JP2006086808A - Antenna module - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号を送受信しその信号を加工処理する高周波回路を含むアンテナモジュールに関するものである。 The present invention relates to an antenna module including a high-frequency circuit that transmits and receives a high-frequency signal such as a microwave band and a millimeter-wave band and processes the signal.
昨今、マイクロ波は携帯電話に代表されるような無線機器用の搬送波として多大に利用されてきているが、現在は、携帯電話に限らず、無線LANやWireless USBなど高容量データ通信の手段としても用いられ研究開発が進められている。またマイクロ波よりも高い周波数帯である準ミリ波帯では衛星通信やpoint to point、30GHz以上のミリ波領域では超高速無線LANや車間レーダー等の研究開発が盛んに進められ実用化されつつある。 In recent years, microwaves have been used extensively as a carrier wave for wireless devices such as mobile phones. Currently, however, they are not limited to mobile phones, but as a means for high-capacity data communication such as wireless LAN and wireless USB. R & D is underway. Also, research and development such as ultra-high-speed wireless LAN and inter-vehicle radar are being actively promoted and put into practical use in satellite communications and point-to-point in the quasi-millimeter wave band, which is a higher frequency band than microwaves, and in the millimeter-wave region above 30 GHz. .
これら高周波信号を送受信するためには、モジュール基板上の伝送線路と空間のインピーダンス整合をするためにアンテナが必要である。一般に、アンテナは、遠距離と通信したい場合や通信電力を低減させたい場合、あるいはレーダーの角度分解能を向上させたい場合など、高利得あるいは狭ビームが要求されることが多い。このような高利得、狭ビームを得るための方法としては、モジュール基板の表面にアンテナ素子を具備するアンテナ基板を実装し、さらにそのアンテナ素子の放射側に誘電体レンズを設けることによって、アンテナ素子の小型化を図ると同時に基板の面積を小さくすることが特許文献1、特許文献2にて提案されている。
しかし、従来のアンテナ基板を具備するアンテナモジュールにおいては、モジュール基板からアンテナ基板とモジュール基板の接続の不整合性、回路の誤動作や混信などによる不要放射、あるいはアンテナ基板に実装された半導体素子から不要放射が発生しやすく、その結果、それら不要放射が、アンテナ素子による利得やサイドロ−ブなどに影響を及ぼすことがあった。特に、アンテナ素子の放射側に誘電体レンズを設けた場合には、一次放射器としてのアンテナ基板における放射パターンがレンズを介した最終の放射パターンに与える影響が大きいために、アンテナ基板周辺からの不要放射に対する対策が必要であった。 However, in an antenna module equipped with a conventional antenna board, it is unnecessary from the module board to the antenna board and the module board due to inconsistency in connection, unnecessary radiation due to circuit malfunction or interference, or from the semiconductor elements mounted on the antenna board. Radiation is likely to occur, and as a result, the unnecessary radiation may affect the gain and side lobe of the antenna element. In particular, when a dielectric lens is provided on the radiation side of the antenna element, the radiation pattern on the antenna substrate as the primary radiator has a great influence on the final radiation pattern via the lens, Measures against unnecessary radiation were necessary.
従って、本発明は、このようなアンテナモジュールにおける不要放射の発生に対する影響を低減し、優れたアンテナ特性を有し、配線間の混信や回路の誤動作を低減したアンテナモジュールを提供することを目的とするものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an antenna module that reduces the influence on the occurrence of unnecessary radiation in such an antenna module, has excellent antenna characteristics, and reduces interference between wires and circuit malfunction. To do.
本発明のアンテナモジュールは、絶縁基板の一方の表面あるいは内部に単一または複数のアンテナ素子が設けられ、前記絶縁基板の他方の表面に前記アンテナ素子と接続された半導体素子を搭載してなるアンテナ基板と、該アンテナ基板を実装してなるモジュール基板とを具備するアンテナモジュールであって、前記アンテナ素子が放射あるいは受信する信号がアナログ信号であり、前記アンテナ基板と前記モジュール基板の間でやり取りされる信号がデジタル信号であることを特徴とする。 The antenna module of the present invention is an antenna in which a single or a plurality of antenna elements are provided on one surface or inside of an insulating substrate, and a semiconductor element connected to the antenna element is mounted on the other surface of the insulating substrate. An antenna module comprising a board and a module board on which the antenna board is mounted, wherein a signal radiated or received by the antenna element is an analog signal, and is exchanged between the antenna board and the module board The signal is a digital signal.
また、前記アンテナ基板内部の、前記アンテナ素子と前記半導体素子とを隔てる位置に導体層を形成してなることが望ましく、特に、該導体層の面積が、アンテ号ナ基板の面積の60%以上を占めることが望ましい。 Further, it is desirable that a conductor layer is formed in the antenna substrate at a position separating the antenna element and the semiconductor element. Particularly, the area of the conductor layer is 60% or more of the area of the antenna board. Is desirable.
また、本発明によれば、アンテナ素子の放射側に誘電体レンズを設ける場合に特に有利である。 The present invention is particularly advantageous when a dielectric lens is provided on the radiation side of the antenna element.
本発明のアンテナモジュールによれば、上記構成によって2次実装基板すなわちモジュール基板における回路の誤動作や混信などによる不要放射による影響を抑制し、アンテナ入力抵抗を安定させ、アンテナ基板内に設けた半導体素子などの高周波回路を正常に動作させることができる。 According to the antenna module of the present invention, the above-described configuration suppresses the influence of unnecessary radiation caused by circuit malfunction or interference on the secondary mounting board, that is, the module board, stabilizes the antenna input resistance, and provides the semiconductor element provided in the antenna board. The high frequency circuit such as can be operated normally.
即ち、絶縁基板の一方の表面あるいは内部に単一または複数のアンテナ素子を設け、他方の表面に前記アンテナ素子と接続される半導体素子を搭載することにより、アンテナ基板の小型化が図られ、さらにアンテナと半導体素子が同一平面に無いために、半導体素子からの不要放射がアンテナ放射パターンに影響を及ぼすことが無くなり、放射パターン形状の悪化や混信を防ぐことが可能となり、また逆に、アンテナ素子からの放射が半導体素子の誤動作を引き起こすことも無くなる。 That is, by providing a single or a plurality of antenna elements on one surface or inside of the insulating substrate and mounting a semiconductor element connected to the antenna element on the other surface, the antenna substrate can be reduced in size, Since the antenna and the semiconductor element are not on the same plane, unnecessary radiation from the semiconductor element does not affect the antenna radiation pattern, and it is possible to prevent deterioration of the radiation pattern shape and interference, and conversely, the antenna element. The radiation from the semiconductor device does not cause malfunction of the semiconductor element.
また、本発明によれば、アンテナ基板3とモジュール基板4との間でやりとりする信号をデジタル信号とすることによって、アンテナ素子6から放射される電磁波と異なる周波数より主に構成される信号がアンテナ基板3とモジュール基板4との間でやりとりされることになる結果、エラーレイトを下げることができる。なお、アンテナ素子6から放射あるいは受信されるアナログ信号とは、デジタル信号のように数字の列によって表現される信号以外の信号を意味し、FSK(周波数シフトキーイング)やPSK(位相シフトキーイング)などのデジタル変調を行ったものもここではアナログ信号に含まれる。
In addition, according to the present invention, by making the signal exchanged between the
また、前記アンテナ素子と前記半導体素子を隔てるように、前記アンテナ基板内部に設けた導体層を設けることによって、半導体素子から生じた不要放射のアンテナ素子への影響、また逆にアンテナ素子からの放射の半導体素子への影響を抑制でき、混信や誤動作を減少させエラーレイトを下げることができる。特に、この導体層の面積が、アンテナ基板の面積の60%以上とすることにより、その効果が顕著となる。 Further, by providing a conductor layer provided inside the antenna substrate so as to separate the antenna element and the semiconductor element, the influence of unnecessary radiation generated from the semiconductor element on the antenna element, and conversely, radiation from the antenna element is achieved. The influence on the semiconductor element can be suppressed, interference and malfunction can be reduced, and the error rate can be lowered. In particular, when the area of the conductor layer is 60% or more of the area of the antenna substrate, the effect becomes remarkable.
以下、本発明のアンテナモジュールの構成について図面を参照しながら説明する。図1に本発明の実施形態の一例であるアンテナモジュール1の側面図を示す。本発明のアンテナモジュールは、誘電体レンズ2、アンテナ基板3、モジュール基板4から構成されており、誘電体レンズ2は支持体5をもってモジュール基板4に固定されている。
Hereinafter, the configuration of the antenna module of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a side view of an antenna module 1 which is an example of an embodiment of the present invention. The antenna module of the present invention includes a
アンテナ基板3の一方の面には、マイクロストリップアンテナからなるアンテナ素子6が形成されており、他方の面に、アンテナ素子から放射あるいは受信される信号の処理を行う半導体素子7が実装されており、基板内部にはグランドとなる導体層9が形成されており、半導体素子7は、ビア導体10を介して前記アンテナ素子6と接続されている。半導体素子7は、アンテナ基板3の他方の面に設けられたキャビティ内に収納され、キャップ8で封止され、湿気やゴミの侵入を防止している。なお、半導体素子の封止の形態は、キャビティ内への収納のみならず、封止樹脂中に埋設してもよい。
An
アンテナ素子6と、これを制御する半導体素子7を1つのアンテナ基板に設ける場合、アンテナ素子6から放射された信号が半導体素子に影響を与え半導体素子の誤動作をおこす。また逆に半導体素子からの不要放射がアンテナ素子の放射パターンに影響を与え放射パターンの崩れやサイドローブの上昇、利得の低下などが発生してしまう。また、さらにアンテナ素子と半導体素子が同一表面にある場合、基板の面積が大きくなるという欠点もある。そこで、本発明によれば、半導体素子7をアンテナ素子3が形成された面とは反対側の面に形成することによって、半導体素子の誤動作やサイドローブの上昇や利得低下などのアンテナ放射パターンの劣化を防止することができ、またアンテナ基板を小型化できる。
When the
また、図1では、半導体素子7が1つしか搭載されていないが、この半導体素子としては、増幅器やフィルター、変復調器、信号処理素子、逓倍器などの複数の半導体素子を搭載しても問題は無い。なお、その場合においては、これら素子のうち、アンテナ素子への影響の大きい半導体素子を、アンテナ素子6を形成した面とは反対側の面に形成すればよいが、すべての半導体素子を反対側の面に形成することが最も望ましい。
In FIG. 1, only one
本発明によれば、アンテナ基板3とモジュール基板4との間でやりとりする信号をデジタル信号とすることによってエラーレイトを小さくすることができる。このようなデジタル信号のやり取りは、図2に示すようにアンテナ素子6から受けた高周波信号を局部発振器15と周波数変換器14にてダウンコンバートしベースバンドとした信号をアナログデジタルコンバーター16で信号処理しデジタル信号に変換することで可能となる。
According to the present invention, the error rate can be reduced by converting the signal exchanged between the
また逆に、モジュール基板4からデジタル信号を受け取った場合はそれをアンテナ基板3に実装された半導体素子7で信号処理、アナログ変換し、周波数変換器でアンテナ素子6が発振するアナログ信号に変換することでも可能である。
Conversely, when a digital signal is received from the
なお、デジタル信号としては、特にアンテナ素子6から放射あるいは受信される信号の搬送波の周波数の1/4以下のビットレートであることが望ましい。これはビットレートがアンテナ素子6から放射あるいは受信される信号の搬送波の1/4よりも大きい場合、そのデジタル信号の高調波成分に、アンテナ素子から放射あるいは受信される信号の搬送波と同じ周波数の成分が現れ、混信を起こしエラーレイトをあげる虞があるためである。
The digital signal is preferably a bit rate that is ¼ or less of the frequency of the carrier wave of the signal radiated or received from the
また、本発明によれば、上記アンテナ基板3の内部に形成され、アンテナ素子6と半導体素子7とを隔てる導体層9を設けることが望ましく、この導体層9の形成によって、半導体素子から生じた不要放射のアンテナ素子への影響、また逆にアンテナ素子からの放射の半導体素子への影響を抑制でき、混信や誤動作を減少させエラーレイトを下げることができる。なお、導体層の面積は、アンテナ基板の面積の60%以上、特に70%以上を占めることが望ましい。「アンテナ基板の面積」とは、アンテナ基板を上から見たときの平面の総面積をいう。
In addition, according to the present invention, it is desirable to provide the
図1ではアンテナ素子として、1素子のマイクロストリップアンテナを図示しているが、この素子数は、2素子以上でもよく、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置したアレイアンテナであってもよい。 In FIG. 1, a single-element microstrip antenna is shown as an antenna element, but the number of elements may be two or more, or an array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in an array.
また、アンテナ素子として、図1のマイクロストリップアンテナ以外に、ボウタイアンテナ、スロットアンテナなどの平面アンテナ、ヘリカルアンテナ、ダイポールアンテナ、逆Lアンテナ、逆Fアンテナでも特に問題はない。また、アンテナ素子6は、必ずしも基板表面に形成されている必要はなく、基板の内部に形成されていてもよい。特に、アンテナ素子の保護の点からは、アンテナ素子6の表面に樹脂製またはセラミック製の絶縁性保護層を形成することが望ましい。その他、アンテナ素子としては、誘電体共振器アンテナや、特開平11−46114号に記載されるような、積層型導波管を利用したアンテナなども利用できる。
In addition to the microstrip antenna shown in FIG. 1, there is no particular problem with a planar antenna such as a bow tie antenna or a slot antenna, a helical antenna, a dipole antenna, an inverted L antenna, or an inverted F antenna. Further, the
また、図1では、アンテナ素子の上部に所定距離をとって、誘電体レンズ2を配置しているが、この誘電体レンズ2は、必ずしも必要ではないが、誘電体レンズ2を具備する場合、アンテナ素子の放射パターンの微小な変化が、レンズを介した最終の放射パターンに与える影響が顕著であり、本発明による作用は特に有効的である。なお、誘電体レンズ2は、図1によれば、モジュール基板4に固定されているが、この誘電体レンズ2の固定先としては、これに限られず、他の筐体などに固定し、その筐体にモジュール基板4を固定してもなんら問題は無い。
In FIG. 1, the
なお、アンテナ基板3において、アンテナ素子6と半導体素子7を接続するためには一般的に、マイクロストリップライン、ストリップライン、ビア、コプレーナライン、スロットライン、積層型導波管などの周知の高周波線路を用いることができるが、特に線路を特定する必要は無い。線路の引き回し容易性から考えれば、マイクロストリップライン、ストリップラインが好ましく、また低伝送損失の観点からは積層型導波管が好ましい。またVIAの代わりに信号の損失低減のためにスロットをもちいて電磁的に接続し信号伝送してもなんら問題はない。
In the
なお、図1のアンテナモジュールでは、モジュール基板4とアンテナ基板3を電気的に接続するのに、アンテナ基板3をモジュール基板4に対して、BGAタイプで、アンテナ基板3の裏面の接続パッド11に取り付けられた複数の半田ボール12を介してモジュール基板1の回路パターン13に実装されているが、アンテナ基板3の実装形態はこれに限られることがなく、たとえば半田ボールを用いず、アンテナ基板3の底面に形成された接続パッド11とモジュール基板1の回路パターン13に対して、直接半田で接続するLGAタイプや、金属ピンを用いるPGAタイプ、あるいはアンテナ基板に形成された接続パッドとモジュール基板側の回路パターンとをワイヤを用いて接続するものであってもよい。この中でも、BGA、LGAは、高密度に端子を形成することができる点で有利である。
In the antenna module of FIG. 1, in order to electrically connect the
また、アンテナ基板3は、表面実装タイプではなく、モジュール基板4表面に接着剤で固定し、アンテナ基板3の表面に形成された電極と、モジュール基板の電極とを金リボンや金のワイヤーボンディングで接続した構造であってもよい。ただワイヤーボンディングは寄生インダクタンスや量産性の課題などを有することから、前述の表面実装型がローコストで特性安定性も優れており好ましい。
The
アンテナ基板3を構成する材料としては、半導体素子7の実装信頼性を考えればセラミックスが好ましく、またコストの点から考えれば少なくとも樹脂を含有する有機材料からななる基板が好ましい。セラミックスを用いる場合、材料は一般的にアルミナ、窒化アルミニウム、マグネシアなどを主成分としたセラミックスや、ガラスセラミックスなどの1000℃以下で焼成可能な低温焼成セラミックスが好適に挙げられる。この中でも、高周波では伝送線路における損失が大きく、その損失を抑えるために導体層の抵抗を低くすることが求められ、かかる点から銅や銀導体を用いることができる低温焼成セラミックスまたは有機多層基板が好ましく、最適には誘電損失が低い低温焼成セラミックスがよい。なお、有機基板の中では、フッ素系樹脂が好ましい。
As a material constituting the
モジュール基板4を構成する材料としても、アンテナ基板3と同様に、アルミナや窒化アルミニウム、マグネシアなどを主成分としたセラミックスや低温焼成セラミックス、有機多層基板など用いることができ特に材料を限定するものでは無い。しかし製造コストの点から考えれば、FR−4やFR−5などのガラスーエポキシ樹脂の安価な有機基板が好ましい。
As the material constituting the
本発明のアンテナモジュールについてアンテナモジュールとしての通信特性を評価するために、実際にシステムを組んでエラーレイトの調査を行った。 In order to evaluate the communication characteristics of the antenna module of the present invention as an antenna module, an error rate was investigated by actually assembling the system.
アンテナ基板は、40mm×40mm×厚み3.0mm、誘電率4.9のホウ珪酸ガラス50質量%、アルミナ50質量%からなる組成物を成形、焼成してなる低温焼成セラミックスからなる絶縁基板に対して、その表面に、マイクロストリップアンテナを1素子形成しそれを1次放射器とした。マイクロストリップアンテナおよびアンテナ基板における高周波線路、ビア導体、導体層はすべて、銅メタライズを用いて、絶縁基板と900℃で同時焼成して形成した。なお、導体層の面積を表1に示すように種々変化させた。 The antenna substrate is 40 mm × 40 mm × 3.0 mm thick, 50% by mass of a borosilicate glass having a dielectric constant of 4.9, and 50% by mass of alumina. Then, one microstrip antenna was formed on the surface and used as a primary radiator. All the high-frequency lines, via conductors, and conductor layers in the microstrip antenna and the antenna substrate were formed by co-firing with an insulating substrate at 900 ° C. using copper metallization. The area of the conductor layer was variously changed as shown in Table 1.
また、アンテナ基板のアンテナ素子形成面とは反対の面に、図1に示したようなキャビティを設け、このキャビティ内に制御素子として半導体素子をフリップチップ実装した。 Further, a cavity as shown in FIG. 1 was provided on the surface opposite to the antenna element formation surface of the antenna substrate, and a semiconductor element was flip-chip mounted as a control element in the cavity.
一方、モジュール基板としては、ガラス−エポキシ樹脂からなる複合絶縁体からなる絶縁基板の表面に銅による導体パターンを形成したものを準備し、上記アンテナ基板を半田ボールを介して表面実装した。また、アンテナ素子の放射面の上に、誘電率5.0のホウ珪酸ガラスを主体とするセラミックスで形成した誘電体レンズを配置した。 On the other hand, as the module substrate, an insulating substrate made of a composite insulator made of glass-epoxy resin having a copper conductive pattern formed thereon was prepared, and the antenna substrate was surface-mounted through solder balls. In addition, a dielectric lens formed of ceramics mainly composed of borosilicate glass having a dielectric constant of 5.0 was disposed on the radiation surface of the antenna element.
なお、エラーレイトの測定にあたっては、アンテナ素子からの受信信号(搬送波)の周波数(f0)は61GHzとした。これを周波数変換器と局部発振器によりベースバンド帯に変換し、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換した。デジタル信号のビットレートは500Mbpsである。アンテナモジュールに対向する形で、信号を放射するホーンアンテナを設置し、ホーンアンテナから放射した信号をアンテナモジュールで受信し復調して、オリジナルな信号と比較してエラーレイトを評価した。 In measuring the error rate, the frequency (f 0 ) of the received signal (carrier wave) from the antenna element was 61 GHz. This was converted to a baseband by a frequency converter and a local oscillator, and converted to a digital signal by an analog / digital converter. The bit rate of the digital signal is 500 Mbps. A horn antenna that radiates a signal is installed opposite to the antenna module, the signal radiated from the horn antenna is received and demodulated by the antenna module, and the error rate is evaluated by comparing with the original signal.
また、比較例1として、半導体素子をアンテナ素子形成面の反対側に設けるものの、デジタル変換を行わないアンテナ基板を作製した。また、比較例2として、アンテナ基板の表面にアンテナ素子とともに制御素子をおいたものを作製した。これは、ダウンコンバーターのための周波数変換器、局部発振器、デジタル信号に変換するためのアナログデジタル変換器をアンテナ素子形成面と同一面にフリップチップ実装し形成したものである。 Further, as Comparative Example 1, an antenna substrate in which a semiconductor element was provided on the opposite side of the antenna element formation surface but digital conversion was not performed was manufactured. Moreover, as Comparative Example 2, a control element was prepared on the surface of the antenna substrate together with the antenna element. This is formed by flip-chip mounting a frequency converter for a down converter, a local oscillator, and an analog / digital converter for converting into a digital signal on the same surface as the antenna element formation surface.
これらアンテナ素子は、上記と同様にしてこのアンテナ基板を半田ボールを介してモジュール基板表面に実装し、アンテナ素子で受信した信号を周波数変換せずアナログ信号でモジュール基板に信号伝送するアンテナモジュールを作製した。 In the same manner as above, these antenna elements are mounted on the surface of the module board via solder balls to produce an antenna module that transmits signals received by the antenna element to the module board as analog signals without frequency conversion. did.
この比較例のうち、比較例1のアンテナモジュールにおけるエラーレイトを「1」として、他のモジュールのエラーレイトと対比した。
表1の結果によれば、アンテナ素子を形成した面と反対の面に半導体素子を設けデジタル信号に変換し、周波数およびアンテナ基板とモジュール基板との間でやり取りされる信号をデジタル信号とすることによって、アナログ信号である場合に比較して、エラーレイトを低減することができた。また、アンテナ素子での周波数がいずれも61GHzである場合、金属層の面積が60%よりも小さい場合、エラーレイトにはほとんど変化がないが、面積比率が60%以上になると、エラーレイトが低下することが理解できる。特に70%以上とすることによって、エラーレイトが0.9以下に抑えることができ、さらに好ましい。 According to the results in Table 1, a semiconductor element is provided on the surface opposite to the surface on which the antenna element is formed, converted into a digital signal, and a frequency and a signal exchanged between the antenna substrate and the module substrate are converted into a digital signal. Therefore, the error rate can be reduced as compared with the case of the analog signal. Also, when the frequency at the antenna element is 61 GHz, there is almost no change in the error rate when the area of the metal layer is smaller than 60%, but the error rate decreases when the area ratio is 60% or more. I can understand that. In particular, by setting it to 70% or more, the error rate can be suppressed to 0.9 or less, which is more preferable.
1・・・・・・・アンテナモジュール
2・・・・・・・誘電体レンズ
3・・・・・・・アンテナ基板
4・・・・・・・モジュール基板
5・・・・・・・支持体
6・・・・・・・アンテナ素子
7・・・・・・・半導体素子
8・・・・・・・キャップ
9・・・・・・・導体層
1 ....
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