JP2018088629A - 高周波モジュール、および通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】無指向性のアンテナを備え、かつ高周波帯域の電波の送受信に適した高周波モジュール、および通信装置を提供する。
【解決手段】基板から突出して設けられたアンテナ部と、少なくとも一部が前記アンテナ部の上に設けられたアンテナ素子と、前記アンテナ素子と同一面に、同一材料で設けられた伝送線路と、前記基板の前記伝送線路が形成された面に実装された高周波素子と、
を備える、高周波モジュール。
【選択図】図4

Description

本開示は、高周波モジュール、および通信装置に関する。
近年、より高周波帯域の電波を送受信する次世代の移動体通信用のアンテナモジュールとして、ミリ波を送受信することが可能なアンテナ一体型の高周波モジュールが開発されている。
例えば、下記の特許文献1には、絶縁層の一方の面上に形成され、開口部を有する接地導体層と、接地導体層の開口部に重なるように絶縁層の他方の面上に形成された導体パターンと、接地導体層上に多孔質材料で形成された誘電体層と、接地導体層の開口部に重なるように誘電体層上に形成されたアンテナ素子とを備える無線周波数モジュール用基板が開示されている。
特許文献1に開示された無線周波数モジュール用基板では、接地導体層の開口部を通じて、導体パターンと、アンテナ素子とを電磁的に結合させることで、アンテナ素子から電波を送受信している。特許文献1には、接地導体層の開口部に重なるように導体パターン、接地導体層、およびアンテナ素子が積層されているため、アンテナ素子の指向性が高くなることが開示されている。
特開2014−11769号公報
しかし、移動体通信の端末側のアンテナには、様々な方向の基地局から電波が到達する。したがって、このような端末側のアンテナは、無指向性であることが望ましい。そのため、特許文献1に開示された無線周波数モジュール用基板は、移動体通信の端末側のアンテナなどの無指向性が求められる用途には適していなかった。
そこで、高周波帯域の電波の送受信に適しており、かつ無指向性のアンテナを備える高周波モジュール、および通信装置が求められていた。
本開示によれば、基板から突出して設けられたアンテナ部と、少なくとも一部が前記アンテナ部の上に設けられたアンテナ素子と、前記アンテナ素子と同一面に、同一材料で設けられた伝送線路と、前記基板の前記伝送線路が形成された面に実装された高周波素子と、を備える、高周波モジュールが提供される。
また、本開示によれば、基板から突出して設けられたアンテナ部と、少なくとも一部が前記アンテナ部の上に設けられたアンテナ素子と、前記アンテナ素子と同一面に、同一材料で設けられた伝送線路と、前記基板の前記伝送線路が形成された面に実装された高周波素子と、前記基板の前記高周波素子が形成された面と対向する面に設けられた装置基板と、を備える、通信装置が提供される。
本開示によれば、アンテナ素子を含むアンテナ部が基板から突出して設けられるため、アンテナ素子の周囲の空間の誘電体損失を等方的に低減することができる。また、アンテナ部のアンテナ素子と、高周波素子とをインピーダンス不整合が生じにくい、短い伝送線路で電気的に接続することができる。
以上説明したように本開示によれば、無指向性のアンテナを備え、かつ高周波帯域の電波の送受信に適した高周波モジュール、および通信装置を提供することができる。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の第1の実施形態に係る高周波モジュールの構成を模式的に示した断面図である。 図1で示した高周波モジュールを高周波素子側から平面視した平面図である。 同実施形態に係る高周波モジュールの用途を説明する説明図である。 本開示の第2の実施形態に係る通信装置の構成を模式的に示す断面図である。 図4で示した通信装置を高周波素子側から平面視した平面図である。 同実施形態の変形例に係る通信装置の構成を模式的に示す断面図である。 本開示の第3の実施形態に係る通信装置の構成を模式的に示す断面図である。 図7で示した通信装置を装置基板の実装面と対向する面側から平面視した平面図である。 図8のアンテナ部の拡大図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
1.第1の実施形態
1.1.高周波モジュールの構成
1.2.高周波モジュールの用途
2.第2の実施形態
3.第3の実施形態
4.まとめ
<1.第1の実施形態>
[1.1.高周波モジュールの構成]
まず、図1および図2を参照して、本開示の第1の実施形態に係る高周波モジュールの構成について説明する。図1は、本開示の第1の実施形態に係る高周波モジュール10の構成を模式的に示した断面図である。また、図2は、図1で示した高周波モジュール10を高周波素子140側から平面視した平面図である。
なお、本明細書において、「高周波」とは、3Gまたは4Gなどの移動体通信で用いられる周波数以上の周波数を表し、例えば、20GHz以上100GHz以下の周波数を表してもよい。
図1および図2に示すように、高周波モジュール10は、基板110と、アンテナ部112と、アンテナ素子122と、伝送線路124と、接続配線132、134と、高周波素子140と、一般配線126と、グランド配線150とを備える。
基板110は、高周波モジュール10の各構成が設けられる支持体である。基板110は、高周波特性に優れた材料で構成されてもよく、例えば、LTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)もしくはHTCC(High Temperature Co−fired Ceramics)などのセラミック、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ビスマレイドトリアジン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、液晶ポリマ、ポリノルボルネン樹脂、エポキシ樹脂、またはセラミックと有機樹脂との混合体にて構成されてもよい。
アンテナ部112は、基板110から突出して設けられ、高周波帯域の電波を送受信可能なアンテナとして構成される。すなわち、高周波モジュール10は、基板110と、アンテナ部112とが一体化したアンテナ一体型モジュールである。高周波モジュール10は、基板110の一部をアンテナ部112とすることによって、構造および製造工程を簡略化することができる。
ここで、図1および図2では、アンテナ部112が逆F型アンテナとして構成される例を示す。
図1および図2に示すように、アンテナ部112は、具体的には、アンテナ素子122、およびアンテナ素子122に電気的に接続する短絡線152から構成される。
アンテナ素子122は、基板110に対するアンテナ部112の突出方向と垂直な方向に延伸する本体部122Aと、本体部122Aの略中心と伝送線路124とを電気的に接続する給電線122Bとからなる。本体部122Aは、電波の放射等を行う。また、給電線122Bは、伝送線路124を介して、本体部122Aへ電力を給電する。
短絡線152は、アンテナ素子122が設けられた面と対向する面に設けられ、基板110を貫通して本体部122Aの一端と電気的に接続する。短絡線152は、グランド配線150と、本体部122Aとを電気的に接続することで、本体部122Aの一端を接地(アースともいう)する。
アンテナ素子122は、本体部122Aの短絡線152が設けられていない側の端部から給電線122Bとの交点までの長さをAとし、給電線122Bのうちグランド配線150から突出している部分の長さをBとした場合、A+Bの長さが送受信される電波の基板110上における実効的な波長(以下、実効波長λともいう)の1/4となるように構成される。このようなアンテナ部112は、逆F型アンテナとして機能することができる。
ただし、アンテナ部112は、どのような形状のアンテナで構成されてもよく、例えば、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、逆L型アンテナ、または誘電体アンテナで構成されてもよい。
アンテナ素子122、および短絡線152は、金属等の導体であれば、どのようなもので構成されてもよく、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、銀、金、白金、またはこれら金属を含む合金で構成されてもよい。なお、後述するが、アンテナ素子122は、伝送線路124、および一般配線126と同一面に同一材料で構成され、短絡線152は、グランド配線150と同一面に同一材料で構成される。
ここで、アンテナ部112は、基板110から突出して設けられているため、アンテナ部112の上下には、部材等が設けられない空気領域20が形成される。これにより、アンテナ部112は、アンテナ部112の周囲の等価的な比誘電率が低下するため、送受信する電波の誘電体損失を減少させることができる。したがって、アンテナ部112では、電波の放射効率が向上し、かつ送受信可能な電波の周波数帯域が拡張する。また、アンテナ部112の周囲の空間が等方的になるため、アンテナ部112は、指向性が低い無指向性アンテナとして構成されることになる。
伝送線路124は、接続配線132を介して、アンテナ素子122と高周波素子140とを電気的に接続し、アンテナ素子122に電力を供給する。具体的には、伝送線路124は、アンテナ素子122の給電線122Bが高周波素子140の下方まで延伸された形状で構成される。
したがって、伝送線路124は、アンテナ素子122と同一面に同一材料で、アンテナ素子122と一体化されて基板110上に形成されることになる。高周波モジュール10では、高周波素子140と接続する接続配線132からアンテナ素子122までを、アンテナ素子122と同一材料で同一面に形成された伝送線路124にて電気的に接続することができるため、伝送による電力損失を低減することができる。
伝送線路124は、例えば、スパッタ法、電解もしくは無電解めっき法、または各種印刷法などを用いて、アンテナ素子122および一般配線126と同時に形成されてもよい。伝送線路124は、一般的な配線に用いられる金属等の導体であれば、どのようなもので構成されてもよく、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、銀、金、白金、またはこれら金属を含む合金で構成されてもよい。アンテナ素子122、伝送線路124、および一般配線126は、同一面に形成されるため、これらの構成を同一のプロセスで同時に形成することで、高周波モジュール10の製造工程を簡略化することができる。
接続配線132、134は、基板110上に実装された高周波素子140と、基板110の面内に設けられた伝送線路124または一般配線126とを電気的に接続する。具体的には、接続配線132、134は、バンプ、はんだ、またはビアなどであり、高周波素子140の端子と、伝送線路124または一般配線126とを電気的に接続する。なお、接続配線132、134は、バンプ、はんだ、またはビアとして一般的な導電性材料で構成されてもよい。
また、接続配線132、134の高さは、アンテナ部112にて送受信される電波の基板110内における実効的な波長(実効波長λともいう)の1/4以下であってもよい。これによれば、接続配線132、134は、インピーダンス不整合が生じやすい長距離の配線、ワイヤ、またはビア等を介さずに、高周波素子140と、伝送線路124または一般配線126とを電気的に接続することができる。したがって、接続配線132、134は、高さを実効波長λの1/4以下とすることにより、伝送による電力損失を低減することができる。
高周波素子140は、アンテナ素子122の前段に設けられる電子部品である。例えば、高周波素子140は、高周波フィルタ、スイッチ、パワーアンプ、または低ノイズアンプ等の少なくともいずれかの機能を含む回路を備えた電子部品であってもよい。また、高周波素子140は、基板110上へのフリップチップ接合が可能なように設けられていてもよい。これによれば、高周波素子140は、バンプまたははんだなどのより短い接続配線132にて、伝送線路124と、高周波素子140とを電気的に接続することが可能である。
一般配線126は、基板110上に設けられた各種配線である。具体的には、一般配線126は、高周波素子140の下方まで延伸されて、接続配線134にて高周波素子140と電気的に接続される。例えば、一般配線126は、高周波素子140と電源とを電気的に接続する配線、または高周波素子140と他の電子部品とを電気的に接続する配線等であってもよい。
一般配線126は、伝送線路124と同様に、アンテナ素子122と同一面に同一材料で構成される。一般配線126は、一般的な配線に用いられる金属等の導体であれば、どのようなもので構成されてもよく、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、銀、金、白金、またはこれら金属を含む合金で構成されてもよい。また、一般配線126は、伝送線路124と同様に、例えば、スパッタ法、電解もしくは無電解めっき法、または各種印刷法などを用いて、アンテナ素子122および伝送線路124と同時に形成されてもよい。したがって、アンテナ素子122、伝送線路124、および一般配線126は、同一のプロセスで同時に形成されることで、高周波モジュール10の製造工程を簡略化することができる。
グランド配線150は、基準電位(図示せず)に接続された(すなわち、接地された)配線である。グランド配線150と電気的に接続されることで、例えば、短絡線152は、接地される(すなわち、アースされる)ことになる。
グランド配線150は、例えば、高周波モジュール10を含む電子機器の筐体の金属部(図示せず)などと電気的に接続されることで接地されてもよい。また、グランド配線150は、等電位面を形成する程度に大きな導体板で構成されることで、接地として機能してもよい。グランド配線150は、一般的な配線に用いられる金属等の導体であれば、どのようなもので構成されてもよく、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、銀、金、白金、またはこれら金属を含む合金で構成されてもよい。
以上で説明した構成を備える高周波モジュール10は、無指向性のアンテナ部112を備え、高周波帯域の電波を送受信することができる。
また、送受信する電波の周波数が高くなるほど、伝送路による損失がより大きくなりやすいが、高周波モジュール10では、アンテナ素子122から高周波素子140までの伝送路をより短く、インピーダンス不整合が生じないように形成することができる。しがたって、高周波モジュール10では、伝送路における電力損失を低減することができるため、高周波帯域の電波をより効率的に送受信することができる。
なお、上述した高周波モジュール10は、一般的な電子部品の製造技術を用いることで製造することが可能である。このような一般的な電子部品の製造技術は、いわゆる当業者にとっては自明であるため、ここでの説明は省略する。
[1.2.高周波モジュールの用途]
次に、図3を参照して、本実施形態に係る高周波モジュール10の用途について説明する。図3は、本実施形態に係る高周波モジュール10の用途を説明する説明図である。
図3に示すように、本実施形態に係る高周波モジュール10は、例えば、基地局3との間で移動体通信を行う端末1に備えられ、高周波帯域の電波を送受信する。基地局3と、端末1との間で送受信される電波の周波数帯域は、例えば、20GHz〜100GHzの高周波帯域である。
基地局3は、所定の距離ごとに各地に設けられ、該基地局3の担当範囲内の端末1との間で電波の送受信を行う。基地局3が備えるアンテナは、無指向性であってもよく、高指向性であってもよい。また、基地局3が備えるアンテナは、複数のアンテナ素子が平面上に規則的に配列されたアンテナアレイであってもよい。
端末1は、例えば、携帯電話、タブレット端末、またはスマートフォンなどであり、最も近い基地局3との間で電波の送受信を行う。ここで、端末1は、種々の方向に存在する基地局3からの電波を受信するため、無指向性のアンテナを備えることが望まれる。本実施形態に係る高周波モジュール10は、高周波帯域の電波を送受信可能な無指向性アンテナを備えるため、移動体通信を行う端末1に好適に用いることができる。
<2.第2の実施形態>
続いて、図4および図5を参照して、本開示の第2の実施形態に係る通信装置100の構成について説明する。図4は、本開示の第2の実施形態に係る通信装置100の構成を模式的に示す断面図である。また、図5は、図4で示した通信装置100を高周波素子140側から平面視した平面図である。
図4および図5に示すように、通信装置100は、高周波モジュール11と、高周波モジュール11が実装された装置基板200とを備える。また、通信装置100は、例えば、移動体通信を行う端末1の筐体30の内部に収容される。
高周波モジュール11は、基板110と、アンテナ部112と、アンテナ素子122と、伝送線路124と、接続配線132、134と、高周波素子140と、一般配線126と、グランド配線154と、グランドビア162、164と、上部シールド172とを備える。また、装置基板200は、基板グランド210を備え、はんだ220にて高周波モジュール11と接続される。
本実施形態に係る通信装置100では、上部シールド172、グランドビア162、および基板グランド210は、高周波素子140を全方位に亘って囲むことで、高周波素子140に侵入する電波を遮蔽するシールド部170として機能する。これにより、通信装置100では、高周波素子140におけるノイズ発生を抑制することができる。
基板110、アンテナ部112、アンテナ素子122、伝送線路124、接続配線132、134、高周波素子140、および一般配線126については、第1の実施形態と実質的に同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。以下では、第2の実施形態に特徴的な構成を中心に説明を行う。
基板110は、高周波モジュール11の各構成が設けられる支持体である。基板110は、第1の実施形態と同様の材料で構成されてもよい。
アンテナ部112は、基板110から突出して設けられ、高周波帯域の電波を送受信可能なアンテナとして構成される。アンテナ部112は、基板110から突出して設けられることで、アンテナ部112の上下に比誘電率が低い空気領域20を形成することができる。これにより、アンテナ部112は、電波の放射効率を向上させ、かつ送受信可能な周波数帯域を拡張することができる。また、このような構成により、アンテナ部112は、指向性が低い無指向性アンテナとして構成される。
アンテナ部112は、どのようなアンテナで構成されてもよいが、第1の実施形態と同様に逆F型アンテナで構成されてもよい。また、アンテナ素子122も第1の実施形態と同様の平面形状で構成されてもよい。
伝送線路124は、第1の実施形態と同様に、高周波素子140と、アンテナ素子122とを電気的に接続し、アンテナ素子122に電力を供給する。伝送線路124は、第1の実施形態と同様に、アンテナ素子122と同一面に、同一材料で形成されることため、伝送距離を短縮することで、伝送による電力損失を低減することができる。
また、伝送線路124は、同一面に形成されるアンテナ素子122および一般配線126と同時に、同一のプロセスで形成されてもよい。これによれば、伝送線路124は、高周波モジュール11の製造工程を簡略化することができる。
接続配線132、134は、第1の実施形態と同様に、基板110上に実装された高周波素子140と、基板110の面内に設けられた伝送線路124または一般配線126とを電気的に接続する。例えば、接続配線132、134は、バンプ、はんだ、またはビア等であってもよい。また、接続配線132、134の高さは、アンテナ部112にて送受信される電波の実効波長λの1/4以下であってもよい。これによれば、接続配線132、134は、伝送による電力損失を低減することができる。
高周波素子140は、第1の実施形態と同様に、例えば、高周波フィルタ、スイッチ、パワーアンプ、または低ノイズアンプ等の少なくともいずれかの機能を含む回路を備えた電子部品であってもよい。
また、本実施形態に係る通信装置100では、高周波素子140は、上部シールド172、グランドビア162、および基板グランド210からなるシールド部170によって囲まれる。これにより、高周波素子140は、シールド部170によって外部の電波から遮蔽されるため、回路内でのノイズ発生を抑制することができる。なお、シールド部170によって遮蔽される電波は、例えば、アンテナ部112によって送受信される電波、および該電波の高調波等であってもよい。具体的には、シールド部170は、20GHz〜200GHzの周波数帯域の電波を遮蔽してもよい。
このようなシールド部170は、例えば、開口の大きさが遮蔽電波の基板110内における実効的な波長(実効波長λともいう)の1/4以下である導体で、遮蔽対象の周囲を全方位に亘って囲むことで構成することができる。
一般配線126は、第1の実施形態と同様に、基板110上に設けられた各種配線である。また、一般配線126は、接続配線134によって高周波素子140と電気的に接続される。例えば、一般配線126は、アンテナ素子122および伝送線路124と同一面に同一材料で構成されてもよい。また、一般配線126は、アンテナ素子122および伝送線路124と同時に、同一プロセスで形成されてもよい。これによれば、通信装置100の構成および製造工程をより簡略化することができる。
グランド配線154は、基準電位に接続された(すなわち、接地された)配線である。具体的には、グランド配線154は、基板110を貫通して設けられたグランドビア164、およびはんだ220によって、基板グランド210と電気的に接続されることで接地される。なお、グランド配線154は、第1の実施形態と同様の材料で構成されてもよい。
グランドビア162は、高周波素子140および基板110を貫通して設けられ、上部シールド172、および基板グランド210とシールド部170を構成することで、高周波素子140に侵入する電波を遮蔽する。具体的には、グランドビア162は、高周波素子140の外周に沿って、互いに所定の幅gap以下の間隔を空けて設けられる。
所定の幅gapの大きさは、例えば、シールド部170によって遮蔽される電波の実効波長λ(すなわち、基板110内における実効的な波長)の1/4としてもよい。なお、グランドビア162による電波の遮蔽能をより高くするためには、所定の幅gapの大きさは、シールド部170によって遮蔽される電波の実効波長λの1/10としてもよい。例えば、シールド部170によって遮蔽される電波が、20GHz〜100GHzの周波数帯域の電波である場合、所定の幅gapの大きさは、0.75mmとしてもよく、望ましくは0.3mmとしてもよい。
このような所定の幅gapは、遮蔽対象の電波の実効波長に対して十分に小さい。したがって、遮蔽対象の電波は、所定の幅gap以下の間隔で設けられたグランドビア162の間を通り抜けることができず、グランドビア162は、側面から高周波素子140に侵入しようとする電波を遮蔽することができる。
グランドビア162は、一般的な配線または電極に用いられる導体で構成されてもよく、例えば、銅、アルミニウム、チタン、もしくはタングステンなどの金属またはこれらの金属の合金で構成されてもよい。
グランドビア164は、基板110を貫通して設けられ、はんだ220を介して、グランド配線154と、基板グランド210とを電気的に接続する。これにより、グランドビア164は、グランド配線154を接地させることができる。グランドビア164は、少なくとも1つ設けられていればよいが、複数設けられていてもよい。グランドビア164が複数設けられる場合、グランド配線154と、基板グランド210との電気的な接続を強化することができるため、グランド配線154の接地の安定性等を向上させることができる。グランドビア164は、一般的なビアまたは電極に用いられる導体で構成されてもよく、例えば、銅、アルミニウム、チタン、もしくはタングステンなどの金属またはこれらの金属の合金で構成されてもよい。
上部シールド172は、高周波素子140の基板110への実装面と対向する面(すなわち、高周波素子140の上面)に設けられる導体層である。上部シールド172は、高周波素子140の上面の全体に亘って設けられることで、上面側から高周波素子140に侵入しようとする電波を遮蔽することができる。また、上部シールド172は、高周波素子140が備えるトランジスタのソースインダクタンスを低減することも可能である。上部シールド172は、金属等の導体であれば、どのようなもので構成されてもよく、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、銀、金、白金、またはこれら金属を含む合金で構成されてもよい。
装置基板200は、高周波モジュール11を含む通信装置100の各構成が実装される支持体である。例えば、装置基板200は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、フェノール樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ケイ素樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、またはポリフェニレンオキシド樹脂などの有機樹脂で構成されてもよい。また、装置基板200を構成する有機樹脂には、機械的剛性を向上させるために、ガラス繊維等が混合されていてもよい。さらに、装置基板200は、複数層にて多層配線基板として構成されてもよい。
はんだ220は、高周波モジュール11に形成された配線と、装置基板200に形成された配線とを電気的に接続する。具体的には、はんだ220は、グランドビア162および164と、基板グランド210とを電気的に接続する。これにより、グランドビア162および164、上部シールド172、ならびにグランド配線154は、基板グランド210によって接地される。また、はんだ220は、高周波モジュール11に形成された一般配線126と、装置基板200に形成された配線(図示せず)とを電気的に接続してもよい。
例えば、はんだ220は、BGA(Ball Grid Array)を構成するはんだボール、POP(Package On Package)などの三次元実装用のCuコアはんだボール、または柱状の銅の上にはんだをキャップしたCuピラーバンプなどであってもよい。
基板グランド210は、装置基板200に設けられ、基準電位(図示せず)に接続された(すなわち、接地された)配線である。基板グランド210と電気的に接続されることで、グランドビア162および164、上部シールド172、ならびにグランド配線154は、接地される。基板グランド210は、例えば、通信装置100を含む電子機器の筐体30の金属部(図示せず)などと電気的に接続されることで接地されてもよい。また、基板グランド210は、等電位面を形成する程度に大きな導体板で構成されることで、接地として機能してもよい。
また、基板グランド210は、少なくとも上部シールド172を平面視した射影領域に設けられてもよい。基板グランド210は、高周波素子140の平面領域の全体に亘って設けられることで、装置基板200側から高周波素子140に侵入しようとする電波を遮蔽することができる。すなわち、基板グランド210は、グランドビア162、および上部シールド172と共に高周波素子140をかご状に囲むことで、高周波素子140に侵入しようとする電波を遮蔽するシールド部170として機能することができる。
また、基板グランド210は、アンテナ部112の下方に設けられなくともよい。このような場合、アンテナ部112の基板110の上下の空間がより等方性になるため、アンテナ部112の無指向性をより向上させることができる。
基板グランド210は、一般的な配線に用いられる金属等の導体であれば、どのようなもので構成されてもよく、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、銀、金、白金、またはこれら金属を含む合金で構成されてもよい。
図4および図5では、上部シールド172、グランドビア162、および基板グランド210からシールド部170が構成される例を示したが、本実施形態は、かかる例示に限定されない。シールド部170は、基板グランド210に替えて、基板110または装置基板200のいずれかに設けられた導体層(例えば、グランド配線154等)にて構成されていてもよい。
例えば、シールド部170は、上部シールド172、グランドビア162、および上部シールド172を平面視した射影領域の基板110に設けられた導体層(例えば、グランド配線154)にて構成されていてもよい。また、シールド部170は、上部シールド172、グランドビア162、および上部シールド172を平面視した射影領域の装置基板200に設けられた導体層にて構成されていてもよい。
このような場合でも、上部シールド172、グランドビア162、および導体層は、高周波素子140をかご状に囲むことができるため、高周波素子140に侵入しようとする電波を遮蔽するシールド部170として機能することができる。なお、このような場合、シールド部170は、接地されないが、特に問題はない。
一方、シールド部170が上部シールド172、グランドビア162、および基板グランド210で構成される場合、別途の導体層を設けることなく、基板グランド210を装置基板200側からの電波の遮蔽体として用いることができるため、通信装置100の構成および製造工程を簡略化することができる。
以上で説明した構成を備える通信装置100は、無指向性のアンテナ部112を備え、伝送路による損失が少なく、より効率的に高周波帯域の電波を送受信することができる。
なお、上述した通信装置100は、一般的な電子部品の製造技術を用いることで製造することが可能である。このような一般的な電子部品の製造技術は、いわゆる当業者にとっては自明であるため、ここでの説明は省略する。
(変形例)
ここで、図6を参照して、本実施形態に係る通信装置の変形例について説明する。図6は、本実施形態の変形例に係る通信装置100Aの構成を模式的に示す断面図である。
図6に示すように、本変形例に係る通信装置100Aは、装置基板200がアンテナ部112の下方に設けられない点が図4で示した通信装置100と異なる。
通信装置100Aでは、図4で示した通信装置100に対して、アンテナ部112の下方の空間に存在する装置基板200が無くなるため、誘電体損失をより低減することができる。したがって、通信装置100Aでは、アンテナ部112からの電波の放射効率をより向上させることができる。
<3.第3の実施形態>
次に、図7および図8を参照して、本開示の第3の実施形態に係る通信装置101の構成について説明する。図7は、本開示の第3の実施形態に係る通信装置101の構成を模式的に示す断面図である。また、図8は、図7で示した通信装置101を装置基板200の実装面と対向する面側から平面視した平面図である。
図7および図8に示すように、通信装置101は、高周波モジュール12と、高周波モジュール12が実装された装置基板200とを備える。また、通信装置101は、例えば、移動体通信を行う端末1の筐体30の内部に収容される。
高周波モジュール12は、基板111と、アンテナ部112と、アンテナ素子122と、伝送線路124と、接続配線132、134と、高周波素子140と、一般配線126と、グランド配線154と、グランドビア162と、上部シールド172とを備える。また、装置基板200は、基板グランド210を備え、はんだ220にて高周波モジュール12と接続される。
本実施形態に係る通信装置101では、高周波素子140が基板111の内部に設けられる。このため、上部シールド172は、基板111の装置基板200の実装面と対向する面に設けられ、グランドビア162は、高周波素子140を囲むように、基板111を貫通して設けられる。このような場合、グランドビア162の配置をより柔軟に制御することができる。これにより、グランドビア162は、伝送線路124に侵入する電波も遮蔽することが可能である。
第3の実施形態の各構成の材質等については、第2の実施形態と実質的に同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。以下では、第3の実施形態に特徴的な構成を中心に説明を行う。
基板111は、高周波モジュール12の各構成が設けられる支持体である。また、基板111は、内部に高周波素子140を備える。このような基板111は、例えば、多層配線基板として形成されてもよい。なお、基板111は、第1の実施形態と同様の材料で構成されてもよい。
アンテナ部112は、基板111から突出して設けられ、高周波帯域の電波を送受信可能なアンテナとして構成される。本実施形態では、装置基板200側の面にアンテナ素子122(すなわち、本体部122Aおよび給電線122B)が設けられ、装置基板200側の面と対向する面に短絡線152が設けられる。
これにより、通信装置101では、アンテナ部112のインピーダンス調整をより容易に行うことが可能である。かかる点について、図9を参照して説明する。図9は、図8のアンテナ部112の拡大図である。
図9に示すように、アンテナ部112は、例えば、本体部122A、本体部122Aの略中心と垂直に接続する給電線122B、および基板111を貫通して本体部122Aの一端と電気的に接続する短絡線152からなる逆F型アンテナとして構成される。
逆F型アンテナでは、給電線122Bおよび短絡線152の太さ、ならびに給電線122Bと短絡線152との距離L等によって、インピーダンス等の特性が変化する。したがって、アンテナ部112は、給電線122Bまたは短絡線152を装置基板200の実装面と対向する面に設けることで、給電線122Bまたは短絡線152を形成した後で、これらをさらに加工し、インピーダンス調整等を行うことができる。
例えば、給電線122Bまたは短絡線152は、基板111に形成された後に、レーザ加工法または印刷法などによって、さらに形状を加工されてもよい。また、給電線122Bまたは短絡線152は、後段での形状の加工に備えて、インピーダンス調整部として、比較的太い幅で形成されてもよい。
これによれば、加工誤差等によってアンテナ部112の特性が所望の特性から変動してしまった場合でも、給電線122Bまたは短絡線152を追加工することで、アンテナ部112の特性を所望の特性に修正することができる。したがって、このような構成によれば、通信装置101の製造工程における歩留まりを向上させることができる。
なお、アンテナ部112が逆F型アンテナ以外の構造のアンテナとして構成される場合、インピーダンス調整部の構成は、上記とは異なる。しかしながら、アンテナ部112がいずれの構造のアンテナとして構成される場合でも、アンテナ部112は、装置基板200の実装面と対向する面側からインピーダンスが調整可能であるように構成されてもよい。
伝送線路124は、高周波素子140と、アンテナ素子122とを電気的に接続し、アンテナ素子122に電力を供給する。伝送線路124は、第2の実施形態と同様に、アンテナ素子122と同一面に、同一材料で形成されてもよく、同一面に形成されるアンテナ素子122および一般配線126と同時に、同一のプロセスで形成されてもよい。
接続配線132、134は、基板111の内部に実装された高周波素子140と、基板111の内部に設けられた伝送線路124または一般配線126とを電気的に接続する。例えば、接続配線132、134は、バンプ、はんだ、またはビア等であってもよく、接続配線132、134の高さは、アンテナ部112にて送受信される電波の実効波長λの1/4以下であってもよい。
高周波素子140は、第2の実施形態と同様に、例えば、高周波フィルタ、スイッチ、パワーアンプ、または低ノイズアンプ等の少なくともいずれかの機能を含む回路を備えた電子部品であってもよい。
また、高周波素子140は、上部シールド172、グランドビア162、および基板グランド210からなるシールド部170によってかご状に囲まれる。これにより、高周波素子140は、シールド部170によって外部の電波から遮蔽されるため、回路内でのノイズ発生を抑制することができる。なお、シールド部170によって遮蔽される電波は、例えば、アンテナ部112によって送受信される電波、および該電波の高調波等であってもよい。具体的には、シールド部170は、20GHz〜200GHzの周波数帯域の電波を遮蔽してもよい。
一般配線126は、第2の実施形態と同様に、接続配線134によって高周波素子140と電気的に接続される各種配線である。例えば、一般配線126は、アンテナ素子122および伝送線路124と同一面に、同一材料で構成されてもよく、同一面に形成されるアンテナ素子122および伝送線路124と同時に、同一プロセスで形成されてもよい。
グランド配線154は、基準電位に接続された(すなわち、接地された)配線である。具体的には、グランド配線154は、基板111を貫通して設けられたグランドビア162、およびはんだ220によって、基板グランド210と電気的に接続されることで接地される。
グランドビア162は、基板111を貫通して設けられ、上部シールド172および基板グランド210とシールド部170を構成することで、高周波素子140に侵入する電波を遮蔽する。具体的には、グランドビア162は、高周波素子140の周囲を囲むように、互いに所定の幅gap以下の間隔を空けて設けられる。また、グランドビア162は、伝送線路124の周囲を囲むように、互いに所定の幅gap以下の間隔を空けて設けられてもよい。
所定の幅gapの大きさは、第2の実施形態で説明したように、例えば、シールド部170によって遮蔽される電波の実効波長λの1/4である。また、グランドビア162による電波の遮蔽能をより高くするためには、所定の幅gapの大きさは、遮蔽される電波の実効波長λの1/10としてもよい。例えば、シールド部170によって遮蔽される電波が、20GHz〜100GHzの周波数帯域の電波である場合、所定の幅gapの大きさは、0.75mmとしてもよく、望ましくは0.3mmとしてもよい。
このような所定の幅gap以下の間隔で設けられることにより、グランドビア162は、側面から高周波素子140に侵入しようとする電波を遮蔽することができる。また、グランドビア162は、側面から伝送線路124に侵入しようとする電波を遮蔽することができる。
上部シールド172は、基板111の装置基板200が実装された面と対向する面(すなわち、基板111の上面)に設けられる導体層である。上部シールド172は、基板111の上面の全体に亘って設けられることで、上面側から高周波素子140、および伝送線路124に侵入しようとする電波を遮蔽することができる。
装置基板200は、高周波モジュール12を含む通信装置101の各構成が実装される支持体である。なお、装置基板200は、アンテナ部112の下方に設けられなくともよい。このような場合、通信装置101は、アンテナ部112の上下の空間の誘電体損失を低減することができるため、アンテナ部112からの電波の放射効率をより向上させることができる。
はんだ220は、高周波モジュール12に形成された配線と、装置基板200に形成された配線とを電気的に接続する。具体的には、はんだ220は、グランドビア162と、基板グランド210とを電気的に接続する。
基板グランド210は、装置基板200に設けられ、基準電位に接続された(すなわち、接地された)配線である。基板グランド210と電気的に接続されることで、グランドビア162、上部シールド172、およびグランド配線154は、接地される。また、基板グランド210は、グランドビア162、および上部シールド172と共に高周波素子140等をかご状に囲むことで、高周波素子140に侵入しようとする電波を遮蔽するシールド部170として機能する。
以上で説明した構成を備える通信装置101は、第2の実施形態に係る通信装置100と同様に、無指向性のアンテナ部112を備える。また、通信装置101は、伝送路による損失が少なく、より効率的に高周波帯域の電波を送受信することができる。
なお、上述した通信装置101は、一般的な電子部品の製造技術を用いることで製造することが可能である。このような一般的な電子部品の製造技術は、いわゆる当業者にとっては自明であるため、ここでの説明は省略する。
<4.まとめ>
以上にて説明したように、本開示の一実施形態に係る高周波モジュール、および通信装置は、無指向性のアンテナを備え、高周波帯域の電波を送受信することができる。また、本開示の一実施形態に係る高周波モジュール、および通信装置は、アンテナ素子から高周波素子までの伝送路をより短く、インピーダンス不整合が生じないように形成することができる。したがって、本開示の一実施形態に係る高周波モジュール、および通信装置は、伝送路における電力損失を低減することができるため、高周波帯域の電波をより効率的に送受信することができる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
(1)
基板から突出して設けられたアンテナ部と、
少なくとも一部が前記アンテナ部の上に設けられたアンテナ素子と、
前記アンテナ素子と同一面に、同一材料で設けられた伝送線路と、
前記基板の前記伝送線路が形成された面に実装された高周波素子と、
を備える、高周波モジュール。
(2)
前記高周波素子は、電波を遮蔽するシールド部で囲まれている、前記(1)に記載の高周波モジュール。
(3)
前記シールド部は、前記高周波素子の前記基板との実装面と対向する面に設けられた上部シールドと、前記高周波素子および前記基板を貫通する複数のグランドビアと、前記グランドビアと接続するグランド配線とを含む、前記(2)に記載の高周波モジュール。
(4)
前記複数のグランドビアの各々の間隔は、前記シールド部が遮蔽する電波の実効波長の1/4以下である、前記(3)に記載の高周波モジュール。
(5)
前記高周波素子と、前記伝送線路とは、接続配線で電気的に接続されており、
前記接続配線の長さは、前記シールド部が遮蔽する電波の実効波長の1/4以下である、前記(2)〜(4)のいずれか一項に記載の高周波モジュール。
(6)
前記シールド部が遮蔽する電波は、前記アンテナ素子から送受信される電波、および前記電波の高調波である、前記(2)〜(5)のいずれか一項に記載の高周波モジュール。
(7)
前記シールド部は、さらに前記伝送線路を囲んでいる、前記(2)〜(6)のいずれか(8)
前記アンテナ素子から送受信される電波は、20GHz〜100GHzの高周波電波である、前記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の高周波モジュール。
一項に記載の高周波モジュール。
(9)
前記アンテナ部の上下には、空気領域が設けられる、前記(1)〜(8)のいずれか一項に記載の高周波モジュール。
(10)
前記アンテナ部は、逆F型アンテナとして構成される、前記(1)〜(9)のいずれか一項に記載の高周波モジュール。
(11)
基板から突出して設けられたアンテナ部と、
少なくとも一部が前記アンテナ部の上に設けられたアンテナ素子と、
前記アンテナ素子と同一面に、同一材料で設けられた伝送線路と、
前記基板の前記伝送線路が形成された面に実装された高周波素子と、
前記基板の前記高周波素子が形成された面と対向する面に設けられた装置基板と、
を備える、通信装置。
(12)
前記高周波素子は、電波を遮蔽するシールド部で囲まれており、
前記シールド部は、前記高周波素子の前記基板との実装面と対向する面に設けられた上部シールドと、前記高周波素子および前記基板を貫通する複数のグランドビアと、前記グランドビアと接続し、前記装置基板に設けられた基板グランドとを含む、前記(11)に記載の通信装置。
(13)
前記基板グランドは、前記アンテナ部の下方の領域には設けられない、前記(12)に記載の通信装置。
(14)
前記装置基板は、前記アンテナ部の下方の領域には設けられない、前記(11)〜(13)のいずれか一項に記載の通信装置。
(15)
前記装置基板が設けられた側と対向する側の前記アンテナ部の面には、インピーダンス調整部がさらに設けられる、前記(11)〜(14)のいずれか一項に記載の通信装置。
10、11、12 高周波モジュール
20 空気領域
30 筐体
100、101 通信装置
110、111 基板
112 アンテナ部
122 アンテナ素子
124 伝送線路
126 一般配線
132、134 接続配線
140 高周波素子
150、154 グランド配線
162、164 グランドビア
170 シールド部
172 上部シールド
200 装置基板
210 基板グランド
220 はんだ

Claims (15)

  1. 基板から突出して設けられたアンテナ部と、
    少なくとも一部が前記アンテナ部の上に設けられたアンテナ素子と、
    前記アンテナ素子と同一面に、同一材料で設けられた伝送線路と、
    前記基板の前記伝送線路が形成された面に実装された高周波素子と、
    を備える、高周波モジュール。
  2. 前記高周波素子は、電波を遮蔽するシールド部で囲まれている、請求項1に記載の高周波モジュール。
  3. 前記シールド部は、前記高周波素子の前記基板との実装面と対向する面に設けられた上部シールドと、前記高周波素子および前記基板を貫通する複数のグランドビアと、前記グランドビアと接続するグランド配線とを含む、請求項2に記載の高周波モジュール。
  4. 前記複数のグランドビアの各々の間隔は、前記シールド部が遮蔽する電波の実効波長の1/4以下である、請求項3に記載の高周波モジュール。
  5. 前記高周波素子と、前記伝送線路とは、接続配線で電気的に接続されており、
    前記接続配線の長さは、前記シールド部が遮蔽する電波の実効波長の1/4以下である、請求項2に記載の高周波モジュール。
  6. 前記シールド部が遮蔽する電波は、前記アンテナ素子から送受信される電波、および前記電波の高調波である、請求項2に記載の高周波モジュール。
  7. 前記シールド部は、さらに前記伝送線路を囲んでいる、請求項2に記載の高周波モジュール。
  8. 前記アンテナ素子から送受信される電波は、20GHz〜100GHzの高周波電波である、請求項1に記載の高周波モジュール。
  9. 前記アンテナ部の上下には、空気領域が設けられる、請求項1に記載の高周波モジュール。
  10. 前記アンテナ部は、逆F型アンテナとして構成される、請求項1に記載の高周波モジュール。
  11. 基板から突出して設けられたアンテナ部と、
    少なくとも一部が前記アンテナ部の上に設けられたアンテナ素子と、
    前記アンテナ素子と同一面に、同一材料で設けられた伝送線路と、
    前記基板の前記伝送線路が形成された面に実装された高周波素子と、
    前記基板の前記高周波素子が形成された面と対向する面に設けられた装置基板と、
    を備える、通信装置。
  12. 前記高周波素子は、電波を遮蔽するシールド部で囲まれており、
    前記シールド部は、前記高周波素子の前記基板との実装面と対向する面に設けられた上部シールドと、前記高周波素子および前記基板を貫通する複数のグランドビアと、前記グランドビアと接続し、前記装置基板に設けられた基板グランドとを含む、請求項11に記載の通信装置。
  13. 前記基板グランドは、前記アンテナ部の下方の領域には設けられない、請求項12に記載の通信装置。
  14. 前記装置基板は、前記アンテナ部の下方の領域には設けられない、請求項11に記載の通信装置。
  15. 前記装置基板が設けられた側と対向する側の前記アンテナ部の面には、インピーダンス調整部がさらに設けられる、請求項11に記載の通信装置。

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