JP2007124201A - Antenna module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、30GHz以上のミリ波帯の高周波信号を送受信するアンテナ基板と高周波信号を加工処理する高周波回路とを含むアンテナモジュールに関するものである。 The present invention relates to an antenna module including an antenna substrate that transmits and receives a millimeter-wave band high-frequency signal of 30 GHz or more and a high-frequency circuit that processes the high-frequency signal.
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一般社会に利用されてきたが、現在は携帯電話に限らず、無線LANやWireless USBなど高容量データ通信の手段としても用いられるように研究開発が進められている。しかしながら、現状のところマイクロ波を用いる無線通信では情報伝送速度が遅く映像や動画などの大容量のデータ伝送が出来ないという問題がある。また、将来においてもマイクロ波領域では通信向けに割り当てられている周波数領域は狭く、あるいはUWBのように割り当て周波数領域が広くても送信電力に制限があり、今後の大容量通信の可能性が限られている。そのため、より高い周波数帯である30GHz以上のミリ波領域が超高速無線通信用として以前より注目されており、研究開発が進められてきた。特に60GHz帯は広い帯域が世界共通で割り当てられており、大容量高速通信手段として現在実用化され、光ファイバーに代わる事業所間通信用途などとして普及しつつある。 Microwaves have been used by the general public as carrier waves for wireless devices as represented by mobile phones, but now they are used not only for mobile phones but also as a means of high-capacity data communication such as wireless LAN and Wireless USB. Research and development is underway. However, at present, wireless communication using microwaves has a problem that information transmission speed is slow and large-capacity data such as video and moving images cannot be transmitted. Also, in the future, in the microwave region, the frequency region assigned for communication is narrow, or even if the assigned frequency region is wide like UWB, the transmission power is limited, limiting the possibility of future large-capacity communication. It has been. Therefore, the millimeter wave region of 30 GHz or higher, which is a higher frequency band, has been attracting attention for ultrahigh-speed wireless communication, and research and development have been promoted. In particular, the 60 GHz band has a wide bandwidth all over the world, and is currently put into practical use as a high-capacity high-speed communication means, and is becoming widespread as a communication application between offices replacing optical fibers.
一方、通信業界以外では、77GHz帯が車間レーダー用の周波数として世界的に承認されており、レーダーの研究開発がこれまで盛んに進められ、ヨーロッパを中心に一般乗用車に搭載され、世間に広まりつつある。また、軍事用途や衛生通信用途としてもミリ波は活用されており、今後、さらにミリ波市場は拡大していくものと思われる。 On the other hand, outside the telecommunications industry, the 77 GHz band has been globally approved as a frequency for inter-vehicle radar, and research and development of radar has been actively promoted so far, and it has been installed in general passenger cars mainly in Europe, and is spreading to the world. is there. Millimeter waves are also being used for military applications and sanitary communication applications, and the millimeter wave market is expected to expand further in the future.
ここで、無線通信あるいはレーダーには、信号を空間に放射あるいは空間より受信するためにアンテナが必要であり、従来、ミリ波用途には安定して優れた特性をもたらすホーンアンテナが用いられてきた。また、さらに高利得が求められるときには、ホーンアンテナを一次放射器としたパラボラアンテナやカセグレンアンテナが用いられてきた。 Here, an antenna is necessary for radio communication or radar to radiate or receive a signal in space. Conventionally, a horn antenna that stably provides excellent characteristics has been used for millimeter wave applications. . Further, when a higher gain is required, a parabolic antenna or a Cassegrain antenna using a horn antenna as a primary radiator has been used.
しかし、ホーンアンテナは損失が小さく広い帯域が得られ特性は優れるものの、体積が大きくコンパクトな送受信モジュールを作るには問題があった。また、金属加工して得られるホーンアンテナは量産性にも難点があった。 However, although the horn antenna has a small loss and a wide band and is excellent in characteristics, there is a problem in making a compact transceiver module having a large volume. Moreover, the horn antenna obtained by metal processing has a difficulty in mass productivity.
そこで、これらの問題を解決するために、パッチアンテナやスロットアンテナなどの平面アンテナが用いられてきた。これらのアンテナは誘電体基板に導体パターンを形成することで構成可能であり、体積が小さく、また特殊な金属加工を必要としないため量産性に優れるという利点があった。 In order to solve these problems, planar antennas such as patch antennas and slot antennas have been used. These antennas can be configured by forming a conductor pattern on a dielectric substrate, and have the advantages of small volume and excellent mass productivity because they do not require special metal processing.
しかしながら、これら平面アンテナのアンテナ基板には表面波(誘電体表面を伝播する電磁波)が発生し、その表面波がアンテナ基板端部まで伝播してアンテナ基板端部から不要電磁波(表面波に起因する不要電磁波)が放射され、アンテナから放射される放射パターンを歪めるという課題があった。また、表面波に起因する不要電磁波が周囲の回路基板や別のアンテナ基板に放射され、そこで混信が発生したり半導体素子の誤動作を引き起こしたりするという問題もあった。 However, surface waves (electromagnetic waves propagating on the dielectric surface) are generated on the antenna substrate of these planar antennas, and the surface waves propagate to the end of the antenna substrate and are generated from the antenna substrate end by unnecessary electromagnetic waves (caused by surface waves). Unnecessary electromagnetic waves) are radiated, and the radiation pattern radiated from the antenna is distorted. In addition, unnecessary electromagnetic waves caused by surface waves are radiated to a surrounding circuit board or another antenna board, where there is a problem that interference occurs or a semiconductor element malfunctions.
これに対し、非特許文献1ではアンテナ基板からの不要電磁波の放射自体を抑制する方法を提案している。ここでは、表面波の伝播を抑制するよう設計したフォトニックバンドギャップ構造をグランド層に形成する形態が提案されており、これにより表面波に起因する不要電磁波の放射が抑制され、アンテナ放射パターンの歪みが抑制されて一様なアンテナ放射パターンとなることが報告されている。しかしながら、この方法は微細で複雑なフォトニックバンドギャップ構造を含めた大きなモデル形状で電磁界シミュレーションを行い構造の最適化をし、表面波が伝播しないフォトニックバンドギャップ構造を見つける必要があり、シミュレーションが煩雑で時間がかかり有用なものではなかった。また、製造上の観点からも、ビア導体でグランドに結合した多数の六角形金属パターンを形成する必要があり構造が複雑で実用化困難であった。
On the other hand, Non-Patent
また、特許文献1にはフォトニックバンドギャップ構造をもちいたシールド材をアンテナ放射パターンを歪める導体板とアンテナの間に設け、導体板による不要電磁波の散乱を抑制させる方法が提案されている。しかしながら、この方法はアンテナ基板に加え、さらにシールド部材が必要とされ、分品点数ならびに設置工程を増やし、システムのサイズを大きく複雑にしまた製造コストを上昇させる。
Further,
また、特許文献2ではアレーアンテナの各素子の高さを変更し表面波の発生を抑制する方法が提案されているが、高さの異なる放射素子を形成するにはアンテナ基板の凹凸が必要であり、製造上の観点から均一に大量生産するには困難な構造であり実用に耐えない。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制し、それによる放射パターンの歪み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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an antenna module that suppresses the radiation of unnecessary electromagnetic waves caused by surface waves and thereby reduces the distortion of the radiation pattern.
本発明は、絶縁基板の表面または内部に放射素子が設けられ、前記絶縁基板の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜してなるアンテナ基板が、モジュール基板上に実装されたことを特徴とするアンテナモジュールである。 According to the present invention, a radiation element is provided on the surface or inside of an insulating substrate, and an antenna substrate in which the surface of the peripheral portion of the insulating substrate is inclined toward the back side toward the end is mounted on the module substrate. It is an antenna module characterized by this.
表面波(誘電体表面を伝播する電磁波)に起因するアンテナ基板端部からの不要電磁波の放射が、アンテナ放射パターンに最も悪影響を与え、歪みを生じさせるのであるが、本発明によりこの不要電磁波を低減することができる。これは、放射素子からアンテナ基板端部に向かって伝播した表面波が、傾斜部(反り)によって反射され、アンテナ基板内を伝播するうちに減衰するためである。なお、この反射は、傾斜部(反り)がアンテナ基板内における表面波伝播のインピーダンスの不連続性を引き起こすことに起因する。また、アンテナ基板端部から不要電磁波が放射したとしても、傾斜部(反り)はモジュール基板側に向いた形状であることから、水平方向(アンテナ基板はモジュール基板の表面に平行に配置されており、アンテナ基板水平方向とはモジュール基板の表面に平行な方向)から上方向(モジュール基板の表面に垂直な方向)にかけての放射ではなく、モジュール基板側への放射となることによって、アンテナ放射パターンに悪影響を及ぼすことは少なくなるからである。 Radiation of unwanted electromagnetic waves from the end of the antenna substrate due to surface waves (electromagnetic waves propagating on the dielectric surface) has the most adverse effect on the antenna radiation pattern and causes distortion. Can be reduced. This is because the surface wave propagated from the radiating element toward the end of the antenna substrate is reflected by the inclined portion (warp) and attenuates while propagating through the antenna substrate. In addition, this reflection originates in the inclination part (warping) causing the discontinuity of the impedance of the surface wave propagation in the antenna substrate. In addition, even if unwanted electromagnetic waves are radiated from the end of the antenna board, the inclined part (warp) is shaped toward the module board, so the horizontal direction (the antenna board is arranged in parallel to the surface of the module board) The horizontal direction of the antenna board is the direction from the direction parallel to the surface of the module board) to the upward direction (the direction perpendicular to the surface of the module board), and the radiation to the module board side. This is because adverse effects are reduced.
また本発明は、前記アンテナモジュールにおいて、絶縁基板の裏面に半導体素子が搭載され、半導体素子と放射素子とが接続されていることを特徴とするものである。 In the antenna module, a semiconductor element is mounted on the back surface of the insulating substrate, and the semiconductor element and the radiating element are connected.
これにより、表面波に起因する不要電磁波の水平方向(モジュール基板の表面に平行な方向)から上方向(モジュール基板の表面に垂直な方向)にかけての放射を抑制できるだけでなく、半導体素子で放射素子から送受信される信号を低周波に変換しモジュール回路基板に伝送することが可能となり、アンテナ基板の端部から放射された不要電磁波の周波数とモジュール基板上の電気回路における周波数とを異ならせることができる。その結果、特にアンテナ基板近傍に実装した半導体素子への混信などの悪影響を抑制できる。 This not only suppresses radiation of unwanted electromagnetic waves caused by surface waves from the horizontal direction (direction parallel to the surface of the module substrate) to the upper direction (direction perpendicular to the surface of the module substrate), but also allows the semiconductor element to emit radiation. It is possible to convert the signal transmitted / received from the antenna to a low frequency and transmit it to the module circuit board, and to make the frequency of the unwanted electromagnetic wave radiated from the end of the antenna board different from the frequency in the electric circuit on the module board. it can. As a result, it is possible to suppress adverse effects such as interference with a semiconductor element mounted in the vicinity of the antenna substrate.
本発明によれば、表面波に起因するアンテナ基板端部からの不要電磁波の放射を抑制し、それによるアンテナ放射パターンの歪みを低減したアンテナモジュールを得ることができる。特に、放射素子としてパッチアンテナを用いた場合は表面波が発生しやすいので、表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制する本発明がより効果的となる。また、放射素子を被覆するように誘電体レンズを配置した構造においても一次放射アンテナの歪みの少ない放射パターンが重要なので、本発明が効果的である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the antenna module which suppressed the radiation | emission of the unnecessary electromagnetic wave from the antenna substrate edge part resulting from a surface wave, and reduced the distortion of the antenna radiation pattern by it can be obtained. In particular, when a patch antenna is used as a radiating element, surface waves are likely to be generated, and the present invention that suppresses radiation of unnecessary electromagnetic waves caused by surface waves becomes more effective. In addition, the present invention is effective because a radiation pattern with less distortion of the primary radiation antenna is important even in a structure in which a dielectric lens is disposed so as to cover the radiation element.
図1に本発明の一実施形態であるアンテナモジュールの説明図を示す。
本発明のアンテナモジュールは、絶縁基板11の表面または内部に放射素子(パッチ12)が設けられ、絶縁基板11の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜してなるアンテナ基板1が、モジュール基板2上に実装されたことを特徴とするものである。
FIG. 1 illustrates an antenna module according to an embodiment of the present invention.
The antenna module of the present invention includes an
アンテナ基板1を構成する絶縁基板11の材料は、高精度な積層構造や高密度多層配線が必要な場合、あるいは後述の半導体素子を収納する場合などその信頼性を考慮すればセラミックスが好ましい。一方、コストの点を考慮すれば有機材料が好ましい。セラミックスとしては、一般的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が挙げられる。特に、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ことから、導体層として銅や銀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。なかでも誘電損失の低い低温焼成セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン製有機基板が好ましい。
The material of the
モジュール基板2の材料も絶縁基板11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る。製造コストの点を考慮すればFR−4やFR−5などの安価な有機基板が好ましく、高信頼性を追求する場合は絶縁基板11とモジュール基板2の熱膨張係数を合わせるためにこれらを同じ材質とするのが好ましい。
Similarly to the
放射素子としては、パッチ導体12を絶縁基板11の表面に設けた構造が示され、図では複数個のパッチ導体12が設けられている。図に示すパッチ導体12はアンテナ基板1の表面に設けられているが、パッチ導体12の表面が例えば誘電体層で覆われ露出していない構造(内部に設けられた構造)であってもよく、パッチアンテナ以外にスロットアンテナや誘電体共振器アンテナなどの構造を用いてもよい。ただし、スロットアンテナや誘電体共振器アンテナに比してパッチアンテナの方が設計容易で給電構造が単純であり、また表層にパッチ導体がある場合、その寸法を測定することでアンテナ特性の予測ができ、製品の選別が容易になるのでパッチアンテナが好ましい。またパッチアンテナは、表面波の発生がスロットアンテナや誘電体共振器アンテナに比して顕著なため、本発明による効果が大きい。
As the radiating element, a structure in which a
なお、図では放射素子(パッチ導体12)への給電線は省略されているが、スロットやストリップライン、同軸などを用いることができ、特に給電方法に限定はない。また、放射素子の数も特に限定はない。 In the drawing, the power supply line to the radiating element (patch conductor 12) is omitted, but a slot, stripline, coaxial, or the like can be used, and the power supply method is not particularly limited. Further, the number of radiating elements is not particularly limited.
そしてアンテナ基板1は、絶縁基板の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜した構造になっている。
The
具体的には、図2に示すように弧状に形成されたものや、図3に示すように平坦部と傾斜部を有する形状、図4に示すようにアンテナ基板1の中央部が凹んだ形状、また図示しないが端部に向かって徐々に厚みが薄くなるような形状などが挙げられるが、製造面を考慮すると図2〜図4に示すように厚みが略一定の構造が好ましい。
Specifically, an arc shape as shown in FIG. 2, a shape having a flat portion and an inclined portion as shown in FIG. 3, or a shape where the central portion of the
なお、周辺部とは、後述の図2および図10の距離aで示されている領域をいう。 Note that the peripheral portion refers to a region indicated by a distance a in FIGS.
ここで、図2において、放射素子としてのパッチ導体12は絶縁基板11の表面に形成されているが、このパッチ導体12のうち最も絶縁基板11の端部に近い位置にあるものの中心部における高さと絶縁基板11の表面端部の高さとの差をb、このパッチ導体12から絶縁基板11の表面端部までの距離をaとしたとき、b/aが0.5%(例えば25μm/5mm)以上であることが好ましい。ただし、aがアンテナ基板1より送受信される信号の空気中における波長λ以上の場合は、a=λとする。また、長さbは0.2mm以下であるのが好ましい。b/aの比率が高くなり、長さbが0.2mmより大きくなると、絶縁基板11がセラミック基板ならば実装時の基板破壊が発生する恐れがあり、絶縁基板11が有機基板ならば表面実装の半田が接合できないなどの不良が発生する恐れがあるからである。
Here, in FIG. 2, the
このように絶縁基板11の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜した形状であることにより、アンテナ基板1を伝播する表面波に起因する不要電磁波が放射されるのを抑制、特に水平方向(アンテナ基板1はモジュール基板2の表面に平行に配置されており、アンテナ基板1水平方向とはモジュール基板2の表面に平行な方向)から上方向(モジュール基板2の表面に垂直な方向)にかけて放射されることを抑制することができ、アンテナ放射パターンの歪みを低減できる。これは傾斜部(反り)で表面波が反射され、再び基板内を伝播するうちに減衰してしまうこと、アンテナ基板1の表面端部が放射素子より低い位置となるような裏面側に傾斜した形状を有するため、減衰するが消滅しきれなかった不要電磁波がモジュール基板側に放射され、モジュール基板で散乱されることによる。
As described above, the surface of the peripheral portion of the insulating
なお、絶縁基板11の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜した構造は、絶縁基板11の周辺部の全領域に亘って形成されているのが好ましいが、全領域に限らず表面波の放射を抑制したい領域のみに形成されていてもよい。
Note that the structure in which the surface of the peripheral portion of the insulating
以下に、図2〜図4に示す傾斜形状(反り形状)の形成方法について説明する。
例えば、絶縁基板11がセラミック基板の場合、放射素子(パッチ導体12)が形成される面を下側にし、絶縁基板11端部にスペーサーをはめて焼成することにより傾斜形状を得ることができる。これは、高温時にセラミック基板が軟化し、重力でアンテナ基板中央部が下がるためである。
Below, the formation method of the inclination shape (warp shape) shown in FIGS. 2-4 is demonstrated.
For example, when the insulating
また、セラミック基板に形成されるメタライズの収縮率をメタライズ組成の変更により制御し、複数の誘電体層のうちの放射素子(パッチ導体12)が形成される面側に収縮しにくいメタライズを形成することで、傾斜形状を得ることができる。ここで、メタライズは必ずしも放射素子(パッチ導体12)形成面に形成する必要はなく、セラミック基板の厚み中心から放射素子側寄りの内層に形成してもよい。また、セラミック基板の厚み中心から放射素子と逆側寄りの内層に収縮しやすいメタライズを形成してもよい。なお、メタライズの収縮率制御の方法として、導体粉の粒径変更、メタライズペースト内の有機成分量変更、導体粉以外にガラス粉末やセラミックス粉末を添加する方法やそれらの粒径変更などが挙げられる。 Further, the shrinkage rate of the metallization formed on the ceramic substrate is controlled by changing the metallization composition, and the metallization that is difficult to shrink is formed on the side of the plurality of dielectric layers on which the radiation element (patch conductor 12) is formed. Thus, an inclined shape can be obtained. Here, the metallization is not necessarily formed on the surface on which the radiating element (patch conductor 12) is formed, and may be formed on the inner layer closer to the radiating element side from the thickness center of the ceramic substrate. Further, a metallization that easily contracts from the thickness center of the ceramic substrate to the inner layer on the opposite side of the radiating element may be formed. Examples of methods for controlling the shrinkage rate of metallization include changing the particle size of the conductor powder, changing the amount of organic components in the metallized paste, adding glass powder and ceramic powder in addition to the conductor powder, and changing the particle size thereof. .
また、誘電体層の焼成時の収縮率を制御し、放射素子側の誘電体層を収縮しにくい層構成としてもよく、放射素子(パッチ導体12)と逆側に収縮しやすい誘電体層を配してもよい。誘電体層の収縮率変更はメタライズの収縮率制御と同様に、粉体の粒径変更や有機成分量変更、組成変更による結晶化温度の変更などの方法が挙げられる。 In addition, the shrinkage rate during firing of the dielectric layer may be controlled, and the dielectric layer on the radiating element side may be configured to be difficult to contract, and a dielectric layer that is easily contracted to the side opposite to the radiating element (patch conductor 12) It may be arranged. The change in the shrinkage rate of the dielectric layer includes methods such as changing the particle size of the powder, changing the amount of organic components, and changing the crystallization temperature by changing the composition, in the same way as controlling the shrinkage rate of metallization.
また、焼成前にアンテナ基板1をプレス加工することで図2〜4に相応する形状に予め加工してから焼成してもよい。
Alternatively, the
一方、絶縁基板11が有機基板の場合は、熱硬化時の収縮率が異なる誘電体層を用いる方法や、プレス加工、所望の傾斜形状(反り形状)の基体に接合する方法などがある。
On the other hand, when the insulating
このように形成されたアンテナ基板1が、表面に回路パターンの形成されたモジュール基板2上に実装されて、アンテナモジュールが形成される。
The
図1には、アンテナ基板1がモジュール基板2に半田ボール3で実装された構成が示されている。その他の実装方法として、金リボンや金のワイヤーボンディング、LGAタイプやピンを用いるPGAタイプなどが挙げられるが、ローコストで特性安定性に優れる半田実装が好ましい。なお、前述のように、図では放射素子(パッチ導体12)への給電線は省略されているが、特に給電方法に限定はない。
FIG. 1 shows a configuration in which an
そして、図5は前述のアンテナモジュールに半導体素子を付加したアンテナモジュールである。すなわち、アンテナ基板1を構成する絶縁基板11の裏面に半導体素子4が搭載されており、この半導体素子4と表面に設けられた放射素子(パッチ導体12)とが接続された構造のアンテナモジュールとなっている。半導体素子4の実装部は凹んだ形状になっていてキャビティが形成されるとともに、このキャビティは封止キャップ5でカバーされており、湿気やゴミなどから守られている。この封止の形態としては、このようにキャビテイを設けた形状であってもよく、樹脂封止してもよい。
FIG. 5 shows an antenna module obtained by adding a semiconductor element to the antenna module described above. That is, an antenna module having a structure in which a
このような構造により、表面波に起因する不要電磁波の水平方向(モジュール基板の表面に平行な方向)から上方向(モジュール基板の表面に垂直な方向)にかけての放射を抑制できるだけでなく、半導体素子で放射素子から送受信される信号を低周波に変換しモジュール回路基板に伝送することが可能となり、アンテナ基板の端部から放射された不要電磁波の周波数とモジュール基板上の電気回路における周波数とを異ならせることができる。その結果、特にアンテナ基板近傍に実装した半導体素子への混信などの悪影響を抑制できる。 Such a structure not only suppresses radiation of unwanted electromagnetic waves caused by surface waves from the horizontal direction (direction parallel to the surface of the module substrate) to the upward direction (direction perpendicular to the surface of the module substrate), but also a semiconductor element. The signal transmitted and received from the radiating element can be converted to a low frequency and transmitted to the module circuit board, and the frequency of the unwanted electromagnetic wave radiated from the end of the antenna board is different from the frequency in the electric circuit on the module board. Can be made. As a result, it is possible to suppress adverse effects such as interference with a semiconductor element mounted in the vicinity of the antenna substrate.
なお、図示していないが、半導体素子4は放射素子(パッチ導体12)に直接あるいは他の半導体素子やフィルターなどのデバイスを介して接続されている。放射素子(パッチ導体12)と半導体素子4と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、ビア導体、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が用いられるが、特に線路は限定されない。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、ビア導体の代わりに、信号の損失低減のためにスロットを用いて電磁的に接続してもよい。
Although not shown, the
また、図5では半導体素子が1つしか搭載されていないが、この搭載数は問わず、増幅器、変復調器、信号処理素子、逓倍器などとして複数の半導体素子を搭載してもよい。そして、アンテナが送受信する信号の周波数と、アンテナ基板およびモジュール基板がやり取りする周波数とを異なるようにするために、アンテナ基板内に周波数変換器と局部発振器を実装してもよい。なお、発振器に直接シグナルを入れて変調する場合には周波数変換器は不要となる。また発振器としては、局部発振器と逓倍器を別に構成する場合やMMICとして一緒に作りこむ場合、周波数変換器など他の素子も含める場合、あるいはガンダイオードを用いる場合など様々な形態が採用できる。 Although only one semiconductor element is mounted in FIG. 5, a plurality of semiconductor elements may be mounted as amplifiers, modulators / demodulators, signal processing elements, multipliers, etc., regardless of the number of mounted semiconductor elements. A frequency converter and a local oscillator may be mounted in the antenna substrate so that the frequency of the signal transmitted and received by the antenna is different from the frequency transmitted and received by the antenna substrate and the module substrate. Note that when the signal is directly input to the oscillator and modulated, the frequency converter is not necessary. As the oscillator, various forms such as a case where the local oscillator and the multiplier are separately configured, a case where the local oscillator and the multiplier are formed together, a case where other elements such as a frequency converter are included, and a case where a Gunn diode is used can be adopted.
なお、放射素子を被覆するように誘電体レンズを配置した構造においても、本発明により一次放射アンテナの歪みが抑制され一様な放射パターンが得られるため、歪みを考慮したレンズの設計が不要になり、設計時間が短くなり、また歪み部分の放射パターンを近似してレンズ設計する必要がなくなり近似が不要になる分、レンズの特性を最大限に引き出せる。また不要電磁波の放射が抑制されることにより、周囲の状況や不要電磁波の放射状況の変化による、放射特性のバラツキが抑制され工程能力の高いアンテナ特性が得られる。 Even in a structure in which a dielectric lens is arranged so as to cover the radiating elements, distortion of the primary radiating antenna is suppressed and a uniform radiation pattern can be obtained by the present invention, so that it is not necessary to design a lens in consideration of the distortion. Thus, the design time is shortened, and it is not necessary to design the lens by approximating the radiation pattern of the distorted portion. Further, by suppressing the emission of unnecessary electromagnetic waves, variations in the radiation characteristics due to changes in the surrounding conditions and the emission conditions of unnecessary electromagnetic waves are suppressed, and antenna characteristics with high process capability can be obtained.
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有限要素法シミュレーションを行った。 In order to evaluate the antenna characteristics of the antenna module of the present invention, a finite element method simulation was performed.
アンテナ基板を構成する絶縁基板は比誘電率2.2のポリテトラフルオロエチレン製基板で構成しており、大きさは横17mm×縦8mmである。図6に示すように絶縁基板11の表層にはパッチ導体12とそれに給電するマイクロストリップライン13が設けられ、裏面にはグランド層15が設けられている。また、座標系を図7に、全体のモデル構成図を図8に示すように、マイクロストリップライン13への給電はスロット14を介し、WR−12方形導波管6より行われる。アンテナ基板1の下部にはモジュール基板(20mm×8mm)2を配しており、モジュール基板2上面は導体(図示しない)で覆われている。また、方形導波管6はX方向に1.548mm、Y方向に3.098mmの内径を有する形態であり、モジュール基板2を貫いて配置されている。そして、空気をモジュール基板2上面より上部に設け、空気の側面および上面は放射境界条件とした。なお、空気のxy方向の大きさはモジュール基板2と同じとした。アンテナ基板1の中心はマイクロストリップライン13とパッチ導体12との接続部である。マイクロストリップライン13の長さは2.4mm、幅0.06mm、スロット14は0.2mm×1.4mm、スロット14のX方向の中心はマイクロストリップライン13の端部から0.8mmの位置にある。アンテナ基板1の厚みはパッチ導体12とスロット14で挟まれる上層が0.5mm、下の層が0.4mmである。
The insulating substrate constituting the antenna substrate is a substrate made of polytetrafluoroethylene having a relative dielectric constant of 2.2, and the size is 17 mm wide × 8 mm long. As shown in FIG. 6, a
なお、パッチアンテナの給電は方形導波管6から行ったが、それは広帯域構造をシミュレーションで容易に作成できるためである。実用では、モジュール基板2がアンテナ基板1と表面実装等により接合され、その接合部から給電された信号がマイクロストリップライン、あるいはスロットライン、ストリップライン等を介してアンテナに給電される。また、アンテナ基板1に半導体素子4が搭載され、その半導体素子4で周波数変換が行われる場合には、モジュール基板2からアンテナ基板1へ伝送する信号は放射素子(パッチ導体12)から放射される信号に比べ低周波でよく、アンテナ基板1とモジュール基板2との接合は従来の表面実装技術で容易にできる。
The patch antenna is fed from the rectangular waveguide 6 because a broadband structure can be easily created by simulation. In practice, the
上記モデルを用いφ=0°(E面)方向(XY平面上)の放射パターンを計算した。Co−Poralizationの利得結果を図9に示す。横軸が角度θ(Z軸とのなす角)、縦軸が利得である。実線が本発明の請求範囲外であり、点線が図10に示すアンテナ基板構造での結果である。ここで、図10に示すaおよびbの値をb/a=0.2mm/4.286mm=4.67%とした。なお、aがアンテナ基板1より送受信される信号の空気中における波長λ以上の場合はa=λとするため、図10に示すように規定したものである。
The radiation pattern in the φ = 0 ° (E plane) direction (on the XY plane) was calculated using the above model. The gain result of Co-Poralization is shown in FIG. The horizontal axis is the angle θ (angle formed with the Z axis), and the vertical axis is the gain. The solid line is outside the claimed scope of the present invention, and the dotted line is the result of the antenna substrate structure shown in FIG. Here, the values of a and b shown in FIG. 10 were set to b / a = 0.2 mm / 4.286 mm = 4.67%. When a is equal to or greater than the wavelength λ in the air of the signal transmitted / received from the
図9に示す結果によれば、実線では±90°での利得が−2.49dB、−3.94dBであったのが、傾斜(反り)を設けることによりそれぞれ−7.48dB、−7.11dBと低減できる。また0度方向にあった放射パターンのくぼみが低減され、60度付近のサイドローブも低減でき、より凹凸の少ない放射パターンが得られている。 According to the results shown in FIG. 9, the gains at ± 90 ° on the solid line were −2.49 dB and −3.94 dB, but −7.48 dB and −7. It can be reduced to 11 dB. Further, the depression of the radiation pattern in the 0 degree direction is reduced, the side lobe near 60 degrees can be reduced, and a radiation pattern with less unevenness is obtained.
また、図10に示すb/aを変化させたときの±90°での利得を表1に示した。また、それをプロットしたのが図11である。
この結果から、絶縁基板の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜していない本発明範囲外の試料1に比して、傾斜している本発明範囲内の試料2〜6のほうがいい結果となることがわかり、特にb/aが0.5%以上であることが好ましいことがわかる。
From this result, the
1・・・・・アンテナ基板
11・・・・絶縁基板
12・・・・パッチ導体
13・・・・マイクロストリップライン
14・・・・スロット
2・・・・・モジュール基板
3・・・・・半田ボール
4・・・・・半導体素子
5・・・・・封止キャップ
6・・・・・方形導波管
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