JP2016208345A - アンテナ内蔵モジュール実装基板及びアンテナモジュールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】基板のサイズアップを抑制し、アンテナのインピーダンスと整合することが可能なアンテナ内蔵モジュール実装基板を提供する。【解決手段】アンテナ内蔵モジュール実装基板１は、空中伝搬する信号の受信及び空中伝搬させる信号の送信の少なくともいずれか一方に利用されるアンテナ１０１を有するアンテナ内蔵モジュール１００が実装される実装領域１０と、当該実装領域１０が設けられる実装面１Ａと当該実装面１Ａの裏面である非実装面とにおいて、アンテナ１０１のインピーダンスと整合するインピーダンスを有するように形成される整合用パターン２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナを有するアンテナ内蔵モジュールが実装されるアンテナ内蔵モジュール実装基板、及び当該アンテナ内蔵モジュール実装基板を有するアンテナモジュールユニットに関する。

従来、アンテナを内蔵した無線モジュールが利用されてきた。この種の無線モジュールはマザーボード上に実装して使用される。無線モジュールの一例であるアンテナ内蔵無線モジュールは一般的に、実装されるマザーボードのサイズ、実装位置等が規定された推奨条件に基づき、アンテナ特性が良くなるようにパターンやチップ部品等でインピーダンス整合が行われる。しかしながら、実際の製品においては、例えばマザーボードのサイズ、アンテナ内蔵無線モジュールの実装位置、アンテナ付近の金属や樹脂パーツ等の設置状況により、推奨条件を満足するマザーボードを採用することが出来ないこともあり得る。係る場合、推奨条件と異なって使用することになるため、多くの場合、インピーダンスの整合が行えず（ミスマッチが生じ）、アンテナ性能が低下してしまう。

そこで、アンテナ性能の改善を行うために、アンテナ内蔵無線モジュール上のパターンやインピーダンス整合用のチップ部品を変更することが考えられる。しかしながら、アンテナ内蔵無線モジュールのパターンを変更すると、それに伴う基板の変更費用が必要となり、また、チップ部品のみを変更した場合でも、部品違いのアンテナ内蔵無線モジュールを複数管理する必要が出てくるため、管理費用が増えてしまう。更には、アンテナ内蔵無線モジュールとして、無線認証を取得している場合には、上記の変更に伴い再度認証取得するための費用も必要となる。

このため、上述した費用の増大や管理の手間の問題発生を避けるために、アンテナ内蔵無線モジュールの仕様を変更することなく、マザーボードの設計にてアンテナ性能の向上（ミスマッチの改善）を行う必要がある。このようなアンテナ性能を向上する手法として、マザーボードのパターン設計によって、マザーボードに実装したモジュールの内蔵アンテナをマッチングすることが考えられる（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の無線通信装置は、多層基板（４層基板）に設けられる送信回路及び受信回路と、多層基板に対して外付けされるアンテナとを備えて構成される。ここで、多層基板の各層を、部品実装面から見て第１層、第２層、第３層、第４層とすると、送信回路及び受信回路は第３層に形成され、第２層及び第４層はほぼ全面がグランドパターンとされる。送信回路及び受信回路の夫々は、伝送線路とコンデンサとインダクタとを含んで構成される。コンデンサは第３層に形成された電極パターンと第２層及び第４層のグラウンドパターンとで構成され、インダクタは第３層に形成された太さの異なる配線パターン（線路）を繋げて構成される。

特開２０１４−１６５６２０号公報

特許文献１に記載の技術は、多層基板に形成されたコンデンサやインダクタを用いて、送信回路の出力インピーダンス及び受信回路の入力インピーダンスを、アンテナの入力インピーダンス及び出力インピーダンス（以下「アンテナのインピーダンス」とする）と整合することができる。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、このようなインピーダンス整合に用いられるコンデンサやインダクタのパターンは、単一の層（第３層）にのみ形成されるので、これらのコンデンサやインダクタを形成するためのスペースを確保するために、層数が多くなったり、基板のサイズが大きくなったりしてコストアップの要因となる。

そこで、基板のコストアップを抑制し、アンテナのインピーダンスと整合することが可能なアンテナ内蔵モジュール実装基板、及びアンテナモジュールユニットが求められる。

本発明に係るアンテナ内蔵モジュール実装基板の特徴構成は、空中伝搬する信号の受信及び空中伝搬させる信号の送信の少なくともいずれか一方に利用されるアンテナを有するアンテナ内蔵モジュールが実装される実装領域と、前記実装領域が設けられる実装面と当該実装面の裏面である非実装面とにおいて、前記アンテナのインピーダンスと整合するインピーダンスを有するように形成される整合用パターンと、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、整合用パターンをアンテナ内蔵モジュール実装基板の実装面及び非実装面の両面に形成することにより、アンテナのインピーダンスと適切に整合しつつ、実装面及び非実装面の夫々における整合用パターンの占有面積を低減することができる。したがって、基板に、整合用パターンを形成する専用の層を設ける必要はなく、更には基板のサイズアップを防止できるので、基板のコストアップを抑制することが可能となる。また、整合用パターンでアンテナのインピーダンスと整合することができるので、アンテナ内蔵モジュールの仕様変更を行う必要もない。

また、前記実装面の整合用パターンは接地され、前記非実装面の整合用パターンは当該非実装面の整合用パターン以外のパターンに接続されないフローティング状態とされると好適である。

このように非実装面の整合用パターンをフローティング状態にすることにより、アンテナ内蔵モジュール実装基板全体の整合用パターンのインピーダンスに係るリアクタンス分を調整し易くできる。したがって、アンテナのインピーダンスとアンテナに接続される機器（が有する電子回路）と整合し易くすることができる。

また、前記実装面の整合用パターン及び前記非実装面の整合用パターンは、前記実装面の整合用パターンが形成される領域と前記非実装面の整合用パターンが形成される領域とが基板を板厚方向に見て少なくとも一部が重複するように形成されると好適である。

このような構成とすれば、実装面の整合用パターンのインピーダンスを、非実装面の整合用パターンで調整し易くすることができる。したがって、整合用パターン全体のインピーダンスをアンテナのインピーダンスと整合し易くすることが可能となる。

また、前記整合用パターンは櫛歯形状に形成されていると好適である。

このような構成とすれば、櫛歯形状により整合用パターンの抵抗分及びリアクタンス分を調整し易くすることができる。したがって、整合用パターンのインピーダンスをアンテナのインピーダンスと整合し易くすることが可能となる。

また、本発明に係るアンテナモジュールユニットの特徴構成は、空中伝搬する信号の受信及び空中伝搬させる信号の送信の少なくともいずれか一方に利用されるアンテナを有するアンテナ内蔵モジュールと、前記アンテナ内蔵モジュール実装基板と、を備える点にある。

このような構成とすれば、アンテナモジュールユニットをコンパクトに構成することが可能となる。

アンテナ内蔵モジュール実装基板の実装面である。 アンテナ内蔵モジュール実装基板の非実装面である。 アンテナ内蔵モジュール実装基板に実装されたアンテナ内蔵モジュールのアンテナのインピーダンス特性（Ｓパラメータ Ｓ１１，ＬｏｇＭａｇ）を示す図である。 アンテナ内蔵モジュール実装基板に実装されたアンテナ内蔵モジュールのアンテナの放射効率を示す図である。

本発明に係るアンテナ内蔵モジュール実装基板は、当該アンテナ内蔵モジュール実装基板に実装されるアンテナ内蔵モジュールが有するアンテナのインピーダンス（入力インピーダンス及び出力インピーダンスの総称）と整合させる整合用パターンがコンパクトに構成される。以下、本実施形態のアンテナ内蔵モジュール実装基板１について説明する。

図１には、アンテナ内蔵モジュール実装基板（マザーボードの一例）１の実装面の上面図が示され、図２には、アンテナ内蔵モジュール実装基板１の非実装面の上面図が示される。アンテナ内蔵モジュール実装基板１の一方の面にはアンテナ内蔵モジュール１００が実装され、当該アンテナ内蔵モジュール１００が実装される面が上述の実装面となる。実装面の裏面にはアンテナ内蔵モジュール１００が実装されないので、実装面の裏面は非実装面となる。

アンテナ内蔵モジュール実装基板１には、実装領域１０と整合用パターン２０とが備えられる。実装領域１０には、アンテナ内蔵モジュール１００が実装される。アンテナ内蔵モジュール１００は、空中伝搬する信号の受信及び空中伝搬させる信号の送信等に利用されるアンテナ１０１を有する。「空中伝搬する信号及び空中伝搬させる信号」とは、所定の周期で振動する搬送波に重畳された電気信号である。アンテナ１０１は、このような信号の送信や受信に利用される。本実施形態では、アンテナ１０１は、送信及び受信の少なくともいずれか一方に利用されていれば良い。なお、図１の例ではアンテナ１０１は、プリント基板の金属層（例えば銅層）をパターニングして形成されるように示しているが、アンテナ１０１はアンテナ内蔵モジュール１００から立設するロッドアンテナや、チップアンテナや、板金アンテナでも良い。アンテナ内蔵モジュール１００には、このようなアンテナ１０１と共に、必要に応じて変調器や復調器を備えることが可能である。

実装領域１０は、アンテナ内蔵モジュール１００のサイズに応じて、アンテナ内蔵モジュール実装基板１に設けられる。例えば、図１に示されるようにアンテナ内蔵モジュール１００がプリント基板を用いて形成される場合には、基板用リードフレーム１０２を用いてアンテナ内蔵モジュール実装基板１に実装すると良い。このような実装では、実装領域１０に基板用リードフレーム１０２と半田溶着するためのランド及びスルーホールの少なくともいずれか一方を形成すると良い。

本実施形態では、アンテナ内蔵モジュール実装基板１はプリント基板を用いて構成される。以下では、このプリント基板において実装領域１０が設けられる面を実装面１Ａと称し、当該実装面の裏面を非実装面１Ｂと称して説明する。なお、この実装面１Ａ及び非実装面１Ｂは、アンテナ内蔵モジュール１００が実装される面であるか否かを規定したものであるので、非実装面１Ｂに他の部品を実装することは可能である。

整合用パターン２０は、実装面１Ａと非実装面１Ｂとにおいて、アンテナ１０１のインピーダンスと整合するインピーダンスを有するように形成される。「アンテナ１０１のインピーダンス」とは、給電点側から見たアンテナ１０１の負荷抵抗である。ここで、周知のようにアンテナを用いる場合には、アンテナと接続する部分においてエネルギーの反射が生じないように、アンテナのインピーダンスと接続される機器（が有する電子回路）のインピーダンスとを一致させる必要がある。このため、整合用パターン２０は、アンテナ１０１のインピーダンスと整合するインピーダンスを有するように形成される。

整合用パターン２０のインピーダンスは、プリント基板の導体をパターンニングして形成された配線パターンの抵抗分とリアクタンス分とで設定され、リアクタンス分はキャパシタンス成分とインダクタンス成分とで設定される。また、整合用パターン２０をアンテナ内蔵モジュール実装基板１の実装面１Ａ及び非実装面１Ｂの両面に形成することにより、アンテナ１０１のインピーダンスと適切に整合しつつ、実装面１Ａ及び非実装面１Ｂの夫々における整合用パターン２０の占有面積を低減できる。したがって、整合用パターン２０を形成することによる基板のサイズアップを抑制できる。以下では、理解を容易にするために、実装面１Ａに形成される整合用パターン２０を整合用パターン２０Ａとし、非実装面１Ｂに形成される整合用パターン２０を整合用パターン２０Ｂとして説明する。なお、整合用パターン２０Ａと整合用パターン２０Ｂとを区別しない場合には、単に整合用パターン２０として説明する。

また、本実施形態では、整合用パターン２０は櫛歯形状に形成される。これにより、上述したキャパシタンス成分とインダクタンス成分とを形成し易く、アンテナ１０１のインピーダンスと整合するインピーダンスを設定し易くすることが可能となる。

本実施形態では、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａ及び非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂは、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａが形成される領域２Ａと非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂが形成される領域２Ｂとがアンテナ内蔵モジュール実装基板１を板厚方向に見て少なくとも一部が重複するように形成される。「板厚方向に見て少なくとも一部が重複する」とは、アンテナ内蔵モジュール実装基板１を実装面１Ａが上側を向くように配置した状態において、実装面１Ａの鉛直上方からアンテナ内蔵モジュール実装基板１を見た場合に領域２Ａの裏側に領域２Ｂの少なくとも一部が位置し、非実装面１Ｂの鉛直下方からアンテナ内蔵モジュール実装基板１を見た場合に領域２Ｂの裏側に領域２Ａの少なくとも一部が位置することをいう。したがって、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａの裏側に非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂが配置されることになる。

このような構成することにより、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａのインピーダンスを、非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂで調整し易くすることができる。したがって、整合用パターン２０全体のインピーダンスをアンテナ１０１のインピーダンスと整合し易くすることが可能となる。

なお、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａと、非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂとは、夫々の領域２Ａ及び領域２Ｂが前記板厚方向に見て少なくとも一部が重複していれば良く、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａ及び非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂ自体が、前記板厚方向に見て重複していなくても良い。もちろん、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａ及び非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂ自体が、前記板厚方向に見て重複していても良い。

本実施形態では、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａは接地され、非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂは当該非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂ以外のパターンに接続されないフローティング状態とされる。「接地され」とは、整合用パターン２０Ａがアンテナ内蔵モジュール実装基板１のグランドパターンに接続されることをいう。このグランドパターンとの接続は、アンテナ内蔵モジュール実装基板１が内層にグランド層を有する場合には、図１に示されるようにビア５を介して当該グランド層に接続したり、表層のグランド層と接続したりすると良く、内層にグランド層を有しない場合には表層のグランドパターンと接続すると良い。

「整合用パターン２０Ｂ以外のパターンに接続されない」とは、非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂは給電も接地もされず、また、いかなる信号も直接入力されないことをいう。したがって、整合用パターン２０Ｂは、他のパターンに対して絶縁状態にされる。

次に、本発明の発明者により得られたアンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いて実装されたアンテナ内蔵モジュール１００のアンテナ１０１の諸特性について説明する。図３には、本アンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いた場合のアンテナ１０１のインピーダンス特性（Ｓパラメータ Ｓ１１，ＬｏｇＭａｇ）が示される。「（Ｓパラメータ Ｓ１１，ＬｏｇＭａｇ）」における、Ｓパラメータは高周波回路の特性を表すためのパラメータであり、Ｓ１１は反射電力の特性である。ＬｏｇＭａｇは利得を対数表示で表していることをいう。反射された電力はすべてロスになるので、使用する周波数域で値が小さいほどロスが小さくなっていることを表すものである。図３では、縦軸を利得とし、横軸を周波数としている。特に、図３の例では、周波数は２２００ＭＨｚから２７００ＭＨｚまでスイープしている。本実施形態に係る特性は、図３におけるＩで示される。また、比較のために実装面１Ａ及び非実装面１Ｂの双方において整合用パターン２０が形成されていないアンテナ内蔵モジュール実装基板を用いた場合のアンテナの特性がＩＩで示される。

図３に示されるように、ＩＩでは共振点が１つであったものが、Ｉで示されるように、本アンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いることにより、共振点が２つ形成されている。したがって、一つのアンテナ１０１で複数の周波数帯域の信号の送受に利用したり、或いは送受信可能な帯域を広く設定したりすることが可能となる。

また、図４には、本アンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いた場合のアンテナ１０１の放射効率特性が示される。縦軸を利得とし、横軸を周波数としている。図４の例では、図３と同様に、周波数は２２００ＭＨｚから２７００ＭＨｚまでスイープしている。本実施形態に係る特性は、図４におけるＩで示される。また、比較のために実装面１Ａ及び非実装面１Ｂに整合用パターン２０を形成していないアンテナ内蔵モジュール実装基板を用いた場合のアンテナの特性がＩＩで示される。

図４に示されるように、本アンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いることにより、特に近距離無線通信規格の１つであるブルートゥース（登録商標）の使用範囲である２４００ＭＨｚから２４８０ＭＨｚまでの間（図４において破線で示している）の利得の平均値を大きくすることが可能となる。例えば、図４の例では、所定の使用周波数範囲（２４００ＭＨｚから２４８０ＭＨｚ）において、本アンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いていない場合（ＩＩの場合）の利得の平均値は−７ｄＢであったが、本アンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いた場合（Ｉの場合）の利得の平均値を−２．６ｄＢに改善できることがわかった。このように本アンテナ内蔵モジュール実装基板１を用いることにより、アンテナ性能を向上させることが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａは接地され、非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂはフローティング状態とされるとして説明したが、非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂも実装面１Ａの整合用パターン２０Ａと同様に接地して構成することも可能である。また、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａ及び非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂの双方をフローティング状態で形成することも可能である。

上記実施形態では、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａ及び非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂは、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａが形成される領域２Ａと非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂが形成される領域２Ｂとがアンテナ内蔵モジュール実装基板１を板厚方向に見て少なくとも一部が重複するように形成されるとして説明したが、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａ及び非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂは、実装面１Ａの整合用パターン２０Ａが形成される領域２Ａと非実装面１Ｂの整合用パターン２０Ｂが形成される領域２Ｂとがアンテナ内蔵モジュール実装基板１を板厚方向に見て重複しないように形成することも可能である。

上記実施形態では、整合用パターン２０は櫛歯形状に形成されるとして説明したが、櫛歯形状以外の形状で整合用パターン２０を構成することも可能である。

上記実施形態では、アンテナ内蔵モジュール実装基板１について説明したが、アンテナ内蔵モジュール１００をアンテナ内蔵モジュール実装基板１に実装した製品であるアンテナモジュールユニットは以下のように記載することができる。すなわち、アンテナモジュールユニットは、空中伝搬する信号の受信及び空中伝搬させる信号の送信の少なくともいずれか一方に利用されるアンテナ１０１を有するアンテナ内蔵モジュール１００と、前記アンテナ内蔵モジュール１００が実装される実装領域１０、及び前記実装領域１０が設けられる実装面１Ａと当該実装面１Ａの裏面である非実装面１Ｂとにおいて、前記アンテナ１０１のインピーダンスと整合するインピーダンスを有するように形成される整合用パターン２０を有するアンテナ内蔵モジュール実装基板１と、を備えるように構成することが可能である。このような構成とすれば、アンテナモジュールユニットをコンパクトに構成することが可能となる。

本発明は、アンテナを有するアンテナ内蔵モジュールが実装されるアンテナ内蔵モジュール実装基板、及び当該アンテナ内蔵モジュール実装基板を有するアンテナモジュールユニットに関する。

１：アンテナ内蔵モジュール実装基板（マザーボード）
１Ａ：実装面
１Ｂ：非実装面
２Ａ：領域（実装面の整合用パターンが形成される領域）
２Ｂ：領域（非実装面の整合用パターンが形成される領域）
１０：実装領域
２０：整合用パターン
２０Ａ：整合用パターン（実装面の整合用パターン）
２０Ｂ：整合用パターン（非実装面の整合用パターン）
１００：アンテナ内蔵モジュール
１０１：アンテナ

Claims (5)

1. 空中伝搬する信号の受信及び空中伝搬させる信号の送信の少なくともいずれか一方に利用されるアンテナを有するアンテナ内蔵モジュールが実装される実装領域と、
   前記実装領域が設けられる実装面と当該実装面の裏面である非実装面とにおいて、前記アンテナのインピーダンスと整合するインピーダンスを有するように形成される整合用パターンと、
   を備えるアンテナ内蔵モジュール実装基板。
2. 前記実装面の整合用パターンは接地され、前記非実装面の整合用パターンは当該非実装面の整合用パターン以外のパターンに接続されないフローティング状態とされる請求項１に記載のアンテナ内蔵モジュール実装基板。
3. 前記実装面の整合用パターン及び前記非実装面の整合用パターンは、前記実装面の整合用パターンが形成される領域と前記非実装面の整合用パターンが形成される領域とが基板を板厚方向に見て少なくとも一部が重複するように形成される請求項１又は２に記載のアンテナ内蔵モジュール実装基板。
4. 前記整合用パターンは櫛歯形状に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ内蔵モジュール実装基板。
5. 空中伝搬する信号の受信及び空中伝搬させる信号の送信の少なくともいずれか一方に利用されるアンテナを有するアンテナ内蔵モジュールと、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ内蔵モジュール実装基板と、
   を備えるアンテナモジュールユニット。

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