JP2018032890A - 無線モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】薄型化に適した構造を有する無線モジュールを提供する。
【解決手段】誘電体基板にグランドプレーンが設けられている。誘電体基板に高周波集積回路素子が実装されている。誘電体基板の上に、高周波集積回路素子を電磁気的にシールドするシールド部材が設けられている。誘電体基板に、グランドプレーンに対してシールド部材と同一の側に配置された第1のアンテナ素子が設けられている。第1のアンテナ素子と高周波集積回路素子とが第1の給電線で接続される。平面視において、第1のアンテナ素子の一部分がシールド部材の外側に配置され、残りの部分がシールド部材と重なっているか、または第1のアンテナ素子の全域がシールド部材の外側に配置されており、シールド部材からの離隔距離が第1のアンテナ素子の共振波長の1/2以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は無線モジュールに関する。
高周波数帯の送受信機能を持つ高周波集積回路素子、受動素子、及びアンテナ素子をモジュール化した高周波無線モジュールが公知である(特許文献1)。例えば、基板上に高周波集積回路素子や受動素子等の電子部品が実装され、これらの電子部品が封止部材によって封止されている。封止部材の内部にシールド電極が設けられ、封止部材の上面にパッチアンテナ等のアンテナ導体が設けられている。高周波集積回路素子をシールドするためのシールド電極がアンテナのグランドを兼ねる。
特開2007−129304号公報
グランドとして動作するシールド電極とアンテナ導体との間隔が、パッチアンテナの特性に影響を及ぼす。シールド電極とアンテナ導体との間隔を狭くすると、アンテナの動作帯域が狭くなってしまう。周波数帯域を広くするためには、シールド電極とアンテナ導体との間隔をある程度確保しなければならない。基板の厚さ方向に関して、基板の上面からシールド電極までの高周波集積回路素子を収容する部分に、アンテナ導体とシールド電極(グランド)とを含むアンテナ装置が積み重ねられるため、無線モジュールの薄型化が困難である。
本発明の目的は、薄型化に適した構造を有する無線モジュールを提供することである。
本発明の第1の観点による無線モジュールは、
誘電体基板と、
前記誘電体基板に設けられたグランドプレーンと、
前記誘電体基板に実装された高周波集積回路素子と、
前記誘電体基板の上に設けられ、前記高周波集積回路素子を電磁気的にシールドするシールド部材と、
前記誘電体基板に設けられ、前記グランドプレーンに対して前記シールド部材と同一の側に配置された第1のアンテナ素子と、
前記第1のアンテナ素子と前記高周波集積回路素子とを接続する第1の給電線と
を有し、
平面視において、前記第1のアンテナ素子の一部分が前記シールド部材の外側に配置され、
残りの部分が前記シールド部材と重なっているか、または前記第1のアンテナ素子の全域が前記シールド部材の外側に配置されており、前記シールド部材からの離隔距離が前記第1のアンテナ素子の共振波長の1/2以下である。
誘電体基板の厚さ方向に関して、第1のアンテナ素子及びグランドプレーンを含むアンテナ装置が占める部分と、シールド部材が占める部分とが、一部重複する。このため、両者が厚さ方向に積み重なる構成と比べて、無線モジュールの薄型化を図ることが可能になる。ここで、共振波長は、第1のアンテナ素子が共振する周波数帯域において、第1のアンテナ素子とシールド部材との間の空間の誘電率を考慮した実効波長を意味する。
本発明の第2の観点による無線モジュールにおいては、第1の観点による無線モジュールの構成に加えて、前記シールド部材が前記グランドプレーンに接続されている。
グランドプレーンとシールド部材とによって、高周波集積回路素子をシールドすることができる。
本発明の第3の観点による無線モジュールは、第1または第2の観点による無線モジュールの構成に加えて、
さらに、前記誘電体基板に設けられ、前記グランドプレーンに対して前記シールド部材とは反対側に配置された第2のアンテナ素子と、
前記第2のアンテナ素子と前記高周波集積回路素子とを接続する第2の給電線と
を有する。
第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子とのいずれかを動作させることにより、強い指向性を持つ方向を切り替えることができる。
本発明の第4の観点による無線モジュールにおいては、第1乃至第3の観点による無線モジュールの構成に加えて、前記第1のアンテナ素子がパッチアンテナであり、平面視において前記パッチアンテナの一部分が前記シールド部材と重なっている。
パッチアンテナとシールド部材とが重なっている部分において、パッチアンテナとシールド部材とが容量結合する。このため、シールド部材と重なっているパッチアンテナの縁からの放射量が、シールド部材と重なっていない縁からの放射量より少なくなる。その結果、パッチアンテナを、近似的に1つの波源と考えることができるようになるため、より広い指向性を実現することが可能になる。
本発明の第5の観点による無線モジュールにおいては、第1乃至第3の観点による無線モジュールの構成に加えて、前記第1のアンテナ素子が、平面視において前記シールド部材からの離隔距離が前記第1のアンテナ素子の共振波長の1/2以下の位置に配置されたモノポールアンテナである。
モノポールアンテナをシールド部材の上に積み重ねて配置する構成に比べて、無線モジュールを薄型化することが可能である。
本発明の第6の観点による無線モジュールにおいては、第1乃至第3の観点による無線モジュールの構成に加えて、前記モノポールアンテナが先端において前記シールド部材に短絡されている。
第1のアンテナ素子が折り返しモノポールアンテナとして動作するため、高インピーダンス化、広帯域化を図ることが可能になる。
誘電体基板の厚さ方向に関して、第1のアンテナ素子及びグランドプレーンを含むアンテナ装置が占める部分と、シールド部材が占める部分とが、一部重複する。このため、両者が厚さ方向に積み重なる構成と比べて、無線モジュールの薄型化を図ることが可能になる。
図1は、第1の実施例による無線モジュールの概略断面図である。 図2は、比較例による無線モジュールの概略断面図である。 図3は、第2の実施例による無線モジュールの概略図である。 図4は、第3の実施例による無線モジュールの平面図を示す。 図5は、第4の実施例による無線モジュールの概略断面図である。 図6は、第5の実施例による無線モジュールの概略断面図である。
[第1の実施例]
図1を参照して第1の実施例による無線モジュールについて説明する。
図1は、第1の実施例による無線モジュールの概略断面図である。誘電体基板10にグランドプレーン11が設けられている。グランドプレーン11は、誘電体基板10の内部のみに配置してもよいし、表面と内部との両方に配置してもよい。図1では、グランドプレーン11が誘電体基板10の上面及び内部に配置されて例を示している。上面に配置されたグランドプレーン11の一部の領域がグランド用のランドとして利用される。誘電体基板10の上面に、さらに信号用のランド12が設けられている。
誘電体基板10の上面に高周波集積回路素子21及び受動部品22が実装されている。高周波集積回路素子21の一部の端子はグランドプレーン11に接続されており、他の一部の端子は、それぞれ信号用のランド12に接続されている。受動部品22の端子も、グランドプレーン11または信号用のランド12に接続されている。
誘電体基板10の上に設けられたシールド部材25が、高周波集積回路素子21及び受動部品22を覆う。シールド部材25はグランドプレーン11に接続されており、高周波集積回路素子21及び受動部品22を電磁気的にシールドする。シールド部材25として、例えば金属製の上板及び側板からなるシールドケースを用いることができる。
シールド部材25を、金属膜と複数の導体棒とで構成してもよい。シールド部材25を構成する複数の導体棒は、平面視において高周波集積回路素子21及び受動部品22を取り囲むように配置され、誘電体基板10の表面から上方に向かって突出する。金属膜は、高周波集積回路素子21及び受動部品22の上方に配置され、その外周部近傍において複数の導体棒に接続される。
誘電体基板10の上に樹脂製の封止部材30が配置されている。シールド部材25にシールドケースが用いられている場合には、封止部材30はシールド部材25を封止する。シールド部材25が金属膜と複数の導体棒とで構成されている場合には、高周波集積回路素子21及び受動部品22が封止部材30で封止されるとともに、複数の金属棒が封止部材30の内部に埋め込まれる。シールド部材25を構成する金属膜の上面も封止部材30で覆われる。
封止部材30の上面に第1のアンテナ素子35が設けられている。第1のアンテナ素子35は、グランドプレーン11に対してシールド部材25と同一の側に配置されている。第1のアンテナ素子35として、例えばパッチアンテナが用いられる。第1のアンテナ素子35は、第1の給電線36を介して高周波集積回路素子21に接続されている。第1の給電線36は、封止部材30内を厚さ方向に延びる導体棒37と誘電体基板10に設けられた伝送線路38と含む。
平面視において、第1のアンテナ素子35の一部分はシールド部材25の外側に配置されており、第1のアンテナ素子35の残りの部分はシールド部材と重なっている。第1のアンテナ素子35は、例えば正方形または長方形の平面状を有し、1つの縁35aがシールド部材25の内側に配置され、それに対向する縁35bがシールド部材25の外側に配置される。以下、一方の縁35aを内側の縁といい、それに対向する縁35bを外側の縁ということとする。第1のアンテナ素子35は、シールド部材25の内側の縁35a及び外側の縁35bに垂直な方向(図1において左右方向)に励振される。
誘電体基板10の下面に第2のアンテナ素子15が設けられている。第2のアンテナ素子15は、グランドプレーン11に対してシールド部材25とは反対側に配置されている。第2のアンテナ素子15として、例えばパッチアンテナが用いられる。第2のアンテナ素子15は、誘電体基板10に設けられた第2の給電線16を介して高周波集積回路素子21に接続されている。
第1のアンテナ素子35は、高周波集積回路素子21から給電されることにより、誘電体基板10の上方に向けて電波を放射する。第2のアンテナ素子15は、高周波集積回路素子21から給電されることにより、誘電体基板10の下方に向けて電波を放射する。
次に、図1に示した第1の実施例による無線モジュールの優れた効果について、図2に示した比較例と対比しながら説明する。
図2は、比較例による無線モジュールの概略断面図である。比較例による無線モジュールにおいては、図1のシールド部材25に代えてシールド膜27が用いられている。シールド膜27は封止部材30の上面のほぼ全域に配置されている。シールド膜27は、グランド接続ビア28を介してグランドプレーン11に接続されている。
シールド膜27の上に誘電体層32が配置されている。誘電体層32の上面に第1のアンテナ素子35が配置されている。第1のアンテナ素子35を高周波集積回路素子21に接続するための導体棒37は、誘電体層32、シールド膜27、及び封止部材30を厚さ方向に貫通する。シールド膜27の、導体棒37が貫通する位置に開口が設けられており、両者が相互に絶縁されている。シールド膜27が第1のアンテナ素子35のグランドとして動作する。
図1に示した第1の実施例において、誘電体基板10の上面に設けられたグランドプレーン11からシールド部材25の上面までの間隔をz1で表し、シールド部材25の上面から第1のアンテナ素子35までの間隔をz2で表す。図2に示した比較例において、誘電体基板10の上面に設けられたグランドプレーン11からシールド膜27までの間隔が、第1の実施例における間隔z1(図1)に対応し、シールド膜27から第1のアンテナ素子35までの間隔が第1の実施例における間隔z2(図1)に対応する。
図1に示した第1の実施例においては、第1のアンテナ素子35の外側の縁35bと誘電体基板10の上面に設けられたグランドプレーン11との間隔はz1+z2にほぼ等しく、内側の縁35aとシールド部材25の上面との間隔はz2に等しい。第1のアンテナ素子35の外側の縁35bから外側に広がるフリンジング電界の広がりは、間隔z1+z2に依存する。これに対し、図2に示した比較例においては、第1のアンテナ素子35の4つの縁とシールド膜27との間隔はすべてz2に等しい。比較例による第1のアンテナ素子35の1つの縁から外側に広がるフリンジング電界の広がりは間隔z2の影響を受けるがシールド膜27より下の間隔z1の影響を受けない。
第1の実施例においては、第1のアンテナ素子35の外側の縁35bから外側に広がるフリンジング電界が間隔z1の影響を受けてより大きく広がるため、第1のアンテナ素子35の実効サイズが大きくなる。その結果、第1の実施例による第1のアンテナ素子35においては、比較例による第1のアンテナ素子35に比べて、より良好な特性を得ることができる。
比較例において第1の実施例と同等の第1のアンテナ素子35の実効サイズを確保するためには、間隔z2を、第1の実施例による無線モジュールの対応する間隔z2よりも大きくしなければならない。間隔z2を大きくすると、無線モジュールが厚くなってしまう。言い換えると、第1の実施例による無線モジュールは、比較例による無線モジュールに比べて薄型化することが可能になる。
また、第1の実施例による無線モジュールの間隔z2と比較例による無線モジュールの対応する間隔z2とがほぼ等しく、第1のアンテナ素子35の実効サイズが同一であるという条件の下で、第1の実施例による第1のアンテナ素子35は比較例による第1のアンテナ素子35より小さくなる。第1のアンテナ素子35の共振周波数または動作周波数は、第1のアンテナ素子35の実効サイズに依存する。従って、第1の実施例による無線モジュールにおいては、比較例と比べて、第1のアンテナ素子35の実効サイズを同一にすることによって共振周波数または動作周波数を同一に保ったまま、第1のアンテナ素子35を小型化することができる。
さらに、図1に示した第1の実施例による無線モジュールにおいては、第1のアンテナ素子35の内側の縁35aとグランドとして機能するシールド部材25との間隔z2が、外側の縁35bとグランドプレーン11との間隔z1より小さい。第1のアンテナ素子35の内側の縁35aとシールド部材25とが容量結合することにより、内側の縁35aからの電波の放射量が、外側の縁35bからの電波の放射量より少なくなる。これに対し、図2に示した比較例による無線モジュールにおいては、相互に対向する一対の縁からグランドとして機能するシールド部材25までの間隔が共にz2に等しい。このため、一対の縁からの電波の放射量がほぼ等しい。すなわち波源が2箇所存在することになる。
第1の実施例においては、第1のアンテナ素子35の内側の縁35aからの放射量が外側の縁35bからの放射量に比べて十分少ない場合には、第1のアンテナ素子35を実質的に単一の波源とみなすことができる。このため、第1の実施例による無線モジュールにおいては、より広い指向特性を実現することができる。
さらに、第1のアンテナ素子35とシールド部材25との位置関係や接続により、指向性制御や広帯域化が可能になる。また、グランドプレーン11の下側に第2のアンテナ素子15が配置されており、グランドプレーン11の上側に第1のアンテナ素子35が配置されている。このため、無線モジュールの指向特性のメインローブを、グランドプレーン11の下方及び上方のうち一方の方向に向けることができる。
なお、電波を誘電体基板10の上方にのみ放射させる場合には、第2のアンテナ素子15及び第2の給電線16を省略してもよい。
[第2の実施例]
次に、図3を参照して第2の実施例による無線モジュールについて説明する。以下、図1に示した第1の実施例との相違点について説明し共通の構成については説明を省略する。
図3は、第2の実施例による無線モジュールの概略図である。第1の実施例では、平面視において第1のアンテナ素子35の一部分がシールド部材25と重なっているが、第2の実施例では、第1のアンテナ素子35の全域がシールド部材25の外側に配置されている。シールド部材25から第1のアンテナ素子35までの面内方向の離隔距離をL1で表すと、離隔距離L1は0以上である。
第1のアンテナ素子35の外側の縁35bとグランドプレーン11との位置関係は、第1の実施例の場合と同様である。外側の縁35bに対向する縁35aは、第1の実施例の構造と異なりシールド部材25の内側に配置されていないが、縁35aからシールド部材25までの間隔が、縁35bからグランドプレーン11までの間隔より狭く設定されている。従って、第2の実施例においても第1の実施例とほぼ同等の効果が得られる。
次に、離隔距離L1の好ましい範囲について説明する。離隔距離L1が大きくなりすぎると、第1のアンテナ素子35とシールド部材25とが容量結合することの効果が得られなくなる。第1のアンテナ素子35とシールド部材25とが容量結合することの効果を得るために、離隔距離L1を第1のアンテナ素子35の共振波長の1/2以下にすることが好ましい。ここで、共振波長は、第1のアンテナ素子35が共振する周波数帯域において、第1のアンテナ素子35とシールド部材25との間の空間の誘電率を考慮した実効波長を意味する。
[第3の実施例]
次に、図4を参照して第3の実施例による無線モジュールについて説明する。以下、図1に示した第1の実施例による無線モジュールとの相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図4は、第3の実施例による無線モジュールの平面図を示す。封止部材30の上面に第1のアンテナ素子35が配置されている。第1のアンテナ素子35は、複数の放射電極39が1列に配列したパッチアレイアンテナの構造を有する。各放射電極39は正方形または長方形の平面形状を有する。平面視において、各放射電極39の1つの縁39aがシールド部材25の内側に配置されており、それに対向する縁39bがシールド部材25よりも外側に配置されている。他の2つの縁は、平面視においてシールド部材25の輪郭線と交差する。
誘電体基板10の下面に第2のアンテナ素子15が配置されている。第2のアンテナ素子15も、複数の放射電極19が1列に配列したパッチアレイアンテナ構造を有する。各放射電極39、19に供給する高周波信号の位相を制御することにより、第1のアンテナ素子35及び第2のアンテナ素子15をフェーズドアレイアンテナとして動作させることができる。
[第4の実施例]
次に、図5を参照して第4の実施例による無線モジュールについて説明する。以下、図1に示した第1の実施例による無線モジュールとの相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図5は、第4の実施例による無線モジュールの概略断面図である。第1の実施例では、第1のアンテナ素子35としてパッチアンテナが用いられたが、本実施例では、第1のアンテナ素子35としてモノポールアンテナが用いられる。第1のアンテナ素子35は、誘電体基板10の信号用のランド12に接続された導体棒で構成される。この導体棒は誘電体基板10の厚さ方向と平行な方向に延び、封止部材30内に埋め込まれている。
第1のアンテナ素子35としてのモノポールアンテナの長さは、封止部材30の厚さとほぼ等しい。平面視において第1のアンテナ素子35はシールド部材25の近傍に配置されており、シールド部材25の側板が第1のアンテナ素子35の反射板として機能する。シールド部材25の側板を反射板として機能させるために、シールド部材25から第1のアンテナ素子35までの離隔距離L2を、第1のアンテナ素子35の共振波長の1/2以下とすることが好ましい。第1のアンテナ素子35の共振波長は、モノポールアンテナの長さの約4倍に等しい。
次に、第4の実施例による無線モジュールの優れた効果について説明する。第4の実施例による無線モジュールの第1のアンテナ素子35は、誘電体基板10の端面が向く方向に強い指向性を持つ。また、第2のアンテナ素子15は、第1の実施例の場合と同様に、誘電体基板10の下面が向く方向に強い指向性を持つ。このように、第4の実施例では、誘電体基板10の端面が向く方向と下面が向く方向とのいずれか一方、または両方に強い指向性を持たせることができる。
また、第4の実施例では、シールド部材25の上にモノポールアンテナを積み重ねて配置する構造と比べて、無線モジュール全体の厚さを薄くすることができる。
図5では、シールド部材25の高さとモノポールアンテナの長さとがほぼ等しい例を示しているが、両者の高さを揃える必要はない。
[第5の実施例]
次に、図6を参照して第5の実施例による無線モジュールについて説明する。以下、図5に示した第4の実施例による無線モジュールとの相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図6は、第5の実施例による無線モジュールの概略断面図である。第4の実施例では、第1のアンテナ素子35としてモノポールアンテナを用いたが、第5の実施例では、第1のアンテナ素子35として折り返しモノポールアンテナを用いる。具体的には、第1のアンテナ素子35が、封止部材30内において厚さ方向に延びる導体棒40と、導体棒40の先端(上端)をシールド部材25に短絡させる短絡部材41とで構成される。
導体棒40の先端、及びシールド部材25の上面は、封止部材30の上面に露出している。短絡部材41は、封止部材30の上面に、導体棒40の露出した先端からシールド部材25の露出した上面に亘って配置されている。
第5の実施例においては、第1のアンテナ素子35を折り返しモノポールアンテナとすることにより、第4の実施例に比べて第1のアンテナ素子35の高インピーダンス化及び広帯域化を図ることが可能である。
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 誘電体基板
11 グランドプレーン
12 信号用のランド
15 第2のアンテナ素子
16 第2の給電線
19 放射電極
21 高周波集積回路素子
22 受動部品
25 シールド部材
27 シールド膜
28 グランド接続ビア
30 封止部材
32 誘電体層
35 第1のアンテナ素子
35a、35b 縁
36 第1の給電線
37 金属棒
38 伝送線路
39 放射電極
39a、39b 縁
40 導体棒
41 短絡部材
誘電体基板10の上に樹脂製の封止部材30が配置されている。シールド部材25にシールドケースが用いられている場合には、封止部材30はシールド部材25を封止する。シールド部材25が金属膜と複数の導体棒とで構成されている場合には、高周波集積回路素子21及び受動部品22が封止部材30で封止されるとともに、複数の導体棒が封止部材30の内部に埋め込まれる。シールド部材25を構成する金属膜の上面も封止部材30で覆われる。
平面視において、第1のアンテナ素子35の一部分はシールド部材25の外側に配置されており、第1のアンテナ素子35の残りの部分はシールド部材25と重なっている。第1のアンテナ素子35は、例えば正方形または長方形の平面状を有し、1つの縁35aがシールド部材25の内側に配置され、それに対向する縁35bがシールド部材25の外側に配置される。以下、一方の縁35aを内側の縁といい、それに対向する縁35bを外側の縁ということとする。第1のアンテナ素子35は、シールド部材25の内側の縁35a及び外側の縁35bに垂直な方向(図1において左右方向)に励振される。

Claims (6)

  1. 誘電体基板と、
    前記誘電体基板に設けられたグランドプレーンと、
    前記誘電体基板に実装された高周波集積回路素子と、
    前記誘電体基板の上に設けられ、前記高周波集積回路素子を電磁気的にシールドするシールド部材と、
    前記誘電体基板に設けられ、前記グランドプレーンに対して前記シールド部材と同一の側に配置された第1のアンテナ素子と、
    前記第1のアンテナ素子と前記高周波集積回路素子とを接続する第1の給電線と
    を有し、
    平面視において、前記第1のアンテナ素子の一部分が前記シールド部材の外側に配置され、
    残りの部分が前記シールド部材と重なっているか、または前記第1のアンテナ素子の全域が前記シールド部材の外側に配置されており、前記シールド部材からの離隔距離が前記第1のアンテナ素子の共振波長の1/2以下である無線モジュール。
  2. 前記シールド部材は前記グランドプレーンに接続されている請求項1に記載の無線モジュール。
  3. さらに、
    前記誘電体基板に設けられ、前記グランドプレーンに対して前記シールド部材とは反対側に配置された第2のアンテナ素子と、
    前記第2のアンテナ素子と前記高周波集積回路素子とを接続する第2の給電線と
    を有する請求項1または2に記載の無線モジュール。
  4. 前記第1のアンテナ素子はパッチアンテナであり、平面視において前記パッチアンテナの一部分が前記シールド部材と重なっている請求項1乃至3のいずれか1項に記載の無線モジュール。
  5. 前記第1のアンテナ素子は、平面視において前記シールド部材からの離隔距離が前記第1のアンテナ素子の共振波長の1/2以下の位置に配置されたモノポールアンテナである請求項1乃至3のいずれか1項に記載の無線モジュール。
  6. 前記モノポールアンテナは先端において前記シールド部材に短絡されている請求項5に記載の無線モジュール。
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