JP7074637B2

JP7074637B2 - ブロードバンド・アンテナ・システム

Info

Publication number: JP7074637B2
Application number: JP2018195473A
Authority: JP
Inventors: エンリケ・マルティネス・オルティゴサ; ラミロ・イルレラ・キンテロ
Original assignee: Advanced Automotive Antennas SL
Current assignee: Advanced Automotive Antennas SL
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: EP3474376A1; EP3474376B1; JP2019075788A; CN109672018A; US10971812B2; US20190123436A1; CN109672018B

Description

（発明の目的）
本発明は、一般に、ブロードバンド及びマルチバンドのアンテナに関し、好ましくは、車両用リモート・アンテナとして用いることができる。

本発明の目的は、例えば車両内部等の狭い空間内に取り付けできるように小さな寸法を有するブロードバンド及びマルチバンドのアンテナを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、製造コストを減少させるために、それ自身で簡単に車両に取り付け可能である、すなわち、追加的な取付手段なしで、また、車両へのグランド接続なしで、車両用リモート・アンテナを提供することである。

（発明の背景）
幾つかの電子デバイスは大きな寸法を有するので、限られた空間内部に大きなアンテナ・システムを収納することは、困難である。このため、自動車等の動力で動く乗り物における多くの通信デバイスは、内部アンテナの性能を高める外部アンテナを必要としている。このことから、外部アンテナは、車両内の狭い空間内部に取り付けできるように可能な限り小さな寸法を有することが重要である。

内部アンテナに関する外部アンテナのもう１つの利点は、電子ノイズという点での性能である。内部アンテナは、電子ノイズ源（クロック、マイクロプロセッサ等）に近い時に、システム全体の感度が最も低下するであろう。したがって、外部アンテナの場合、これらのノイズ源から移動することができるので、この状況は、改善される。

例えば、ＬＴＥアンテナは、特に、同時に、メイン・アンテナとダイバーシティ・アンテナとの双方を必要とする。しかしながら、これら２つのＬＴＥアンテナ（メイン及びダイバーシティ）は、信号干渉が高く、且つ、アンテナ間の無相関レベルが不十分である、特に低周波数帯域（700 MHz - 1 GHz）において、シャーク・フィン・アンテナの狭い内部に収納することができない。ＬＴＥ等の携帯システム上、複数のアンテナが要求される時に、アンテナは、アンテナ間で可能な限り無相関である必要がある。

他方、平面逆Ｆアンテナ（以下、「PIFA」という。）は、通常、例えば携帯電話、無線携帯情報端末（PDA: personal digital assistant）、無線ローカルエリアネットワーク（LAN）－ブルートゥース（登録商標）等の無線通信に利用することができる。ＰＩＦＡ（planar inverted F antenna）は、一般に、平面放射素子と、その放射素子に平行であるグラント面と、を備え、このグランド面は、アンテナの構造よりも大きい。導電性第１ラインは、放射素子の側部の端に配置される第１コンタクトで、放射素子と結合され、その第１ラインは、グランド面にも結合される。

導電性第２ラインは、第１ラインと同じ側面に沿って、第１ラインとは違って端上の異なるコンタクト位置であるが、放射素子に結合される。第１及び第２のラインは、ＰＩＦＡの動作周波数で、所望のインピーダンス、例えば５０オームに結合するように適合される。ＰＩＦＡにおいて、第１及び第２のラインは、それらが結合される放射素子の端に垂直であり、これにより、（平面逆Ｆアンテナの記述名となる）逆Ｆ形状を形成することができる。

従来の既知の平面逆Ｆアンテナは、所与の無線アプリケーション用のＰＩＦＡの体積を減少する必要性によって犠牲になった帯域幅を有する。また、その性能は、アンテナが結合されるグランド面の物理的な寸法に強く依存する。通常、携帯電話帯域（ＬＴＥの例として）の最も低い周波数で適切に機能するためには、１００ｍｍより大きいグランド面が必要である。

したがって、その大きさを増加させないで、また、アンテナ設置用に大きなグランド面を使用しないで、ＰＩＦＡの帯域幅を改善する必要がある。

更に、減少させた寸法で、マルチバンドで、高効率で、低ＶＳＷＲのアンテナを得ることは、難題である。

（発明の概要）
本発明は、特許請求の範囲の独立請求項によって定められる。

本発明のアンテナは、放射及び帯域幅という点でアンテナ効率を高めるために２つの逆Ｆアンテナを備え、その２つのＦアンテナ間の協動のために、グランド面のサイズを減少させることができる。そのアンテナは、２Ｄ（２次元）平面アンテナ（planar antenna）又は３Ｄ（３次元）立体アンテナ（volumetric antenna）の何れかとして実施することができる。

本発明の１つの態様は、実質的に平面のグランド面と実質的に平面の放射素子とを備えるアンテナ装置を含むブロードバンド及びマルチバンドのアンテナ・システムに関する。その２Ｄ平面アンテナにおいて、放射素子及びグランド面は、同一平面であり、また、その３Ｄ実装において、放射素子は、グランド面の上に配置され、且つグランド面と実質的に平行である。

放射素子は、中央セグメント並びに中央セグメントから延びる第１及び第２の横又は側部のセグメントを有する。給電接続ラインは、中央セグメントとグランド面の側部との間に結合され、また、グランド接続ラインは、中央セグメントと、給電接続ラインが結合された、グランド面の同じ側部と、の間に結合される。

放射素子は、中央セグメント並びに中央セグメントから延びる第１及び第２の側部のセグメントによって形成された、Ｕ形状の構成を有する。給電接続ラインは、中央セグメントとグランド面との間に結合され、また、グランド接続ラインは、中央セグメントとグランド面との間に結合される。

好ましくは、放射素子及びグランド面は、二重ＰＩＦＡアンテナとして構成される。

好ましくは、放射素子のそれらのセグメントは、実質的に垂直であり、また、第１及び第２の側部セグメントは、互いに、実質的に平行であり、且つ、中央セグメントに対して、実質的に直交する。グランド面は、２つの短辺及び２つの長辺を有する、実質的に矩形の構成を有し、また、中央セグメントは、これらの短辺のうちの１つの上に配置され、また、これらの側部セグメントは、それぞれ、これらの長辺の上に配置される。

本発明のアンテナ・システムは、好ましくは、少なくとも１つのロング・ターム・エボリューション（LTE: Long Term Evolution）周波数帯域で動作するように、また、自動車用リモート・アンテナとして使用されるように、適合される。

本発明の幾つかの利点は、以下である：
- 高効率；
- ワイドバンド特性；
- マルチバンド特性；
- 従来の解決策と比較して、大幅に減少した寸法；
- 設置用の追加的な構造のない、一体化された部品（アンテナ＋ブラケット）；
- 内部に組み込まれたナビゲーション・アンテナとの互換性。

（図面の簡単な説明）
本発明の好ましい実施形態は、添付の図面を参照しながら、以下に説明される。
図１は、２Ｄ平面アンテナのトポロジーの概念図を示し、図１Ａは、従来技術（prior-art）の逆Ｆアンテナであり、図１Ｂは、本発明に従うπアンテナである。図２は、３Ｄ立体アンテナに変換される、図１の２Ｄ平面アンテナの展開の概念図を示し、図２Ａは、展開の第１ステップを示す、図２Ｂは、最終の３Ｄアンテナを示す。図３は、本発明に従うアンテナの概念図を示し、図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、斜視図及び平面図である。図４は、本発明に従うアンテナ・システムの例示的な実装の２つの斜視図を示す。図５は、本発明に従うアンテナの幾つかの斜視図での概念図を示す。図６は、測定されたＶＳＷＲ（電圧定在波比：Voltage Standing Wave Ratio）に対応するグラフを示す。図７は、本発明に従うアンテナ・システムの分解図を示す。

（本発明の好ましい実施形態）
アンテナは、２Ｄ平面アンテナ又は３Ｄ平面アンテナの何れかで実装することができる。図１Ｂで示される平面実装の場合、アンテナ構成は、「πアンテナ」として定義することができる。

図１Ｂに示されるπアンテナは、長さ(L3)の中央セグメント(3a)から延びる第１及び第２の側部セグメント(3b, 3c)を有する放射素子(3)を備える。第１及び第２の側部セグメント(3b, 3c)の長さ(L1, L2)は、同等であり(+/- 15%)、それらは、特定のアプリケーション用の放射素子(3)に垂直であるグランド面(2)の第１辺(Y)に依存して選択される。

この実施形態において、放射素子(3)及びグランド面(2)は、同一平面である。加えて、第１、第２及び中央のセグメント(3a,3b,3c)は、まっすぐで整列し、且つ、グランド面(2)の片側に配置されている。

Ｌ１＋Ｈの長さは、図１Ｂに示されるグランド面の軸寸法「Ｙ」よりも長く、その比が５０％～７０％、好ましくは、５５％～６５％、更に好ましくは、６０％である時に、最適の実装が得られ、ここで、そのＨは、図１Ｂに示されるように放射素子(3)とグランド面(2)の片側との距離である。

７００ＭＨｚ（λ～４２８ｍｍ）での最低動作周波数を有する携帯電話帯域で実装する場合、グランド面の「Ｙ」寸法が０．１２λ（５０ｍｍ）である時に、Ｌ１（６３ｍｍ）＋Ｈ（２０ｍｍ）が必要となる。この場合、Ｙ／（Ｌ１＋Ｈ）は、５０／（６３＋２０）＝０．６０であり、すなわち、増加した分岐長さに対するグランド面主軸(Y)の寸法は、６０％程度である。

距離Ｈは、アンテナ・インピーダンス及び帯域を減少させてしまう、グランド平面に対する高カップリング効果を防止するための最小値を有する。通常、最小値Ｈは、約０．０５λであり、７００ＭＨｚの最低動作周波数を有する携帯電話帯域の場合、その最小値「Ｈ」は、約２０ｍｍである。

給電接続ライン(4)は、中央セグメント(3a)とグランド面(2)の側部との間に結合され、また、グランド接続ライン(5)は、中央セグメント(3a)と、給電接続ライン(4)が結合されるグランド面(2)の同じ側部と、の間に結合される。したがって、放射素子と給電及びグランドの接続ラインとは、共に、「π」形状を構成する。

また、「πアンテナ」のこれらの接続ライン(4,5)間のギャップ(G)は、２つの逆「Ｆ」アンテナが適切に励起しないので、アンテナの放射特性の影響を受ける。通常、この新しい「πアンテナ」の利点を得るための範囲は、０．０３５λ～０．０５λの範囲であり、したがって、７００ＭＨｚの最低動作周波数を有する携帯電話帯域の場合、その範囲は、１５ｍｍ～２０ｍｍとすべきである。

図２に示されるように、「Ｕ」形状を形成するように第１及び第２の側部セグメント(3b,3c)を曲げることによって、図１の発展形として、３Ｄのコンパクトな解決策を得ることができる。このＵ形状の幅Ｗ（中央セグメント(3a)の長さＬ３に略一致する）は、グランド面(2)の第２辺(X)の長さと同じような値であり、ここで、第２辺(X)は、第１辺(Y)と垂直である。

最終的に、放射素子(3)は、折返し軸(x1)周りに最初に、それぞれ９０°折り返し、また、結果として、接続ラインは、図２に示される折返し軸(x2)周りに、それぞれ９０°折り返し、「Ｕ」形状アンテナ（図２Ｂ）のような３Ｄ実装を形成することができる。

３Ｄ実装は、グランド面の周囲内に、すなわち、図１Ｂの平面構造解決策と比べて同様のアンテナ性能を維持しながら表面寸法(X, Y)内に、アンテナの体積を保つことができる。

図３は、本発明のアンテナの実例を示し、実例は、平面グランド面(2)と、そのグランド面(2)の上に配置され、且つそのグランド面(2)に実質的に平行である平面放射素子(3)と、を備えている。その放射素子(3)は、Ｕ形状構成を有し、その構成は、中央セグメント(3a)と、中央セグメント(3a)から延びる第１及び第２の側部セグメント(3b, 3c)と、を有している。

放射素子(3)のセグメント(3a, 3b, 3c)は、直線状であり、長方形部分を含んでいる。第１及び第２の側部セグメント(3b, 3c)は、互いに平行であり、且つ、中央セグメント(3a)に直交する。好ましい実施形態において、図３Ｂに示されるように、第１及び第２の側部セグメント(3b, 3c)は、グランド面(2)の２つの平行な辺の真上に配置される。

グランド面(2)は、２対の平行な辺を有する一般的な矩形構成を有し、ここで、中央セグメント(3a)は、１辺の上に配置され、また、側部セグメント(3b, 3c)は、それぞれ、他の２つの垂直辺の上に配置される。

図３で示されるように、これらの側部セグメントのうちの１つは、他の１つよりも長くなる可能性があり、この場合、側部セグメント(3b)は、セグメント(3c)よりも長い。

加えて、図３の実施形態において、セグメント(3b)は、グランド面(2)よりも長い。セグメント(3c)は、グランド面(2)よりも短く、また、その自由端は、「Ｌ」形状を構成するように、グランド面の中心に向かって、曲げられている。

他の好ましい実施形態において、接続ライン(4,5)間のギャップ(G)は、グランド平面(2)上のスロットを使用することによって回避することができる。このスロットは、ギャップ(G)と等しい点間の電気的経路を発生させることができ、アンテナの最低動作周波数も下げることができる利点を持つ。

例えば、代替的な実施形態の図４、図５Ｄにおいて、グランド面(2)は、所望の動作周波数にアンテナを同調させるための同調アンテナ・スロット(8a)として、少なくとも１つのスロット(8)を有する。グランド面(2)は、固定手段の一部としての機械的機能を備える他のスロット(8b)を有してもよい。更に、グランド面(2)は、アンテナ設置用のブラケットとして使用することができる、曲げ部(2a)を有する。この実施形態において、放射素子(3)とグランド面(2)との間に、接続ライン(4,5)は、結合されていない。図４及び図５Ｄの実施形態において、接続ライン(4,5)間のギャップ(G)はゼロであり、また、放射素子(3)及びグランド面(2)間に接続(11)が存在しているとも言える。

加えて、アンテナ(2)は、グランド面(2)に取り付けられたプリント回路基板(6)で補償され、ここで、プリント回路基板(6)は、アンテナ・システム用の整合回路網と、アンテナ出力用の同軸ケーブル(7)と、を有する。

同調アンテナ・スロット(8a)は、２つの端(9)を有する直線状の溝であり、（図示されない２つの端子、即ち給電端子及びグランド端子を有する）アンテナ・システムの給電ラインは、それぞれ、これらの端に接続される。スロット(8)の位置及び形状は、グランド面内での電流循環用の２つの経路を構成する。

図５Ａは、最低動作周波数をλとする時に、第１及び第２の側部セグメント(3b, 3c)間の距離ｄが約０．１λである実施形態を示す。

図５Ｂは、最低動作周波数をλとする時に、放射素子(3)とグランド面(2)との高さＨが０．０５λよりも大きい実施形態を示す。

図５Ｃは、最低動作周波数をλ（７００ＭＨｚの場合にλ＝４３０ｍｍ）とする時に、給電接続ライン(4)及びグランド接続ライン(5)が直線で、且つ互いに平行であり、また、２つの接続ライン間(4,5)のギャップＧが０．０５λ～０．０３５λの範囲内である実施形態を示す。

図５Ｄは、２つの接続ライン間(4,5)のギャップＧが０に等しい実施形態を示し、ここで、グランド面(2)は、周囲の全長が約０．２５λであるスロット(8)を有し；図６は、測定されたＶＳＷＲ（電圧定在波比：Voltage Standing Wave Ratio）に対応するグラフを示し、ここで、スロット(8)の影響は、２つの接続ライン間(4,5)が離れて設計された時のものと比べて、ＧＮＤが最低動作周波数で共振し、λは、最低動作周波数である。

アンテナ・システムは、少なくとも１つのロング・ターム・エボリューション（LTE: Long Term Evolution）周波数帯域で動作するように適合される。最低動作周波数は、７００ＭＨｚである。

最後に、図７は、前述のアンテナを備える完全なアンテナ・システム(1)を示し、追加的に、衛星ナビゲーション・アンテナ（ＧＮＳＳ）(10)と、アンテナを保護し、絶縁するためのケーシング(12)と、を含む。２つの側部セグメント(3b,3c)によって遮蔽されるために、ＧＮＳＳアンテナ(10)は、これらの２つのセグメント間に配置される。

したがって、アンテナ・システムは、以下の特徴及び特性の組み合わせによって特徴付けられる：
- πアンテナ、
- 接続ライン間の距離がない長細い溝（スロット）が付けられたグランド面、
- ＰＣＢ内のアンテナ整合、
- 高周波数用のＰＣＢ内のプリントされたアンテナ、
- ナビゲーション衛星アンテナを内部で使用する互換構造、
- 非常に高い帯域幅（700-960MHz, 1600- 2800MHz）、
- 帯域幅の９５％で、ＶＳＷＲ＜２．５、
- ３０％を超えて、高周波数で６０％まで増加する放射効率、
- コンパクト形状：３Ｄ 60x60x15 mm³、
- 衛星ナビゲーションアンテナ（ＧＮＳＳ）を内蔵する互換構造。

Claims

アンテナを含むアンテナ・システムであって、
前記アンテナは、
平面状のグランド面(2)と、
中央のセグメント(3a)と第１及び第２の側部のセグメント(3b,3c)とを有する平面状の放射素子(3)であって、前記第１及び第２の側部のセグメント(3b,3c)の各々が前記中央のセグメント(3a)から延び、前記放射素子(3)がＵ形状の構成を有し、前記第１及び第２の側部のセグメント(3b,3c)のうちの一方の長さは、他方よりも、±１５％である、前記平面状の放射素子(3)と、
前記中央のセグメント(3a)と前記グランド面(2)の側部との間に結合される単一の給電接続ライン(4)と、
前記中央のセグメント(3a)と、前記給電接続ライン(4)が結合された前記グランド面(2)の同じ前記側部と、の間に結合される単一のグランド接続ライン(5)と、
を備え、
前記給電接続ライン(4)及び前記グランド接続ライン(5)は、直線であって互いに平行であり、
これらの２つの接続ライン(4,5)は、隙間なく、くっつき、前記グランド面(2)は、少なくとも１つの細長い開口(8)を規定し、前記開口(8)は、少なくとも１つの穴を有し、
前記開口(8)は、２つの端(9)を有し、
前記端(9)にそれぞれ結合される給電端子及びグランド端子を有する給電ラインを
更に備える、
アンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記放射素子(3)及び前記グランド面(2)は、同一平面上にある、
アンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記放射素子(3)は、前記グランド面(2)の上に配置され、且つ、前記グランド面(2)と実質的に平行である、
アンテナ・システム。
請求項３に記載のアンテナ・システムであって、
前記グランド面(2)は、２対の平行な辺を有する実質的に矩形状の構成を有し、
前記中央のセグメント(3a)は、前記辺のうちの１つの上に配置され、
前記第１及び第２の側部のセグメント(3b,3c)は、それぞれ、他の２つの垂直な辺の上に配置される、
アンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記放射素子の前記セグメント(3a,3b,3c)は、実質的に直線であり、
前記第１及び第２の側部のセグメント(3b,3c)は、互いに平行であり、且つ、前記中央のセグメント(3a)と直交する、
アンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記第１及び第２の側部のセグメント(3b,3c)間の距離(d)は、約０．１λであり、ここで、λは、最低動作周波数である、
アンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記放射素子(3)と前記グランド面(2)との間の高さ(H)は、０．０５λよりも大きく、ここで、λは、最低動作周波数における波長である、
アンテナ・システム。
請求項６または７に記載のアンテナ・システムであって、
前記最低動作周波数は、７００ＭＨｚである、
アンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記グランド面(2)に取り付けられるプリント回路基板(6)を
更に備えるアンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記グランド面(2)に固定され、且つ、前記第１及び第２の側部のセグメント(3b,3c)間に配置される衛星ナビゲーション・アンテナ(GNSS)(10)を
更に備えるアンテナ・システム。
請求項１に記載のアンテナ・システムであって、
前記放射素子(3)と前記グランド面(2)の片側との間の距離(H)は、０．０５λよりも大きく、ここで、λは、最低動作周波数における波長である、
アンテナ・システム。