JP2006042009A

JP2006042009A - アンテナモジュール

Info

Publication number: JP2006042009A
Application number: JP2004220067A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Shino; 直行志野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09

Abstract

優れたアンテナ放射特性を有しかつローコストで配線間の混信や回路の誤動作を低減できるアンテナモジュールを提供する。
【解決手段】誘電体基板の一方の表面あるいは内部にアンテナ素子および半導体素子を搭載してなるアンテナ基板を、表面または内部に導体パターンが被着形成されたモジュール基板表面に実装してなるアンテナモジュールにおいて、モジュール基板における面積をＡ、モジュール基板における表面または内部パターンのうち最も面積の広い導体パターンの総面積をＢ、アンテナ基板が実装された部分を上面から見て前記アンテナ基板と重なる部分の導体パターンの総面積をＣ、アンテナ基板の上面から見た時の面積をＤとした時、Ｆ＝（Ｂ−Ｃ）／（Ａ−Ｄ）で表されるＦ値が０．５以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

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するアンテナ素子を具備し、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。

現在、マイクロ波は携帯電話に代表されるように無線機器用搬送波として多大に一般社会に利用されているが、近年は携帯電話に限らず無線ＬＡＮやＷｉｒｅｌｅｓｓＵＳＢ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周波帯では衛星通信やｐｏｉｎｔｔｏｐｏｉｎｔ、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、実用化されている。これら高周波信号を送受信するためにはアンテナが必要とされる。また送受信した信号を加工処理するためには、増幅器、フィルター、変復調器、中間周波数へあるいは中間周波数から周波数変換するため変換器、発振器、逓倍器などの高周波回路が一般的に必要である。しかしながらマイクロ波やミリ波などの高周波信号は低周波の信号と違って伝送ロスや信号放射が大きく、それを低く抑える必要がある。また高周波信号はインピーダンス不整合に対し敏感で、製造工程や組み立て工程の寸法精度の影響を大きく受ける。そのため、アンテナと高周波回路部の接続部における反射や放射により特性が安定せず、また放射した信号が回路に悪影響を与えるという課題があった。またその接続部の損失が大きく、またアンテナと高周波回路を接続するために特別な実装や接続方法を採用する必要があり接続構造が複雑になるという問題があった。

これらの課題を解決するために、アンテナと高周波回路を一体化したアンテナ基板が提案されている。

たとえば特許文献１には、アンテナと高周波パッケージを一体化した高周波用パッケージが提案されている。また特許文献２では、アンテナ素子と周波数変換器、周波数逓倍器を形成した誘電体基板とそれに接続される局部発振器を形成した誘電体基板からなるアンテナ一体型ミリ波回路が提案されている。また特許文献３では、片面にアンテナを設け、ベースプレートを介したもう片方の面に回路基板を接合し、アンテナと回路基板とを同軸線路で信号接続する方法が提案されている。
特開平９−２３７８６７号特開平１４−１９８８５２号特開平１２−５９１４０号

しかしながら、これらのアンテナと高周波回路とを一体化したアンテナ基板は、このアンテナ基板を２次実装するモジュール基板も含めたモジュール全体構造についてはなんら考慮しておらず、モジュール基板の影響を受けやすいため良好なアンテナ放射特性が得られないという問題があった。またアンテナ放射特性だけでなく、アンテナ入力抵抗も同様にモジュール基板によって影響を受け、アンテナ入力部でのインピーダンス不整合から、反射が増大し高周波回路が正常に働かなくなる課題もあった。またモジュール基板に設けた回路がアンテナからの電磁界放射により誤動作を起こすあるいは混信するという課題もあった。

従って、本発明は、アンテナ基板をモジュール基板に２次実装してなるアンテナモジュールにおいて、優れたアンテナ放射特性を有しかつローコストで配線間の混信や回路の誤動作を低減できる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。

本発明のアンテナモジュールは、誘電体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、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、表面または内部に導体パターンが被着形成されたモジュール基板とを具備し、該モジュール基板の表面に前記アンテナ基板を実装してなるアンテナモジュールにおいて、前記モジュール基板における前記アンテナ基板実装側の面の面積をＡ、前記モジュール基板における表面または内部パターンのうち最も面積の広い導体パターンの総面積をＢ、前記モジュール基板における前記導体パターンのうち、前記アンテナ基板が実装された部分を上面から見て前記アンテナ基板と重なる部分の総面積をＣ、前記アンテナ基板の上面から見た時の面積をＤとした時、（Ｂ−Ｃ）／（Ａ−Ｄ）≧０．５の関係を満足することを特徴とするものである。

本発明のアンテナモジュールによれば、良好なアンテナ放射特性を得ることが可能となる。またモジュール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。

すなわち、モジュール基板に形成された回路パターンあるいはグランドパターンの導体パターンとアンテナ基板の実装位置との関係を前記所定の関係を満足するように配置することによって、アンテナからのモジュール基板側への不要放射を抑制することが可能となり、それによりアンテナの利得を向上させることが可能となり良好な放射パターンを得ることができる。またモジュール基板側への放射抑制により基板上に設けた電気回路の誤動作や混信を避けることができる。またさらには、アンテナの周囲の状況が電磁界的に安定するため、アンテナの入力抵抗の安定性が増し、たとえばモジュール基板のデザイン変更や実装素子変更などによるアンテナ入力抵抗の変化が発生しなくなり、インピーダンスが安定して整合できるため、高周波回路への信号反射およびＶＳＷＲの低減を行うことができ、正常にモジュールを駆動できる。またさらに、モジュール基板に設けた金属層を利用することでアンテナ基板のグランド層の面積低減が可能となり、アンテナ基板の小型化およびそれによるモジュール全体の製造コストの低減が図れる。

以下、本発明のアンテナモジュールの構造について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第1のアンテナモジュールの一例を示すものであり、この図１のアンテナモジュールは、モジュール基板１とその上に２次実装されたアンテナ基板３によって構成されており、モジュール基板１の表面にアンテナ基板３を実装搭載した形態が図示されており、図１（ａ）はその概略平面図、図１（ｂ）は、Ａ―Ａ’線断面図である。

また、図２はアンテナ基板３の構造を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はアンテナ基板３の背面図、（ｃ）は、アンテナ基板３のＢ−Ｂ’線断面図である。

図２に示すように、アンテナ基板３の誘電体基板２の片面には複数のマイクロストリップアンテナのアンテナ素子４が設けられており、アンテナ基板３の他方の面には、周波数変換に用いるための信号を発振する局所発振器や、信号の増幅や変復調、フィルタリング、周波数変換などの処理を行なうための、高周波半導体素子５が搭載されている。なお、ここでは図示していないが、半導体素子５はマイクロストリップライン、ストリップライン、ＶＩＡ、コプレーナライン、スロットライン、積層型導波管などの伝送線路（図示せず）によって直接または他の半導体素子６，７や回路を介してアンテナ素子４に接続されている。

線路の引き回し容易性の点からは、マイクロストリップラインまたはストリップラインによって接続されていることが好ましく、また低伝送損失の観点からは、積層型導波管が好ましい。なお、この積層型導波管とは、特開平１０−７５１０８号に示されるとおり、誘電体層を挟んで上下に設けられた主導体層と、この主導体層を所定の間隔で２列に配列された擬似的な導体壁を形成するビアホール導体によって、誘電体導波管を形成したものであって、あらゆる多層基板に内蔵させることができるものである。

なお、ここでは表面にマイクロストリップラインを用いてビア導体などを用いてライン間の接続を行っているが、ビア導体の代わりに、信号の損失低減のために、グランド導体にスロットを形成して、スロットを介してライン同士を対峙させて電磁的に接続し信号伝送してもなんら問題はない。

またアンテナ基板３を構成する誘電体層は、一般的にアルミナや窒化アルミニウムなどを主成分としたセラミックスや、ガラスまたはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成した低温焼成セラミックス、有機多層基板の群から選ばれる。

しかし、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るが、その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や有機多層基板が好ましい。なかでも誘電損失が８以下の低温焼成セラミックスが好ましく、有機基板の場合にはフッ素系樹脂基板が好ましい。

また、アンテナ基板３の表面には、増幅器や周波数変換器、局部発信器、フィルター、変復調器、信号処理素子、逓倍器などを搭載してよい。また図１，２のアンテナ基板３では、アンテナ素子４を３×３の９素子を配置しているが、この素子の数はこれに限られることはなく、１個でもまた９素子以外の多素子であってもよい。

また、アンテナ素子としては、マイクロストリップアンテナに限られることなく、ボウタイアンテナや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、アンテナ素子の上部に所定距離をとって、誘電体レンズを配置したレンズアンテナでもよい。

また図２のアンテナ基板３におけるアンテナ素子４は基板表面に形成されているが、このアンテナ素子４は、誘電体基板内部に形成するか、または誘電体基板表面に形成されたアンテナ素子４の表面に保護を目的として樹脂層を形成することが望ましい。

なお、図２アンテナ基板３においては、半導体素子５，６，７は、基板表面に実装してもよいし、キャビティ内に収納し、蓋体で気密封止してもよい。

一方、モジュール基板１を構成する誘電体基板としては、アンテナ基板３と同様に、アルミナや窒化アルミニウムなどを主成分としたセラミックスや、ガラスまたはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成した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る。しかし製造コストの点から考えればＦＲ−４やＦＲ−５などのエポキシ樹脂−ガラスクロスの複合有機基板が好ましい。また、モジュール基板１の表面に形成される回路パターンや基板内部に形成されるグランドパターンは銅やＡｇなどの低抵抗体によって形成することにより、高周波信号の損失を低減することができる。

なお、図１、２のアンテナモジュールでは、モジュール基板１表面にアンテナ基板３を実装するのに、ＢＧＡタイプで、アンテナ基板３の裏面に取り付けられた複数の半田ボール１３を介してモジュール基板１の回路パターン９に実装されているが、アンテナ基板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、図３のように、アンテナ基板３の底面に形成された接続パッド１４とモジュール基板１の回路パターン９に対して、直接半田１５で接続したＬＧＡタイプや、金属ピンを用いるＰＧＡタイプ、あるいは接続に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。

本発明のアンテナモジュールにおいては、図１（ｂ）に示すように、モジュール基板１におけるアンテナ基板３実装側の面の面積をＡ、モジュール基板１における表面に形成された回路パターンの総面積をＢ、モジュール基板１における回路パターンのうち、アンテナ基板３が実装された部分を上面から見てアンテナ基板３と重なる部分の回路パターンの総面積をＣ、アンテナ基板３の上面から見た時の面積をＤとした時、Ｆ＝（Ｂ−Ｃ）／（Ａ−Ｄ）で表されるＦ値が０．５以上であることが重要である。

かかるF値は、アンテナ基板を除いたモジュール基板における、回路パターン面積の基板部分に対する比率を示しており、このF値が０．５よりも小さいと、アンテナにとって十分なグランドが得られず、放射パターンが変形し放射が不安定になり、モジュール基板からの不要放射の影響を受けやすくなり、混信も増加する。一方、F値を０．５以上とすることによって、後述する実施例から明らかなように、アンテナ放射パターンの変形がなくなり、各素子の位相差が無い場合、正面方向（頂角θ＝０°）で利得が最大となり、安定した放射が得られる。特にF値は０．６以上であることでさらにアンテナパターンの変形を抑制し、放射パターンの安定性を高めることができる。

なお、図１のアンテナモジュールＡの場合には、モジュール基板１における総面積Ｂは、モジュール基板１表面に形成された回路パターンの総面積を求めたが、モジュール基板１の内部に基板表面に形成された回路パターン９よりも大きな面積を有するグランドパターン１０が形成されている場合には、図４に示すように、総面積Ｂは、このグランドパターン１０の総面積を用いる。

本発明のアンテナモジュールについてアンテナ特性を評価するために電磁界シミュレーションを行った。誘電率２のモジュール基板上に誘電率４の絶縁基板の表面に、アンテナ素子を形成し、裏面に高周波用は半導体素子を実装搭載したアンテナモジュールである。その結果を以下に示す。

モジュール基板の大きさを７０ｍｍ□とし、２２．９ＧＨｚを共振周波数とするマイクロストリップアンテナ素子１個を基板中心に形成した４．８ｍｍ□のアンテナ基板を実装した形態である。アンテナ素子にはマイクロストリップラインで給電を行い、２２．９ＧＨｚの放射パターンを計算した。

またモジュール基板の回路パターンは表層に形成し、その面積を変化させてＦ値を変化させ、それによる放射パターンの影響を調査した。アンテナ基板の座標系は、図６に示すようにアンテナ基板の垂直面方向をＺ軸としており図のθを横軸にとっている。すなわちθ＝０がｚ軸方向でありアンテナの真正面となっている。縦軸はアンテナの利得（ｄＢｉ）とした。

その結果、Ｆ＝０．４、０．５、０．６、０．７の放射パターンをそれぞれ図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示した。図５（ａ）のＦ＝０．４の場合には、θ＝０°でビームに窪みがみられるが、図５（ｂ）のＦ＝０．５の場合にはθ＝０°にピークが現れビームが正面に放射され、放射パターンが改善されていることがわかる。さらに、図５（ｃ）（ｄ）に示すように、Ｆ＝０．６、Ｆ＝０．７ではさらに利得が上昇し、正面方向により多くの放射電力が集中できることがわかる。

また、θ＝±９０°の利得に注目してみると、Ｆ＝０．４の場合は−９０°方向に−１０ｄＢｉ以上の不要放射が見られるが、Ｆ＝０．５、０．６、０．７となるとそれぞれ低減され、モジュール基板上への混信や誤動作などの悪影響を抑制できることがわかる。

本発明のアンテナモジュールの一例を説明するための（ａ）概略平面図、（ｂ）Ａ―Ａ’線断面図である。アンテナ基板３の構造を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はアンテナ基板３の背面図、（ｃ）は、アンテナ基板３のＢ−Ｂ’線断面図である。本発明のアンテナモジュールに用いられるアンテナ基板の他の例を示す概略断面図である。本発明のアンテナモジュールの他の例を説明するための概略断面図である。本発明のアンテナモジュールにおいて、Ｆ値が変化した場合のアンテナ放射パターンを示す図である。アンテナ基板の座標軸系を示す図である。

符号の説明

１モジュール基板
２誘電体基板
３アンテナ基板
４アンテナ素子
５、６，７半導体素子
９回路パターン
１０グランドパターン

Claims

誘電体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、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、表面または内部に導体パターンが被着形成されたモジュール基板とを具備し、該モジュール基板の表面に前記アンテナ基板を実装してなるアンテナモジュールにおいて、
前記モジュール基板における前記アンテナ基板実装側の面の面積をＡ、前記モジュール基板における表面または内部パターンのうち最も面積の広い導体パターンの総面積をＢ、前記モジュール基板における前記導体パターンのうち、前記アンテナ基板が実装された部分を上面から見て前記アンテナ基板と重なる部分の総面積をＣ、前記アンテナ基板の上面から見た時の面積をＤとした時、Ｆ＝（Ｂ−Ｃ）／（Ａ−Ｄ）で表されるＦ値が０．５以上であることを特徴とするアンテナモジュール。
前記モジュール基板における導体パターンが、基板表面に形成された回路パターンであることを特徴とする請求項１記載のアンテナモジュール。
前記モジュール基板における導体パターンが、基板内部に形成されたグランドパターンであることを特徴とする請求項１記載のアンテナモジュール。