JP2014087055A - 小型スロットアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】多層基板内に形成された小型スロットアンテナを提供する。
【解決手段】多層基板は順に、少なくとも１つの第１の導電層、第１の誘電体層、第２の導電層、第２の誘電体層及び第３の導電層を有し、アンテナは、第２の導電層内に実現されて当該アンテナの電源Ａに接続される第１のスロットライン３０と、第１及び第３の導電層内にそれぞれ実現された第２及び第３のスロットライン３１、３２とを有し、第２及び第３のスロットラインの各々は２つの導電ストリップによって画成され、該導電ストリップの給電側の第１の端部が、第２の導電層内に実現された窓部を通り抜けるビアによって相互接続され、第２の端部が第２の導電層に接続され、該第２の端部側で双方の導電ストリップは開回路又は短絡回路の何れかにある、第２及び第３のスロットラインとを有し、第１、第２及び第３のスロットラインの電気長は、当該アンテナの動作周波数での波長の関数である。
【選択図】図７

Description

本発明は、概して小型スロットアンテナに関する。本発明は、より具体的には多層基板にて実現される小型スロットアンテナに関する。

無線通信分野において、送信回路の容量を増大させ且つシステム全体の動作を向上させるために、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）回路の使用がますます多く為されるようになっている。ＭＩＭＯ回路の使用は、一般に、単一のボードに実現されるアンテナ数の増加をもたらす。また、その回路の集積化を容易にするよう、現在、アンテナは印刷回路基板すなわちＰＣＢ上に直接的に製造されている。しかしながら、物理法則を適用すると、アンテナの長さは波長の関数である。故に、例えば２．４ＧＨｚの周波数域にあるＷｉＦｉにおいて動作可能にするためには、λｇの関数としてのスロットアンテナの長さは数十ミリメートルになる。この長さは、大量生産で使用される印刷回路基板上にアンテナを集積しなければならないときに、無視できないものである。また、印刷回路基板は大抵、多層構造を有する基板によって構成されている。

故に、基板の多層構造を用いて小型スロットアンテナを製造するのに最も自然な考えは、図１及び２に示すようにしてスロットアンテナを折り返すことからなる。

図１には、２つの誘電体層ｄ１、ｄ２と３つの導電層Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３とを有する基板の断面図が図式的に示されている。このタイプの基板に小型スロットアンテナを製造するために、スロットライン１によって示されるように、スロットラインが導電層Ｍ３内に連続してエッチングされている。そして、誘電体層ｄ２を通り抜けた後、スロットラインは、導電層Ｍ２内に作製されたスロットライン２によって続けられる。そして、スロットラインは、誘電体層ｄ１を通り抜けて、導電層Ｍ１内に作製されたスロットライン３によって続けられる。スロットアンテナの給電点４は、スロットライン１の階層に形成されている。この給電は、“Ｋｎｏｒｒ”として知られる技術に従って、電磁カップリングによる標準的な手法で実現される。この場合、スロットライン１、２、３は重ね合わされており、給電点４とスロットライン３の短絡回路端との間の総電気長としてλｇ／２に等しい長さを有する。ただし、λｇは動作周波数でのスロット内の導波波長（guided wavelength）である。

図１に示したもののような二重に折り返されたスロットアンテナの更に詳細な描写を、図２の斜視図に示す。この例では、導電層Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のうち、本発明の正確な理解に必要な部分のみを示す。故に、スロットライン１が下側の導電層Ｍ３にエッチングされ、このスロットは一端で開回路にされ、図示しない他端は給電ラインに結合される。また、スロットライン２が、図示した形態ではＬ字形状を有する２つの導電ストリップＢ２、Ｂ’２によって画成される導電層Ｍ２にエッチングされる。次に、導電層Ｍ１に、やはりＬ字形状の２つの導電ストリップＢ３、Ｂ’３によって画成される第３のスロットライン３が作製される。２つの導電ストリップＢ３、Ｂ’３は、導電ストリップＢ”３によって示されるように、一方側に短絡回路端を有する。また、導電ストリップＢ３及びＢ２は、給電端側で、ビアＶ１によって相互に接続され、ビアＶ１それ自体は、導電層Ｍ３のアイソレートされた要素に接続されている。同様に、２つの導電ストリップＢ’３及びＢ’２は、ビアＶ’１によって、導電層Ｍ３のアイソレートされた要素に接続されている。

また、図２に示すように、開回路にあるスロットライン２を画成するストリップＢ２及びＢ’２の、他方の、反対側の端部は、それぞれビアＶ２及びＶ’２によって、導電層Ｍ１の２つのアイソレートされた要素と導電層Ｍ３とに接続されている。導電層Ｍ１の２つのアイソレートされた要素は、層Ｂ３及びＢ’３の延長にて実現されている。図２に示されるように、３つのスロットライン１、２、３は重ね合わされている。

給電点とスロット３の開回路端との間の３つのスロットライン１、２、３の電気長としてλｇ／２に等しい長さを有するこのタイプのアンテナを、２．４ＧＨｚ帯のＷｉＦｉ動作に関してシミュレーションした。シミュレーションは、０．５ｍｍだけ間隔を空けた複数のメタライゼーション階層を有する基板としてＦＲ４基板を用いることにより、電磁シミュレータＭｏｍｅｎｔｕｍ ｄ’Ａｇｉｌｅｎｔを用いて行った。この例では、図１及び２のもののような構造について、周波数の関数としてのインピーダンス整合曲線を図３に示す。この曲線は、ＷｉＦｉ帯域の周波数より高い２．８ＧＨｚの周波数に共振を有している。また、３．７ＧＨｚに向かって派生的なスプリアス共振が現れている。これは、このようなスロットラインの積み重ねによって生じるスロットアンテナの特殊な挙動である。

本発明は、故に、印刷回路基板の多層構造を使用して小型スロットアンテナを製造することを可能にし、それにより印刷回路基板のサイズを制限すること及び／又は複数のアンテナを集積することを可能にする、スロットラインを折り返す新たなソリューションを提案する。この新たなソリューションは、上述の問題を有しないものである。

本発明は、多層基板内に形成されるスロットアンテナに関し、多層基板は順に、少なくとも１つの第１の導電層、第１の誘電体層、第２の導電層、第２の誘電体層、及び第３の導電層を有し、当該アンテナは、第２の導電層内に実現された第１のスロットラインであり、当該アンテナの電源に接続される第１のスロットラインと、第１及び第３の導電層内にそれぞれ実現された第２及び第３のスロットラインであり、該第２及び第３のスロットラインの各々が２つの導電ストリップによって画成され、該導電ストリップの給電側の第１の端部が、第２の導電層内に実現された窓部を通り抜けるビアによって相互接続され、第２の端部が第２の導電層に接続され、該第２の端部側で双方の導電ストリップは開回路又は短絡回路の何れかにある、第２及び第３のスロットラインと、を有し、第１、第２及び第３のスロットラインの電気長は、当該アンテナの動作周波数での波長の関数である。

第１、第２及び第３のスロットラインは重ね合わされ、当該スロットアンテナの動作周波数での波長λｇの関数としての総電気長を有する。

一実施形態によれば、ｋは整数であるとして第１、第２及び第３のスロットラインの電気長がｋλｇ／２に等しいとき、第２のスロットライン又は第３のスロットラインの一方は短絡回路にある。

他の一実施形態において、ｋ’は奇数の整数であるとして第１、第２及び第３のスロットラインの電気長がｋ’λｇ／４に等しいとき、第２のスロットライン又は第３のスロットラインの一方は開回路にある。

古典的には、アンテナの電源へのスロットラインのカップリングは、“Ｋｎｏｒｒ”原理の名の下で知られる技術に従って、第１又は第３の導電層の何れか上で実現されるマイクロストリップを用いた電磁カップリングによって実現されている。

本発明は、後述の実施形態に従って基板上に実現される少なくとも１つのスロットアンテナを有した、多層基板上に実現される印刷回路基板に関する。

本発明はまた、上述の印刷回路基板を組み込んだ端末に関する。

添付図面を参照して為される様々な実施形態の説明を読むことにより、本発明のその他の特徴及び利点が明らかになる。
当業者によって自然に実現されるような折り返しスロットアンテナの一形態を示す断面図である。 図１のアンテナの図式的な斜視図である。 図１及び２に示したアンテナの、周波数の関数としての、ｄＢ単位でのインピーダンス整合を示す図である。 本発明に係るスロットアンテナの第１実施形態を示す図式的な断面図である。 本発明に係るスロットアンテナの第２実施形態を示す図式的な断面図である。 図４Ａに示したアンテナの斜視図である。 図４Ｂに示したアンテナの斜視図である。 図５Ａに示したスロットアンテナの周波数の関数としてのインピーダンス整合を示す曲線である。 図５Ｂに示したスロットアンテナの周波数の関数としてのインピーダンス整合を示す曲線である。 本発明に係るスロットアンテナの他の一実施形態を示す上面図及び斜視図である。 図７のスロットアンテナの、周波数の関数としての、（Ａ）インピーダンス整合曲線と、（Ｂ）指向性及び利得の曲線とを示す図である。 上述のようなアンテナを実装したＰＣＢ回路を図式的に示す図である。

先ず、図４−６を参照して、多層基板上に実現される電気長λｇ／２の小型スロットアンテナの２つの実施形態を説明する。

より具体的に図４Ａ及び４Ｂに示すように、多層基板は、２つの誘電体層ｄ１及びｄ２と３つの導電層とを有する基板である。これら３つの導電層は、誘電体層ｄ１の上面上の上部導電層Ｍ１、誘電体層ｄ１と誘電体層ｄ２との間の中間導電層Ｍ２、及び、誘電体層ｄ２の下面上の下部導電層Ｍ３である。

図４Ａの実施形態において、スロットアンテナは先ず、中間導電層Ｍ２内にエッチングされるスロットライン１０によって形成される。スロットライン１０は、マイクロストリップ技術にて誘電体層ｄ１の上面又は誘電体層ｄ２の下面の何れかに実現される給電ラインとの電磁カップリングによって、給電点１３にて給電される。アンテナのこの給電モードは、単に例示目的で与えられるものである。

第１実施形態において、スロットライン１０は、上部導電層Ｍ１内に実現されるスロットライン１１によって続けられ、次いで、下部導電層Ｍ３内に実現されるスロットライン１２によって続けられる。スロットライン１０、１１、１２は重ね合わされており、それらの総電気長は、動作周波数での波長をλｇとして、ｋλｇ／２に等しい。

より具体的には、図５Ａに示すように、導電層Ｍ１内に実現されるスロットライン１１は、図示した実施形態においてはＬ字形状を有する２つの導電ストリップＢ１１及びＢ’１１によって画成される。また、下部導電層Ｍ３内に、Ｌ字形状を有する２つの導電ストリップＢ１２及びＢ’１２によって画成されるスロットライン１２が実現されている。これら２つの導電ストリップＢ１２及びＢ’１２は導電ストリップＢ”１２によって相互接続されており、故に、スロットライン１２は短絡回路にて終端している。また、放射スロットラインを得るため、これらの様々な導電ストリップが以下のようにして相互接続される。

図５Ａに示すように、中間導電層Ｍ２は、スロットライン１０の各々の側に、給電側の２つのウィンドウ（窓部）Ｆ、Ｆ’を有し、それぞれを、導電ストリップＢ１２の端部のうちの一方を導電ストリップＢ１１の対応する端部に接続するビアＶ、導電ストリップＢ’１２の端部のうちの一方を導電ストリップＢ’１１の対応する端部に接続するビアＶ’が通り抜けている。また、導電ストリップＢ１１の自由端は、ビアＶ”を介して、中間導電層Ｍ２と、導電ストリップＢ１２の延長にある導電層Ｍ３のアイソレートされた要素ＥＭ３とに接続されている。同様に、導電ストリップＢ’１１の自由端は、ビアＶ”を介して、中間導電層Ｍ２と、導電ストリップＢ’１２の延長にある導電層Ｍ３のアイソレートされた要素ＥＭ３’とに接続されている。これは、図４Ａに矢印で示したような、様々なスロットライン１０、１１、１２間の接続、を得ることを可能にする。

続いて、図５Ｂを参照して、電気長λｇ／２のスロットアンテナの第２実施形態を説明する。この例では、図４Ｂに示すように、先ず中間導電層Ｍ２内にスロットライン２０がエッチングされ、給電点２３が、図４Ａの実施形態の給電点１３と同様に実現される。この例では、下部導電層Ｍ３内に第２のスロットライン２１が実現される。図５Ｂに示すように、このスロットライン２１は、２つの導電ストリップＢ２１、Ｂ’２１によって画成される。第３のスロットライン２２が上部導電層Ｍ１内に実現される。図５Ｂに示すように、このスロットライン２２は、給電点の反対側で短絡回路のスロットラインを形成する導電要素Ｂ”２２によって相互接続される２つの導電ストリップＢ２２、Ｂ’２２によって画成される。図５Ａの実施形態においてのように、導電ストリップはＬ字形状を有している。また、図５Ｂに示すように、中間導電層Ｍ２は２つのウィンドウＦ、Ｆ’を有しており、これらはそれぞれ、Ｌ字形状部分の下側アームのレベルでの、導電ストリップＢ２１と導電ストリップＢ２２との相互接続のためのビアＶ、及び導電ストリップＢ’２１と導電ストリップＢ’２２との相互接続のためのビアＶ’の通過を可能にしている。さらに、図４Ｂに矢印で表したようなスロットライン２０、２１、２２の接続を得るために、導電ストリップＢ２２、Ｂ’２２の延長にそれぞれある、ともに第１の導電層Ｍ１内に実現された、アイソレートされた導電要素ＥＭ１及びアイソレートされた導電要素ＥＭ１’が、それぞれビアＶ”及びＶ’’’によって、第２の導電層Ｍ２とそれぞれ導電ストリップＢ２１及び導電ストリップＢ’２１とに接続されている。

これら２つの構造を、図１に示した基板と同じ基板上に図４Ａ及び４Ｂのアンテナを実現し、図２に示したアンテナに関して使用したのと同じシミュレーション方法を用いることによってシミュレーションした。
この例において、図６Ａ及び６Ｂは、図５Ａ及び５Ｂのスロットアンテナの周波数の関数としてのインピーダンス整合曲線を示している。見て取れるように、この例において、インピーダンス整合曲線は、所望のＷｉＦｉ周波数に一致する２．５ＧＨｚの周波数で共振を示している。図３の曲線との関係において、図６Ａ及び６Ｂではスプリアス共振がないことが観察されるが、これは、単一層上に印刷される基本的なスロットアンテナと同様の応答である。また、図３においては共振周波数が図６Ａ及び６Ｂで観察される共振周波数より高くなっているが、これは、単一のスロットライン総長さに関するものである。等しい共振周波数において、本発明の双方の実施形態は、より小型化されたアンテナサイズを伴う。

続いて、図７及び８を参照して、λｇ／４の電気長を有するスロットアンテナを説明する。

図７の左側部分に図式的に示すように、先ず、給電ラインＡによって給電されるスロットライン３０が中間導電層Ｍ２内に実現される。給電ラインＡは、スロットライン３０との例えばＫｎｏｒｒに従った電磁カップリングを実現するように、マイクロストリップ技術にて上部導電層Ｍ１内に実現される。

図７の右側部分に図式的に示すように、上部導電層Ｍ１内には、２つの導電ストリップＢ３１、Ｂ’３１によって画成されるスロットライン３１が実現されている。このスロットライン３１は、図７に示すように、開回路にて終端している。

また、導電層Ｍ３内に、２つの導電ストリップＢ３２及びＢ’３２によって画成されるスロットライン３２が実現されている。導電ストリップＢ３１、Ｂ’３１、Ｂ３２及びＢ’３２は全て、それらの相互接続を容易にするよう、概してＬ字形状である。

図７に示すように、導電ストリップＢ３１、Ｂ’３１の各々の延長に、それぞれ、導電層Ｍ１内のアイソレートされた要素ＥＭ１、ＥＭ１’が実現されている。これらの要素ＥＭ１及びＥＭ１’は、それぞれ、ビアＶ”及びＶ’’’によって導電ストリップＢ３２及びＢ’３２の端部に接続されるが、これらのビアは中間導電層Ｍ２には接続されない。また、図７に示すように、導電ストリップＢ３２、Ｂ３１、Ｂ’３２、Ｂ’３１の他方の端部は、ビアＶ及びＶ’によって接続されている。ビアＶ及びＶ’はまた、図７に示すように、主の中間導電層Ｍ２に割り込まされたアイソレートされた要素ＥＭ２、ＥＭ２’にも接続されている。

この例において、３つのスロットライン素子３０、３１、３２の総電気長は、動作周波数での波長をλｇとして、λｇ／４に等しい。このタイプのスロットアンテナを、図２又は５に示したスロットアンテナに対してと同じ基準及び同じツールを用いてシミュレーションした。

図８（Ａ）は、図７に示したスロットアンテナの周波数に従ったインピーダンス整合曲線を示している。この図８（Ａ）は、ＷｉＦｉで使用される周波数に一致する２．４ＧＨｚと２．５ＧＨｚとの間の周波数で共振を示している。このアンテナは、動作帯域内で−１０ｄＢ未満のインピーダンス整合を有する。また、図７のアンテナは、図８（Ｂ）に示すような利得及び指向性を有する。得られた利得の値（およそ２ｄＢｉ）及び指向性の値（およそ３．５ｄＢｉ）は、非折り返し式のスロットアンテナのそれらに迫るものである。

続いて、図９を参照して、図７に示したように折り返された１／４波長スロットアンテナの実装を手短に説明する。この実装は、例えばＭＩＭＯ２×２アプリケーションで使用される。１つの導電層及び２つの外側の導電層によって離隔された少なくとも２つ誘電体層を有する多層基板を有した、ＰＣＢと表記した印刷回路基板上に、２つの１／４波長アンテナＡ１及びＡ２が実現される。これらのアンテナはスロットＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４によってアイソレートされる。図９のアンテナは、４０ｍｍ×１２０ｍｍの寸法を有する回路上に実現され得る。図９に示したもののようなアンテナを用いて実現されるアンテナシステムの２．４−２．５ＧＨｚ帯域での性能は、以下の通りである：
−１４ｄＢより低い損失レベル；
１７ｄＢより高いアンテナアイソレーション；
３ｄＢｉより高い指向性、及び２ｄＢｉに近い利得；
標準的な放射パターン。

その小型性により、折り返しスロットアンテナは、数ある利点の中でとりわけ、電子基板上での配置や向きの多大なる柔軟性を実現する。これは、例えば特定のカバレッジ要求を満たすものであり、あるいは、小型化された低コストのエレクトロニクス製品に特有の機械的応力が頻繁に生じるゾーンをマスキングすることを回避するものである。

故に、特定の折り返しを用いて多層基板内にスロットアンテナを実現することにより、アンテナの総電気長より遙かに短い物理長を有する小型のスロットアンテナを得ることが可能である。

１０、１１、１２、２０、２１、２２、３０、３１、３２ スロットライン
１３、２３ 給電点
ｄ１、ｄ２ 誘電体層
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ 導電層
Ｂ 導電ストリップ
ＥＭ アイソレートされた要素
Ｆ ウィンドウ（窓部）
Ｖ ビア

Claims (8)

1. 多層基板内に形成されたスロットアンテナであって、
   前記多層基板は順に、少なくとも１つの第１の導電層、第１の誘電体層、第２の導電層、第２の誘電体層、及び第３の導電層を有し、
   当該アンテナは、
   前記第２の導電層内に実現された第１のスロットラインであり、当該アンテナの電源に接続される第１のスロットラインと、
   前記第１及び第３の導電層内にそれぞれ実現された第２及び第３のスロットラインであり、該第２及び第３のスロットラインの各々が２つの導電ストリップによって画成され、該導電ストリップの給電側の第１の端部が、前記第２の導電層内に実現された窓部を通り抜けるビアによって相互接続され、第２の端部が前記第２の導電層に接続され、該第２の端部側で双方の導電ストリップは開回路又は短絡回路の何れかにある、第２及び第３のスロットラインと、
   を有し、
   前記第１、第２及び第３のスロットラインの電気長は、当該アンテナの動作周波数での波長の関数である、
   スロットアンテナ。
2. 前記第１、第２及び第３のスロットラインは重ね合わされている、ことを特徴とする請求項１に記載のスロットアンテナ。
3. 前記第１、第２及び第３のスロットラインの全てが、当該スロットアンテナの動作周波数での波長λｇの関数としての総電気長を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスロットアンテナ。
4. ｋは整数であるとして前記第１、第２及び第３のスロットラインの前記電気長がｋλｇ／２に等しいとき、前記第２のスロットライン又は前記第３のスロットラインの一方は短絡回路にある、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のスロットアンテナ。
5. ｋ’は整数であるとして前記第１、第２及び第３のスロットラインの前記電気長がｋ’λｇ／４に等しいとき、前記第２のスロットライン又は前記第３のスロットラインの一方は短絡回路にある、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のスロットアンテナ。
6. 印刷回路基板であり、当該印刷回路基板内に請求項１乃至５の何れか一項に記載のスロットアンテナが少なくとも１つ実現された印刷回路基板。
7. アイソレーションスロットによって分離された少なくとも２つの前記スロットアンテナを有する請求項６に記載の印刷回路基板。
8. 請求項６又は７に記載の印刷回路基板を組み込んだ端末。

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