CN109643846B

CN109643846B - 天线模块

Info

Publication number: CN109643846B
Application number: CN201780051964.0A
Authority: CN
Inventors: 有海仁章
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: CN109643846A; US20190173167A1; WO2018037655A1; US10957973B2

Abstract

在天线模块中提高从天线输出的输出信号与输入信号的隔离特性。天线模块(100)具备：包括第一面(116)和第二面(118)的电介质基板(102)；形成于第一面的天线(110)；向天线提供高频信号的高频元件(120)；以及使用导电材料来形成为柱状的信号端子(142)。信号端子经由设置于电介质基板的布线图案来与高频元件连接。信号端子被配置成处于在输出信号的激励方向产生的激励区域的范围外。

Description

天线模块

技术领域

本发明涉及一种具备高频元件和天线元件的天线模块，更特定地说，涉及一种用于提高向高频元件输入的输入信号与从天线元件输出的输出信号的隔离特性的技术。

背景技术

例如已知如下的天线模块：如国际公开2016/063759号说明书(专利文献1)和国际公开2016/067969号说明书(专利文献2)所公开的那样，该天线模块形成为将天线元件与向该天线元件提供高频信号的高频元件进行一体化所得到的模块。

在专利文献1和专利文献2所公开的天线模块中，为了与用于安装外部设备的外部基板连接，在该天线模块与外部基板之间设置多个接地导体柱和多个信号用导体柱。而且，在用于安装高频元件和天线元件的电介质基板内设置接地层，并且以包围高频元件的周围的方式沿着电介质基板的外周配置多个接地导体柱。通过像这样配置接地层和接地导体柱，能够屏蔽从高频元件产生的不需要的辐射。

专利文献1：国际公开2016/063759号说明书

专利文献2：国际公开2016/067969号说明书

发明内容

发明要解决的问题

在如上所述的天线模块中，有时设定成从模块外部的设备向该天线模块传递的输入信号的频带与从天线元件辐射的输出信号的频带重叠。

作为天线模块的输入端子而设置的信号用导体柱一般被设计成易于使输入信号通过的尺寸/形状。因此，在从天线元件辐射的输出信号的频带与向天线模块输入的输入信号的频带相同的情况下，从天线元件辐射的输出信号也易于被输入端子即信号用导体柱接收。这样一来，输出信号的一部分作为输入信号被输入到天线模块，从而形成信号的反馈环，因此有可能在输出信号中产生噪声或者发生输出信号的振荡。

另外，即使在输入信号的频带与输出信号的频带不重叠的情况下，如果当输出信号与信号用导体柱发生电场耦合时意外地在天线输出中出现增益，则也有可能在天线输出的频带中输出信号发生振荡。

本发明是为了解决上述的问题而完成的，其目的在于在具备高频元件和天线元件的天线模块中提高天线元件与输入端子之间的隔离特性。

用于解决问题的方案

遵循本发明的天线模块具备：包括第一面和第二面的电介质基板；形成于第一面的至少1个天线；高频元件；以及至少1个信号端子。高频元件构成为向至少1个天线提供高频信号。至少1个信号端子使用导电材料来形成为柱状，经由设置于电介质基板的布线图案来与高频元件连接。至少1个信号端子被配置于在从至少1个天线辐射的输出信号的激励方向产生的激励区域的范围外。

优选的是，输出信号的频带与向至少1个信号端子施加的输入信号的频带至少部分重叠。

优选的是，高频元件包括放大器，该放大器构成为将向至少1个信号端子施加的输入信号放大后提供到天线。

优选的是，高频元件被安装于所述第二面，至少1个信号端子从所述第二面突出。天线模块还具备从第二面突出且使用导电材料来形成为柱状的多个接地端子。多个接地端子被配置成：在俯视电介质基板时，多个接地端子沿着电介质基板的外周的至少一部分包围高频元件。

优选的是，在俯视电介质基板时，多个接地端子沿着电介质基板的外周的至少一部分配置有多列。至少1个信号端子被配置于比最外周的接地端子列靠内侧的位置。

优选的是，至少1个信号端子被配置成：在俯视电介质基板时，至少1个信号端子被多个接地端子包围。

优选的是，天线模块还具备密封树脂层，该密封树脂层被配置于第二面，高频元件和至少1个信号端子埋入到密封树脂层。

优选的是，输出信号的频带为60GHz频段。至少1个信号端子的高度被设定在输出信号的波长的1/8倍以上且1倍以下的范围内。

优选的是，输出信号的频带为60GHz频段。至少1个信号端子形成为圆柱状，其底面的直径被设定在输出信号的波长的1/8倍以上且1倍以下的范围内。

优选的是，激励区域是将至少1个天线向激励方向投影所得到的区域。

发明的效果

根据本发明，在具备高频元件和天线元件的天线模块中，用于接收向模块输入的输入信号的信号端子被配置于在天线元件的激励方向产生的激励区域的范围外。由此，从天线元件辐射的输出信号与信号端子的电场耦合受到抑制。因而，能够抑制天线元件与输入端子之间的隔离特性的降低。

附图说明

图1是遵循本实施方式的天线模块的框图。

图2是遵循本实施方式的天线模块的上表面图。

图3是图2的天线模块的截面图。

图4是图2的天线模块的底面图。

图5是用于说明天线元件与信号端子的位置关系的图。

图6是用于说明针对隔离特性的各模拟中的信号端子的配置的图。

图7是用于说明图6的(C)的情况下的与外部基板连接的连接例的图。

图8是表示图6的信号端子的配置时的隔离特性的模拟结果的图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。在下面的说明中，对相同的部件标注相同的标记。它们的名称和功能也相同。因而，不重复进行针对它们的详细说明。

图1是用于说明遵循本实施方式的天线模块100的功能的功能框图。天线模块100包括多个天线元件(下面，也简称为“天线”。)110、与该多个天线110连接的高频元件(下面，也称为“RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit：射频集成电路)”。)120以及向RFIC120提供电源的电源部130。天线模块100接收从设置于外部的主设备200传递的信号并从天线110辐射该信号，并且将由天线110接收到的信号传递到主设备200。

多个天线110各自作为辐射电波的辐射元件以及接收电波的接收元件来进行动作。在本实施方式中，如利用图2在后面叙述的那样，多个天线110被配置成矩阵状，来构成相控阵。

RFIC 120包括针对多个天线110分别设置的开关121、接收用低噪声放大器122以及发送用功率放大器123。另外，RFIC 120还包括：开关124，其与主设备200连接，用于在接收路径RX与发送路径TX之间进行切换；信号合成器(组合器(combiner))125，其用于汇总由天线110接收到的接收信号；以及信号分波器(分离器(splitter))126，其用于将来自开关124的发送信号分配到各天线110。RFIC 120例如形成为包括上述的设备的单芯片的集成电路部件。

各天线110经由对应的开关121来选择性地与接收用低噪声放大器122和发送用功率放大器123中的一方连接。接收用低噪声放大器122将由天线110接收到的接收信号以低噪声进行放大。接收用低噪声放大器122的输出被组合器125汇总后经由开关124输出到主设备200。发送用功率放大器123将由分离器126分配的来自主设备200的输入信号进行放大。发送用功率放大器123的输出经由开关121被传递到天线110，从天线110被辐射。此外，在图1中，示出了接收用低噪声放大器122和发送用功率放大器123等放大器形成在RFIC120内的例子，但是这些放大器也可以形成为RFIC 120的外部的电路。另外，也可以是不设置这些放大器中的至少一个放大器的结构。

电源部130基于从主设备200提供的电源和信号来生成用于驱动RFIC120的电源电压。

接着，使用图2～图4来说明天线模块100的结构。图2是天线模块100的俯视图(上表面图)，另外，图3表示图2和图4中的点划线III-III处的截面图。图4表示天线模块100的底面图。

参照图2，关于天线模块100，在电介质基板102的上表面，图2的X方向上的m个天线110、Y方向上的n个(m、n为2以上的整数)天线110被配置成矩阵状，由该多个天线110构成相控阵。在图2中，以配置有3×3个(m＝3、n＝3)天线110的结构为例来进行说明，但是天线110的数量不限定于此。另外，本实施方式还能够应用于天线110为1个的情况。作为天线110，能够使用在基板的法线方向上具有方向性的平面形状的贴片天线。

参照图3的截面图，电介质基板102是在电介质的内部多个导体图案形成为层状的多层基板。此外，作为电介质基板102，例如能够使用低温共烧陶瓷(Low emperatur Co-fired eramics：LTCC)基板、印刷电路板等。在电介质基板102的上表面(第一面)116配置多个天线110。在电介质基板102的下表面(第二面)118安装有RFIC 120和电源部130。

天线110经由导体层112来与RFIC 120连接。在导体层112例如形成有电容器、线圈，来进行天线110的谐振频率的调整、阻抗匹配。此外，在天线110中包括导体层112的功能的情况下，也可以通过布线图案来将天线110与RFIC 120直接连接。另外，电介质基板102包括接地层114。

在电介质基板102的下表面118设置有多个接地端子141和至少1个信号端子142。接地端子141和信号端子142利用导电材料来形成为柱状，被配置成从电介质基板102的下表面118突出。电介质基板102通过这些接地端子141和信号端子142来与用于安装外部的主设备200(图1)的安装基板210电连接。外部的主设备200例如是CPU、基带集成电路元件等(均未图示)，通过在安装基板210的表面和内部形成的导体图案来与天线模块100连接。

信号端子142经由电介质基板102内的布线图案来与RFIC 120连接。另外，信号端子142与在安装基板210的表面形成的信号用的导体图案SIG连接。

接地端子141经由电介质基板102内的布线图案来与接地层114连接。另外，接地端子141经由安装基板210内的布线图案来与安装基板210内部的接地图案GND连接。

针对RFIC 120、电源部130、接地端子141以及信号端子142，也可以通过利用密封树脂进行模制，来形成密封树脂层104。作为密封树脂，例如使用环氧树脂、氰酸酯树脂等热固性树脂。通过形成密封树脂层104，能够保护安装于电介质基板102的设备(RFIC 120、电源部130等)，并且能够提高RFIC 120等的散热性。

参照图4的底面图，接地端子141的下端和信号端子142的下端从密封树脂层104的底面露出。在俯视电介质基板102时，接地端子141和信号端子142以沿着电介质基板102的外周的至少一部分的方式被配置于比电介质基板102的外周稍靠内侧的位置。RFIC 120和电源部130被配置于比接地端子141和信号端子142靠内侧的位置、即电介质基板102的中央方向的位置。换言之，接地端子141和信号端子142被配置成包围RFIC 120和电源部130。

从外部的主设备200(图1)发送的信号经由信号端子142被传递到RFIC 120，通过由RFIC 120驱动天线110来辐射该信号。

信号端子142一般来说被设计为易于使从主设备200发送的信号的频带通过的尺寸，以抑制所通过的信号的衰减。在将来自主设备200的输入信号的有效波长设为λ的情况下，信号端子142的直径和高度(图3中的Z方向上的长度)被设定在有效波长的1/8倍以上且1倍以下(λ/8～λ)的范围，优选设为1/4倍(λ/4)或1/8倍(λ/8)。在此，“有效波长”是指考虑到所关注的区域的介电常数的实际的波长。

在如上所述的天线模块中，以往存在以下情况：采用将从天线辐射的输出信号的频带设为与来自主设备的输入信号的频带不同的频带的方法；以及，将从天线辐射的输出信号的频带与由天线模块从外部设备接收的输入信号的频带设为相同或者至少部分重叠的频带。

例如，在便携终端用的无线基站间通信中，为了实现高传输速率，需要铺设大量的小基站(small cell基站)。为了削减这些小基站的铺设成本，研究了用60GHz频段的毫米波无线通信取代以往的利用光纤的有线通信来进行基站间的通信。在该情况下，在各基站中，接收信号的频带和发送信号的频带均为60GHz频段的信号，因此从简化设备和缩短信号处理时间的观点出发，考虑天线模块与主设备之间的信号也就这样使用60GHz频段的信号。

而且，在天线模块与主设备之间的信号就这样使用60GHz频段的信号的情况下，需要将用于在天线模块与主设备之间传递信号的信号端子设为易于使来自主设备的输入输出信号通过的尺寸，因此作为结果，导致从天线辐射的输出信号也易于通过。这样一来，存在以下情况：信号端子还作为接收天线发挥作用，从天线辐射的输出信号的一部分被信号端子接收，从而在天线与信号端子之间产生反馈环。由信号端子接收到的输出信号有可能相对于应该从天线输出的信号而言成为噪声，或者在如图1那样在RFIC上搭载有发送用功率放大器的情况下，输出信号有可能发生振荡。

因此，在从天线输出的输出信号的频带与向天线模块输入的输入信号的频带重叠的情况下，需要确保从天线输出的输出信号与信号端子的隔离。

另外，即使在从天线输出的输出信号的频带与向天线模块输入的输入信号的频带不重叠的情况下，如果当发生输出信号与信号端子的电场耦合时在天线输出的频带中意外地在天线输出中出现增益，则输出信号也有可能发生振荡。

在本实施方式中，如上所述，作为天线元件，采用了平面形状的贴片天线。关于贴片天线，所辐射的电磁场的激励方向根据从RFIC馈电的馈电位置而不同。激励方向上的所辐射的电磁场的变动比其它方向上的所辐射的电磁场的变动大，因此当信号端子被设置在该激励方向上时，容易发生输出信号与信号端子的电场耦合。

因此，在本实施方式中采用以下结构：通过将信号端子142配置成不与天线110的激励方向重叠，来抑制从天线110输出的输出信号与接收输入信号的信号端子142之间的电场耦合，从而确保隔离特性。

图5是用于说明从天线110输出的输出信号的激励方向与信号端子142的位置关系的图。在图5中，代表性地说明多个天线110中的1个天线。

参照图5，在图5中示出了正方形的贴片天线作为例子。这样的天线110辐射出在天线110的法线方向(图5中的Z方向)上具有方向性的输出信号。此时，输出信号的激励方向(极化方向)根据向天线110馈电的馈电点的位置而不同。

例如，在图5中的PS1的位置设置了馈电点的情况下，辐射出振幅方向为图5中的实线箭头AR1的方向(X轴方向)的极化信号。另外，在馈电点被设置于图5中的PS2的位置的情况下，辐射出振幅方向为虚线箭头AR2的方向(Y轴方向)的极化信号。

在激励方向为箭头AR1的情况下，在将天线110向该箭头方向(X轴方向)进行投影所得到的区域(激励区域)RGN1中电场强度变大。因此，当信号端子142被配置于该激励区域RGN1时，容易与从天线110辐射的输出信号发生电场耦合，从而输出信号与信号端子142的隔离特性有可能下降。因而，通过将信号端子142配置在该激励区域RGN1的范围外，能够抑制输出信号与信号端子142的隔离特性的下降。

在激励方向为箭头AR2的情况下，激励区域为图5中的区域RGN2，因此将信号端子142配置成处于该区域RGN2的范围外。此外，输出信号的激励方向还有时根据馈电点的位置、数量不同而变为例如图5的天线110的对角线方向。另外，激励方向可能还根据贴片天线的形状而不同。因而，优选的是设计成：考虑根据贴片天线的形状和馈电点的位置决定的激励方向，来将信号端子142配置在激励区域的范围外。

接着，参照图6和图8来说明在变更了信号端子142相对于天线110的配置以及接地端子141的配置的情况下的对输出信号与信号端子的隔离特性进行模拟而得到的结果。图6是用于说明隔离特性的各模拟中的信号端子142的配置的图。在图6中，记载了1列的天线110，设天线110的馈电点为图5中的PS1的位置。因而，在图6的(A)～图6的(E)中，激励方向均为图6的箭头的方向。

图6的(A)～图6的(D)是在信号端子142处于天线110的激励区域内的情况下变更了接地端子141的配置的图。更具体地说，图6的(A)为以下结构：接地端子141沿着天线模块100的外周145被配置为2列，信号端子142被配置于最外周的接地端子列。此外，内侧的接地端子列是为了切断来自RFIC 120等配置于内侧的设备的电磁场辐射(寄生辐射)而配置的。

图6的(B)、(C)是将信号端子142设置于2列接地端子列中的内侧的接地端子列的图。图6的(B)是在该信号端子142的外周侧未设置接地端子141的情况。图6的(C)是在信号端子142的外周侧设置了接地端子141以降低来自天线模块100的外部的影响的情况。

此外，在如图6的(C)(以及此后的图6的(D)、(E))那样信号端子142被配置于比最外周的接地端子列靠内侧的位置、且在信号端子142的外周侧配置有接地端子141的情况下，如图7的安装基板210A所示，接地图案GND形成于基板表面，信号用的导体图案SIG形成于基板内部。

图6的(D)是相对于图6的(C)的配置而言进一步设置了内侧的接地端子列以降低来自RFIC 120等模块内部的设备的寄生辐射的影响的情况。在该情况下，接地端子141被配置成包围信号端子142。图6的(E)是相对于图6的(D)的配置而言信号端子142被配置成处于天线110的激励区域的范围外的情况。

图8是表示针对图6的(A)～图6的(E)的各信号端子的配置对将向天线模块100输入的输入信号的频率和从天线110输出的输出信号的频率设为60GHz时的天线110与信号端子142之间的隔离特性进行模拟所得到的结果的图。在图8中，横轴示出了60GHz频段附近的频率(55GHz～70GHz)，纵轴示出了表示隔离特性的S值(dB)。此外，在图8中，曲线LNA～LNE分别与图6的(A)～图6的(E)的情况下的模拟结果对应。

参照图8，首先，当将曲线LNA～LNC进行比较时，相比于信号端子142被配置于最外周的接地端子列的情况(曲线LNA)而言，在信号端子142被配置于内侧的接地端子列的情况下(曲线LNB、LNC)，隔离特性提高了约15dB～20dB左右。另外，相比于曲线LNB而言，在还在信号端子142的外周侧配置接地端子141的情况下(曲线LNC)，隔离特性进一步提高了约5dB～20dB左右。

在信号端子142的内侧进一步配置了接地端子列的情况下(曲线LND)，整体上为与曲线LNC的情况大致同等的隔离特性，但是在60GHz附近实现了5dB左右的改善。据此，可知从天线110辐射的信号的影响比从RFIC 120辐射的信号的影响大。另外，通过将接地端子141配置成包围信号端子142，能够降低来自RFIC 120的影响。

接着，当将信号端子142被配置于天线110的激励区域内的情况(曲线LND)下的隔离特性与信号端子142被配置于激励区域外的情况(曲线LNE)下的隔离特性进行比较时，可知通过将信号端子142配置于天线110的激励区域外，隔离特性进一步提高了约10dB～15dB左右。

根据以上的模拟结果可知，在输入信号和输出信号使用相同频率的信号的情况下，通过将接地端子141配置在信号端子142的周围，能够抑制从天线110和RFIC 120辐射的信号对信号端子142的影响。并且，通过将信号端子142配置成处于天线110的激励区域的范围外，能够提高隔离特性。

此外，在上述的实施方式中，说明了RFIC 120被安装于电介质基板102的下表面118的例子，但是RFIC 120也可以被安装于用于安装天线110的上表面116。另外，信号端子142也是既可以形成为从上表面116突出，也可以从电介质基板102的侧面形成。在这种情况下，也能够通过将信号端子142配置成处于天线110的激励区域的范围外来与上述的模拟同样地提高输出信号与输入端子之间的隔离特性。

应该认为本次公开的实施方式在所有方面都是例示性的而不是限制性的。本发明的范围是由权利要求书表示，而不是由上述的说明表示，本发明的范围旨在包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。

附图标记说明

100：天线模块；102：电介质基板；104：密封树脂层；110：天线；112：导体层；114：接地层；116：上表面；118：下表面；120：RFIC；121、124：开关；122：接收用低噪声放大器；123：发送用功率放大器；125：组合器；126：分离器；130：电源部；141：接地端子；142：信号端子；145：外周；200：主设备；210、210A：安装基板；GND：接地图案；PS1、PS2：馈电点；RGN1、RGN2：激励区域；RX：接收路径；SIG：导体图案；TX：发送路径。

Claims

1.一种天线模块，具备：

包括第一面和第二面的电介质基板；

形成于所述第一面的至少1个天线；

构成为向所述至少1个天线提供高频信号的高频元件；

使用导电材料来形成为柱状的至少1个信号端子；以及

多个接地端子，

其中，所述至少1个信号端子经由设置于所述电介质基板的布线图案来与所述高频元件连接，

所述至少1个信号端子被配置于在从所述至少1个天线辐射的输出信号的激励方向产生的激励区域的范围外，

在俯视所述电介质基板时，所述多个接地端子沿着所述电介质基板的外周的至少一部分配置成接地端子列，

所述至少1个信号端子被配置于比所述接地端子列靠内侧的位置。

2.根据权利要求1所述的天线模块，其特征在于，

所述输出信号的频带与向所述至少1个信号端子施加的输入信号的频带至少部分重叠。

3.根据权利要求1或2所述的天线模块，其特征在于，

所述高频元件包括放大器，该放大器构成为将向所述至少1个信号端子施加的输入信号放大后提供到所述天线。

4.根据权利要求1或2所述的天线模块，其特征在于，

所述高频元件被安装于所述第二面，

所述至少1个信号端子从所述第二面突出，

所述多个接地端子从所述第二面突出且使用导电材料来形成为柱状，

所述多个接地端子被配置成：在俯视所述电介质基板时，所述多个接地端子沿着所述电介质基板的外周的至少一部分包围所述高频元件。

5.根据权利要求4所述的天线模块，其特征在于，

在俯视所述电介质基板时，所述多个接地端子沿着所述电介质基板的外周的至少一部分配置有多列，

所述至少1个信号端子被配置于比最外周的接地端子列靠内侧的位置。

6.根据权利要求5所述的天线模块，其特征在于，

所述至少1个信号端子被配置成：在俯视所述电介质基板时，所述至少1个信号端子被所述多个接地端子包围。

7.根据权利要求3所述的天线模块，其特征在于，

还具备密封树脂层，该密封树脂层被配置于所述第二面，所述高频元件和所述至少1个信号端子埋入到所述密封树脂层。

8.根据权利要求1或2所述的天线模块，其特征在于，

所述输出信号的频带为60GHz频段，

所述至少1个信号端子的高度被设定在所述输出信号的波长的1/8倍以上且1倍以下的范围内。

9.根据权利要求1或2所述的天线模块，其特征在于，

所述输出信号的频带为60GHz频段，

所述至少1个信号端子形成为圆柱状，

所述至少1个信号端子的底面的直径被设定在所述输出信号的波长的1/8倍以上且1倍以下的范围内。

10.根据权利要求1所述的天线模块，其特征在于，

所述激励区域是将所述至少1个天线向所述激励方向投影所得到的区域。