JP5368730B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のキーレスオペレーションシステム等の無線通信技術に好適なアンテナ装置に関する。

従来、自動車のキーレスオペレーションシステム等の無線通信を目的として、ロッドアンテナ等の外部に飛び出るアンテナ部を有するアンテナ装置が用いられていたが、近年、デザイン性を考慮して内蔵アンテナを使用したアンテナ装置が採用されるようになった。しかしながら、無線機器の小型化に伴って内蔵アンテナによるアンテナ特性が劣化してしまうため、例えば、特許文献１には、ハンドストラップを用いて高利得化する移動無線機が提案されている。

この移動無線機では、無線機本体の筐体内に内蔵アンテナ素子を設け、導電性リング状ハンドストラップを取り付けたハンドストラップ接続部を内蔵アンテナ素子の近傍に設けることで、ハンドストラップ接続部と内蔵アンテナ素子とが電磁的に結合して高利得を得ている。

特開２０００−１１４８６５号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、上記特許文献１に記載の技術のように、電磁的に結合したハンドストラップを用いて高利得化した場合、アンテナ特性がハンドストラップに依存してしまい、アンテナ設計が難しく、安定したアンテナ特性が得難いという問題があった。また、ハンドストラップが無線機器のグランド（ＧＮＤ）に接続されていないため、本来の内蔵アンテナのアンテナ利得は改善されないという不都合がある。
例えば、図１８の（ａ）に示すように、無線機器が小型化された場合、上述したように、基板１上における内蔵アンテナ２の面積や体積、無線回路部３の回路側グランドパターン４が小さくなってしまう。これに対して、図１８の（ｂ）に示すように、回路側グランドパターン４を広げるために、ストラップホルダ５或いは導電性のハンドストラップ６と回路側グランドパターン４とを電気的に接続する方法が考えられる。しかしながら、元の回路側グランドパターン４が小さいためにアンテナ特性は不安定であり、特性は改善されないと共に、静電気等の影響により無線回路部３が損傷するおそれもある。そこで、上記特許文献１（図１８（ｃ））のように、導電性のハンドストラップ６と回路側グランドパターン４とを電磁的に結合させる方法が考えられるが、静電気の問題は改善されるものの、内蔵アンテナ２自体の性能は改善されないと共に、ハンドストラップ６の状態（長さや設置状態等）に依存してしまい、アンテナ特性が不安定となってしまう。
このように、従来の技術では、十分なアンテナ設計、グランドパターン設計が困難であり、アンテナ特性の改善が困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、小型化及び薄型化等による特性劣化を低減すると共に、内蔵アンテナの特性を改善して高利得化及び広域化を図ることができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のアンテナ装置は、基板と、該基板に設けられた無線回路部と、前記基板に設けられ前記無線回路部に接続された内蔵アンテナと、前記基板に設けられ前記無線回路部に接続された回路側グランドパターンと、前記基板に設けられ前記内蔵アンテナに接続されたアンテナ専用グランドパターンと、を備えていることを特徴とする。

このアンテナ装置では、内蔵アンテナに接続されたアンテナ専用グランドパターンを回路側グランドパターンとは別に基板に設けているので、無線回路部の回路側グランドパターンに依存しないアンテナ専用グランドパターンによって、アンテナ利得や周波数帯域幅等のアンテナ特性が改善される。なお、アンテナ専用グランドパターンと回路側グランドパターンとの間隔に応じて線間容量が発生し、静電対策等の効果を得ることもできる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記アンテナ専用グランドパターンが、前記内蔵アンテナの延在方向に対して直交する方向に延在していることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、アンテナ専用グランドパターンが内蔵アンテナの延在方向に対して直交する方向に延在しているので、内蔵アンテナの延在方向と同じ方向に延在させた場合に比べて全体の長さを短くでき、省スペース化が可能である。

また、本発明のアンテナ装置は、前記基板から突出して設けられた金属部を備え、前記アンテナ専用グランドパターンが、前記金属部に接続されていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、アンテナ専用グランドパターンが、基板から突出した金属部に接続されているので、装置の小型化に伴って十分なアンテナ専用グランドパターンを確保できない場合でも、金属部のサイズによってアンテナ特性が改善される。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記金属部が、ストラップホルダであることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、金属部がストラップホルダであるので、このストラップホルダにハンドストラップを取り付けることができ、アンテナ特性の改善機能だけでなくストラップホルダとして活用することができる。また、この金属部にハンドストラップを取り付けた場合でも、アンテナ特性の劣化や不安定要素を無くすことができる。さらに、取り付けるハンドストラップに導電性等の要求が無くなり、ハンドストラップを含めたデザイン性、コスト及び生産性に優れている。

また、本発明のアンテナ装置は、前記金属部と前記アンテナ専用グランドパターンとの間に、静電対策回路部が設けられていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、アンテナ専用グランドパターンを静電対策回路部を経由して金属部に接続するので、静電対策回路部によって金属部から入るサージに対して無線回路部等を保護することができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記アンテナ専用グランドパターンと前記回路側グランドパターンとを少なくとも１箇所で局所的に接続するグランド調整部を備えていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、アンテナ専用グランドパターンと回路側グランドパターンとを少なくとも１箇所で局所的に接続するグランド調整部を備えているので、グランド調整部の設置箇所を任意に設定することで、ノイズ対策等が可能になり、アンテナ専用グランドパターンと回路側グランドパターンとの安定化を図ることができる。これにより、ノイズ対策、静電対策、グランドパターンの安定化を兼ね備えた設計を確立することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のアンテナ装置によれば、内蔵アンテナに接続されたアンテナ専用グランドパターンを回路側グランドパターンとは別に基板に設けているので、無線回路部の回路側グランドパターンに依存しないアンテナ専用グランドパターンによって、アンテナ利得や周波数帯域幅等のアンテナ特性が改善される。したがって、装置の小型化及び薄型化等による特性劣化を低減することができると共に、内蔵アンテナの特性を改善して高利得化及び広域化を図ることができる。この本発明のアンテナ装置は、自動車等に搭載される無線通信システム、特にキーレスオペレーションシステムに使用される受信アンテナ装置、送信アンテナ装置、送受信アンテナ装置のいずれかの使用に好適である。

以下、本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態におけるアンテナ装置１０は、例えば自動車等に搭載される無線通信システム、特にキーレスオペレーションシステムに使用される受信アンテナ装置、送信アンテナ装置、送受信アンテナ装置とされるものであって、図１及び図２に示すように、基板１と、該基板１上に設けられた無線回路部３と、基板１上に設けられ無線回路部３に接続された内蔵アンテナ２と、基板１上に設けられ無線回路部３に接続された回路側グランドパターン４と、基板１上に設けられ内蔵アンテナ２に接続されたアンテナ専用グランドパターン１１と、基板１から突出して設けられた金属部１２と、アンテナ専用グランドパターン１１と回路側グランドパターン４とを少なくとも１箇所で局所的に接続するグランド調整部１３と、を備えている。

アンテナ専用グランドパターン１１と回路側グランドパターン４とは、例えば基板１上に銅箔等の導体パターンで形成されている。
上記内蔵アンテナ２と無線回路部３とアンテナ専用グランドパターン１１との間には、内蔵アンテナ２と無線回路部３とを整合させる回路設計された整合回路部１４が設けられている。この整合回路部１４は、例えば、図２に示すように、複数のインダクタンスＬ又はコンデンサＣで構成されるπ型ＬＣ回路を一段又は複数段設けた回路構成とされている。

なお、上記キーレスオペレーションシステムとは、キーレスオペレーションキーと呼ばれる無線通信機能を有するキーを運転者等が携帯しているだけで、無線作動範囲まで自動車に近づいた際に、キーと自動車本体側に設置された受信アンテナ装置との間でＩＤコードの照合を無線通信で行うことで、自動車のドア及びテールゲート等の施錠・解錠操作（いわゆるキーレスエントリーシステム）、エンジンの始動操作などが可能になるシステムである。

この整合回路部１４からの給電ラインは、無線回路部３に接続されていると共に、グランドラインは、アンテナ専用グランドパターン１１に接続されている。すなわち、内蔵アンテナ２は、整合回路部１４を介して無線回路部３及びアンテナ専用グランドパターン１１に接続されている。

なお、本実施形態では、整合回路部１４を設けているため、この整合回路部１４からアンテナ専用グランドパターン１１に接続しているが、アンテナによっては整合回路部分をアンテナに含めて設計する場合がある。その場合は、アンテナエレメント内のグランドとして動作する部分を用いても同様の効果が得られる。

さらに、金属部１２とアンテナ専用グランドパターン１１との間に、サージ吸収機能を有する静電対策回路部１５が設けられている。この静電対策回路部１５は、例えばバリスタ等の一般的な静電対策部品が採用される。
上記アンテナ専用グランドパターン１１は、内蔵アンテナ２の延在方向に対して直交する方向に直線的に延在している。なお、アンテナ専用グランドパターン１１は、回路側グランドパターン４に対して延在方向の長さが長くなるほど諸特性全てにおいて良好な特性を得ることができる。特に、アンテナ装置１０の長手方向に沿って延在させることが、アンテナ専用グランドパターン１１を長く設定可能である。

上記内蔵アンテナ２は、例えば誘電体等を用いたチップアンテナ、銅箔等の導体パターンで形成されたパターンアンテナ、板金等による板状アンテナやヘリカルアンテナ等が採用可能である。中でも、小型化できるという点でチップアンテナが好ましい。
上記グランド調整部１３には、一般的な受動素子として、抵抗、コンデンサ、インダクタ等が使用される。なお、グランド調整部１３は、必要に応じて任意の箇所に設けることができ、本実施形態では、アンテナ専用グランドパターン１１の途中に２箇所のグランド調整部１３が設けられてアンテナ専用グランドパターン１１と回路側グランドパターン４とが接続されている。

なお、上記整合回路部１４を採用しない場合として、例えば図３の（ａ）に示すように、ダイポールアンテナや、図３の（ｂ）に示すように、逆Ｆアンテナのようにグランドパターンもアンテナの一部として動作している場合にも本実施形態が適用可能である。その場合には、アンテナとして動作しているグランドパターンをアンテナ専用グランドパターン１１に置き換えることにより、同様の効果を得ることができる。

また、上記金属部１２は、図４の（ａ）に示すように、図示しない穴部にハンドストラップ６を取り付け可能な棒形状のストラップホルダとされているが、この棒形状のものだけでなく、種々の形状が適用可能である。例えば、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、先端に円環状部２２ａを有したストラップホルダとなる金属部２２や、全体が矩形環状とされたストラップホルダとなる金属部３２等でも構わない。

このように本実施形態のアンテナ装置１０では、内蔵アンテナ２に接続されたアンテナ専用グランドパターン１１を回路側グランドパターン４とは別に基板１上に設けているので、無線回路部３の回路側グランドパターン４に依存しないアンテナ専用グランドパターン１１によって、アンテナ利得や周波数帯域幅等のアンテナ特性が改善される。

また、アンテナ専用グランドパターン１１が内蔵アンテナ２の延在方向に対して直交する方向に延在しているので、内蔵アンテナ２の延在方向と同じ方向に延在させた場合に比べて全体の長さを短くでき、省スペース化が可能である。
さらに、アンテナ専用グランドパターン１１が、基板１から突出した金属部１２に接続されているので、装置の小型化に伴って十分なアンテナ専用グランドパターン１１を確保できない場合でも、金属部１２のサイズによってアンテナ特性が改善される。

また、ストラップホルダを金属部１２とする場合、この金属部１２にハンドストラップ６を取り付けることができ、アンテナ特性の改善機能だけでなくストラップホルダとして活用することができる。また、この金属部１２にハンドストラップ６を取り付けた場合でも、アンテナ特性の劣化や不安定要素を無くすことができる。さらに、取り付けるハンドストラップ６に導電性等の要求が無くなり、ハンドストラップ６を含めたデザイン性、コスト及び生産性に優れている。

また、アンテナ専用グランドパターン１１を静電対策回路部１５を経由して金属部１２に接続するので、静電対策回路部１５によって金属部１２から入るサージに対して内蔵アンテナ２や無線回路部３等を保護することができる。

なお、グランド調整部１３を設けず、アンテナ専用グランドパターン１１と回路側グランドパターン４とを分離している場合、アンテナ専用グランドパターン１１と回路側グランドパターン４との間隔に応じて線間容量が発生し、静電対策等の効果を得ることもできる。逆に、分離していることで、無線回路部３からのノイズ発生により、アンテナ特性や無線回路部３に悪影響を及ぼす場合が考えられるが、アンテナ専用グランドパターン１１と回路側グランドパターン４とを少なくとも１箇所で局所的に接続するグランド調整部１３を設けることで、ノイズ対策等が可能になり、アンテナ専用グランドパターン１１と回路側グランドパターン４との安定化を図ることができる。
これらにより、ノイズ対策、静電対策、グランドパターンの安定化を兼ね備えた設計を確立することができる。

次に、本発明に係るアンテナ装置の第２から第４実施形態について、図５から図７を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、一定幅で直線状に延在したアンテナ専用グランドパターン１１が形成されているが、第２実施形態のアンテナ装置２０では、図５に示すように、途中がミアンダ形状とされたアンテナ専用グランドパターン２１が形成されている点である。すなわち、第２実施形態のアンテナ装置２０では、アンテナ専用グランドパターン２１の途中がミアンダ形状とされているので、第１実施形態よりも長いアンテナ専用グランドパターン２１を得ることができ、より良好なアンテナ特性を得ることが可能になる。

また、第３及び第４実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、直線的に延在したアンテナ専用グランドパターン１１が形成されているが、第３及び第４実施形態のアンテナ装置３０，４０では、図６及び図７に示すように、Ｌ字状及びコ字状のアンテナ専用グランドパターン３１，４１が形成されている点である。すなわち、第３及び第４実施形態のアンテナ装置３０，４０では、アンテナ専用グランドパターン３１，４１がＬ字状及びコ字状とされているので、第２実施形態と同様に、第１実施形態よりも長いアンテナ専用グランドパターン３１，４１を得ることができ、より良好なアンテナ特性を得ることが可能になる。

次に、本発明に係るアンテナ装置の第５実施形態について、図８及び図９を参照して以下に説明する。

第５実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、静電対策回路部１５がアンテナ専用グランドパターン１１と金属部１２とに接続されているのに対し、第５実施形態のアンテナ装置５０では、図８及び図９に示すように、静電対策回路部５５が、回路側グランドパターン４にも接続されている点である。すなわち、第５実施形態のアンテナ装置５０では、静電対策回路部５５が回路側グランドパターン４にも接続されているので、静電対策回路部５５が内蔵アンテナ２保護用だけでなく無線回路部３保護用も兼用し、両方の静電保護が可能になる。

次に、本発明のアンテナ装置において、実際のアンテナ特性について測定した結果を示す。
まず、無線機器等のアンテナ装置において、無線回路部３を設けた基板１が設計され、図１０の（ａ）に示すように、理想的な内蔵アンテナ２の配置及び回路側グランドパターン４の場合（リファレンス状態）を考える。

これに対して、実際には部品実装等により、図１０の（ｂ）に示すように、回路側グランドパターン４は小さくなってしまうと考えられる。この回路側グランドパターン４が縮小した状態のとき、その放射パターンを確認すると、図１１に示すように、上記理想的な場合（リファレンス状態）に比べてアンテナ利得が最大３ｄＢ劣化することがわかる。また、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）＝３における帯域幅は、上記理想的な場合に対して１０％劣化する。

これら従来例に対して、図１２に示すように、回路側グランドパターン４がなく、アンテナ専用グランドパターン１１を追加した本発明の実施例を考える。その結果、図１３に示すように、従来の回路側グランドパターン４が縮小した状態（ＧＮＤパターン縮小状態）に比べてアンテナ利得、帯域幅共に改善していることがわかる。

また、図１４に示すように、回路側グランドパターン４はそのまま縮小された状態で、アンテナ専用グランドパターン１１を追加した本発明の実施例を考える。その結果、回路側グランドパターン４はそのまま縮小された状態でも、図１５に示すように、回路側グランドパターン４が縮小した状態（ＧＮＤパターン縮小状態）に比べてアンテナ利得は１．２ｄＢ改善することがわかる。また、ＶＳＷＲ＝３における帯域幅は、上記ＧＮＤパターン縮小状態に対して６％改善している。

次に、図１６に示すように、アンテナ専用グランドパターン１１を追加した状態に、さらにストラップホルダである金属部１２をアンテナ専用グランドパターン１１に接続した本発明の実施例を考える。その結果、図１７に示すように、アンテナ専用グランドパターン１１を追加した状態の上記実施例の場合に比べてアンテナ利得はさらに１ｄＢ改善することがわかる。また、ＶＳＷＲ＝３における帯域幅は、アンテナ専用グランドパターン１１を追加した状態の上記実施例に対して２％改善している。
以上の結果から、本発明の実施例におけるアンテナ専用グランドパターン１１、金属部１２の追加による大幅な特性改善効果が確認できる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記各実施形態では、基板上にアンテナ専用グランドパターンを設けているが、基板として多層基板を採用する場合、アンテナ専用グランドパターンは内層パターン等のどの層に設計しても構わない。なお、理想的には、アンテナ専用グランドパターンは、基板表面の部品面の層に設計されることが好ましい。

本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 第１実施形態のアンテナ装置における等価回路図である。 第１実施形態のアンテナ装置において、整合回路部が無い場合のアンテナ種類としてダイポールアンテナ及び逆Ｆアンテナを示す説明図である。 第１実施形態のアンテナ装置において、金属部の種々の形状を示す簡易的な要部拡大図である。 本発明に係るアンテナ装置の第２実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の第３実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の第４実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の第５実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 第５実施形態のアンテナ装置における等価回路図である。 本発明に係るアンテナ装置の従来例において、回路側グランドパターンが理想的な場合と縮小された場合とを示す簡易的な平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の従来例において、回路側グランドパターンが理想的な場合と縮小された場合との放射パターンを示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、回路側グランドパターンがなく、アンテナ専用グランドパターンを追加した場合を示す簡易的な平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の従来例及び実施例において、回路側グランドパターンが縮小された従来例と回路側グランドパターンがなく、アンテナ専用グランドパターンを追加した実施例との放射パターンを示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、回路側グランドパターンが縮小された状態でアンテナ専用グランドパターンを追加した場合を示す簡易的な平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の従来例及び実施例において、回路側グランドパターンが縮小された従来例とアンテナ専用グランドパターンを追加した実施例との放射パターンを示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、アンテナ専用グランドパターン及び金属部を追加した場合を示す簡易的な平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、アンテナ専用グランドパターンを追加した実施例とさらに金属部を追加した実施例の放射パターンを示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の従来例において、回路側グランドパターンが小さい場合、回路側グランドパターンとハンドストラップとを電気的に接続した場合及び回路側グランドパターンとハンドストラップとを電磁的に結合した場合を示す平面図である。

符号の説明

１…基板、２…内蔵アンテナ、３…無線回路部、４…回路側グランドパターン、６…ハンドストラップ、１０，２０，３０，４０，５０…アンテナ装置、１１，２１，３１，４１…アンテナ専用グランドパターン、１２，２２，３２…金属部、１３…グランド調整部、１５，５５…静電対策回路部

Claims (6)

1. 基板と、
   該基板に設けられた無線回路部と、
   前記基板に設けられ前記無線回路部に接続された内蔵アンテナと、
   前記基板に設けられ前記無線回路部に接続された回路側グランドパターンと、
   前記基板に設けられ前記内蔵アンテナに端部が接続され一定幅で延在したアンテナ専用グランドパターンと、を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナ専用グランドパターンが、前記内蔵アンテナの延在方向に対して直交する方向に延在していることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
   前記基板から突出して設けられた金属部を備え、
   前記アンテナ専用グランドパターンが、前記金属部に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置において、
   前記金属部が、ストラップホルダであることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項３又は４に記載のアンテナ装置において、
   前記金属部と前記アンテナ専用グランドパターンとの間に、静電対策回路部が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナ専用グランドパターンと前記回路側グランドパターンとを少なくとも１箇所で局所的に接続するグランド調整部を備えていることを特徴とするアンテナ装置。