JP2019153910A - アンテナモジュールおよびアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アレイアンテナの信号放射面から見て小型で、アレイアンテナのビーム走査の際の放射特性を向上でき、アレイアンテナに組み込まれた後のメンテナンスおよび調整を容易にできるアンテナモジュール、および、このアンテナモジュールが用いられたアレイアンテナを提供する。【解決手段】実施例にかかるアンテナモジュールは、アンテナ基板と、回路基板と、スペーサとを有する。アンテナ基板は、アレイアンテナの信号放射面に配置され、アンテナ素子を第１の面側に有する。回路基板は、アンテナ基板の第２の面側に配置され、１つ以上の回路ブロックを有する。スペーサは、回路基板が有する回路ブロックに対応する部分に開口部を有し、アンテナ基板と基板と、または、複数の前記回路基板のうちの隣りあう２つの回路基板同士に挟まれる。【選択図】図９

Description

本発明の実施形態は、アンテナモジュールおよびアンテナモジュールに関する。

複数の半導体ウェハが絶縁層を介して重ねられ、これらの半導体ウェハに樹脂材料が充填されて構成されるアレイアンテナが知られている。しかしながら、このような構造のアレイアンテナは、組み立て後に複数の半導体ウェハを分離できないので、メンテナンスおよび調整が難しい。一方、アレイアンテナの放射特性を向上させるためには、アレイアンテナを構成するアンテナ素子同士の距離を短くすることが望ましい。従って、アレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子それぞれを有するアンテナモジュールの面積は、アンテナアレイの信号放射面から見て小さいことが望ましい。

特開２０１５−１０３８４２号公報

本発明の実施形態は上述した問題を解決するためになされ、アレイアンテナの信号放射面から見て小型で、アレイアンテナのビーム走査の際の放射特性を向上でき、アレイアンテナに組み込まれた後のメンテナンスおよび調整を容易にできるアンテナモジュール、および、このアンテナモジュールが用いられたアレイアンテナを提供することを課題とする。

上記に記載された課題を解決するために、実施例にかかるアンテナモジュールは、アンテナ基板と、回路基板と、スペーサとを有する。アンテナ基板は、アレイアンテナの信号放射面に配置され、アンテナ素子を第1の面側に有する。回路基板は、アンテナ基板の第２の面側に配置され、１つ以上の回路ブロックを有する。スペーサは、回路基板が有する回路ブロックに対応する部分に開口部を有し、アンテナ基板と基板とに挟まれる。

第1の実施形態にかかるアレイアンテナを信号放射面から見た平面図である。 図１に示されたアレイアンテナに含まれるアンテナモジュールを信号放射面から見た平面図である。 図２に示されたアンテナモジュールのＸ−Ｚ面における断面図である。 図３に示されたスペーサを信号放射面から見た平面図である。 図３に示されたように重ねられたアンテナ基板、回路基板およびフレキシブル基板を展開し、信号放射面から見た平面図である。 図５に示された平面図を裏側から見た図である。 図５，図６に示されたように接続されたアンテナ基板および回路基板にスペーサを挟み、折り重ねる方法を示す図である。 第２の実施形態にかかるアンテナモジュールを信号放射面から見た平面図である。 図８に示されたアンテナモジュールを構成するアンテナ基板を信号放射面から見た平面図である。 図８に示されたアンテナモジュールを構成する回路基板を信号放射面から見た平面図である。 図８に示されたアンテナモジュールを構成するスペーサを信号放射面から見た平面図である。 図８に示されたアンテナモジュールのＸ−Ｚ面における断面図である。

［第1の実施形態］
以下、第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、アレイアンテナ１の構成が説明される。図１に示されるように、第1の実施形態にかかるアレイアンテナ１は、Ｚ軸方向を向く電波信号の放射面に４×４形式のマトリクス状に配置された１６個の正方形のアンテナモジュール２−１〜２−１６を含む。なお、以下、電波信号の放射面は、信号放射面と記される。また、アンテナモジュール２−１〜２−１６など、複数ある構成要素のいずれかが特定されずに示されるときには、単にアンテナモジュール２などと略記されることがある。また、以下に示される各図において、実質的に同じ構成要素には同じ符号が付される。

アンテナモジュール２それぞれからは、アレイアンテナ１全体として予め決められた複数の指向特性のいずれかを順次、得るために移相された高周波信号が信号放射面から送信される。また、アンテナモジュール２それぞれにより信号放射面から受信された高周波信号は、アレイアンテナ１全体として予め決められた複数の指向特性のいずれかを得るために移相されて外部に出力される。

図１に示されたアレイアンテナ１に含まれるアンテナモジュール２−ｉ（１６≧ｉ≧１）は、アンテナ基板２０−ｉを備える。アンテナ基板２０−ｉの信号放射面と同じ側の面には、アレイアンテナ１の信号放射面から高周波信号を送信および受信するアンテナ素子２００−ｉが形成される。

アンテナ基板２０−ｉの信号放射面と反対側の面には、金属、導電性ゴム、導電性樹脂などから作られたスペーサ２４０−ｉを挟んで１枚以上の回路基板２６０−ｉが重ねられる。アンテナ基板２０−ｉおよび回路基板２６０−ｉの４隅には、ボルト用穴２１０−ｉ−１〜２１０−ｉ−４が開けられる。なお、アンテナ基板２０−ｉおよび回路基板２６０−ｉとして、テフロン（登録商標）基板またはセラミクス基板が用いられる。

図３は、図２に示されたアンテナモジュール２−ｉのＸ−Ｚ面における断面図である。なお、図３に示されたアンテナモジュール２−ｉの断面は、図示の明確化のために、Ｚ軸方向に拡大されている（以下の断面図について同じ）。図４は、図３に示されたスペーサ２４０−ｉ−１〜２４０−ｉ−３を信号放射面から見た平面図である。図２に示されたアンテナモジュール２−ｉを、図２に示された点線を含み、信号放射面に垂直なＸ−Ｚ面で切断したと仮定すると、図３に示されるように、信号放射面の方向からの高周波信号の送信および受信を行うアンテナモジュール２−ｉの断面が得られる。

図３に示されるように、アンテナモジュール２−ｉのアンテナ基板２０−ｉの信号放射面の反対側の面に対向して、一辺の長さＬ２の正方形の回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３が、スペーサ２４０−ｉ−１〜２４０−ｉ−３を挟んで配置される。なお、アンテナ基板２０−ｉの形状もまた正方形であり、その一辺の長さＬ１は、回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３の一辺の長さＬ２よりも長い（Ｌ１＞Ｌ２）。アンテナ基板２０−ｉの一辺の長さＬ１は、高周波信号の周波数がＸバンドに含まれるときには、２０ｍｍ以下とされる。

つまり、アンテナ基板２０−ｉおよび回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３の寸法は、アレイアンテナ１の信号放射面から見て、アンテナ基板２０−ｉが回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３の回路ブロック２６２−１〜２６２−３を包含するように設定される。このような寸法の設定により、可撓性があり、折り曲げられ得るフレキシブル基板２０２−ｉ−１〜２０２−ｉ−３もまた、アレイアンテナ１の信号放射面から見て、アンテナ基板２０−ｉに包含されることとなる。つまり、アンテナ基板２０−ｉのフレキシブル基板２０２−ｉ−１〜２０２−ｉ−３と、隣接する他のアンテナ基板２０−（ｉ−１），２０−（ｉ＋１）などのフレキシブル基板２０２−（ｉ−１）−１〜２０２−（ｉ−１）−３，２０２−（ｉ＋１）−１〜２０２−（ｉ＋１）−３などとの干渉が防がれる。

図４に示されるように、スペーサ２４０−ｉ−１〜２４０−ｉ−３において、回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３上の回路ブロック２６２−ｉ−１〜２６２−ｉ−３に対応する部分には、開口部が設けられる。回路ブロック２６２−ｉ−１〜２６２−ｉ−３は、アンテナモジュール２−ｉの送信用増幅回路、受信用増幅回路、移相回路、サーキュレータなど（不図示）の回路を含む。

図１に示されたアレイアンテナ１の信号放射面と反対側には、アンテナ基板２０−ｉに電源を供給し、アンテナ基板２０−ｉと送信信号、受信信号および制御信号を入出力するための配線（不図示）が設けられたアレイアンテナ基板４が設けられる。一方、回路基板２６０−ｉ−３のアレイアンテナ基板４と対向する面には、アレイアンテナ基板４の配線と適合する位置に、端子群２８０−ｉが設けられる。アレイアンテナ基板４の配線と回路基板２６０−ｉ−３とは、端子群２８０−ｉを介して接続される。

アンテナ基板２０−ｉ、スペーサ２４０−ｉ−１〜２４０−ｉ−３および回路基板２６０−ｉ−１，２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３は、これらに挿入される固定部品としてのボルト２０６−ｉ−１〜２０６−ｉ−４およびナット２０８−ｉ−１〜２０８−ｉ−４により、アレイアンテナ基板４の配線に適合する位置に固定される。つまり、アンテナ基板２０−ｉと回路基板２６０−ｉ−１とスペーサ２４０−ｉ−１とは、回路ブロック２６２−ｉ−１を封止する。また、回路基板２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３とスペーサ２４０−ｉ−２，２４０−ｉ−３とは、回路ブロック２６２−ｉ−２，２６２−ｉ−２とを封止する。

従って、アンテナ基板２０−ｉの信号放射面と反対側の面と、回路基板２６０−ｉ−１，２６０−ｉ−２のスペーサ２４０−ｉ−２，２４０−ｉ−３と対向する面とが実質的に接地されると、回路ブロック２６２−ｉ−１，２６２−ｉ−２，２６２−ｉ−３は、外部から電気的に遮蔽される。言い換えると、この場合には、図４に示されたスペーサ２４０−ｉ−１，２４０−ｉ−２，２４０−ｉ−３において、回路ブロック２６２−ｉ−１，２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３に対応する位置に設けられ、回路ブロック２６２−ｉ−１，２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３を封止する開口部は、一種のキャビティを画成する。

アンテナ基板２０−ｉと回路基板２６０−ｉ−１とで、送信信号および受信信号がフレキシブル基板２０２−ｉ−１を介して入力および出力される。回路基板２６０−ｉ−１，２６０−ｉ−２と回路基板２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３とに、フレキシブル基板２０２−ｉ−２，２０２−ｉ−３を介して、電源電力が供給され、送信信号、受信信号および制御信号が入力および出力される。

以下、図１〜図４に示されたなどに示されたアンテナモジュール２の製造方法が説明される。図５は、図３に示されたように重ねられたアンテナ基板２０−ｉ、回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３およびフレキシブル基板２０２−ｉ−１〜２０２−ｉ−１を展開し、信号放射面から見た平面図である。図６は、図５に示された平面図を裏側から見た図である。図７は、図５，図６に示されたように接続されたアンテナ基板２０−ｉ、回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３にスペーサ２４０−ｉ−１，２４０−ｉ−２，２４０−ｉ−３を挟み、折り重ねる方法を示す図である。なお、図５，図６，図７においては、回路基板２６０−ｉ−１，２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３とフレキシブル基板２０２−ｉ−１，２０２−ｉ−２，２０２−ｉ−３との寸法の比率は必ずしも正確ではない（以下の各図において同様）。

図３に示されたアンテナ基板２０−ｉは、図５，図６に示されるように、フレキシブル基板２０２−ｉ−１を介して回路基板２６０−ｉ−１と接続される。回路基板２６０−ｉ−１，２６０−ｉ−２は、図５，図６に示されるように、フレキシブル基板２０２−ｉ−２，２０２−ｉ−３を介して回路基板２６０−ｉ−１〜２６０−ｉ−３と接続される。

図５，図６に示されたアンテナ基板２０−ｉ、回路基板２６０−ｉ−１，２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３には、図７に示されるように、スペーサ２４０−ｉ−１，２４０−ｉ−２，２４０−ｉ−３が、これらに挟まれるように挿入される。さらに、フレキシブル基板２０２−ｉ−２，２０２−ｉ−２，２０２−ｉ−３の部分は、図７に点線の矢印が付されて示された方向に折り曲げられ、アンテナ基板２０−ｉ、回路基板２６０−ｉ−１，２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３およびスペーサ２４０−ｉ−１，２４０−ｉ−２，２４０−ｉ−３が重ねられる。図７に示されるように重ねられたアンテナ基板２０−ｉ、回路基板２６０−ｉ−１〜，２６０−ｉ−２，２６０−ｉ−３およびスペーサ２４０−ｉ−１，２４０−ｉ−２，２４０−ｉ−３は、図３に示されたように、ボルト２０６−ｉ−１〜２０６−ｉ−４およびナット２０８−ｉ−１〜２０８−ｉ−４によりアレイアンテナ基板４に固定される。

［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態として、単体でアレイアンテナとして機能するように構成されたアンテナモジュール３を、図面を参照しながら詳細に説明する。図８は、第２の実施形態にかかるアンテナモジュール３を信号放射面から見た平面図である。図９は、図８に示されたアンテナモジュール３のＸ−Ｚ面における断面図である。図１０は、図８に示されたアンテナモジュール３を構成するアンテナ基板３０を信号放射面から見た平面図である。図１１は、図８に示されたアンテナモジュール３を構成する回路基板３６０を信号放射面から見た平面図である。図１２は、図８に示されたアンテナモジュール３を構成するスペーサ３４０を信号放射面から見た平面図である。

図８，図９に示されるように、アンテナモジュール３のアンテナ基板３０には、アンテナ素子２００−１〜２００−１６が、図１に示されたアレイアンテナ１においてと同様に、４×４形式のマトリクス状に等間隔で均等な配置で形成される。なお、高周波信号の周波数がＸバンドに含まれるときには、図９に示されるアンテナ素子２００−１〜２００−１６の配置の間隔Ｌ３は、２０ｍｍ以下とされる。

また、図８に示されたアンテナモジュール３は、図１０に示されるアンテナ基板３０と、図１１に示される回路基板３６０−１，３６−２，３６０−３と、図１２に示されるスペーサ３４０−１，３４０−２，３４０−３とが、図９に示されるように重ねられた構成をとる。重ねられたアンテナ基板３０と回路基板３６０−１，３６０−２，３６０−３とスペーサ３４０−１，３４０−２，３４０−３とは、ボルト２０６−１〜２０６−４およびナット２０８−１〜２０８−４によりボルト用穴２１０−１〜２１０−４を介してアレイアンテナ基板４に固定されて構成される。回路基板３６０−３には端子群２８０が設けられ、回路基板３６０−３とアレイアンテナ基板４の配線とは端子群２８０を介して接続される。

アンテナ基板３０と回路基板３６０−１とは、フレキシブル基板２０２−１を介して接続され、回路基板３６０−１，３６０−２と回路基板３６０−２，３６０−３とはフレキシブル基板２０２−２，２０２−３を介して接続される。なお、アンテナ基板３０、回路基板３６０−１〜３６０−３およびフレキシブル基板２０２−１〜２０２−３が展開されたときのこれらの接続関係は、図５，図６の参照により説明されたアレイアンテナ１におけるこれらの対応構成要素の接続関係と同様である。また、アンテナモジュール３の製造方法は、図７の参照により説明されたアレイアンテナ１の製造方法と同様である。

図１０に示されるように、回路基板３６０−１，３６０−２，３６０−３は、アンテナ基板３０に形成されたアンテナ素子２００−１〜２０３−１６を介して、信号放射面から送信および受信される高周波信号のための回路ブロック２６２−１−１〜２６２−１−１６，２６２−２−１〜２６２−２−１６，２６２−３−１〜２６２−３−１６を含む。

図１１に示されるように、スペーサ３４０−１，３４０−２，３４０−３において、回路基板３６０−１，３６０−２，３６０−３に含まれる回路ブロック２６２−１−１〜２６２−１−１６，２６２−２−１〜２６２−２−１６，２６２−３−１〜２６２−３−１６に対応する位置には、信号放射面から見て回路ブロック２６２−１−１〜２６２−１−１６，２６２−２−１〜２６２−２−１６，２６２−３−１〜２６２−３−１６を包含する１６個の正方形の開口部が設けられる。つまり、アンテナ基板３０と回路基板３６０−１とスペーサ３４０−１とは、回路基板３６０−１に含まれる回路ブロック２６２−１−１〜２６２−１−１６それぞれを封止する。また、回路基板３６０−ｉ−２，３６０−ｉ−３とスペーサ３４０−ｉ−２，３４０−ｉ−３とは、回路基板３６０−ｉ−２，３６０−ｉ−３に含まれる回路ブロック２６２−２−１〜２６２−２−１６，２６２−３−１〜２６２−３−１６それぞれを封止する。

従って、アンテナ基板３０の信号放射面と反対側の面と、回路基板３６０−１，３６０−２，３６０−３のスペーサ３４０−１，３４０−２，３４０−３と対向する面とが実質的に接地されると、回路基板３６０−１，３６０−２，３６０−３に含まれる回路ブロック２６２−１−１〜２６２−１−１６，２６２−２−１〜２６２−２−１６，２６２−３−１〜２６２−３−１６それぞれは、外部から電気的に遮蔽される。言い換えると、この場合には、図１１に示されたスペーサ３４０−１，３４０−２，３４０−３において、回路ブロック２６２−１−１〜２６２−１−１６，２６２−２−１〜２６２−２−１６，２６２−３−１〜２６２−３−１６に対応する位置に設けられ、回路ブロック２６２−１−１〜２６２−１−１６，２６２−２−１〜２６２−２−１６，２６２−３−１〜２６２−３−１６を封止する開口部それぞれは、一種のキャビティを画成する。

［変形例］
なお、図１にはアレイアンテナ１に含まれるアンテナモジュール２の数が１６の場合が示されたが、この数は２以上であればよい。また、図８などにはアンテナモジュール３のアンテナ基板に含まれるアンテナ素子２００の数が１６の場合が示されたが、この数は２以上であればよい。また、複数のアンテナモジュール３により１つのアレイアンテナが構成されてもよい。

また、図８，図１０〜図１２には、アンテナ基板３０に含まれるアンテナ素子２００の数と、回路基板３６０に含まれる回路ブロック２６２の数とが同じ場合が示されたが、これらの数は異なっていてもよい。また、図１１に示されたスペーサ３４０の開口部は正方形でなくともよく、信号放射面から見て、アンテナ基板２０および回路基板３６０とで封止および遮蔽しようとする回路ブロック２６２を包含していれば、どのような形状であってもよい。

また、図１，図２，図８には、アレイアンテナ１およびアンテナモジュール２，３の形状が正方形の場合が示されたが、アレイアンテナ１およびアンテナモジュール３の形状は正方形であったり、六角形であったりしてもよい。また、図３，図１２には、アンテナモジュール２，３における回路基板２６０，３４０およびスペーサ２４０，３４０の数が３の場合が示されたが、これらの数は、アレイアンテナ１およびアンテナモジュール２〜４の構成に応じて変更可能であり、それぞれ１以上であればよい。また、図８などに示されたアンテナモジュール３は、単体でアレイアンテナとして機能するが、複数のアンテナモジュール３により１つのアレイアンテナが構成されてもよい。

また、アンテナ基板２０，３０と回路基板２６０，３６０との材質は異なっていてもよい。また、これらの基板は、テフロン（登録商標）基板およびセラミクス基板以外であってもよい。また、図１２に示されたアンテナ基板３０と回路基板２６０−１とは、フレキシブル基板２０２−１を介さず、リジットケーブル（基板用ケーブル）などの配線を介して接続されてもよい。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ アレイアンテナ，２，３ アンテナモジュール，２０，３０ アンテナ基板，２００ アンテナ素子，２０２ フレキシブル基板，２０６ ボルト，２０８ ナット，２１０ ボルト用穴，２４０，３４０ スペーサ、２６０，３６０ 回路基板，２６２ 回路ブロック、２８０ 端子群、４ アレイアンテナ基板

Claims (10)

1. アレイアンテナの信号放射面に配置され、アンテナ素子を第１の面側に有するアンテナ基板と、
   前記アンテナ基板の第２の面側に配置され、それぞれ１つ以上の回路ブロックを有する回路基板と、
   前記回路基板が有する前記回路ブロックに対応する部分に開口部を有し、前記アンテナ基板と前記回路基板とに挟まれるスペーサと、
   を備えるアンテナモジュール。
2. 複数の前記回路基板を備え、
   複数の前記回路基板の内、隣りあう２つの前記回路基板同士に挟まれるスペーサ
   をさらに備える請求項１に記載のアンテナモジュール。
3. 前記アンテナ基板と、前記回路基板と、前記スペーサとを互いに固定する固定部品
   をさらに備える請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
4. 前記固定部品により固定された前記アンテナ基板、前記回路基板およびこれらに挟まれる前記スペーサは、前記開口部において前記回路ブロックを封止する
   請求項３に記載のアンテナモジュール。
5. 前記スペーサは、導電性を有する
   請求項４に記載のアンテナモジュール。
6. 封止された前記回路ブロックは、電気的に外部から遮蔽される
   請求項５に記載のアンテナモジュール。
7. 前記アンテナ基板から最も離れた前記回路基板には、この回路基板と信号を入力および出力するアンテナ基板に設けられた端子と接触する接触端子が設けられる
   請求項２に記載のアンテナモジュール。
8. 前記アンテナ基板と前記回路基板とは、可撓性を有する基板により接続される
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
9. 前記アンテナ基板と前記回路基板とは、前記アンテナ基板と前記回路基板とで電波信号を入出力する配線材により接続され、複数の前記回路基板の内、隣りあう２つの前記回路基板同士は可撓性を有する基板により接続される
   請求項２または７に記載のアンテナモジュール。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナモジュールを複数、
    備えるアレイアンテナ。

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