JP2015092658A

JP2015092658A - アンテナ基板

Info

Publication number: JP2015092658A
Application number: JP2014194611A
Authority: JP
Inventors: 澤　義信; Yoshinobu Sawa; 義信澤
Original assignee: Kyocera Circuit Solutions Inc
Current assignee: Kyocera Circuit Solutions Inc
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2015-05-14

Abstract

【課題】広い周波数帯域において良好な電波の送受信を行なうことが可能な広帯域のアンテナ基板を提供すること。
【解決手段】第１のパッチ導体４ａおよび第２のパッチ導体４ｂの形成位置にかぶさるように配置された第３のパッチ導体４ｃにおけるストリップ導体３の延在方向に直角な方向の両側に第１のパッチ導体４ａおよび第２のパッチ導体４ｃが形成された位置にかぶさらないように配置された補助パッチ導体７を備える。このように配置された第１〜第３のパッチ導体４ａ〜４ｃおよび補助パッチ導体７で複合的な共振が良好に起こり、そのため広い周波数帯域において良好な信号の送受信を行なうことが可能な広帯域のアンテナ基板を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体層と導体層とを多層に積層することにより形成したアンテナ基板に関するものである。

従来、アンテナ基板は、例えば図５（ａ）、（ｂ）に断面図および上面図で、図６に分解斜視図で示すように、多数の誘電体層１１ａ〜１１ｅが積層された誘電体基板１１と、シールド用の接地導体層１２と、高周波信号を入出力するためのストリップ導体１３と、電磁波を送受信するためのパッチ導体１４とを備えている。

誘電体基板１１は、例えば５層の誘電体層１１ａ〜１１ｅを上下に積層して成る。誘電体層１１ａ〜１１ｅは、例えば、ガラスクロス入りの樹脂層やガラスクロスを含まない樹脂により形成されている。

接地導体１２は、最下層の誘電体層１１ａの下面の全面に被着されている。接地導体１２は、例えば銅から成る。

ストリップ導体１３は、誘電体層１１ａを挟んで接地導体１２と対向しており、誘電体層１１ａと１１ｂとの間に配設されている。ストリップ導体１３は、誘電体基板１１の内部を外周縁から中央部にかけて一つの方向に延びる細い帯状の導体であり、誘電体基板１１の中央部に終端部１３ａを有している。ストリップ導体１３は、例えば銅から成る。

パッチ導体１４は、第１のパッチ導体１４ａと第２のパッチ導体１４ｂと第３のパッチ導体１４ｃとから構成されている。これらのパッチ導体１４ａ〜１４ｃは、四角形をしている。パッチ導体１４ａ〜１４ｃは、例えば銅から成る。

第１のパッチ導体１４ａは、ストップ導体１３の終端部１３ａの位置にかぶさるようにして誘電体層１１ｃと１１ｄとの間に配設されている。第１のパッチ導体１４ａは、誘電体層１１ｃを貫通する貫通導体１５および誘電体層１１ｂを貫通する貫通導体１６を介してストリップ導体１３の端部１３ａに接続されている。

第２のパッチ導体１４ｂは、第１のパッチ導体１４ａの位置にかぶさるようにして誘電体層１１ｄと１１ｅとの間に配置されている。第２のパッチ導体１４ｂは、直流的には電気的に独立している。

第３のパッチ導体１４ｃは、第２のパッチ導体１４ｂの位置にかぶさるようにして誘電体層１１ｅの上面に配設されている。第３のパッチ導体１４ｃは、直流的には電気的に独立している。

このアンテナ基板においては、ストリップ導体１３に高周波信号を給電すると、その信号が貫通導体１５および１６を介して第１のパッチ導体１４ａに伝わり、それが第１のパッチ導体１４ａならびに第２のパッチ導体１４ｂおよび第３のパッチ導体１４ｃを介して電磁波として外部に放射される。ところで、このようなアンテナ基板において、第１のパッチ導体１４ａの他に、直流的には電気的に独立した第２のパッチ導体１４ｂおよび第３のパッチ導体１４ｃを備えているのは、このような構成によりアンテナの周波数帯域を広帯域化することができるためである。

しかしながら、例えば、ワイヤレスパーソナルエリアネットワークでは、使用される周波数帯域が各国で異なり、一つのアンテナ基板を全世界で使用可能とするためには５７〜６６ＧＨｚの広い周波数帯域をカバーする必要がある。そのためには、従来のアンテナ基板よりも更に広い周波数帯域を持つアンテナ基板を提供する必要がある。

特開平５−１４５３２７号公報

本発明の課題は、例えば５７〜６６ＧＨｚの広い周波数帯域においても良好な信号の送受信を行なうことが可能な広帯域のアンテナ基板を提供することにある。

本発明のアンテナ基板は、第１の誘電体層と、該第１の誘電体層の上面に、終端部を有するように配置されており、該終端部に向けて第１の方向に延在する帯状のストリップ導体と、前記第１の誘電体層の下面側に配置されたシールド用の接地導体層と、前記第１の誘電体層および前記ストリップ導体の上面側に積層された第２の誘電体層と、該第２の誘電体層の上面に前記終端部の位置にかぶさるように配置された第１のパッチ導体と、前記第２の誘電体層を貫通して前記終端部と前記第１のパッチ導体とを接続する貫通導体と、前記第２の誘電体層および第１のパッチ導体上に積層された第３の誘電体層と、該第３の誘電体層の上面に、前記第１のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさるように配置されており、直流的に独立した第２のパッチ導体と、前記第３の誘電体層および第２のパッチ導体上に積層された第４の誘電体層と、該第４の誘電体層の上面に、前記第２のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさるように配置されており、直流的に独立した第３のパッチ導体とを備えて成るアンテナ基板であって、前記第４の誘電体層の上面に、前記第３のパッチ導体における前記第１の方向と直交する方向の両側に前記第１のパッチ導体および第２のパッチ導体が形成された位置にかぶさらないように配置されており、直流的に独立した補助パッチ導体を備えることを特徴とするものである。

本発明の別のアンテナ基板は、第１の誘電体層と、該第１の誘電体層の上面に、終端部を有するように配置されており、該終端部に向けて第１の方向に延在する帯状のストリップ導体と、前記第１の誘電体層の下面側に配置されたシールド用の接地導体層と、前記第１の誘電体層および前記ストリップ導体の上面側に積層された第２の誘電体層と、該第２の誘電体層の上面に前記終端部の位置にかぶさるように配置された第１のパッチ導体と、前記第２の誘電体層を貫通して前記終端部と前記第１のパッチ導体とを接続する貫通導体と、前記第２の誘電体層および第１のパッチ導体上に積層された第３の誘電体層と、該第３の誘電体層の上面に、前記第１のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさるように配置されており、直流的に独立した第２のパッチ導体とを備えて成るアンテナ基板であって、前記第３の誘電体層の上面に、前記第２のパッチ導体における前記第１の方向と直交する方向の両側に前記第１のパッチ導体が形成された位置にかぶさらないように配置されており、直流的に独立した補助パッチ導体を備えることを特徴とするものである。

本発明のアンテナ基板によれば、第１のパッチ導体および第２のパッチ導体の形成位置に少なくとも一部がかぶさるように配置された第３のパッチ導体におけるストリップ導体の延在方向に直交する方向の両側に、第１のパッチ導体および第２のパッチ導体が形成された位置にかぶさらないように配置された補助パッチ導体を備えることから、このように配置された第１〜第３のパッチ導体および補助パッチ導体で複合的な共振が良好に起こり、そのため例えば、５７〜６６ＧＨｚの広い周波数帯域において良好な信号の送受信を行なうことが可能な広帯域のアンテナ基板を提供することができる。

また、本発明の別のアンテナ基板によれば、第１のパッチ導体の形成位置に少なくとも一部がかぶさるように配置された第２のパッチ導体におけるストリップ導体の延在方向に直交する方向の両側に、第１のパッチ導体が形成された位置にかぶさらないように配置された補助パッチ導体を備えることから、このように配置された第１，第２のパッチ導体および補助パッチ導体で複合的な共振が良好に起こり、そのため例えば、５７〜６６ＧＨｚの広い周波数帯域において良好な信号の送受信を行なうことが可能な広帯域のアンテナ基板を提供することができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明のアンテナ基板の実施形態の一例を示す断面図および上面図である。図２は、図１に示すアンテナ基板の分解斜視図である。図３は、本発明のアンテナ基板による解析モデルおよび従来のアンテナ基板による解析モデルを用いて信号の反射損をシミュレーションした結果を示すグラフである。図４（ａ）、（ｂ）は、本発明のアンテナ基板の実施形態の別の例を示す断面図および上面図である。図５は、従来のアンテナ基板を示す断面図および上面図である。図６は、図５に示すアンテナ基板の分解斜視図である。図７は、本発明のアンテナ基板のさらに別の例を示す上面図である。

次に、本発明のアンテナ基板の実施形態の一例を添付の図面を基に説明する。本例のアンテナ基板は、図１（ａ）、（ｂ）に断面図および上面図で、図２に分解斜視図で示すように、多数の誘電体層１ａ〜１ｅが積層された誘電体基板１と、シールド用の接地導体層２と、高周波信号を入出力するためのストリップ導体３と、電磁波を送受信するためのパッチ導体４とを備えている。

誘電体層１ａ〜１ｅは、例えばガラスクロスにエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂、アリル変性ポリフェニレンエーテル樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂系の誘電体材料から成る。誘電体層１ａ〜１ｅの厚みは、それぞれ３０〜１００μｍ程度である。誘電体層１ｃ〜１ｅの比誘電率は、３〜５程度である。

接地導体２は、最下層の誘電体層１ａの下面の全面に被着されている。接地導体２は、シールドとして機能する。接地導体２の厚みは、５〜２０μｍ程度である。接地導体２は、例えば銅から成る。

ストリップ導体３は、誘電体層１ａを挟んで接地導体２と対向しており、誘電体層１ａと１ｂとの間に配設されている。ストリップ導体３は、誘電体基板１の中央部に終端部３ａを有する細い帯状の導体であり、誘電体基板１の内部を終端部３ａに向けて一方向（以後、第１の方向と称する）に延びている。ストリップ導体３は、本例のアンテナ基板において、高周波信号を入出力するための伝送路として機能し、このストリップ導体３に高周波信号が伝送される。ストリップ導体３の幅は、５０〜３５０μｍ程度である。ストリップ導体３の厚みは、５〜２０μｍ程度である。ストリップ導体３は、例えば銅から成る。

パッチ導体４は、第１のパッチ導体４ａと第２のパッチ導体４ｂと第３のパッチ導体４ｃとから構成されている。これらのパッチ導体４ａ〜４ｃは、直流的には電気的に互いに独立している。パッチ導体４ａ〜４ｃは、ストリップ導体３が延在する第１の方向に平行な辺（以後、縦辺と称する）と、第１の方向に対して直角な方向に平行な辺（以後、横辺と称する）とを有する四角形をしている。パッチ導体４ａ〜４ｃの各辺の長さは、０．５〜５ｍｍ程度である。パッチ導体４ａ〜４ｃの厚みは、それぞれ５〜２０μｍ程度である。パッチ導体４ａ〜４ｃは、例えばそれぞれ銅から成る。

第１のパッチ導体４ａは、ストップ導体３の終端部３ａの位置にかぶさるようにして誘電体層１ｃと１ｄとの間に配設されている。そのため、第１のパッチ導体４ａとストリップ導体３との間には、２層の誘電体層１ｂ，１ｃが介在している。第１のパッチ導体４ａは、誘電体層１ｃを貫通する貫通導体５および誘電体層１ｂを貫通する貫通導体６を介してストリップ導体３の端部３ａに接続されている。なお、貫通導体５は、直径が５０〜２００μｍ程度で、厚みが５〜２０μｍ程度の円筒状である。貫通導体６は、直径が３０〜１００μｍ程度の円柱状または円錐台状である。貫通導体５，６は、例えばそれぞれ銅から成る。そして、第１のパッチ導体４ａは、ストリップ導体３からの高周波信号の供給を受けて電磁波を外部に放射する。あるいは、外部からの電磁波を受けてストリップ導体３に高周波信号を発生させる。

第２のパッチ導体４ｂは、第１のパッチ導体４ａの位置にかぶさるようにして誘電体層１ｄと１ｅとの間に配置されている。これにより第２のパッチ導体４ｂは、誘電体層１ｄを挟んで第１のパッチ導体４ａと静電容量結合している。そして、第２のパッチ導体４ｂは、第１のパッチ導体４ａからの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を外部に放射する。あるいは外部からの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を第１のパッチ導体４ａに供給する。なお、第２のパッチ導体４ｂは、その各辺が第１のパッチ導体４ａの各辺よりも０．０５〜０．５ｍｍ程度ずつ大きいことが好ましい。

第３のパッチ導体４ｃは、第２のパッチ導体４ｂの位置にかぶさるようにして最上層の誘電体層１ｅの上面に配設されている。これにより第３のパッチ導体４ｃは、誘電体層１ｅを挟んで第２のパッチ導体４ｂと静電容量結合している。そして、第３のパッチ導体４ｃは、第２のパッチ導体４ｂからの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を外部に放射する。あるいは外部からの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を第２のパッチ導体４ｂに供給する。なお、第３のパッチ導体４ｃは、その各辺が第２のパッチ導体４ｂの各辺よりも０〜０．５ｍｍ程度ずつ大きいことが好ましい。

さらに、本例においては、最上層の誘電体層１ｅの上面に補助パッチ導体７が配設されている。補助パッチ導体７は、第３のパッチ導体４ｃにおけるストリップ導体３が延在する方向と直交する方向の両側に、第３のパッチ導体４ｃから０．１〜１ｍｍ程度の間隔を空けてそれぞれ１個ずつが配設されている。補助パッチ導体７は、第３のパッチ導体４ｃの縦辺に平行な縦辺および第３のパッチ導体４ｃの横辺に平行な横辺を有する１辺の長さが０．１〜５ｍｍ程度の四角形であり、第１および第２のパッチ導体４ａ，４ｂが形成された位置にかぶさらないように配置されている。

このように、最上層の誘電体層１ｅの上面に補助パッチ導体７を、第３のパッチ導体４ｃにおけるストリップ導体３が延在する方向に直角な方向の両側に、第１および第２のパッチ導体４ａ，４ｂが形成された位置にかぶさらないように配置すると、例えばパッチ導体４ａ〜４ｃを介して高周波信号に対応する電磁波を放射する場合に、下側のパッチ導体４ａから上側のパッチ導体４ｂ，４ｃの外周縁に沿って順次拡がるように電磁波が放射されるとともに第３のパッチ導体４ｃと補助パッチ導体７との間および補助パッチ導体７の端部を介して複合的な共振が起こり放射されるので、第１〜第３のパッチ導体４ａ〜４ｃおよび補助パッチ導体７を介して放射される高周波信号の周波数帯域が広いものとなる。

なお、補助パッチ導体７の縦辺は、第３のパッチ導体４ｃの縦辺と同じ長さであることが好ましく、また補助パッチ導体７の横辺は、第３のパッチ導体４ｃの横辺より短いことが好ましい。また、第２のパッチ導体４ｂの短辺を第１のパッチ導体４ａの短辺よりも長いものとし、さらに第３のパッチ導体４ｃの縦辺を第２のパッチ導体の短辺以上の長さとし、第３のパッチ導体４ｃの横辺の長さを第２のパッチ導体４ｂの横辺の長さより長くし、第２のパッチ導体４ｂの横辺の長さを第１のパッチ導体４ａの横辺の長さよりも長くすることが好ましい。このようにすることにより、第１〜第３のパッチ導体４ａ〜４ｃおよび補助パッチ導体７を介して放射される高周波信号の周波数帯域をさらに広いものとすることができる。

ここで、本発明者が図１に示した本発明のアンテナ基板および図５に示した従来のアンテナ基板をモデル化した解析モデルにおいて、電磁界シミュレータによりストリップ導体に高周波信号を入力した場合の反射損をシミュレーションした結果を図３に示す。図３において、実線で示したグラフが本発明のアンテナ基板による解析モデルの反射損であり、破線で示したグラフが従来のアンテナ基板による解析モデルの反射損である。図３において、ハッチングを入れた領域内が要求される特性領域を示している。５７ＧＨｚ〜６６ＧＨｚの周波数帯域において反射損−１０ｄＢ以下が要求される。図３から明らかなように、従来のアンテナ基板による解析モデルでは、アンテナ基板に要求される反射損−１０ｄＢ以下の帯域が約６０〜６４ＧＨｚの狭い帯域であるのに対し、本発明のアンテナ基板による解析モデルでは、反射損−１０ｄＢ以下の帯域が約５６．５〜６７ＧＨｚと広い帯域であることが分かる。

なお、本発明のアンテナ基板による解析モデルにおいては、図１における誘電体層１ａ〜１ｅの比誘電率を３．３５とした。誘電体層１ａ，１ｂおよび１ｄ，１ｅの厚みをそれぞれ５０μｍ、誘電体層１ｃの厚みを１００μｍとした。ストリップ導体３、接地導体層２、パッチ導体４ａ〜４ｃおよび７は、銅により形成したものとし、その厚みをそれぞれ１８μｍとした。ストリップ導体３は、幅を８５μｍ、長さを３ｍｍとし、誘電体層１ａと１ｂとの間を誘電体基板１の外周縁から中央部に向けて一方向に延在し、終端部３ａが誘電体基板１の中央部に位置するように配置した。ストリップ導体３の終端部３ａに直径が１８０μｍの円形のランドパターンを設けた。

第１のパッチ導体４ａは、ストリップ導体３の延在方向に平行な縦辺を１ｍｍ、これに直角な横辺を１．１ｍｍとした。第１のパッチ導体４ａとストリップ導体３の終端部３ａに設けたランドパターンとを直径が９０μｍの円柱状の貫通導体５，６により接続した。貫通導体５の接続位置は、第１のパッチ導体４ａにおける２つの縦辺の間の中央で、ストリップ導体３が延在してきた側の横辺から１５０μｍの位置に貫通導体５の中心がくる位置とした。貫通導体５，６は、銅により形成したものとした。

第２のパッチ導体４ｂは、ストリップ導体３の延在方向に平行な縦辺を１．１ｍｍ、これに直角な横辺を１．４ｍｍとした。第２のパッチ導体４ｂは、その中心の位置が第１のパッチ導体４ａの中心の位置に重なるように配設した。

第３のパッチ導体４ｃは、ストリップ導体３の延在方向に平行な縦辺を１．１ｍｍ、これに直角な横辺を１．６ｍｍとした。第３のパッチ導体４ｃは、その中心の位置が第２のパッチ導体４ｂの中心の位置に重なるように配設した。

補助パッチ導体７は、ストリップ導体３の延在方向に平行な縦辺を１．１ｍｍ、これに直角な横辺を０．５ｍｍとした。補助パッチ導体７は、その縦辺が第３のパッチ導体４ｃの縦辺の真横に並ぶようにして、第３のパッチ導体４ｃにおける長辺方向の両側に１個ずつ設けた。第３のパッチ導体４ｃと補助パッチ導体７との間隔は、０．３ｍｍとした。

また、従来のアンテナ基板による解析モデルは、上述の本発明のアンテナ基板による解析モデルにおいて補助パッチ導体７を設けない以外は、全て同じとしたモデルを用いた。

なお、本発明は、上述の実施形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更は可能であり、例えば上述の実施の形態例では、誘電体基板１が誘電体層１ａ〜１ｅの５層で構成されているとともに、パッチ導体４が第１のパッチ導体４ａと第２のパッチ導体４ｂと第３のパッチ導体４ｃとの３層で構成されていたが、図４（ａ），（ｂ）に示すように、誘電体基板１を誘電体層１ａ〜１ｃの３層で構成するとともに、パッチ導体４を、第１のパッチ導体４ａと第２のパッチ導体４ｂの２層で構成し、第２のパッチ導体４ｂにおける第１の方向と直交する方向の両側に第１のパッチ導体４ａが形成された位置にかぶさらないように、直流的に独立した補助パッチ導体７を配置してもよい。この場合であっても、パッチ導体４ａ，４ｂを介して高周波信号に対応する電磁波を放射する場合に、下側のパッチ導体４ａから上側のパッチ導体４ｂの外周縁に沿って順次拡がるように電磁波が放射されるとともに第２のパッチ導体４ｂと補助パッチ導体７との間および補助パッチ導体７の端部を介して複合的な共振が起こり放射されるので、第１，第２のパッチ導体４ａ，４ｂおよび補助パッチ導体７を介して放射される高周波信号の周波数帯域を５７〜６６ＧＨｚの範囲をカバーする広いものとすることができる。

さらにまた、図７に示すように、補助パッチ導体７を第３のパッチ導体４ｃに対して第１の方向に偏倚して配置してもよい。この場合、第１〜第３のパッチ導体４ａ〜４ｃおよび補助パッチ導体７を介して放射される高周波信号の周波数帯域を更に広いものとすることができる。なお、このような補助パッチ導体７の第１の方向への偏倚は、図４（ａ），（ｂ）に示したアンテナ基板に適用しても良いことは言うまでもない。

１ａ〜１ｅ誘電体層
２接地導体
３ストリップ導体
３ａストリップ導体の終端部
４パッチ導体
４ａ第１のパッチ導体
４ｂ第２のパッチ導体
４ｃ第３のパッチ導体
７補助パッチ導体

Claims

第１の誘電体層と、該第１の誘電体層の上面に、終端部を有するよう配置されており、該終端部に向けて第１の方向に延在する帯状のストリップ導体と、前記第１の誘電体層の下面側に配置されたシールド用の接地導体層と、前記第１の誘電体層および前記ストリップ導体の上面側に積層された第２の誘電体層と、該第２の誘電体層の上面に前記終端部の位置にかぶさるように配置された第１のパッチ導体と、前記第２の誘電体層を貫通して前記終端部と前記第１のパッチ導体とを接続する貫通導体と、前記第２の誘電体層および第１のパッチ導体上に積層された第３の誘電体層と、該第３の誘電体層の上面に、前記第１のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさるように配置されており、直流的に独立した第２のパッチ導体と、前記第３の誘電体層および第２のパッチ導体上に積層された第４の誘電体層と、該第４の誘電体層の上面に、前記第２のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさるように配置されており、直流的に独立した第３のパッチ導体とを備えて成るアンテナ基板であって、前記第４の誘電体層の上面に、前記第３のパッチ導体における前記第１の方向と直交する方向の両側に前記第１のパッチ導体および第２のパッチ導体が形成された位置にかぶさらないように配置されており、直流的に独立した補助パッチ導体を備えることを特徴とするアンテナ基板。
第１の誘電体層と、該第１の誘電体層の上面に、終端部を有するように配置されており、該終端部に向けて第１の方向に延在する帯状のストリップ導体と、前記第１の誘電体層の下面側に配置されたシールド用の接地導体層と、前記第１の誘電体層および前記ストリップ導体の上面側に積層された第２の誘電体層と、該第２の誘電体層の上面に前記終端部の位置にかぶさるように配置された第１のパッチ導体と、前記第２の誘電体層を貫通して前記終端部と前記第１のパッチ導体とを接続する貫通導体と、前記第２の誘電体層および第１のパッチ導体上に積層された第３の誘電体層と、該第３の誘電体層の上面に、前記第１のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさるように配置されており、直流的に独立した第２のパッチ導体とを備えて成るアンテナ基板であって、前記第３の誘電体層の上面に、前記第２のパッチ導体における前記第１の方向と直交する方向の両側に前記第１のパッチ導体が形成された位置にかぶさらないように配置されており、直流的に独立した補助パッチ導体を備えることを特徴とするアンテナ基板。
前記補助パッチ導体が前記第３のパッチ導体に対して前記第１の方向に偏倚して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ基板。
前記補助パッチ導体が前記第２のパッチ導体に対して前記第１の方向に偏倚して配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ基板。