JP6027872B2

JP6027872B2 - 逆ｆアンテナ

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Publication number: JP6027872B2
Application number: JP2012265793A
Authority: JP
Inventors: 博育田山; 官　寧; 寧官
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: JP2014110625A

Description

本発明は、ＦＭ放送の受信等に利用可能な逆Ｆアンテナに関する。

自動車等の車両に設置するアンテナ装置としては、透明な誘電体シートと、該誘電体シート上に形成された平面アンテナとを備えたアンテナ装置が広く用いられている。このようなアンテナ装置は、通常、フロントガラスに張り付けて使用される。

特許文献１には、透明な誘電体シートと、該誘電体シート上に形成されたループアンテナとを備えたアンテナ装置が開示されている。また、特許文献１には、このアンテナ装置をデジタルテレビ放送の受信に利用するために、ループアンテナを構成する放射素子の全長（ループ長）を６０ｃｍとすることが記載されている。

特開２００７−１５８４５０（２００７年６月２１日公開）

しかしながら、特許文献１に記載のアンテナ装置をＦＭ放送の受信に利用する場合、これをフロントガラスに張り付けて使用することが困難になるという問題があった。

実際、ループアンテナを構成する放射素子の全長は、よく知られているように、共振波長λ＝ｃ／ｆ（ｃは光速、ｆは共振周波数）と同程度になる。したがって、共振周波数ｆをＦＭ放送の搬送波周波数（約１００ＭＨｚ）に一致させるためには、ループアンテナを構成する放射素子の全長を３００ｃｍ程度にする必要がある。一方、アンテナ装置を張り付けるために用い得るフロントガラス上の領域は、ドライバの視界を確保するために、面積が１０ｃｍ×１０ｃｍ以下であることが好ましいとされている。放射素子長が３００ｃｍのループアンテナを面積が１０ｃｍ×１０ｃｍ以下の領域に形成することの困難性は、説明をするまでもなく明らかであろう。

このような問題を解決するためには、アンテナ装置が備える平面アンテナを、ループアンテナから逆Ｆアンテナに変更すればよい。ＦＭ放送を受信可能な逆Ｆアンテナの放射素子の全長は、よく知られているように、λ／４＝７５ｃｍ程度だからである。

ところが、逆Ｆアンテナは、線状の導体により構成される放射素子の他に、面状の導体により構成される地板を含んでいる。このため、逆Ｆアンテナを備えたアンテナ装置は、フロントガラスに張り付けることに適さない。何故なら、逆Ｆアンテナに含まれる地板によって、ドライバの視界が遮られる虞があるからである。

したがって、逆Ｆアンテナを備えたアンテナ装置を車両に設置する場合、設置箇所をフロントガラス以外にする必要がある。例えば、オープントップ型車両における幌収納庫（幌を収納するための収納庫）の蓋は、アンテナ装置を設置可能なフロントガラス以外の箇所の好例である。しかしながら、アンテナ装置を搭載可能なフロントガラス以外の箇所は、概して、フロントガラスよりも面積が小さい。このため、車両への搭載に適したアンテナ装置であって、ＦＭ放送を受信可能なアンテナ装置を実現するためには、逆Ｆアンテナにおける放射素子長の短縮が強く求められる。

本発明は、上記の課題に鑑みて行われたものであり、その目的は、放射素子の全長が短縮された逆Ｆアンテナ、すなわち、放射素子の全長がλ／４よりも短い逆Ｆアンテナを実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る逆Ｆアンテナは、地板と、給電部を介して上記地板に接続された放射素子と、上記放射素子上の点を上記地板に短絡する短絡部とを備えており、上記短絡部上にインダクタとキャパシタとが直列に挿入されている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記放射素子の全長を、λ／４（λは当該逆Ｆアンテナの共振波長）よりも短くすることができる。

本発明に係る逆Ｆアンテナは、上記短絡部上の点に接続された他の放射素子であって、上記放射素子と容量結合した他の放射素子を更に備えている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記他の放射素子を付加したことによって、上記放射素子の長さに応じた周波数ｆ１、及び、上記他の放射素子の長さに応じた周波数ｆ２の双方を、当該逆Ｆアンテナの共振周波数とすることができる。また、上記放射素子と上記他の放射素子とを容量結合したことによって、これら２つの共振周波数ｆ１，ｆ２を含む帯域全体に亘ってＶＳＷＲ値を低下させることができる。すなわち、これら２つの共振周波数ｆ１，ｆ２を含む帯域全体を、当該逆Ｆアンテナの動作帯域とすることができる。

本発明に係る逆Ｆアンテナにおいて、上記他の放射素子は、上記放射素子により取り囲まれた領域内においてメアンダ化されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、当該逆Ｆアンテナの配置に要する面積を増大させることなく、十分な長さ（例えば、上記放射素子と略同一の長さ）を有する上記他の放射素子を付加することができる。

本発明に係る逆Ｆアンテナにおいて、上記放射素子は、上記給電部から第１の方向と略同一方向に延伸するセグメントＡ１と、上記セグメントＡ１の終端から上記第１の方向に直交する第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＡ２と、上記セグメントＡ２の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＡ３と、上記セグメントＡ３の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸するセグメントＡ４とにより構成されており、上記短絡部は、上記給電部から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＢ１と、上記セグメントＢ１の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＢ２と、上記セグメントＢ２の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸して上記地板に至るセグメントＢ３とにより構成されており、上記他の放射素子は、上記短絡部の上記セグメントＢ１上の点から上記第１の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ１と、上記セグメントＣ１の終端から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ２と、上記セグメントＣ２の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＣ３と、上記セグメントＣ３の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸するセグメントＣ４と、上記セグメントＣ４の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＣ５と、上記セグメントＣ５の終端から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ６と、上記セグメントＣ６の終端から上記第１の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ７とにより構成されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、当該逆Ｆアンテナの受信利得を大幅に低下させることなく、当該逆Ｆアンテナの配置に要する面積を小さくすることができる。

本発明によれば、放射素子の全長が短縮された逆Ｆアンテナ、すなわち、放射素子の全長がλ／４よりも短い逆Ｆアンテナを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る逆Ｆアンテナのトポロジーを示す回路図である。図１に示す逆Ｆアンテナの変形例を示す回路図である。図２に示す逆Ｆアンテナの具体例を示す平面図である。図３に示す逆Ｆアンテナにおける受信利得の方向依存性をグラフである。

本実施形態に係る逆Ｆアンテナ１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１及び図２は、逆Ｆアンテナ１のトポロジーを示す回路図である。

逆Ｆアンテナ１は、図１に示すように、（１）地板１１と、（２）給電部１２を介して地板１１に接続された放射素子１３と、（３）放射素子１３上の点Ｐを地板１１に短絡する短絡部１４とを備えている。

なお、地板１１と放射素子１３が給電部１２を介して接続されているとは、給電線（例えば、同軸ケーブル）を構成する一方の導体（例えば、同軸ケーブルの外側導体）が地板１１に接続され、該給電線を構成する他方の導体（例えば、同軸ケーブルの内側導体）が放射素子１３に接続されることを指す。

地板１１は、板状の導体により構成される。一方、放射素子１３及び短絡部１４は、線状又は帯状の導体により構成される。地板１１、放射素子１３、及び短絡部１４を、誘電体シートの一方の主面上にパターンとして形成すれば、薄型の平面アンテナを実現することができる。なお、誘電体シートの主面とは、誘電体シートを直方体と見做したとき、この直方体を構成する６つの面のうち、最大の面積を有する２つの面のことを指す。

逆Ｆアンテナ１において特徴的な点は、短絡部１４上にインダクタ１４ａとキャパシタ１４ｂとが直列に挿入されている点である。従来の逆Ｆアンテナにおいては、放射素子と地板とが短絡部によって直流的に短絡されるのに対して、逆Ｆアンテナ１においては、放射素子１３と地板１１とが短絡部１４によって交流的に短絡されることになる。

短絡部１４上にインダクタ１４ａとキャパシタ１４ｂとを直列に挿入することによって、逆Ｆアンテナ１の共振周波数を低周波側にシフトすることができる。すなわち、従来の逆Ｆアンテナにおいては、放射素子の全長をＬとすると、共振周波数ｆがｆ≒ｃ／（４×Ｌ）となる（ｃは光速）。これに対して、逆Ｆアンテナ１においては、放射素子１３の全長をＬとすると、共振周波数ｆがｆ＜ｃ／（４×Ｌ）となる。

別の言い方をすると、短絡部１４上にインダクタ１４ａとキャパシタ１４ｂとを直列に挿入することによって、放射素子１３の全長を短縮することができる。すなわち、従来の逆Ｆアンテナにおいて、共振周波数をｆとすると、放射素子の全長ＬがＬ≒ｃ／（４×ｆ）となる。これに対して、逆Ｆアンテナ１においては、共振周波数をｆとすると、放射素子１３の全長ＬがＬ＜ｃ／（４×ｆ）となる。

例えば、従来の逆Ｆアンテナにおいて、共振周波数をＦＭ放送の周波数帯域（例えば、７６ＭＨｚ以上１０８ＭＨｚ以下）に含めるためには、放射素子の全長を６９ｃｍ以上とする必要がある。これに対して、逆Ｆアンテナ１においては、放射素子１３の全長がこれより短い場合であっても、共振周波数をＦＭ放送の周波数帯域に含めることができる。

放射素子１３の全長を短縮することには、逆Ｆアンテナ１を小型化することが可能になるという技術的意義の他に、逆Ｆアンテナ１を大型化することなく、放射素子１３の幅を広げたり、メアンダ化された放射素子１３の互いに並走する部分同士の間隔を広げたりすることが可能になるという技術的意義がある。放射素子１３の幅を広げることにより、逆Ｆアンテナ１の帯域を拡張することができる。また、メアンダ化された放射素子１３の互いに並走する部分同士の間隔を広げることにより、逆Ｆアンテナ１の受信利得を向上することができる。すなわち、放射素子１３の全長を短縮することには、逆Ｆアンテナ１を大型化することなく、逆Ｆアンテナ１の特性を改善するという技術的意義がある。

なお、インダクタ１４ａ及びキャパシタ１４ｂは、寄生的に生じたものでない。すなわち、インダクタ１４ａ及びキャパシタ１４ｂは、電子部品として短絡部１４上に装荷されたものであり、予め定められたインダクタンス及びキャパシタンスを有する。このため、インダクタ１４ａのインダクタンスとキャパシタ１４ｂのキャパシタンスとを適宜設定することによって、放射素子１３の全長を変更することなく、共振周波数を所望の値とすることができる。別の言い方をすると、インダクタ１４ａのインダクタンスとキャパシタ１４ｂのキャパシタンスとを適宜設定することによって、共振周波数を変更することなく、放射素子１３の全長を所望の値とすることができる。

逆Ｆアンテナ１は、図２に示すように、上述した放射素子（以下、「第１の放射素子」とも記載）１３に加えて、他の放射素子（以下、「第２の放射素子」とも記載）１５を備えていることが好ましい。第２の放射素子１５は、短絡部１４上の点Ｑに接続されており、第１の放射素子１３と容量結合している。図２においては、第１の放射素子１３と第２の放射素子１５との間に生じた容量を、キャパシタ１６として表現している。

第２の放射素子１５を付加することによって、第１の放射素子１３の長さに応じた周波数ｆ１、及び、第２の放射素子１５の長さに応じた周波数ｆ２の双方を、逆Ｆアンテナ１の共振周波数とすることができる。また、第１の放射素子１３と第２の放射素子１５とを容量結合させることによって、これら２つの共振周波数ｆ１，ｆ２を含む帯域全体に亘ってＶＳＷＲ値を低下させることができる。すなわち、これら２つの共振周波数ｆ１，ｆ２を含む帯域全体を、逆Ｆアンテナ１の動作帯域とすることができる。

（具体例）
逆Ｆアンテナ１の具体例について、図３を参照して説明する。図３は、逆Ｆアンテナ１の構成例を示す平面図である。図３に示す逆Ｆアンテナ１は、ＦＭ放送の周波数帯域（７６ＭＨｚ以上１０８ＭＨｚ以下）をカバーする車載用アンテナとして設計されたものである。

逆Ｆアンテナ１のトポロジーについては、図２を参照して既に説明したので、以下では、地板１１、第１の放射素子１３、短絡部１４、及び第２の放射素子１５の具体的な形状等についての説明を行う。なお、以下の説明において、ある方向と略同一方向とは、その方向との成す角が３０°以下となる方向のことを指す。また、ある方向と略反対方向とは、その方向の反対方向との成す角が３０°以下となる方向のことを指す。

地板１１は、３１ｍｍ（長辺）×２７ｍｍ（短辺）の長方形状の導体により構成され、その長辺がｘ軸と平行になるように配置される。この地板１１に関して注目すべき点は、その面積が第１の放射素子１３の面積よりも小さいことである。このような小面積の導体を地板１１として用いているのは、地板１１に接続された外部導体を、地板１１と共にグランドとして機能させることが想定されているためである。例えば、逆Ｆアンテナ１を自動車に設置する場合、地板１１をその自動車のボディに接続する。これにより、その自動車のボディを、地板１１と共にグランドとして機能させることができる。

第１の放射素子１３は、１０ｍｍ（平均幅）×５００ｍｍ（全長）の帯状の導体により構成される。また、第１の放射素子１３の形状及び配置は、例えば以下のように表現することができる。すなわち、第１の放射素子１３は、第２の給電点１２ｂ（後述）から第１の方向（図３におけるｙ軸正方向）と略同一方向に延伸するセグメント１３Ｓ１（請求項におけるセグメントＡ１に対応）と、セグメント１３Ｓ１の終端から上記第１の方向に直交する第２の方向（図３におけるｘ軸正方向）と略同一方向に延伸するセグメント１３Ｓ２（請求項におけるセグメントＡ２に対応）と、セグメント１３Ｓ２の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメント１３Ｓ３（請求項におけるセグメントＡ３に対応）と、セグメント１３Ｓ３の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸するセグメント１３Ｓ４（請求項におけるセグメントＡ４に対応）とにより構成されている（図３においては、これらのセグメント間の境界を点線で示している）。このような形状を採用することによって、全長５００ｍｍの第１の放射素子１３を、凡そ２５８ｍｍ×１３１ｍｍの矩形領域内に配置することが可能になる。

第１の放射素子１３は、セグメント１３Ｓ１の始端において地板１１と対向している。そして、セグメント１３Ｓ１と対向する地板１１上の領域には、同軸ケーブルの外側導体が接続される点である第１の給電点１２ａが設けられ、地板１１と対向するセグメント１３Ｓ１上の領域には、同軸ケーブルの内側導体が接続される点である第２の給電点１２ｂが設けられている。図２に示した給電部１２は、これらの給電点１２ａ，１２ｂにより構成される。

なお、第１の放射素子１３の幅は、ＦＭ放送の周波数帯域の下限値（７６ＭＨｚ）に対応する波長（６９ｃｍ）の５１２分の１以上になっており、このことが帯域の拡張に寄与している。このように、第１の放射素子１３の幅を十分に広くすることができるのは、インダクタ１４ａ及びキャパシタ１４ｂを装荷したことによって、第１の放射素子１３の全長を十分に短くできたからに他ならない。

短絡部１４は、５ｍｍ（平均幅）×１５５ｍｍ（全長）の帯状の導体により構成される。また、短絡部１４の形状及び配置は、例えば以下のように表現することができる。すなわち、短絡部１４は、給電点１２ｂ（本具体例においては、図２に示した第１の放射素子１３上の点Ｐが給電点１２ｂと一致している）から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメント１４Ｓ１（請求項におけるセグメントＢ１に対応）と、セグメント１４Ｓ１の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメント１４Ｓ２（請求項におけるセグメントＢ２に対応）と、セグメント１４Ｓ２の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸して地板１１に至るセグメント１４Ｓ３（請求項におけるセグメントＢ３に対応）とにより構成されている（図３においては、これらのセグメント間の境界を点線で示している）。短絡部１４は、２箇所のギャップにより、３片の導体に分断されている。インダクタ１４ａは、これら２箇所のギャップのうち給電点１２ｂに近い方に装荷され、キャパシタ１４ｂは、これら２箇所のギャップのうち給電点１２ｂから遠い方に装荷される。本具体例においては、インダクタ１４ａとして、インダクタンスが８６ｎＨであるインダクタンス素子を装荷し、キャパシタ１４ｂとして、キャパシタンスが４７ｐＦであるキャパシタ素子を装荷している。

第２の放射素子１５は、１０ｍｍ（平均幅）×４００ｍｍ（全長）の帯状の導体により構成される。第２の放射素子１５の形状及び配置は、例えば以下のように表現することができる。すなわち、短絡部１４のセグメント１４Ｓ１上の点Ｑから上記第１の方向と略同一方向に延伸するセグメント１５Ｓ１（請求項におけるセグメントＣ１に対応）と、セグメント１５Ｓ１の終端から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメント１５Ｓ２（請求項におけるセグメントＣ２に対応）と、セグメント１５Ｓ２の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメント１５Ｓ３（請求項におけるセグメントＣ３に対応）と、セグメント１５Ｓ３の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸するセグメント１５Ｓ４（請求項におけるセグメントＣ４に対応）と、セグメント１５Ｓ４の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメント１５Ｓ５（請求項におけるセグメントＣ５に対応）と、セグメント１５Ｓ５の終端から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメント１５Ｓ６（請求項におけるセグメントＣ６に対応）と、セグメント１５Ｓ６の終端から上記第１の方向と略同一方向に延伸するセグメント１５Ｓ７（請求項におけるセグメントＣ７に対応）とにより構成されている（図３においては、これらのセグメント間の境界を点線で示している）。このようなメアンダ形状を採用することによって、全長５００ｍｍの第２の放射素子１５を、第１の放射素子１３により取り囲まれた凡そ２０６ｍｍ×４５ｍｍの矩形領域内に配置することが可能になる。

第１の放射素子１３及び第２の放射素子１５は、前者の内周側の外縁と後者の外周側の外縁とが互いに近接する部分をもつ。このため、第１の放射素子１３と第２の放射素子１５とは、互いに容量結合することになる。図３に示す構成例においては、第１の放射素子１３において、セグメント１３Ｓ３の全部とセグメント１３Ｓ４の始端近傍とにより構成される部分の内周側の外縁が、第２の放射素子１５において、セグメント１５Ｓ６の終端近傍とセグメント１５Ｓ７の全部とにより構成される部分の外周側の外縁と近接している。図２に示したキャパシタ１６は、これらの部分により構成されることになる。

地板１１、第１の放射素子１３、短絡部１４、及び第２の放射素子１５は、誘電体シート１７の一方の主面上にパターンとして形成される。これにより、車載に適した薄型の平面アンテナを実現することができる。オープントップ型車両において逆Ｆアンテナ１の設置に好ましい箇所としては、例えば、幌収納庫（幌を収納するための収納庫）の蓋（樹脂等の誘電体により構成される）の裏面などが挙げられる。もちろん、これ以外の箇所に設置しても構わないことは、付言するまでもなく明らかであろう。

最後に、図３に示す逆Ｆアンテナ１において、十分に高い受信利得が得られることを、図４を参照して確かめる。図４は、図３に示す逆Ｆアンテナ１における受信利得の方向依存性を示すグラフである。

図４に示すとおり、図３に示す逆Ｆアンテナ１の受信利得は、ＦＭ放送の周波数帯域（具体的には、７６ＭＨｚ及び８４ＭＨｚ）において−４０ｄＢ以上となる。すなわち、図３に示す逆Ｆアンテナ１を用いれば、どのような方向から到来するＦＭ放送波であっても、感度良く受信することができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る逆Ｆアンテナは、例えば、車載用アンテナ、特に、ＦＭ放送を受信するための車載用アンテナとして好適に利用することができる。

１逆Ｆアンテナ
１１地板
１２給電部
１２ａ第１の給電点
１２ｂ第２の給電点
１３放射素子
１３Ｓ１セグメント
１３Ｓ２セグメント
１３Ｓ３セグメント
１３Ｓ４セグメント
１４短絡部
１４Ｓ１セグメント
１４Ｓ２セグメント
１４Ｓ３セグメント
１４ａインダクタ
１４ｂキャパシタ
１５放射素子
１５Ｓ１セグメント
１５Ｓ２セグメント
１５Ｓ３セグメント
１５Ｓ４セグメント
１５Ｓ５セグメント
１５Ｓ６セグメント
１５Ｓ７セグメント
１６キャパシタ
１７誘電体シート

Claims

地板と、給電部を介して上記地板に接続された放射素子と、上記放射素子上の点を上記地板に短絡する短絡部と、上記短絡部上の点に接続された他の放射素子であって、上記放射素子と容量結合した他の放射素子と、を備えており、
上記短絡部上にインダクタとキャパシタとが直列に挿入されており、
上記他の放射素子は、上記放射素子により取り囲まれた領域内においてメアンダ化されている、
ことを特徴とする逆Ｆアンテナ。
上記放射素子は、上記給電部から第１の方向と略同一方向に延伸するセグメントＡ１と、上記セグメントＡ１の終端から上記第１の方向に直交する第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＡ２と、上記セグメントＡ２の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＡ３と、上記セグメントＡ３の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸するセグメントＡ４とにより構成されており、
上記短絡部は、上記給電部から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＢ１と、上記セグメントＢ１の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＢ２と、上記セグメントＢ２の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸して上記地板に至るセグメントＢ３とにより構成されており、
上記他の放射素子は、上記短絡部の上記セグメントＢ１上の点から上記第１の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ１と、上記セグメントＣ１の終端から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ２と、上記セグメントＣ２の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＣ３と、上記セグメントＣ３の終端から上記第２の方向と略反対方向に延伸するセグメントＣ４と、上記セグメントＣ４の終端から上記第１の方向と略反対方向に延伸するセグメントＣ５と、上記セグメントＣ５の終端から上記第２の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ６と、上記セグメントＣ６の終端から上記第１の方向と略同一方向に延伸するセグメントＣ７とにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の逆Ｆアンテナ。