CN101032055A - 天线装置、使用该天线装置的阵列天线装置、模块、模块阵列和封装模块 - Google Patents

天线装置、使用该天线装置的阵列天线装置、模块、模块阵列和封装模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种实现小型且高增益化的天线装置。天线装置由组合多个电介质层的多层电介质基片构成，将馈电天线设置在所述多层基片的下层，并且，在所述馈电天线的上方设置反射金属板，进而，还在所述多个电介质层中配置圆形或矩形的环状金属，使直径从下层向上层变大。

Description

天线装置、使用该天线装置的阵列天线装置、模块、模块阵列和封装模块
技术领域
本发明用于利用芯片天线(chip antenna)等来实现更高增益的天线，尤其涉及一种可在实现使能动器件与天线一体化的系统封装时有效实现高增益化的天线装置。
本发明主张2004年9月7日申请的特愿2004-260038号和2005年6月17日申请的特愿2005-178001号的优先权，在此援引其内容。
背景技术
以前，提出过高增益化单元件天线的各种结构。作为研究为高增益化单元件天线的方法之结构，图30A和图30B示出带金属壁的微带天线的结构例(参照专利文献1)。图30A和图30B分别是表示现有天线装置的结构的斜视图和截面图。图30A和图30B中，15是圆筒，16是微带贴片(a microstrip patch)，17是供电点，18是基片，19是接地板，20是馈电电路用基片，21表示馈电电路。
示出如下方法，即通过具备作为金属壁的圆筒15来作为基本结构，高增益化微带天线。具体而言，构造成在基片18、形成于基片18上的微带贴片16、和配设于基片18背面的接地板19构成的微带天线周围，装配由金属构成的圆筒15。圆筒15接地于微带天线的接地板19上。
专利文献1：日本专利第3026171号公报
但是，上述专利文献1中，作为高增益化的值，仅示出至10dBi，未示出如何由微带天线单元件来实现更高增益化。
发明内容
本发明着眼于如下有效结构，不能忽视在使用微波频带的通信系统中、天线与其它高频电路的连接接口引起的损耗，为了削减该损耗，一体化构成高频电路与天线。
本发明鉴于上述问题而做出，其目的在于通过一体化制入高频电路的基片与天线基片，并且，以芯片形状制入反射镜天线，提供一种实现小型且高增益化的天线装置。另外，本发明的目的在于提供一种使用这种高增益的天线装置的阵列天线装置、模块、模块阵列、封装模块。
为了实现上述目的，本发明的天线装置具备：组合多个电介质层的多层电介质基片；设置在所述多层电介质基片下层的馈电天线；设置在所述馈电天线的上方的金属板；和在所述多个电介质层中配置成直径从下层向上层变大的圆形或矩形的环状金属。
另外，就本发明的天线装置而言，所述金属板也可用作初级反射器，所述环状金属也可用作次级反射器。
另外，就本发明的天线装置而言，也可在所述金属板中留出圆形或矩形的隙缝。
另外，就本发明的天线装置而言，也可在所述金属板的下面具有平面天线，在所述平面天线的表面具有短截线(a stub)。
另外，就本发明的天线装置而言，也可在所述平面天线的元件要素中具备可变电容元件。
另外，就本发明的天线装置而言，也可在所述多个电介质层中配置多组环状金属，用作对应于多个频率的次级反射器。
另外，就本发明的天线装置而言，也可在所述金属板的背面具有用作反射器的MEMS器件。
另外，就本发明的天线装置而言，所述馈电天线也可是由单个馈电元件构成的结构、或具有单个馈电元件与一个以上无源元件的结构、或配置多个馈电元件的结构、或配置多个具有单个馈电元件与一个以上无源元件的元件群的结构。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是所述金属板用作无源元件，所述环状金属用作反射器。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是所述金属板的形状为圆形或矩形，圆的直径或矩形的任一边长度在所述多层电介质基片的电介质内波长的1.48倍-2.16倍的范围内。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是所述金属板的形状为圆形或矩形，圆的直径或矩形的任一边长度在所述多层电介质基片的电介质内波长的1.62倍-1.86倍的范围内。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是所述金属板由激励5阶以上奇数阶的模式的金属制成。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是所述金属板距所述电介质层最下层的高度在所述多层电介质基片的电介质内波长的0.12-0.28倍的范围内。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是所述金属板距所述电介质层最下层的高度在所述多层电介质基片的电介质内波长的0.16-0.22倍的范围内。
另外，就本发明的天线装置而言，也可构成为从整个圆周以任意角度切取所述环状金属。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是配置于所述多个电介质层各层中的环状金属之间使用贯穿孔(a through hole)或导孔(a via hole)来连接。
另外，就本发明的天线装置而言，也可是将所述金属板作为在第2频率下谐振的微带天线，与在第1频率下激励的所述馈电天线独立，在所述第2频率下激励。
另外，本发明的模块在本发明的天线装置的表面安装能动器件。
另外，本发明的模块阵列使用多个上述模块来构成。
另外，本发明的封装模块在上述天线装置的表面安装能动器件，在该表面侧将具有空隙结构的基片连接于所述天线装置上。
另外，本发明的阵列天线装置使用多个所述天线装置来构成。
发明效果
本发明的天线装置具备：组合多个电介质层的多层电介质基片；设置在所述多层电介质基片下层的馈电天线；设置在所述馈电天线的上方的金属板；和在所述多个电介质层中配置成直径从下层向上层变大的圆形或矩形的环状金属。
因此，可实现与反射型开口面天线相同的动作。由此，可实现简单构造的反射镜天线。从而，可实现制造性好的高增益天线。
另外，在本发明的天线装置中，在所述金属板中留出圆形或矩形的隙缝。因此，可使从馈电天线辐射的电磁波的功率一部分原样辐射。由此，可实现在主波瓣内无凹槽(notch)的指向特性。从而，可实现规模较小的高增益天线。
另外，在本发明的天线装置中，在所述金属板的下面具有平面天线，在所述平面天线的表面具有短截线。
因此，可利用设置在下面的平面天线来调整激励相位。由此，可控制来自初级辐射器的反射波的指向特性。由此，即便使用本结构的天线，也可实现目的指向特性。
另外，在本发明的天线装置中，在所述平面天线的元件要素中具备可变电容元件。
因此，能可变控制设置在下面的平面天线的激励相位。由此，可变控制来自初级辐射器的反射波的指向特性。从而，根据本结构的天线，可执行可变指向性控制。
另外，在本发明的天线装置中，在所述多个电介质层中配置多组环状金属，用作对应于多个频率的次级反射器。
因此，可按每个频率使反射镜动作。由此，可在多个频率下分别实现不同的指向性。从而，可实现可对应于多个系统的天线。
另外，在本发明的天线装置中，在所述金属板的背面具有用作反射器的MEMS器件。
因此，通过改变设置在所述金属板下面的MEMS器件的角度，可调整反射波的方向。由此，能可变控制来自初级反射器的反射波的指向特性。由此，可执行本结构的天线的指向特性可变控制。
另外，根据本发明的天线装置，所述金属板用作无源元件，所述环状金属用作反射器。由此，构成为由无源元件再辐射从馈电天线辐射的电磁波，并且，由环状等的导电性部件进一步反射，所以可实现高增益的天线装置。
另外，在本发明的天线装置中，为圆形或矩形的金属板的圆的直径或矩形的任一边长度在所述多层电介质基片的电介质内波长的1.48倍-2.16倍的范围内。由此，可实现10(dBi)以上的高增益。
另外，在本发明的天线装置中，为圆形或矩形的金属板的圆的直径或矩形的任一边长度在所述多层电介质基片的电介质内波长的1.62倍-1.86倍的范围内。由此，可实现15(dBi)以上的高增益。
另外，在本发明的天线装置中，所述金属板由激励5阶以上奇数阶的模式的金属制成。由此，即便在激励3阶模式的无源元件以外、使用激励5阶以上的奇数阶模式的无源元件，也可实现与激励3阶模式的无源元件一样的高增益。
另外，在本发明的天线装置中，金属板的高度在所述多层电介质基片的电介质内波长的0.12-0.28倍的范围内。由此，可实现10(dBi)以上的高增益。
另外，在本发明的天线装置中，金属板的高度在所述多层电介质基片的电介质内波长的0.16-0.22倍的范围内。由此，可实现15(dBi)以上的高增益。
另外，在本发明的天线装置中，构成为从整个圆周以任意角度切取所述环状金属。因此，本天线成为仅在一个部位具有开口的天线。由此，可在离开供电部位的部位形成开口。从而，可错开构成供电部位与开口位置。
另外，在本发明的天线装置中，配置于所述多个电介质层各层中的环状金属之间使用贯穿孔或导孔来连接。
因此，可使各环状金属的电位变得一律相同。由此，可使作为反射镜像的动作稳定。从而可抑制指向特性的干扰。
另外，在天线装置中，将所述金属板作为在第2频率下谐振的微带天线，与在第1频率下激励的所述馈电天线独立，在所述第2频率下激励。
因此，可在第1频率下作为原来的反射镜天线工作，可在第2频率下作为单元件的平面天线工作。
由此，与可在较高的第1频带下实现窄波束的指向特性相反，可在较低的第2频带下实现宽的指向特性。从而，可实现对应于多个系统的天线。
另外，本发明的模块在天线装置的表面安装能动器件来构成。由此，可提供一体化天线装置与能动器件的模块。另外，由于可在母板上等直接安装模块，所以不必使用损耗大的导孔即可，可大幅度降低连接损耗。
另外，在本发明中，使用多个上述模块来构成模块阵列。由此，也可适用于必需不能由单个模块实现的高增益的用途。
另外，在本发明中，在天线装置的表面安装能动器件，在该表面侧将具有空隙结构的基片连接于所述天线装置上，构成封装模块。由此，可以一体化天线装置与能动器件的封装模块的方式来提供。
另外，本发明的阵列天线装置使用多个天线装置来构成。由此，也可适用于必需不能由单个模块实现的高增益的用途。
附图说明
图1A是表示本发明第1实施方式的天线装置结构的斜视图。
图1B是表示本发明第1实施方式的天线装置结构的截面图。
图2A是表示本发明第2实施方式的天线装置结构的上面图。
图2B是表示本发明第2实施方式的天线装置结构的截面图。
图3A是表示本发明第3实施方式的天线装置结构的斜视图。
图3B是表示本发明第3实施方式的天线装置结构的截面图。
图3C是表示圆环圈的配置定义的图。
图4A是表示图3A所示的天线装置中省略无源元件7时的结构的斜视图。
图4B是表示图3B所示的天线装置中省略无源元件7时的结构的截面图。
图5是表示基于隙缝形状的天线特性的变化的特性图。
图6是表示基于次级反射器的镜像配置角的天线特性的变化的特性图。
图7是表示为了求出图8-图11所示的天线特性所用的解析模型的图。
图8是表示隙缝的半径与天线特性(增益)的关系的图。
图9是表示初级反射器的高度与天线特性(增益)的关系的图。
图10是表示次级反射器的配置角与天线特性(增益)的关系的图。
图11是表示层数与天线特性(增益和辐射效率)的关系的图。
图12A是表示本发明第4实施方式的天线装置结构的斜视图。
图12B是表示本发明第4实施方式的天线装置结构的截面图。
图13A是表示本发明第5实施方式的天线装置结构的斜视图。
图13B是表示本发明第5实施方式的天线装置结构的截面图。
图14A是表示本发明第6实施方式的天线装置结构的斜视图。
图14B是表示本发明第6实施方式的天线装置结构的截面图。
图15是表示本发明第7实施方式的天线装置结构的截面图。
图16是表示本发明第8实施方式的天线装置结构的截面图。
图17是表示本发明第9实施方式的天线装置结构的截面图。
图18A是表示本发明第10实施方式的天线装置的斜视图。
图18B是表示本发明第10实施方式的天线装置的截面图。
图19是表示对应于图18A和图18B的天线装置的无源元件形状的天线特性的图。
图20是表示对应于图18A和图18B的天线装置的无源元件高度的天线特性的图。
图21是表示图18A和图18B的天线装置的指向特性的图。
图22A是表示本发明第11实施方式的天线装置结构的上面图。
图22B是表示本发明第11实施方式的天线装置结构的侧面图。
图23A是表示本发明第12实施方式的天线装置的斜视图。
图23B是表示本发明第12实施方式的天线装置结构的截面图。
图24是表示利用本发明的第13实施方式、由系统封装实现天线装置的实例图。
图25是表示本发明第14实施方式的系统封装的结构图。
图26是表示本发明第15实施方式的模块的结构图。
图27是表示本发明第16实施方式的模块阵列的结构图。
图28是表示单元件天线的平面图。
图29是表示本发明第17实施方式的4元件阵列天线的结构的平面图。
图30A是表示现有天线装置的结构例的斜视图。
图30B是表示现有天线装置的结构例的截面图。
符号说明
1...电介质基片、2...微带天线、3...初级反射器、4...次级反射器、5...地板、6...隙缝、7...无源元件、8...贯穿孔(导孔)、9...微带天线阵列、10...变容二极管、11...第1频率(f1)用反射器、12...第2频率(f2)用反射器、13...第1频率(f1)用初级反射器和第2频率(f2)用激励元件、14...MEMS反射器、30...导体、31...短截线、101...多层电介质基片、102...微带天线、103...无源元件、103a...无源元件、104...次级反射器、104a...次级反射器、105...接地板、106...导体板、107...贯穿孔(或导孔)、108...导体、130...高频用封装、131...天线装置、131b...多层电介质、131B...多层电介质基片、131a...次级反射器、131c...馈电元件、131d...无源元件、132...MMIC芯片、133...保持部件、134-136...突起(Bump)、137...导孔、138...接地、140...模块、150...母板、200...局部振荡器、201...IF信号输入端子、202...天线、203...高频电路、204...移相器、205...混频器、206...放大器、220...单元件天线、221...4元件阵列天线、222...馈线
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。但是，本发明不限于下面说明的各实施方式，例如适当组合这些实施方式的情况也属于本发明的范围。
<第1实施方式>
图1A(斜视图)和图1B(截面图)表示本发明第1实施方式的天线装置的结构。在这些图中，1表示电介质基片，2表示微带天线，3表示初级反射器，4表示次级反射器，5表示地板(接地板)。
图1A和图1B的天线装置表示如下天线，即由10层每1层为0.1mm的电介质基片1构成，通过从配置于最下层的微带天线2辐射的电磁波在由金属板构成的初级反射器3反射，再在由圆形的环状金属构成的次级反射器4反射，进行动作。
在本发明中，例如通过使用高温烧结陶瓷(HTCC)基片，可实现薄型化、小型化，若在60GHz频带下，则可以以约1mm的厚度实现。
另外，作为增益，可满足10dBi以上。
次级反射器4的形状为圆形，但在本发明圆形还包含椭圆。另外，次级反射器4的形状除圆形以外，也可以是正方形或长方形等矩形。
<第2实施方式>
图2A(上面图)和图2B(截面图)表示本发明第2实施方式的天线装置的结构。在这些图中，1表示电介质基片，2表示微带天线，3表示初级反射器，4表示次级反射器，5表示地板，6表示隙缝。
图2A和图2B所示的第2实施方式的天线装置结构为恰好将第1实施方式的天线装置的天线结构切开一半，在其交界配置导体30。
次级反射器4可构成为从整个圆周以任意角度切取圆形(如上所述还包含椭圆)或矩形的环状金属。
根据本结构，由于作为镜像天线，产生基于导体30的镜像，所以与第1实施方式的天线装置相比，可将面积大致压缩一半。
另外，由于开口面位于一个部位，并且馈电元件从全部天线结构的中央改变到端部，所以产生与电路的连接好等优点。
图2A和图2B中，示出与下述的第3实施方式一样设置隙缝6的情况的实例，但也可不设置隙缝6、而使用与图1A和图1B所示的一样形状的初级反射器3。因此，将在第3实施方式中就隙缝6进行详细说明。
<第3实施方式>
图3A-图3C表示本发明第3实施方式的天线装置的结构。图3A是表示天线装置的整体结构的斜视图，图3B是表示图3A的截面图，图3C是表示圆环圈的配置定义的图。在图3A-图3C的各图中，1表示电介质基片，2表示微带天线，3表示初级反射器，4表示次级反射器，5表示地板，6表示隙缝，7表示再辐射从微带天线2辐射的电磁波的无源元件。
图3A-图3C的天线结构是在第1实施方式(图1A和图1B)所示的天线结构中，通过在初级反射器3中设置圆形(包含椭圆)或矩形(包含正方形或长方形)的隙缝6，不使从微带天线2辐射的电磁波中的一部分反射、而原样释放到空间中。由此，不仅可减小因从初级反射器3直接反射到微带天线2的电磁波产生的影响，还可抑制主波束内的指向性的干扰。即，在第1实施方式的结构中，在初级反射器3的中心附近上方产生空图引起的无效区，但通过如本实施方式所示设置隙缝6使之作为天线谐振，可防止这种无效区的发生。
这里，说明无源元件7的配置方式，除如图3B所示配置于微带天线2的上方的方式外，还考虑配置在微带天线2的横向的方式。
例如，考虑如下方式，即当从天线装置的上方看微带天线2时、在上下方向(即垂直于纸面的方向)产生驻波时，在微带天线2的上下分别配置相同形状的无源元件。
或者，与上述一样在产生驻波时，在微带天线2的左右配置无源元件，使例如配置于左侧的无源元件的上下方向的长度比配置于右侧的无源元件的上下方向的长度长。由此，在微带天线2例如以60GHz谐振的情况下，例如以58GHz使配置于左侧的无源元件谐振，例如以62GHz使配置于右侧的无源元件谐振。由此，由于电流的中心位置偏向较易谐振的方向，所以可实现宽带化。
另外，这里说明微带天线2，微带天线2既可由此前所示的单元件来构成，也可将多个元件配置成阵列状来构成。另外，在除微带天线2外还设置无源元件7的情况下，也可将多个上述元件进一步配置成阵列状来构成。这在本实施方式以外的其它实施方式中也一样。
图3A和图3B中示出设置了无源元件7的结构，但由于不必设置无源元件7，所以也可省略。图4A和图4B示出此种情况下的天线装置的结构例。
另外，在本实施方式以外的其它实施方式中还有未设置无源元件的实施方式，但在这种实施方式中也可与本实施方式一样设置无源元件。
下面，作为一例，假设电介质基片1中使用高温烧结陶瓷基片(介电常数9.0)，示出利用力矩法解析的结果。下面示出使用10层每层基片厚度为0.1mm的基片，配置4层由下面的参数构成次级反射器4的金属的圆环圈的情况(结构a)、与配置9层圆环圈的情况(结构b)中的在60GHz频带下的结构(结构参数)(A)与特性(B)。
(结构a)
(A)结构参数
.第1层  馈电元件：1边为0.785mm的方形贴片(patch)
(供电部位：距中心0.1mm)
.第2层  圆环圈：内径半径2.5mm  外径半径3.25mm
.第3层  圆环圈：内径半径3.1mm  外径半径3.85mm
.第4层  圆环圈：内径半径3.7mm  外径半径4.45mm
.第5层  圆环圈：内径半径4.3mm  外径半径5.05mm
.第10层  圆形贴片：半径2.55mm  隙缝半径0.57mm
(B)特性增益  15.7dBi(59GHz)
(结构b)
(A)结构参数
.第1层  馈电元件：1边为0.785mm的矩形贴片
(供电部位：距中心0.1mm)
.第2层  圆环圈：内径半径2.5mm  外径半径3.25mm
.第3层  圆环圈：内径半径3.0mm  外径半径3.75mm
.第4层  圆环圈：内径半径3.5mm  外径半径4.25mm
.第5层  圆环圈：内径半径4.0mm  外径半径4.75mm
.第6层  圆环圈：内径半径4.5mm  外径半径5.25mm
.第7层  圆环圈：内径半径5.0mm  外径半径5.75mm
.第8层  圆环圈：内径半径5.5mm  外径半径6.25mm
.第9层  圆环圈：内径半径6.0mm  外径半径6.75mm
.第10层  圆环圈：内径半径6.5mm  外径半径7.25mm
.第10层  圆形贴片：半径2.55mm  隙缝半径0.57mm
(B)特性增益  16.0dBi(60GHz)
另外，结构a中，天线特性随着配置于初级反射器3中的隙缝6的形状变化。这里，图5表示基于隙缝6的直径的天线特性的变化。从图5可知，天线增益与辐射效率具有基本上相似的特性，并且，作为隙缝直径，最好设为0.55mm-0.60mm。
接着，如图6所示，用图3C所示的次级反射器4的镜像配置角α来表示基于次级反射器4的配置的天线特性的变化。从图6可知，天线增益随着次级反射器4的配置角α而发生很大变化，在大致80度时，天线特性得以改善，在78度-81度之间，可实现较高增益的天线。
另外，图8-图11就上述以外的各种参数来表示天线特性，基于图7所示的解析模块。基于图7的解析模块的天线装置的结构与图4B所示的结构相同，H是以地板5的辐射方向侧的面为基准的初级反射器3的高度，R1是初级反射器3的外径的半径，R2是隙缝6的半径，α是上述次级反射器4的镜像配置角。
图8是表示隙缝6的半径R2与增益的关系的图，分别示出电介质基片1的层数为4层、7层、9层的情况。图9是表示初级反射器3的高度H与增益的关系的图，分别示出电介质基片1的层数为4层、7层、9层的情况。图10是表示镜像配置角α与增益的关系的图，分别示出电介质基片1的层数为4层、7层、9层的情况。图11是表示电介质基片1的层数与增益和辐射效率的关系的图。从这些图可知，通过改变半径R2、高度H、镜像配置角α、层数等一个以上的值，可一定程度上调整增益。
<第4实施方式>
图12A(斜视图)和图12B(截面图)表示本发明第4实施方式的天线装置的结构。在这些图中，1表示电介质基片，2表示微带天线，3表示初级反射器，4表示次级反射器，5表示地板，6表示隙缝，8表示导孔或贯穿孔。
图12A和图12B所示的第4实施方式的天线装置的结构示出向第3实施方式所示的天线结构(图4A和图4B)、在次级反射器4的环状金属的层之间追加导孔或贯穿孔8并进行连接的结构。
由于利用本结构来共同化次级反射器4内的电位，所以天线的动作稳定，产生指向性的干扰小的优点。
<第5实施方式>
图13A(斜视图)和图13B(截面图)表示本发明第5实施方式的天线装置的结构。在这些图中，1表示电介质基片，2表示微带天线，3表示初级反射器，4表示次级反射器，5表示地板，9表示微带天线阵列，31表示短截线。
第5实施方式的天线装置在结构上与第1实施方式的天线装置的不同之处在于，在初级反射器3的背面具有形成平面天线的微带天线阵列9，和对构成微带天线阵列9的各个天线装配由金属片构成的短截线31，其它结构相同。
微带天线阵列9暂时存储来自微带天线2的电磁波功率，错开电磁波的相位后再辐射。作为用于错开电磁波的相位的部件，在本实施方式中设置短截线31，通过分别改变短截线31的大小，可使形成的波束倾斜。
利用本结构，可将来自初级反射器3的反射波成形为作为目的的指向性。由此，可控制包含至次级反射器4的综合指向特性。
<第6实施方式>
图14A和图14B表示本发明第6实施方式的天线装置的结构。在这些图中，1表示电介质基片，2表示微带天线，3表示初级反射器，4表示次级反射器，5表示地板，9表示微带天线阵列，10表示变容二极管。
图14A和图14B所示的第6实施方式的天线装置在结构上与第5实施方式的天线装置(图13A和图13B)的不同之处在于，在配置于初级反射器3背面的微带天线阵列9的元件中，具备作为可变电容元件之一的变容二极管10。在图14B所示的结构例中，在初级反射器3上配置变容二极管10，构成微带天线阵列9的各天线之间用布线连接。由此，虽然第5实施方式的天线装置中可执行固定的指向性控制，但利用对变容二极管10的加压电压的控制，可改变指向性。
<第7实施方式>
图15表示本发明第7实施方式的天线装置的结构。图中，1表示电介质基片，2表示微带天线，3表示初级反射器，4表示次级反射器，5表示地板，11表示第1频率(f1)用反射器，12表示第2频率(f2)用反射器。由f1用反射器11与f2用反射器12构成次级反射器4。
图15所示的第7实施方式的天线装置在结构上与第1实施方式的天线装置的不同之处在于，具备对应于不同的多个频率的次级反射器。这里，作为一例，示出通过具备第1频率用反射器11与第2频率用反射器12，在两个频率中构成不同的次级反射器的实例。本实施方式利用通过以相对波长非常窄的间隔来配置构成次级反射器4的圆环圈、近似地看作无孔的镜像的性质。
本实施方式是也可共用在3个频率以上的天线结构中。由此，可对多个频率分别实现不同的指向特性。
<第8实施方式>
图16表示本发明第8实施方式的天线装置的结构。图16中，1表示电介质基片，2表示微带天线(f1用激励元件)，4表示次级反射器，5表示地板，13表示第1频率(f1)用初级反射器和第2频率(f2)用激励元件。频率f2设定为比频率f1低的频率。例如，频率f1为毫米波段(具体为60GHz等)，频率f2为无线LAN中使用的5GHz频带。
图16所示的第8实施方式的天线装置在结构上与第1实施方式的天线装置的不同之处在于，不仅激励微带天线2，还在与微带天线2激励的频带不同的频带下激励初级反射器13。
由此，与以前得到窄波束特性相反，作为镜像天线工作，在较低的频带下实现宽的指向特性的情况下，可使用第2频率用激励元件13来辐射。
另外，本实施方式也可适用于其它实施方式、例如后述的第10-第12实施方式的天线装置。
<第9实施方式>
图17表示本发明第9实施方式的天线装置的结构。图17中，1表示电介质基片，2表示微带天线，4表示次级反射器，5表示地板，14表示MEMS(Micro Electro Mechanical System，微电子机械系统)反射器。
图17所示的第9实施方式的天线装置在结构上与第1实施方式的天线装置的不同之处在于，在初级反射器3的背面具备MEMS反射器14。由此，由于反射板的角度随着施加于MEMS器件上的电压值变化，所以可控制来自初级反射器3的反射波。由此，可使天线整体的指向特性改变。
<第10实施方式>
下面，参照附图来说明本发明的第10实施方式。在以下的第10实施方式以及后述的第11实施方式和第12实施方式的天线装置中，以其具备的无源元件激励3阶模式的情况为对象。
参照图18A和图18B来说明本发明第10实施方式的天线装置的构造。图18A和图18B是表示第10实施方式的天线装置的图，图18A是结构图(斜视图)，图18B是图18A的I-I线的截面图。
如图18B所示，第10实施方式的天线装置具有组合10层电介质的多层电介质基片101，在本实施方式中，使用高温烧结陶瓷基片(HTCC基片：High Temperature Cofired Ceramic Substrate)来作为多层电介质基片101。通过使用HTCC基片，例如若是60GHz频带的频带，则可使多层电介质基片101的厚度变为大致1(mm)(各层电介质的厚度大致为0.1(mm))。图18B中，示出组合10层电介质的多层电介质基片作为多层电介质基片101，但也可组合2层以上的电介质作为多层电介质基片。图18A中，省略组合10层电介质来构成多层电介质基片101的图示。
天线装置中，沿多层电介质基片101的辐射方向(图18B中图示)，在最下层电介质的辐射方向侧的面中，配置由金属等导电性部件构成的微带天线102。微带天线102是作为单元件天线的馈电元件。
另外，天线装置具备比微带天线102更靠近辐射方向侧配置的无源元件103。无源元件103由圆形的金属构成。如后述的解析结果所示，在无源元件103的直径为多层电介质基片101的电介质内的波长(电介质内波长)1.48倍-2.16倍(1.48波长-2.16波长)下，可实现增益10(dBi)，在无源元件103的直径为电介质内波长1.62倍-1.86倍(1.62波长-1.86波长)下，可实现增益15(dBi)。作为无源元件103的形状，除圆形以外，也可以是正方形。此种情况下，在无源元件103的一边为电介质内波长1.48倍-2.16倍(1.48波长-2.16波长)下，可实现增益10(dBi)，在无源元件103的一边为电介质内波长1.62倍-1.86倍(1.62波长-1.86波长)下，可实现增益15(dBi)。
这里，设无源元件103为圆形，但圆形也包含椭圆。在无源元件103为椭圆的情况下，只要椭圆的长径或短径至少之一满足与为圆时的直径一样的条件即可。另外，不限于正矩形，也可以是长方形等矩形。此种情况下，只要长方形的至少一边满足与正方形时一样的条件即可。另外，无源元件103的形状也可不是严格的圆形或矩形，例如可以是缺少一部分的形状或部分变形的形状等。
另外，天线装置中，沿多层电介质基片101的辐射方向，在第2层电介质向最下层(第10层)电介质的辐射方向侧的面中，配置由金属等导电性部件构成的次级反射器104。次级反射器104是形成外周和内周为圆的环状的构造(圆形)。从配置于第2层电介质的辐射方向侧的面中之次级反射器104、至配置于最下层(第10层)电介质的辐射方向侧的面中的次级反射器104，其直径依次变小。
另外，配置次级反射器104的电介质不限于上述，例如也可在10层中全部配置。另外，作为次级反射器104的环状形状，外周和内周除为圆外，也可以是椭圆(椭圆形)，或是矩形(矩形的环状)。
并且，在天线装置中，在与多层电介质基片101的天线装置辐射方向相反一侧的面上，配置接地板105。微带天线102接地于接地板105。
图18A和图18B中示出构造的天线装置通过使从微带天线102辐射的电磁波由无源元件103再辐射、再由次级反射器104反射来动作。
在本实施方式中，与第1实施方式-第9实施方式不同，不存在初级反射器，为了容易理解与第1实施方式-第9实施方式的对应，根据第1实施方式-第9实施方式，将参照符号104做为次级反射器进行说明。
图19表示图18A和图18B的天线装置中、对应于无源元件103的形状的天线特性，作为利用力矩法解析的结果。图19中，横轴为形成圆形的无源元件103的半径(mm)，纵轴为增益(dBi)与辐射效率(％)。图19中，实线为增益，虚线为辐射效率。
在如下条件下执行基于力矩法的解析。设电磁波的频带为60GHz。作为多层电介质基片101，由每1层的厚度为0.1(mm)的10层电介质构成，作为多层电介质基片101，使用比介电常数为9.0的HTCC基片。另外，无源元件103的高度为距接地板105的辐射方向侧的面0.3(mm)。次级反射器104沿多层电介质基片101的辐射方向、配置于从第2层电介质-最下层(第10层)电介质的辐射方向侧的每个面中。
设比介电常数为εr、频率为f时，如下求出电介质内波长λ。c为真空中的光速。
                λ＝c/f×(1/(εr)1/2)
由于用于解析的频率为60GHz，HTCC基片的比介电常数为9，光速为3×108(m/s)，所以电介质内波长λ为
λ＝3×108/(60×109)×(1/(9)1/2)＝1.67×10-3(m)＝1.67(mm)
通过利用该波长，根据图19的无源元件103的半径(mm)，可换算无源元件103的直径为电介质内波长的几倍。若如本实施方式的天线装置那样考虑在接近空气层的部分中也传输的情况，则还考虑实际的电介质内波长比1.67mm稍长的情况。因此，认为电介质内波长基本上为1.67mm。
根据图19的解析结果，最大增益可实现18.6(dBi)。另外，在无源元件103的直径为电介质内波长1.48倍-2.16倍(1.48波长-2.16波长)下，可实现增益10(dBi)。另外，在无源元件103的直径为电介质内波长1.62倍-1.86倍(1.62波长-1.86波长)下，可实现增益15(dBi)。
即，根据本实施方式的天线装置，可实现10(dBi)以上的高增益，另外，还可实现15(dBi)以上的高增益。
另外，在无源元件103的形状为圆的情况与为正方形的情况下，由于图18A和图18B的天线元件执行相同动作，所以在圆形的无源元件的直径与正方形的无源元件的一边长度相同的情况下，得到基本上相同的增益(dBi)。
图20表示图18A和图18B的天线装置中、对应于无源元件103的高度的天线特性，作为利用力矩法解析的结果。图20中，横轴为无源元件103距接地板105的辐射方向侧的面的高度(mm)，纵轴为增益(dBi)与辐射效率(％)。图20中，实线为增益，虚线为辐射效率。
但是，基于力矩法的解析是在如下条件下执行的。设电磁波的频带为60GHz。作为多层电介质基片101，由每1层的厚度为0.1(mm)的10层电介质构成，作为多层电介质基片101，使用比介电常数为9.0的HTCC基片。另外，无源元件103的直径为2.8(mm)。次级反射器104沿多层电介质基片101的辐射方向、配置于从第2层电介质-最下层(第10层)电介质的辐射方向侧的每个面中。
根据图20的解析结果，在无源元件103的高度为0.2(mm)-0.46(mm)下，可实现增益10(dBi)以上。另外，如上所述，由于电介质内波长λ约为1.67mm，所以若将无源元件103的高度换算为波长，则为约0.12-0.28波长。无源元件103的高度为0.26(mm)-0.36(mm)下，可实现增益15(dBi)以上。若将此种情况下的无源元件103的高度换算为波长，则为约0.16-0.22波长。
即，根据本实施方式的天线装置，可实现10(dBi)以上的高增益，并且，还可实现15(dBi)以上的高增益。
图21表示图18A和图18B的天线装置中，作为利用力矩法解析的结果的天线装置的指向特性。图21中，横轴为角度(deg)，纵轴为相对功率(dB)。图21中，实线为H面的天线图案，虚线为E面的天线图案。在本实施方式中，为了使来自微带天线102的电磁波散射到周围，设置无源元件103，所以尺寸比通常使用的无源元件大。由此，产生多个驻波，如图21所示，具有持有大的副波瓣的特性。
但是，基于力矩法的解析是在如下条件下执行的。设电磁波的频带为60GHz。作为多层电介质基片101，由每1层的厚度为0.1(mm)的10层电介质构成，作为多层电介质基片101，使用比介电常数为9.0的HTCC基片。另外，无源元件103的直径为2.8(mm)，其高度为距接地板105的辐射方向侧的面0.3(mm)。次级反射器104沿多层电介质基片101的辐射方向、配置于从第2层电介质-最下层(第10层)电介质的辐射方向侧的每个面中。
<第11实施方式>
下面，参照附图来说明本发明的第11实施方式。
参照图22A和图22B说明本发明第11实施方式的天线装置的构造。图22A和图22B是表示第11实施方式的天线装置的图，图22A是上面图，图22B是从图22A的II方向看的侧面图。图22A中未图示微带天线102，而第11实施方式的天线装置具有微带天线，设置在与后述的导体板106不接触的位置上。
图22A和图22B所示的第11实施方式的天线装置在以下方面与图18A和图18B的第10实施方式的天线装置不同。即，在本实施方式的天线装置中，代替图18A和图18B的形成环状的次级反射器104，具有图22A所示的、具有去除外周和内周为圆的环状的一半(180度)的形状的次级反射器104a。另外，在本实施方式的天线装置中，代替图18A和图18B的形成圆形的无源元件103，具有图22A所示的、半圆形的无源元件103a。另外，天线装置中，连接次级反射器104a两端部的平板的导体板106设置在天线装置的侧面、即从图22A的II方向看的整个面中。
其它结构与图18A和图18B的第10实施方式的天线装置实质上一样，省略细节。
如上所述，根据第11实施方式的天线装置，由于构造成利用导体板106来产生次级反射器104a等的图象(镜像)，所以与图18A和图18B的天线装置相比，可基本上使从天线装置的辐射方向看的平面的面积减半，可实现天线装置的小型化。另外，由于开口面变为1个部位，并且，微带天线位于天线装置的端面附近，所以得到与馈电电路等的连接变容易的优点。
在图23A和图23B的天线装置中，次级反射器104a形成去除环状的一半(180度)的形状，但不限于此。例如，也可以是去除环状的3/4(270度)的形状。
<第12实施方式>
下面，参照附图来说明本发明的第12实施方式。
参照图23A和图23B说明本发明第12实施方式的天线装置的构造。图23A和图23B是表示第12实施方式的天线装置的图，图23A是结构图，图23B是图23A的III-III线的截面图。
图23A和图23B所示的第12实施方式的天线装置与图18A和图18B的第10实施方式的天线装置不同，在多层电介质基片101的各层电介质中设置贯穿孔107(或导孔)。在本实施方式的天线装置中，在该贯穿孔107内设置金属等导体108，利用该导体108来彼此连接夹持各层的电介质而存在的、即彼此邻接的次级反射器104。即，各次级反射器104经其它次级反射器104和导体108连接于所有其它次级反射器104上。另外，沿多层电介质基片101的辐射方向设置在最下层的次级反射器104被贯穿孔107内的导体108连接于接地板105上。
其它结构与图18A和图18B的第10实施方式的天线装置实质上一样，省略细节。
如上所述，根据第12实施方式的天线装置，在多层电介质基片101的各层电介质中设置贯穿孔107后配置导体108，利用导体108彼此连接各次级反射器104，因此，各次级反射器104的电位相同。因此，具有天线装置的动作稳定、指向性干扰减轻的优点。
另外，各次级反射器104由于利用导体108或导体108和其它次级反射器104连接于接地板105上，所以不仅各次级反射器104的电位相同，并可保持在一定的电位上，实现更好的天线装置。
在图23A和图23B的天线装置中，构成为连接彼此邻接的次级反射器104，但不限于此，各次级反射器104也可经其它次级反射器104、导体108和接地板105之一或多个，连接于所有其它次级反射器104上。
例如，为了将次级反射器104分别直接连接于接地板105上，在多层电介质基片101中设置贯穿孔，在该贯穿孔内配置导体，将各次级反射器104连接于接地板105上等。
<第13实施方式>
参照图24来说明应用上述各实施方式的天线装置的高频用封装。图24是使用天线装置的高频用封装的示意图，表示装配在母板150上的状态。
高频用封装130具备具有导孔137的保持部件133、和利用突起(Bump)134装配在导孔137上的天线装置131。具有导孔137的保持部件133形成具有腔构造或空隙结构的基片。天线装置131可以是上述各实施方式之一的天线装置，但在图24的结构例中，示例具有组合多个电介质131b的多层电介质基片131B、设置在该多层电介质基片131B的多个层中的次级反射器131a、馈电元件(例如微带天线)131c、和无源元件131d。另外，封装130中，在与天线装置131的辐射方向相反侧设置高集成化的MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit，微波单片集成电路)芯片(能动器件)132，利用突起(Bump)135，装配在天线装置131上。Bump135电连接设置在天线装置131下面的端子与设置在MMIC132上面的端子。
通过利用突起(Bump)136，将导孔137装配在母板150上。即，通过经Bump134、导孔137、Bump136，电连接设置在天线装置131下面的电源用端子、控制用端子、数据输入输出用端子等各端子、与设置在母板150上的各端子。
搭载于MMIC芯片132上的功能随着系统的结构等不同而不同，作为一例，如执行变频的下变频器和上变频器、或用于实现低噪声化和低损耗化的放大器等。此外，有时搭载作为发送接收机的功能或作为调制解调器的功能。
<第14实施方式>
参照图25来说明本发明第14实施方式的高频用封装。第13实施方式(图24)中示出将馈电元件131c安装在MMIC132上的实例，但在本实施方式中，将馈电元件131c安装在天线装置131侧。另外，图24中，在配置馈电元件131c的位置上设置Bump135。并且，图24中省略接地的图示，但在本实施方式中，明示配置在馈电元件131c的下层的接地138。图24所示的无源元件131d省略图示。其它结构与图24所示一样。
<第15实施方式>
参照图26来说明本发明第15实施方式的模块。在本实施方式中，不是如第14实施方式那样构成高频用封装130，而是在天线装置131的表面安装MMIC132，构成模块140。这里所称的天线装置的表面是指设置了与设置在母板150上的端子取得电接触用的端子的天线装置131的下面。因此，在本实施方式中，不存在图25示出的保持部件133、Bump136、导孔137。
在本实施方式中，在母板150中留出MMIC132可插通的孔，由Bump134电连接设置在天线装置131下面的端子与设置在母板150上的端子，同时，由Bump134支撑天线装置131。
在图24和图25所示的结构的情况下，导孔137占据了毫米波段产生的损耗的大部分，而在本实施方式中，由于由Bump134直接接触，不必设置导孔，所以可大幅度降低连接天线装置131与母板150时的损耗。
<第16实施方式>
参照图27来说明本发明第16实施方式的模块阵列。图27是表示设置4个第15实施方式(图26)的模块的模块阵列之电气结构的框图。图27中，200是作为微带天线的原振荡的局部振荡器，201是IF(中频)信号输入端子，202是相当于上述各实施方式的天线装置的天线，203是高频电路，204是移相器，205是混频器，206是实现低噪声化和低损耗化的放大器。由混频器205与放大器206构成高频电路203，由天线202与高频电路203构成模块。
将局部振荡器200产生的振荡信号输入对应于各模块设置的移相器204。移相器204通过单独调整振荡信号的相位，单独控制从各模块的天线202辐射的电磁波的相位。混频器205对从IF信号输入端子201输入的共同的IF信号、与移相器204的输出执行混频。放大器206放大混频后的信号，提供给天线202。通过如上结构，执行使用移相器204的相位调整，可控制波束的指向特性。
<第17实施方式>
上述各实施方式均涉及图28所示的单元件天线220，通过设置多个这种单元件天线220来构成阵列天线，可实现更高增益化。例如，汽车的防撞雷达中必须是高增益，而使用单元件天线难以实现这种高增益。但是，通过设置例如4元件单元件天线构成阵列天线，增益提高6dBi，所以若使用上述各实施方式的天线装置的高增益天线作为构成阵列天线的各个单元件天线，则也可适用于汽车的防撞雷达等用途。
图29表示设置4元件单元件天线220的4元件阵列天线221的结构例，将4个单元件天线220配置在同一平面上，这些单元件天线220之间由馈线222电连接。
以上说明本发明的最佳实施方式，但本发明不限于上述实施方式，只要在记载于权利要求的范围内，可进行各种设计变更。
例如，在上述各实施方式中，以由无源元件激励3阶模式的情况为对象，但不限于此，也可代替激励3阶模式的无源元件、将激励5阶以上奇数阶模式的形状和尺寸的无源元件应用于第10-第12实施方式中。
产业上的可利用性
本发明用于利用芯片天线等来实现更高增益的天线。尤其是在为了实现系统封装而实现高增益化的情况下非常有用。在本发明中，着眼于不能忽视天线与高频电路的连接接口引起的损耗，一体化制入高频电路的基片与天线基片，同时，以芯片形状制入反射镜天线，由此可实现小型且高增益的天线装置。另外，本发明中，可实现使用这种天线装置的阵列天线装置、模块、模块阵列、封装模块。

Claims (21)

1、一种天线装置，其特征在于，具备：
组合多个电介质层的多层电介质基片；
设置在所述多层电介质基片下层的馈电天线；
设置在所述馈电天线的上方的金属板；和
在所述多个电介质层中配置成直径从下层向上层变大的圆形或矩形的环状金属。
2、根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
所述金属板用作初级反射器，所述环状金属用作次级反射器。
3、根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，
在所述金属板中留出圆形或矩形的隙缝。
4、根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，
在所述金属板的下面具有平面天线，
在所述平面天线的表面具有短截线。
5、根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于，
在所述平面天线的元件要素中具备可变电容元件。
6、根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，
在所述多个电介质层中配置多组环状金属，用作对应于多个频率的次级反射器。
7、根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，
在所述金属板的背面具有用作反射器的MEMS器件。
8、根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，
所述馈电天线为由单个馈电元件构成的结构、或具有单个馈电元件与一个以上无源元件的结构、或配置多个馈电元件的结构、或配置多个具有单个馈电元件与一个以上无源元件的元件群的结构。
9、根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
所述金属板用作无源元件，所述环状金属用作反射器。
10、根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，
所述金属板的形状为圆形或矩形，圆的直径或矩形的任一边长度在所述多层电介质基片的电介质内波长的1.48倍-2.16倍的范围内。
11、根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，
所述金属板的形状为圆形或矩形，圆的直径或矩形的任一边长度在所述多层电介质基片的电介质内波长的1.62倍-1.86倍的范围内。
12、根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，
所述金属板由激励5阶以上奇数阶的模式的金属制成。
13、根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，
所述金属板距所述电介质层最下层的高度在所述多层电介质基片的电介质内波长的0.12-0.28倍的范围内。
14、根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，
所述金属板距所述电介质层最下层的高度在所述多层电介质基片的电介质内波长的0.16-0.22倍的范围内。
15、根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
构成为从整个圆周以任意角度切取所述环状金属。
16、根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
配置于所述多个电介质层各层中的环状金属之间使用贯穿孔或导孔来连接。
17、根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
将所述金属板作为在第2频率下谐振的微带天线，与在第1频率下激励的所述馈电天线独立，在所述第2频率下激励。
18、一种模块，其特征在于，在权利要求1所述的天线装置的表面安装能动器件。
19、一种模块阵列，其特征在于，使用多个权利要求18所述的模块来构成。
20、一种封装模块，其特征在于，在权利要求1所述的天线装置的表面安装能动器件，在该表面侧将具有空隙结构的基片连接于所述天线装置上。
21、一种阵列天线装置，其特征在于，使用多个权利要求1所述的天线装置来构成。
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