アンテナ
【課題】地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波に対して、アンテナ面法線方向における指向性を大きくすること。
【解決手段】 地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナにおいて、中央部において給電点ａを有し、垂直偏波を受信又は送信する線路となる直線状の第１主線路１１と、垂直偏波を受信又は送信する線路となり、第１主線路に平行に、離間して配置され、第１主線路に平行な方向における位置が、第１主線路に対して、異なる位置に配置された第２主線路１２と、第１主線路と、第２主線路の両端を、それぞれ、接続する第１接続線路１３と第２接続線路１４と、第１接続線路と前記第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けた。
【解決手段】 地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナにおいて、中央部において給電点ａを有し、垂直偏波を受信又は送信する線路となる直線状の第１主線路１１と、垂直偏波を受信又は送信する線路となり、第１主線路に平行に、離間して配置され、第１主線路に平行な方向における位置が、第１主線路に対して、異なる位置に配置された第２主線路１２と、第１主線路と、第２主線路の両端を、それぞれ、接続する第１接続線路１３と第２接続線路１４と、第１接続線路と前記第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を、アンテナ面の法線ベクトルの地表面への射影方向に対して、効率良く、送受信できるアンテナに関する。特に、自動車のフロントウインドウガラス、又は、リアウインドウガラス等の垂直面に対して傾斜した面に貼付して、地表面に平行な方向に対して、垂直偏波を効率良く送受信できるように、その方向の指向性を大きくしたアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の通信においては、路面での電波の反射損失を小さくするために、地表面に対して垂直な方向に偏波した垂直偏波が用いられている。この垂直偏波を地表面に平行な方向に対して、効率良く送受信するには、その垂直偏波の地表面に平行な方向の指向性を大きくする必要がある。
【０００３】
指向性の制御が可能なアンテナとして、下記特許文献１に記載のアンテナが知られている。本アンテナは、給電点を有する円形のループに対して、無給電のループアンテナを一部オーバーラップさせて配置して、ループの配列方向に垂直な方向に偏波した電波を送受信する等価的なダイポールアレイアンテナを構成したものである。
【０００４】
また、下記特許文献２には、給電点を有した１本の直線状のアンテナと、そのアンテナの両側に、そのアンテナに平行に、スイッチで電気長を物理的に可変にした無給電の直線状のアンテナを配置したアンテナが開示されている。このアンテナは、３本の直線状の線路間の結合を電気的に制御して、指向性を制御するものである。
【０００５】
また、下記特許文献３には、２つの長方形のループアンテナを、立体的に、直交させたアンテナが開示されている。そして、このループアンテナには、可変容量素子や線路上にギャップを設けて、可変容量素子の容量を変化させることで電流分布を制御して、給電点を含む辺に垂直な面での指向性を制御している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３９７６９
【特許文献２】特開２００４−１２８５５８
【特許文献３】英国特許文献公開２３８０３２５Ａ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記文献１は、ループアンテナの配列方向に垂直な方向に偏波した電波を送受信するものである。しかし、この偏波方向に垂直な面上での指向性を制御するものであるので、電波の送受信方向のベクトルと偏波方向のベクトルが作る平面上において、指向性を制御することができない。すなわち、このループアンテナを、自動車のフロントウインドウガラスに配設する場合には、ループの配列方向が車両の幅方向となり、車両の進行方向に対して、指向性を大きくすることはできない。
【０００８】
また、特許文献２によるアンテナでは、給電点を有する直線状線路の両側に、直線状線路が平行に配列されているために、八木宇田アンテナのように、地表面に平行な面における指向性（方位角方向の指向性）が制御できるだけである。地表面に垂直な面における指向性（仰角方向の指向性）を制御することはできない。
【０００９】
また、特許文献３によるアンテナも、同様に、地表面に垂直な方向に偏波した電波を送受信する場合には、地表面に平行な面上の指向性は制御できても、地表面に垂直な面上における指向性は制御できない。
【００１０】
結局、上記の３つの特許文献のいずれの技術を用いても、地表面に垂直な方向に偏波した電波を送受信する場合において、地表面に平行な面上の指向性は制御できても、地表面に垂直な面上における指向性は制御できない。
【００１１】
したがって、本発明は、この課題を解決するために成されたものであり、地表面に垂直な方向に偏波した電波を送受信する場合にいて、地表面に垂直な面上における指向性を制御できるようにして、地表面に平行な方向における指向性を大きくすることである。
このことにより、本発明は、車両に搭載するのに効果的なアンテナを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナにおいて、中央部において給電点を有し、垂直偏波を受信又は送信する線路となる直線状の第１主線路と、垂直偏波を受信又は送信する線路となり、第１主線路に平行に、離間して配置され、第１主線路に平行な方向における位置が、第１主線路に対して、異なる位置に配置された第２主線路と、第１主線路と、第２主線路の両端を、それぞれ、接続する第１接続線路と第２接続線路と、第１接続線路と第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けたことを特徴とするアンテナである。
【００１３】
本発明の特徴は、第１主線路と、これに平行な第２主線路の、第１主線路の延びる方向での位置が異なるように配置し、第１接続線路と第２接続線路と、第１接続線路と第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けたことである。ここにおいて、リアクタンス素子を設ける位置は、必ずしも限定されないが、電気的な中央部に設けることが望ましい。たとえば、第１主線路、第１接続線路、第２主線路、及び第２接続線路とで、構成されるループの一周を、１線路波長とした場合には、電流分布の節となる点に設けることが望ましい。すなわち、給電点から、励振基本波の、±π／２の位相位置に設けることが望ましい。
【００１４】
この構成により、第１主線路と第２主線路に励振される電流分布の強度を、地表面からの同一高さにおいて、異なる値とする、すなわち、両者の電流分布を高さ方向に関して不平衡な状態とすることができる。この結果、地表面に垂直な面上における指向性を変化させることができる。第１接続線路と第２接続線路は、必ずしも、直線である必要はなく、折れ線で構成しても良いし、曲線であっても良い。第１接続線路と第２接続線路は、地表面に平行な面における電流成分が、打ち消されるような対称性を有して配置されることが望ましい。すなわち、このような構成によると、水平偏波に対する送受信感度を低くすることができる。たとえば、第１接続線路と第２接続線路を、ループの中心点に対して点対称の関係を満たすように配置することで、電流の水平成分を打ち消すことができる。
【００１５】
この発明において、リアクタンス素子は、第１接続線路又は第２接続線路における線路上のギャップで構成することが望ましい。また、リアクタンス素子は、第１接続線路又は第２接続線路における線路上に挿入されるキャパシタ、インダクタ、又は、可変キャパシタで構成することが望ましい。要するに、第１主線路と第２主線路における電流分布の位相関係を変化させることができるものであれば良い。電気的にキャパシタンスを変化できるバラクタ等の可変キャパシタを用いた場合には、電気的に、指向性を変化させることができる。また、第１主線路、第２主線路、第１接続線路、及び第２接続線路によるループ１周の長さは、送受信する前記垂直偏波の線路波長に等しいことが望ましい。この場合には、基本波を送受信できるので、放射効率が高いアンテナとなる。もちろん、高調波を送受信するようにしても良い。
【００１６】
第１主線路と第２主線路とは、必ずしも同一長さである必要はないが、同一長さで構成することが望ましい。第１主線路と第２主線路の長さは、特に、限定されないが、ループの一周の長さの１／８〜３／８が望ましい。この時には、ループの励振基本波の線路波長の１／８〜３／８となる。最も望ましいのは、１／４である。第１主線路と第２主線路との第１主線路方向における位置の差は、大きい方が望ましい。たとえば、第１主線路の長さａに対して、ａが１周の１／４である場合には、０．７６６ａ〜０．９８５ａの範囲が望ましい。また、ａが１周の３／８である場合には、０．２５５ａ〜０．３２８ａの範囲が望ましい。ａが１周の１／８の場合には、２．２９８ａ〜２．９５５ａの範囲が望ましい。これらを総合した望ましい範囲は、０．２５５ａ〜２．９５５ａである。また、ａの値に係わらず、０．７６６ａ〜０．９８５ａの範囲が望ましい。また、第１主線路の中点と第２主線路の中点とを結ぶ線分と、第１主線路との成す角で言えば、１０〜４０度であることが望ましい。これらの範囲の時に、地表面に垂直な方向に偏波した電波を、地表面に平行な方向で、第１主線路と第２主線路とで構成される平面に垂直な方向に、効率良く送受信させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、第２主線路における電流分布を、第１主線路の電流分布に対して、第１主線路の方向に対して、推移したものとすることができる。この結果、第１主線路と第２主線路とで構成される平面に垂直な法線ベクトル（以下、「アンテナ面法線ベクトル」という）と、第１主線路の方向のベクトルとが成す平面における垂直偏波の指向性を制御することができる。この結果として、アンテナ面法線ベクトルの地表面への射影方向（以下、「所望送受信方向」という）の指向性を大きくして、垂直偏波の所望送受信方向に対する送受信効率を向上させることができる。、また、第１又は第２接続線路に挿入されるリアクタンス素子の値を変化させることで、第１主線路と第２主線路との電流分布を変化させることで、より効果的に、所望送受信方向の指向性を制御することができ、所望送受信方向に対するアンテナの感度を最大とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、以下の具体的な実施例に限定されるものではなく、その具体的な実施例により想起される全範囲を含むものである。
【実施例１】
【００１９】
図１に示すように、本実施例に係るアンテナ１０は、平行四辺形をしている。第１主線路１１と第２主線路１２は、地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナ片である。第１主線路１１の片端ｂと第２主線路１２の片端ｃとは、第１接続線路１３で接続され、第１主線路１１の他方の端ｆと第２主線路１２の他方の端ｅとは、第２接続線路１４で接続されている。第１主線路１１の中央部ａは、給電点を有し、第２主線路１２は給電点を有していない。また、第１接続線路１３の中央部には、リアタクンス素子Ｘ１が配設されており、第２接続線路１４の中央部には、リアクタンス素子Ｘ２が配設されている。第１主線路１１、第２主線路１２、第１接続線路１３、及び、第２接続線路１４は、長さが等しく、全体でループを構成している。
【００２０】
各線路の長さは、ループの１周の長さの１／４に設定されいる。すなわち、ループ１周をループに励振される基本波の１波長λ（管内波長）とすると、各線路の長さは、λ／４である。また、第２接続線路１４と第１主線路１１との成す角Ψは、３０度に設定されている。したがって、第１主線路１１の長さをａとすると、第１主線路１１の一端ｆと第２主線路１２の対応端ｅとの間の第１主線路１１の方向に沿った距離は、０．８６６ａである。この角度Ψは、１０〜４０度が望ましい。この角度に対応する第１主線路１１の一端ｆと第２主線路１２の対応端ｅとの間の第１主線路１１の方向に沿った距離は、０．９８５ａ〜０．７６６ａである。
【００２１】
この構成のアンテナ１０は、第１主線路１１と第１接続線路１３のｂ−Ｘ１間の線路と第２接続線路１４のｆ−Ｘ２間の線路で構成される第１のアンテナで、基本波の半波長の電流分布を生じ、第２主線路１２と第１接続線路１３のｃ−Ｘ１間の線路と第２接続線路１４のｅ−Ｘ２間の線路で構成される第２のアンテナで、基本波の半波長の電流分布を発生させている。そして、第１のアンテナと第２のアンテナとで、電流分布の位相は、ｚ軸方向に見て、反転したものとなっている。これらの両アンテナにより、ダイポールアンテナが構成される。アンテナの電波の放射片と受信片となるのは、第１主線路１１と第２主線路１２である。この線路が、垂直偏波を受信し、放射する機能を有する。
【００２２】
このアンテナの指向性を図２に示す。ｘ軸は、第１主線路１１と第２主線路１２とで構成される面の法線ベクトル、すなわち、アンテナ面法線ベクトルの向きにとられている。ｘ軸方向は、上記した所望送受信方向である。ｚ軸は、直線状の第１主線路１１、第２主線路１２が伸びている方向にとられている。受信波では、垂直偏波のｚ軸成分が、検出され、放射波では、ｚ軸方向に偏波した電波が放射される。ｙ軸は、アンテナ面（ｙｚ面）上でｚ軸に垂直な方向にとられている。
【００２３】
ｘｚ面（アンテナ面法線ベクトルと第１主線路の方向ベクトルで構成される面）での、指向特性を、図２（ａ）に、ｘｙ面（アンテナ面法線ベクトルと第１主線路と第２主線路との垂線方向のベクトルとで構成される面）での指向特性を図２（ｂ）に、ｙｚ面（アンテナ面）での指向特性を図２（ｃ）に示す。曲線Ｃ１が第１主線路１１と第２接続線路１４との成す角Ψを１０度とした場合、曲線Ｃ２がΨを５０度とした場合であり、曲線Ｄ１は、角Ψを９０度とした場合である。ただし、この特性は、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けずに、第１接続線路１３と第２接続線路１４とを、単なる、連続した直線線路とした場合のアンテナの指向特性である。このように、角Ψを９０度以下、すなわち、第１主線路１１と第２接続線路１４とを鋭角で交差させることで、所望送受信方向（ｘ軸方向）の指向性が強くなっていることが理解される。
【００２４】
図３に、第１接続線路１３と第２接続線路１４との成す角Ψを変化させた場合の、ループの電流位相分布を示す。角Ψにより、アレーファクターが変化して、電流位相分布が変化していることが理解される。これが、指向性を変化させる原因である。
【００２５】
次に、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けた場合のアンテナについて考察する。図４は、リアクタンス素子を設けないアンテナの電流分布と、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を、それぞれ、第１接続線路１３と第２接続線路１４に設けた場合の電流分布を示す。ただし、角Ψは９０度の場合である。リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けない場合には、第１主線路１１と第２主線路１２の電流分布は、ループ方向に見ると、向きが逆であり、ｚ軸方向に見ると、向きが等しい。また、絶対値の分布は等しい。これにより、ｘｚ面での指向特性は、８字形状となる。リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けた場合には、第１主線路１１と第２主線路１２を流れる電流の向きは、ループ方向に見ると同一、ｚ軸方向に見ると、逆向きである。また、絶対値の分布は等しくない。
【００２６】
次に、第１接続線路１３に挿入されているリアクタンス素子Ｘ１の大きさを−３０００Ωにして、第２接続線路１４に挿入されているリアクタンス素子Ｘ２の大きさを変化させた時のループ上の各点の電流位相をシミュレーションにより求めた。結果を図５に示す。曲線ｇ１は、リアクタンス素子Ｘ１とＸ２がない場合の電流位相の特性である。給電点ａと点ｄとで、電流の絶対値が最大（腹）となり、第１接続線路１３の中点と、第２接続線路１４の中点とで、電流が零（節）となっている。曲線ｇ２は、リアクタンス素子Ｘ１を−３０００Ω（容量性）とし、リアクタンス素子Ｘ２を設けない場合の電流位相の特性である。曲線ｇ３は、リアクタンス素子Ｘ１を−３０００Ω、リアクタンス素子Ｘ２を３００Ωとした場合の電流位相の特性を示す。曲線ｇ３から、第１主線路１１と第２主線路１２とで、ループの方向に見て、電流が同じ方向に、ｚ軸方向で見て、電流は逆向きに、流れていることが理解される。
【００２７】
その時のｘｙ面上の指向特性を図６に示す。曲線ｈ１、ｈ２、ｈ３は、それぞれ、（Ｘ１＝０Ω、Ｘ２＝０Ω）、（Ｘ１＝−３０００Ω、Ｘ２＝０Ω）、（Ｘ１＝−３０００Ω、Ｘ２＝３００Ω）の場合である。リアクタンス素子の値を変化させることで、指向特性が変化できることが理解される。
【００２８】
次に、第１主線路１１と第２接続線路１４との成す角Ψを３０度したアンテナ１０において、リアクタンス素子（バラクタ）Ｘ１の値を−３０００Ωに固定して、リアクタンス素子Ｘ２の値を変化させた時の、ｘｚ面上の指向特性をシミュレーションした。その結果を、図７に示す。リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２の値を適切に選択すれば、指向特性を変化させることができることが理解される。たとえば、ｘ軸をｚ軸方向に−４５度回転させた方向に、最大の指向性を得ることも可能である。このことは、アンテナ面の法線ベクトルと地表面との成す角を４５度にして、アンテナ１０を取り付けた場合に、ｘ軸方向に最大指向性を得ることができることを意味している。
【００２９】
次に、アンテナ面法線ベクトルの方向を地表面に対して６０度となるようにアンテナ１０を設置した場合（設置面と地表面との成す角が３０度）を考える。これは、自動車のフロントウインドガラスにアンテナ１０を設置した場合に相当する。また、第１主線路１１と第２接続線路１４との成す角Ψを３０度とした場合である。この場合のｘｚ面での指向特性を図８の（ａ）に、ｘｙ面での指向特性を図８の（ｂ）に示す。ただし、リアクタンス素子Ｘ１の値は、−３０００Ω、リアクタンス素子Ｘ２の値は、＋５００Ωとした場合である。
これにより、所望送受信方向（ｘ軸）の感度を十分に大きくすることができる。
【００３０】
また、図９に示す自動車のフロントウインドウガラスに、アンテナ１０を配設した状態での指向特性を求めた。その結果であるｘｚ面での指向特性を図１０の（ａ）に、ｘｙ面での指向特性を図１０の（ｂ）に示す。ガラスの誘電率５．８、金属ピラーの存在を考慮して、アンテナ１０を給電点を金属ピラーに接近させて配置したとして、シミュレーションした結果である。図１０から、所望送受信方向（ｘ軸）に感度が高いことが理解される。
【００３１】
第１接続線路１３と第２接続線路１４の形状は、直線でなくとも良い。たとえば、図１１の（ａ）、（ｂ）に示すように、折れ線で構成しても良い。このとき、第１接続線路１３と第２接続線路１４の形状は、ループ形状の中心Ｏに対して、点対称の形状であることが望ましい。点対称とすることにより、ｙ軸方向（地表面に平行な方向）の放射成分をキャンセルすることができる。第１主線路１１と第２主線路１２とのｚ軸方向の位置の差を決定する角Ψは、第１主線路１１の中点ａと第２主線路１２の中点ｄとを結ぶ直線Ｌと、第１主線路１１との成す角で定義される。また、リアクタンスＸ１、Ｘ２の挿入位置は、基本波の位相分布において、給電点ａの位相に対して、±π／２の位相差を有する点に設けられる。
【００３２】
また、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２は、図１２の（ａ）に示すように、接続線路に設けられたギャップで、キャパシタを構成しても、（ｂ）に示すように、リアクタンス素子Ｘ１を、物理ギャップで構成して、リアクタンス素子Ｘ２をアメンダ構造のインダクタ、線路をアメンダ構造に対向させたキャパシタを構成しても良い。また、（ｃ）に示すように、リアクタンス素子Ｘ１を物理ギャップで構成して、リアクタンス素子Ｘ２をチップインダクタ又はチップコンデンサで形成しても良い。さらに、（ｄ）に示すように、リアクタンス素子Ｘ１を、物理ギャップで構成して、リアクタンス素子Ｘ２をバリキャップコンデンサで構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、地表面の垂直な方向に偏波した垂直偏波のアンテナ面法線ベクトルの方向に対する指向性の大きなアンテナであるので、車両間の通信に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の具体的な実施例に係るアンテナの構成図。
【図２】同実施例のアンテナの指向特性図。
【図３】第１主線路と第２接続線路との成す角を変化させた場合のループ上の電流位相分布を示した特性図。
【図４】リアクタンス素子により電流位相が制御できることを示した説明図。
【図５】リアクタンス素子の値と、励振電流位相分布との関係を示した特性図。
【図６】リアクタンス素子により指向特性が変化できることを示した指向特性図。
【図７】リアクタンス素子の値を変化させた時の指向特性を変化を示した特性図。
【図８】アンテナ面を地表面に対して傾斜させた場合の実施例アンテナの指向特性図。
【図９】実施例アンテナを自動車のフロントウインドウガラス面に配設した時の指向特性をシミュレーションした場合におけるアンテナの配置図。
【図１０】同実施例アンテナを自動車のフロントウインドウガラスに配置した状態での指向特性図。
【図１１】第１接続線路と第２接続線路の他の構成を示したアンテナの平面図。
【図１２】リアクタンス素子の他の構成を示したアンテナの平面図。
【符号の説明】
【００３５】
１０…アンテナ
１１…第１主線路
１２…第２主線路
１３…第１接続線路
１４…第２接続線路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を、アンテナ面の法線ベクトルの地表面への射影方向に対して、効率良く、送受信できるアンテナに関する。特に、自動車のフロントウインドウガラス、又は、リアウインドウガラス等の垂直面に対して傾斜した面に貼付して、地表面に平行な方向に対して、垂直偏波を効率良く送受信できるように、その方向の指向性を大きくしたアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の通信においては、路面での電波の反射損失を小さくするために、地表面に対して垂直な方向に偏波した垂直偏波が用いられている。この垂直偏波を地表面に平行な方向に対して、効率良く送受信するには、その垂直偏波の地表面に平行な方向の指向性を大きくする必要がある。
【０００３】
指向性の制御が可能なアンテナとして、下記特許文献１に記載のアンテナが知られている。本アンテナは、給電点を有する円形のループに対して、無給電のループアンテナを一部オーバーラップさせて配置して、ループの配列方向に垂直な方向に偏波した電波を送受信する等価的なダイポールアレイアンテナを構成したものである。
【０００４】
また、下記特許文献２には、給電点を有した１本の直線状のアンテナと、そのアンテナの両側に、そのアンテナに平行に、スイッチで電気長を物理的に可変にした無給電の直線状のアンテナを配置したアンテナが開示されている。このアンテナは、３本の直線状の線路間の結合を電気的に制御して、指向性を制御するものである。
【０００５】
また、下記特許文献３には、２つの長方形のループアンテナを、立体的に、直交させたアンテナが開示されている。そして、このループアンテナには、可変容量素子や線路上にギャップを設けて、可変容量素子の容量を変化させることで電流分布を制御して、給電点を含む辺に垂直な面での指向性を制御している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３９７６９
【特許文献２】特開２００４−１２８５５８
【特許文献３】英国特許文献公開２３８０３２５Ａ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記文献１は、ループアンテナの配列方向に垂直な方向に偏波した電波を送受信するものである。しかし、この偏波方向に垂直な面上での指向性を制御するものであるので、電波の送受信方向のベクトルと偏波方向のベクトルが作る平面上において、指向性を制御することができない。すなわち、このループアンテナを、自動車のフロントウインドウガラスに配設する場合には、ループの配列方向が車両の幅方向となり、車両の進行方向に対して、指向性を大きくすることはできない。
【０００８】
また、特許文献２によるアンテナでは、給電点を有する直線状線路の両側に、直線状線路が平行に配列されているために、八木宇田アンテナのように、地表面に平行な面における指向性（方位角方向の指向性）が制御できるだけである。地表面に垂直な面における指向性（仰角方向の指向性）を制御することはできない。
【０００９】
また、特許文献３によるアンテナも、同様に、地表面に垂直な方向に偏波した電波を送受信する場合には、地表面に平行な面上の指向性は制御できても、地表面に垂直な面上における指向性は制御できない。
【００１０】
結局、上記の３つの特許文献のいずれの技術を用いても、地表面に垂直な方向に偏波した電波を送受信する場合において、地表面に平行な面上の指向性は制御できても、地表面に垂直な面上における指向性は制御できない。
【００１１】
したがって、本発明は、この課題を解決するために成されたものであり、地表面に垂直な方向に偏波した電波を送受信する場合にいて、地表面に垂直な面上における指向性を制御できるようにして、地表面に平行な方向における指向性を大きくすることである。
このことにより、本発明は、車両に搭載するのに効果的なアンテナを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナにおいて、中央部において給電点を有し、垂直偏波を受信又は送信する線路となる直線状の第１主線路と、垂直偏波を受信又は送信する線路となり、第１主線路に平行に、離間して配置され、第１主線路に平行な方向における位置が、第１主線路に対して、異なる位置に配置された第２主線路と、第１主線路と、第２主線路の両端を、それぞれ、接続する第１接続線路と第２接続線路と、第１接続線路と第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けたことを特徴とするアンテナである。
【００１３】
本発明の特徴は、第１主線路と、これに平行な第２主線路の、第１主線路の延びる方向での位置が異なるように配置し、第１接続線路と第２接続線路と、第１接続線路と第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けたことである。ここにおいて、リアクタンス素子を設ける位置は、必ずしも限定されないが、電気的な中央部に設けることが望ましい。たとえば、第１主線路、第１接続線路、第２主線路、及び第２接続線路とで、構成されるループの一周を、１線路波長とした場合には、電流分布の節となる点に設けることが望ましい。すなわち、給電点から、励振基本波の、±π／２の位相位置に設けることが望ましい。
【００１４】
この構成により、第１主線路と第２主線路に励振される電流分布の強度を、地表面からの同一高さにおいて、異なる値とする、すなわち、両者の電流分布を高さ方向に関して不平衡な状態とすることができる。この結果、地表面に垂直な面上における指向性を変化させることができる。第１接続線路と第２接続線路は、必ずしも、直線である必要はなく、折れ線で構成しても良いし、曲線であっても良い。第１接続線路と第２接続線路は、地表面に平行な面における電流成分が、打ち消されるような対称性を有して配置されることが望ましい。すなわち、このような構成によると、水平偏波に対する送受信感度を低くすることができる。たとえば、第１接続線路と第２接続線路を、ループの中心点に対して点対称の関係を満たすように配置することで、電流の水平成分を打ち消すことができる。
【００１５】
この発明において、リアクタンス素子は、第１接続線路又は第２接続線路における線路上のギャップで構成することが望ましい。また、リアクタンス素子は、第１接続線路又は第２接続線路における線路上に挿入されるキャパシタ、インダクタ、又は、可変キャパシタで構成することが望ましい。要するに、第１主線路と第２主線路における電流分布の位相関係を変化させることができるものであれば良い。電気的にキャパシタンスを変化できるバラクタ等の可変キャパシタを用いた場合には、電気的に、指向性を変化させることができる。また、第１主線路、第２主線路、第１接続線路、及び第２接続線路によるループ１周の長さは、送受信する前記垂直偏波の線路波長に等しいことが望ましい。この場合には、基本波を送受信できるので、放射効率が高いアンテナとなる。もちろん、高調波を送受信するようにしても良い。
【００１６】
第１主線路と第２主線路とは、必ずしも同一長さである必要はないが、同一長さで構成することが望ましい。第１主線路と第２主線路の長さは、特に、限定されないが、ループの一周の長さの１／８〜３／８が望ましい。この時には、ループの励振基本波の線路波長の１／８〜３／８となる。最も望ましいのは、１／４である。第１主線路と第２主線路との第１主線路方向における位置の差は、大きい方が望ましい。たとえば、第１主線路の長さａに対して、ａが１周の１／４である場合には、０．７６６ａ〜０．９８５ａの範囲が望ましい。また、ａが１周の３／８である場合には、０．２５５ａ〜０．３２８ａの範囲が望ましい。ａが１周の１／８の場合には、２．２９８ａ〜２．９５５ａの範囲が望ましい。これらを総合した望ましい範囲は、０．２５５ａ〜２．９５５ａである。また、ａの値に係わらず、０．７６６ａ〜０．９８５ａの範囲が望ましい。また、第１主線路の中点と第２主線路の中点とを結ぶ線分と、第１主線路との成す角で言えば、１０〜４０度であることが望ましい。これらの範囲の時に、地表面に垂直な方向に偏波した電波を、地表面に平行な方向で、第１主線路と第２主線路とで構成される平面に垂直な方向に、効率良く送受信させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、第２主線路における電流分布を、第１主線路の電流分布に対して、第１主線路の方向に対して、推移したものとすることができる。この結果、第１主線路と第２主線路とで構成される平面に垂直な法線ベクトル（以下、「アンテナ面法線ベクトル」という）と、第１主線路の方向のベクトルとが成す平面における垂直偏波の指向性を制御することができる。この結果として、アンテナ面法線ベクトルの地表面への射影方向（以下、「所望送受信方向」という）の指向性を大きくして、垂直偏波の所望送受信方向に対する送受信効率を向上させることができる。、また、第１又は第２接続線路に挿入されるリアクタンス素子の値を変化させることで、第１主線路と第２主線路との電流分布を変化させることで、より効果的に、所望送受信方向の指向性を制御することができ、所望送受信方向に対するアンテナの感度を最大とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、以下の具体的な実施例に限定されるものではなく、その具体的な実施例により想起される全範囲を含むものである。
【実施例１】
【００１９】
図１に示すように、本実施例に係るアンテナ１０は、平行四辺形をしている。第１主線路１１と第２主線路１２は、地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナ片である。第１主線路１１の片端ｂと第２主線路１２の片端ｃとは、第１接続線路１３で接続され、第１主線路１１の他方の端ｆと第２主線路１２の他方の端ｅとは、第２接続線路１４で接続されている。第１主線路１１の中央部ａは、給電点を有し、第２主線路１２は給電点を有していない。また、第１接続線路１３の中央部には、リアタクンス素子Ｘ１が配設されており、第２接続線路１４の中央部には、リアクタンス素子Ｘ２が配設されている。第１主線路１１、第２主線路１２、第１接続線路１３、及び、第２接続線路１４は、長さが等しく、全体でループを構成している。
【００２０】
各線路の長さは、ループの１周の長さの１／４に設定されいる。すなわち、ループ１周をループに励振される基本波の１波長λ（管内波長）とすると、各線路の長さは、λ／４である。また、第２接続線路１４と第１主線路１１との成す角Ψは、３０度に設定されている。したがって、第１主線路１１の長さをａとすると、第１主線路１１の一端ｆと第２主線路１２の対応端ｅとの間の第１主線路１１の方向に沿った距離は、０．８６６ａである。この角度Ψは、１０〜４０度が望ましい。この角度に対応する第１主線路１１の一端ｆと第２主線路１２の対応端ｅとの間の第１主線路１１の方向に沿った距離は、０．９８５ａ〜０．７６６ａである。
【００２１】
この構成のアンテナ１０は、第１主線路１１と第１接続線路１３のｂ−Ｘ１間の線路と第２接続線路１４のｆ−Ｘ２間の線路で構成される第１のアンテナで、基本波の半波長の電流分布を生じ、第２主線路１２と第１接続線路１３のｃ−Ｘ１間の線路と第２接続線路１４のｅ−Ｘ２間の線路で構成される第２のアンテナで、基本波の半波長の電流分布を発生させている。そして、第１のアンテナと第２のアンテナとで、電流分布の位相は、ｚ軸方向に見て、反転したものとなっている。これらの両アンテナにより、ダイポールアンテナが構成される。アンテナの電波の放射片と受信片となるのは、第１主線路１１と第２主線路１２である。この線路が、垂直偏波を受信し、放射する機能を有する。
【００２２】
このアンテナの指向性を図２に示す。ｘ軸は、第１主線路１１と第２主線路１２とで構成される面の法線ベクトル、すなわち、アンテナ面法線ベクトルの向きにとられている。ｘ軸方向は、上記した所望送受信方向である。ｚ軸は、直線状の第１主線路１１、第２主線路１２が伸びている方向にとられている。受信波では、垂直偏波のｚ軸成分が、検出され、放射波では、ｚ軸方向に偏波した電波が放射される。ｙ軸は、アンテナ面（ｙｚ面）上でｚ軸に垂直な方向にとられている。
【００２３】
ｘｚ面（アンテナ面法線ベクトルと第１主線路の方向ベクトルで構成される面）での、指向特性を、図２（ａ）に、ｘｙ面（アンテナ面法線ベクトルと第１主線路と第２主線路との垂線方向のベクトルとで構成される面）での指向特性を図２（ｂ）に、ｙｚ面（アンテナ面）での指向特性を図２（ｃ）に示す。曲線Ｃ１が第１主線路１１と第２接続線路１４との成す角Ψを１０度とした場合、曲線Ｃ２がΨを５０度とした場合であり、曲線Ｄ１は、角Ψを９０度とした場合である。ただし、この特性は、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けずに、第１接続線路１３と第２接続線路１４とを、単なる、連続した直線線路とした場合のアンテナの指向特性である。このように、角Ψを９０度以下、すなわち、第１主線路１１と第２接続線路１４とを鋭角で交差させることで、所望送受信方向（ｘ軸方向）の指向性が強くなっていることが理解される。
【００２４】
図３に、第１接続線路１３と第２接続線路１４との成す角Ψを変化させた場合の、ループの電流位相分布を示す。角Ψにより、アレーファクターが変化して、電流位相分布が変化していることが理解される。これが、指向性を変化させる原因である。
【００２５】
次に、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けた場合のアンテナについて考察する。図４は、リアクタンス素子を設けないアンテナの電流分布と、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を、それぞれ、第１接続線路１３と第２接続線路１４に設けた場合の電流分布を示す。ただし、角Ψは９０度の場合である。リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けない場合には、第１主線路１１と第２主線路１２の電流分布は、ループ方向に見ると、向きが逆であり、ｚ軸方向に見ると、向きが等しい。また、絶対値の分布は等しい。これにより、ｘｚ面での指向特性は、８字形状となる。リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２を設けた場合には、第１主線路１１と第２主線路１２を流れる電流の向きは、ループ方向に見ると同一、ｚ軸方向に見ると、逆向きである。また、絶対値の分布は等しくない。
【００２６】
次に、第１接続線路１３に挿入されているリアクタンス素子Ｘ１の大きさを−３０００Ωにして、第２接続線路１４に挿入されているリアクタンス素子Ｘ２の大きさを変化させた時のループ上の各点の電流位相をシミュレーションにより求めた。結果を図５に示す。曲線ｇ１は、リアクタンス素子Ｘ１とＸ２がない場合の電流位相の特性である。給電点ａと点ｄとで、電流の絶対値が最大（腹）となり、第１接続線路１３の中点と、第２接続線路１４の中点とで、電流が零（節）となっている。曲線ｇ２は、リアクタンス素子Ｘ１を−３０００Ω（容量性）とし、リアクタンス素子Ｘ２を設けない場合の電流位相の特性である。曲線ｇ３は、リアクタンス素子Ｘ１を−３０００Ω、リアクタンス素子Ｘ２を３００Ωとした場合の電流位相の特性を示す。曲線ｇ３から、第１主線路１１と第２主線路１２とで、ループの方向に見て、電流が同じ方向に、ｚ軸方向で見て、電流は逆向きに、流れていることが理解される。
【００２７】
その時のｘｙ面上の指向特性を図６に示す。曲線ｈ１、ｈ２、ｈ３は、それぞれ、（Ｘ１＝０Ω、Ｘ２＝０Ω）、（Ｘ１＝−３０００Ω、Ｘ２＝０Ω）、（Ｘ１＝−３０００Ω、Ｘ２＝３００Ω）の場合である。リアクタンス素子の値を変化させることで、指向特性が変化できることが理解される。
【００２８】
次に、第１主線路１１と第２接続線路１４との成す角Ψを３０度したアンテナ１０において、リアクタンス素子（バラクタ）Ｘ１の値を−３０００Ωに固定して、リアクタンス素子Ｘ２の値を変化させた時の、ｘｚ面上の指向特性をシミュレーションした。その結果を、図７に示す。リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２の値を適切に選択すれば、指向特性を変化させることができることが理解される。たとえば、ｘ軸をｚ軸方向に−４５度回転させた方向に、最大の指向性を得ることも可能である。このことは、アンテナ面の法線ベクトルと地表面との成す角を４５度にして、アンテナ１０を取り付けた場合に、ｘ軸方向に最大指向性を得ることができることを意味している。
【００２９】
次に、アンテナ面法線ベクトルの方向を地表面に対して６０度となるようにアンテナ１０を設置した場合（設置面と地表面との成す角が３０度）を考える。これは、自動車のフロントウインドガラスにアンテナ１０を設置した場合に相当する。また、第１主線路１１と第２接続線路１４との成す角Ψを３０度とした場合である。この場合のｘｚ面での指向特性を図８の（ａ）に、ｘｙ面での指向特性を図８の（ｂ）に示す。ただし、リアクタンス素子Ｘ１の値は、−３０００Ω、リアクタンス素子Ｘ２の値は、＋５００Ωとした場合である。
これにより、所望送受信方向（ｘ軸）の感度を十分に大きくすることができる。
【００３０】
また、図９に示す自動車のフロントウインドウガラスに、アンテナ１０を配設した状態での指向特性を求めた。その結果であるｘｚ面での指向特性を図１０の（ａ）に、ｘｙ面での指向特性を図１０の（ｂ）に示す。ガラスの誘電率５．８、金属ピラーの存在を考慮して、アンテナ１０を給電点を金属ピラーに接近させて配置したとして、シミュレーションした結果である。図１０から、所望送受信方向（ｘ軸）に感度が高いことが理解される。
【００３１】
第１接続線路１３と第２接続線路１４の形状は、直線でなくとも良い。たとえば、図１１の（ａ）、（ｂ）に示すように、折れ線で構成しても良い。このとき、第１接続線路１３と第２接続線路１４の形状は、ループ形状の中心Ｏに対して、点対称の形状であることが望ましい。点対称とすることにより、ｙ軸方向（地表面に平行な方向）の放射成分をキャンセルすることができる。第１主線路１１と第２主線路１２とのｚ軸方向の位置の差を決定する角Ψは、第１主線路１１の中点ａと第２主線路１２の中点ｄとを結ぶ直線Ｌと、第１主線路１１との成す角で定義される。また、リアクタンスＸ１、Ｘ２の挿入位置は、基本波の位相分布において、給電点ａの位相に対して、±π／２の位相差を有する点に設けられる。
【００３２】
また、リアクタンス素子Ｘ１、Ｘ２は、図１２の（ａ）に示すように、接続線路に設けられたギャップで、キャパシタを構成しても、（ｂ）に示すように、リアクタンス素子Ｘ１を、物理ギャップで構成して、リアクタンス素子Ｘ２をアメンダ構造のインダクタ、線路をアメンダ構造に対向させたキャパシタを構成しても良い。また、（ｃ）に示すように、リアクタンス素子Ｘ１を物理ギャップで構成して、リアクタンス素子Ｘ２をチップインダクタ又はチップコンデンサで形成しても良い。さらに、（ｄ）に示すように、リアクタンス素子Ｘ１を、物理ギャップで構成して、リアクタンス素子Ｘ２をバリキャップコンデンサで構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、地表面の垂直な方向に偏波した垂直偏波のアンテナ面法線ベクトルの方向に対する指向性の大きなアンテナであるので、車両間の通信に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の具体的な実施例に係るアンテナの構成図。
【図２】同実施例のアンテナの指向特性図。
【図３】第１主線路と第２接続線路との成す角を変化させた場合のループ上の電流位相分布を示した特性図。
【図４】リアクタンス素子により電流位相が制御できることを示した説明図。
【図５】リアクタンス素子の値と、励振電流位相分布との関係を示した特性図。
【図６】リアクタンス素子により指向特性が変化できることを示した指向特性図。
【図７】リアクタンス素子の値を変化させた時の指向特性を変化を示した特性図。
【図８】アンテナ面を地表面に対して傾斜させた場合の実施例アンテナの指向特性図。
【図９】実施例アンテナを自動車のフロントウインドウガラス面に配設した時の指向特性をシミュレーションした場合におけるアンテナの配置図。
【図１０】同実施例アンテナを自動車のフロントウインドウガラスに配置した状態での指向特性図。
【図１１】第１接続線路と第２接続線路の他の構成を示したアンテナの平面図。
【図１２】リアクタンス素子の他の構成を示したアンテナの平面図。
【符号の説明】
【００３５】
１０…アンテナ
１１…第１主線路
１２…第２主線路
１３…第１接続線路
１４…第２接続線路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナにおいて、
中央部において給電点を有し、前記垂直偏波を受信又は送信する線路となる直線状の第１主線路と、
前記垂直偏波を受信又は送信する線路となり、前記第１主線路に平行に、離間して配置され、前記第１主線路に平行な方向における位置が、前記第１主線路に対して、異なる位置に配置された第２主線路と、
前記第１主線路と、前記第２主線路の両端を、それぞれ、接続する第１接続線路と第２接続線路と、
前記第１接続線路と前記第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けたことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
前記リアクタンス素子は、前記第１接続線路又は前記第２接続線路における線路上のギャップであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記リアクタンス素子は、前記第１接続線路又は前記第２接続線路における線路上に挿入されるキャパシタ、インダクタ、又は、可変キャパシタであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記第１主線路、前記第２主線路、前記第１接続線路、及び前記第２接続線路による１周の長さは、送受信する前記垂直偏波の線路波長に等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記第１主線路の中点と前記第２主線路の中点とを結ぶ線分と、前記第１主線路との成す角は、１０〜４０度であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項１】
地表面に垂直な方向に偏波した垂直偏波を送受信するアンテナにおいて、
中央部において給電点を有し、前記垂直偏波を受信又は送信する線路となる直線状の第１主線路と、
前記垂直偏波を受信又は送信する線路となり、前記第１主線路に平行に、離間して配置され、前記第１主線路に平行な方向における位置が、前記第１主線路に対して、異なる位置に配置された第２主線路と、
前記第１主線路と、前記第２主線路の両端を、それぞれ、接続する第１接続線路と第２接続線路と、
前記第１接続線路と前記第２接続線路の少なくとも一方に、リアクタンス素子を設けたことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
前記リアクタンス素子は、前記第１接続線路又は前記第２接続線路における線路上のギャップであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記リアクタンス素子は、前記第１接続線路又は前記第２接続線路における線路上に挿入されるキャパシタ、インダクタ、又は、可変キャパシタであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記第１主線路、前記第２主線路、前記第１接続線路、及び前記第２接続線路による１周の長さは、送受信する前記垂直偏波の線路波長に等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記第１主線路の中点と前記第２主線路の中点とを結ぶ線分と、前記第１主線路との成す角は、１０〜４０度であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１０００５３（Ｐ２００９−１０００５３Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６７１６０（Ｐ２００７−２６７１６０）
【出願日】平成１９年１０月１２日（２００７．１０．１２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１２日（２００７．１０．１２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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