JP2022090818A

JP2022090818A - 無線モジュール

Info

Publication number: JP2022090818A
Application number: JP2020203361A
Authority: JP
Inventors: 茂樹山内; Shigeki Yamauchi
Original assignee: Lapis Technology Co Ltd
Current assignee: Lapis Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-06-20
Also published as: US20220181782A1; CN114628888A; US11811153B2

Abstract

【課題】アンテナエリアの面積が小さく且つ放射効率の高いアンテナを有する無線モジュールを提供する。
【解決手段】積層基板と、積層基板の基板面内の１の領域に形成された素子搭載部と、積層基板の基板面内の他の領域に形成され、他の領域の外周に沿って延伸するとともに当該延伸方向において互いに離間した一端及び他端を有し且つ積層基板の基板面に垂直な方向から見てループ状に形成された導体部、導体部の一端に接続され且つ所定周波数の交流信号の入力を受ける給電部、及び一端がグランドに接続されるとともに他端が給電部を介して導体部に接続された短絡線を含むアンテナと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナを内蔵する無線モジュールに関する。

現在、ＩｏＴ（Internet of Things）技術を活用した無線通信装置が多数開発されている。また、今まで無線通信装置を扱ったことのない業種でも無線通信装置が使用され始めている。

無線通信機能を使用する場合、各国が定める規格及び規制に適合した無線認証を取得する必要がある。この無線認証を取得するためには、無線通信技術に精通している必要があり、市場拡大の妨げとなっている。

これを解決する手段として、予め無線認証を取得した無線モジュールが活用されている。無線認証を取得した無線モジュールを装置に搭載した場合、その装置は無線認証を新たに取得する必要がないためである。

このような無線モジュールとして、アンテナ内蔵型の無線モジュールが知られている。無線モジュールに搭載されるアンテナは、チップアンテナ又は基板パターンアンテナによって構成されることが多い。また、基板パターンアンテナは、モノポールアンテナを小さなアンテナエリアに配置するためにミアンダタイプの逆Ｆアンテナタイプの構造を有するものが多い。

また、通信機に備えられるアンテナとして、ループ状の放射電極の開放端部を他端側に設けられた給電電極に近接した位置となるように配置して開放端部と給電電極との間に容量を形成した構造を有するアンテナが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２－１５８５２９号公報

近年、無線モジュールを搭載する装置の小型化にともない、小型化された無線モジュールのニーズが増えている。しかしながら、無線モジュールのアンテナエリアを縮小した場合、それに伴って、アンテナ特性のゲインの減衰や、良好なインピーダンスの周波数帯域幅が狭くなるという問題が生じる。

例えば、従来の無線モジュールに搭載された基板パターンアンテナは、アンテナエリアが狭くなるほどアンテナ長に必要な配線長を形成することができず、アンテナ特性のゲイン減衰量が大きくなる。また、理想的なモノポールアンテナの放射パターンでもアンテナゲインが低い方位があり、その方位に近い方位のアンテナゲインがさらに減衰し、通信接続が難しくなるという問題があった。また、無線モジュールに搭載するチップアンテナは、ある程度の部品の高さがあるため、無線モジュール自体の高さも増大するという問題があった。

アンテナエリアの面積が小さく且つ放射効率の高いアンテナを有する無線モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る無線モジュールは、積層基板と、前記積層基板の基板面内の１の領域に形成された素子搭載部と、前記積層基板の基板面内の他の領域に形成され、前記他の領域の外周に沿って延伸するとともに当該延伸方向において互いに離間した一端及び他端を有し且つ前記積層基板の基板面に垂直な方向から見てループ状に形成された導体部、前記導体部の一端に接続され且つ所定周波数の交流信号の入力を受ける給電部、及び一端がグランドに接続されるとともに他端が前記給電部を介して前記導体部に接続された短絡線を含むアンテナと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る無線モジュールは、積層基板と、前記積層基板の基板面内の素子搭載領域に形成された通信回路と、前記積層基板の他の領域に形成され、前記他の領域の外周に沿って延伸するとともに当該延伸方向において互いに離間した一端及び他端を有し且つ前記積層基板の基板面に垂直な方向から見てループ状に形成された導体部、前記導体部の一端に接続され且つ前記通信回路から所定周波数の交流信号の入力を受ける給電部、及び一端がグランドに接続されるとともに他端が前記給電部を介して前記導体部に接続された短絡線を含むアンテナと、を有することを特徴とする。

本発明の無線モジュールによれば、アンテナエリアの面積を抑えつつ高い放射効率を得ることが可能となる。

本発明の実施例１に係る無線モジュールの構成を示す上面図である。本実施例の積層基板の層構造の例を模式的に示す図である。一般的な逆Ｆアンテナの構成を模式的に示す図である。スプリットリング共振器の構成を模式的に示す回路図である。電界及び磁界の偏波の方向を示す図である。比較例の無線モジュール構成を示す上面図である。比較例の無線モジュールにおけるアンテナの放射パターンを示す図である。本実施例の無線モジュールにおけるアンテナの放射パターンを示す図である。本発明の実施例２に係る無線モジュールの構成を示す上面図である。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の各実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一または等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１は、本実施例に係る無線モジュール１００を、無線モジュール１００を搭載する基板の１の表面（以下、単に表面と称する）の上方から見た上面図である。無線モジュール１００は、積層基板１１と、積層基板１１に形成されたアンテナ１２及び回路部１３と、を含む。

積層基板１１は、複数の導体層が誘電体層を挟んで積層された多層基板である。積層基板１１は、上面視で矩形の形状を有し、マザー基板МＢ上に設けられている。

図２は、積層基板１１の層構造を模式的に示す断面図である。本実施例の積層基板１１は、例えば４層構造のリジッド基板であり、Ｌ１層、Ｌ２層、Ｌ３層、Ｌ４層及びコア層（ＣＯＲＥ）を含む。Ｌ１層とＬ２層との間、及びＬ３層とＬ４層との間には、ＰＰ層が形成されている。

Ｌ１層は、４層構造の一層目を構成する導体層（第１の導体層）である。Ｌ２層は、４層構造の二層目を構成する導体層（第２の導体層）である。Ｌ３層は、４層構造の三層目を構成する導体層（第３の導体層）である。Ｌ４層は、４層構造の四層目を構成する導体層（第４の導体層）である。Ｌ１層～Ｌ４層の各々は、例えば銅箔（Cu）からなる信号層（配線層）として構成されている。

ＰＰ層は、配線層の間に設けられた誘電体層であり、エポキシ樹脂等からなるプリプレグによって構成されている。コア層は、多層基板の中心に位置する内層であり、本実施例では、Ｌ２層とＬ３層との間に設けられている。コア層は、エポキシ樹脂等を硬化させた基材から構成されている。

再び図１を参照すると、積層基板１１は、基板面内（すなわち、積層方向に直交する方向の面内）において、アンテナを配置するためのアンテナ配置領域ＰＡと、回路部を構成する素子を搭載するための素子搭載領域ＰＢと、を有する。アンテナ配置領域ＰＡはマザー基板ＭＢの第１領域Ａ１に、素子搭載領域ＰＢはマザー基板ＭＢの第２領域Ａ２に、それぞれ配置されている。

無線モジュール１００のアンテナ１２は、導体部２１、給電ポート２２及び短絡線２３から構成されている。アンテナ１２は、積層基板１１のアンテナ配置領域ＰＡに設けられている。回路部１３は、無線信号を送受信する無線通信回路を含み、素子搭載領域ＰＢに搭載された複数の素子から構成されている。

アンテナ１２の導体部２１は、帯状導体から構成され、上面視（すなわち、積層基板１１の基板面に垂直な方向から見た場合）において、アンテナ配置領域ＰＡの外周に沿って延伸するループ形状を有する。当該ループには、延伸方向に沿って離間する一端及び他端からなる開放端部が形成されている。

本実施例では、導体部２１は、矩形のループ形状を有し、開放端部は素子搭載領域ＰＢに面した一辺に設けられている。開放端部を構成する導体部２１の一端Ｅ２は、給電ポート２２に接続されている。導体部２１の他端Ｅ１は、ループの中央部付近に位置しており、一端Ｅ２を含む他の導体部分の配線幅Ｗ２よりも広い配線幅Ｗ１を有する。

給電ポート２２は、所定の周波数帯の信号の入力を受ける給電点である。給電ポート２２は、導体部２１によって形成されたループの開放端部に近接した位置（例えば、導体部２１がなす矩形形状の開放端部を有する辺に隣接する辺）に設けられ、導体部２１の一端Ｅ２に接続されている。

短絡線２３は、導体部２１とマザー基板ＭＢのグランドパターン（図示せず）とを接続する配線部である。短絡線２３の一端は、グランドパターンに接続されている。また、短絡線２３の他端は、給電ポート２２を介して導体部２１の一端Ｅ２に接続されている。

なお、本実施例では、導体部２１及び短絡線２３の各々は、第２の導体層であるＬ２層に形成されている。

アンテナ１２は、導体部２１、給電ポート２２及び短絡線２３からなる逆Ｆアンテナとして構成されている。また、導体部２１は、開放端部を有するスプリットリングとして構成されている。すなわち、本実施例のアンテナ１２は、逆Ｆアンテナと、スプリットリング共振器からなるループアンテナと、を合わせたアンテナ構造を有する。

図３Ａは、一般的な逆Ｆアンテナの構成を模式的に示す図である。本実施例のアンテナ１２の導体部２１は、逆Ｆアンテナの本体部ＢＤに対応している。また、アンテナ２１の給電ポート２２及び短絡線２３は、逆Ｆアンテナの給電線ＰＳ及び短絡線ＳＣにそれぞれ対応している。

図３Ｂは、スプリットリング共振器の構成を模式的に示す回路図である。本実施例のアンテナ１２の導体部２１は、スプリットリング共振器におけるインダクタＬの役割を有している。図１に示す導体部２１の他端側の配線幅Ｗ１を調整することにより、容量Ｃが変化する。すなわち、本実施例のアンテナ１２では、ループ形状の導体部２１によってスプリットリングが形成され、開放端部において容量Ｃが形成されることにより、ＬＣ直列共振回路が構成されている。なお、共振周波数ｆは、Ｌ及びＣを用いて次の数式（数１）のように表される。

逆Ｆアンテナは、電界の変化により電流を発生させる電界型アンテナである。これに対し、ループアンテナ（スプリットリング共振器）は、磁界の変化により電流を発生させる磁界型アンテナである。

逆Ｆアンテナは、電界型アンテナであるため、アンテナの軸方向（すなわち、導体部の延伸方向）の感度が高い。一方、ループアンテナは、磁界型アンテナであるため、ループ面に直交する方向の感度が高い。

図３Ｃは、電界及び磁界の偏波の方向を示す図である。電界及び磁界は、互いに９０度異なる方向に偏波している。例えば、電界の偏波の方向を垂直方向とすると、磁界の偏波の方向は水平方向となる。

上記の通り、本実施例のアンテナ１２は、電界型アンテナである逆Ｆアンテナ、及び磁界型アンテナであるループアンテナの両方の性質を有する。このため、逆Ｆアンテナの共振周波数とスプリットリング共振器の共振周波数とが同じ周波数（例えば、２．４ＧＨｚ）となるように構成することにより、全方位で球面に近い放射パターンが得られる。

なお、本実施例では、給電ポート２２の端部に所定の周波数帯（例えば、本実施例では２．４ＧＨｚ）の交流信号を入力することにより、電流から電界及び磁界へと変換され、信号が放射される動作となる。

図４は、本実施例とは異なり、アンテナ部分がミアンダ形状の逆Ｆアンテナから構成されている比較例の無線モジュールの構成を示す図である。

比較例の無線モジュール２００では、アンテナ１２が逆Ｆアンテナとして構成されており、本実施例の無線モジュール１００のアンテナ１２のようなループアンテナとしての性質を有していない。

図５Ａは、比較例の無線モジュール２００におけるアンテナの垂直偏波と水平偏波を合成した放射パターンを示す図である。比較例の無線モジュール２００では、アンテナ１２が電界型アンテナである逆Ｆアンテナとして構成されているため、一方向（例えば、図３Ｃの垂直方向）に強い感度を有する。そして、アンテナの感度は、強い感度を有する方向に直交する方向（例えば、図３Ｃの水平方向）については弱くなる。

図５Ｂは、本実施例の無線モジュール１００におけるアンテナの放射パターンを示す図である。本実施例の無線モジュール１００は、アンテナ１２が電解型アンテナである逆Ｆアンテナとして構成されているとともに、磁界型アンテナであるループアンテナとして構成されている。このため、アンテナ１２は、垂直方向及び水平方向のいずれにも比較的一様な放射特性を有する。したがって、アンテナの放射パターンは図５Ｂに示すように、等方的に近い指向特性となる。

以上のように、本実施例の無線モジュール１００は、電解型アンテナである逆Ｆアンテナ及び磁界型アンテナであるループアンテナの両方の特徴を有するため、アンテナの放射方向が広い。したがって、本実施例の無線モジュール１００によれば、アンテナエリア（アンテナ配置領域ＰＡ）を広げることなく、放射効率及び指向特性を改善することが可能となる。

次に、本発明の実施例２について説明する。

図６は、実施例２の無線モジュール３００を示す上面図である。本実施例の無線モジュール３００は、導体部２１と短絡線３３とが互いに異なる導体層に形成されている点で、実施例１の無線モジュール１００と異なる。

導体部２１は、図２に示す積層基板１１の複数の導体層のうち、第２の導体層であるＬ２層に形成されている。一方、短絡線３３は、第３の導体層であるＬ３層に形成されている。導体部２１及び短絡線３３は、給電ポート２２に配置されたＬ２層とＬ３層とを接続するビア（図示せず）によって接続されている。

また、導体部２１及び短絡線３３は、アンテナ１２を上面視した場合、すなわち導体部２１のループがなす平面（以下、ループ面と称する）に垂直な方向から見た場合に、重ならない位置（交差しない位置）に形成されている。

導体部２１と短絡線３３とでは、互いに反対方向に電流が流れる。しかし、本実施例の無線モジュール３００では、上記のように導体部２１と短絡線３３とが互いに異なる導体層であって且つ上面視において互いに重ならない位置となるように形成されている。このため、導体部２１を流れる電流と短絡線３３を流れる電流とによって生じる電流同士の打ち消し合いがより低減される。

したがって、本実施例の無線モジュール３００によれば、アンテナの放射効率をさらに向上させることができる。

なお、本発明は上記実施例で示したものに限られない。例えば、上記実施例では、共振周波数が２．４ＧＨｚである場合を例として説明した。しかし、共振周波数の周波数帯はこれに限られず、逆Ｆアンテナの共振周波数とスプリットリング共振器の共振周波数とが同じ周波数帯域となるように構成されていればよい。

また、上記実施例では、積層基板１１が４層構造のリジット基板である場合を例として説明したが、積層基板１１の構成はこれに限られない。例えば、積層基板１１はセラミック基板やフレキシブル基板によって構成されていてもよい。また、４層構造ではなく、２層構造や６層構造であってもよい。すなわち、積層基板１１は、少なくとも２以上の導体層を含む積層基板として構成されていればよい。

また、導体部２１の形状は、上記実施例で示したものに限られない。例えば、上記実施例１では、導体部２１の他端が幅Ｗ１の矩形の形状を有する場合を例として説明したが、これに限られず、幅Ｗ１が徐々に増大するような形状に構成されていてもよい。なお、本実施例のアンテナ１２の形状では、導体部２１の他端の幅Ｗ１が大きい程、スプリットリング共振器の容量（図３Ｂに示す「Ｃ」）を大きくすることができる。また、導体部２１の開放端部を構成する一端Ｅ２と他端Ｅ１との距離が近い程、スプリットリング共振器の容量を大きくすることができる。

また、上記実施例２では、アンテナ１２の導体部２１全体が短絡線３３とは異なる導体層に形成されている場合について説明した。しかし、導体部２１全体ではなく、少なくとも他端Ｅ１を含む一部の領域が、短絡線３３とは異なる導体層に形成されていればよい。例えば、導体部２１の他端Ｅ１付近の領域のみがＬ２層に形成され、ビアで接続された他の領域がＬ３層に形成されていてもよい。

また、導体部２１は、誘電体層ＰＰを挟んだ複数の導体層（例えば、Ｌ１層とＬ２層、Ｌ３層とＬ４層）に亘って形成されていてもよい。かかる構成によれば、スプリットリング共振器の容量Ｃを大きくすることができる。したがって、導体部２１の他端Ｅ１の幅、一端Ｅ２と他端Ｅ１との距離に加えて、ビアを用いて誘電体層ＰＰを経由するか否かを選択することにより、スプリットリング共振器の容量Ｃを調整することが可能となる。

１００無線モジュール
１１積層基板
１２アンテナ
１３回路部
２１導体部
２２給電ポート
２３短絡線
３３短絡線

Claims

積層基板と、
前記積層基板の基板面内の１の領域に形成された素子搭載部と、
前記積層基板の基板面内の他の領域に形成され、前記他の領域の外周に沿って延伸するとともに当該延伸方向において互いに離間した一端及び他端を有し且つ前記積層基板の基板面に垂直な方向から見てループ状に形成された導体部、前記導体部の一端に接続され且つ所定周波数の交流信号の入力を受ける給電部、及び一端がグランドに接続されるとともに他端が前記給電部を介して前記導体部に接続された短絡線を含むアンテナと、
を有することを特徴とする無線モジュール。
前記アンテナは、前記導体部を本体部とする前記所定周波数の逆Ｆアンテナを形成するとともに、前記一端及び前記他端が容量を形成し且つ前記所定周波数を共振周波数とするスプリットリング共振器を形成していることを特徴とする請求項１に記載の無線モジュール。
前記積層基板は、少なくとも２以上の導体層を含み、
前記導体部の前記他端を含む少なくとも一部の領域は、前記積層基板の１の導体層に形成され、
前記短絡線は、前記積層基板の他の導体層に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線モジュール。
前記導体部及び前記短絡線は、前記積層基板のコアを挟んで互いに異なる導体層に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の無線モジュール。
前記導体部の前記他端を含む少なくとも一部の領域は、前記積層基板の基板面に垂直な方向から見て、前記短絡線と重ならない位置に形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の無線モジュール。
前記導体部の前記他端を含む少なくとも一部の領域は、前記一端よりも大なる導体幅を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の無線モジュール。
積層基板と、
前記積層基板の基板面内の素子搭載領域に形成された通信回路と、
前記積層基板の他の領域に形成され、前記他の領域の外周に沿って延伸するとともに当該延伸方向において互いに離間した一端及び他端を有し且つ前記積層基板の基板面に垂直な方向から見てループ状に形成された導体部、前記導体部の一端に接続され且つ前記通信回路から所定周波数の交流信号の入力を受ける給電部、及び一端がグランドに接続されるとともに他端が前記給電部を介して前記導体部に接続された短絡線を含むアンテナと、
を有することを特徴とする無線モジュール。