JP6908486B2 - 妨害波低減回路及びアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、妨害波低減回路を有するアンテナ装置に関する。

近年の車両には、ＦＭ受信機や無線電話システムのほか、キーレスエントリーシステムのような無線制御システムが搭載されているようになっている。このような無線制御システムは、車両のエンジンキーがオフの状態でも動作する。
しかし、車両のエンジンキーがオフの状態でもアンテナは電波を受信中であり、受信信号はＦＭ受信機などのアンプに入力される。このとき、アンプの入力側における能動素子の非線形特性により相互変調歪の周波数成分が生じると、その周波数成分がアンテナに戻って放射され、妨害波となって、無線制御システムの動作に影響を与えてしまう。

このような妨害波を低減する技術として、例えば特許文献１に妨害波低減回路が提案されている。この妨害波低減回路は、アンテナとアンプとの間に、フィルタ回路とＰＩＮダイオードとを介挿するとともに、ＰＩＮダイオードのアノード側にコイルと短絡用コンデンサとを分岐接続して構成される。この妨害波低減回路では、車両のエンジンキーがオフの状態では、ＰＩＮダイオードに電流が流れないため高インピーダンス状態となり、この間にアンテナの受信信号はアンプ側に流れず、妨害波信号の発生が低減可能とされる。

特開２０１５−７３２００号公報

特許文献１に開示された妨害波低減回路には、アンプの電源がオンからオフに変わった直後のＰＩＮダイオードの物性が考慮されていない。ＰＩＮダイオードに限らず、ダイオードには、アノード電圧が所定値以下に低下するとただちに最低電圧となり、このときカソード電圧も最低電圧となり、他方、アノード電圧が所定値以下に低下する前にカソードに信号が入力されるとアノード電圧が上昇するという性質がある。
そのため、特許文献１に開示された妨害波低減回路には、アンプの電源をオンからオフにすると、アンテナからの信号によりＰＩＮダイオードのアノードに電圧が立ち上がったままとなり、アンプにより生じた相互変調歪みの周波数の信号がアンテナから放射されて妨害波になってしまうという課題が残る。

本発明の目的は、能動素子を含むアンプの電源のオンオフのタイミングに関わらず、妨害波の発生が抑制される妨害波低減回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、無線制御システムを搭載した車両などにおいて妨害波の発生が抑制されるアンテナ装置を提供することにある。

本発明の実施の一態様となる妨害波低減回路は、カソード側にアンテナが接続され、アノード側に前記アンテナから放射される妨害波を発生させる能動素子が接続されているダイオードと、前記ダイオードのアノードと前記能動素子との間に分岐接続され、前記アノードの電荷を放電する放電回路とを備え、前記放電回路は、接地された抵抗素子を含んで構成される。

本発明の実施の一態様となるアンテナ装置は、アンテナと、前記アンテナから放射される妨害波を発生させる能動素子の前段に接続される妨害波低減回路とを備える。この妨害波低減回路は、上記本発明の実施の一態様となる妨害波低減回路である。

本発明によれば、ダイオードのアノードと能動素子との間に分岐接続された放電回路が、抵抗素子を通じてダイオードのアノードの電荷を放電する。そのため、ダイオードのカソード側に信号が入力してアノードの電圧が立ち上がっても、ただちにアノードの電圧が最低値になるので、妨害波がカソード側に伝搬しなくなるという効果が得られる。

本実施形態のアンテナ装置のＦＭ受信系統の構成例を示す模式図。 ＰＩＮダイオードの両端の電圧の状態を示す図であり、（ａ）はアンプの電源がオンの状態、（ｂ）はアンプの電源がオンからオフに切り替わったときの状態、（ｃ）はアンプの電源がオフのときにＦＭ信号が入力されたときの状態を示す。 放電回路を設けない場合と、放電回路を設けかつ抵抗素子の値を変えた場合のＰＩＮダイオードのアノード電圧の状態変化を示す説明図。 （ａ）はＰＩＮダイオードのアノード電圧が０Ｖになるときに妨害波によるアノード電圧が加わった状態を示す説明図，同（ｂ）はその結果を示す説明図。

以下、本発明を車両ルーフに取り付けられるアンテナ装置に適用した場合の実施の形態例を説明する。このアンテナ装置は、ＦＭ放送の受信が可能なＦＭアンテナと、ＦＭ放送の信号を増幅するアンプとを有する。このアンテナ装置が取り付けられる車両には、アンテナ内蔵型のキーレスエントリーユニットが備えられている。キーレスエントリーユニットは、３１５ＭＨｚ帯の周波数のキーレスエントリーシステムを利用可能にするユニットである。そのため、ＦＭアンテナからＦＭ波帯の３次の相互変調歪の周波数成分が放射されると、この周波数成分がキーレスエントリーシステムの動作に影響を与えるものとなる。

図１は、本実施形態のアンテナ装置のＦＭ受信系統の構成例を示す模式図である。本実施形態のアンテナ装置は、アンテナ１と、アンプ３の前段に接続される妨害波低減回路２とを有する。アンプ３は能動素子であるトランジスタを有し、ＦＭ波帯の信号を増幅する。アンプ３で増幅された信号は出力端子４を介して車両側受信装置へ導かれる。また、アンプ３は、例えばキーレスエントリーシステムへの妨害波をアンテナ１から放射させる周波数成分を発生する。

アンテナ１は、ＦＭ放送を受信可能なアンテナであるが、ＡＭ放送をも受信可能なアンテナであっても良い。アンテナ１には、ロッドアンテナ、ループアンテナ、バーアンテナ、面状アンテナ、ミアンダ状アンテナ、ガラスアンテナなど、様々な種類のアンテナがあり、ガラスアンテナ以外はアンテナケースに収納されるものであるが、本実施形態では、アンテナの種類やアンテナケースの有無を問わない。

妨害波低減回路２は、アンテナ１で受信した信号からＦＭ波帯の周波数の信号を通過させるＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２１と、カソードがＢＰＦ２１に接続されるダイオードの一例となるＰＩＮ（P Intrinsic N）ダイオード２２と、ＰＩＮダイオード２２のアノードとアンプ３の入力側との間に分岐接続される放電回路２３とを有する。ＰＩＮダイオード２２は、アノード電圧（アノードの電圧、以下同じ）が、ある電圧値（例えば１．０Ｖ）から所定の臨界値（例えば０．５Ｖ）まで低下すると、ただちに最低値（例えば０Ｖ）に低下する性質がある。この性質は公知である。

放電回路２３は、ＰＩＮダイオード２２のアノードに溜まった電荷を放電して、アンテナ１から妨害波を放射させる周波数成分がアンプ３で発生するのを抑制させる。そのために、放電回路２３は、その一端がＰＩＮダイオード２２のアノード及びアンプ３の入力側に接続されたリアクタンス素子、例えばインダクタＬと抵抗素子Ｒとを直列に接続して構成される。抵抗素子Ｒは接地電位のグランド面と導通する。つまり、抵抗素子Ｒは接地されている。適切な抵抗値の範囲については、後述する。

インダクタＬは、アンプ３（能動素子を含む）へ入力されるべき信号の周波数、本実施形態では、ＢＰＦ２１を通過する周波数（ＦＭ波帯の周波数）で高インピーダンスになる電気定数に設定されている。そのため、ＦＭ波帯の周波数では、放電回路２３の存在は、受信動作に影響を与えない。

他方、インダクタＬが高インピーダンスであってもＢＰＦ２１を通過するＦＭ信号を１００％カットするわけではない。そのため、抵抗素子Ｒが存在せずインダクタＬが直接接地される場合、アンテナ１からＦＭ波帯の信号（以下、「ＦＭ信号」という）が入力されている状態でアンプ３の電源がオンになると、ＰＩＮダイオード２２のアノードに電荷が溜まり、その電荷によりアノードからインダクタＬを経てグランド面に電流が流れることがある。抵抗素子Ｒは、この電流をグランド面に速やかに流す、つまり放電するために設けられる。この抵抗素子Ｒにより、ＰＩＮダイオード２２のアノードに電荷が溜まり、アノード電圧が立ち上がりかけても速やかに放電されるので、ＰＩＮダイオード２２のアノード電圧が上昇しにくくなる。

本発明者は、比較例として、放電回路２３を設けないときのアンプ３の電源を実際にオンオフさせたときのＰＩＮダイオード２２の両端の電圧値を測定した。図２（ａ）〜（ｃ）はその結果の説明図である。図２（ａ）はアンプ３の電源がオン状態である。ＰＩＮダイオード２２は、カソード電圧（カソードの電圧、以下同じ）が０．７０４Ｖであり、アノード電圧は１．５６Ｖであった。

アンプ３の電源がオンからオフに切り替わると、ＰＩＮダイオード２２のアノード電圧は徐々に低下した。そして、アノード電圧が所定の臨界値（例えば０．５Ｖ）まで低下すると、図２（ｂ）に示すように、ただちにアノード電圧が最低値（例えば０Ｖ）となり、ＰＩＮダイオード２２はオフ状態となった。このとき、カソード電圧も０．７０４Ｖから最低値（例えば０Ｖ）となった。

ただし、ＰＩＮダイオード２２は、アノード電圧が臨界値に低下するまでにはＰＩＮダイオード２２の物性に応じた一定の時間を要する。ＦＭ信号がカソードから入力されているときにアンプ３の電源がオンからオフに切り替わると、図２（ｃ）に示すように、アノード電圧が臨界値を超える値（例えば０．８２Ｖ）まで上昇し、アンプ３の電源がオフになっているにも関わらず、ＰＩＮダイオード２２はオン状態になった。この状態では、アンプ３で生じている妨害波（例えば３次高調波）がカソードを通じてＢＰＦ２１に伝わる。ＢＰＦ２１は、ＦＭ波帯以外の周波数を１００％カットするわけではないので、妨害波がアンテナ１から放射され、キーレスエントリーシステムの動作に影響を与える。なお、アノード電圧が臨界値を超える値は一定値でなく、カソード側から入力されるＦＭ信号の強さによって変動する。つまり、アノード電圧が臨界値を超える時間も変動する。

図３は、本実施形態のように放電回路２３を設け、抵抗素子Ｒの値を変えた場合と、放電回路２３を設けない比較例の場合のＰＩＮダイオード２２のアノード電圧状態を示す図である。図３において縦軸はアノード電圧（Ｖ）、横軸はアンプ３の電源がオフになった後の経過時間（ｍｓ）である。
また、破線２０１は、上述したアノード電圧の臨界値（本例では０．５Ｖ）を表す。さらに、長破線３０１は、放電回路２３の無い比較例の電圧変化図である。比較例では、アノード電圧が臨界値（破線２０１）に低下するまで５４．７ｍｓを要した。一方、一点破線３０２は、放電回路２３の抵抗素子Ｒの抵抗値が１ｋΩ、単破線３０３は放電回路２３の抵抗素子Ｒの抵抗値が７５０Ω、細実線３０４は放電回路２３の抵抗素子Ｒの抵抗値が５１０Ωの場合の電圧変化図である。
このように、抵抗素子Ｒの抵抗値が小さくなるほど、アンプ３の電源がオンからオフに切り替わった後、ＰＩＮダイオード２２のアノード電圧が臨界値（破線２０１）に低下するまでの時間は短くなった。この時間は、例えば抵抗値が１ｋΩの場合は１８．５ｍｓ、７５０Ωの場合は１４．５ｍｓ、５１０Ωの場合は９．０ｍｓであった。

また、太実線４０１は、アンプ３の電源がオフになった後、図２（ｃ）に示すように、ＦＭ信号の入力により、０．８２ＶまでＰＩＮダイオード２２のアノードに立ち上がった妨害波の電圧変化図である。この妨害波の電圧は、アンプ３の電源がオフになってからしばらくして立ち上がる。この電圧は、臨界値（破線２０１）を超えて上昇し、例えば０．８２Ｖに達した後は、アンプ３の電源がオフであるにも関わらず、ほぼその値を維持する。

図３に示される比較例（長破線３０１）の場合、アンプ３の電源がオフになった後、アノード電圧が臨界値（破線２０１）に低下するまでの間にＦＭ信号の入力により妨害波による電圧がアノードに立ち上がることがある。この場合、ＰＩＮダイオード２２がオン状態となり、妨害波がカソード側へ伝搬される。放電回路２３を設けた場合であっても、抵抗素子Ｒの抵抗値が１ｋΩの場合（一点鎖線３０２）、アノード電圧が臨界値（破線２０１）に低下する前に、ＦＭ信号の入力によりアノード電圧が臨界値（破線２０１）よりも低くならないことがある。この場合、アノード電圧が上昇してＰＩＮダイオード２２はオン状態を維持する。

抵抗素子Ｒの抵抗値が７５０Ω（短破線３０３）になると、ＦＭ信号の入力によってアノード電圧が臨界値（破線２０１）を超える前にアノード電圧が臨界値（破線２０１）まで低下する。このときのアノード電圧の状態を図４（ａ）に示す。ＦＭ信号の入力後、ＦＭ信号の入力によるアノード電圧Ｖａの上昇は０．２２Ｖであった。このアノード電圧Ｖａは臨界値（破線２０１）以下なので、図４（ｂ）に示すように、ただちに０Ｖになる。そのため、妨害波がアノード側からカソード側に伝搬することがない。抵抗素子Ｒの抵抗値が５１０Ω（細実線３０４）では、妨害波が立ち上がる前にアノード電圧が臨界値（破線２０１）に低下し、その瞬間０Ｖになるので、もとより妨害波の影響を受けない。

本実施形態の妨害波低減回路２において、望ましい態様は、ＰＩＮダイオード２２のカソードに信号が入力されていないときにアンプ３の電源がオンからオフとなり、これによりアノード電圧が最低電圧になるまでの時間（第１の時間）が、ＰＩＮダイオード２２のカソードに信号が入力されているときにアンプ３の電源がオンからオフとなり、これによりアノード電圧が最低電圧になるまでの時間（第２の時間）よりも短いことである。このような態様が実現されるように抵抗素子Ｒの抵抗値を選定することにより、アンプ３の電源のオンオフのタイミングに関わらず、妨害波がカソード側に伝搬する事態を回避することができる。

図３の例でいえば、抵抗素子Ｒの抵抗値を７５０Ω以下とすることにより、アンプ３の電源のオンオフのタイミングに関わらず、妨害波の影響を低減させることができる。なお、抵抗値を５１０Ω以下にすることもできるが、あまり抵抗値を低くしてしまうと、雑音指数が大きくなるので、好ましくない。このため、抵抗値は約７５０Ω以下、約５１０Ω以上とすることが望ましい。

なお、本実施形態では、ダイオードの例としてＰＩＮダイオード２２を用いた例を説明したが、アノードに電圧が立ち上がるとオンになりアノード側の信号をカソード側で伝達する他のどのような種類のダイオードであっても本発明は適用が可能である。

本実施形態では、また、妨害波を発生する部品をアンプ３とした場合の例を挙げたが、本発明は、能動素子単体、あるいは能動素子を含む電子回路全般に適用が可能である。
本実施形態では、また、アンテナ１，妨害波低減回路２，アンプ３及び出力端子４を備えたアンテナ装置の例を説明したが、アンテナ１と妨害波低減回路２とでアンテナ装置を構成し、アンプ３は、車両側受信装置の前段に存在するようにしても良い。

Claims (7)

1. カソード側にアンテナが接続され、アノード側に前記アンテナから放射される妨害波を発生させる能動素子が接続されているダイオードと、
   前記ダイオードのアノードと前記能動素子との間に分岐接続され、前記アノードの電荷を放電する放電回路とを備え、
   前記放電回路は、接地された抵抗素子を含んで構成される、妨害波低減回路。
2. 前記放電回路は、前記能動素子の電源がオンからオフに変化するときに前記アノードに残存する電荷を放電する、請求項１に記載の妨害波低減回路。
3. 前記放電回路は、前記アノードと前記抵抗素子との間に接続され、前記能動素子へ入力されるべき信号の周波数ではそれ以外の周波数よりも高いインピーダンスとなるリアクタンス素子をさらに含んで構成される、請求項１又は２に記載の妨害波低減回路。
4. 前記リアクタンス素子がインダクタである、請求項３に記載の妨害波低減回路。
5. 前記ダイオードのカソードに信号が入力されていないときに前記能動素子の電源がオンからオフとなり、これにより前記ダイオードのアノードの電圧が最低電圧になるまでの第１の時間は、前記ダイオードのカソードに前記信号が入力されているときに前記能動素子の電源がオンからオフとなり、これにより前記アノードの電圧が前記最低電圧になるまでの第２の時間よりも短い、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の妨害波低減回路。
6. 前記ダイオードがＰＩＮダイオードである、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の妨害波低減回路。
7. アンテナと、
   前記アンテナから放射される妨害波を発生させる能動素子の前段に接続される妨害波低減回路とを備えており、
   前記妨害波低減回路は、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の妨害波低減回路である、アンテナ装置。

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