JP2006067376A

JP2006067376A - アンテナモジュール

Info

Publication number: JP2006067376A
Application number: JP2004249087A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Shino; 直行志野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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６が設けられ、絶縁基板の他方の表面にアンテナ素子６と接続された半導体素子を搭載してなるアンテナ基板３と、アンテナ基板３を実装してなるモジュール基板４とを具備し、アンテナ基板３内部の、アンテナ素子６と半導体素子７とを隔てる位置に導体層９を形成してなり、導体層９の面積が、アンテナ基板３の面積の６０％以上を占め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。

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い周波数帯である準ミリ波帯では衛星通信やｐｏｉｎｔｔｏｐｏｉｎｔ、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。

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。
特開平１０−３４１１０８号ＷＯ００／４８２６９号

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。

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。

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り、該導体層の面積が、アンテナ基板の面積の６０％以上を占めることを特徴とする。

特に、記アンテナ素子が放射あるいは受信する信号の周波数をｆ_０、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の最大周波数をｆ_１としたとき、ｆ_０とｆ_１が異なることが望ましい。特に、前記ｆ_０とｆ_１が、０．５×ｆ_０≧ｆ_１の関係にあることが望ましい。

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。

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。

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。

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面積が、アンテナ基板の面積の６０％以上とすることにより、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。

さらに、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の周波数ｆ_１がアンテナが放射する信号の周波数ｆ_０と異ならしめることによって、モジュール基板とアンテナ基板の信号接続部や、モジュール基板内からの不要放射と、アンテナ素子から放射される信号間の干渉が無くなり、混信や回路の誤動作などが抑制できエラーレイトを下げることができる。なお、ここで言うｆ_１は、アンテナ基板とモジュール基板の間でやり取りされる信号のうち最も高い信号の周波数である。特に、０．５×ｆ_０≧ｆ_１とすることにより、より混信や誤動作を防ぐことができエラーレイトが下がる。

かかる本発明は、アンテナ基板とモジュール基板の間でやり取りする信号周波数を低下させることにつながり、一般的にロスの大きい高周波を低周波に変換することでロスが低減しシステムとしても効率が上がり、また信号レベルの低下が防げるためにエラーレイトも低下させることが可能となる。

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。

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。

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。

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。

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の面積が、アンテナ基板の面積の６０％以上を占めることが重要である。これは、この面積が６０％以上とすることによって、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。本発明によれば、導体層９の面積は、特に７０％以上であることが望ましい。

また、本発明によれば、アンテナ素子３が放射あるいは受信する信号の周波数をｆ_０、アンテナ基板３とモジュール基板４の間でやり取りされる信号の最大周波数をｆ_１としたとき、ｆ_０とｆ_１を異ならしめることによって、モジュール基板４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、また、アンテナ基板３に実装された半導体素子７の高周波回路を正常に動作させることができる。

このように、アンテナ素子６が送受信する信号の周波数ｆ_０と、アンテナ基板３とモジュール基板４がやり取りする周波数ｆ_１を異ならしめるための１つの方法としては、図２に示す回路構成を用いる方法がある。すなわち図２のように、アンテナ基板に実装した周波数変換器１１と局部発振器１２をアンテナ素子１０に接続し回路構成することで、アンテナ素子で送受信する信号をアップコンバートあるいはダウンコンバート可能となる。なお、局部発振器に直接信号を入れて変調する場合には周波数変換器は不要となる。発振器としては、低周波の信号を局部発振器で発振し、その信号を逓倍器により高周波に変化させ所望の周波数の局部信号を作る方法などがあり、ディスクリートで形成した局部発振器、逓倍器を接続して形成できる。あるいは逓倍器を用いず直接、所望の周波数の局部信号を発生させる発振器を用いても良く、それについてはＭＭＩＣで電圧制御型発振器を構成する方法や、ガンダイオードを用いる方法などがある。

その中でも、構成が最も簡単で容易にシステムの構成が可能である点で、ＭＭＩＣで電圧制御型発振器を構成する方法が好ましい。ＭＭＩＣに多くの機能を持たせた素子を用いることが好ましい。ディスクリートで、周波数変換器、逓倍器を形成し接続する場合に比べて、半導体素子数が少なくなり実装工程が簡略化し製造コストを低減できる。

特に、本発明によれば、前記ｆ_０とｆ_１が、０．５×ｆ_０≧ｆ_１であることが望ましい。これは、ｆ_０とｆ_１が近い場合、混信を起こしやすいことを意味している。例えばアンテナが送受信する信号は、信号情報を搬送波に載せるため一般的に周波数変調をかけ、そのため信号周波数にある程度の幅が発生する。それによりｆ_０とｆ_１が近い場合、周波数が同じ領域での重なり成分が生じ混信が発生しやすい。また０．５×ｆ_０≧ｆ_１とすることで、ｆ_１の２次高調波成分による影響が抑制できる。そのため、０．５×ｆ_０≧ｆ_１とすることによって、その混信を減少させることが可能となる。望ましくは、０．２×ｆ_０≧ｆ_１であることが望ましく、これによりｆ１の５次高調波成分の影響も抑制できる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

アンテナ基板は、４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚み３．０ｍｍ、誘電率４．９のホウ珪酸ガラスを主体とす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。

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。

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、アンテナ基板をボールグリッドアレイによって表面実装した。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。

また、比較例として、アンテナ素子と半導体素子とを同じ面に形成したアンテナ基板を作製し、上記と同様にしてモジュール基板表面に実装し、比較用のアンテナモジュールＡを作製した。この比較用のアンテナモジュールＡにおけるエラーレイトを「１」として、本発明品を含む種々のモジュールのエラーレイトを測定した。

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放射信号（搬送波）の周波数（ｆ_０）は６５ＧＨｚとした。また、アンテナ基板の表面には、アンテナ素子以外に、増幅器、局部発振器、逓倍器、フィルターを基板表面に実装した。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。

また、アンテナ素子は変更せず、半導体素子の回路構成を変更し局部信号周波数を変化させることにより、表１に示すようにアンテナ基板とモジュール基板との間の信号周波数を種々変更し、エラーレイトを測定した。その結果を表１に示す。

表１の結果によれば、アンテナ素子の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の周波数がいずれも６５ＧＨｚ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。

加えて、アンテナが放射する信号の周波数とアンテナ基板とモジュール基板がやり取りをする信号の周波数が同じ場合にくらべて、それぞれの周波数が異なる場合、エラーレイトをさらに低減できることがわかる。例えば、金属総面積比率７０％の場合、アンテナ基板とアンテナモジュール基板間の信号を４８ＧＨｚにすることでエラーレイトを０．６９へ、３３ＧＨｚでは０．５１に低減できる。そしてその周波数を、アンテナが送受信する６３ＧＨｚの半分以下である３０ＧＨｚとすることでエラーレイトを０．５以下を達成できる。

本発明のアンテナモジュールの発明の一例を説明するための概略斜視図である。アンテナ素子が放射あるいは受信する信号の周波数ｆ_ｏと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の最大周波数ｆ_１とを異ならしめるための回路図である。

符号の説明

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

Claims

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り、該導体層の面積が、アンテナ基板の面積の６０％以上を占めることを特徴とするアンテナモジュール。
前記アンテナ素子が放射あるいは受信する信号の周波数をｆ_０、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の最大周波数をｆ_１としたとき、ｆ_０とｆ_１が異な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ｆ_０とｆ_１が、０．５×ｆ_０≧ｆ_１の関係にあることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナモジュール。
前記アンテナ素子の放射側に、誘電体レンズを設けてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載のアンテナモジュール。