JP2006262218A - アンテナ基板、電子回路パッケージおよび通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 平面アンテナと基板の厚さ方向に配置される伝送線路との接続損失が大きい。
【解決手段】 基板（１０）と、基板（１０）の一方の面に設けられ、第１導体（１）、および第１導体（１）と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体（２）を備えるアンテナ部と、基板（１０）の厚さ方向に設けられ、第１導体（１）に接続された中心導体（３）、および第２導体（２）に接続されるとともに中心導体（３）と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体（４）を備える擬似同軸線路とを有するアンテナ基板。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に平面アンテナ有する装置に関する。

従来から、基板上に平面アンテナを設けた装置は広く用いられている。たとえば、平面アンテナとしてよく知られているパッチアンテナは、基板の一方の面に設けられたパッチと、他方の面に設けられた接地面とで構成されている。このようなパッチアンテナが配線基板に実装される場合、通信装置などを構成する電子回路は、パッチが設けられる面とは反対側の面に実装される（特許文献１の第７図参照）。
特開平０２−２１４２０５号公報

配線基板に搭載される電子回路とパッチとの間を接続するには、配線基板の厚さ方向を貫通する配線を設ける必要がある。しかしながらパッチアンテナは、前述のようにパッチと接地面とで構成された、いわゆるマイクロストリップのモード構造を持っているのに対し、これに接続する貫通配線は基板の厚さ方向に設けられるため、マイクロストリップ構造とは異なり、したがって、両者は全く異なるモード構造であるといえる。このように、異なるモード構造であると、その接続部分の不連続性により損失が発生し、特性を劣化させる虞がある。この問題は、準ミリ波あるいはミリ波帯以上の帯域で顕著である。近年、ミリ波帯を利用した通信システムが検討されているが、回路技術だけでなく、デバイス技術においても、上記のような問題が、開発の障害となっている。
本発明の目的は、基板の厚さ方向の伝送線路と基板面上のアンテナとを小さい損失で接続できるための構造、およびそれを応用した種々の装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、基板と、前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備えるアンテナ部と、前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体に接続された中心導体、および前記第２導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路とを有することを特徴とするアンテナ基板が提供される。
また、別の観点によれば、基板と、前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備える第１アンテナ部と、前記基板の他方の面に設けられ、第３導体、および前記第３導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第４導体を備える第２アンテナ部と、前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体および第３導体に接続された中心導体、および前記第２導体および第４導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路とを有することを特徴とするアンテナ基板が提供される。

また、更に別の観点によれば、基板と、前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備えるアンテナ部と、前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体に接続された中心導体、および前記第２導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、前記基板の他方の面に設けられた電子回路を収容するキャビティとを有することを特徴とする電子回路パッケージが提供される。
また、更に別の観点によれば、基板と、前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備える第１アンテナ部と、前記基板の他方の面に設けられ、第３導体、および前記第３導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第４導体を備える第２アンテナ部と、前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体および第３導体に接続された中心導体、および前記第２導体および第４導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、前記基板の他方の面に設けられた電子回路を収容するキャビティとを有することを特徴とする電子回路パッケージが提供される。
また、更に別の観点によれば、基板と、前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備えるアンテナ部と、前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体に接続された中心導体、および前記第２導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、前記擬似同軸線路と接続される電子回路とを有することを特徴とする通信装置が提供される。

また、更に別の観点によれば、基板と、前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備える第１アンテナ部と、前記基板の他方の面に設けられ、第３導体、および前記第３導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第４導体を備える第２アンテナ部と、前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体および第３導体に接続された中心導体、および前記第２導体および第４導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、前記擬似同軸線路と接続される電子回路とを有することを特徴とする通信装置が提供される。

本発明は、平面アンテナを構成するアンテナ部として第１（第３）導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２（第４）導体を有する構造を採用している。いっぽう、本発明では基板の厚さ方向に信号を伝送する伝送線路として、中心導体とその周囲に間欠的に設けられた接地導体からなる、いわゆる擬似同軸線路を採用している。
以上のように、本発明で採用するアンテナ部と擬似同軸線路は、いずれも中央の導体の周囲に接地導体が配置された同軸構造を持っていることから、両者は同等のモード構造を持つことになり、不連続性の少ない接続を実現することができる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるアンテナ基板を図１乃至図３を用いて説明する。

図１は、本実施形態によるアンテナ基板であり、（ａ）はアンテナ部側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）の線分Ａ−Ａ’におけるアンテナ基板の断面図、（ｃ）はアンテナ部とは反対側から見た平面図である。

図１に示す本実施形態によるアンテナ基板は、配線基板１０とアンテナ部と擬似同軸線路とを有する。配線基板１０は、たとえば低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）によって構成されている。アンテナ部は、配線基板１０の一方の面に設けられ、中心導体（第１導体）１、および中心導体１０と離間してその周囲に設けられた接地電位となる接地導体（第２導体）２とを備える。擬似同軸線路は、配線基板１０の厚さ方向に設けられ、前記中心導体１に接続された中心導体３（第２導体）、および前記接地導体２に接続されるとともに中心導体３と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体４を備える。更に、アンテナ基板は、配線基板の他方の面に設けられた伝送線路を構成するマイクロストリップライン６と、その端部を包囲する接地導体５とを有する。

これら構造のうち、擬似同軸線路を構成する中心導体３と接地導体４は、配線基板１０を構成するセラミックスの焼成前に所定の孔が設けられ、その部分に導電性材料が分散されたペーストが埋め込まれることで、セラミックスの焼成と同時に形成される。また、中心導体１、接地導体２、接地導体５、マイクロストリップライン６それぞれを構成する導電層についても、配線基板１０の焼成前に導電性材料が分散されたペーストのパターンを設けることで同様に焼成と同時に実現することができる。もちろん、これら導電層の形成方法は種々の手法が採用でき、上記に限定されるものではない。たとえば、擬似同軸を構成する中心導体３と接地導体４を除く他の導電層は、セラミックスの焼成時には、全面にベタ層で形成し、焼成後に所定のリソグラフ工程によって、パターンを形成しても良い。特にＬＴＣＣを利用する場合、焼成前後で熱収縮誤差が大きいため、焼成前に導電層のパターンを形成すると、収縮誤差によって設計どおりのパターンを実現することが困難な場合があるが、そのような場合には、上記のように焼成後にパターン化を行うことが一つの解決策となる。
本実施形態によれば、基板の厚さ方向の伝送線路となる擬似同軸線路と、アンテナ部の構造が、いずれも同軸構造を備えているため、モード構造が同じ同軸型となり、その結果、不連続性が改善されて、損失の少ない接続構造が実現できる。

本実施形態によって構成された配線基板１０は、アンテナ部とは反対側の面に電子回路が実装可能であることから、電子回路の実装基板とアンテナが集積化されて、小型の通信モジュールを実現することが可能になる。

なお、本実施形態が採用しているアンテナ部は、アンテナ部の中心導体１の周囲に沿って共振点が形成されることから、そのビーム形状は、ほぼシンメトリカルな球形となる。したがって、図２（ａ）（ｂ）に示す誘電体レンズ７やホーン８のような放射器と相性がよく、これらをアンテナ部上に設けることで、アンテナ特性を更に改善することができる。

図２（ａ）は誘電体レンズ７を本実施形態のアンテナ部に設けた態様を示すものである。誘電体レンズ７は例えば低誘電率のフッ素樹脂を成型することで実現され、図示しない支持部によってアンテナ部との距離を所定値に保っている。このような構造において、例えば６０ＧＨｚ帯の送信信号がアンテナ部から出力されると、この誘電体レンズ７によってビームが絞り込まれ、高い指向性を実現することができる。図２（ｂ）は、いわゆるホーン８を本実施形態のアンテナ部に設けた態様を示すものである。ホーン８は接地電位に接続された金属によって構成されており、これによって、アンテナ利得を向上することができる。

また、図１に示した本実施形態のアンテナは、マイクロストリップライン６によって電力が供給されることから、マイクロストリップラインの電力供給方向（図１においては紙面の水平方向）に偏波面を持つ直線偏波となる。いっぽう、図３に示すようにアンテナの中心導体１に縮退分離用に切り欠き部９を設けることにより、円偏波が実現できる。
図３は本実施形態のアンテナを円偏波にするための構造であり、図１（ａ）におけるアンテナの中心導体１を拡大して示したものである。図３の中心導体１には、縮退分離用に、中心導体１の中心を通って対向する縁に切り欠き部９が設けられており、これにより円偏波が実現される。

［第２実施形態］
図４は本発明の第２実施形態を説明する図である。図４において、図１と同じ部位には同じ符号が付されている。本実施形態は、実質的に第１実施形態と同様の態様を持っており、その動作も第１実施形態に準じるため、重複する部分については、説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と異なるのは、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、マイクロストリップライン６が設けられる側の配線基板１０の面にも、アンテナ部を設けた点である。第１実施形態の図１（ｃ）からも理解できるように、マイクロストリップライン６から擬似同軸線路へ信号を導入する部分は、マイクロストリップライン６の存在と、それを通過させるために設けられた接地導体５の切り欠き部分を除けば、図１（ａ）のアンテナ部と同じ構造も持っており、これはアンテナとして機能させることが可能である。本実施形態では、この部分をアンテナ部として機能させるため、マイクロストリップライン６が形成される側の面にアンテナ部を構成する中心導体（第３導体）１１を設け、その周囲に配置された接地導体（第４導体）１２との間でアンテナ部を実現している。
本実施形態によれば、アンテナ部が配線基板１０の表裏に設けられるため、配線基板１０の表または裏の何れの方向に対しても利得を持つことができる。この構成は、ミリ波帯域のように伝播が直線的である帯域を取扱う場合に好適である。

［第３実施形態］
図５は本発明の第３実施形態を説明する図である。図５において、図４と同じ部位には同じ符号が付されている。本実施形態は、実質的に第２実施形態と同様の態様を持っており、その動作も第１実施形態に準じるため、重複する部分については、説明を省略する。

第２実施形態では、図４（ｃ）に示すようにマイクロストリップライン６とアンテナ部とが同じ面に設けられていることから、このアンテナ部はそのビーム形状がマイクロストリップライン６の存在により、若干歪むことが考えられる。
本実施形態ではこれを解決するために、擬似同軸の中心導体３に対して、配線基板１０の内部で伝送線路となるマイクロストリップライン１６と接続する構造を採用するものである。本実施形態の構造は、多層セラミックス基板技術などの多層基板技術が採用でき、これによって、配線基板１０の内部にマイクロストリップライン１６を配置することができる。
本実施形態によれば、配線基板１０の表裏とも同じアンテナ構造、つまり裏の接地導体１２も接地導体２と同様にベタ層で形成された構成となり、対称なアンテナ特性を実現することが可能である。

［第４実施形態］
図６は本発明の第４実施形態を説明する図であり、図６において、図１と同じ部位には同じ符号が付されている。本実施形態は、本発明を電子回路を収容するパッケージに採用したものである。

図６（ａ）に示すように、本実施形態では、たとえばＬＴＣＣで構成されたパッケージ基板６１に設けられたキャビティ６２内に電子回路６４が搭載された配線基板６３が配置された構造を持っている。図６（ａ）の領域Ｐの要部を拡大した図６（ｂ）を使用して、本実施形態のパッケージ基板６１と配線基板６３の関係を説明する。

図６（ｂ）に示すように、本実施形態のパッケージ基板６１には、第１実施形態と同様に擬似同軸を構成する中心導体３と接地導体４が、その厚さ方向に形成されている。また、キャビティ６２と反対側の面には、アンテナ部を構成する中心導体１と接地導体２が設けられている。擬似同軸を構成する中心導体３と接地導体４はパッケージ基板６１のキャビティ６２側に露出しており、この部分に対して、電子回路６４を搭載した配線基板６３が接続される。

ここで配線基板６３は、電子回路６４が搭載される側の面には、図６（ｃ）に示すように、マイクロストリップライン６５と、その先端を取り囲む接地導体６７が設けられており、この領域を通じて配線基板６３の反対側へ端子を導出する構造を持っている。また、配線基板６３の反対側の面には、接地導体６６が設けられている。なお、配線基板６３の反対側への端子の導出にあたっては、パッケージ基板６１と同様の擬似同軸構造が採用される。
以上のように構成された本実施形態のパッケージは、配線基板６３を搭載した後、キャップ（図示せず）によって封止される。

本実施形態の電子回路パッケージは、他の実施形態と同様、低損失でアンテナ部に対する接続が可能であることから、良好な特性でアンテナ部を集積化した電子回路パッケージが実現できる。なお、本実施形態の電子回路パッケージは、この形態に限定されるものではなく、例えば第３実施形態と同様の構成を採用することで、電子回路パッケージの表裏両側にアンテナ部を配置することも可能である。

図７はその構成の概略を示すものであり、図５および図６と同様の部分には、同じ符号を付している。図７に示すように、パッケージ基板６１には、一方の面にアンテナ部を構成する中心導体１と接地導体２が設けられ、また、他方の面にアンテナ部を構成する中心導体１１と接地導体１２が設けられている。なお、これらアンテナ部はキャビティ６２の外側の領域に配置されている。また、パッケージ基板６１の内部には、マイクロストリップライン１６が設けられており、前記アンテナ部両方に接続される擬似同軸の中心導体３と接続されている。
図７の電子回路パッケージによれば、その表裏両側に対して利得を有するアンテナ部が集積化された電子回路パッケージが実現できる。
なお、本実施形態ではパッケージ基板６１のキャビティ６２内には電子回路６４が搭載された配線基板６３が配置されたが、パッケージ基板６１のキャビティ６２側の面に直接に配線パターンを設け、そこに電子回路６４を搭載することも可能である。また、本実施形態の電子回路６４は、それ自体で通信装置の全てを実現してもよいし、たとえば、通信装置のうち、中間周波数（ＩＦ）段までは外部で構成し、高周波（ＲＦ）段のみを実現しても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が可能である。

たとえば、本発明のアンテナ基板に設けられる擬似同軸は、アンテナ基板全体を貫通せず、たとえば、アンテナ基板の内部でストリップラインなど別の伝送線路と接続させることも可能である。また、本発明のアンテナ基板には、その任意の面内にストリップライン６などの伝送線路を形成しない構造を採用することも可能である。この構造は、第４実施形態の配線基板６３に対するパッケージ基板６１のような関係を指す。このように構成すれば、アンテナ基板を、電子回路に接続される個別のアンテナ部品（伝送線路を持たない）として利用することが可能になる。

また、第１実施形態あるいは第２，第３実施形態のようなアンテナ基板を通信装置に搭載することも可能である。この場合、第４実施形態に示すように、電子部品パッケージの態様に限らず、本発明のアンテナ基板をたとえば、通信装置の筐体の一部に採用したり、あるいは電波透過窓を介してその内部に搭載することも可能である。このように通信装置に搭載された本発明のアンテナ基板は、その内部の電子回路と接続され、小型の通信装置の実現に寄与できる。この場合にも、前記した各実施形態における種々の構造が採用できることは言うまでも無い。

本発明の第１実施形態によるアンテナ基板を示す構成図である。 本発明の第１実施形態において放射器を取り付けた態様を示す構成図である。 本発明の第１実施形態においてアンテナ部の中心導体の態様を示す構成図である。 本発明の第２実施形態によるアンテナ基板を示す構成図である。 本発明の第３実施形態によるアンテナ基板を示す構成図である。 本発明の第４実施形態による電子回路パッケージを示す構成図である。 本発明の第４実施形態による電子回路パッケージの改変例を示す構成図である。

符号の説明

１、１１…アンテナ部の中心導体
２、１２…アンテナ部の接地導体
３…擬似同軸の中心導体
４…擬似同軸の接地導体
５、６６、６７…接地導体
６、１６、６５…マイクロストリップライン
７…誘電体レンズ
８…ホーン
９…切り欠き
１０…配線基板
６１…パッケージ基板
６２…キャビティ
６３…配線基板
６４…電子回路

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備えるアンテナ部と、
   前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体に接続された中心導体、および前記第２導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、
   を有することを特徴とするアンテナ基板。
2. 基板と、
   前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備える第１アンテナ部と、
   前記基板の他方の面に設けられ、第３導体、および前記第３導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第４導体を備える第２アンテナ部と、
   前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体および第３導体に接続された中心導体、および前記第２導体および第４導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、
   を有することを特徴とするアンテナ基板。
3. 前記基板の他方の面には、前記擬似同軸線路の中心導体と接続される伝送線路が設けられることを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ基板。
4. 前記アンテナ部上に誘電体レンズあるいはホーンからなる放射器を有することを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ基板。
5. 前記第１導体あるいは第３導体には、その中心を通って対向する縁に切り欠き部が設けられてなることを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ基板。
6. 基板と、
   前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備えるアンテナ部と、
   前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体に接続された中心導体、および前記第２導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、
   前記基板の他方の面に設けられた電子回路を収容するキャビティと、
   を有することを特徴とする電子回路パッケージ。
7. 基板と、
   前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備える第１アンテナ部と、
   前記基板の他方の面に設けられ、第３導体、および前記第３導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第４導体を備える第２アンテナ部と、
   前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体および第３導体に接続された中心導体、および前記第２導体および第４導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、
   前記基板の他方の面に設けられた電子回路を収容するキャビティと、
   を有することを特徴とする電子回路パッケージ。
8. 前記基板の内部には、前記擬似同軸線路の中心導体と接続された伝送線路が設けられてなることを特徴とする請求項６または７記載の通信装置。
9. 前記アンテナ部上に誘電体レンズあるいはホーンからなる放射器を有することを特徴とする請求項６または７記載の電子回路パッケージ。
10. 前記第１導体あるいは第３導体には、その中心を通って対向する縁に切り欠き部が設けられてなることを特徴とする請求項６または７記載の電子回路パッケージ。
11. 基板と、
    前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備えるアンテナ部と、
    前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体に接続された中心導体、および前記第２導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、
    前記擬似同軸線路と接続される電子回路と、
    を有することを特徴とする通信装置。
12. 基板と、
    前記基板の一方の面に設けられ、第１導体、および前記第１導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第２導体を備える第１アンテナ部と、
    前記基板の他方の面に設けられ、第３導体、および前記第３導体と離間してその周囲に設けられた接地電位となる第４導体を備える第２アンテナ部と、
    前記基板の厚さ方向に設けられ、前記第１導体および第３導体に接続された中心導体、および前記第２導体および第４導体に接続されるとともに前記中心導体と離間してその周囲に間欠的に設けられた複数の接地導体を備える擬似同軸線路と、
    前記擬似同軸線路と接続される電子回路と、
    を有することを特徴とする通信装置。
13. 前記基板の内部には、前記擬似同軸線路の中心導体と接続された伝送線路が設けられてなることを特徴とする請求項１１または１２記載の通信装置。
14. 前記アンテナ部上に誘電体レンズあるいはホーンからなる放射器を有することを特徴とする請求項１１または１２記載の通信装置。
15. 前記第１導体あるいは第３導体には、その中心を通って対向する縁に切り欠き部が設けられてなることを特徴とする請求項１１または１２記載の通信装置。
    

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