【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用小型アンテナ等として用いて好適なパッチアンテナに係り、特に、その放射パターンのビーム整形に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッチアンテナは、上面にパッチ電極を設けた誘電体基板をグラウンド面上に設置し、このパッチ電極に給電ピン等を介して所定の高周波電流を給電するようになした平面アンテナであり、衛星波を受信する車載用小型アンテナ等として広く採用されている。かかるパッチアンテナにおいて高利得化を図るためには、グラウンド面がパッチ電極に比べて十分に大面積であることが必要である。また、パッチアンテナの性能を安定させるために、誘電体基板の下面にグラウンド面と接触または近接して対向するアース電極を設けた構成のものが多い（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、パッチアンテナの最大放射方向はパッチ電極の真上方向なので、例えば車輛のルーフ面上等に設置したパッチアンテナによって、天頂付近に位置する衛星からの信号波を効率よく受信することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２２４６２０号公報（第２〜４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最大放射方向が天頂方向であるパッチアンテナでは、地上波を効率よく受信することはできない。そのため、最近計画されているＳバンドラジオ放送（Ｓ−ｂａｎｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｕｄｉｏ Ｒａｄｉｏ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）のように、衛星からの信号波を地上のリピータが受信して再送信するというシステムにおいて、車輛のルーフ面上等に従来のパッチアンテナを設置しても、リピータからの地上波を受信する平面アンテナとしては利用できず、ポールアンテナのように上方へ高く突出するアンテナが必要となってしまう。また、最大放射方向が天頂方向であるパッチアンテナは、仰角の低い衛星からの信号波を受信する場合にも不向きである。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、地上波や低仰角の衛星からの信号波を受信するのに好適なパッチアンテナを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明によるパッチアンテナは、グラウンド面上に設置された誘電体基板の上面にパッチ電極を設け、このパッチ電極に給電手段を接続すると共に、前記誘電体基板の内部にその厚さ方向に沿って延びる棒状導体を該誘電体基板の周方向に沿って略等間隔に３本以上配設し、これら棒状導体を前記パッチ電極の外側に位置させると共に、各棒状導体の下端部を前記グラウンド面に接続した。
【０００８】
このように構成されたパッチアンテナでは、パッチ電極とグラウンド面との間の電界が変化することによって誘電体基板内の各棒状導体に誘導電流が発生し、各棒状導体がパッチ電極と同じ周波数で給電された状態になるため、各棒状導体がモノポールアンテナのように動作して電波を放射する。そして、パッチ電極を放射導体として放射される電波の最大放射方向が真上であるのに対し、各棒状導体を放射導体として放射される電波の最大放射方向は真横なので、両者を合成した放射パターンは真上から押し潰されたような偏平形状となる。つまり、このパッチアンテナはパッチ電極の真上方向での利得が低下して、最大放射方向がパッチ電極の真上から斜め上方へと変化する。したがって、このパッチアンテナは車輛のルーフ面上等に設置しても、地上波や低仰角の衛星からの信号波を効率よく受信することが可能となる。
【０００９】
なお、前記棒状導体は、誘電体基板に埋設した金属ピンであってもよいし、誘電体基板のスルーホールであってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は本発明の実施形態例に係るパッチアンテナの縦断面図、図２は該パッチアンテナの平面図、図３は該パッチアンテナの放射パターンを比較例と共に示す特性図である。
【００１１】
図１，２に示すパッチアンテナは、グラウンド面１上に設置したアンテナ素子２に給電手段を接続したものであり、グラウンド面１としては例えば車輛の金属ボディ等が好適である。アンテナ素子２は、合成樹脂等の誘電体材料からなる誘電体基板３と、誘電体基板３の上面に設けられたパッチ電極４と、誘電体基板３の下面のほぼ全面に設けられたアース電極５と、パッチ電極４よりも外側の誘電体基板３内に周方向に沿って等間隔に埋設された複数本の金属ピン６と、誘電体基板４を貫通してパッチ電極５に接続された給電ピン７とによって構成されており、給電ピン７は図示せぬ給電回路に接続されている。また、各金属ピン６は誘電体基板３の厚さ方向に沿って延びており、各金属ピン６の下端部はグラウンド面１に接続されている。
【００１２】
なお、本実施形態例の場合、誘電体基板３として用いられる誘電体材料の比誘電率εｒはεｒ≒６であり、パッチ電極４は直径が１６ｍｍの円形であって、円偏波を受信するためにパッチ電極４の適宜２箇所に給電ピン７を接続する２点給電を行っている。また、誘電体基板３は直径が３２ｍｍ、厚さが６ｍｍの円板であって、この誘電体基板３の周方向に沿って４５°間隔で計８本の金属ピン６が配設してあり、各金属ピン６の太さは約１ｍｍ、誘電体基板３の直径に沿って対向する２本の金属ピン６どうしの間隔は２４ｍｍに設定されている。
【００１３】
このように構成されたパッチアンテナは、給電ピン７を介してパッチ電極４に所定の高周波電流を給電すると、パッチ電極４とグラウンド面１やアース電極５との間の電界変化に応じた電波（例えば周波数２．３３８ＧＨｚ）が放射されるが、こうして電界が変化すると誘電体基板３内の各金属ピン６に誘導電流が発生し、各金属ピン６がパッチ電極４と同じ周波数で給電された状態になるため、各金属ピン６がモノポールアンテナのように動作する。つまり、各金属ピン６が誘導電流によって励振されると、図３に一点鎖線で示すように最大放射方向が真横となる放射ビームが発生する。また、これらの金属ピン６が存在しないと仮定した場合、アンテナ素子２は図３に二点鎖線で示すように最大放射方向が真上（天頂方向）となる放射ビームを発生する。したがって、これら２種類の放射パターンを合成してなる実際の放射パターンは、図３に実線で示すように真上から押し潰されたような偏平形状となり、その最大放射方向はパッチ電極４の斜め上方（仰角３０°付近）になっている。
【００１４】
上述したように、本実施形態例に係るパッチアンテナは、誘電体基板３内に周方向に沿って複数本の金属ピン６を配設することによってパッチ電極４の真上方向での利得を低下させ、最大放射方向が低仰角な向きとなるようにビーム整形しているので、飛来する信号波の仰角が２０°程度でも受信可能となっている。それゆえ、このパッチアンテナは車輛のルーフ面上等に設置しても、地上波や低仰角の衛星からの信号波を効率よく受信することが可能で、Ｓバンドラジオ放送等に好適な車載用小型アンテナとして利用できる。
【００１５】
なお、上記実施形態例では、誘電体基板３内に周方向に沿って８本の金属ピン６を配設しているが、金属ピン６を等間隔に３本以上配設すれば、全方位に亘ってほとんどむらのない電波を放射させることが可能である。また、金属ピン６を用いる代わりに、誘電体基板３のスルーホールを棒状導体となし、この棒状導体を誘電体基板３の周方向に沿って複数本配設すれば、上記実施形態例とほぼ同様の効果が得られる。
【００１６】
また、上記実施形態例では、円偏波を受信するために２点給電を行っているが、パッチ電極４に縮退分離素子を装荷して１点給電で円偏波を受信する場合や、直線偏波を受信する場合にも、本発明は適用可能である。さらに、誘電体基板３やパッチ電極４の平面視形状が矩形であっても、本発明は適用可能である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１８】
誘電体基板内に周方向に沿って金属ピン等の棒状導体を複数本配設することにより、パッチ電極の真上方向での利得を低下させ、もって最大放射方向が低仰角な向きとなるようにビーム整形したパッチアンテナなので、車輛のルーフ面上等に設置しても地上波や低仰角の衛星からの信号波を効率よく受信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係るパッチアンテナの縦断面図である。
【図２】該パッチアンテナの平面図である。
【図３】該パッチアンテナの放射パターンを比較例と共に示す特性図である。
【符号の説明】
１ グラウンド面
２ アンテナ素子
３ 誘電体基板
４ パッチ電極
５ アース電極
６ 金属ピン（棒状導体）
７ 給電ピン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a patch antenna suitable for use as a small-sized vehicle-mounted antenna and the like, and particularly to a beam shaping of a radiation pattern thereof.
[0002]
[Prior art]
A patch antenna is a planar antenna in which a dielectric substrate provided with a patch electrode on an upper surface is placed on a ground plane, and a predetermined high-frequency current is supplied to the patch electrode via a power supply pin or the like. It is widely adopted as a small-sized in-vehicle antenna for receiving a signal. In order to increase the gain of such a patch antenna, the ground plane needs to have a sufficiently large area as compared with the patch electrode. In addition, in order to stabilize the performance of the patch antenna, there is often a configuration in which a ground electrode is provided on the lower surface of the dielectric substrate so as to be in contact with or close to the ground surface (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In general, since the maximum radiation direction of the patch antenna is directly above the patch electrode, a signal wave from a satellite located near the zenith can be efficiently received by, for example, a patch antenna installed on a roof surface of a vehicle or the like.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-6-224620 (pages 2 to 4, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a patch antenna whose maximum radiation direction is the zenith direction cannot receive ground waves efficiently. Therefore, in a system in which a signal wave from a satellite is received and retransmitted by a terrestrial repeater, such as a recently planned S-band digital audio satellite (S-band Digital Audio Satellite), such as on the roof surface of a vehicle. Even if a conventional patch antenna is installed, it cannot be used as a planar antenna for receiving terrestrial waves from a repeater, and an antenna that protrudes upwards like a pole antenna is required. A patch antenna whose maximum radiation direction is the zenith direction is also unsuitable for receiving a signal wave from a satellite having a low elevation angle.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances of the related art, and an object of the present invention is to provide a patch antenna suitable for receiving a terrestrial wave or a signal wave from a low-elevation angle satellite.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, a patch antenna according to the present invention is provided with a patch electrode on an upper surface of a dielectric substrate provided on a ground plane, a power supply unit connected to the patch electrode, and At least three or more rod-shaped conductors extending along the thickness direction thereof are arranged at substantially equal intervals along the circumferential direction of the dielectric substrate, and these rod-shaped conductors are located outside the patch electrode and The lower end of the conductor was connected to the ground plane.
[0008]
In the patch antenna thus configured, an induced current is generated in each rod-shaped conductor in the dielectric substrate due to a change in the electric field between the patch electrode and the ground plane, and each rod-shaped conductor has the same frequency as the patch electrode. Since the power is supplied, each rod-shaped conductor operates like a monopole antenna and emits radio waves. And while the maximum radiation direction of the radio wave radiated with the patch electrode as the radiation conductor is directly above, the maximum radiation direction of the radio wave radiated with each rod-shaped conductor as the radiation conductor is just beside, so the radiation pattern that combines both is Has a flat shape as if crushed from directly above. That is, in this patch antenna, the gain in the direction directly above the patch electrode decreases, and the maximum radiation direction changes from directly above the patch electrode to obliquely upward. Therefore, even if this patch antenna is installed on the roof surface of a vehicle or the like, it is possible to efficiently receive ground waves and signal waves from low-elevation angle satellites.
[0009]
The rod-shaped conductor may be a metal pin embedded in a dielectric substrate, or may be a through hole in the dielectric substrate.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a patch antenna according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the patch antenna, and FIG. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the radiation pattern of FIG.
[0011]
The patch antenna shown in FIGS. 1 and 2 is one in which feeding means is connected to an antenna element 2 installed on a ground plane 1, and the ground plane 1 is preferably a metal body of a vehicle, for example. The antenna element 2 includes a dielectric substrate 3 made of a dielectric material such as a synthetic resin, a patch electrode 4 provided on the upper surface of the dielectric substrate 3, and an earth electrode provided on substantially the entire lower surface of the dielectric substrate 3. 5, a plurality of metal pins 6 buried at equal intervals along the circumferential direction in the dielectric substrate 3 outside the patch electrode 4, and connected to the patch electrode 5 through the dielectric substrate 4. The power supply pin 7 is connected to a power supply circuit (not shown). Each metal pin 6 extends along the thickness direction of the dielectric substrate 3, and the lower end of each metal pin 6 is connected to the ground plane 1.
[0012]
In the case of the present embodiment, the relative permittivity εr of the dielectric material used as the dielectric substrate 3 is εr ≒ 6, and the patch electrode 4 is circular with a diameter of 16 mm and receives circularly polarized waves. For this purpose, two-point power supply is performed to connect the power supply pins 7 to two appropriate positions of the patch electrode 4. The dielectric substrate 3 is a disk having a diameter of 32 mm and a thickness of 6 mm. A total of eight metal pins 6 are arranged at 45 ° intervals along the circumferential direction of the dielectric substrate 3. The thickness of each metal pin 6 is set to about 1 mm, and the interval between two metal pins 6 facing each other along the diameter of the dielectric substrate 3 is set to 24 mm.
[0013]
When a predetermined high-frequency current is supplied to the patch electrode 4 via the power supply pin 7, the patch antenna configured as described above receives a radio wave (e.g., For example, a frequency of 2.338 GHz) is radiated. When the electric field changes in this manner, an induced current is generated in each metal pin 6 in the dielectric substrate 3, and each metal pin 6 is fed at the same frequency as the patch electrode 4. Therefore, each metal pin 6 operates like a monopole antenna. That is, when each of the metal pins 6 is excited by the induced current, a radiation beam is generated in which the maximum radiation direction is right beside as shown by a chain line in FIG. Assuming that these metal pins 6 do not exist, the antenna element 2 generates a radiation beam whose maximum radiation direction is directly above (zenith direction) as shown by a two-dot chain line in FIG. Therefore, an actual radiation pattern obtained by combining these two types of radiation patterns has a flat shape as crushed from directly above as shown by a solid line in FIG. It is upward (around an elevation angle of 30 °).
[0014]
As described above, the patch antenna according to the present embodiment reduces the gain in the direction directly above the patch electrode 4 by disposing the plurality of metal pins 6 in the dielectric substrate 3 along the circumferential direction. Since the beam is shaped so that the maximum radiation direction is at a low elevation angle, reception is possible even when the elevation angle of the incoming signal wave is about 20 °. Therefore, even if this patch antenna is installed on the roof surface of a vehicle or the like, it can efficiently receive a terrestrial wave or a signal wave from a low-elevation angle satellite. Can be used as a small antenna.
[0015]
In the above-described embodiment, eight metal pins 6 are arranged in the dielectric substrate 3 along the circumferential direction. However, if three or more metal pins 6 are arranged at equal intervals, omnidirectional , It is possible to radiate almost even radio waves. Instead of using the metal pins 6, the through holes of the dielectric substrate 3 are formed as rod-shaped conductors, and a plurality of such rod-shaped conductors are arranged along the circumferential direction of the dielectric substrate 3. Similar effects can be obtained.
[0016]
In the above embodiment, two-point feeding is performed in order to receive circularly polarized waves. However, a case in which a degenerate separation element is loaded on the patch electrode 4 to receive circularly polarized waves with one point feeding, The present invention is applicable to the case of receiving a polarized wave. Further, the present invention is applicable even when the planar shape of the dielectric substrate 3 and the patch electrode 4 is rectangular.
[0017]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form described above, and has the following effects.
[0018]
By arranging a plurality of rod-shaped conductors such as metal pins in the dielectric substrate along the circumferential direction, the gain in the direction directly above the patch electrode is reduced, so that the maximum radiation direction is oriented at a low elevation angle. Since the patch antenna is shaped like a beam, it can efficiently receive terrestrial waves and signal waves from satellites with a low elevation angle even when installed on the roof surface of a vehicle or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a patch antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the patch antenna.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a radiation pattern of the patch antenna together with a comparative example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ground surface 2 Antenna element 3 Dielectric substrate 4 Patch electrode 5 Ground electrode 6 Metal pin (rod conductor)
7 Power supply pin
