JP2021083121A - アンテナモジュールおよび通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの給電点を有するパッチアンテナを備えるアンテナモジュールについて、小型化を図る。【解決手段】アンテナモジュール１は、互いに背向する第１主面および第２主面を有する多層基板４０と、多層基板４０の第１主面側に形成され、放射電極１３とグランド電極１４とから構成されるパッチアンテナ１０と、第１フィルタ３１と、第２フィルタ３２と、を備え、パッチアンテナ１０は、放射電極１３における異なる位置に設けられた第１給電点１１および第２給電点１２を有し、第１給電点１１は、第１フィルタ３１と電気的に接続され、第２給電点１２は、第２フィルタ３２と電気的に接続され、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、多層基板４０内に形成され、多層基板４０の平面視において、パッチアンテナ１０と第１フィルタ３１とは、少なくとも一部が重複しており、パッチアンテナ１０と第２フィルタ３２とは、少なくとも一部が重複している。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナモジュールおよび通信装置に関する。

従来、例えば、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムで用いられるアンテナモジュールでは、多くのパッチアンテナが用いられるため、１つのパッチアンテナが１つの給電点を有し、１つのパッチアンテナが１つの偏波のみに対応する構成では、大型化してしまう。そこで、１つのパッチアンテナが２つの給電点を有する構成が開示されている（例えば、特許文献１）。これにより、１つのパッチアンテナで互いに方向の異なる２つの偏波に対応することができ、アンテナモジュールの小型化が可能となる。

特表２０００−５０８１４４号公報

アンテナモジュールで利用される高周波信号の高調波等がパッチアンテナから出力されるという問題や、パッチアンテナが受信した妨害波がＬＮＡ（ローノイズアンプ）に入力されてＬＮＡが飽和してしまうといった問題がある。これに対して、パッチアンテナと高周波回路素子（例えばＲＦＩＣ）との間に高調波や妨害波等の不要波を減衰させるフィルタを設けることが考えられる。しかし、当該フィルタは、１つのパッチアンテナが有する２つの給電点のそれぞれに対応して必要となる。したがって、アンテナモジュールにおける２つの当該フィルタの配置のされ方によっては、アンテナモジュールが大型化してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、２つの給電点を有するパッチアンテナを備えるアンテナモジュール等について、小型化を図ることを目的とする。

本発明の一態様に係るアンテナモジュールは、互いに背向する第１主面および第２主面を有する多層基板と、前記多層基板の前記第１主面側に形成され、放射電極とグランド電極とから構成されるパッチアンテナと、第１フィルタと、前記第１フィルタと異なる第２フィルタと、を備え、前記パッチアンテナは、前記放射電極における異なる位置に設けられた第１給電点および第２給電点を有し、前記第１給電点は、前記第１フィルタと電気的に接続され、前記第２給電点は、前記第２フィルタと電気的に接続され、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、前記多層基板内に形成され、前記多層基板の平面視において、前記パッチアンテナと前記第１フィルタとは、少なくとも一部が重複しており、前記パッチアンテナと前記第２フィルタとは、少なくとも一部が重複している。

これによれば、第１フィルタおよび第２フィルタの２つのフィルタが多層基板と別体に設けられず、多層基板内に形成されるため、２つの給電点を有するパッチアンテナを備えるアンテナモジュールについて、２つの給電点のそれぞれに対応するフィルタを有しつつも、小型化が図られる。また、第１主面側に形成されたパッチアンテナと電気的に接続される第１フィルタおよび第２フィルタが多層基板内に形成されるため、多層基板の表面において配線を引き延ばす必要がなく当該経路の配線長を短くでき、配線ロスを抑制できる。また、多層基板の平面視において、パッチアンテナと第１フィルタとは、少なくとも一部が重複しており、パッチアンテナと第２フィルタとは、少なくとも一部が重複しているため、多層基板の平面視におけるアンテナモジュールのサイズをより小型化できる。また、パッチアンテナから第１フィルタへと真下に配線を設けることができ、また、パッチアンテナから第２フィルタへと真下に配線を設けることができるため、配線ロスをより抑制できる。

また、前記第１給電点によって形成される偏波の方向および前記第２給電点によって形成される偏波の方向は、互いに異なっていてもよい。

これによれば、１つのパッチアンテナで互いに方向の異なる２つの偏波に対応することができ、偏波ごとにパッチアンテナを設ける必要がないため、アンテナモジュールの小型化が可能となる。

また、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの通過帯域は、少なくとも一部が重複しており、前記第１給電点および前記第２給電点には、それぞれ周波数帯域が同じ高周波信号が給電されてもよい。

これによれば、第１フィルタと第２フィルタとは略同じフィルタ特性を有しており、２つの給電点のそれぞれについて、周波数帯域が同じ高周波信号を通過させることができ、また、送受信され得る不要波を同じように減衰させることができる。よって、当該アンテナモジュールを、複数の信号経路を通過する信号を同じように信号処理するシステムであるＭＩＭＯシステムに適用することができる。

また、前記多層基板の断面視において、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、前記パッチアンテナと前記第２主面との間に形成されてもよい。

グランド電極は、放射電極の接地導体として機能するため、放射電極と当該グランド電極との間に他の導体等が設けられないことが好ましい。これに対して、当該断面視において、パッチアンテナを構成する放射電極およびグランド電極、第１フィルタおよび第２フィルタの順序で第１主面から第２主面に向けてこれらが配置される。つまり、上記他の導体等として第１フィルタおよび第２フィルタが、パッチアンテナを構成する放射電極とグランド電極との間に設けられないため、アンテナ特性の劣化を抑制できる。

また、前記多層基板の平面視において、前記放射電極の中心または当該中心を通過する線に対して略対称な２つの領域のうちの一方の領域に前記第１フィルタが形成され、他方の領域に前記第２フィルタが形成されてもよい。

例えば、多層基板には、第１フィルタおよび第２フィルタの他にもＩＦ（中間周波数）信号のためのフィルタ等も設けられるため、１つのパッチアンテナに対して２つのフィルタが設けられると、多層基板内において部品（回路）および配線が密集してしまうため、多層基板の設計が難しくなる。これに対して、第１フィルタおよび第２フィルタが略対称な２つの領域のうちの一方と他方とに形成されることで、多層基板内において部品（回路）および配線が当該一方の領域と当該他方の領域とに分散させることができ密集しないため、多層基板の設計が容易になる。

また、前記第１フィルタと前記第２フィルタとの間にグランド導体が形成されてもよい。

これによれば、第１フィルタに接続された第１給電点と第２フィルタに接続された第２給電点との間のアイソレーション特性を改善できる。

また、前記第１フィルタと前記第２フィルタとは電磁界結合していてもよい。

これによれば、第１フィルタと第２フィルタとの結合パスに第１給電点と第２給電点との間で漏れる不要信号と逆位相の信号が流れるようにすることで、当該不要信号を相殺することができる。

また、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、ＬＣフィルタであってもよい。

これによれば、第１フィルタおよび第２フィルタを多層基板内に形成しやすくなる。また、第１フィルタおよび第２フィルタを小型化できる。

また、前記アンテナモジュールは、前記パッチアンテナ、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの組を複数備え、前記複数のパッチアンテナは、前記多層基板にマトリクス状に配置されてもよい。

これによれば、当該アンテナモジュールをＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムに適用することができる。

また、本発明の一態様に係る通信装置は、上記のアンテナモジュールと、ＢＢＩＣ（ベースバンドＩＣ）と、を備え、前記アンテナモジュールは、前記ＢＢＩＣから入力された信号をアップコンバートして前記パッチアンテナに出力する送信系の信号処理、及び、前記パッチアンテナから入力された高周波信号をダウンコンバートして前記ＢＢＩＣに出力する受信系の信号処理、の少なくとも一方を行うＲＦＩＣを備える。

これによれば、２つの給電点を有するパッチアンテナを備える通信装置について、小型化が図られる。

本発明に係るアンテナモジュール等によれば、２つの給電点を有するパッチアンテナを備えるアンテナモジュール等について、小型化が図られる。

図１は、実施の形態１に係るアンテナモジュールの外観透視図である。 図２は、実施の形態１に係るアンテナモジュールの側面透視図である。 図３は、実施の形態１に係る第１フィルタの他の例を示す断面図である。 図４は、実施の形態２に係るアンテナモジュールの外観透視図である。 図５は、実施の形態２に係るアンテナモジュールの側面透視図である。 図６は、実施の形態３に係るアンテナモジュールの外観透視図である。 図７は、実施の形態３に係るアンテナモジュールの上面透視図である。 図８は、実施の形態４に係るアンテナモジュールの外観透視図である。 図９は、実施の形態５に係る通信装置の一例を示す構成図である。 図１０は、その他の実施の形態に係るアンテナモジュールの外観透視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさ、又は大きさの比は、必ずしも厳密ではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。

（実施の形態１）
［１．アンテナモジュールの構成］
図１は、実施の形態に係るアンテナモジュール１の外観透視図である。

以降、アンテナモジュール１の厚さ方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に垂直かつ互いに直交する方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向として説明し、Ｚ軸プラス側をアンテナモジュール１の上面側として説明する。しかし、実際の使用態様においては、アンテナモジュール１の厚さ方向が上下方向とはならない場合もあるため、アンテナモジュール１の上面側は上方向に限らない。後述する実施の形態２〜４、その他の実施の形態に係るアンテナモジュールについても同様である。

図１に示すアンテナモジュール１は、送信時及び受信時のいずれにおいても２種類の偏波に対応することができ、例えば全二重通信に用いられる。本実施の形態では、アンテナモジュール１は、当該２種類の偏波として、Ｘ軸方向の偏波及びＹ軸方向の偏波に対応する。つまり、本実施の形態に係るアンテナモジュール１は、直交する２つの偏波に対応する。なお、アンテナモジュール１は、これに限らず、直交とは異なる角度（例えば、７５°または６０°等）をなす２つの偏波に対応してもかまわない。

アンテナモジュール１は、多層基板４０、多層基板４０に形成されたパッチアンテナ１０、第１フィルタ３１、第２フィルタ３２および高周波回路素子（ＲＦＩＣ）２０を備える。

多層基板４０は、互いに背向する第１主面および第２主面を有する。第１主面は、多層基板４０のＺ軸プラス側の主面であり、第２主面とは、多層基板４０のＺ軸マイナス側の主面である。多層基板４０は、第１主面と第２主面との間に誘電体材料が充填された構造を有する。図１では、当該誘電体材料を透明にし、多層基板４０の内部を可視化し、多層基板４０の外形を破線で示している。多層基板４０としては、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板、または、プリント基板等が用いられる。また、多層基板４０に形成される各種導体としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、または、これらの合金を主成分とする金属が用いられる。

パッチアンテナ１０は、多層基板４０の第１主面側に形成され、多層基板４０の主面と平行に設けられた薄膜のパターン導体からなる放射電極１３とグランド電極１４とから構成される。例えば、第１主面に放射電極１３が設けられ、放射電極１３よりも第２主面側にグランド電極１４が形成されている。放射電極１３は、多層基板４０の平面視において、例えば矩形形状を有するが、円形または多角形形状等であってもよい。グランド電極１４は、グランド電位に設定され、放射電極１３の接地導体としての機能を果たす。また、放射電極１３は、酸化等の防止のために多層基板４０の内層に形成されていてもよいし、放射電極１３上に保護膜が形成されてもよい。また、放射電極１３は、給電導体、及び、当該給電導体より上方に配置された無給電導体で構成されていてもかまわない。

ＲＦＩＣ２０は、多層基板４０の第２主面側に形成され、パッチアンテナ１０によって送信される送信信号または受信される受信信号を信号処理するＲＦ信号処理回路を構成する。ＲＦＩＣ２０は、パッチアンテナ１０と接続される給電端子２１および２２を有する。また、多層基板４０の第２主面側には、グランド導体２４が形成されており、例えば、ＲＦＩＣ２０のグランド端子（図示せず）がグランド導体２４に接続される。なお、本実施の形態では、ＲＦＩＣ２０は、多層基板４０の第２主面に設けられているが、多層基板４０に内蔵されていても構わない。

パッチアンテナ１０は、ＲＦＩＣ２０との間で高周波信号が伝達される第１給電点１１および第２給電点１２を有する。第１給電点１１および第２給電点１２は、放射電極１３における異なる位置に設けられる。第１給電点１１によって形成される偏波の方向および第２給電点１２によって形成される偏波の方向は、互いに異なり、上述したように、例えば、第１給電点１１によってＹ軸方向の偏波が形成され、第２給電点１２によってＸ軸方向の偏波が形成される。これにより、１つのパッチアンテナによって、２つの偏波に対応することが可能となる。つまり、偏波ごとにパッチアンテナを設ける必要がないため、アンテナモジュールの小型化が可能となる。

第１給電点１１は、第１フィルタ３１を経由してＲＦＩＣ２０と電気的に接続され、第２給電点１２は、第２フィルタ３２を経由してＲＦＩＣ２０と電気的に接続される。具体的には、第１給電点１１は、ビア導体４１ａ、第１フィルタ３１およびビア導体４１ｂを介してＲＦＩＣ２０が有する給電端子２１に接続され、第２給電点１２は、ビア導体４２ａ、第２フィルタ３２およびビア導体４２ｂを介してＲＦＩＣ２０が有する給電端子２２に接続される。

グランド電極１４は、多層基板４０を積層方向に見た場合（多層基板４０を平面視した場合）に、例えば、ビア導体４１ａおよび４２ａが設けられた部分を除き、多層基板４０の略全体に亘って設けられている。グランド電極１４は、ビア導体４１ａおよび４２ａが内部を通過する開口１４ｘを有する。また、グランド導体２４は、多層基板４０を積層方向に見た場合に、例えば、ビア導体４１ｂおよび４２ｂが設けられた部分を除き、多層基板４０の略全体に亘って設けられている。グランド導体２４は、ビア導体４１ｂおよび４２ｂが内部を通過する開口２４ｘを有する。

第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、例えば、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタまたはローパスフィルタ等のフィルタであり、特定の周波数帯の信号を減衰する機能を有する。第１フィルタ３１と第２フィルタ３２とは、一体に形成されず、別体に形成された異なるフィルタである。第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の通過帯域は、少なくとも一部が重複している。例えば、第１フィルタと第２フィルタとは、互いに略同じフィルタ特性を有している。具体的には、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の通過帯域は、互いに略同じとなっており、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の減衰帯域は、互いに略同じとなっている。例えば、第１給電点１１および第２給電点１２には、それぞれ周波数帯域が同じ高周波信号が給電されるため、それぞれの高周波信号に同じフィルタリング処理がなされる。

パッチアンテナ１０とＲＦＩＣ２０との間に設けられた第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、パッチアンテナ１０で利用される周波数帯域の高周波信号を通過させ、他の周波数帯域の高周波信号（不要波）を減衰させる機能を有する。したがって、当該不要波として高調波がパッチアンテナ１０から出力されないように、当該高調波を減衰させることができる。また、当該不要波としてパッチアンテナ１０が受信した妨害波が、ＲＦＩＣ２０が有するＬＮＡに入力されてＬＮＡが飽和してしまわないように、当該妨害波を減衰させることができる。このように、２つの給電点のそれぞれについて、送受信され得る不要波を同じように減衰させることができる。よって、アンテナモジュール１を、複数の信号経路を通過する信号を同じように信号処理するシステムであるＭＩＭＯシステムに適用することができる。第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、図１に示すように、例えば、分布定数線路によって実現され、具体的にはスタブによって実現される。

［２．多層基板内の第１フィルタおよび第２フィルタの配置］
第１フィルタ３１及び第２フィルタ３２は、多層基板４０内に形成されるが、多層基板４０内の第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の配置について図２を用いて説明する。

図２は、実施の形態１に係るアンテナモジュール１の側面透視図である。図２では、誘電体材料を透明にし、多層基板４０の内部を可視化し、多層基板４０の外形を破線で示している。なお、図２において、ビア導体４１ａ、４１ｂ、４２ａおよび４２ｂにはハッチングを付しているが、断面を表すものではない。

図１および図２に示すように、多層基板４０の平面視において、パッチアンテナ１０と第１フィルタ３１とは、少なくとも一部が重複しており、パッチアンテナ１０と第２フィルタ３２とは、少なくとも一部が重複している。さらに、パッチアンテナ１０と第１フィルタ３１とＲＦＩＣ２０とは、少なくとも一部が重複しており、パッチアンテナ１０と第２フィルタ３２とＲＦＩＣ２０とは、少なくとも一部が重複している。当該平面視において、ビア導体４１ａは、パッチアンテナ１０と第１フィルタ３１とが重複している領域に形成され、ビア導体４１ｂは、第１フィルタ３１とＲＦＩＣ２０とが重複している領域に形成される。また、当該平面視において、ビア導体４２ａは、パッチアンテナ１０と第２フィルタ３２とが重複している領域に形成され、ビア導体４２ｂは、第２フィルタ３２とＲＦＩＣ２０とが重複している領域に形成される。このように、パッチアンテナ１０と第１フィルタ３１および第２フィルタ３２とは、少なくとも一部が重複しているため、当該重複している領域において、ビア導体４１ａおよび４２ａをパッチアンテナ１０から第１フィルタ３１および第２フィルタ３２へ向けて真下へ延ばすことができる。また、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２とＲＦＩＣ２０とは、少なくとも一部が重複しているため、当該重複している領域において、ビア導体４１ｂおよびビア導体４２ｂを、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２からＲＦＩＣ２０へ向けて真下へ延ばすことができる。

また、多層基板４０の断面視において、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、パッチアンテナ１０とＲＦＩＣ２０との間に形成される。上述したように、パッチアンテナ１０には、放射電極１３およびグランド電極１４が含まれ、放射電極１３とグランド電極１４との間に充填された誘電体材料も含めてパッチアンテナ１０と呼んでいる。つまり、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２がパッチアンテナ１０とＲＦＩＣ２０との間に形成されるとは、放射電極１３とグランド電極１４との間には第１フィルタ３１および第２フィルタ３２が形成されないことを意味する。

なお、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、図２に示すように、多層基板４０における同一の層に形成されているが、多層基板４０における異なる層に形成されてもよい。第１フィルタ３１および第２フィルタ３２が多層基板４０における異なる層に形成される場合に、多層基板４０の平面視において、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２とは、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。つまり、当該平面視において、パッチアンテナ１０と、第１フィルタ３１と、第２フィルタ３２と、ＲＦＩＣ２０とは、少なくとも一部が重複していてもよい。

［３．第１フィルタおよび第２フィルタの実現例］
なお、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、図１および図２に示すように、分布定数線路によって実現されたが、ＬＣフィルタであってもよい。以下では、ＬＣフィルタである第１フィルタ３１について、図３を用いて説明する。

図３は、実施の形態１に係る第１フィルタ３１の他の例を示す断面図である。図３は、多層基板４０における第１フィルタ３１が形成された部分の断面を模式的に示している。なお、図３では、簡明のため、厳密には別断面にある構成要素を同一図面内に示して説明している場合がある。

図３に示すように、第１フィルタ３１は、多層基板４０内に形成されたインダクタＬおよびキャパシタＣによって実現されてもよい。インダクタＬは、多層基板４０を構成する層毎に形成されたコイル状のパターン導体の端部がビア導体によって接続されることで構成されている。なお、層毎のコイル状のパターン導体を接続するビア導体は、別断面に形成される。また、キャパシタＣは、対向する一対のパターン導体によって構成されている。図３では、第１フィルタ３１の一例として、ビア導体４１ａとビア導体４１ｂとの間にインダクタＬが接続され、ビア導体４１ａとインダクタＬとの間のノードとグランド（グランド電極１４）との間にキャパシタＣが接続された、ローパスフィルタを示している。なお、第２フィルタ３２についても、第１フィルタ３１と同じように構成することができるため、説明を省略する。

［４．効果］
以上説明したように、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の２つのフィルタが、多層基板４０と別体に設けられず、多層基板４０内に形成されるため、２つの給電点を有するパッチアンテナ１０を備えるアンテナモジュール１について、第１給電点１１および第２給電点１２のそれぞれに対応する第１フィルタ３１および第２フィルタ３２を有しつつも、小型化が図られる。また、第２主面側に形成されたＲＦＩＣ２０と第１主面側に形成されたパッチアンテナ１０とを結ぶ経路に設けられる第１フィルタ３１および第２フィルタ３２が多層基板４０内に形成されるため、多層基板４０の表面において配線を引き延ばす必要がなく当該経路の配線長を短くでき、配線ロスを抑制できる。

また、多層基板４０の平面視において、パッチアンテナ１０と第１フィルタ３１とは、少なくとも一部が重複しており、パッチアンテナ１０と第２フィルタ３２とは、少なくとも一部が重複しているため、アンテナモジュール１の当該平面視におけるサイズをより小型化できる。具体的には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のサイズを小型化できる。また、パッチアンテナ１０から第１フィルタ３１へと真下に配線（ビア導体４１ａ）を設けることができ、パッチアンテナ１０から第２フィルタ３２へと真下に配線（ビア導体４２ａ）を設けることができるため、配線ロスをより抑制できる。

また、多層基板４０の平面視において、さらに、ＲＦＩＣ２０の少なくとも一部も、パッチアンテナ１０、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２と重複しているため、アンテナモジュール１の当該平面視におけるサイズをより小型化できる。また、パッチアンテナ１０から第１フィルタ３１へ、第１フィルタ３１からＲＦＩＣ２０へと真下に配線（ビア導体４１ａおよび４１ｂ）を設けることができ、パッチアンテナ１０から第２フィルタ３２へ、第２フィルタ３２からＲＦＩＣ２０へと真下に配線（ビア導体４２ａおよび４２ｂ）を設けることができるため、配線ロスをより抑制できる。

また、パッチアンテナ１０を構成する放射電極１３とグランド電極１４との間に他の導体等が設けられた場合には、アンテナ特性が劣化し得るが、放射電極１３とグランド電極１４との間に第１フィルタ３１および第２フィルタ３２が設けられないため、アンテナ特性の劣化を抑制できる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係るアンテナモジュール２は、多層基板４０にグランドビア導体４３が形成されている点が実施の形態１に係るアンテナモジュール１と異なる。その他の点は、実施の形態１におけるアンテナモジュール１と同じであるため説明を省略する。

図４は、実施の形態２に係るアンテナモジュール２の外観透視図である。図５は、実施の形態２に係るアンテナモジュール２の側面透視図である。図４及び図５では、誘電体材料を透明にし、多層基板４０の内部を可視化し、多層基板４０の外形を破線で示している。なお、図５において、ビア導体４１ａ、４１ｂ、４２ａおよび４２ｂ、並びに、グランドビア導体４３にはハッチングを付しているが、断面を表すものではない。

図４および図５に示すように、グランドビア導体４３は、グランド電極１４とグランド導体２４とを接続するように形成されている。また、グランドビア導体４３は、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２を囲み、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２に沿って形成されている。このように、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、グランド導体２４、グランド電極１４およびグランドビア導体４３によって周囲が囲まれるため、高周波信号を低損失で伝搬することが可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係るアンテナモジュール３は、多層基板４０にグランド導体としてグランドビア導体４４が形成されている点が実施の形態２に係るアンテナモジュール２と異なる。その他の点は、実施の形態２におけるアンテナモジュール２と同じであるため説明を省略する。

図６は、実施の形態３に係るアンテナモジュール３の外観透視図である。図７は、実施の形態３に係るアンテナモジュール３の上面透視図である。図６及び図７では、誘電体材料を透明にし、多層基板４０の内部を可視化し、多層基板４０の外形を破線で示している。

図６及び図７に示すように、グランドビア導体４４は、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との間に形成される。具体的には、グランドビア導体４４は、多層基板４０の平面視において、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との間に形成される。例えば、グランドビア導体４４は、図７に示す一点鎖線で囲まれた４つのグランドビア導体である。第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、１つのパッチアンテナにおける第１給電点１１および第２給電点１２に接続されるため、互いに接近して形成され得る。つまり、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との間で不要な電磁界結合が発生して、第１フィルタ３１に接続された第１給電点１１と第２フィルタ３２に接続された第２給電点１２との間のアイソレーション特性が劣化し得る。これに対して、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との間にグランドビア導体４４が形成されることで、グランドビア導体４４が障壁となり当該不要な電磁界結合の発生を抑制できる。これにより、第１給電点１１と第２給電点１２との間のアイソレーション特性を改善できる。

なお、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との間に形成されるグランド導体は、ビア状のグランドビア導体４４に限らず、壁状のグランド導体であってもよい。また、多層基板４０の平面視において、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との少なくとも一部が重複している場合、多層基板４０の断面視において、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との間に多層基板４０の主面と平行なグランド導体が形成されていてもよい。

（実施の形態４）
実施の形態４に係るアンテナモジュール４は、実施の形態１〜３で説明したパッチアンテナ１０、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の組を複数備え、複数のパッチアンテナが多層基板にマトリクス状に配置される点が、実施の形態１に係るアンテナモジュール１と異なる。

図８は、実施の形態４に係るアンテナモジュール４の外観透視図である。図８では、誘電体材料を透明にし、多層基板４００の内部を可視化し、多層基板４００の外形を破線で示している。実施の形態４におけるパッチアンテナ１０１〜１０４、第１フィルタ３１１、３１３、３１５および３１７、第２フィルタ３１２、３１４、３１６および３１８、多層基板４００、並びに、ＲＦＩＣ２００は、実施の形態１〜３におけるパッチアンテナ１０、第１フィルタ３１、第２フィルタ３２、多層基板４０およびＲＦＩＣ２０に対応している。なお、図８は、多層基板４００の一部分を示しており、実際には、アンテナモジュール４は、４つのパッチアンテナ１０１〜１０４以外にも多くのパッチアンテナを備え、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムに適用可能となっている。

多層基板４００において、放射電極１３１とグランド電極１４０とでパッチアンテナ１０１が構成され、放射電極１３２とグランド電極１４０とでパッチアンテナ１０２が構成され、放射電極１３３とグランド電極１４０とでパッチアンテナ１０３が構成され、放射電極１３４とグランド電極１４０とでパッチアンテナ１０４が構成されている。なお、多層基板４００には、１つのグランド電極１４０が形成されているが、各放射電極に対応してグランド電極が個別に形成されていてもよい。

複数のパッチアンテナ１０１〜１０４は、周期的にマトリクス状に配列され、アレイアンテナを構成している。当該アレイアンテナは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って２次元状に直交配置（すなわち行列状に配置）された２行２列の４個のパッチアンテナ１０１〜１０４からなる。なお、アレイアンテナを構成するパッチアンテナの個数は、２個以上であればよい。また、複数のパッチアンテナの配置態様も上記に限らない。例えば、アレイアンテナは、１次元状に配置されたパッチアンテナによって構成されてもかまわないし、千鳥状に配置されたパッチアンテナによって構成されてもかまわない。

また、図８に示すように、多層基板４００の平面視において、放射電極１３１〜１３４の中心または当該中心を通過する線に対して略対称な２つの領域のうちの一方の領域４０１、４０３、４０５および４０７に第１フィルタ３１１、３１３、３１５および３１７が形成され、他方の領域４０２、４０４、４０６および４０８に第２フィルタ３１２、３１４、３１６および３１８が形成される。なお、図８において、領域４０１〜４０８を示す一点鎖線は、仮想線であり、多層基板４００において実際にこのような線が設けられているわけではない。当該２つの領域の形状は、例えば、領域４０１および４０２のように略三角形であってもよいし、領域４０３および４０４のように略四角形であってもよいし、領域４０５および４０６、ならびに、領域４０７および４０８のように対向する辺が階段状になっていてもよい。なお、２つの略対称な領域の形状は、これらに限定されず、その他の形状であってもよい。また、対称とは、領域４０１および４０２のように放射電極１３１の中心を中心点とした点対称であってもよいし、領域４０３および４０４のように放射電極１３２の中心を通過する線を中心線とした線対称であってもよい。

多層基板４００には、第１フィルタおよび第２フィルタの他にもＩＦ（中間周波数）信号のためのフィルタ等も設けられる。このため、１つのパッチアンテナに対して２つのフィルタが設けられると、多層基板４００内において部品（回路）および配線が密集してしまい、多層基板４００の設計が難しくなる。これに対して、第１フィルタおよび第２フィルタが略対称な２つの領域のうちの一方と他方とに形成されることで、多層基板４００内において部品（回路）および配線が当該一方の領域と当該他方の領域とに分散させることができ密集しないため、多層基板４００の設計が容易になる。

また、各放射電極における第１給電点および第２給電点の位置は、図８に示す位置に限らない。図８では、第１給電点および第２給電点の符号の図示を省略しており、各放射電極におけるＹ軸マイナス側に位置する給電点が第１給電点であり、Ｘ軸マイナス側に位置する給電点が第２給電点である。例えば、実施の形態１〜３では、第１給電点１１の位置は、第２給電点１２よりもＹ軸マイナス側に位置していたが、放射電極１３２における第１給電点の位置が放射電極１３２における第２給電点よりもＹ軸プラス側に位置し、放射電極１３１における第１給電点および第２給電点の位置と、放射電極１３２における第１給電点および第２給電点の位置とが線対称となっていてもよい。同じように、放射電極１３４における第１給電点の位置が放射電極１３４における第２給電点よりもＹ軸プラス側に位置し、放射電極１３３における第１給電点および第２給電点の位置と、放射電極１３４における第１給電点および第２給電点の位置とが線対称となっていてもよい。さらに、実施の形態１〜３では、第２給電点１２の位置は、第１給電点１１よりもＸ軸マイナス側に位置していたが、例えば、放射電極１３３における第２給電点の位置が放射電極１３３における第１給電点よりもＸ軸プラス側に位置し、放射電極１３１における第１給電点および第２給電点の位置と、放射電極１３３における第１給電点および第２給電点の位置とが線対称となっていてもよい。同じように、さらに、放射電極１３４における第２給電点の位置が放射電極１３４における第１給電点よりもＸ軸プラス側に位置し、上記放射電極１３２における第１給電点および第２給電点の位置と、放射電極１３４における第１給電点および第２給電点の位置とが線対称となっていてもよい。

このように、隣り合うパッチアンテナにおける給電点の位置関係を線対称にすることで、多層基板４００の厚み方向の不要偏波によるＸＰＤ（Ｃｒｏｓｓ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ：交差偏波識別度）の劣化を抑制できる。

（実施の形態５）
以上説明したアンテナモジュールは、通信装置に適用できる。以下、実施の形態４に係るアンテナモジュール４を適用した通信装置６０について説明する。

図９は、実施の形態５に係る通信装置６０の一例を示す構成図である。なお、図９では、簡明のため、アンテナモジュール４が備える複数のパッチアンテナのうち、４つのパッチアンテナ１０１〜１０４に対応する構成のみ示され、同様に構成される他のパッチアンテナに対応する構成については省略されている。また、図９では、４つのパッチアンテナに対して２つのストリームが対応している４アンテナ／２ストリームの構成を示している。

通信装置６０は、アンテナモジュール４と、ベースバンド信号処理回路を構成するＢＢＩＣ（ベースバンドＩＣ）５０と、を備える。アンテナモジュール４が備えるＲＦＩＣ２００は、ＢＢＩＣ５０から入力された信号をアップコンバートしてパッチアンテナに出力する送信系の信号処理、及び、パッチアンテナから入力された高周波信号をダウンコンバートしてＢＢＩＣ５０に出力する受信系の信号処理、の少なくとも一方を行う。本実施の形態では、ＲＦＩＣ２００は、送信系の信号処理および受信系の信号処理の両方を行う。

ＲＦＩＣ２００は、スイッチ２１Ａ〜２１Ｈ、２３Ａ〜２３Ｈ、２７Ａおよび２７Ｂと、パワーアンプ２２ＡＴ〜２２ＨＴと、ローノイズアンプ２２ＡＲ〜２２ＨＲと、減衰器２４Ａ〜２４Ｈと、移相器２５Ａ〜２５Ｈと、信号合成／分波器２６Ａおよび２６Ｂと、ミキサ２８Ａおよび２８Ｂと、増幅回路２９Ａおよび２９Ｂとを備える。

各ストリームについて、ＢＢＩＣ５０から伝達された信号は、増幅回路２９Ａおよび２９Ｂで増幅され、ミキサ２８Ａおよび２８Ｂでアップコンバートされる。アップコンバートされた高周波信号である送信信号は、信号合成／分波器２６Ａおよび２６Ｂによって８分波され、８つの信号経路を通過して、パッチアンテナ１０１〜１０４に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器２５Ａ〜２５Ｈの移相度が個別に調整されることにより、パッチアンテナ１０１〜１０４からなるアレイアンテナの指向性を調整することが可能となる。

また、パッチアンテナ１０１〜１０４で受信された高周波信号である受信信号は、それぞれ、異なる８つの信号経路を経由し、信号合成／分波器２６Ａおよび２６Ｂで合波され、ミキサ２８Ａおよび２８Ｂでダウンコンバートされ、増幅回路２９Ａおよび２９Ｂで増幅されてＢＢＩＣ５０へ伝達される。

ＲＦＩＣ２００は、例えば、上記回路構成を含む１チップの集積回路部品として形成される。

スイッチ２１Ａ〜２１Ｈ、２３Ａ〜２３Ｈ、２７Ａおよび２７Ｂは、ＢＢＩＣ５０等の制御部から入力される制御信号にしたがって送信側の信号経路と受信側の信号経路とを切り替える。このように構成された図９に示す通信装置６０は、送信信号及び受信信号を互いに異なるタイミングで送信または受信するＴＤＤ方式に対応する。

なお、アンテナモジュール４及び通信装置６０が対応する通信方式はこれに限らない。例えば、アンテナモジュール４及び通信装置６０は、ＰＤＤ方式あるいはＦＤＤ方式等の送信及び受信を同時に行う方式に対応してもかまわない。つまり、複数のパッチアンテナは、送信信号及び受信信号を同時に送信及び受信してもかまわない。特に、アンテナモジュール４は、送信時及び受信時のいずれにおいても２種類の偏波に対応することができるため、デュアル偏波対応の全二重通信に用いられる通信品質の高いアンテナモジュールとして有用である。

なお、上述した、スイッチ２１Ａ〜２１Ｈ、２３Ａ〜２３Ｈ、２７Ａおよび２７Ｂ、パワーアンプ２２ＡＴ〜２２ＨＴ、ローノイズアンプ２２ＡＲ〜２２ＨＲ、減衰器２４Ａ〜２４Ｈ、移相器２５Ａ〜２５Ｈ、信号合成／分波器２６Ａおよび２６Ｂ、ミキサ２８Ａおよび２８Ｂ、並びに、増幅回路２９Ａおよび２９Ｂのいずれかは、ＲＦＩＣ２００が備えていなくてもよい。また、ＲＦＩＣ２００は、送信経路および受信経路のいずれかのみを有していてもよい。また、通信装置６０は、単一の周波数帯域（バンド）の高周波信号を送受信するだけでなく、複数の周波数帯域（マルチバンド）の高周波信号を送受信するシステムにも適用可能である。

上記構成を有する通信装置６０において、アンテナモジュール１〜４のいずれかが適用されることにより、小型化が図られる。

（その他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態に係るアンテナモジュールについて、上記実施の形態を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、パッチアンテナ１０は、１つの偏波を形成するために、１つの給電点を有していたが、これに限らない。例えば、パッチアンテナ１０は、１つの偏波を形成するために、２つの給電点を有していてもよい。これについて、図１０を用いて説明する。

図１０は、その他の実施の形態に係るアンテナモジュール１ａの外観透視図である。

その他の実施の形態に係るアンテナモジュール１ａは、パッチアンテナ１０が、Ｘ軸方向の偏波を形成するための２つの給電点を有し、また、Ｙ軸方向の偏波を形成するための２つの給電点を有する点が実施の形態１に係るアンテナモジュール１と異なる。その他の点は、実施の形態１におけるアンテナモジュール１と同じであるため説明を省略する。

パッチアンテナ１０は、ＲＦＩＣ２０との間で高周波信号が伝達される第１給電点１１、第２給電点１２、第３給電点１１ａ及び第４給電点１２ａを有する。これらの給電点は、放射電極１３における異なる位置に設けられる。第１給電点１１及び第３給電点１１ａは互いに接続されており、これらによってＹ軸方向の偏波が形成され、第２給電点１２及び第４給電点１２ａは互いに接続されており、これらによってＸ軸方向の偏波が形成される。なお、図１０では、第１給電点１１及び第３給電点１１ａ間の接続、及び、第２給電点１２及び第４給電点１２ａ間の接続の図示を省略している。

例えば、多層基板４０の内層において第１給電点１１及び第３給電点１１ａを接続する第１パターン導体が設けられる。例えば、第１給電点１１に接続されたビア導体４１ａ及び第３給電点１１ａに接続されたビア導体４３ａが第１パターン導体によって接続されることで、第１給電点１１及び第３給電点１１ａは接続される。第１パターン導体は、第１フィルタ３１からビア導体４１ａに至る経路から分岐してビア導体４３ａへ至る経路である。第１パターン導体は、例えば、多層基板４０において後述する第２パターン導体と異なる層に設けられる。第１パターン導体のパターン長が調整されることで、第３給電点１１ａでは第１給電点１１と１８０度の位相差を付けて給電される。

また、例えば、多層基板４０の内層において第２給電点１２及び第４給電点１２ａを接続する第２パターン導体が設けられる。例えば、第２給電点１２に接続されたビア導体４２ａ及び第４給電点１２ａに接続されたビア導体４４ａが第２パターン導体によって接続されることで、第２給電点１２及び第４給電点１２ａは接続される。第２パターン導体は、第２フィルタ３２からビア導体４２ａに至る経路から分岐してビア導体４４ａへ至る経路である。第２パターン導体のパターン長が調整されることで、第４給電点１２ａでは第２給電点１２と１８０度の位相差を付けて給電される。

このように、１８０度の位相差を付けて給電される第１給電点１１及び第３給電点１１ａによってＹ軸方向の偏波が形成され、１８０度の位相差を付けて給電される第２給電点１２及び第４給電点１２ａによってＸ軸方向の偏波が形成される。つまり、偏波ごとに１８０度の位相差を付けて給電されるため、多層基板４０の厚み方向の不要偏波によるＸＰＤの劣化を抑制できる。

また、第３給電点１１ａは、第１フィルタ３１に接続された第１給電点１１に接続され、第４給電点１２ａは、第２フィルタ３２に接続された第２給電点１２に接続される。つまり、第３給電点１１ａ及び第４給電点１２ａに対してフィルタを新たに設けなくてもよく、偏波ごとに１つのフィルタを設ければよいため、複数の給電点によって１つの偏波が形成される場合であっても、アンテナモジュール１ａの小型化が可能となっている。

なお、アンテナモジュール２〜４についても、アンテナモジュール１ａのように、パッチアンテナが偏波ごとに２つの給電点を有していてもよい。

また、例えば、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との間にグランド導体が形成されることで、第１給電点１１と第２給電点１２との間のアイソレーション特性の改善が行われたが、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２とを部分的により接近するように形成することで、積極的に電磁界結合させてもよい。例えば、図６および図７に示す複数のグランドビア導体４４のうちの一部を形成しないようにして、グランドビア導体４４を形成しなかった領域において、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２とが接近するように第１フィルタ３１および第２フィルタ３２を形成する。このとき、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２との結合パスに第１給電点１１と第２給電点１２との間で漏れる不要信号と逆位相の信号が流れるように、第１フィルタ３１と第２フィルタ３２とを電磁界結合させる。これにより、当該不要信号を相殺することができる。

また、例えば、多層基板４０の断面視において、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２は、パッチアンテナ１０とＲＦＩＣ２０の間に形成されたが、パッチアンテナ１０を構成する放射電極１３とグランド電極１４との間に形成されてもよい。

また、例えば、多層基板４０の平面視において、パッチアンテナ１０と第１フィルタ３１とＲＦＩＣ２０とは、少なくとも一部が重複しており、パッチアンテナ１０と第２フィルタ３２とＲＦＩＣ２０とは、少なくとも一部が重複していたが、重複していなくてもよい。

また、例えば、上記実施の形態に係るアンテナモジュールは、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムに適用できる。５Ｇ（第５世代移動通信システム）で有望な無線伝送技術の１つは、ファントムセルとＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムとの組み合わせである。ファントムセルは、低い周波数帯域のマクロセルと高い周波数帯域のスモールセルとの間で通信の安定性を確保するための制御信号と、高速データ通信の対象であるデータ信号とを分離するネットワーク構成である。各ファントムセルにＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯのアンテナ装置が設けられる。Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムは、ミリ波帯等において伝送品質を向上させるための技術であり、各パッチアンテナから送信される信号を制御することで、アンテナの指向性を制御する。また、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムは、多数のパッチアンテナを用いるため、鋭い指向性のビームを生成することができる。ビームの指向性を高めることで高い周波数帯でも電波をある程度遠くまで飛ばすことができるとともに、セル間の干渉を減らして周波数利用効率を高めることができる。

本発明は、小型化を図ることができるアンテナモジュールとして、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムなどの通信機器に広く利用できる。

１、１ａ、２、３、４ アンテナモジュール
１０、１０１〜１０４ パッチアンテナ
１１ 第１給電点
１２ 第２給電点
１１ａ 第３給電点
１２ａ 第４給電点
１３、１３１〜１３４ 放射電極
１４、１４０ グランド電極
１４ｘ、２４ｘ 開口
２０、２００ 高周波回路素子（ＲＦＩＣ）
２１Ａ〜２１Ｈ、２３Ａ〜２３Ｈ、２７Ａ、２７Ｂ スイッチ
２２ＡＲ〜２２ＨＲ ローノイズアンプ
２２ＡＴ〜２２ＨＴ パワーアンプ
２４Ａ〜２４Ｈ 減衰器
２５Ａ〜２５Ｈ 移相器
２６Ａ、２６Ｂ 信号合成／分波器
２８Ａ、２８Ｂ ミキサ
２９Ａ、２９Ｂ 増幅回路
２１、２２、２１１〜２１８ 給電端子
２４、２４０ グランド導体
３１、３１１、３１３、３１５、３１７ 第１フィルタ
３２、３１２、３１４、３１６、３１８ 第２フィルタ
４０、４００ 多層基板
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４４ａ ビア導体
４３、４４ グランドビア導体
５０ ベースバンドＩＣ（ＢＢＩＣ）
６０ 通信装置
４０１〜４０８ 領域
Ｃ キャパシタ
Ｌ インダクタ

Claims (9)

1. 互いに背向する第１主面および第２主面を有する多層基板と、
   前記多層基板の前記第１主面側に形成され、放射電極とグランド電極とから構成されるパッチアンテナと、
   第１フィルタと、
   前記第１フィルタと異なる第２フィルタと、を備え、
   前記パッチアンテナは、前記放射電極における異なる位置に設けられた第１給電点および第２給電点を有し、
   前記第１給電点は、前記第１フィルタと電気的に接続され、
   前記第２給電点は、前記第２フィルタと電気的に接続され、
   前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、前記多層基板内に形成され、
   前記多層基板の平面視において、前記パッチアンテナと前記第１フィルタとは、少なくとも一部が重複しており、前記パッチアンテナと前記第２フィルタとは、少なくとも一部が重複している、
   アンテナモジュール。
2. 前記第１給電点によって形成される偏波の方向および前記第２給電点によって形成される偏波の方向は、互いに異なる、
   請求項１に記載のアンテナモジュール。
3. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの通過帯域は、少なくとも一部が重複しており、
   前記第１給電点および前記第２給電点には、それぞれ周波数帯域が同じ高周波信号が給電される、
   請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
4. 前記多層基板の断面視において、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、前記パッチアンテナと前記第２主面との間に形成される、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
5. 前記多層基板の平面視において、前記放射電極の中心または当該中心を通過する線に対して略対称な２つの領域のうちの一方の領域に前記第１フィルタが形成され、他方の領域に前記第２フィルタが形成される、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
6. 前記第１フィルタと前記第２フィルタとの間にグランド導体が形成される、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
7. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、ＬＣフィルタである、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
8. 前記アンテナモジュールは、前記パッチアンテナ、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの組を複数備え、
   前記複数のパッチアンテナは、前記多層基板にマトリクス状に配置される、
   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. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のアンテナモジュールと、
   ＢＢＩＣ（ベースバンドＩＣ）と、を備え、
   前記アンテナモジュールは、前記ＢＢＩＣから入力された信号をアップコンバートして前記パッチアンテナに出力する送信系の信号処理、及び、前記パッチアンテナから入力された高周波信号をダウンコンバートして前記ＢＢＩＣに出力する受信系の信号処理、の少なくとも一方を行うＲＦＩＣを備える、
   通信装置。

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