特開 2023-164029 アンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023164029

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 1/52 20060101AFI20231102BHJP

   H01Q 9/04 20060101ALI20231102BHJP

   H01Q 21/28 20060101ALI20231102BHJP

【ＦＩ】

H01Q1/52

H01Q9/04

H01Q21/28

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022075324

(22)【出願日】2022-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090033

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 博司

(74)【代理人】

【識別番号】100093045

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 良男

(72)【発明者】

【氏名】門間 大樹

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 一成

(72)【発明者】

【氏名】三浦 隆太郎

(72)【発明者】

【氏名】岸上 良文

(72)【発明者】

【氏名】若原 忍

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 剛司

【テーマコード（参考）】

5J021

5J046

【Ｆターム（参考）】

5J021AA02

5J021AA06

5J046AA03

5J046AA07

5J046AA19

5J046UA07

(57)【要約】      （修正有）

【課題】コストアップや重量アップを招くことなく、ケーブルへ向かって流れる漏洩電流を低減することができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ素子１１Ａ，１１Ｂと、一方の面にアンテナ素子１１Ａ，１１Ｂが実装されたプリント基板１２と、プリント基板１２の他方の面の側に設けられ接地電位が印加されるグランド基板１３と、を備えたアンテナ装置１０において、プリント基板１２の、アンテナ素子１１Ａの給電点Ｐａからλ／８～λ／３２の範囲に高周波的な接地点が設けられ、プリント基板１２には、接地点を含む領域からプリント基板１２の配線パターンを除く領域に亘って広がる導電層のパターンが形成され、接地点は導電層のパターンに電気的に接続されているように構成される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナ素子と、一方の面に前記アンテナ素子が実装されたプリント基板と、を備えたアンテナ装置であって、
前記プリント基板の、前記アンテナ素子の給電点からλ／８～λ／３２の範囲に高周波的な接地点が設けられ、
前記プリント基板には、前記接地点を含む領域から当該プリント基板の線状の配線パターンを除く領域に亘って広がる導電層のパターンが形成され、前記接地点は前記導電層のパターンに電気的に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。

【請求項2】

前記プリント基板には複数のアンテナ素子が実装され、
前記プリント基板上の、前記複数のアンテナ素子のそれぞれの給電点からλ／８～λ／３２の範囲同士が重なる領域に、高周波的な接地点が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項3】

前記プリント基板の前記一方の面と反対側の面に対向するように設けられ当該プリント基板と所定の間隔をおいて離間され接地電位が印加されるグランド基板を備え、
前記プリント基板の前記グランド基板と対向する面の前記接地点の位置には、導電性の板バネからなるバネ接点の一方の端部が接続され、当該バネ接点の他端が前記グランド基板の対向する部位に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。

【請求項4】

前記グランド基板の複数箇所に台座部が形成されており、前記台座部に前記プリント基板が導電性のネジによって結合され、複数の前記台座部のうち少なくとも一部の台座部に対応する前記プリント基板の接合領域に前記導電層のパターンが延設されていることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。

【請求項5】

複数の前記台座部のうち、上方に前記アンテナ素子が存在する台座部に対応する前記プリント基板の接合領域には前記導電層のパターンが延設されていないことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。

【請求項6】

前記プリント基板には、内導体と外導体を有する同軸ケーブルの端部が接続可能なコネクタが設けられ、
前記プリント基板には、前記コネクタの前記内導体が接続される端子と前記アンテナ素子の給電点との間を接続する線状の配線パターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プリント基板上に実装されたアンテナ素子を備えたアンテナ装置に関し、例えば車両搭載用のアンテナ装置に適用して有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

車両に搭載されて所定の周波数帯の無線通信信号を送受信するアンテナ装置は小型であることが要望されるため、アンプやフィルタなどの電子部品が実装されたプリント基板あるいは地板上にアンテナ素子（アンテナエレメント）を実装したデバイスが実用化されている。このようなデバイスを製品として車両に搭載し同軸ケーブルを接続した場合、ケーブルの外導体に流れる電流が悪影響を及ぼし、ケーブルがアンテナ化することで不要な共振を招き、アンテナの受信感度が低下するという問題があることが知られている。

【0003】

上記問題を解決するため、従来は、ケーブルにフェライトコアを装荷し、漏れ込む電流を遮断するという方法がしばしば用いられているが、製品にした際にはフェライト分のコストアップ、重量アップといった背反事項が発生するという課題がある。
また、基板上のケーブル端部の近傍にストリップラインで構成された漏洩電流阻止部を形成するようにした車載統合アンテナに関する発明もある（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４９９２７６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されているアンテナ装置は、ケーブルの端部をグランド地板上に固定するタイプのアンテナ装置であり、グランド地板上のケーブル端部の近傍にストリップラインで構成された漏洩電流阻止部を形成するというものである。そのため、プリント基板にケーブル端部を接続するためのコネクタを設けるようにしたタイプのアンテナ装置に適用することは難しいという課題がある。

【0006】

この発明は上記のような課題に着目してなされたものでその目的とするところは、コストアップや重量アップを招くことなく、ケーブルへ向かって流れる漏洩電流を低減することができるアンテナ装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、受信感度を向上させることができるアンテナ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明は、
アンテナ素子と、一方の面に前記アンテナ素子が実装されたプリント基板と、を備えたアンテナ装置において、
前記プリント基板の、前記アンテナ素子の給電点からλ／８～λ／３２の範囲に高周波的な接地点が設けられ、
前記プリント基板には、前記接地点を含む領域から当該プリント基板の線状の配線パターンを除く領域に亘って広がる導電層のパターンが形成され、前記接地点は前記導電層のパターンに電気的に接続されているように構成したものである。

【0008】

上記のような構成を有するアンテナ装置によれば、アンテナ素子の給電点からλ／８～λ／３２の範囲に高周波的な接地点（バネ接点）が設けられているため、接地点を設けない場合にアンテナ素子からプリント基板（回路基板）の導電層を経由してケーブルへ流れる漏洩電流の一部を接地点から外部へ流すことで、ケーブルへ向かって流れる漏洩電流を低減することができ、それによってアンテナの受信感度を向上させることができる。

【0009】

また、漏洩電流を減らしてケーブルがアンテナ化するのを抑制することができるため、ケーブル側において意図的に共振点を設ける工夫をした場合に、不要な共振を抑制することができる。
さらに、従来のようにフェライトコアを有するケーブルを使用することなく、ケーブルへ向かって流れる漏洩電流を低減することができるので、コストアップや重量アップを招くことがないという利点がある。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係るアンテナ装置によれば、コストアップや重量アップを招くことなく、ケーブルへ向かって流れる漏洩電流を低減することができる。また、アンテナの受信感度を向上させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明を適用したアンテナ装置の一実施形態を示す斜視図である。

【図2】図１におけるII－II線に沿った断面構造を示すアンテナ装置の断面図である。

【図3】（Ａ）,（Ｂ）は回路基板に接地点を設けたアンテナ装置および接地点を設けないものに関して、アンテナ素子や回路基板およびコネクタに接続されたケーブルの表面に流れる電流の分布をシミュレーションによって検証した結果を示す電流分布図である。

【図4】（Ａ）は接地点無しのアンテナ装置と接地点有りのアンテナ装置について算出した周波数に対する受信レベルを示すグラフ、（Ｂ）はアンテナ素子の給電点からの接地点までの距離を変えた場合の受信レベルを示すグラフである。

【図5】実施形態のアンテナ装置における接地点を設ける適切な範囲を示す平面図である。

【図6】実施形態のアンテナ装置において２つのアンテナ素子を考慮した接地点を設ける適切な範囲を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態の斜視図を示す。なお、以下の説明においては、図１のアンテナ装置１０の左下側を前端側、右上側を後端側と称する。また、便宜上、図１の状態で上側となる向きを上方、下側となる向きを下方と称する。

【0013】

図１に示すように、本実施形態のアンテナ装置１０は、導電性金属板からなる２個のアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂと、これらのアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂが実装される回路基板１２と、回路基板１２の下方に配設され当該回路基板１２の下面側にボルトにて結合される導電性金属からなる平板状のブラケット１３とを備え、ブラケット１３には接地電位が印加され、グランド基板として機能する。なお、ブラケット１３は、回路基板１２よりも一回り大きな矩形状をなし、回路基板１２の下面側を保護する筐体としての機能も有している。

【0014】

特に限定されるものでないが、本実施形態のアンテナ装置１０においては、２個のアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂは対称形状を有し同一周波数帯の信号（電波）を受信するように形成されている。また、それぞれのアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂは、回路基板１２と平行をなす水平部１１ａと、この水平部１１ａの一つの辺から回路基板１２へ向かって垂下する垂直部１１ｂと、該垂直部１１ｂから後方へ９０度折曲された折返し部１１ｃと、折返し部１１ｃから下方へ向って折曲された脚部１１ｄとより構成され、所定の間隔をおいて配設されている。

【0015】

さらに、アンテナ素子１１Ａ,１１Ｂの脚部１１ｄの下端に複数（例えば２個）の係合突起１１ｅが設けられ、この係合突起１１ｅが回路基板１２の所定部に形成されているスリット状の係合穴に係合することでアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂが回路基板１２に結合される。また、上記２個の係合突起１１ｅは半田付けによって回路基板１２に結合され、２個の係合突起１１ｅのうち、基板の側方側に位置する係合突起当該部位とコネクタの端子との間を電気的に接続するように形成されている給電用のストリップラインと電気的に接続され、アンテナ素子１１Ａ,１１Ｂへの給電点となるように構成されている。

【0016】

上記回路基板１２は、導電層からなる配線パターンを有するプリント基板により構成されており、図示しないが、分配器やアンプ、フィルタ、アッテネータなどを構成する電子部品が実装されている。そして、回路基板１２の下面であってアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂの垂直部１１ｂ間の近傍位置には、下方へ向かって突出するように、後方から見たときにＺ字状をなす導電材の板バネからなるバネ接点１４が固定されている。具体的には、バネ接点１４は、上部水平片と該上部水平片の端部から斜め下方へ突出する傾斜片と、該傾斜片から水平方向へ折り返す下部水平片を有しており、上部水平片が回路基板１２の下面に接続されている。なお、バネ接点１４の形状はＺ字状に限定されるものではない。

【0017】

また、回路基板１２の下面のアンテナ素子結合側の縁部には、チューナーなどを有するヘッドユニットと呼ばれる機器に繋がる同軸ケーブル（以下、ケーブルと略す）の端部が下方より挿入されて接続されるコネクタ１５が設けられている。なお、コネクタ１５は、その上面の両側部に上向きに突出し先端に爪を有する複数の係止片１５ａが形成されており、これらの係止片１５ａが回路基板１２の所定部に形成されている係合穴に挿入されることで、回路基板１２に結合されている。そして、回路基板１２には、コネクタ１５のケーブル内導体が接続される端子と前記アンテナ素子１１Ａ,１１Ｂの給電点（図６のＰａ,Ｐｂ）との間を接続する線状の配線パターン（ストリップライン）が形成されている。

【0018】

さらに、回路基板１２には、このバネ接点１４の設置位置を含み、上記電子部品間および電子部品とコネクタ間を電気的接続する配線パターン（ストリップライン）を除く大部分の領域に亘って導電層が形成されている。そして、この導電層に電気的接続された状態で上記バネ接点１４が回路基板１２に接続され、バネ接点１４の傾斜片の下端の下部水平片が、図４に示すように、前記ブラケット１３に結合されるように高さが設定されている。

【0019】

上記のように、バネ接点１４が接地電位のブラケット１３の上面に接触することによって、回路基板１２の上記導電層に接地電位が印加された状態になる。つまり、バネ接点１４が回路基板１２の接地点となる。このバネ接点１４の設置位置の決定の仕方が本発明のポイントであり、これについては後に詳しく説明する。

【0020】

一方、ブラケット１３には、上記コネクタ１５に対応する部位に開口１３ａが形成され、この開口１３ａの内側にコネクタ１５が挿通されている。また、ブラケット１３の複数箇所（図では４箇所）には、当該ブラケット１３の一部を切り起こして前面視で「ユ」の字状に折曲した台座部１３ｂが形成されている。そして、これらの台座部１３ｂの上面に上記回路基板１２の下面が接合されるとともに、台座部１３ｂの上部水平片と回路基板１２の対応する部位に形成されているネジ挿通穴１２ｂに挿通される図示しないネジによって、回路基板１２とブラケット１３が結合されるように構成されている。

【0021】

なお、図１に示すような構成のアンテナ装置においては、アンテナ素子１１Ａ,１１Ｂと回路基板１２との間隔はアンテナの受信感度に影響し間隔が大きい方が良いが、回路基板１２とブラケット１３との間隔はアンテナの受信感度に影響しないので、台座部１３ｂをなくして回路基板１２の下面とブラケット１３の上面とを接合させるように構成することも可能である。にもかかわらず、上記のように、ブラケット１３に台座部１３ｂを設けているのは、使用するコネクタ１５の高さを充分に小さくすることが難しい一方、図１に示すアンテナ装置全体を収納するケースの下面よりのコネクタ１５の突出量がユーザの仕様により規定されているためである。従って、条件によっては、ブラケット１３に台座部１３ｂを設けないようにしても良い。

【0022】

さらに、上記４箇所の台座部１３ｂのうちコネクタ１５の左右に位置する２個の台座部に対応する回路基板１２のネジ挿通穴１２ｂの周囲には、回路基板１２内の前記導電層が延設されている。これにより、台座部のネジ挿通穴と対応する回路基板１２のネジ挿通穴１２ｂに導電性を有するネジを挿通して回路基板１２とブラケット１３を結合すると、ネジを介して回路基板１２とブラケット１３とが電気的に接続されるようになっている。

【0023】

一方、４箇所の台座部１３ｂのうちコネクタ１５から遠い側に位置する２個の台座部に対応する回路基板１２のネジ挿通穴１２ｂの周囲には、前記導電層が延設されていない。つまり、回路基板１２の前記導電層に対する接地電位の印加は、前記バネ接点１４およびコネクタ１５の左右に位置する２個の台座部１３ｂに限定されることとなる。
このようにしているのは、本実施形態のアンテナ装置においては、コネクタ１５から遠い側に位置する２個の台座部の上方にアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂの一部が存在しており、この部位まで回路基板１２の前記導電層を延設すると、アンテナ素子１１Ａ,１１Ｂと導電層との距離が小さくなって受信感度が低下してしまうためである。

【0024】

これに対して、コネクタ１５の左右に位置する２個の台座部１３ｂの上方にはアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂがないので、回路基板１２の導電層とブラケット１３との間を接続したとても受信感度が低下することはない。そのため、コネクタ１５の左右に位置する２個の台座部においても接地電位との接続を行うことができる。そして、ここでの接続では接地電位の印加が不足するので、本実施形態においては、別途バネ接点１４を設けることで接地電位の印加が不足する事態を回避するようにしている。

【0025】

なお、弾性変形可能なバネ接点１４の代わりに、弾性変形しないネジのような部材で回路基板１２の前記導電層とブラケット１３との接続を行うようにしても良いし、バネ接点１４やネジは金属製に限定されるものでなく、導電性材料であれば樹脂など金属以外の材料であっても良い。また、本実施形態のアンテナ装置１０においては、同一周波数帯の信号（電波）を受信する２個のアンテナ素子１１Ａ,１１Ｂを設けているが、アンテナ素子は１個あるいは３個以上であっても良いし、長さを変えることでアンテナ素子１１Ａと１１Ｂが異なる周波数帯の信号（電波）を受信するように構成しても良い。

【0026】

本発明の特長は、アンテナ素子が実装された回路基板上において接地点を設ける位置を、アンテナ素子の給電点からλ／８～λ／３２の範囲に設定するというものである。
以下、本実施形態のアンテナ装置１０において、アンテナ素子１１Ａからコネクタ１５を介してケーブル側へ流れる漏洩電流を抑制するのに効果的な接地点（バネ接点１４）の設置位置について説明する。
本発明者らは、本発明に先立って、図１に示すような構成を有し接地点（バネ接点１４）を設けたアンテナ装置およびこれと同様な構成を有し接地点（バネ接点１４）を設けないものに関して、アンテナ素子１１Ａや回路基板１２およびコネクタ１５に接続されたケーブルの表面に流れる電流の分布をシミュレーションによって検証した。

【0027】

検証結果を図３（Ａ）,（Ｂ）に示す。図３（Ａ）,（Ｂ）において、右下の３本の線は、左上のアンテナ装置に接続されている３本のケーブルＣ１，Ｃ２，Ｃ３を拡大して示したものである。また、図３（Ａ）は接地点無しのアンテナ装置に関するもの, 図３（Ｂ）は接地点有りのアンテナ装置に関するものである。なお、図３においては、電流の多い部分ほど白色に近い明色で表され、電流の少ない部分ほど黒色に近い暗色で表されている。

【0028】

図３（Ａ）の右下のケーブルＣ３の濃淡と図３（Ｂ）の右下のケーブルＣ３の濃淡とを比較すると、図３（Ｂ）のケーブルＣ３の方が全体的に濃くなっている、つまり電流が小さいことが分かる。これは、図３（Ａ）の接地点（バネ接点１４）ありのアンテナ装置の方が、（Ｂ）の接地点無しのアンテナ装置よりもケーブルの表面に流れる漏洩電流が小さいことを意味している。

【0029】

次に本発明者らは、バネ接点無しのアンテナ装置と接地点有りのアンテナ装置について、電話通信の周波数帯で周波数を変えながら受信レベルを算出した。図４（Ａ）に、その結果を示す。
図４（Ａ）において、破線は接地点無しのアンテナ装置の周波数ごとの受信レベルを示したもの、実線は接地点有りのアンテナ装置の周波数ごとの受信レベルを示したものである。図４（Ａ）より、実線で示す接地点有りのアンテナ装置の受信レベルの方が、低い周波数帯（800～900MHz）では、破線で示す接地点無しのアンテナ装置の受信レベルよりも高いことが分かった。

【0030】

そこで、次に、回路基板１２上において接地点を設ける最適な位置について検討を行なった。図４（Ｂ）に、その結果を示す。
図４（Ｂ）において、Ａは接地点をアンテナ素子の給電点からλ／４の位置に設けた場合の周波数ごとの受信レベル、Ｂは給電点からλ／８の位置に設けた場合の受信レベル、Ｃは給電点からλ／３２の位置に設けた場合の受信レベル、Ｄは給電点からλ／６４の位置に設けた場合の受信レベルを示したものである。ここで、λはアンテナ素子の受信周波数（800MHz）に相当する信号（電波）の波長である。

【0031】

図４（Ｂ）より、アンテナ素子の給電点からλ／８～λ／３２の範囲に接地点を設けた場合の受信レベルに比べて、低い周波数帯（800～900MHz）で、λ／８未満やλ／３２超えより場合の方が、特性が劣化しており、接点を設ける適切な位置は、アンテナ素子の給電点からλ／８～λ／３２の範囲であると判断することができ、この範囲に接地点位置を設定することによって、ケーブルへ流れる漏洩電流を有効に減らせることができることが分かる。

【0032】

図５に、接地点を設けるのに適した範囲をハッチングで示す。図において、円の中心がアンテナ素子１１Ａの給電点Ｐａである。
なお、図５はアンテナ素子が１つの場合における接地点（バネ接点１４）の適切な設定範囲を示したもので、図１の実施形態のアンテナ装置のように２つのアンテナ素子１１Ａ，１１Ｂを有する場合には、図６に示すように、２つのアンテナ素子１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの給電点Ｐａ，Ｐｂを中心とする円で表わされる範囲が重なったメッシュが付されている範囲に接地点（バネ接点１４）を設けるようにすると良い。

【0033】

上記のように、接地点を設ける位置を、アンテナ素子の給電点からλ／８～λ／３２の範囲に設定することによって、ケーブルへ流れる漏洩電流を減少させ、アンテナ素子の受信感度を向上させることができる。また、ケーブルへ流れ出す漏洩電流を減少させることができるため、ケーブルがアンテナ化するのを防止することができ、不要な共振を抑制することができる。
さらに、従来のように、ケーブルにフェライトコアを設けるなどの体側をすることなくケーブルへ流れ出す漏洩電流を減少させることができるため、コストの低減、重量の低減を図ることができるという利点がある。

【0034】

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、回路基板１２の接地点とブラケット１３との接続をバネ接点のような物理的に接触する手段で行なっているが、接地点は例えば対向電極や金属層同士が向かい合ってキャパシタのように振る舞う構造によって高周波的に接続されていればよく、物理的に接触している必要はない。
また、前記実施形態においては、回路基板１２上に２つのアンテナ素子１１Ａ，１１Ｂを実装しているものを示したが、アンテナ素子の数は２つに限定されるものでなく、１つあるいは３つ以上であっても良い。アンテナ素子の形状も、図１に示すものに限定されず、他の形状を有するアンテナ素子を回路基板に実装したアンテナ装置に適用することができる。

【符号の説明】

【0035】

１０…アンテナ装置、１１Ａ，１１Ｂ…アンテナ素子、１２…回路基板（プリント基板）、１２ｂ…ネジ挿通穴、１３…ブラケット（グランド基板）、１３ｂ…台座部、１４…バネ接点（接地点）、１５…ケーブルのコネクタ、Ｐａ,Ｐｂ…給電点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】