールアンテナの解析結果として，車車間通信を行うものとしては良い解析結果のものができた．しかし，プラスチックなどのようなケースで覆うにしても縦長なので形状的に安定感がなく，車の振動などによっては接地することが難しいのではないかと懸念される．
次に，アンテナ高を低くするため誘電体を用いたアンテナを設計した．誘電体を利用したことによりアンテナの全長が無限導体平面上で変形モノポールアンテナで約56.4mm のものが約 13.1mm となり約 43mm の短縮に成功した．これは，誘電体を利用することにより波長が√λ ほどに短くなるという特性を利用したものである．
εr使用した誘電体の比誘電率が 21.0 なので 5.8GHz の波
長約 51mm が約 11mm ほどとなりアンテナを短縮できる要因となっている．誘電体の大きさとモノポールアンテナとの距離の関係もあるのと一概に決まった定数倍短縮されるとは限らないので今回のような結果となった．
今後の課題として，有限導体平面上で指向性に優れた誘電体共振器アンテナを設計することである．

謝辞
図 13

アンテナ D のリターンロス図 [dB]

本研究を進めるにあたり，二年間御指導いただいた稲垣直樹教授，また多くの時間を共にした稲垣ゼミのみなさ
まに深く感謝致します．

図 14 は，中心を通り，反射係数は良い結果である．

参考文献[1] 総務省電波利用ホームページ：高度道路情報システム (ITS)，http://www.tele.soumu.go.jp[2] FEKO：http://www.feko.info[3] 財団法人 道路新産業開発機構：DSRC 応用による新サービスの展開，

図 14アンテナ D のスミス・チャート図 (Z0 = 50Ω)

http://www.hido.or.jp/ITS/IiI/p9.htm[4] 吉田 憲正：慶應義塾大学理工学部 ITS 講座 ETC とDSRC，
http://www.its-lectures.ae.keio.ac.jp/200
1/2001_b_3.htm[5] 木村 磐根 編：光・無線通信システム，オーム社 (1998).
[6] 稲垣 直樹：電磁波工学，丸善株式会社 (1980).