JP2005012554A

JP2005012554A - アンテナ基板およびアンテナ装置

Info

Publication number: JP2005012554A
Application number: JP2003175170A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Uchimura; 弘志内村; Naoyuki Shino; 直行志野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】耐侯性に優れ、メッキによるアンテナ特性の変動を押えることのできるアンテナ基板を提供する。また、レドームによるアンテナ特性の劣化を押えるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】誘電体基材２と、この基材２表面に形成されたパッチアンテナ、スロットアンテナ、誘電体共振器アンテナなどの放射素子１３と、を具備することを特徴とするアンテナ基板において、放射素子６上に厚みが、０．０２ｍｍ以上でかつ伝播信号波長の１／４未満の誘電体層５を形成する。合わせてグランド層４を誘電体基材２裏面に形成し、厚みが０．０２ｍｍ以上の誘電体層９を形成し、アンテナ基板の表面に導体が露出していないことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミック積層技術を用いて製造され、特にマイクロ波およびミリ波用アレーアンテナに好適に使用されるアンテナ基板およびアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
マイクロ波およびミリ波等の高周波を放射するアンテナ素子としては、スロットアンテナ、パッチアンテナ、誘電体共振器アンテナ等がある。これらはセラミック積層技術を用いて製造可能であることが知られている。
【０００３】
この種の代表的なアンテナであるパッチアンテナは、図６の（ａ）概略透過斜視図，（ｂ）（ａ）のＹ−Ｙ断面図に示すような構造からなる。かかるパッチアンテナによれば、２層の誘電体層３２ａ，３２ｂの積層体から成り、上部の誘電体層３２ｂの表面にはパッチ素子３３が形成され、下部の誘電体層３２ａの下面には給電線であるマイクロストリップ線路３４が形成されている。また誘電体層３２ａと３２ｂとの間にはグランド層３５が形成されると共に、ホール３６が形成され、さらに、パッチアンテナ３３に給電する為の給電ビア３７が誘電体層３２ａと誘電体層３２ｂとに形成されている。また、表面に露出した導体層であるパッチアンテナ３３およびマイクロストリップ線路３４には耐侯性を保つためにメッキ層３３ａ、３４ａが施される（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２７７１２号公報の段落００１４
【０００５】
【特許文献２】
特表平１２−５３０９２４号公報の段落００２３
【０００６】
【特許文献３】
特開平６−３５０３２４号公報の段落０００５
【０００７】
【特許文献４】
特開平９−３６６４７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなアンテナは、表面に露出した導体層にメッキが施されるが、その耐侯性は簡易的なものである。また、メッキを施すことにより、メッキが導体層から広がり、導体パターンサイズが変化してしまう。このことは、アンテナ基板にとって大きなデメリットとなる。すなわち、パッチアンテナの場合はメッキの広がりによって周波数特性が低くなり、またスロットアンテナの場合はメッキ広がりによって逆に周波数特性が高くなる。特にマイクロ波やミリ波帯のアンテナにおいては、アンテナ素子の大きさが小さいため、この影響が大きい。
【０００９】
このような周波数特性の変動は、予め設計段階にて考慮することも可能であるが、メッキ広がりはメッキ条件によって変化するためそのメッキ条件を厳密に制御することが必要となるが、制御が非常に難しく、安定性に欠けるために、製造上の歩留まり低下の要因にもなる。
【００１０】
一方、耐侯性を補うために、アンテナ基板上に樹脂による保護膜を形成することも提案されている（特許文献２、３）が、樹脂の耐侯性は十分とは言えず、また、樹脂は一般的に誘電損失が大きいので、デメリットが大きい。
【００１１】
また、一般にアンテナ基板は、オシレータ、アンプ、フィルタ、ミクサ等が組み込まれたフロントエンドモジュールに接続される。このとき、これら全体はケースに収納されるが、アンテナから放射された電磁波をケース外に放射するため、少なくともアンテナ基板の上面はレドームと呼ばれる樹脂等の誘電体が設けられる（特許文献４）。
【００１２】
このレドームはフロントエンドモジュールを保護するために用いられるが、アンテナから見れば、邪魔な存在となる。即ち、レドームの誘電体損失により、利得が劣化し、アンテナの放射パターンにも影響を与える。特にアレーアンテナの場合、アンテナ基板側では、サイドローブレベルを低く抑えるように設計されるが、レドームの影響によりサイドローブが劣化する問題点もある。
【００１３】
本発明は、かかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、耐侯性に優れ、メッキやレドームによるアンテナ特性の変動や劣化のないアンテナ基板およびアンテナ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、アンテナ素子を有するアンテナ表面に、特定の厚みや特性を有する誘電体層を積層することで、アンテナ素子の保護層を形成すると共に、周波数特性の変動を引き起こすメッキの形成を不要とすることにより、耐侯性に優れ、アンテナ特性を劣化させず、かつ周波数変動がないアンテナ基板が得られる事を見出した。
【００１５】
即ち、本発明のアンテナ基板は、セラミックからなる誘電体基材と、該基材表面に形成された放射素子と、該放射素子上に形成され、厚みが、０．０２ｍｍ以上でかつ伝播信号波長の１／４未満のセラミック製の誘電体層と、を具備することを特徴とする。
【００１６】
なお、前記放射素子としては、パッチアンテナ、スロットアンテナ、誘電体共振器アンテナのいずれかが選択される。
【００１７】
また、前記誘電体基材の裏面、または内部に、少なくとも１層のグランド層が形成されており、例えば、前記グランド層が誘電体基材の裏面に形成されており、その場合、グランド層の表面が厚みが０．０２ｍｍ以上の第２の誘電体層によって覆われていることが望ましい。これによって、アンテナ基板の表面には導体が全く露出させないことによってメッキ層を形成する必要がなく、メッキ層の形成によって放射特性が変化することがない。
【００１８】
そして、このグランド層には、結合孔が設けられており、該結合孔を介した電磁結合によって外部回路から給電されることが望ましい。アンテナ基板表面に導体を全く露出させることなく、給電を行なうことができる。
【００１９】
さらに前記第２の誘電体層には、位置合わせ用ホールが形成されていることが望ましい。これによって、グランド層に形成された結合孔の位置を容易に認識し、結合させることができる。
【００２０】
さらには、上記のアンテナ基板がフロントエンドモジュールなどを保護する所定のケース内に収納されており、該ケースの一部に開口が設けられ、前記アンテナ基板が該開口から信号が放射されるように前記ケース内に固定することによって、レドームによる特性劣化を押えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、アンテナ基板およびアンテナ装置について、図を参照して説明する。
【００２２】
図１は、スロットアンテナ基板Ａの実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）およびそのｘ_１−ｘ_１における概略断面図（ｂ）である。図１のスロットアンテナ基板によれば、セラミックからなる誘電体基材２の表面に、グランド層４が設けられ、このグランド層４には、放射素子となる放射用スロット６が形成されている。また、誘電体基材２の裏面には、給電回路３が形成されており、放射用スロット６に対して電磁的に結合することによって給電が行われている。そして、放射用スロット６の上面には、セラミック製の誘電体層５が形成されている。
【００２３】
かかるアンテナ基板によれば、給電回路３から入ってきた高周波信号は、放射用スロット６と結合し、放射用スロット６から電磁波が放射されアンテナとして機能する。誘電体層５は、この放射用スロット６の上面を含むグランド層４の全体に設けられ、放射用スロット６を保護する役割を有する。
【００２４】
本発明によれば、誘電体層５の厚みは、グランド層４を保護する目的から言えば、０．０２ｍｍ以上、特に０．０５ｍｍ以上であることが必要である。しかし、この誘電体層５の厚みが極端に大きくなると放射上の問題がある。すなわち、誘電体層５の厚みが、誘電体を伝播する信号波長の１／４以上になると、放射用スロット６から放射された電磁波の一部がアンテナ基板Ａ上の表面波となって水平方向に漏れてしまう。したがって、誘電体層５の厚みの上限は、誘電体を伝播する信号波長の１／４未満であることが必要である。
【００２５】
また、誘電体層５の厚みは上記範囲内で適宜設定すれば良いが、誘電体層５を加えることにより、アンテナ素子の実効誘電率が変化するため、予め、誘電体層５の比誘電率と厚みとを考慮してアンテナ素子の設計を行うことも必要である。
【００２６】
また、誘電体層５を加えることによる誘電体損失は避けられない。このため、誘電体のｔａｎδをできるだけ小さな材料を用いることが必要であり、信号周波数におけるｔａｎδは０．００５以下、特に０．００３以下であることが望ましい。また、誘電体層５の誘電率は５〜１０が適当である。
【００２７】
図２は、パッチアンテナ基板の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）およびそのｘ_２−ｘ_２における概略断面図（ｂ）である。図２のパッチアンテナ基板Ｂによれば、セラミックからなる誘電体基材２は誘電体層２ａ，２ｂの積層体によって形成され、誘電体基材２の表面にはパッチ素子１３が設けられている。また、誘電体基材２の裏面には、給電回路３が形成されている。また、誘電体基材２の内部にはグランド層４が設けられている。そして、パッチ素子１３には、給電回路３より、グランド層４に形成されたホール１１を通して形成された給電ビアホール１２を通じて給電が行われている。そして、パッチ素子１３の上面には誘電体層５が形成されている。
【００２８】
かかる構成によれば、給電回路３から入ってきた高周波信号は、給電ビアホール１２を介してパッチ素子１３に給電され、パッチ素子から電磁波が放射される。誘電体層５はパッチ素子１３を保護する役割を有する。
【００２９】
かかる態様においても、誘電体層５の厚みは、パッチ素子１３を保護する目的から言えば、０．０２ｍｍ以上、特に０．０５ｍｍ以上であることが必要である。また、上述した表面波の問題から、グランド層４の上部の誘電体厚み、即ち、誘電体層２ｂと誘電体層５の合計厚みが、誘電体を伝播する信号波長の１／４未満とすることが必要である。
【００３０】
図３は、誘電体共振器アンテナ基板の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）およびそのｘ_３−ｘ_３における概略断面図（ｂ）である。
【００３１】
図３のアンテナ基板Ｃによれば、誘電体基材２は、誘電体層２ａ，２ｂ，２ｃの積層体によって構成されており、この誘電体基材２の誘電体層２ａ，２ｂ，２ｃの表面には、グランド層４ａ，４ｂ，４ｃがそれぞれ形成されており、グランド層４ｂ，４ｃにはアンテナ開口２２、２３がそれぞれ形成されている。そして、このアンテナ開口２２、２３の周囲には、複数のビアホール２１が、グランド層４ａ，４ｂ，４ｃを電気的に接続するように設けられている。このようなグランド層４ａ，アンテナ開口２２，２３を有するグランド層４ｂ、４ｃおよびビアホール２１によって形成される空間で誘電体共振器アンテナ２４が形成されている。
【００３２】
このため、ビアホール２１の間隔およびグランド層４ａ，４ｂ，４ｃの間隔は電磁波が漏れないように信号波長の１／２未満の大きさに設定されている。
【００３３】
また、誘電体基材２の下面には給電回路３が形成されており、この給電回路３と誘電体共振器アンテナ２４とは、グランド層４ａに設けられた給電用スロット６によって電磁的に結合している。そして、給電回路３から入ってきた高周波信号は、給電用スロット６から誘電体共振器アンテナ２４に給電され、アンテナ開口部２２から電磁波が放射される。アンテナ開口部２およびグランド層４ｃの表面には、グランド層４ｃが露出しないように、誘電体層５が形成されており、グランド層４ｃおよびそれに形成されたアンテナ開口部２２を保護する役割を有する。
【００３４】
誘電体層５の厚みは、図１、図２のアンテナ基板と同様な理由から、０．０２ｍｍ以上、特に０．０５ｍｍ以上であり、且つ誘電体を伝播する信号波長の１／４未満であることが必要である。
【００３５】
図４は、スロット給電型パッチアンテナ基板の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）およびそのｘ_４−ｘ_４における概略断面図（ｂ）である。
【００３６】
図４によれば、図２で示したパッチアンテナ基板Ｂに加え、誘電体基材２は、誘電体層２ａ、２ｂに誘電体層２ｃを加えた積層体によって形成されている。
【００３７】
そして、誘電体基材２の裏面には、入力ポート用スロット７を具備するグランド層８が設けられている。
【００３８】
また、かかるアンテナ基板Ｄにおいても、パッチ素子１３の表面に、誘電体層５が設けられている。また、誘電体基材２の裏面に形成されたグランド層８の表面にも誘電体層９が設けられており、グランド層８を覆うように形成されている。
【００３９】
かかる構成のアンテナ基板によれば、外部基板の信号ポートから出力された高周波信号は、アンテナ基板Ｄに設けられた入力ポート用スロット７と電磁結合によって結合し、給電回路３に高周波信号が送られる。その高周波信号は、給電用ビアホール１２を介してパッチ素子１３に給電され電磁波が放射される。
【００４０】
誘電体層５の厚みは、図２のスロットアンテナ基板で説明したのと同様な理由から、０．０２ｍｍ以上、特に０．０５ｍｍ以上で、かつグランド層４の上部の誘電体厚み、即ち、誘電体層２ｂと誘電体層５の合計厚みが誘電体を伝播する信号波長の１／４未満であることから必要がある。
【００４１】
なお、誘電体層９は、耐侯性に優れかつメッキによるアンテナ特性の変動を押えることに対しては、必ずしも必要ではないが、誘電体層９を形成しない場合、グランド層８が露出した形になる結果、グランド層８の表面にメッキを施すことが必要となる。これに対して、誘電体層９を設ける場合には、アンテナ基板の表面に実質的に導体層が露出していないために、メッキを施す必要がなくなり、製品の製造工程の簡略化、コスト低減、不良品の発生防止を図ることができる。
【００４２】
この誘電体層９の厚みも、誘電体層５と同様に、０．０２ｍｍ以上、特に０．０５ｍｍ以上であることが望ましい。また最大厚みは、外部基板の信号ポートから出力された高周波信号と入力ポート用スロット７とが電磁結合されるのに適した厚みに適宜設定される。
【００４３】
さらに、このように誘電体層９を形成した場合、アンテナ基板の裏面はパターンのない平坦な誘電体表面だけとなるので、入力ポートの位置がわかりにくい。もちろん、アンテナ外辺からの位置を規定すればわかるが、外辺の精度を高める必要がある。そこで図４に示した様に誘電体層９に、位置合せ用のガイド穴１０を形成することにより、入力ポートの位置合せが可能となる。もちろん、ガイド穴でなくても、導体パターンで位置合せマークを形成してもよい。
【００４４】
図１乃至図４に示した本発明のアンテナ基板は、誘電体層、導体層、ビアホールとの組合せによって形成されるものであるから、従来から知られる積層技術によって容易に形成することができる。
【００４５】
なお、本発明のアンテナ基板における誘電体層５は、セラミックス、誘電体基材２、誘電体層９は、セラミックス、合成樹脂、セラミックス−合成樹脂複合材料など公知の絶縁材料によって形成することができる。また、グランド層、パッチ素子、ビアホール、給電回路などは、用いる誘電体基材２に応じて、銅、銀、金、タングステン、モリブデンの中から適宜選択して形成することができる。また、ビアホールは、誘電体基材を構成する誘電体層に貫通穴を形成して貫通穴内に導体材料を充填することによって形成することができる。
【００４６】
これらの中でも、耐久性などの信頼性を高めるとともに、製造の容易性から、誘電体層５、９、誘電体基材２は、いずれもセラミックスによって形成し、同時焼成して形成することが望ましい。特にマイクロ波やミリ波帯に用いられる場合、導体損失の小さい金、銀、銅の群から選ばれる少なくとも１種からなる導体材料が用いられることが望ましい。そのためにはセラミックスとしては１０００℃以下にて焼成可能なガラス−セラミックスなどの低温焼成セラミックスを用いることが良い。
【００４７】
また、誘電体基材や誘電体層をセラミックスによって形成する場合、セラミックグリーンシートの表面に導体ペーストを印刷したり、貫通穴を形成して導体ペーストを充填した後、それらのグリーンシートを積層圧着し、所定の温度で焼成することによって得られる。なお、誘電体層５、９は、上記の誘電体基材と同様に、グリーンシート化して誘電体基材２の積層体の表面に積層圧着するか、または誘電体ペーストを積層体表面に所定厚みで塗布した後、同時に焼成して形成することが望ましい。
【００４８】
なお、上記誘電体層５、９の材質は、誘電体基材２と同一であっても、異なる材質であってもよいが、同時焼結性を図る上では同一であることが望ましい。
【００４９】
また、この誘電体層５は、電磁波が透過する部分で、直接アンテナ効率に影響するので、誘電損失（ｔａｎδ）が０．００５以下、特に０．０３以下であることが望ましい。また、誘電率は、４〜１０が適当である。
【００５０】
図５は、本発明のアンテナ装置の実施の形態の一例を示す斜視図（ａ）およびそのｘ_５−ｘ_５における断面図（ｂ）である。図５において、１４は本発明のアンテナ基板、１５はケース、１６はフロントエンドモジュールである。
【００５１】
フロントエンドモジュール１６には、オシレータ、アンプ、フィルター、ミクサ等が組み込まれ、必要な高周波信号処理回路が形成されている。一方、ケース１５には開口１７が設けられ、この開口１７に本発明のアンテナ基板１４の放射素子形成面側が露出する形で固定されている。このアンテナ基板１４とフロントエンドモジュール１６とは電気的に結合され、全体がケース１５に収納されている。
【００５２】
この例では、本発明のアンテナ基板１４表面を露出した形で、フロントエンドモジュール１６をケース１５内に収納しているが、アンテナ基板１４の表面を露出した形で、フロントエンドモジュール１６とアンテナ基板１４を樹脂等でモールドし、このモールド部分をケース１５として代用することもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のアンテナ基板によれば、放射素子が表面に露出することがないために、耐侯性に優れ、またメッキの必要がないために、メッキ形成等に伴うによるアンテナ特性の変動を押えることができる。
【００５４】
また、アンテナ基板への電力入力が、結合孔を介した電磁結合により給電され、結合孔を形成するグランド層上に、厚みが０．０２ｍｍ以上のセラミックからなる誘電体層が形成されることにより、グランド層が露出しないアンテナ基板とする事で、メッキの工程を完全に省く事ができ、製造歩留まりの向上およびコストの削減をする事ができる。また、本発明のアンテナ基板が所定のケース内に収納されており、該ケースの一部に開口が設けられ、該開口からアンテナ基板の表面が露出するようにケースに固定されているアンテナ装置とする事から、従来から問題であったレドームによるアンテナ特性の劣化押える事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるスロットアンテナ基板の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）である。
【図２】本発明におけるパッチアンテナ基板の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）である。
【図３】本発明における誘電体共振器アンテナ基板の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）である。
【図４】本発明におけるスロット給電型パッチアンテナ基板の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）である。
【図５】本発明におけるアンテナ装置の実施の形態の一例を示す概略透過斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）である。
【図６】従来のアンテナ基板を示す概略透過斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄアンテナ基板
２誘電体層
３給電回路
４グランド層
５誘電体層
６スロット
７結合孔
８グランド層
９誘電体層

Claims

誘電体基材と、該基材表面に形成された放射素子と、該放射素子上に形成され、厚みが、０．０２ｍｍ以上でかつ伝播信号波長の１／４未満のセラミック製の誘電体層と、を具備することを特徴とするアンテナ基板。
前記放射素子が、パッチアンテナ、スロットアンテナ、誘電体共振器アンテナのいずれかであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ基板。
前記誘電体基材の裏面、または内部に、少なくとも１層のグランド層が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ基板。
前記グランド層が誘電体基材の裏面に形成されており、且つ該グランド層の表面が厚みが０．０２ｍｍ以上の第２の誘電体層によって覆われていることを特徴とする請求項３記載のアンテナ基板。
前記グランド層に、結合孔が設けられており、該結合孔を介した電磁結合によって外部回路から給電されることを特徴とする請求項４のアンテナ基板。
前記第２の誘電体層に、位置合わせ用ホールが形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５記載のアンテナ基板。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナ基板が所定のケース内に収納されており、該ケースの一部に開口が設けられ、前記アンテナ基板が該開口から信号が放射されるように前記ケース内に固定されていることを特徴とするアンテナ装置。